丹江口水库消落带土地利用现状调查及特点分析

叶 松，谭德宝，张 煜

(1.华中科技大学 水电与数字化工程学院，武汉 430074；2. 长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)



丹江口水库消落带土地利用现状调查及特点分析

叶 松1,2，谭德宝2，张 煜2

(1.华中科技大学 水电与数字化工程学院，武汉 430074；2. 长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

为分析丹江口库区消落带土地利用空间格局及土地资源特点，基于2013年丹江口水库调水前无人机采集的库区0.5 m数字正射影像，对库区蓄水前的土地利用现状进行遥感监测。结合行政区划图和1∶50 000数字高程模型提取的150，160，163.5，170 m水位淹没线、坡度图，采用空间分析与地理统计方法，研究了丹江口库区调水前的土地利用现状特点。结果表明：150～160 m，160～170 m消落带面积分别为227.1 km2，194.3 km2；消落带主要分布在淅川、丹江口、郧县；耕地是消落带区域内最主要的用地形式，且主要分布在淅川。监测结果为丹江口库区消落带管理提供了数据基础。

丹江口水库；消落带；土地利用；空间统计分析；无人机遥感

1 研究背景

消落带(Water-Level-Fluctuating Zone)指水库由于季节性水位消涨和周期性蓄水在最高水位线与最低水位线之间形成的消涨区域，是陆地生态系统与水生生态系统的过渡区域[1]，是生态脆弱的敏感带和易污染、易破坏带[2]。随着三峡工程建设运行，消落带的管理逐渐引起重视。国内外学者开展了水库消落带的生态环境、土地利用、土壤环境和生态重建等方面的试验和研究，并取得一定进展[3-9]。

丹江口水库是南水北调中线水源工程的水源地，输水安全对库区消落带管理提出了更高要求。2013年5—6月份，长江科学院利用无人机低空遥感技术获取了丹江口库区0.5 m高分辨率遥感影像，共计2 300km2有余，覆盖整个丹江口水库。以无人机遥感影像为主要数据源，采用目视判读结合现场样本调查，解译获取了丹江口库区140～176.6 m土地利用与土地覆被基本特征情况，结合1∶50 000数字高程模型和行政区划图，分析了库区消落带空间格局及土地资源特点。研究结果对水库调水运行后消落带土地资源开发利用及水源地水环境保护具有重要意义。

2 研究区概况

南水北调中线工程水源地为汉江中上游的丹江口水库，主要向输水沿线的河南、河北、北京、天津4省市的20多座大中型城市提供生活和生产用水。丹江口水库位于汉江中上游，由1973年建成的丹江口大坝下闸蓄水后形成，横跨鄂、豫2省，由汉江库区和丹江库区组成。丹江口水库多年平均入库水量为394.8亿m3，水源来自于汉江和丹江。

3 研究方法及数据源

3.1 研究方法

基于1∶50 000的数字高程模型提取丹江口水库特征淹没线，结合库区行政区划矢量地图，套合高分辨率无人机遥感影像，采用人工目视解译方法，获取了库区消落带土地利用与土地覆被现状，利用空间分析与地理统计方法，研究丹江口库区消落带土地资源特征与空间格局。主要技术流程如图1所示。

图1 主要技术流程

3.2 数据来源

无人机遥感影像采用2013年丹江口水库汛前航拍数据，比例尺为1∶5 000，像素分辨率0.5 m。平面基准采用高斯-克吕格投影，中央经线111°，3°分带。行政区划及1∶50 000的DEM从测绘行政主管部门获取。

3.3 数据处理与信息提取

3.3.1 高程系统转换

高分辨率无人机正射影像采用了西安80直角坐标系，高程基准为1985国家高程基准。因历史原因，长江流域高程系统普遍采用吴淞高程基准[10]，二者高程系统不统一，必须通过水准联测计算转换参数进行高程坐标转换。在精度要求在dm级下时，笔者采用文献[10]的转换参数，四舍五入，取常数1.7 m，则1985国家高程基准与吴淞高程在丹江口库区近似转换关系见式(1)。

(1)

式中：H1985国家为1985年国家基准高程值;H吴淞为基于吴淞零点高程值。

3.3.2 不同水位淹没线提取

基于1∶50 000的DEM数据，经过高程系转换后，分别提取150，160，163.5，170 m等高线，建立等高线拓扑关系，构建闭合图斑，并设定阈值删除破碎的面片，填补缺失图斑，获得了不同水位线下的淹没面。利用150，160 m和160，170 m水位高程的淹没线建立消落带面状数据，经过拓扑检查后形成了150～160 m消落带和160～170 m消落带矢量数据。

3.3.3 土地利用与土地覆被遥感解译

土地利用与土地覆被遥感解译可采用商业软件如eCongnition软件进行面向对象的自动解译，文献[11]即采用该方法。考虑到影像精度和地面复杂情况，使用人工目视判读为主的遥感地表覆盖解译方法，在解译的过程中，综合参考了库区相关的其它数据源，以提高判读的精度。参照《地理国情普查数据规定与采集要求》(GDPJ 03—2013)，土地利用与土地覆被一共划分为7类，各类特征见表1。

表1 土地利用与土地覆被特征

4 结果与讨论

4.1 水库与消落区面积

根据DEM提取150，160，163.5，170 m水位淹没线，将水库中心的岛屿面积计入统计结果，其水库面积分别是590.7，820.5，896.7，1 025.7 km2，水库面积与水位高程呈线性关系，见图2。拟合公式为y=21.854x-2 682.3，R2=0.998 5。其中170 m水库面积与文献[12]的1 050 km2接近，相差2.31%。

图2 水库面积-水位关系Fig.2 Correlation between water level and reservoir area

同理，计算150～160 m消落带面积为227.1 km2，与文献[11]结果基本一致;而160～170 m消落带面积是194.3 km2，与文献[11]的统计值242.6 km2差距较大。

4.2 消落带土地利用特点

4.2.1 坡度分区统计

图3为丹江口水库坡度分区概况，表2为丹江口库区消落带坡度分区统计结果。

从图3及表2的统计数据中可以看出：

(1) 在整个消落区范围内，大约80%区域为坡度<15°的缓坡或平地区域。随着水位高程抬升(160～170 m)平地面积减少，陡坡面积增大，>15°的消落区集中在汉江库区一侧。

(2) 在150～160 m消落带，坡度<2°的土地利用与土地覆盖面积共计105.64 km2，接近总面积的一半，其中湖北、河南2地各占一半；坡度<15°的面积为193.43 km2，约占总面积的85%；>15°的消落带面积为34.51 km2，约占总面积的15%。

(3) 在160～170 m消落带范围内，约80%为坡度<15°的缓坡或平原区域。坡度<2°面积共计50.79 km2，占比超过25%；坡度<15°总面积152.28 km2，约占总面积的78.4%；>15°的消落带面积为41.96 km2，约占总面积的21.6%。

丹江口库区消落带形成后，库区水位会发生周期性涨落，当水位上升到170 m时，由于汉库库岸坡 度大，土体随着水位上升浸泡水中，受到水的浸润作用加上长期的水流冲刷作用，极有可能诱发滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害。

图3 丹江口库区坡度分区

坡度/(°)不同高程下各区土地利用与土地覆被面积/km2150～160m160～170m湖北河南湖北河南[0,2)52.9452.7014.0836.71[2,6)22.6813.3818.2331.17[6,15)38.9212.8134.6017.49[15,25)22.366.3024.635.52[25,90]4.661.1910.161.65小计141.5786.39101.7092.54合计227.96194.24

4.2.2 消落带土地利用现状

表3为丹江口库区消落带土地利用分区统计结果。从表3可看出，150～160 m消落带主要土地利用与土地覆被分别是耕地、草地、林地；160～170 m消落带主要土地利用与土地覆被分别是耕地、草地、林地。由此可见，耕地是消落带最主要的土地覆被类型，随着水位抬升到170 m，淹没的林地面积逐渐增大，最大占比近20%。草地面积比重较大，分析原因可能是人工目视解译错误，现场核查时有纰漏，导致误判；此外，从影像看不出明显的耕作沟壑，疑似抛荒地，也被判读为草地。

丹江口库区消落带分布在湖北省丹江口市、郧县、十堰张湾区以及河南省淅川县，且湖北省总面积大于河南省。从分区统计看，在150～160 m消落带区域，耕地主要分布在淅川，占消落区耕地面积72.5%；林地从多到少依次为丹江口市、郧县、淅川。在160～170 m消落带中耕地占比为71.1%。

表3 丹江口库区消落带土地利用分区统计结果

5 结论与建议

(1) 丹江口水库面积与水位高程呈线性关系，拟合公式为y=21.854x-2 682.3，R2=0.998 5。其中170 m水位时水库面积为1 025 km2。

(2) 丹江口库区150～160 m，160～170 m消落带面积分别为227.1 km2，194.3 km2。与表2和表3统计的数据并不一致，究其原因，一是统计误差；二是各图斑空间拓扑关系不正确导致裂缝、压盖，使得统计结果有误差。

(3) 本次丹江口库区消落带土地利用与土地覆被现状调查以无人机亚米级数码影像结合现状调查方式完成，由于影像分辨率显著提高，调查结果的可信度更高。但采用的仍然是内业为主、外业为辅，每一个图斑的判读存在歧义性，而外业工作又无法逐一核实。而2014年启动的第1次全国地理国情普查工作对外业调查工作更加全面具体，为此可利用基于地理国情普查数据对现状调查结果进行复核。

(4) 从调查结果看，消落带范围内存在大量耕地、园地，并且集中在丹江口库区内，离陶岔渠首距离近，当库区移民自发利用消落带的土地资源时，无序的耕作种植极易导致水源地面源污染，对陶岔取水口的水质构成了威胁。为此，建议行政主管部门尽快出台消落带土地资源利用管理办法，建立库区土地开发利用模式，引导库区移民合理有序利用土地资源，减少面源污染。

(5) 根据丹江口水库调度规则，可计算消落带各地块淹没及出露时间。结合丹江口水库坝前多年的实测水位，进而得到精细化的土地资源使用办法。

[1] 艾丽皎,吴志能,张银龙. 水体消落带国内外研究综述[J]. 生态科学, 2013, 32(2): 259-264.

[2] 郑海金,杨 洁,谢颂华. 我国水库消落带研究概况[J]. 中国水土保持, 2010, (6): 26-29.

[3] 曾祉祥,雷 沛,张 洪,等. 丹江口水库典型消落区土壤氮磷赋存形态及释放特征研究[J]. 环境科学学报, 2015, 35(5): 1383-1392.

[4] 刘 晓,苏维词,王 铮,等. 基于RRM模型的三峡库区重庆开县消落区土地利用生态风险评价[J]. 环境科学学报, 2012, 32(1): 248-256.

[5] 李殿球,孙春霞,蒋建东. 三峡水库消落区土地防护利用规划及其评价[J]. 人民长江, 1999, 30(11): 18-20.

[6] 刘 俊. 基于3S技术的三峡水库消落带土地利用/覆被变化研究——以重庆市巫山县为例[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2010.

[7] 徐 亮. 基于GIS的消落带土地利用变化及管理对策研究[D].重庆: 重庆大学, 2007.

[8] 张 虹. 三峡库区消落带土地资源特征分析[J]. 水土保持通报, 2008, 28(1): 46-49.

[9] 胡 波，张平仓，任红玉，等. 三峡库区消落带植被生态学特征分析[J]. 长江科学院院报, 2010, 27(11): 81-85.

[10]周建红,王泽民. 长江三峡库区水文观测吴淞高程系统的确定[J]. 地理空间信息, 2013, 11(2): 127-129.

[11]李伟萍,曾 源,张 磊,等. 丹江口水库消落区土地覆被空间格局分析[J]. 国土资源遥感, 2011, (4): 108-114.

[12]长江水利委员会. 南水北调丹江口水库大坝加高后水库运行水位及消落区面积变化规律研究[R]. 武汉: 长江水利委员会, 2008.

(编辑：黄 玲)

Investigation and Analysis on the Characteristics of Land-useStatus of Danjiangkou Water Level Fluctuating Zone

YE Song1,2,TAN De-bao2, ZHANG Yu2

(1.School of Hydropower & Information Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China;2. Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

To analyze the spatial pattern of land-use and characteristics of land resources in Danjiangkou water-level-fluctuating zone, land-use status quo is monitored through remote sensing based on 0.5 m Digital Orthphoto Map in the reservoir area acquired through unmanned aerial vehicle by 2013 before impoundment of the reservoir area. Moreover, the characteristics of land-use status are studied using spatial analysis and geostatistical methods in association with administrative map, slope map and 150 m, 160 m, 163.5 m, 170m water flooding lines extracted from 1∶50 000 Digital Elevation Model. Results show that the areas of water-level-fluctuating zone are 227.1 km2and 194.3 km2at elevation 150-160 m and 160-170 m, respectively. Water-level-fluctuating zones are mainly distributed in Xichuan, Danjiangkou and Yunxian County. Arable land is the main land form in the fluctuating zone and is mainly distributed in Xichuan. The monitoring results provide a data basis for the management of Danjiangkou water-level-fluctuating zone.

Danjiangkou Reservoir;water-level-fluctuating zone; land-use; spatial and geostatistical analysis;UAV remote sensing

2016-09-01

丹江口库区环境保护科研项目(CKSK2013455/KJ)；云南省省级水资源费项目(CKSK2015720/KJ)；云南省水利重大科技项目(CKSK2015852/KJ)

叶 松(1981-)，男，湖北英山人，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为3S技术在水利信息化中的应用，(电话)027-82828995(电子信箱)cjwyesong@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160896

2016,33(11):17-20

TV697.4

A

1001-5485(2016)11-0017-04