基于LUCC的汤浦水库流域生态价值变化过程研究

2019-10-11李奇宸施练东

水土保持通报 2019年4期

李奇宸, 王敏, 万甜, 施练东, 程文

(1.西安理工大学西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西西安 710048; 2.绍兴市汤浦水库有限公司, 浙江上虞 312364)

人类活动是影响地表形态和土地利用类型变化的主要原因，进而直接或间接影响着全球和区域生态环境有关要素的改变，对生物多样性及生态系统的结构和功能也会造成重要影响[1-2]。在社会发展过程中，各类水利工程的建设在防止洪涝灾害、农业灌溉、城镇供水、水力发电、水产养殖及发展旅游等发挥了重大作用[3-4]，但于此同时，水库尤其是大型水库的建设深刻改变流域的天然形貌，对流域生态环境也产生了重要影响。水库建成后水域面积增加，导致库区周围小气候环境改变，植被分布状况也会随之改变，生态系统结构也会与原始状况有所差别[5-6]；此外，库区水域面积的扩大，其它土地面积就会减少，流域内原始状态下土地利用格局就会随之改变，而且随着水库管理的日益严格，流域内的居民区、工业区也会逐步搬迁，流域内城镇建设用地、工业用地及耕地会进一步减少，土地利用格局的变化也会更加显著[7-8]。作为重要的生态环境要素，流域土地利用类型的改变势必引起流域生态环境变化。为探讨水库建设所引起的流域生态环境的变化，刘冰等[9]基于土地类型变化状况对南湾湖污染源进行解析并研究了其生态价值;赵明月等[10]基于土地利用类型对水府庙水库流域生态安全进行了评价，研究了生态调控措施。近年来随着空间技术和地理信息技术的快速发展及应用，利用遥感影像统计分析土地覆被/利用变化(land use and land cover change， LUCC)，研究流域LUCC的时空演变、驱动力分析、情景模拟和预测以及生态环境价值(效应)评价等，是当前流域生态环境问题研究的热点[11-14]。但针对饮用水水库建设前后及运行管理期土地利用变化和生态效应的研究较少。因此，本文基于1998—2018年共5期遥感影像数据，对一水源地水库LUCC时空变化进行定量分析，从土地利用类型的转移和生态价值指数的变化等方面评价水库流域各阶段生态效应；基于GIS缓冲区分析和空间叠加分析，划分水源地水库流域污染监控区；并在此基础上研究流域内居民搬迁方案，模拟预测逐步实施居民搬迁计划后，流域生态价值指数变化趋势。为该流域生态环境保护及水源地水库管理与供水安全的保障提供参考。

1 研究区概况

汤浦水库位于浙江省绍兴市汤浦镇，兴建于1997年12月，总库容2.35×109m3，水面面积14 km2，多年平均径流量11.6 m3/s，设计日供水规模达1.00×106t，属国家大(Ⅱ)型水库。为虞绍平原170万人解决生活、生产用水问题。水库流域位于会稽山脉东南部，属浙东低山丘陵区。地理坐标为东经120°24′—120°55′，北纬29°30′—29°57′之间。研究区东西长30.8 km，南北宽32.6 km，土地面积460 km2，地势西南高东北低，处于亚热带季风气候，平均气温16.5 ℃、流域多年平均降水量1 564.4 mm，3月、6月、9月为多雨季，枯水期一般为10月到次年2月之间。流域土壤种类以红壤、黄壤、黄棕壤为主。主要植被为乔木层，马尾松为优势种。东面G104国道、G329国道位于西北，中间S212省道穿过研究区。上游流域设定为饮用水水源二级保护区、涉及到6个乡镇，85个行政村，人口约12万。

2 数据来源与处理

研究区土地利用变化数据主要来源于1998，2003和2008年的Landsat TM影像，以及2013年、2018年的Landsat 8影像数据。为了避免季节、天气等影响，选取同一季节相近月份、无云质量较好影像作为源数据。通过ENVI 5.3对遥感影像的辐射校正、大气校正、图像融合、图像剪裁等预处理，最大似然法监督分类与NDVI的非监督分类相结合的方式划分土地利用[15]。再经过小斑块去除、聚类处理等分类后处理,并对分类结果进行精度验证，其Kappa系数均达到允许判别0.7的要求。利用中科院资源环境信息数据库发布的2004年1∶100 000土地利用现状图；1∶5万土壤图和1∶5万植被图为辅助数据，以及实地调查对土地利用类型进行修正。最终得到汤浦水库流域1998—2018年共5期土地利用图。土地利用分类采用中科院资源环境信息数据库的6类分类法，将土地利用与类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个类型。

3 研究方法

3.1 土地利用/覆盖类型转移矩阵

通过计算k时期与k+1时期的不同土地利用类型之间的转换情况求得的二维矩阵，能够描述利用类型之间在不同时相时的面积变化和转移方向，了解变化的总体趋势和土地利用的结构变化。转移矩阵使用的是马尔科夫模型，其不仅可以定量的表示类型之间的转化情况，同时还能揭示类型之间的转移速率[16]。

(土地利用类型<10时适用)

(1)

3.2 面积净变化指数

分析同一土地利用类型面积随时间尺度的净变化指数[17]。计算公式为：

(2)

3.3 生态价值指数(ecological value index, EVI)

生态服务价值是指经济社会体直接或间接从生态系统得到的利益，主要包括向社会体提供的有价值的物质和能量；接纳和转化来自社会体的废弃物；为人类直接提供的(干净的空气、舒适的环境)服务[18]。区域生态服务的价值会因为区域土地利用的生态进程和服务间的相互作用产生影响[19]。相对生态价值指数参照谢高地[20]等提出的“中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表”之间的比例关系，并结合研究区实际情况进行调整确定，进行研究区生态效应评估[21-22](表1)。

表1 研究区不同土地利用类型的相对生态价值元/(hm2·a)

其中，由于研究区水体内部物种构成较为简单，生态结构较为单一，实际上的生态服务功能应该低于林地，其赋值相应降低[16]。

生态价值指数EVI是综合考虑该土地利用类型的相对生态价值和该类型在研究区域内的面积比，定量的表示出该研究区在某一时间参数下的生态环境质量的总体状况，其数学表达式为[22]：

(3)

式中：EVIi——第i种土地利用类型的生态价值指数；Si——第i种土地利用类型在该时期所占总研究区面积的面积比； EVI——总研究区在该时期的生态价值指数；n——土地利用类型的数量。

3.4 缓冲区分析与空间叠加分析

利用GIS缓冲区分析，参考《饮用水水源保护区划分技术规范(HJ338-2018)》对保护区的划分并结合库区实际空间分布，将研究区流域划分为Ⅲ级监控区域，为大Ⅱ型饮用水水库——汤浦水库库区管理提供直观的流域监控范围和梯度，以便监控资源的合理分配。其中距水库库区500 m范围内作为Ⅰ级监控区，2 000 m范围内作为Ⅱ级监控区。流入水库的河流水质是影响水库水质的主要原因之一，因此将主要河流两岸200 m范围内划分为Ⅰ级监控区，2 000 m范围内划分为Ⅱ级监控区，流域其他地区作为Ⅲ级监控区。结合建筑用地、耕地在研究区的分布，利用GIS空间叠加三级监控区域分析，按建筑用地与耕地所在位置对水库进水河流水质可能造成的影响大小先后搬迁，为水库流域中滞留的12万人提供三期搬迁规划：将Ⅰ级监控区内的建筑用地、耕地等作为一期搬迁，依次类推。

4 结果与分析

4.1 土地利用/覆盖动态变化度量标准

利用汤浦水库流域1998—2018年这20 a间共5期的土地利用分类结果，从土地利用类型相互转换的面积和速率等方面分析其变化。

由1998和2018年的土地利用分类结果计算得该流域20 a来LUCC转移矩阵(表2)。由表2可以看出1998年和2018年研究区的主要利用类型都是林地和草地，分别占总研究区面积的60%和25%以上；相较来说2018年的草地面积比1998年上涨了2.8%，约12.96 km2，林地总体面积下降了3.9%，约17.37 km2，其中有16.2%的草地由林地转化而来，约47.65 km2，主要集中在研究区西南部位；研究区内林地与草地的相互转换为LUCC的主要转换类型；由于水库蓄水的原因，水域面积增加9.78 km2，主要由耕地和草地转移而来，其中耕地占36.1%、草地占40.1%；建设用地与未利用地面积没有较大变化，但其中居民用地位置由分散转变为集中，主要聚集地为水库库区的西南面(王坛镇)和库区东南面(古来镇)。

表2 汤浦水库流域1998-2018年土地利用类型转移矩阵 km2

为进一步分析这20 a间的各土地利用类型之间的转变过程，由1998，2003，2008，2013和2018年这5个时段土地利用类型的面积净变化指数(图1)可以得出，面积净变化指数最大的是1998—2003年的水域变化，是由于1999年水库蓄水的原因，指数变化达12.28；2008—2013年的建筑用地有一个显著的增长，指数达1.10，但由于1998—2008年的建筑用地缓慢减少总体面积无较大变化，分析卫星遥感图得是由于村庄、小范围居民聚集地等面积减少，但乡镇、县等城市用地、道桥等交通用地增加导致；1998—2003年居民地、耕地附近的未利用地多转移为耕地，后2003—2013年有部分草地、水域、林地转移为未利用地(多为遭到破坏的植被和库区水位下降形成的裸地)，2013—2018年靠近城镇的未利用地逐渐转移为建筑用地和草地，遂未利用地呈先减后增再减趋势；除林地与草地的相互转换，草地多向建筑用地(道桥)和耕地转变，其中草地转移为耕地约6.30 km2，主要分布为居民地附近和沿道路用地(S212省道)两边，转移为建设用地约3.24 km2，主要集中在较大城镇周围。结合表2与图1分析研究区LUCC主要活跃区域为流域西南部，表现为2008—2013年流域西南部有大范围密林转变为疏林和草地、植被遭到破坏，后2013—2018年逐渐有小范围的恢复，但林地利用面积与2008年相比依然趋向于碎片化。经过现场调研和遥感影像推断，主要原因是2010年绍兴市遵照“十一五”规划，全面开展退耕还林政策，原研究区西南部种植有大面积茶园，为积极响应“十一五”规划，西南部位的茶园被“还林”为乔木树苗，但由于树苗才种植，枝叶还不繁茂、生态还未恢复，主要土地利用以稀疏草地为主，因此林地利用面积有所下降，2013—2018年，退耕还林地区生态逐渐恢复，则林地利用面积缓慢回升，但树木还未成林，利用面积趋向于碎片化。

图1 1998-2018年汤浦水库流域土地利用面积净变化指数

4.2 土地利用/覆盖变化的生态环境效应分析

从图2分析研究区相对生态价值指数变化，1998—2018年呈先升后降再升趋势(N字形)，2018年相较1998年略降低了4.1%，总指数最高为2008年(0.800)，最低为2013年(0.688)。主要价值贡献类型为林地，2003年最高贡献率86.9%，2013年最低为78.1%，第二大贡献类型为草地，林地与草地贡献率占总指数的93%以上，其总面积占比85%以上；区域EVI波动最大为2008—2013年，下降16.2%，其中因林地变化减少28.9%；未利用地与建筑用地呈先减少后增加趋势，其EVI贡献率占总指数的0.2%以下，对整体流域EVI变化无较大影响。结合土地利用分类图从空间分布角度分析，计算5期单位面积EVI均值，利用GIS自然断点法进行重分类。研究区EVI高值区(>0.75)主要集中在研究区中部山地、丘陵地区和研究区东北部水库库区；EVI中值区(0.75～0.3)主要分布在研究区西南部，除林地之外有部分草地、耕地和疏林分布；EVI低值区(<0.3) 零星分布在研究区东部、东南、西部和库区西南部位，主要为居民地、道桥用地等。其中1998—2018年EVI高值区较为稳定；EVI低值区呈中心向四周扩张形小幅度增长；EVI中值区较为活跃，主要分布在研究区西南、东南部，距离主要城镇距离较近、地势较为平缓、交通较为便利区域，随时间变化土地利用变化较大。需要注意的是生态价值指数是包含了研究时段的所有土地利用类型变化的综合指标，不同土地利用类型的改变所带来生态价值的影响也是不同的，生态环境的改善与退化两种趋势是并存的，不能因为总研究区生态价值指数的增加而忽略单个利用类型的贡献值减少，反之亦然。例如，2013—2018年总流域的相对生态价值指数EVI增加4.8%，而水域面积减少导致水域相对生态价值贡献量减少1.1%，但由于林地面积增加生态价值贡献量增加9.1%的幅度更大，所以总EVI值是增加的。

图2 汤浦水库流域相对生态价值指数

4.3 水库流域监控区划分与搬迁生态效应预测

水库库区周围主要地貌为山地/林地，水库水质主要受入库河流的水质影响。流域内居民地生活污染和耕地农业面源污染作为影响河流水质主要污染源，主要沿河流两岸分布。对汤浦水库流域按照上文中的划分原则划分为三级监控区(如附图1所示)。研究区内共有三条主要入库河流，其中库区西北部河流径流量最小，Ⅰ级监控区内主要分布为耕地，居民地较少；研究区南部走向河流，沿两岸耕地面积较多，且经过较大城镇王坛镇；研究区中部东西走向河流径流量最大，部分与S212省道走向重合，沿途分布有较多的居民地，且从中间穿过位于Ⅰ级监控区的王坛镇后与南部走向河流汇流进入水库。从空间分布和近20 a的LUCC转移速率角度分析，主要环境污染重点监控区域应设在研究区中部(S212省道东西走向段)和水库库区西南方向(王坛镇)方向，耕地、居民地面积逐年增大，且均位于Ⅰ级监控区、距离库区近、河流径流量大，防止居民生活污染以及耕地非点源污染水库水质。

通过GIS空间叠加三级流域监测区分析，结合水库管理目标，制定流域内生态移民搬迁计划，分三期实施：一期搬迁建设用地6.91 km2，约占总建设用地41.13%，主要为沿河两岸居民用地，其中王坛镇与研究区中部东西走向河流段两岸分布较多；二期搬迁12.80 km2(含一期搬迁面积)，约占76.19%，此次沿河居民用地基本完成搬迁，包括研究区内三个主要城镇(王坛镇、古来镇、稽东镇)；三期搬迁16.80 km2，主要为流域内少量分布在研究区西南、西北部位的分散居民，至此完成流域内全部居民搬迁；同时耕地面积分期转化量为6.64 km2(一期)、16.93 km2(二期)和20.09 km2(三期)，占流域耕地总面积33.05%，84.27%和100%，搬迁位置分布与搬迁居民地的位置分布基本一致。利用区域生态价值指数模型，对搬迁后因LUCC导致的流域EVI变化进行预测，结果如附图1所示。参照研究区流域西南部2008—2018年茶园退耕还林区域生态演变的规律，模拟流域内搬迁后土地利用变化状况：搬迁初期(<5 a)，搬迁地土地利用逐步由建设用地/耕地转变为草地和疏林；搬迁稳定期(>5 a)土地利用类型逐步由草地/疏林向林地转变。通过分别计算搬迁地在搬迁前、搬迁初期和搬迁稳定期的生态价值指数可知移民搬迁对区域价值指数的影响。对搬迁地而言，移民搬迁计划实施前搬迁地的耕地和建设用地生态价值指数贡献量共为0.015，搬迁初期(耕地和建设用地转变为草地)生态价值指数为0.027，较搬迁前增加了76.1%；搬迁稳定期(耕地和建设用地转变为林地)生态价值指数为0.081，较搬迁初期增加了202.1%，搬迁后生态价值共增加了0.066，是原生态价值指数的4.3倍。对全流域而言，由于草地的相对生态价值指数略高于耕地，在搬迁初期(<5 a)流域相对生态价值呈缓慢上升趋势，由搬迁前(2018年)0.721增长至0.747。到搬迁稳定期(>5 a)，搬迁地的生态环境完全恢复，土地利用类型由草地转变为林地，区域相对生态价值指数有较大提升，由0.747增长至0.802，且搬迁稳定期生态价值指数增长速率提高，是搬迁前的3.06倍，流域总生态价值指数比搬迁之前增加了11.2%。搬迁稳定期林地面积共增加36.89 km2，占总流域面积68.9%，对流域内相对生态价值指数贡献量增加17.6%。