基于GIS的丹江口水庫土地利用/覆被動態(tài)變化特征分析

李小根， 段小芳， 付景保， 李思瑤， 鄧夢瑩， 張子政

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.河南工程學院，河南 鄭州 451191)

土地利用/土地覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)是反映人類活動對環(huán)境影響的最重要因素之一[1]。人類活動是土地利用變化的驅動因素，土地覆被變化則是土地利用變化的必然結果。隨著全球氣候的加速變化以及城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，土地利用/土地覆被發(fā)生了巨大變化，隨之而來的生態(tài)環(huán)境變化以及社會經濟發(fā)展問題引起了人們的廣泛關注。LUCC作為影響全球環(huán)境變化的主要驅動力，已成為關于全球環(huán)境和氣候變化的研究熱點[2]。國內外不少學者已在研究土地利用/土地覆被變化方面取得了不少成果[3-10]。結合現有的LUCC數據和分析成果，能夠得到研究區(qū)域土地利用和土地覆被的空間變化過程、變化特征以及影響LUCC的驅動因素。因此，開展土地覆被類型變化研究，可為土地規(guī)劃、城市建設、水土資源保護等提供決策依據[11]。

丹江口水庫是南水北調中線工程的取水地，庫區(qū)主要分布在湖北省的丹江口市和河南省的南陽市淅川縣。自2014年起，向北京、天津、河南、河北4個省市提供生產生活和工農業(yè)用水。因此，對丹江口水庫及南水北調中線工程沿線地區(qū)的水生態(tài)環(huán)境、水資源以及水利工程的保護尤為重要，必須保障南水北調中線工程的供水安全。不少學者[12-15]對南水北調中線工程水源區(qū)做了研究，主要集中在土地利用格局、水土流失效應、土壤侵蝕變化趨勢等方面。丹江口水庫作為南水北調中線工程的核心水源區(qū)，對湖北省丹江口市和河南省淅川縣進行土地利用和土地覆被變化研究，有助于掌握丹江口水庫的土地利用現狀以及土地覆被的動態(tài)變化特征，對其提高生態(tài)環(huán)境質量和促進社會經濟可持續(xù)發(fā)展具有指導意義。

1 研究區(qū)概況與數據來源

研究區(qū)域為丹江口水庫庫區(qū)的主要分布區(qū)域——湖北省丹江口市和河南省淅川縣，地理坐標為東經110°47′53″～ 111°52′29″、北緯32°14′10″～ 33°23′02″，地勢由西北向東傾斜。丹江口水庫的水源主要來自于漢江，占比為90%，其余來自丹江；2012年大壩加高后，水庫水域面積達到1 022.75 km2。研究區(qū)氣候屬于亞熱帶季風氣候，冬季溫和少雨，1月份多年平均氣溫普遍在0 ℃以上；夏季高溫多雨，7、8月份多年平均氣溫一般為25～35 ℃，年降水量一般在800～1 000 mm，水量較為豐沛。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

研究區(qū)2000年、2010年、2020年的地表覆蓋數據來源于國家基礎地理信息中心的全球地表覆蓋數據產品服務網站(DOI：10.11769)，分辨率為30 m。

2 研究方法

2.1 土地利用/覆被變化分析

在ArcGIS中，依據丹江口市和淅川縣的行政區(qū)劃矢量文件分別對2000年、2010年、2020年的地表覆蓋數據按掩膜提取，得到研究區(qū)域，并按照國家基礎地理信息中心提供的表示土地覆被類型的代碼進行標注(表1)。制作土地利用/覆被變化圖，在此基礎上進行柵格矢量化、疊加分析、建立面積屬性并計算，將得到的數據轉入到Excel表中，經透視分析后，得到不同年份之間的各土地覆被類型相互轉換的面積轉移矩陣；進而根據數據結果對研究區(qū)域進行土地利用/覆被變化分析。技術流程如圖2所示。

表1 土地覆被類型分類代碼

圖2 技術流程圖

2.2 數學模型法

除了引用土地利用動態(tài)度、土地利用變化強度、土地利用開發(fā)度和土地利用耗減度這4項基本指數外，同時為了更好地分析研究區(qū)域內的土地利用/覆被變化特征，引入了土地利用程度綜合指數和土地利用變化率這2個指數來研究區(qū)域內土地利用程度變化，引入了土地利用相對變化率這個指數來研究丹江口市和淅川縣的土地利用/覆被變化的區(qū)域差異。

2.2.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可以定量地表示土地利用的變化速度，能夠預測未來的土地利用變化趨勢，它分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度[16]。

1)單一土地利用動態(tài)度(K)，表示某一土地覆被類型的面積在單位時間內的數量變化情況；K值表示土地覆被類型變化的劇烈程度，K值越小，變化越微弱，相反則越劇烈。其計算公式為：

(1)

式中：Ua為在時刻a某土地覆被類型的面積；Ub為在時刻b某土地覆被類型的面積；T為研究時長。

2)綜合土地利用動態(tài)度[17](LC)，可以反映出研究區(qū)的整體土地利用變化的速度和情況。其計算公式為：

(2)

式中：LUi為研究時段內初期的i類土地覆被類型的面積；ΔLUi-j為研究時段內i類土地覆被類型轉換為j類(j類，非i類)土地覆被類型的面積；n為土地覆被類型分級數；T為研究時長。

2.2.2 土地利用變化強度

土地利用變化強度[18](Q)能夠定量地描述人類活動對土地利用變化的影響情況和各土地覆被類型面積在一定時間范圍內的變化情況。Q值表示土地覆被類型變化的劇烈程度，Q值越小，土地覆被類型的變化越微弱，相反則越劇烈。其計算公式為：

(3)

式中U為研究區(qū)域的總面積。

2.2.3 土地利用開發(fā)度

土地利用開發(fā)度(LUD)，表示一定時間范圍內某土地覆被類型面積的增加情況，以單位時間內某土地覆被類型新增加的面積與研究初期該土地覆被類型面積的比值來表達。其計算公式為：

(4)

式中Xab為從時刻a到時刻b的研究時段內其他土地覆被類型轉變?yōu)樵撏恋馗脖活愋偷拿娣e之和。

2.2.4 土地利用耗減度

土地利用耗減度(LUC)反映一定時間范圍內某土地覆被類型面積的減少情況，以單位時間內某土地覆被類型新減少的面積與研究初期該土地覆被類型面積的比值來表示。其計算公式為：

(5)

式中Jab為從時刻a到時刻b的研究時段內由該土地覆被類型的面積轉換為其他土地覆被類型的面積之和。

2.2.5 土地利用程度變化

1)土地利用程度綜合指數[16](Z)能夠反映出研究區(qū)土地利用程度的變化情況和集約程度，可用于土地利用程度的綜合評價。其計算公式為：

(6)

式中：Ai為研究區(qū)第i級土地利用/覆被類型的分級指數；Ci為研究區(qū)第i級土地利用/覆被類型的分級面積百分比；n為某土地利用/覆被類型的分級數。

根據文獻[19]，對土地利用/覆被類型進行分級，分別為未利用土地級、林草水用地級、農業(yè)用地級和城鎮(zhèn)聚落用地級4級，分級指數分別設定為1、2、3、4，見表2。

表2 土地利用程度分級表

2)土地利用變化率[20](ΔLb-a)可以反映出區(qū)域土地利用的整體水平和變化方向。若ΔLb-a的值大于0，則表示該區(qū)域處于發(fā)展期，反之則處于衰退期。其計算公式為：

ΔLb-a=Lb-La；

(7)

(8)

式中：Ai為研究區(qū)域第i級土地利用/覆被類型的分級指數；Cia為區(qū)域內第i級土地利用/覆被類型在a時刻的面積百分比；Cib為研究區(qū)域第i級土地利用/覆被類型在b時刻的面積百分比。

2.2.6 土地利用區(qū)域差異

土地利用變化存在著顯著的地區(qū)差異，可以用各區(qū)域某種土地利用類型相對變化率來反映土地利用變化的區(qū)域差異[14]。土地利用相對變化率(R)可以體現出各區(qū)域土地利用/覆被變化的差異。若R值大于1，表示該區(qū)域土地利用變化高于整個研究區(qū)的。其計算公式為：

(9)

式中：Ka、Kb分別為某個區(qū)域內的某一土地覆被類型在時刻a、時刻b的面積；Ca、Cb分別為整個研究區(qū)某一土地覆被類型在時刻a、時刻b的面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化分析

土地利用變化主要是數量和空間分布的變化[21]。數量即為各土地覆被類型面積的增減情況，空間分布則為各土地覆被類型的分布位置。研究土地利用動態(tài)變化最直接的方式是比較各土地覆被類型的面積。

首先，從空間分布上來看，研究區(qū)2000年、2010年、2020年的土地覆被情況如圖3所示。由圖3可知：水體的覆蓋面積變化呈遞增趨勢，主要在丹江口水庫庫區(qū)周圍；總體來說，除水體和人造地表的面積有明顯的增加外，其他類型的土地覆被面積變化并不顯著。

圖3 研究區(qū)各年份土地覆被情況

然后，從面積上來加以分析，不同年份各土地覆被類型的面積及其變化趨勢見表3和如圖4所示。

表3 不同年份各土地覆被類型的面積

圖4 不同年份各土地覆被類型面積變化

結合表3和圖4可知：丹江口水庫所在的丹江口市和淅川縣土地類型以林地為主，其次為耕地、草地、水體、人造地表、濕地、未利用地；2000—2020年這20年間，水體和人造地表的面積逐年增加，耕地和草地的面積逐年減少；其中，水體的面積變化幅度最大，從2000年的331.13 km2增長到2020年的759.69 km2，增加了428.56 km2，同比增長129.42%。這表明：隨著南水北調中線工程的建設，丹江口水庫的蓄水能力不斷擴大，水位抬升，造成水體面積增加。

3.2 土地覆被類型轉移變化分析

土地利用轉移矩陣是馬爾科夫模型在LUCC研究中的應用。利用馬爾科夫模型可以定量地描述各土地覆被類型增加面積的來源和減少面積的去向[22]。土地利用轉移矩陣可以清晰地表明研究區(qū)域內各土地覆被類型之間的轉移情況以及速率。本研究分為兩個時間階段，以10年為一個間隔進行土地利用轉移矩陣計算，不同階段的土地利用轉移矩陣分別見表4、表5。

表4 2000—2010年丹江口水庫庫區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

表5 2010—2020年丹江口水庫庫區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

第一個階段(2000—2010年)：草地的面積增加主要為耕地面積的轉入，面積轉出為耕地、林地、水體，草地面積總體呈現遞減趨勢，共減少了154.65 km2，2010年相比于2000年減少了15.91%；耕地的面積也同樣在減少，其中有142.12 km2的面積轉出為水體，同比減少7.39%；林地的面積增加了104.42 km2，同比增加4.09%；人造地表的面積從2000年的101.31 km2增加到123.83 km2，同比增加22.23%，主要從耕地轉化而來；濕地的面積只有極小的一部分，面積占比由0.34%變?yōu)?.19%，同比減少43.50%；水體的面積變化最大，這10年間，其他土地覆被類型的面積都在向水體轉入，轉入水體面積最大的為耕地，高達142.12 km2，水體面積共增加了179.71 km2，同比增加54.27%，說明南水北調中線工程使得丹江口水庫的水面面積不斷增加。

第二個階段(2010—2020年)：草地、耕地、林地、濕地的面積都在減少，主要轉移為水體，其中草地面積轉出27.73 km2、耕地面積轉出141.96 km2、林地面積轉出75.58 km2、濕地面積轉出4.70 km2，2020年相比2010年分別減少了3.95%、11.51%、3.71%、24.11%；水體和人造地表的面積呈遞增趨勢，從2010年到2020年，水體的面積增加了248.85 km2，同比增加48.71%，人造地表的面積增加了64.39 km2，同比增加52.00%。受人類活動的影響，研究區(qū)域出現了未利用地，是由草地、耕地、林地、濕地、人造地表的部分面積轉出造成的。

3.3 土地利用/覆被空間變化分析

在ArcGIS中，可做出不同階段各土地覆被類型兩兩之間相互轉化的空間分布圖，如圖5所示。

由圖5可知：2000—2010年，耕地圖斑上有其他顏色的圖斑出現，說明耕地的面積向其他土地覆被類型面積轉出，其中面積比較大的圖斑為耕地-水體。這說明在這10年間，丹江口水庫周圍的水體面積明顯增加，土地覆被類型的變化主要由耕地、林地、草地、濕地轉移為水體，表明丹江口水庫的蓄水能力在擴大，庫區(qū)面積在增加。2010—2020年不同土地覆被類型之間的轉換，與2000—2010年的相似，其他土地覆被類型大部分轉移變?yōu)樗w。圖5清晰地展示出了各土地覆被類型之間轉換的空間分布情況，這些變化集中于丹江口水庫周圍，可以看出水庫在逐漸擴大。水庫的變化與南水北調中線工程的建設有難以分割的關系。此外，隨著社會經濟的發(fā)展，人造地表的面積也逐漸增加，有少量其他土地覆被類型的面積向人造地表面積轉化。研究區(qū)域內各個土地覆被類型之間都有相互轉化的情況。

圖5 不同階段各土地覆被類型變化空間分布圖

3.4 土地利用/覆被變化特征分析

3.4.1 土地利用/覆被描述指數

根據公式(1)—(5)，得到丹江口水庫庫區(qū)的土地利用/覆被變化描述指數值，見表6。分析表6得到如下結論：

1)在丹江口水庫庫區(qū)的單一土地利用動態(tài)度中，2000—2010年間水體的單一土地利用動態(tài)度最大，為5.43%；而2010—2020年間，人造地表的單一土地利用度最大，為5.20%；這兩個階段濕地的單一土地利用動態(tài)度都為最小，分別為-4.35%和-2.42%。在2000—2010年這一階段，水體和濕地的變化幅度較大，而林地的變化幅度最??；在2010—2020年這一階段，人造地表和水體的變化幅度較大，其次是濕地，說明主要是人造地表、水體和濕地間的轉化。兩個階段的綜合土地利用動態(tài)度指數分別為0.47%和0.35%，都大于0，表明丹江口水庫庫區(qū)的土地利用速度變化較快。

2)在這兩個階段中，草地、耕地的土地利用變化強度都為負數，而耕地的變化大于草地，即耕地的面積減少較快，表明其開發(fā)速度較快；與此相反，水體變化的強度在兩個階段中皆為正數，且數值最大，分別為0.30%和0.42%，說明水體的面積呈現遞增趨勢，這主要是因為隨著南水北調中線工程的建設，必須擴大水源區(qū)來滿足供水需求。

3)2000—2010年間，丹江口水庫庫區(qū)的土地利用開發(fā)度、耗減度表現為濕地和水體的增減互動關系。水體的土地利用開發(fā)度為所有土地覆被類型中的最高值，為5.59%，而耗減度僅為0.16%，也是所有土地覆被類型中的最低值，說明水體在這一階段處于快速發(fā)展期，面積變化呈遞增趨勢。2005年，南水北調中線工程建設開始加高丹江口水庫大壩，丹江口水庫的蓄水容積達到290.5億m3，導致淹沒上游地區(qū)約144 km2的陸地面積，表現為草地、耕地、濕地面積的減少；緊隨水體之后的土地利用開發(fā)度較高的為濕地、人造地表，分別為4.94%、2.84%；而草地和耕地則不斷地被消耗，草地、耕地的開發(fā)度分別為0.38%、0.61%，耗減度分別為1.97%、1.35%；林地的開發(fā)度為0.71%，耗減度為0.30%，說明林地這一土地覆被類型的面積變化無較大波動，趨于穩(wěn)定。

4)2010—2020年間，丹江口水庫庫區(qū)水體和人造地表處于快速發(fā)展期，水體的開發(fā)度為4.93%，耗減度為0.06%，依然呈現遞增趨勢，水體迅猛發(fā)展是這一時期最顯著的土地利用變化特點；人造地表的開發(fā)度為7.12%，為同期所有土地覆被類型中最高值，耗減度為1.92%，前期水庫擴容產生了庫區(qū)移民問題，建立安置區(qū)致使占用大量耕地，其耗減度為1.35%；濕地消耗最大，耗減度高達4.21%；同時，林地的開發(fā)度為0.09%，耗減度為0.38%，出現負增長情況。其中，在2020年時的土地覆被類型圖中，出現了未利用地，但是在2010年并沒有出現，因此未得到未利用地的土地開發(fā)度和耗減度的計算結果。

5)2000年、2010年、2020年的土地利用程度綜合指數分別為236.04、234.38和232.91。2000—2010年的變化值為-1.67，即土地利用變化率值為-1.67<0，表明丹江口水庫庫區(qū)的土地利用開發(fā)程度較低，土地利用處于衰退期。與2000—2010年的發(fā)展狀態(tài)相同，2010—2020年的土地利用變化率值為-1.47<0，該區(qū)域的土地利用處于緩慢發(fā)展期。

表6 丹江口水庫庫區(qū)土地利用/覆被描述指數值 %

3.4.2 土地利用區(qū)域差異

為了更好地研究水庫周邊的土地利用/覆被變化特征，這里采用了土地利用相對變化率，分別對丹江口市和淅川縣兩地進行土地利用變化分析。丹江口市和淅川縣的不同年份土地覆被類型面積見表7。根據公式(9)計算，得到丹江口水庫庫區(qū)土地覆被類型相對變化率，見表8。

第一個階段，丹江口市的耕地、林地、人造地表的相對變化率分別為1.03、1.00和1.33，都大于1，表明丹江口市這幾個土地覆被類型的相對變化率與丹江口水庫庫區(qū)的變化基本一致；而草地的相對變化率為0.87，水體的相對變化率為0.90，都小于1，表明草地和水體的變化幅度低于整個研究區(qū)的變化幅度。與丹江口市不同，淅川縣水體的相對變化率為1.11>1，說明此階段，丹江口水庫水體增加的主要來源是淅川縣的水體面積增加；耕地的相對變化率為0.98<1，說明淅川縣耕地的變化幅度小于整個研究區(qū)的變化幅度；林地、草地和耕地的相對變化率情況和整個研究區(qū)的變化幅度基本相同。

第二個階段，在水體這一土地覆被類型方面，丹江口市的相對變化率要大于淅川縣的相對變化率，丹江口市的為1.02，淅川縣的為0.99，這與2012年丹江口大壩加高密切相關，丹江口市的水體面積增加幅度大于淅川縣的；丹江口市林地、草地的相對變化率分別為0.99、0.98，均小于1；而淅川縣的林地、草地的相對變化率分別為1.02、1.01，均大于1，與丹江口市這兩個土地覆被類型的變化幅度恰恰相反；除濕地外，丹江口市和淅川縣的耕地、水體、人造地表的相對變化率呈現相反情況。

總的來說，丹江口市和淅川縣的土地覆被變化情況與丹江口水庫庫區(qū)的變化幅度基本相似。綜合兩個階段來看，整個研究區(qū)不同土地覆被類型的變化主要來源于淅川縣。

表7 丹江口市和淅川縣的不同年份土地覆被類型面積 km2

表8 丹江口水庫庫區(qū)土地覆被類型相對變化率

4 結語

本文系統(tǒng)地分析了研究區(qū)域的LUCC空間變化特征以及土地覆被類型的變化過程與機制。結論如下：

1)丹江口水庫的水域面積隨著南水北調中線工程建設的需要逐漸擴大。20年來，耕地、草地、濕地的面積變化單一，呈現遞減趨勢；而林地的面積變化有起伏，呈現先增加后減少的趨勢，總體上呈現小幅度的增加。水體和人造地表的面積在逐漸增加，其中水體由開始的331.13 km2到2010年增加至510.84 km2，增加了54.27%，到2020年又增加至759.69 km2，同2010年相比增加48.71%，增加速度減慢。

2)兩個階段各土地覆被類型之間相互轉換關系分別為：2000—2010年這10年以草地→林地，耕地→水體，林地→耕地，人造地表→耕地為主要的轉化類型；而2010—2020年這10年是其他土地覆被類型的面積都主要向水體轉入，只有水體的覆蓋面積在大幅度增加，人造地表的面積少量增加，而其余類型的土地覆被面積均在減少。由此可知，丹江口水庫擴容驅動著土地利用類型之間的相互轉化，水體占用草地等土地覆被類型是丹江口水庫擴容的必然結果。

3)丹江口水庫庫區(qū)的土地覆被類型變化較為單一，主要是其他土地覆被類型轉化為水體；從土地利用程度、土地利用開發(fā)/耗減度、土地利用綜合程度這些指數綜合來看，水體處于快速發(fā)展期，而其他土地覆被類型處于衰退期。

4)丹江口水庫庫區(qū)的土地利用情況以耕地、林地、草地和水體為主。2000—2010年綜合土地利用動態(tài)度為0.47%，2010—2020年的為0.35%，變化幅度沒有明顯的差異，但總體水平呈現下降趨勢；丹江口水庫的土地利用分布及變化的區(qū)域差異并不顯著，丹江口市和淅川縣的土地利用相對變化率都接近于1，各區(qū)域的土地覆被類型變化與研究區(qū)整體的變化基本一致。

南水北調中線工程的建設影響著丹江口水庫庫區(qū)的土地覆被類型變化。一方面，丹江口水庫位于漢江中上游，水資源豐富；另一方面，隨著南水北調中線工程的推進，為了滿足供水需求，丹江口水庫的蓄水能力不斷擴大，水位持續(xù)抬高。水位的抬升，使得丹江口水庫上游的水體面積逐漸增大。丹江口水庫周邊的土地覆被類型變化較為單一。