河流筑坝对流域和景观尺度土地利用变化的影响——以洪家渡水库为例

符俊杰王 伟李 伟孙君瑶

(1. 西藏大学理学院，拉萨 850000; 2. 西藏大学青藏高原生态与环境研究中心，拉萨 850000;3. 中国科学院武汉植物园水生植物与流域生态重点实验室，武汉 430074)

大坝的建设常用于防洪、灌溉或水利发电，在带来经济和社会效益的同时，也产生了一系列社会和生态环境问题. 自20 世纪以来，关于筑坝与拆坝的争论主要集中在移民社会经济效应和生态环境问题两个方面，其中生态环境问题一直贯穿筑坝始终，主要表现在水物理化学性质变化[1]、泥沙拦截[2]、鱼类洄游廊道受阻[3]以及河口演变[4]等多个方面. 此外，水库拦截大量碳氮物质后的温室气体排放问题，也引起了越来越多的关注[5-7]. 自然河流从发源地到入海口之间是一个连续的单位，生物群落、结构特征和功能为一个整体[8]，是连接陆地和海洋物质循环的桥梁. 筑坝打破了这种连续性: 一是表现在对碳、氮等生源要素物质的拦截，泥沙下泄量显著下降; 二是随着水体流速减缓，水体生物过程趋向湖泊水体演变，生物过程又会影响水体中碳、氮等生源要素的有机和无机组分组成[9]，而人为调蓄水量使库区具有不同于自然湖泊的特异性[10]. 二者均显著改变了河流生源要素的物质输送通量. 除此之外，筑坝不仅会改变库区周边土地利用类型和覆盖，其带来的移民安置等问题也会改变流域尺度及景观尺度的区域土地利用类型和覆盖. 这些变化又会反作用于流域的植物初级生产力[11-12]、水土侵蚀强度等，从而进一步影响流域的产沙输沙和生源物质输送强度.

已有的对筑坝生态环境影响评价方面的研究主要集中在物质迁移转化[13-14]、土壤侵蚀产沙[15-16]或生态评价[17-18]等方面. 筑坝区域土地利用类型的改变大多被认为是水质、植被等要素变化的原因[19-20]，鲜少有研究具体涉及到土地利用类型在筑坝前后互相转化的比例. 事实上，这类研究却更有利于对筑坝带来的生态环境影响进行精准量化评估，为政府制定下一步库区生态保护规划提供理论依据. 此外，筑坝对土地利用的影响多集中于中、大尺度流域[21-22]，从景观尺度对水库缓冲区的研究较少. 本研究以乌江流域洪家渡水库为例，基于2000 年、2010 年与2020 年的土地利用数据，在时间尺度上分为蓄水后第一阶段(2000～2010 年)和蓄水后第二阶段(2010～2020 年)，从流域尺度和景观尺度对比了洪家渡水库在筑坝前后的土地利用变化特征，为筑坝后流域的土地资源管理和生态文明建设提供科学依据和参考.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

洪家渡水库位于贵州西北部黔西、织金两县交界处的乌江北源六冲河下游，是乌江水电基地11 个梯级电站规划中唯一一个对水量具有多年调节能力的“龙头”电站. 水库电站装机容量600 MW，保证出力171.5 MW，多年平均发电量15.94 亿kW·h. 洪家渡水库总库容49.25 亿m3，调节库容33.61 亿m3，属多年调节水库，地处亚热带季风性湿润气候区[23]. 该区域年降水量为1 100～1 300 mm，雨季为每年的5～10 月，库区4 月水位最低，5 月开始上涨，至12 月开始回落. 洪家渡水库2000 年开工建设，蓄水时间为2004 年，2005 年主体全部完工并网发电. 正常蓄水位1 140 m，死水位1 076 m[24]. 洪家渡水库的流域范围和高程信息如图1 所示，流域面积大小为9 858 km2，海拔高度为1 153～2 856 m.

图1 洪家渡水库流域地理位置示意图Fig.1 Location of the catchment of Hongjiadu Reservoir

1.2 数据来源

本研究选取精度最高的GlobeLand30 土地利用数据作为基础数据，数据来源为国家基础地理信息中心(http://wwww.ngcc.cn)，土地利用数据分辨率为30 m×30 m. 采用ENVI 5.3对土地利用影像进行分类合并，参照《土地利用现状分类》标准，将研究区的土地利用分类合并为耕地、林地、草地、水体、建筑5 类(研究区内无未利用的土地类型). GlobeLand30 土地利用数据包含2000，2010，2020 年三期，结合洪家渡水库建成时间为2005 年，在时间尺度上分为蓄水后第一阶段(2000～2010 年)和蓄水后第二阶段(2010～2020 年)，对研究区在两个阶段不同尺度范围内的土地利用变化进行了分析，其中第一阶段反映了筑坝前后土地利用的差异，第二阶段反映了建坝完成并平稳运行一段时间后水库对周边土地利用类型产生的影响.

将研究区分为流域尺度和景观尺度. 洪家渡水库的库区范围和流域面积利用DEM 影像在ArcGIS 10.5 中生成，通过水库常水位结合DEM 影像划分洪家渡水库库区范围. DEM 数据为30 m 的ASTER GDEM v2.0 数据，来源为地理空间数据云(http://www.gscloud.cn). 洪家渡水库流域尺度被定义为洪家渡水库的集水区，以洪家渡水库为倾泻点，在ArcGIS 10.5 中计算洪家渡水库流域范围. 景观尺度为以水库库区边界构建的0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，5～6，6～7，7～8，8～9，9～10 km 共计10 个同心缓冲区.

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是将两个不同时期的土地利用类型之间的相互转移关系通过矩阵形式加以统计，反映了土地利用类型的变化特征和各土地利用类型之间的流向，量化了各土地利用类型之间的相互转移状况. 数学表达式为

式中:Sij为i类土地利用类型转移成j类的面积;n为土地利用类型的数量;i和j分别为转移前后的土地利用类型.

在Envi 5.3 中对蓄水后第一阶段和蓄水后第二阶段的土地利用数据进行叠加分析，得到两个阶段的土地利用转移矩阵，分析了2000～2020 年洪家渡水库不同尺度范围内土地利用类型的转移方向与特征. 转移矩阵表从上至下为土地利用转移方向，其中转出面积为前一时期某类土地利用类型转移为后一时期其他4 类土地利用类型的面积总和，转入面积为后一时期某类土地利用类型由前一时期其他4 类土地利用类型转移而来的面积总和.

1.3.2 土地利用变化幅度

在分析流域土地利用变化的总体趋势时，使用土地利用变化幅度来表示不同土地利用类型的变化过程和趋势，其数学表达式为

式中:Ya，Yb分别为研究区初期和末期某土地利用类型的面积(km2);Kt为研究期间某土地利用类型的变化幅度. 为从宏观上把握洪家渡水库2000～2020 年不同尺度范围内土地利用类型的变化状况，根据式(2)对两个阶段以及2000～2020 年土地利用类型的变化幅度进行计算.

2 结果与分析

2.1 洪家渡水库流域土地利用类型的变化分析

洪家渡水库流域2000，2010，2020 年的土地利用面积及其占比如表1 所示. 洪家渡水库流域土地利用类型以耕地、林地和草地为主，面积占比总和大于95%，其中耕地面积占比最大，3 年占比分别为49.33%，48.40%，46.06%. 2000～2020 年耕地面积总体呈持续下降趋势，共减少322.31 km2，主要减少在蓄水后第二阶段. 林地和草地面积均表现为先增加后减少. 蓄水后第一阶段林地面积增加26.53 km2，草地面积增加8.84 km2; 蓄水后第二阶段林地面积减少30.17 km2，草地面积减少42.88 km2. 两个阶段的水体和建筑面积呈持续增加趋势，其中水体面积增加64.58 km2，主要增加在蓄水后第一阶段; 建筑面积增加295.46 km2，主要增加在蓄水后第二阶段.

表1 2000～2020 年洪家渡水库流域土地利用面积和占比Table 1 Areas and proportions of land-use in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

图2 2000～2020 年洪家渡水库流域土地利用类型分布图Fig.2 Spatial distribution maps of land-use in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

2000～2020 年蓄水后第一阶段和蓄水后第二阶段的土地利用面积变化幅度如表2 所示.可以看出: 水体的土地利用面积变化幅度最大，高达5.94; 其次为建筑，变化幅度为5.02. 对比两个阶段可以看到: 蓄水后第一阶段变化幅度最大的土地利用类型是水体，为5.10; 蓄水后第二阶段变化幅度最大的是建筑，为4.97.

表2 2000～2020 年洪家渡水库流域土地利用面积变化幅度Table 2 Change rangeability of land-use areas in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

为进一步探究蓄水后不同阶段土地利用的转移方向和比例，对蓄水后两个阶段的土地利用转移矩阵进行计算，结果如表3 和4 所示. 由表3 可知: 蓄水后第一阶段减少面积最多的为耕地，有196.69 km2转移为其他土地利用类型; 新增面积最多的为草地，有142.54 km2其他土地利用类型转移为草地; 减少的耕地主要转移为林地(64.13 km2)和草地(98.57 km2); 增加的林地主要来源于耕地; 增加的草地主要来源于耕地; 增加的水体主要来源于耕地(25.03 km2)和草地(33.33 km2); 增加的建筑主要来源于耕地(8.96 km2). 由表4 可知: 蓄水后第二阶段减少面积最多的为耕地，有382.16 km2转移为其他土地利用类型; 新增面积最多的为建筑，有298.86 km2其他土地利用类型转移为建筑; 减少的耕地主要转移为建筑(241.60 km2); 减少的林地主要转移为草地(145.00 km2); 减少的草地主要转移为林地(146.93 km2); 增加的水体主要来源于草地(6.09 km2); 增加的建筑主要来源于耕地(241.60 km2). 对比蓄水后的两个阶段可以看出，在洪家渡水库流域尺度，除水体、建筑外，蓄水后第二阶段的耕地、林地、草地转移比例大于第一阶段，土地利用类型变化更大.

表3 蓄水后第一阶段洪家渡水库流域土地利用转移矩阵Table 3 Land-use conversion matrix in the first stage after impoundment in Hongjiadu Reservoir catchment km2

表4 蓄水后第二阶段洪家渡水库流域土地利用转移矩阵Table 4 Land-use conversion matrix in the second stage after impoundment in Hongjiadu Reservoir catchment km2

由图3 所示的土地利用转移矩阵分布图可知: 蓄水后第一阶段的土地利用变化集中在库区附近(见图3(a))，蓄水后第二阶段的土地利用转移分布则较为分散(见图3(b)). 为验证是否是筑坝因素对库区周边土地利用产生了影响，对库区进行了0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，5～6，6～7，7～8，8～9，9～10 km 缓冲区构建，并在缓冲区尺度上对土地利用类型变化进行了分析.

图3 2000～2020 年洪家渡水库流域土地利用转移矩阵分布图Fig.3 Land-use conversion matrix distributions in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

2.2 洪家渡水库缓冲区土地利用类型变化分析

由于不同距离缓冲区本底面积不同，因此为了对比不同尺度范围内的土地利用类型变化，本研究采用土地利用面积比例进行分析. 由图4(a)可见: 在蓄水后第一阶段0～10 km 缓冲区尺度范围内，土地利用类型变化总体表现为耕地面积减少，林地、草地、水体、建筑面积增加，与同阶段洪家渡水库流域尺度的变化保持一致; 耕地与草地面积变化比例最大，其中0～10 km总体范围内耕地面积共计减少27.91%，草地面积共计增加23.44%，耕地与草地在空间尺度上表现出距离库区越近，面积变化比例越大的趋势. 由图4(b)可见: 在蓄水后第二阶段0～10 km缓冲区尺度范围内，土地利用类型变化总体表现为耕地、林地、草地面积减少，水体和建筑面积增加; 建筑与耕地面积变化比例最大，其中在0～10 km 总体范围内建筑面积增加24.06%，耕地面积减少12.20%; 在6～9 km 范围内，耕地、草地和建筑面积有较大变化.

图4 2000～2020 年洪家渡水库0～10 km 缓冲区土地利用面积变化比例Fig.4 Percentage of land-use change coverage in Hongjiadu Reservoir 0—10 km buffer zone from 2000 to 2020

为描述洪家渡水库0～10 km 缓冲区土地利用转移方向与比例，对缓冲区土地利用转移矩阵进行统计，计算土地利用类型转移为其他类型的比例总和，结果如图5 所示，可以看出: 蓄水后第一阶段0～10 km 缓冲区范围内水体转移为其他类型的比例总和最高(56.54%)，其次为建筑(18.20%); 在缓冲区空间尺度上，0～1 km 缓冲区范围内土地利用转移比例最大，其中水体主要转移为草地，建筑主要转移为耕地; 蓄水后第二阶段0～10 km 缓冲区范围内水体和建筑转移为其他类型的比例下降，分别为11.52%，12.19%，草地转移比例总和最高为15.30%.

图5 2000～2020 年洪家渡水库0～10 km 缓冲区土地利用面积转移比例Fig.5 Percentage of land-use transfer areas in Hongjiadu Reservoir 0—10 km buffer zone from 2000 to 2020

3 讨 论

3.1 筑坝在时间尺度上对土地利用变化的影响

2000～2020 年，洪家渡水库流域土地利用总体表现为耕地面积持续减少，林地和草地面积先增加后减少，水体和建筑面积增加，这与三峡库区1986～2018 年土地利用变化的研究结果一致[21]，表明洪家渡水库流域区域生态系统服务价值已改变，增加了经济效益. 刘纯军等[25]对乌江流域2000～2017 年的土地利用变化研究结果与本研究结果在林地类型上有差异.2000～2017 年乌江整体流域范围内林地面积比重增加，而洪家渡水库流域范围内林地面积持续减少. 乌江流域林地主要分布于高程1 000～1 300 m 梯度，与洪家渡水库流域不在同一海拔地区，乌江整体流域与洪家渡水库流域林地变化差异可能受其他因素影响. 赤水河干流无水电开发，赤水河流域尺度上2000～2015 年土地利用变化主要表现为草地、耕地减少，林地增加[26]. 增加的林地主要来源于耕地，说明赤水河流域内退耕还林还草工程的实施发挥了重要作用. 地理位置邻近赤水河流域的洪家渡水库流域在蓄水后第一阶段表现为耕地转移为林地和草地，也与退耕还林还草政策相关. 蓄水后第一阶段水体面积大幅度增加，增加的水体来源于耕地和草地，与筑坝后水位上升，直接淹没原有土地形成库区的结果一致. 蓄水后第二阶段主要表现为耕地转移为建筑，反映了城市化进程的加速.

3.2 筑坝在空间尺度上对土地利用变化的影响

洪家渡水库流域尺度整体表现为耕地、林地、草地减少，水体和建筑增加. 蓄水后土地利用变化集中于库区附近，除去筑坝直接淹没原有土地形成水体区域，景观尺度上0～1 km 缓冲区尺度的土地利用变化最大，主要为水体与建筑的变化. 水体转移为草地，一是水位波动产生的周期性淹没区域. 王业春等[27]在对三峡库区消落带的研究中发现，一年生草本植物在消落带植物物种数量中的比例高达72.4%. 二是筑坝后下游径流量产生变化[28]，河道变窄导致原有河道露出水面后草本植物生长. 0～1 km 缓冲区的研究结果表明，筑坝对库区0～1 km 缓冲区的土地利用影响最大. 0～1 km 缓冲区建筑转移为耕地，主要是由于水库修建造成的移民，库区蓄水淹没原有农村、城镇，原有居民易址迁建.

4 结束语

水资源的合理调度利用以及水力资源开发是人类社会文明发展的重要标志之一. 洪家渡水库作为乌江流域干流11 级梯级水电开发的龙头水库，对其筑坝前后的生态环境变化研究具有重要意义. 本研究利用GlobeLand30 土地利用数据对洪家渡水库筑坝前后不同阶段的土地利用变化进行了研究. 结果表明: 在流域尺度上，蓄水后第一阶段土地利用变化集中在库区附近，筑坝后水位上升，大量原有草地和耕地转移为水体; 除水库直接淹没区域外，在景观尺度上，土地利用变化在0～1 km 缓冲区范围最大. 因此，在评估水利设施的生态环境效应时，筑坝初期的库区0～1 km 缓冲区土地利用变化不容忽视.