喀斯特水源保護(hù)區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)對水域的影響機(jī)制研究

楊振華，趙衛(wèi)權(quán)，楊家芳，周文龍，李 威

（1.貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽550001；2.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽550001）

1 引言

土地利用/覆被變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，并以累積的方式影響全球環(huán)境變化［1］，湖泊、河流等水域作為獨立的生態(tài)系統(tǒng)，具有航運、供水、灌溉、養(yǎng)殖、調(diào)節(jié)小氣候等多種重要的功能，對人類的生產(chǎn)活動具有重要的意義［2］。對湖泊、河流等水域范圍的動態(tài)變化研究是進(jìn)行地表水資源開發(fā)利用、洪災(zāi)監(jiān)測預(yù)報、水生態(tài)旅游景觀開發(fā)、水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的基礎(chǔ)；同時，湖泊、河流等水域的變化能一定程度上反映區(qū)域小氣候的變化，調(diào)節(jié)局部氣候條件［3～5］；因此，研究水域的動態(tài)演變過程，探究自然原因及人類活動對其變化的影響，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。近年來，在土地利用/覆被變化的背景下，土地利用變化與水域動態(tài)監(jiān)測的耦合關(guān)系，驅(qū)動機(jī)制及其對水文、水環(huán)境的影響研究引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注，并在研究方法與技術(shù)上取得一系列重要的成果。如陸志翔等土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和SWAT模型，分析土地利用發(fā)生變化對流域水文過程的影響及水文過程對土地利用變化的響應(yīng)［6］；呂方等、熊波等、張毅等采用RS和GIS空間分析的方法，對濕潤區(qū)、干旱區(qū)湖泊水域面積和形態(tài)變化特征進(jìn)行分析［7～9］；張凱等、張洪等探討了流域土地利用變化對水質(zhì)、水環(huán)境及其時空分布的影響［10，11］。不難看出，以往的研究側(cè)重于某一類大型水域（如湖泊）的動態(tài)變化，對于整個水源保護(hù)區(qū)的水域變化與各類土地利用的關(guān)系研究較少，水域面積變化直接表征區(qū)域水資源量的增減，對區(qū)域水資源利用、水環(huán)境保護(hù)起重要引導(dǎo)作用。

“兩湖一庫”（系指紅楓湖、百花湖和阿哈水庫的簡稱）水源保護(hù)區(qū)作為貴陽市最重要的貓?zhí)优c南明河中上游分水嶺地帶的水源涵養(yǎng)地，其中，僅“兩湖一庫”的供水量就占全市供水量的60%以上，供水人口達(dá)120萬，故水源保護(hù)區(qū)內(nèi)水域面積發(fā)生變化直接影響區(qū)域生活、工農(nóng)業(yè)用水補(bǔ)給量，對水源保護(hù)區(qū)的用水安全起關(guān)鍵作用。目前，對于“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)的水域研究主要側(cè)重于土地利用/覆被變化特征和湖庫水環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)等方面研究，而對于“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域動態(tài)變化的研究尚未發(fā)現(xiàn)。鑒于此，本文以1973（MSS）、1993（TM），2001（TM）和2010（ALOS）年4期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取 “兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域變化幅度、分形維數(shù)變化指數(shù)、變化強(qiáng)度指數(shù)和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等因子，基于景觀分形理論和GIS的空間分析方法，計算和分析不同時期水域面積變化和形態(tài)變化指數(shù)及其土地利用類型的轉(zhuǎn)移特點，探求土地利用/覆被動態(tài)變化與水域空間特征之間的關(guān)系。

2 研究區(qū)概況

紅楓湖、百花湖和阿哈水庫是貴陽市主城區(qū)的主要飲用水水源，簡稱“兩湖一庫”。本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，結(jié)合“兩湖一庫”飲用水源保護(hù)區(qū)范圍確定研究區(qū)域。該區(qū)域地處貴陽市西南部，紅楓湖、百花湖的流域總面積為1 895km2。上游為紅楓湖水源區(qū)，面積1 466km2，占流域總面積77.4%；中下游主要為百花湖湖區(qū)，面積429km2，占流域總面積22.6%，阿哈水庫位于貴陽市南明河支流小車河上，壩址以上集水面積為190km2。其中流域內(nèi)共14條入庫支流，分屬貓?zhí)优c南明河水系，河網(wǎng)密度相對較大。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法況

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)本次研究的需要和數(shù)據(jù)的可獲取性，選取研究區(qū)域1973年的MSS影像、1993年的TM影像、2001年的ETM影像和2010年的ALOS影像為數(shù)據(jù)源（表1），利用ENVI5.1和ArcGIS軟件對影像進(jìn)行預(yù)處理、監(jiān)督分類、交互式目視解譯后得到研究區(qū)各年的水域分布圖。由于4期遙感影像的時間分辨率相差較大，故在解譯過程中參考了研究區(qū)域1∶200 000土地利用現(xiàn)狀資料和1∶50 000地形圖。根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)土地利用的實際情況，本研究在以上分級的基礎(chǔ)上，結(jié)合水源地生態(tài)環(huán)境研究的需要，將研究區(qū)的土地利用類型進(jìn)行歸并處理，主要對旱地、水田、林地、建設(shè)用地、荒草地和水域6個類型進(jìn)行統(tǒng)計分析［12，13］，利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，得到不同時期的“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域與其它土地利用類型轉(zhuǎn)化面積［14］。

表1 數(shù)據(jù)來源與主要處理過程

3.2 研究方法

在利用ArcGIS和ENVI軟件中對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理基礎(chǔ)上，對“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)的不同時期水域面積空間變化特征、變化強(qiáng)度（含分形維數(shù)）和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析。

3.2.1 自然水域面積變化

“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域面積的變化［15］見圖1，通過對湖泊總量變化的分析，可以在一定程度上了解水域的空間變化特征和總體變化趨勢，水域變化幅度的具體計算公式為：

式中：C為研究時段內(nèi)水域的變化總幅度，C＞0，表明湖泊面積增大，C＜0，說明湖泊面積減??；C為研究時段內(nèi)湖泊的年變化幅度；Ub、Ua分別為研究末期和研究初期的湖泊面積；T為研究時段間隔年數(shù)。

3.2.2 自然水域分形變化

在進(jìn)行景觀格局研究中，通常會使用分形理論，借助景觀斑塊的分形維數(shù)來研究景觀的復(fù)雜性。不同的實際地物，使用的分形維數(shù)的方法也不同，文章根據(jù)”兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)濕地湖泊的實際特點，采用面積/周長法求算景觀斑塊邊界的分形維數(shù)［16］，具體計算公式為：

式中：Df為景觀斑塊分形維數(shù)，其范圍值在（1，2）之間，當(dāng)數(shù)值接近1時，表明此時斑塊的幾何形狀比較規(guī)則，形狀簡單，受人為干擾比較大；當(dāng)數(shù)值接近于2時，表示斑塊的幾何形狀無規(guī)律，形狀比較復(fù)雜，受人類影響較小；P為“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域周長；A為“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域面積。

3.2.3 自然水域變化強(qiáng)度指數(shù)

水域變化強(qiáng)度指數(shù)，主要用于研究水域面積變化強(qiáng)弱的相對強(qiáng)度，探討每個湖泊在不同時期的相對變化程度［17，18］，具體計算公式為：

式中：E為水域變化強(qiáng)度，其取值范圍（－1，1）之間，當(dāng)E＞0，表示水域面積增大，當(dāng)E＜0，表示水域面積減?。沪i為研究時段內(nèi)第個水域面積變化；Ai為第i個水域的總面積；為時間變化值。

3.2.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

為了更好地研究水域的動態(tài)變化，文章選用土地利用轉(zhuǎn)移公式，分析不同時期的水域與其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)移概率［19］，具體計算公式為：

式中：M為研究時段中從k時期到k＋1時期土地利用變化面積為研究時段中k時期上述各類型土地利用面積；為研究時段中k＋1時期各類型土地利用面積；i、j為表示不同的土地利用類型；在研究土地利用轉(zhuǎn)移中公式（4）使用于土地利用類型小于10種的情況。

4 結(jié)果與分析

通過對“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)1973年、1993年、2001年和2010年4期的遙感解譯結(jié)果進(jìn)行疊加，得到“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)1973～2010年近40年間自然水域面積變化圖（圖1），并統(tǒng)計出歷年水域面積變化狀況（表2）。

表2 1973～2010年"兩湖一庫"水源保護(hù)區(qū)水域面積變化

4.1 水域面積變化及強(qiáng)度分析

從表2可以看出，“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)1973年自然水域面積為61.82km2，1993年增加至75.20km2，2001年則達(dá)到84.75km2，28年間面積增加了28.47 km2，增加的幅度為46.05%，年平均增加量為1.05 km2，但到2010年減少至84.75km2，減少幅度為6.14%，年平均減少量為0.62km2。整體上出現(xiàn)“先增后減”的趨勢，說明水域面積逐漸減少，人類活動對水域范圍的影響越來越劇烈，其中在1973～2001年之間，水域面積的增加緣于農(nóng)業(yè)人口的減少，湖泊、水庫的灘涂地帶耕地逐漸被廢棄，水庫水位上升，淹沒灘涂等未利用地，水域面積得以擴(kuò)展。在2001～2010年，水域面積減少，與水庫區(qū)域旅游建設(shè)用地開發(fā)，工礦用地占用和城市需水量加大密切相關(guān)，隨著紅楓湖、百花湖等大中型水庫工業(yè)、生活用水的取水量加大，直接導(dǎo)致水位下降，水域面積減少。

4.2 景觀分形維數(shù)變化分析

水域景觀分形維數(shù)變化表征區(qū)域人類活動對水域的干擾程度。根據(jù)公式（2）計算出“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域1973～2010年的總分形指數(shù)，為突出人類活動對“兩湖一庫”的水域變化特征，對“兩湖一庫”的分形維數(shù)分別進(jìn)行計算（表3）。

表3 “兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)分形維數(shù)統(tǒng)計

如表3所示，“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域總分形指數(shù)呈逐年上升態(tài)勢，從1973～2010年總分形指數(shù)分別從0.977增至1.310，增幅明顯，說明人類活動對水域的干擾程度不斷加深，小型水域數(shù)量不斷減少；紅楓湖分形指數(shù)從1973年的0.871上升至2010年的1.0，說明人類活動對紅楓湖自然水面的干擾程度加深，特別是近年來紅楓湖風(fēng)景名勝區(qū)，增加許多人工建筑設(shè)施，同時，紅楓湖附近鄉(xiāng)村居民點的擴(kuò)張，更加速了水域面積的減小。百花湖與阿哈水庫的分形指數(shù)值則呈現(xiàn)先增后減的變化特征，1973～1993年分形指數(shù)值增大，主要是由圍湖造田、開墾灘涂等農(nóng)業(yè)活動引起的，而1993～2010年百花湖與阿哈水庫的分形指數(shù)又逐漸下降，原因在于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)業(yè)活動中退耕現(xiàn)象明顯，再加上政府對水源地環(huán)境的保護(hù)。

4.3 水域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變類型分析

通過對“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域的變化特征研究發(fā)現(xiàn)，”兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)1973～2001年自然水域總體面積呈不斷增加，而2001～2010年又呈不斷減少的趨勢，其中，水域面積不斷減小主要是由于“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)過程中不斷圍湖造田、擴(kuò)建城市等造成的，所以，在此基礎(chǔ)上分析“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域與其它各種土地類型的轉(zhuǎn)移矩陣，可以更加直觀清晰地分析”兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域面積減小的原因和方向。

表4 1973～2010年“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域轉(zhuǎn)化矩陣/%

在表4中，1973～1993年間，“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域面積的增加主要轉(zhuǎn)化來自于耕地和林地，其中以轉(zhuǎn)化為其他農(nóng)用地耕地轉(zhuǎn)化的比重最大，達(dá)到12.44%，其次為林地轉(zhuǎn)化率達(dá)到9.96%，說明此時農(nóng)業(yè)活動對水域的影響占主導(dǎo)地位，耕地撂荒現(xiàn)象開始出現(xiàn)，水域面積得以增加。1993～2001年水域變化幅度相對較小，水域拓展面積主要來源于林地和旱地，其中林地轉(zhuǎn)化率為7.41%，旱地轉(zhuǎn)化率僅達(dá)3.27%，說明耕地面積趨于穩(wěn)定，退耕還湖中的耕地主要為旱地，水田較少。2001～2010年水域面積出現(xiàn)減少原因在于湖庫水域面積自然性的減少，出露地表多被林地覆蓋，耕地資源的再次開墾逐步開展起來，耕地的轉(zhuǎn)化率從上一時期的4.82%驟升至10.97%，說明影響湖庫面積起決定作用的在于區(qū)域水文徑流量和農(nóng)業(yè)活動，由于湖庫水域絕大多數(shù)屬郊區(qū)，遠(yuǎn)離城市建設(shè)用地擴(kuò)張，因而，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化率介于0.55%～0.88%之間。

5 結(jié)論與討論

本文選取1973年、1993年、2001年和2010年4期遙感圖像為基本數(shù)據(jù)，參考1∶200 000土地利用現(xiàn)狀圖和1∶50 000地形圖，提取水域變化幅度、強(qiáng)度等指數(shù)，分析了“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)區(qū)域自然水域動態(tài)變化過程以及自然水域與各類土地類型的轉(zhuǎn)移變化特點，得出如下結(jié)論。

（1）“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)水域總體面積呈先增后減的趨勢，由1973年的61.82km2減小為2010年的84.75km2，近40年間面積共增加了22.93km2，年平均增加量為0.62km2；自然水域景觀分形維數(shù)呈逐漸上升的趨勢；自然水域變化強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，其中以1992～2002年的變化強(qiáng)度最為突出，變化強(qiáng)度達(dá)－2.89；自然水域與土地利用類型轉(zhuǎn)移中，時間上“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域主要轉(zhuǎn)換為耕地和林地，總體上，林地轉(zhuǎn)換面積最大，其中以2001～2010年研究時段最為突出。

（2）“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域的變化是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果；自然因素中，氣候變化直接或間接影響自然水域數(shù)量的收入和排出，是“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域變化的重要因素；人為因素中，農(nóng)田開墾與撂荒、旅游資源開發(fā)等人類的活動對自然水域的變化有很大的影響。

（3）城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，城市的擴(kuò)張與自然水域面積和形態(tài)的變化有密切的聯(lián)系，而自然水域作為“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)濕地重要的生態(tài)系統(tǒng)組成部分，其健康發(fā)展對“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)濕地的保護(hù)和“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐意義，本文對“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域的保護(hù)提出以下建議：應(yīng)當(dāng)遵循統(tǒng)籌兼顧、科學(xué)利用、保護(hù)優(yōu)先、協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，統(tǒng)籌自然水域保護(hù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)，促進(jìn)二者的協(xié)調(diào)發(fā)展，構(gòu)建水域保護(hù)監(jiān)測體系；最后還要盡可能地減少人為主觀干預(yù)，促進(jìn)“兩湖一庫”水源保護(hù)區(qū)自然水域的健康可持續(xù)發(fā)展。

［1］倪紹祥.土地利用/覆被變化研究的幾個問題［J］.自然資源學(xué)報，2005，20（6）：932～938.

［2］周 馳，何隆華，楊 娜.人類活動和氣候變化對艾比湖湖泊面積的影響［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2010（2）：121～126.

［3］許 詩，劉志明，王宗明，等.1986～2008年吉林省湖泊變化及驅(qū)動力分析［J］.湖泊科學(xué)，2010，22（6）：901～909.

［4］阿布都米吉提·阿布力克木，阿里木江·卡斯木，艾里西爾·庫爾班，等.新疆車爾臣河流域水域的宏觀變化及其影響和驅(qū)動因素［J］.冰川凍土，2015，37（2）：480～492.

［5］趙廣舉，張 鵬，高俊峰，等.長江下游典型水域濕地近百年變化分析［J］.長江流域資源與環(huán)境，2006，15（5）：560～563.

［6］陸志翔，楊永剛，鄒松兵，等.汾河上游土地利用變化及其水文響應(yīng)研究［J］.冰川凍土，2014，36（1）：192～199

［7］呂 方，杜 婷，楊 俊，等.1982～2012年南四湖水源保護(hù)區(qū)自然水域演化分析［J］.資源科學(xué)，2014，36（4）：848～855

［8］熊 波，陳學(xué)華，宋孟強(qiáng)，等.基于RS和GIS的沙漠湖泊動態(tài)變化研究——以巴丹吉林沙漠為例［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（8）：91～98.

［9］張 毅，孔祥德，鄧宏兵，等.近百年湖北省湖泊演變特征研究［J］.濕地科學(xué)，2010，8（1）：15～20.

［10］張 洪，黎海林，陳 震.滇池流域土地利用動態(tài)變化及對流域水環(huán)境的影響分析［J］.水土保持研究2012，19（1）：91～96.

［11］張 凱，王潤元，張 勃，等.區(qū)域土地利用變化的水資源效應(yīng)研究－－以黑河中游地區(qū)為例［J］土壤，2008，40（1）：51～56

［12］龔文峰，孔 達(dá)，范文義，等.松花江流域哈爾濱段土地利用時空格局演變特征分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（8）：249～255.

［13］郭宗鋒，馬友鑫，李紅梅，等.流沙河流域土地利用變化研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：144～147.

［14］黃浦江，劉艷芳，劉 暢，等.基于RS與GIS的武漢城市湖泊演化研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2012，21（9）：1 588～1 593.

［15］張 楊，劉艷芳，丁 慶，等.1996～2006年武漢市土地利用/覆被變化研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（11）：2 534～2 539.

［16］曾忠平，裴 韜，彭蘭霞.武漢南湖湖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與湖泊形態(tài)變化分形分析［J］.資源科學(xué)，2008，30（7）：1 061～1 067.

［17］Maloney W，Mendez J.Measuring the Impact of Minimum Wages.Evidence from Latin America［A］.Heckman J.Law andEmployment：Lessons from Latin America and the Caribbean［M］.Chicago：University of Chicago Press，2004.

［18］萬 瑋，肖鵬峰，馮學(xué)智，等.近30年來青藏高原羌塘地區(qū)東南部湖泊變化遙感分析［J］.湖泊科學(xué)，2010，22（6）：874～881.

［19］McGarigal K，Marks B J.Spatial Pattern Analysis Program forQuantifying Landscape Structure［D］.Corvallis：Oregon State－University，1994.