基于遙感技術(shù)的水庫流域土地利用及覆被變化過程研究

賀里梅，李奇宸，汪生華，梁 亮，5

(1.青海省自然資源綜合調(diào)查監(jiān)測(cè)院，青海 西寧 810001；2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第十采油廠，甘肅 慶陽 745100；3.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；4.杭州環(huán)保成套工程有限公司，浙江 杭州 310012；5.紹興市湯浦水庫有限責(zé)任公司，浙江 上虞 312364)

1 引言

土地是人類的寶貴資源，是社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ).人類的生產(chǎn)活動(dòng)深刻地改變著地表形態(tài)和地理地貌.比如各類水利工程的建設(shè)，就會(huì)對(duì)河流形態(tài)、徑流大小、生物遷徙等產(chǎn)生重要的影響，更為直接的是水庫蓄水以后導(dǎo)致水面面積增加，地下水水位變化，甚至對(duì)水庫周圍流域生態(tài)環(huán)境造成一定影響[1-2].

土地利用與土地覆被變化過程，可以準(zhǔn)確揭示人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)地表特征與空間格局變化的影響，能夠真實(shí)再現(xiàn)地表景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化.土地利用與土地覆被變化揭示了人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用相互影響的耦合過程，同時(shí)，土地利用與土地覆被變化的空間格局能夠表征人—地關(guān)系在不同時(shí)空尺度上的作用強(qiáng)度與作用模式.近年來隨著研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，在全球范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)土地利用及覆被變化的根本動(dòng)因主要是經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下人類的各種生產(chǎn)活動(dòng).因此，研究各類建設(shè)項(xiàng)目對(duì)土地利用與土地覆被變化的影響過程，分析評(píng)價(jià)這種變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用機(jī)理，對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義.水庫建設(shè)是一項(xiàng)重要的生產(chǎn)活動(dòng)，水庫在建設(shè)及運(yùn)行期間，其流域內(nèi)土地利用及覆被會(huì)發(fā)生重要而顯著的變化，主要表現(xiàn)為水域面積的增加，而這種變化又會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列直接和間接的影響，所以評(píng)估這種變化對(duì)水庫生態(tài)環(huán)境的影響，從而對(duì)流域生態(tài)保護(hù)和水質(zhì)安全保障都具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)是位于浙江上虞的湯浦水庫.該水庫是寧紹平原的主要水源地水庫，距紹興市區(qū)約44公里，由小舜江湯浦鎮(zhèn)以上段截流而成，設(shè)計(jì)庫容2.35億m3，水面總面積為14km2，多年平均徑流量為3.66億m3，設(shè)計(jì)日供水量100萬t，屬我國大(Ⅱ)型水庫.水庫于1997年12月開工建設(shè)，2000年開始截流蓄水并于2001年正式供水.南溪、北溪、王化溪與萬寶溪四大支流組成了水庫水系.南溪和北溪在庫前合流成為雙江溪[3].水庫流域?qū)僬銝|低山丘陵區(qū)，上游水壩控制流域面積為460km2，設(shè)置水源一級(jí)保護(hù)區(qū)為小舜江源頭水域及其周邊1km的區(qū)域，面積52.21km2；二級(jí)保護(hù)區(qū)為流域內(nèi)其他區(qū)域，面積約為407.79km2，主要包括柯橋區(qū)、嵊州市的6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(見圖1)，涉及人口11.5萬，流域內(nèi)地勢(shì)西南高東北低，處于亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫16.5℃、流域多年平均降水量1564.4mm，年內(nèi)降水量逐月分配，通常體現(xiàn)為大中小三峰型.3月由于春雨產(chǎn)生小峰，9月由于臺(tái)風(fēng)雨產(chǎn)生中峰，6月由于梅雨產(chǎn)生大峰.在10月到次年2月之間一般會(huì)出現(xiàn)枯水期.水庫流域的土壤種類繁多，主要包括黃棕壤、酸性紫色土、粗骨土和草甸土等.流域內(nèi)植物主要包括各種喬木層植物，如馬尾松、苦櫧、石櫟等，苦櫧作為健全種，馬尾松作為優(yōu)勢(shì)種，馬尾松和苦櫧都是植物中的優(yōu)良品種，能夠抵抗較大的自然破壞力，以至于整個(gè)涵養(yǎng)林擁有較大的自然持續(xù)能力.

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置示意圖及遙感影像

3 數(shù)據(jù)來源與處理方法

流域遙感數(shù)據(jù)時(shí)段為1998-2018年，分為5個(gè)時(shí)期，分別為1998年、2003年、2008年10月的landsat TM影像數(shù)據(jù)(分辨率為30m)，2013年以及2018年的landsat 8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(分辨率為30m).劃分研究區(qū)土地利用類型的方法：首先通過對(duì)遙感影像的輻射校正、大氣校正、圖像融合、圖像剪裁等一系列預(yù)處理，之后使用最大似然法監(jiān)督分類，同時(shí)與基于NDVI的非監(jiān)督分類相結(jié)合.再經(jīng)過小斑塊去除、聚類處理等分類方式進(jìn)行后處理，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度大小的驗(yàn)證，以Kappa系數(shù)達(dá)到0.7作為允許判別直接要求.在2011年紹興市土地利用圖(來源于紹興市國土資源局，規(guī)格為1∶5萬，shape格式)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)流域土地利用類型修正最終得到研究區(qū)湯浦水庫流域1998—2018年間共5期的土地利用數(shù)據(jù)圖.根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的6類分類方法，將該水庫流域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地.

4 研究方法

4.1 土地利用及覆被類型轉(zhuǎn)移矩陣

利用計(jì)算k時(shí)期與k+1時(shí)期不同土地利用類型的轉(zhuǎn)換求得二維矩陣來闡述土地利用類型之間在不同時(shí)刻的面積變化規(guī)律和轉(zhuǎn)移方向，從而可清晰地認(rèn)識(shí)變化的趨勢(shì)和土地利用的結(jié)構(gòu).此文章使用的轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型，此模型可以定量的表示不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，同時(shí)還說明了不同類型之間的轉(zhuǎn)移速率[4].

(1)

式中：Cij表示k時(shí)期到k+1時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)移變化的面積(km2)；Aijk表示k時(shí)期i種土地利用類型轉(zhuǎn)移成為k+1時(shí)期j種土地利用類型的面積(km2).

4.2 面積凈變化指數(shù)

面積凈變化指數(shù)表示同一土地利用類型面積隨時(shí)間尺度的凈變化指數(shù)[5].

計(jì)算公式如下：

(2)

4.3 植被覆蓋度

區(qū)域的植被是影響區(qū)域生態(tài)的重要因素，植被生長狀態(tài)的最佳指示因子為歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，其與植被覆蓋度展現(xiàn)出良好的關(guān)聯(lián)性.根據(jù)像元二分原理，每個(gè)像元的NDVI值可描述為兩種情況：有植被覆蓋(NDVIveg)和無植被覆蓋(NDVIsoil).故區(qū)域植被覆蓋度計(jì)算方法可為[6]：

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(3)

表1 植被覆蓋度等級(jí)劃分對(duì)應(yīng)地表景觀

式中：NDVIveg表示植被全覆蓋的NDVI值；NDVIsoil表示無植被覆蓋時(shí)的NDVI值.對(duì)NDVI的值進(jìn)行重分類，NDVIsoil為提取頻率累積表中累計(jì)頻率為0.5%的NDVI值，NDVIveg為累計(jì)頻率為99.5%的NDVI值.由于目前對(duì)覆蓋度等級(jí)劃分尚未統(tǒng)一，本文在文獻(xiàn)查閱的基礎(chǔ)上并結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境，將植被覆蓋度劃分如下[7，8](表1).

5 結(jié)果分析

5.1 水庫流域土地利用及覆被變化過程

通過解譯水庫流域近20年共5期的土地利用變化圖(圖2)，對(duì)不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換速度、面積等方面全面分析，評(píng)估水庫建設(shè)及不同運(yùn)行時(shí)期流域內(nèi)的土地利用及覆被狀況.

圖2 湯浦水庫流域1998、2003、2008、2013、2018年土地利用分類結(jié)果

可以看出，水庫從建設(shè)到運(yùn)行的20年間，該流域內(nèi)最主要的兩類土地覆被類型一直是林地和草地，隨著水庫的建成，流域內(nèi)土地利用和覆被也逐漸變化，其中最顯著的變化為：(1)水域面積的顯著增加；(2)在流域的南部，草地面積有比較明顯的擴(kuò)大趨勢(shì)；(3)流域內(nèi)建設(shè)用地有增加，且聚居趨勢(shì)顯著.

基于1998—2018年流域遙感數(shù)據(jù)和土地利用分類結(jié)果，計(jì)算得到該流域20年間土地利用總體轉(zhuǎn)移矩陣(見表2).可以看出在水庫建設(shè)初期(1998年)和運(yùn)行穩(wěn)定期(2018年)流域內(nèi)林地和草地是最主要的土地利用類型，其中林地占流域面積的60%以上，草地占25%以上.

表2 湯浦水庫流域1998-2018年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

從1998—2018年的20年間，流域內(nèi)耕地所占研究區(qū)總面積下降了1.1%，約5.16km2；林地面積下降了3.9%，約17.37km2；草地面積占比增了2.8%，約12.96km2.其中增加的草地中由林地轉(zhuǎn)化而來的大約占16.2%，約47.65km2，主要分布在研究區(qū)東南部.從1998—2018年，水域面積增長9.78km2，主要通過流域內(nèi)原有的耕地和草地轉(zhuǎn)移得到，其中耕地貢獻(xiàn)36.1%、草地占40.1%，這主要是水庫淹沒區(qū)原有的耕地和草地；從1998—2018年，建設(shè)用地與未利用地面積未出現(xiàn)明顯變化，主要是由于水庫建成后限制建設(shè)開發(fā)活動(dòng)，甚至還有部分聚居區(qū)搬遷至庫區(qū)以外，這導(dǎo)致建設(shè)用地總面積變化不明顯，但其中居民建設(shè)用地位置由分散逐漸變?yōu)榧校饕谒畮煳髂戏较?王壇鎮(zhèn))和庫區(qū)東南方向(古來鎮(zhèn)).

表3 流域土地利用面積凈變化指數(shù)(1998-2018年)

圖3 湯浦水庫流域1998-2018年植被覆蓋度面積比例

5.2 流域植被覆蓋度變化

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是控制水土流失的重要因素.增加地表植被覆蓋度，不僅可以有效控制區(qū)域水土流失，而且對(duì)控制流域非點(diǎn)源污染也有重要作用，此外還能起到涵養(yǎng)水源的效果[9].本文采用基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算的植被覆蓋度作為評(píng)判指標(biāo)，由于NDVI受季節(jié)性影響較大，故而采用band math工具將同一年的夏季月NDVI(7～9月)與冬季月NDVI(12月至翌年2月)疊加計(jì)算所得影像作為當(dāng)年的NDVI值，用于計(jì)算當(dāng)年的植被覆蓋度[10，11].通過遙感影像反演得到的1998年、2003年、2008年、2013年和2018年的植被覆蓋度狀況如圖3所示.

由圖4可見，研究區(qū)流域近20年覆蓋度均保持在65%以上.從變化過程來看，在1998年至2008年一直有所增長，植被覆蓋度從72.27%增加到83.67%，具體表現(xiàn)在流域西部的草地逐漸轉(zhuǎn)化成林地，中部和南部地區(qū)的疏林逐漸轉(zhuǎn)變成密林.2013年極高覆蓋度下降(67.38%)主要體現(xiàn)在流域西南部大范圍密林轉(zhuǎn)變?yōu)槭枇只虿莸?，?018年時(shí)全流域范圍植被覆蓋度又回升至77.59%.可見該流域植被覆蓋度整體呈現(xiàn)先增加，后降低，再逐步增加的“N”字型變化過程.

圖4 2008年-2018年退耕還林示意圖

經(jīng)過調(diào)研和遙感影像推斷，引起研究區(qū)2013年植被覆蓋度大范圍下降的主要原因是從2010年開始紹興市按照“十一五”規(guī)劃為了保護(hù)水源地水質(zhì)，全面開展退耕還林和封山育林，對(duì)流域保護(hù)區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)開始限制，因此原來研究區(qū)與西南部種植的大面積茶園被“還林”為喬木樹苗.由于新種植的樹苗的枝葉還不茂盛，覆蓋度較小，故土地利用以稀疏的草地為主要組成部分，因此植被覆蓋度有所下降.2013-2018年期間經(jīng)過5年的生長，退耕還林地區(qū)的植被逐漸恢復(fù)生態(tài)，故植被覆蓋度不斷增加，見圖4.極低覆蓋度面積在1998-2003年有所增加，主要為水庫水域面積的增加所致，其后15年內(nèi)無較大波動(dòng)；低覆蓋度所占面積比最小，主要對(duì)應(yīng)地物為未利用地、裸地、稀疏草地和建設(shè)用地，雖其總面積有緩慢增長但總體波動(dòng)占比較小，最高為2018年(0.53%)；極低、低、中覆蓋度所占總面積均在7%以內(nèi)，最低為2018年(5.11%)，最高為2008年(6.86%)；研究區(qū)5期植被覆蓋度平均值在0.5左右，雖有波動(dòng)但起伏不大，總體植被狀態(tài)保持良好.

6 結(jié)論

本研究以湯浦水庫流域1998—2018年間，5期遙感影像為基礎(chǔ)，分析了近20年間該流域從水庫建設(shè)期到穩(wěn)定運(yùn)行期間的流域土地利用及覆被變化情況，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水污染治理提供參考.

(1)水庫建設(shè)前后該流域內(nèi)土地利用類型沒有發(fā)生根本性改變，主要土地利用及覆被依然是林地和草地，林地與草地之間的相互轉(zhuǎn)化是主要的變化方式，這主要是人為調(diào)控的結(jié)果.

(2)研究區(qū)域內(nèi)水域面積增加是水庫建設(shè)的直接后果，水域面積主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來，水庫建成后水域面積基本保持穩(wěn)定，隨時(shí)間變化不明顯.

(3)研究區(qū)植被覆蓋度雖然有所波動(dòng)，但是總體變化不大，均處于高覆蓋度—極高覆蓋度，這也表明流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較高.