基于LUCC的湯浦水庫流域生態(tài)價值變化過程研究

李奇宸, 王 敏, 萬 甜, 施練東, 程 文

(1.西安理工大學 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048; 2.紹興市湯浦水庫有限公司, 浙江 上虞 312364)

人類活動是影響地表形態(tài)和土地利用類型變化的主要原因，進而直接或間接影響著全球和區(qū)域生態(tài)環(huán)境有關要素的改變，對生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能也會造成重要影響[1-2]。在社會發(fā)展過程中，各類水利工程的建設在防止洪澇災害、農業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水、水力發(fā)電、水產養(yǎng)殖及發(fā)展旅游等發(fā)揮了重大作用[3-4]，但于此同時，水庫尤其是大型水庫的建設深刻改變流域的天然形貌，對流域生態(tài)環(huán)境也產生了重要影響。水庫建成后水域面積增加，導致庫區(qū)周圍小氣候環(huán)境改變，植被分布狀況也會隨之改變，生態(tài)系統(tǒng)結構也會與原始狀況有所差別[5-6]；此外，庫區(qū)水域面積的擴大，其它土地面積就會減少，流域內原始狀態(tài)下土地利用格局就會隨之改變，而且隨著水庫管理的日益嚴格，流域內的居民區(qū)、工業(yè)區(qū)也會逐步搬遷，流域內城鎮(zhèn)建設用地、工業(yè)用地及耕地會進一步減少，土地利用格局的變化也會更加顯著[7-8]。作為重要的生態(tài)環(huán)境要素，流域土地利用類型的改變勢必引起流域生態(tài)環(huán)境變化。為探討水庫建設所引起的流域生態(tài)環(huán)境的變化，劉冰等[9]基于土地類型變化狀況對南灣湖污染源進行解析并研究了其生態(tài)價值;趙明月等[10]基于土地利用類型對水府廟水庫流域生態(tài)安全進行了評價，研究了生態(tài)調控措施。近年來隨著空間技術和地理信息技術的快速發(fā)展及應用，利用遙感影像統(tǒng)計分析土地覆被/利用變化(land use and land cover change， LUCC)，研究流域LUCC的時空演變、驅動力分析、情景模擬和預測以及生態(tài)環(huán)境價值(效應)評價等，是當前流域生態(tài)環(huán)境問題研究的熱點[11-14]。但針對飲用水水庫建設前后及運行管理期土地利用變化和生態(tài)效應的研究較少。因此，本文基于1998—2018年共5期遙感影像數(shù)據(jù)，對一水源地水庫LUCC時空變化進行定量分析，從土地利用類型的轉移和生態(tài)價值指數(shù)的變化等方面評價水庫流域各階段生態(tài)效應；基于GIS緩沖區(qū)分析和空間疊加分析，劃分水源地水庫流域污染監(jiān)控區(qū)；并在此基礎上研究流域內居民搬遷方案，模擬預測逐步實施居民搬遷計劃后，流域生態(tài)價值指數(shù)變化趨勢。為該流域生態(tài)環(huán)境保護及水源地水庫管理與供水安全的保障提供參考。

1 研究區(qū)概況

湯浦水庫位于浙江省紹興市湯浦鎮(zhèn)，興建于1997年12月，總庫容2.35×109m3，水面面積14 km2，多年平均徑流量11.6 m3/s，設計日供水規(guī)模達1.00×106t，屬國家大(Ⅱ)型水庫。為虞紹平原170萬人解決生活、生產用水問題。水庫流域位于會稽山脈東南部，屬浙東低山丘陵區(qū)。地理坐標為東經120°24′—120°55′，北緯29°30′—29°57′之間。研究區(qū)東西長30.8 km，南北寬32.6 km，土地面積460 km2，地勢西南高東北低，處于亞熱帶季風氣候，平均氣溫16.5 ℃、流域多年平均降水量1 564.4 mm，3月、6月、9月為多雨季，枯水期一般為10月到次年2月之間。流域土壤種類以紅壤、黃壤、黃棕壤為主。主要植被為喬木層，馬尾松為優(yōu)勢種。東面G104國道、G329國道位于西北，中間S212省道穿過研究區(qū)。上游流域設定為飲用水水源二級保護區(qū)、涉及到6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，85個行政村，人口約12萬。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)土地利用變化數(shù)據(jù)主要來源于1998，2003和2008年的Landsat TM影像，以及2013年、2018年的Landsat 8影像數(shù)據(jù)。為了避免季節(jié)、天氣等影響，選取同一季節(jié)相近月份、無云質量較好影像作為源數(shù)據(jù)。通過ENVI 5.3對遙感影像的輻射校正、大氣校正、圖像融合、圖像剪裁等預處理，最大似然法監(jiān)督分類與NDVI的非監(jiān)督分類相結合的方式劃分土地利用[15]。再經過小斑塊去除、聚類處理等分類后處理,并對分類結果進行精度驗證，其Kappa系數(shù)均達到允許判別0.7的要求。利用中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫發(fā)布的2004年1∶100 000土地利用現(xiàn)狀圖；1∶5萬土壤圖和1∶5萬植被圖為輔助數(shù)據(jù)，以及實地調查對土地利用類型進行修正。最終得到湯浦水庫流域1998—2018年共5期土地利用圖。土地利用分類采用中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的6類分類法，將土地利用與類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個類型。

3 研究方法

3.1 土地利用/覆蓋類型轉移矩陣

通過計算k時期與k+1時期的不同土地利用類型之間的轉換情況求得的二維矩陣，能夠描述利用類型之間在不同時相時的面積變化和轉移方向，了解變化的總體趨勢和土地利用的結構變化。轉移矩陣使用的是馬爾科夫模型，其不僅可以定量的表示類型之間的轉化情況，同時還能揭示類型之間的轉移速率[16]。

(土地利用類型<10時適用)

(1)

3.2 面積凈變化指數(shù)

分析同一土地利用類型面積隨時間尺度的凈變化指數(shù)[17]。計算公式為：

(2)

3.3 生態(tài)價值指數(shù)(ecological value index, EVI)

生態(tài)服務價值是指經濟社會體直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的利益，主要包括向社會體提供的有價值的物質和能量；接納和轉化來自社會體的廢棄物；為人類直接提供的(干凈的空氣、舒適的環(huán)境)服務[18]。區(qū)域生態(tài)服務的價值會因為區(qū)域土地利用的生態(tài)進程和服務間的相互作用產生影響[19]。相對生態(tài)價值指數(shù)參照謝高地[20]等提出的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表”之間的比例關系，并結合研究區(qū)實際情況進行調整確定，進行研究區(qū)生態(tài)效應評估[21-22](表1)。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型的相對生態(tài)價值 元/(hm2·a)

其中，由于研究區(qū)水體內部物種構成較為簡單，生態(tài)結構較為單一，實際上的生態(tài)服務功能應該低于林地，其賦值相應降低[16]。

生態(tài)價值指數(shù)EVI是綜合考慮該土地利用類型的相對生態(tài)價值和該類型在研究區(qū)域內的面積比，定量的表示出該研究區(qū)在某一時間參數(shù)下的生態(tài)環(huán)境質量的總體狀況，其數(shù)學表達式為[22]：

(3)

式中：EVIi——第i種土地利用類型的生態(tài)價值指數(shù)；Si——第i種土地利用類型在該時期所占總研究區(qū)面積的面積比； EVI——總研究區(qū)在該時期的生態(tài)價值指數(shù)；n——土地利用類型的數(shù)量。

3.4 緩沖區(qū)分析與空間疊加分析

利用GIS緩沖區(qū)分析，參考《飲用水水源保護區(qū)劃分技術規(guī)范(HJ338-2018)》對保護區(qū)的劃分并結合庫區(qū)實際空間分布，將研究區(qū)流域劃分為Ⅲ級監(jiān)控區(qū)域，為大Ⅱ型飲用水水庫——湯浦水庫庫區(qū)管理提供直觀的流域監(jiān)控范圍和梯度，以便監(jiān)控資源的合理分配。其中距水庫庫區(qū)500 m范圍內作為Ⅰ級監(jiān)控區(qū)，2 000 m范圍內作為Ⅱ級監(jiān)控區(qū)。流入水庫的河流水質是影響水庫水質的主要原因之一，因此將主要河流兩岸200 m范圍內劃分為Ⅰ級監(jiān)控區(qū)，2 000 m范圍內劃分為Ⅱ級監(jiān)控區(qū)，流域其他地區(qū)作為Ⅲ級監(jiān)控區(qū)。結合建筑用地、耕地在研究區(qū)的分布，利用GIS空間疊加三級監(jiān)控區(qū)域分析，按建筑用地與耕地所在位置對水庫進水河流水質可能造成的影響大小先后搬遷，為水庫流域中滯留的12萬人提供三期搬遷規(guī)劃：將Ⅰ級監(jiān)控區(qū)內的建筑用地、耕地等作為一期搬遷，依次類推。

4 結果與分析

4.1 土地利用/覆蓋動態(tài)變化度量標準

利用湯浦水庫流域1998—2018年這20 a間共5期的土地利用分類結果，從土地利用類型相互轉換的面積和速率等方面分析其變化。

由1998和2018年的土地利用分類結果計算得該流域20 a來LUCC轉移矩陣(表2)。由表2可以看出1998年和2018年研究區(qū)的主要利用類型都是林地和草地，分別占總研究區(qū)面積的60%和25%以上；相較來說2018年的草地面積比1998年上漲了2.8%，約12.96 km2，林地總體面積下降了3.9%，約17.37 km2，其中有16.2%的草地由林地轉化而來，約47.65 km2，主要集中在研究區(qū)西南部位；研究區(qū)內林地與草地的相互轉換為LUCC的主要轉換類型；由于水庫蓄水的原因，水域面積增加9.78 km2，主要由耕地和草地轉移而來，其中耕地占36.1%、草地占40.1%；建設用地與未利用地面積沒有較大變化，但其中居民用地位置由分散轉變?yōu)榧?，主要聚集地為水庫庫區(qū)的西南面(王壇鎮(zhèn))和庫區(qū)東南面(古來鎮(zhèn))。

表2 湯浦水庫流域1998-2018年土地利用類型轉移矩陣 km2

為進一步分析這20 a間的各土地利用類型之間的轉變過程，由1998，2003，2008，2013和2018年這5個時段土地利用類型的面積凈變化指數(shù)(圖1)可以得出，面積凈變化指數(shù)最大的是1998—2003年的水域變化，是由于1999年水庫蓄水的原因，指數(shù)變化達12.28；2008—2013年的建筑用地有一個顯著的增長，指數(shù)達1.10，但由于1998—2008年的建筑用地緩慢減少總體面積無較大變化，分析衛(wèi)星遙感圖得是由于村莊、小范圍居民聚集地等面積減少，但鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣等城市用地、道橋等交通用地增加導致；1998—2003年居民地、耕地附近的未利用地多轉移為耕地，后2003—2013年有部分草地、水域、林地轉移為未利用地(多為遭到破壞的植被和庫區(qū)水位下降形成的裸地)，2013—2018年靠近城鎮(zhèn)的未利用地逐漸轉移為建筑用地和草地，遂未利用地呈先減后增再減趨勢；除林地與草地的相互轉換，草地多向建筑用地(道橋)和耕地轉變，其中草地轉移為耕地約6.30 km2，主要分布為居民地附近和沿道路用地(S212省道)兩邊，轉移為建設用地約3.24 km2，主要集中在較大城鎮(zhèn)周圍。結合表2與圖1分析研究區(qū)LUCC主要活躍區(qū)域為流域西南部，表現(xiàn)為2008—2013年流域西南部有大范圍密林轉變?yōu)槭枇趾筒莸亍⒅脖辉獾狡茐?，?013—2018年逐漸有小范圍的恢復，但林地利用面積與2008年相比依然趨向于碎片化。經過現(xiàn)場調研和遙感影像推斷，主要原因是2010年紹興市遵照“十一五”規(guī)劃，全面開展退耕還林政策，原研究區(qū)西南部種植有大面積茶園，為積極響應“十一五”規(guī)劃，西南部位的茶園被“還林”為喬木樹苗，但由于樹苗才種植，枝葉還不繁茂、生態(tài)還未恢復，主要土地利用以稀疏草地為主，因此林地利用面積有所下降，2013—2018年，退耕還林地區(qū)生態(tài)逐漸恢復，則林地利用面積緩慢回升，但樹木還未成林，利用面積趨向于碎片化。

圖1 1998-2018年湯浦水庫流域土地利用面積凈變化指數(shù)

4.2 土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境效應分析

從圖2分析研究區(qū)相對生態(tài)價值指數(shù)變化，1998—2018年呈先升后降再升趨勢(N字形)，2018年相較1998年略降低了4.1%，總指數(shù)最高為2008年(0.800)，最低為2013年(0.688)。主要價值貢獻類型為林地，2003年最高貢獻率86.9%，2013年最低為78.1%，第二大貢獻類型為草地，林地與草地貢獻率占總指數(shù)的93%以上，其總面積占比85%以上；區(qū)域EVI波動最大為2008—2013年，下降16.2%，其中因林地變化減少28.9%；未利用地與建筑用地呈先減少后增加趨勢，其EVI貢獻率占總指數(shù)的0.2%以下，對整體流域EVI變化無較大影響。結合土地利用分類圖從空間分布角度分析，計算5期單位面積EVI均值，利用GIS自然斷點法進行重分類。研究區(qū)EVI高值區(qū)(>0.75)主要集中在研究區(qū)中部山地、丘陵地區(qū)和研究區(qū)東北部水庫庫區(qū)；EVI中值區(qū)(0.75～0.3)主要分布在研究區(qū)西南部，除林地之外有部分草地、耕地和疏林分布；EVI低值區(qū)(<0.3) 零星分布在研究區(qū)東部、東南、西部和庫區(qū)西南部位，主要為居民地、道橋用地等。其中1998—2018年EVI高值區(qū)較為穩(wěn)定；EVI低值區(qū)呈中心向四周擴張形小幅度增長；EVI中值區(qū)較為活躍，主要分布在研究區(qū)西南、東南部，距離主要城鎮(zhèn)距離較近、地勢較為平緩、交通較為便利區(qū)域，隨時間變化土地利用變化較大。需要注意的是生態(tài)價值指數(shù)是包含了研究時段的所有土地利用類型變化的綜合指標，不同土地利用類型的改變所帶來生態(tài)價值的影響也是不同的，生態(tài)環(huán)境的改善與退化兩種趨勢是并存的，不能因為總研究區(qū)生態(tài)價值指數(shù)的增加而忽略單個利用類型的貢獻值減少，反之亦然。例如，2013—2018年總流域的相對生態(tài)價值指數(shù)EVI增加4.8%，而水域面積減少導致水域相對生態(tài)價值貢獻量減少1.1%，但由于林地面積增加生態(tài)價值貢獻量增加9.1%的幅度更大，所以總EVI值是增加的。

圖2 湯浦水庫流域相對生態(tài)價值指數(shù)

4.3 水庫流域監(jiān)控區(qū)劃分與搬遷生態(tài)效應預測

水庫庫區(qū)周圍主要地貌為山地/林地，水庫水質主要受入庫河流的水質影響。流域內居民地生活污染和耕地農業(yè)面源污染作為影響河流水質主要污染源，主要沿河流兩岸分布。對湯浦水庫流域按照上文中的劃分原則劃分為三級監(jiān)控區(qū)(如附圖1所示)。研究區(qū)內共有三條主要入庫河流，其中庫區(qū)西北部河流徑流量最小，Ⅰ級監(jiān)控區(qū)內主要分布為耕地，居民地較少；研究區(qū)南部走向河流，沿兩岸耕地面積較多，且經過較大城鎮(zhèn)王壇鎮(zhèn)；研究區(qū)中部東西走向河流徑流量最大，部分與S212省道走向重合，沿途分布有較多的居民地，且從中間穿過位于Ⅰ級監(jiān)控區(qū)的王壇鎮(zhèn)后與南部走向河流匯流進入水庫。從空間分布和近20 a的LUCC轉移速率角度分析，主要環(huán)境污染重點監(jiān)控區(qū)域應設在研究區(qū)中部(S212省道東西走向段)和水庫庫區(qū)西南方向(王壇鎮(zhèn))方向，耕地、居民地面積逐年增大，且均位于Ⅰ級監(jiān)控區(qū)、距離庫區(qū)近、河流徑流量大，防止居民生活污染以及耕地非點源污染水庫水質。

通過GIS空間疊加三級流域監(jiān)測區(qū)分析，結合水庫管理目標，制定流域內生態(tài)移民搬遷計劃，分三期實施：一期搬遷建設用地6.91 km2，約占總建設用地41.13%，主要為沿河兩岸居民用地，其中王壇鎮(zhèn)與研究區(qū)中部東西走向河流段兩岸分布較多；二期搬遷12.80 km2(含一期搬遷面積)，約占76.19%，此次沿河居民用地基本完成搬遷，包括研究區(qū)內三個主要城鎮(zhèn)(王壇鎮(zhèn)、古來鎮(zhèn)、稽東鎮(zhèn))；三期搬遷16.80 km2，主要為流域內少量分布在研究區(qū)西南、西北部位的分散居民，至此完成流域內全部居民搬遷；同時耕地面積分期轉化量為6.64 km2(一期)、16.93 km2(二期)和20.09 km2(三期)，占流域耕地總面積33.05%，84.27%和100%，搬遷位置分布與搬遷居民地的位置分布基本一致。利用區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)模型，對搬遷后因LUCC導致的流域EVI變化進行預測，結果如附圖1所示。參照研究區(qū)流域西南部2008—2018年茶園退耕還林區(qū)域生態(tài)演變的規(guī)律，模擬流域內搬遷后土地利用變化狀況：搬遷初期(<5 a)，搬遷地土地利用逐步由建設用地/耕地轉變?yōu)椴莸睾褪枇?；搬遷穩(wěn)定期(>5 a)土地利用類型逐步由草地/疏林向林地轉變。通過分別計算搬遷地在搬遷前、搬遷初期和搬遷穩(wěn)定期的生態(tài)價值指數(shù)可知移民搬遷對區(qū)域價值指數(shù)的影響。對搬遷地而言，移民搬遷計劃實施前搬遷地的耕地和建設用地生態(tài)價值指數(shù)貢獻量共為0.015，搬遷初期(耕地和建設用地轉變?yōu)椴莸?生態(tài)價值指數(shù)為0.027，較搬遷前增加了76.1%；搬遷穩(wěn)定期(耕地和建設用地轉變?yōu)榱值?生態(tài)價值指數(shù)為0.081，較搬遷初期增加了202.1%，搬遷后生態(tài)價值共增加了0.066，是原生態(tài)價值指數(shù)的4.3倍。對全流域而言，由于草地的相對生態(tài)價值指數(shù)略高于耕地，在搬遷初期(<5 a)流域相對生態(tài)價值呈緩慢上升趨勢，由搬遷前(2018年)0.721增長至0.747。到搬遷穩(wěn)定期(>5 a)，搬遷地的生態(tài)環(huán)境完全恢復，土地利用類型由草地轉變?yōu)榱值兀瑓^(qū)域相對生態(tài)價值指數(shù)有較大提升，由0.747增長至0.802，且搬遷穩(wěn)定期生態(tài)價值指數(shù)增長速率提高，是搬遷前的3.06倍，流域總生態(tài)價值指數(shù)比搬遷之前增加了11.2%。搬遷穩(wěn)定期林地面積共增加36.89 km2，占總流域面積68.9%，對流域內相對生態(tài)價值指數(shù)貢獻量增加17.6%。

5 結 論

(1) 湯浦水庫流域近20 a土地利用類型以林地為主，林地與草地的相互轉換為研究區(qū)LUCC的主要轉換類型，人為因素是土地利用類型變化主要驅動力；研究區(qū)LUCC主要活躍區(qū)域為流域西南部，表現(xiàn)為林地—草地—林地變化。

(2) 1998—2018年流域生態(tài)價值指數(shù)均呈N字形變化。區(qū)域相對生態(tài)價值指數(shù)高為2008年(0.800)，最低為2013年(0.688)。

(3) EVI高值區(qū)主要位于研究區(qū)中部山地林區(qū)和水庫庫區(qū)，EVI低值區(qū)零星分布在研究區(qū)東部、東南、西部和庫區(qū)西南部位，主要為建設用地和未利用地。

(4) 流域內環(huán)境污染重點監(jiān)控區(qū)應設在研究區(qū)中部沿S212省道東西走向段和庫區(qū)西南角王壇鎮(zhèn)方向；

(5) 依據(jù)流域Ⅲ級監(jiān)控區(qū)劃分，逐步實施庫區(qū)生態(tài)搬遷移民后，共將減少建設用地16.80 km2，耕地20.09 km2；因此，搬遷地的生態(tài)價值指數(shù)由0.015增加至0.081，全流域的生態(tài)價值指數(shù)由0.721增加至0.802，提高了11.2%。