普光气田开发区土地利用/覆盖扰动监测

汪东川，黄 勇，张利辉

(1. 天津城建大学，天津 300384；2. 东北林业大学，哈尔滨 150040；3. 环境保护部环境工程评估中心，北京 100012)

地质与测绘

普光气田开发区土地利用/覆盖扰动监测

汪东川1，黄 勇2,3，张利辉1

(1. 天津城建大学，天津 300384；2. 东北林业大学，哈尔滨 150040；3. 环境保护部环境工程评估中心，北京 100012)

气田开发施工工程常常对植被造成破坏，改变土地利用现状，产生水土流失，因而加剧了项目区土壤侵蚀强度．以普光气田开发区为研究区，在3S技术支持下，运用空间分析方法，通过图层叠加、缓冲区分析与土地利用/覆盖变化轨迹提取，对气田开发区的生态系统破坏与恢复情况进行监测．结果表明：气田开发工程过程中会对植被和周围生态系统产生较大影响；工程前后土地利用变化主要体现在林地、耕地、草地和建设用地之间的转换上，其中气田开发区建设以占用耕地为主．但由于采取了相应的水土保持、生态恢复等措施，没有引发明显的水土流失和生态破坏，故工程中采取的措施有效，后期植被恢复较好．

普光气田工程；土地利用/覆盖扰动；3S技术；空间分析；生态修复监测

土地利用/覆盖变化是人类有目的、有意识的社会经济活动，是表明人类活动与生态环境之间相互作用的一个敏感因素．随着全球变化研究的深入开展，土地利用变化在全球变化研究中的地位和作用越来越重要，研究土地利用/土地覆盖变化对生态环境的影响及其驱动力已经成为该领域关注的焦点[1-5]．土地利用/覆盖变化一方面与自然环境演变相关，另一方面与人类活动的不断增加密切相关[6-8]．

为了全面了解土地利用/覆盖变化中自然过程和人类活动的相互作用，需要更加准确地对其变化过程进行监测，并做出精确的定量评价[9]．目前，随着地理信息科学的快速发展，3S(GIS—geographical information system，RS—remote sensing，GPS—global positioning system)技术的集成应用已成为探讨景观格局动态变化规律，建立演变驱动模型的重要手段．

普光气田主体开发工程及天然气净化厂工程建设项目是我国目前规模最大、丰产最高的特大型海相整装气田，并被列为国家“十一五”重点建设项目．由于施工要在大面积范围内进行开挖和填埋，必将对植被产生破坏，改变土地利用现状，导致水土环境遭到破坏，如果不采取良好的水土保持措施，将会造成大量水土流失，加剧项目区土壤侵蚀强度．基于气田开发和生态保护的同等重要性，开展普光气田开发区土地利用/覆盖扰动监测与评价研究具有重大意义．通过对气田开发区的生态调查和景观类型进行监测，摸清普光气田的生态现状，有利于为科学地构建环境有益、经济优化、社会可接受的“绿色气田、生态工程”体系提供重要的基础资料和科学依据，从而实现普光气田的可持续开发建设．

在3S技术支持下，运用空间分析方法，通过图层叠加、缓冲区分析与土地利用/覆盖变化轨迹提取，对气田开发区的生态系统破坏与恢复情况进行监测，不但有利于及时了解生态系统状态、生态恢复程度等信息，而且还可以指导气田开发工程的生态环境管理，并为其提供科学、高效的决策支持．

1 研究区生态环境概况

普光气田主体工程位于四川省达州市宣汉县(见图1)．气田主体开发工程及天然气净化厂工程建设项目从2006年开始施工，2009年竣工．勘探开采面积为1,118,km2，资源量为8,916亿m3．整个气田区地处四川盆地东北边缘外围山地区，地形地貌的总特征体现了由盆地丘陵向外围山区过渡的特点．普光气田勘探开发区为中石化宣汉—达县区块，具体位于普光镇，并在老君、土主、清溪展开．

图1 气田开发地理位置

普光气田区主要为亚热带湿润季风气候，但由于立体地貌构成了立体气候特征，因此兼具北亚热带和南温带气候特征．全年平均气温在8.0～17.3℃；区内多年平均降雨量1,213.5,mm，降雨主要集中在5-10月，占年降雨量的70%左右；年平均相对湿度1-3月为72%～77%，6-9月为79%～84%；年蒸发量为1,215.9,mm，无霜期达210,d．

普光气田区属渠江流域，是四川省五大水系(嘉、涪、渠、岷、乌)之一，是嘉陵江右岸的最大支流．土壤为第四纪冰川沉积物．土壤类型由地质地层的岩性所决定．气田区内主要为亚热带常绿针叶林、低山落叶栎林和亚热带竹林．

2 研究方法

本研究主要采用现场调查与资料收集相结合，并应用遥感影像专题解译、GIS空间分析等方法，分析普光气田开发工程建成后对该区域土地利用/覆盖变化的影响．

2.1 土地利用/覆盖变化调查

2.1.1 调查区域

将普光主体工程部分作为遥感专题解译和现场调查区域．在ArcGIS地理信息系统软件中标出该区域，东西约7.9,km，南北约8.9,km，面积约70,km2的矩形框．调查评价区域见图1．

2.1.2 现场调查及GPS定位

2010年11月，对普光气田开发区域进行了现场调查，对集气站周边生态环境现状进行了详细取样，主要采集土地利用类型解译标志点、覆盖程度、水土保持措施等信息，并使用Trimble JUNO SB GPS对考察点进行GPS定位和轨迹记录，共选择了代表性样点42个，空间分布情况见图2．

图2 野外实地调查GPS点位

2.2 遥感数据预处理及土地利用类型识别

选择工程建设前、建设初和建设后的卫星遥感数据对工程周边的生态环境进行了调查．遥感影像数据采用ALOS卫星数据2.5,m全色数据与10,m多光谱数据融合生成多光谱彩色影像，空间分辨率为2.5,m．工程建设前监测数据采集时间为2002年9月，建设初期为2007年9月，建设后期为2010年4月．

首先采用FLAASH(fast line-of-sight atmospheric analysis of spectral hypercubes，简称FLAASH)模型对遥感影像进行大气纠正；随后基于研究区1∶5万倍地形图和已有GPS野外监测点作为控制点，对影像进行几何精校正，确保各时间节点遥感图像的几何误差在一个像元之内．

对预处理后的遥感影像进行人机交互式土地利用分类提取，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6种．通过解译标志点及实地调查，对解译结果进行验证，使解译精度达到90%以上．

2.3 管线缓冲区土地利用/覆盖变化监测

在调查评价区域内对工程建设管线300,m缓冲带内工程建设初(2007年)及工程建设后(2010年)的土地利用/覆盖类型进行遥感解译，将解译结果数据在ArcGIS地理信息系统软件中进行空间查询与统计．

基于工程初与工程后的两期遥感影像分类结果，建立调查区土地利用变化轨迹图谱，图谱建立方法见文献[10-11]．利用轨迹图谱，研究2007—2010年间所有土地利用变化轨迹时空分布情况．根据变化图谱，建立调查区土地利用类型转移图谱及土地利用类型转移矩阵，分别为转移面积矩阵和变化面积占调查区面积比例矩阵．

3 结果与讨论

3.1 研究区内土地利用变化分析

土地利用遥感专题解译得到土地利用空间分布情况．将解译后的土地利用数据在ArcGIS地理信息系统软件上进行空间查询和统计分析．普光气田周边主要为农田、林地，人类开发利用强度较高，农业开发活动较强烈．工程前、后各类土地利用面积变化情况见表1．

表1 工程前、后各类土地利用面积变化情况

分析表1可知：工程前后变化主要表现在首先是耕地的减少和建设用地的增加，其次是草地和少量林地面积的增加．这种变化与普光气田工程大部分占用农地有关．耕地面积从2002—2010年减少935.69,hm2，在调查区内减少面积最大，其变化比例为－39.31%；另一个面积减少的地类为未利用地，变化比例为－66.34%，但由于其在研究区所占面积比例较小，面积减少量仅为46.59,hm2；建设用地在面积增加量与变化比例方面均为最高值，分别为530.19,hm2和112.95%；草地在研究时段内增加了37.16%，增加部分占地面积为325.88,hm2；水域的变化面积及变化比例都较小，分别为49.10,hm2和26.26%；林地处于增加趋势，时段内增加77.11,hm2，但由于林地初始面积较大，故变化比例仅为2.18%．

基于工程前后两期遥感影像分类结果，建立调查区土地利用变化轨迹图谱(见图3，图中：1-耕地；2-林地；3-草地；4-水域；5-建设用地；6-未利用地．轨迹代码为2007—2010年土地利用类型转换编码，如“23”表示土地利用类型从“林地”转变为“草地”．图中浅色色调为未发生变化区域；深色色调为变化区域)．图谱表达了调查区域内2002—2010年所有土地利用格局变化时空分布情况．由图3可以看出，发生变化的区域大多集中在河流两侧附近区域，与集气站所在位置具有一定的相关性．

图3 调查区域工程前后土地利用变化轨迹图谱

根据变化图谱建立调查区两个土地利用类型转移矩阵，分别为转移面积矩阵(见表2)和变化面积占调查区面积比例矩阵(见表3)．

表2 2002—2010土地利用类型转移矩阵 hm2

表3 2002—2010变化面积占调查区面积比例矩阵 %

从表2与表3可以看出，土地利用发生变化区域占整个调查区域的38.08%，且在研究区内，转换面积较大的(大于100,hm2)几个变化轨迹依次为：12(耕地-林地，560.50,hm2，占调查区域总面积7.46%)；15(耕地-建设用地，481.49,hm2，占总面积6.41%)；23(林地-草地，363.51,hm2，占总面积4.84%)；13(耕地-草地，285.96,hm2，占总面积3.80%)；21(林地-耕地，283.35,hm2，占总面积3.77%)；32(草地-林地，247.94,hm2，占总面积3.30%)；25(林地-建设用地，143.77,hm2，占总面积1.91%)．以上7种变化面积总和为2,366.51,hm2，占总面积的31.49%，占调查区域内所有变化面积的82.68%，可以代表调查区域内主要的土地利用变化趋势．

综上所述，工程前后土地利用变化主要体现在林地、耕地、草地和建设用地之间的转换上，包括林地和耕地向草地和建设用地的转换(占研究区域总面积16.96%)以及耕地与林地之间的转换(占研究区域总面积11.23%)，其中气田开发区建设以占用耕地为主．

3.2 工程建设缓冲带扰动恢复分析

对解译后工程初期(2007)和工程后(2010)的工程建设管线300,m缓冲带土地利用数据进行空间查询和统计，统计结果见表4．

分析表4可知，扰动变化主要表现在耕地、水域的增加和建设用地与未利用地的减少．2007年为工程开工第2年，各个集气站和管道建设均已展开，处于建设期，除了规划所占面积外，还要有一部分临时建设用地，该部分建设用地对地表土地利用类型产生扰动，在建设完工后需要进行生态修复．到2010年，耕地面积从2007→2010年增加了8.56,hm2，水域增加21.54,hm2；面积变化为负的地类主要为建设用地和未利用地，分别减少了15.33,hm2和12.52,hm2，说明在建设完工后对临时建设用地采取了生态修复措施，以保持水土，保护生态．

表4 缓冲区各类土地利用面积变化情况

基于工程初期与工程后的两期遥感影像分类结果，建立调查区土地利用变化轨迹图谱(见图4)．图4表达了调查区域内2007—2010年所有土地利用发生变化区域的时空分布情况．可以看出，发生变化的区域大多集中在集气站附近，与集气站所在位置具有一定的相关性．

根据变化图谱，建立调查区土地利用类型面积转移矩阵(见表5)和变化面积占缓冲区面积比例矩阵(见表6)．

从表5与表6可以看出，土地利用发生变化区域占整个缓冲区的4.19%，且在研究区内，转换面积较大的(大于10,hm2)几个变化轨迹依次为：①建设用地-耕地(18.13,hm2，占缓冲区总面积1.23%)；②未利用地-水域(12.48,hm2，占缓冲区总面积0.85%)；③耕地-建设用地(10.52,hm2，占总面积0.72%)．其中建设用地与耕地之间的转换与工程建设具有直接的关系．此外，建设用地向林地和草地的转换体现了工程后的生态恢复；而未利用地向水域的转换，因未利用地多为河滩地，在2010年变成水域，除了部分临河工程与变化有一定关系外，基本上与工程建设无关．

图4 缓冲区内土地利用转移图谱

表5 2007—2010土地利用类型面积转移矩阵 hm2

表6 2007—2010变化面积占调查区面积比例矩阵 %

综上所述，调查区域土地利用变化大多发生在集气站或管线附近，主要变化类型反映了该区域在工程建设后采取了一系列生态工程措施，对工程期间临时建设用地进行了修复．土地利用面积变化最大的为水域，增加了15.33,hm2，但与工程实施关系不大．建设用地在工程后期处于减少趋势，总计减少了15.33,hm2，分别转变成耕地面积(8.56,hm2)、林地面积(0.73,hm2)、草地面积(3.53,hm2)及水域面积(9.25,hm2)，表明在2007—2010年间，采取了一系列生态恢复措施，将临时用地恢复成了耕地、林地、草地和水域，效果较好．

4 结论与建议

通过现场调查、高分辨率遥感影像解译及GIS空间分析可知，集气站和管道建设过程中道路、隧道、改线工程会对生态环境造成一定的影响，但在可控制的范围内．建设单位在工程中采取了相应的水土保持、生态恢复等措施，并在施工作业期间采取了严格的管理措施，有效防止了水土流失的发生和生态环境的破坏，尤其是在生态敏感地带，采取了许多行之有效的措施，避免了施工过程对生态环境的影响．

本研究仅对研究区各地类的面积变化进行了分析，没有具体涉及到植被覆盖度．由于工程影响，植被恢复区域虽然恢复面积达到一定标准，但土地扰动引起的较低的植被覆盖度是造成水土流失的隐患，因此建议在集气站周边较平坦的区域增加林木的种植量，对坡度较大的地方以种植灌木和草本为主，以加大工程过程中临时用地植被恢复的覆盖度，同时采取一些必要的水土保持工程措施，降低水土流失风险．

［1］ 李秀彬. 全球环境变化研究的核心领域：土地利用/土地覆盖变化的国际研究动向[J]. 地理学报，1996，51(5)：553-557.

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The Monitoring Research of Land Use/Cover Disturbance in Puguang Gas Field Development Zone

WANG Dong-chuan1，HUANG Yong2,3，ZHANG Li-hui1
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Northeast Forest University，Harbin 150040，China；3. Environmental Engineering Assessment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China)

Gas field development engineering project often exerts damage to vegetation，changing land use status，lead to soil and water losses，and increase soil erosion intensity of the project area. Based on 3S technology，taking Puguang gas field development zone as the research area，the ecosystem destruction and recovery situation of the gas field development zone were monitored through layer overlay，buffering analysis and land use/cover change trajectory extraction using spatial analysis method. Results showed that during the process of the project，great impacts were brought about on the vegetation and the surrounding ecosystem. Land use/cover conversions were mainly between forest，farmland，grassland and constructive land before and after the project. Among those conversions，the occupied farmland was the main land use during gas field development construction. While because appropriate measures，such as soil and water conservation，ecological restoration，had been taken during the construction，no obvious soil erosion and ecological destruction arose. The later engineering protection measures produced better vegetation restoration in the project area.

Puguang gas field engineering project；disturbance of land use/cover；3S technology；spatial analysis；monitoring of ecological restoration

X820.3

A

2095-719X(2014)04-0251-06

2014-05-13；

2014-06-03

全国生态环境10年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目(STSN-11)；天津市高等学校科技发展基金计划项目(20120526)

汪东川（1972—），男，河北唐山人，天津城建大学副教授，博士．

黄 勇（1980—），男，高级工程师，东北林业大学博士生，从事环境影响评价、基于GIS和RS的景观格局与过程分析和模拟的研究．E-mail：112822698@qq.com