近五十年来大理海西流域坑塘系统发展演变及分布特征研究

张政东

北京大学 北京 100871

坑塘自农业时代以来,一直主要承担着灌溉功能,随着城镇化工业化的快速发展,环境污染逐渐成为中国现今的重点问题,坑塘系统因其独特的作用机制,使得近些年坑塘系统的净化功能逐渐被重视。很多学者将目光转向坑塘,目前在坑塘的定义、景观研究、净化效果、保护和利用方面取得了一些成果。〔1-10〕

然而,大多数学者都是聚焦于坑塘本身的景观功能,净化功能,以及历史方面的研究,在坑塘系统分布的结构和发展变化上还没有相关研究,而坑塘的发展变化情况以及背后的成因对于生态治理和生态修复工作有着重要意义,因此,本文通过对历史遥感影像进行分析,得到坑塘系统历史发展变化趋势,并分析变化背后的成因,以期得到对未来区域生态治理工程以及生态修复措施提供理论参考和建议。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况 研究区域位于大理洱海西畔,东至洱海,西至苍山,北至沙坪村,南接大理市区,长52千米,宽6千米。该区域农业文明历史悠久,4世纪起白族祖先就在这里繁衍生息,创造了灿烂的新石器文化,是大理市重要的农产品生产基地。区域内有着包括大理古城,喜洲等在内的多个历史聚落遗迹,地形西高东低,主要以山地、平原、湖泊三种地貌为主。发源于苍山的18条溪流穿过该区域〔11〕,因此大流域内又分为若干个小流域。区域内坑塘众多,城镇、村落、农田区域都存在大量的坑塘,成为居民生活中重要的一部分。

2 数据来源与数据处理

为获得较为精确的坑塘历史分布数据,研究采用卫星遥感影像作为数据源。为保证研究阶段的可对比性,遥感影像尽可能获取2019年-1969年间以每十年为一阶段进行研究。考虑植被遮挡水面等因素,尽可能获取拍摄时间为冬季的遥感影像。

2.1 遥感影像获取 从美国地质勘探局(https：//earthexplorer.usgs.gov/)获取 Landsat5、Landsat7、Landsat8卫星拍摄的2019年、2009年、1999年、1984年C2层级分辨率为30米的四期遥感影像。由于70年代的Landsat1-4卫星拍摄的遥感影像分辨率过低,因此没有获取70年代的遥感数据。

为获取年代更早年代的且分辨率较高地遥感影像,从美国地质勘探局(https：//earthexplorer.usgs.gov/)下载来自美国锁眼卫星KH-1对大理区域拍摄的黑白遥感影像,由于时代技术以及拍摄影像清晰度的原因,考虑云层、清晰度、选取了目前大理区域拍摄最早且较为清晰的遥感影像即1967年12月获取分辨率为2米的黑白遥感影像共四景。

2.2 数据预处理 首先对四期Landsat遥感影像进行处理,利用ENVI软件对遥感影像进行裁剪,得到范围略大于研究区域的遥感影像,然后进行辐射定标、大气校正、地理几何配准、影像镶嵌处理、统一转换投影坐标为WGS_1984_Albers坐标。

然后针对坑塘信息精确提取问题,采用单波段阈值法、监督分类法、面向对象方法等进行实验研究,重点采用了面向对象方法,结合遥感影像光谱、纹理、形状等特征,分析坑塘与其他地物之间的差异,结合谷歌影像与实地调研,最终实现坑塘信息的精确提取。

对1967年的锁眼卫星遥感影像进行地理几何配准,影像镶嵌拼接处理。由于该遥感影像是光学相机拍摄的黑白影像,只能采用目视解译法对坑塘进行提取。为能够精确提取坑塘,目视解译首先对水面较大且依旧现存的坑塘的水面的颜色、纹理、形状等特征进行研究,并对比坑塘与其他地物之间的差异,结合谷歌地图现状的坑塘位置,最终实现坑塘信息的精确提取。

3 结果与分析

3.1 现状分布 2019年,大理洱海海西区域坑塘共有365个,总面积5171亩,坑塘平均面积达到9685平方米。从分布上看,坑塘也是主要分布在靠近洱海一侧的农业带上,大部分分布在村落以及乡镇周边,南边下关镇区域坑塘极少。

3.2 坑塘分布历史变化 从图1可以看出,1967年到现今,大理海西流域坑塘基本都分布在靠近洱海一侧地势相对平缓的的农业带上,整体分布呈现围绕大理古城,喜洲镇,以及上关镇三个人文历史相对悠久的聚居点集中,同时在其他区域又相对分散的分布格局。

图1 1967年-2019年各时期坑塘分布图

(1)坑塘数量历史变化

从坑塘数量上看,洱海海西区域1967年共有195个,1984年共有121个,1999年为108个,2009年为214个,2019年增加到356个。即上世纪60年代到本世纪初,坑塘出现递减趋势,新世纪以后,坑塘数量激增,到2019年坑塘数量达到90年代末数量最低时的3.5倍左右。

表2 海西流域坑塘历史数据变化

(2)坑塘面积历史变化

坑塘总面积从上世纪60年代到2009年都呈递减的趋势,1967年,坑塘面积为3507亩,到2009年的2909亩,42年间,坑塘面积减少了17.1%,减少面积430亩,到了2019年,坑塘面积快速增长,达到了5172亩,相比2009年坑塘面积增加2263亩,增长率为77.79%。

坑塘平均面积上看,1967年坑塘平均面积为11866平方米,1967年至1984年间,坑塘平均面积迅速增长,2000年以前坑塘平均大小变化不大,为18300㎡左右,到了20世纪以后,坑塘平均面积降低到9000多平米,由此可见,2000年后坑塘数量剧增,但是增长的坑塘也以小型坑塘为主,这也说明,坑塘的趋势从以前的中小型水利设施开始越来越向小型净化设施发展。

3.3 成因分析

3.3.1 城镇建设 利用GIS软件将各时期的坑塘与村落和城镇做叠加相交分析,得出各时期城镇和村落建设发展对坑塘的侵占、填埋等的情况。表3显示,整个海西区域60年代-90年代,因城镇建设而占用坑塘的面积大约维持在每十年120亩-130亩的水平,数量在30-40个之间,整体呈下降趋势,进入新世纪之后,城镇化的快速发展,村落的扩张,使得占用情况变得更加严重,1999年到2009年十年间,被占用的坑塘达到189.56亩,数量为47个,到近十年,坑塘占用达到234.68亩,数量为62个。而1967年-2019年间的近50年间,城镇面积扩张了大约6倍。由此可见,城镇建设和村落扩张是导致1967年-1999年间,坑塘整体数量下降的重要原因之一。

表3 各时期村镇面积与坑塘占用情况统计

3.3.2 围垦与填埋 根据实际调研与走访,围垦与填埋也是上世纪坑塘数量和面积持续减少的重要原因,特别是上世纪60年代-70年代集体时期,全国开展工业学大庆,农业学大寨运动,海西流域作为传统农业带,响应农业学大寨的号召,当地生产队开始开垦土地,土质肥沃的洱海近岸和存在大量坑塘的沼泽地成为开垦重点。

以喜洲镇沙村湖塘为例,1967年,沙村湖塘水域面积为1002亩,到1984年17年间共196亩湖塘被改造成农田,水域面积变为660.7亩。整体水域面积减小近三分之一。

3.3.3 灌溉方式与用水体系的改变 坑塘在洱海一带有记载以来,主要功能为灌溉功能,村民也有在自家田地中挖坑取塘来作为旱季储水用的传统,1983年,海西区域完成分田下户,为了满足农耕用水需要,海西区域修建了数条提水灌溉管道,并在洱海口配备有泵站,这套灌溉系统被称为“万亩站”,自此,村民耕种灌溉用水从以往大多使用坑塘水变成使用万亩站从洱海抽水灌溉,坑塘的灌溉功能下降,也使得一部分农田里村民用来储水的灌溉小型坑塘消失,80年代-90年代坑塘数量进一步减少。

3.3.4 环保理念与政策的变化 1996年和2003年,洱海遭遇两次大面积蓝藻暴发,大理白族自治州由此决心开始进行洱海治理,建设了一大批环湖生态修复工程,其中湿地建设是重点,2003年-2012年,环洱海一带修建了13个生态湿地,面积共一万多亩。2015年,大理启动多塘系统建设,计划到2017年,大理市将在洱海沿湖各个乡镇建成380个库塘。2018年,大理市成立洱海生态环境“三线”划定指挥部,正式启动环洱海廊道建设工程,洱海岸线100米内被划为廊道区域,廊道里规划建设了大量坑塘。因此,1999年-2019年间虽然在城镇化发展,坑塘被填埋占用加速的大背景下,海西区域总体坑塘数量却大规模增长,特别是2015年以后,大量的人工生态库塘和洱海生态廊道的调蓄坑塘修建,使得这一时期的坑塘数量几乎增长了一倍。

4 结论与讨论

4.1 结论 2019年,大理洱海海西区域坑塘共有365个,总面积5171亩,坑塘平均面积达到9685平方米。从分布上看,坑塘也是主要分布在靠近洱海一侧的农业带上.1967年-2019年近五十年间,坑塘数量先减少后增多,总面积也是先减少后增多。坑塘平均面积呈先增大后减小再增大的趋势。坑塘数量和面积再上世纪减少的主要原因在于农业发展所进行的围垦,占用；城镇发展以及人口增长带来的村落扩张造成坑塘填埋进行建筑修建；灌溉方式的改变是一些用来蓄水灌溉的小型坑塘减少的主要原因；2000世纪以后,坑塘的数量出现大幅度增长的主要原因是在于洱海治理所带来的环保理念改变,这一时期修建了大量的人工生态坑塘和调蓄坑塘,特别是2015年以后增长的数量最多。

4.2 讨论 通过遥感影像对坑塘历史分布变化进行研究,能够得到较为精确的坑塘历史变化数据,然而由于坑塘是一个小型的生态系统,因此,对于坑塘中的动植物等研究依旧需要结合现场踏勘等其他研究方法。从空间尺度上对坑塘变化进行研究,并分析背后的成因,这对未来该区域生态治理和修复措施的指定提供理论依据和指导。

由本文可以看出,近五十年来,坑塘系统的变化发展主要还是受人类活动的影响,而人工坑塘数量近年来大幅增加对该地区的生态治理的影响,坑塘功能的转变对维持坑塘系统的可持续发展的影响,以及坑塘系统在城镇快速发展人地矛盾加剧的大背景下担任什么角色等等一系列问题都还有待研究。