銀川市景觀格局變化對水資源利用的影響探究

韓旭， 邊曉輝， 劉友存

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引 言

城市化可以促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，使城市元素更加豐富[1]，但城市化也會帶來一定的負(fù)面影響，首當(dāng)其沖的便是生態(tài)環(huán)境問題.城市化可以在短時間內(nèi)改變一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)，并將大量的自然景觀以城市景觀取而代之[2-5]，嚴(yán)重影響景觀格局的脆弱性[6-8].21世紀(jì)以來，銀川城市建設(shè)進程明顯加快，城區(qū)面積迅速擴張，促使景觀格局變化劇烈[9-11]，而景觀格局的演變又會從一定程度上影響水資源量及其利用方式.白林波等[12]對銀川市景觀格局演變及土地利用現(xiàn)狀進行了分析，董中龍等[13]研究了銀川市水資源近年來的變化情況，但將二者結(jié)合的研究鮮有出現(xiàn).因此本文從景觀格局與水資源利用兩個角度進行分析，并探討銀川市景觀格局演變規(guī)律，以及對銀川市水資源及其利用所產(chǎn)生的影響.

文中通過對銀川市2006年、2011年、2016年三期Landsat TM遙感影像處理與解譯，并采用最大似然法進行監(jiān)督分類，分析銀川市土地利用類型演變過程[14-15].再選取核心景觀格局指數(shù)對監(jiān)督分類后的影像進行景觀格局變化分析[16]，以探究銀川市景觀格局演變規(guī)律，并結(jié)合2009—2016年銀川市水資源利用變化情況，綜合分析景觀格局演變對水資源環(huán)境產(chǎn)生的影響.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

銀川市是西北地區(qū)的重點城市之一，位處寧夏北部，界于北緯 37°28′～38°52′，東經(jīng) 105°49′～106°53′之間.全市總面積 9025.38 km2，2016年總?cè)丝?19.11萬人，人口密度243人/km2.銀川市整體海拔在1010～1150 m之間，西北部較高，東南部較低，整體氣候表現(xiàn)為中溫帶大陸性氣候，主要氣候特點為：四季分明，春遲夏短，秋早冬長，晝夜溫差較大.研究區(qū)地表水水系較為發(fā)達(dá)，大大小小的溝渠密集成網(wǎng).銀川市DEM高程及水系分布見圖1.

圖1 銀川市DEM高程及河網(wǎng)分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

文中所采用的數(shù)據(jù)資料包括：銀川市2006年、2011年、2016年三期Landsat TM遙感影像，銀川市行政區(qū)劃圖、地形圖，《銀川市統(tǒng)計年鑒（2006—2016）》，《寧夏水資源公報》等資料.本文利用ARCGIS10.2提取銀川市行政邊界，并借助DEM進行了水文分析，利用ENVI5.3進行圖像鑲嵌、影像裁剪后，采用最大似然法對研究區(qū)影像進行監(jiān)督分類.依據(jù) 《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)國家標(biāo)準(zhǔn)將銀川市土地類型分為林地、草地、耕地、荒地、建設(shè)用地、水域共6種類型.銀川市三期遙感影像監(jiān)督分類圖像見圖2，三個時期的監(jiān)督分類精度分別是 87.3222%、91.1124%、88.6595%，Kappa 系數(shù)分別為 0.8626、0.8979、0.8812，符合精度要求.并在ARCGIS10.2中對分類后的圖像進行格式轉(zhuǎn)換，再導(dǎo)入Fragstat4.1軟件中進行景觀格局各項指數(shù)的運算與統(tǒng)計.

圖2 銀川市三期遙感影像監(jiān)督分類

2 景觀指數(shù)選取

景觀指數(shù)是對研究區(qū)復(fù)雜景觀格局信息的高度提煉，是用于分析景觀格局及其變化過程與結(jié)果的重要參數(shù)[17-19].文中分別選用斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)進行分析，得出銀川市景觀類型面積的變化規(guī)律.

2.1 斑塊類型指數(shù)

在斑塊類型指數(shù)中選取斑塊類型面積（CA）、景觀類型比重（PLAND）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）共4個指數(shù)對研究區(qū)景觀格局演變規(guī)律進行分析，各指數(shù)計算公式及意義見表1.

表1 斑塊類型指數(shù)

2.2 景觀水平指數(shù)

在景觀水平指數(shù)中選取蔓延度（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）3個指數(shù)對研究區(qū)景觀格局演變規(guī)律進行分析，各指數(shù)計算公式及意義見表2.

表2 景觀水平指數(shù)

3 景觀格局與水資源變化分析

3.1 景觀格局空間演變分析

3.1.1 斑塊類型指數(shù)分析

斑塊類型指數(shù)包括斑塊類型面積（CA）、景觀類型比重（PLAND）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）共 4 項. 其中，斑塊類型面積（CA）、景觀類型比重（PLAND）和斑塊密度（PD）可以較為直觀的反映某種景觀類型在整體景觀格局內(nèi)所占的比重，而最大斑塊指數(shù)（LPI）則反映該斑塊類型在整體景觀的優(yōu)勢度.研究區(qū)各斑塊類型指數(shù)見表3、表4.

由研究區(qū)斑塊類型指數(shù)的變化情況可得出以下結(jié)論：

1）銀川市三個時期CA與PLAND指數(shù)變化最為明顯的是建設(shè)用地與荒地，建設(shè)用地在景觀所占的比重由2006年的7.53%，經(jīng)過十年的城市化建設(shè)后，在2016年達(dá)到了總體的18.68%，較十年前有了非常高的提升，城市化進程的規(guī)模與速度可見一斑.荒地則由2006年的63.34%于2016年降至50.24%，大量的荒地被開發(fā)利用，城市規(guī)模迅速發(fā)展，城市邊界向外擴張.耕地、水域、草地的PLAND指數(shù)波動幅度較??；林地在景觀中占的比重有所提高，是由對銀川西部賀蘭山區(qū)退耕還林、開發(fā)保護的政策所影響.

表3 銀川市景觀格局指數(shù)CA與PLAND變化情況

表4 銀川市景觀格局指數(shù)PD與LPI變化情況

2）建設(shè)用地的PD值十年間翻了一倍，可見城市化進程對銀川市景觀格局的破碎度造成了最為嚴(yán)重的影響，與此同時，林地、水域、草地的PD值都有不同程度的增長，說明單一景觀類型演化為若干種景觀類型的現(xiàn)象極為普遍，而荒地PD值的下降則反映了相當(dāng)部分的零散荒地被開發(fā)為各種類型加以利用.

3）LPI指數(shù)能夠反映某種斑塊類型的最大斑塊面積在景觀總面積中所占的百分比，在2006—2016年間，耕地、草地、水域的LPI指數(shù)都有不同程度的下降，可見在城市化建設(shè)中，大型的耕地、牧場被取代，更多的是小規(guī)模的耕地與養(yǎng)殖場分布在城市周圍，而大規(guī)模的水源、濕地則被利用，轉(zhuǎn)換成其他類型的用地.建設(shè)用地的LPI指數(shù)大幅提高，表明建筑物集群密集出現(xiàn)，這是城市化達(dá)到了一定程度所出現(xiàn)的標(biāo)志，即居民建筑物、商業(yè)用地、基建設(shè)施相互重疊，城市高度發(fā)展，現(xiàn)代化特征明顯.荒地的LPI指數(shù)明顯降低，在本研究中所反映的是城市邊界逐漸擴張，侵蝕了城市外圍的大片荒地，從側(cè)面印證了研究區(qū)城市化特征明顯.林地的LPI有所上升是由于對林區(qū)進行開發(fā)限制與保護所導(dǎo)致.

總體而言，研究區(qū)建設(shè)用地面積迅速增加，耕地面積先增加后減少，草地、水域面積變化不明顯，林地面積逐漸增加，荒地面積大幅度減少，景觀優(yōu)勢度有所下降.

3.1.2 景觀水平指數(shù)分析

蔓延度（CONTAG）和景觀形狀指數(shù)（LSI）反映景觀破碎度，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）與香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）則反映景觀格局中各景觀類型的多樣性.研究區(qū)景觀水平指數(shù)變化情況見表5.

由研究區(qū)景觀水平指數(shù)的變化情況可得出以下結(jié)論：

表5 銀川市景觀水平指數(shù)變化情況

1）CONTAG反映景觀整體的聚集情況，與景觀破碎度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)CONTAG越大時，景觀內(nèi)各斑塊類型的連接性與聚集性越強，景觀破碎度越低.銀川市近年來CONTAG指數(shù)逐漸降低，表明銀川市在城市化進程中，景觀破碎度逐漸提高.

2）同樣景觀類型所組成的景觀格局，具有簡單與復(fù)雜的差異.復(fù)雜的景觀格局中各景觀類型相互交織耦合，產(chǎn)生特殊效應(yīng)，對當(dāng)?shù)鼐坝^格局及生態(tài)環(huán)境的演化都具有重要的影響，這種反映描述景觀格局的復(fù)雜性與多樣化程度稱之為景觀多樣性[20].銀川市在2006—2016年期間，SHDI與SHEI指數(shù)均穩(wěn)步增長，說明銀川市在城市化進程中，各景觀類型在研究區(qū)整體的分布情況更趨于平均，多種景觀類型相互交錯，景觀多樣性進一步提高.

3.2 水資源變化分析

1）水資源總量

水資源是人類賴以生存的重要資源之一，也是地區(qū)發(fā)展所必要的自然條件.銀川市由于常年受黃河補給，所以雖然降水稀少，蒸發(fā)量大，但水資源總量較為充沛，在寧夏乃至西北地區(qū)都屬于水資源較為豐富的地區(qū).銀川市2009—2016年水資源量變化情況見圖3.

圖3 銀川市2009—2016年水資源量變化情況

由圖3可知，銀川市年水資源總量與年降水總量呈正相關(guān)：在降水較多的年份，來自大氣降水的補給更多，水資源得到恢復(fù)與補充，會有一定的回升；在降水較少的年份，無法對水資源進行補給，水資源被消耗.另外，雖然各年份降水量有所波動，但銀川市地下水資源量連年下降且下降速度越來越快，表明銀川市地下水過度開采、地下水污染等問題愈發(fā)嚴(yán)重，并從側(cè)面印證了銀川市城市化進程加速，建設(shè)用地的急劇增長可以迅速破壞地區(qū)的地下水環(huán)境.

2）水資源利用

水資源是指具有可再生性的、能夠被利用的水.取水量是指直接從江河、湖泊或者地下通過工程或人工措施獲得的水量；耗水量是指用水過程中所消耗的、不可回收利用的凈用水量[21].通過對一個地區(qū)取耗水量的分析可以對該地區(qū)用水總量的變化趨勢進行總結(jié)，進而探尋該地區(qū)水環(huán)境演化的規(guī)律，對水資源控制管理所涉及的關(guān)鍵問題的解決有很重要的作用.銀川市農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè)取耗水量及趨勢變化見圖4.

圖4 2009—2016銀川市取耗水量及景觀類型面積變化趨勢分析

由圖4可知，銀川市2006—2016年耕地面積由升轉(zhuǎn)降，而農(nóng)業(yè)取耗水量從2009年起則持續(xù)降低，說明銀川市在將部分耕地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的同時，也使得對農(nóng)業(yè)用水的需求持續(xù)下降；建設(shè)用地面積與城市人口不斷增加，城市化進程不斷加快，導(dǎo)致非農(nóng)業(yè)取水量也在不斷增長，對銀川市水資源的消耗造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)：非農(nóng)業(yè)取水耗水量持續(xù)保持增長，并且所占的比重也逐漸增大，2009年非農(nóng)業(yè)取水量僅有總量的2.87%，耗水量更僅占總量的1.53%，但2016年占比則分別增至7.11%與4.98%.

4 結(jié) 論

文中基于RS、GIS技術(shù)支持，綜合運用景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)原理與研究方法，結(jié)合水文學(xué)的相關(guān)知識，對銀川市2006年、2011年、2016年三個時期的遙感圖像進行解譯與監(jiān)督分類，對分類后的圖像進行了景觀格局指數(shù)的分析，深入探索銀川市近年來的景觀格局演變規(guī)律，同時對銀川市同時期水環(huán)境的變化進行分析，探究水環(huán)境對景觀格局演變的響應(yīng)，取得研究結(jié)果如下：

1）銀川市2006—2016年十年發(fā)展歷程中，建設(shè)用地面積迅速增加，耕地面積先增大后減少，草地、水域面積變化不明顯，林地面積逐漸增加，荒地面積大幅度減少.研究區(qū)景觀破碎度、景觀多樣性有所上升，景觀優(yōu)勢度有所下降.

2）銀川市2009—2016年水資源總量整體保持平穩(wěn)，局部年份出現(xiàn)少量下降，但水資源利用方式發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，其中農(nóng)業(yè)取耗水量連年下降，與銀川市耕地利用面積成正相關(guān)；非農(nóng)業(yè)取耗水量急劇上升，這是由于建設(shè)用地面積連年增長，以及城市化進程不斷加快和城市人口增加所導(dǎo)致的必然結(jié)果.

然而，由于影像數(shù)據(jù)分辨率的問題，加之未能獲取土地類型資料，土地利用類型分類有待提高.