王維琛 蔡宴朋 孫煉 楊薇 易雨君 徐俏

摘要：為研究向家壩水電工程建設(shè)對(duì)周圍區(qū)域土地利用和景觀格局變化的影響，本研究采用面向?qū)ο蠓诸惙椒▽?duì)水電站建設(shè)前（2006）與建設(shè)后（2017）兩個(gè)時(shí)期的研究區(qū)遙感影像進(jìn)行土地利用和景觀格局變化分析，并以2006年為基準(zhǔn)年，采用CLUES模型對(duì)研究區(qū)2017年“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”下土地利用進(jìn)行模擬，與2017年實(shí)際情形進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：（1）2006-2017年間，在水電站外部工程和社會(huì)發(fā)展的雙重作用下，水體面積大幅度增加，裸地得到開(kāi)發(fā)利用，建筑區(qū)擴(kuò)張，林地和耕地減少較多；（2）相較于“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”，水電工程影響下的建筑區(qū)面積略有下降，園地/草地面積下降且與林地之間交叉分布增多；（3）相較于“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”，水電工程影響下研究區(qū)景觀格局變化表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：景觀水平上，自然發(fā)展對(duì)研究區(qū)整體的聚集作用減弱；類型水平上，研究區(qū)景觀格局呈現(xiàn)出三種趨勢(shì)：耕地與園地/草地呈增強(qiáng)趨勢(shì)，建筑區(qū)與裸地呈延緩趨勢(shì)，林地呈相反趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：土地利用/覆蓋變化；面向?qū)ο蠓诸悾痪坝^格局變化；CLUES模擬；水電工程

中圖分類號(hào)：X22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2018）05007708

Land use/cover and landscape pattern changes under influence of Xiangjiaba Hydropower Station

WANG Weichen1，2，CAI Yanpeng1，2，SUN Lian1，2，YANG Wei1，2，YI Yujun1，2，XU Qiao1

（

1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Beijing Engineering Research Center for Watershed Environmental Restoration & Integrated Ecological Regulation，Beijing 100875，China）

Abstract：

In order to analyze the influence of Xiangjiaba hydropower project on land use and landscape changes in the peripheral region，we applied the objectoriented classification method to extract the land use types from the Landsat images of 2006 and 2017，and analyzed the landscape pattern changes around Xiangjiaba hydropower station.Then，we used CLUES model to simulate the land use and landscape changes in 2017 in the condition of natural development without the hydropower project.The main conclusions are as follows：from 2006 to 2017，the land types of the study area were seriously affected by both social development and the hydropower project.The water area has increased significantly；bare land has been utilized；construction area has expanded；forest and farmland area has decreased a lot.Compared with the situation in the natural development condition，under the influence of the hydropower project，the construction area is slightly smaller，and the garden/grass land area is smaller with more crossdistribution with forest land.The landscape pattern presented different trends：enhancement of farmland and garden/grassland，delayed development of construction and bare land，and opposite development of forest land.

Key words：

LUCC；objectoriented classification；landscape pattern change；CLUES simulation；hydropower project

土地利用/覆蓋變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是區(qū)域環(huán)境變化的關(guān)鍵[12]，可以實(shí)現(xiàn)地表時(shí)空特征的動(dòng)態(tài)變化記錄。土地的不合理規(guī)劃和利用會(huì)導(dǎo)致一系列環(huán)境問(wèn)題，如水土流失、生物多樣性降低和荒漠化等。景觀格局指數(shù)和CLUES模型（Conversion of Land Use and its Effects at Small region extent）都是分析區(qū)域尺度LUCC變化的有效工具。景觀格局分析主要研究景觀的結(jié)構(gòu)、功能及其變化[3]，注重人類活動(dòng)對(duì)于景觀格局變化的影響[4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用景觀格局指數(shù)分析受到農(nóng)業(yè)和工業(yè)影響下土地利用變化和景觀格局變化之間的關(guān)系[56]，并對(duì)景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因子、指數(shù)篩選方法和局限性等方面進(jìn)行研究[710]；CLUES模型是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)在CLUE模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，在定量分析土地利用模擬、土地退化、山區(qū)植被變化、政策對(duì)土地利用影響等方面應(yīng)用廣泛且表現(xiàn)良好[1118]。

隨著我國(guó)西南地區(qū)水電行業(yè)的快速發(fā)展，大型水電工程建設(shè)對(duì)周圍區(qū)域土地利用和景觀格局產(chǎn)生較大影響。研究表明，水電站的建設(shè)使土地利用和景觀格局表現(xiàn)出破碎化加劇和分布離散的趨勢(shì)。但在不同區(qū)域，水電工程的具體影響并不一致[1922]。關(guān)于金沙江干流大型水電站向家壩水電站，已有研究主要關(guān)注工程建設(shè)過(guò)程的實(shí)施細(xì)節(jié)以及局部地區(qū)生態(tài)恢復(fù)措施[2324]，缺乏區(qū)域尺度的水電工程建設(shè)對(duì)LUCC和景觀格局影響的分析研究。本文利用“3S”技術(shù)、景觀指數(shù)分析和土地利用模擬等手段，通過(guò)自然狀態(tài)發(fā)展情景與真實(shí)情況對(duì)比，放大水電工程因素的影響，對(duì)向家壩水電工程對(duì)LUCC和景觀格局影響進(jìn)行分析，以期為日后該區(qū)域土地資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)保護(hù)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

向家壩水電站是金沙江流域下游的一座巨型水電站，水庫(kù)正常蓄水位380 m，庫(kù)容5163億m3，裝機(jī)規(guī)模僅次于三峽和溪洛渡水電站，為中國(guó)第三大水電站，水庫(kù)面積956 km2，回水長(zhǎng)度1566 km。向家壩水電站位于兩省交界處，按照行政區(qū)劃分會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)過(guò)大，不能較好地體現(xiàn)水電工程造成的影響。使用Arcgis 102水文模塊從流域角度對(duì)水電站周圍區(qū)域進(jìn)行子流域劃分，并結(jié)合《金沙江向家壩水電站環(huán)境影響報(bào)告書(shū)》[25]，合并水電站周圍的四個(gè)子流域作為研究區(qū)來(lái)分析水電工程的影響，如圖1所示。研究區(qū)位于28°29′37″-28°45′52″N和104°14′45″-104°38′22″E之間。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及面向?qū)ο蠓诸?/p>

所用數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)赝恋匾?guī)劃等相關(guān)文件。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)由30 m分辨率的GDEMDEM影像裁剪得到，遙感數(shù)據(jù)分別為2006年Landsat 5 TM影像數(shù)據(jù)和2017年Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)。

對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正等預(yù)處理，利用eCognition 87軟件對(duì)預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行分割和面向?qū)ο蠓诸怺26]，使用的各指數(shù)如下。

其中：S代表土地類型的面積；Sij代表轉(zhuǎn)移前為i類的地物轉(zhuǎn)變?yōu)閖類的面積；n代表土地利用類型數(shù)。i表示初期狀態(tài)；j表示末期狀態(tài)，即每一行表示初期一種土地類型轉(zhuǎn)向其他類型的轉(zhuǎn)出面積，每一列表示末期一種土地利用類型來(lái)自其他類型的轉(zhuǎn)入面積。

2.3 景觀格局分析方法

在景觀水平上選取AWMPFD（面積加權(quán)的平均斑快分形指數(shù)）、AWMSI（面積加權(quán)的平均形狀因子）、CONTAG（蔓延度指數(shù)）、MPS（平均斑快面積）、SHDI（香農(nóng)多樣性指數(shù)）、IJI（散布與并列指數(shù)），在類型水平上選取CA（斑塊類型面積）、AWMPFD、AWMSI、MPS、AI（聚集度）、IJI對(duì)不同年份和情景下的研究區(qū)進(jìn)行景觀格局分析。

2.4 CLUES模型及土地利用/覆蓋變化模擬

研究區(qū)土地利用變化是當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展和水電工程共同驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，為了分離兩種驅(qū)動(dòng)的影響，通過(guò)控制CLUES模型中的參數(shù)，以2006年土地利用為基礎(chǔ)，對(duì)“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”下的研究區(qū)2017年土地利用變化做出模擬，并對(duì)2017年（模擬）和2017年（真實(shí)）進(jìn)行對(duì)比分析，可在一定程度上得到向家壩水電工程對(duì)研究區(qū)土地利用與景觀格局變化的影響。

2.4.1 CLUES模型原理

CLUES模型由輸入模塊和空間分配模塊組成[3538]，其中，輸入模塊包括四個(gè)部分：土地政策與限制區(qū)域、土地利用類型轉(zhuǎn)換規(guī)則、土地需求和空間特征。其中空間特征用Logistic回歸方法得到空間分布格局和各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的定量關(guān)系見(jiàn)式（6）：

式中：Pi表示一個(gè)柵格出現(xiàn)種類為i的土地利用類型出現(xiàn)的概率；X表示驅(qū)動(dòng)因素；β是回歸系數(shù)，表示土地類型和影響因子之間的定量關(guān)系。

2.4.2 驅(qū)動(dòng)因子選取

CLUES模型所需的驅(qū)動(dòng)因子可以分為社會(huì)驅(qū)動(dòng)因子和自然驅(qū)動(dòng)因子，自然因子一般為靜態(tài)特征的因子，如坡度、高程、區(qū)位特征等，社會(huì)因子一般為動(dòng)態(tài)特征的因子，如人口、經(jīng)濟(jì)收入等。由于研究區(qū)并未按照行政區(qū)劃分，不能保證經(jīng)濟(jì)和人口等外部驅(qū)動(dòng)因子的準(zhǔn)確性，故選取6種驅(qū)動(dòng)因子見(jiàn)表1。

將6種影響因子與2006年6種土地利用類型做二元Logistic回歸，利用ROC曲線驗(yàn)證所選影響因子對(duì)研究區(qū)土地利用是否存在影響，ROC值為05表示模型為完全隨機(jī)模型，ROC值為1表示最優(yōu)結(jié)果。最終選出每一類的最優(yōu)影響因子進(jìn)行后續(xù)模擬，如表2所示，ROC值最小為0673，大于06，共有四個(gè)ROC值大于085，整體上所選影響因子確實(shí)對(duì)6種地類具有影響，可以用作后續(xù)模擬過(guò)程。

庫(kù)蓄水，所以水體面積增加777%，原有河流明顯拓寬，兩岸邊緣的園地/草地、耕地和建筑區(qū)轉(zhuǎn)為水體；林地繼續(xù)減少和裸地重新利用導(dǎo)致園地/草地增加，研究區(qū)東部與南部的零散耕地開(kāi)始改為植被，使得耕地面積出現(xiàn)大幅度下降，但在分布上也更加集中。在修建水電站的過(guò)程中，水富縣及其周圍的土地利用分布發(fā)生較大變化，江北裸地逐漸變?yōu)榻ㄖ^(qū)與園地/草地，兩岸部分建筑區(qū)被水淹沒(méi)，城區(qū)內(nèi)綠化增加，建筑規(guī)模擴(kuò)大；此外人口遷移和主要道路更改，宜賓縣建筑區(qū)向北擴(kuò)張，周圍耕地減少。裸地大幅下降729%，主要轉(zhuǎn)為建筑區(qū)和植被，變化區(qū)域主要位于研究區(qū)東南部和中部。

3.2 真實(shí)情況與假設(shè)情景的景觀格局對(duì)比分析

利用CLUES模型進(jìn)行模擬得到自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)下的2017年（模擬）土地利用分布圖（圖4）。

從類型水平上對(duì)2006年、2017年和2017年（模擬）景觀格局進(jìn)行分析，可以明確不同景觀類型的動(dòng)態(tài)變化，見(jiàn)表5。由表5可知如下結(jié)果。

水體是水電工程影響最明顯的土地利用類型。a和c各指標(biāo)更為接近，水電工程建設(shè)下的研究區(qū)，水體形狀更加規(guī)則，分布更加聚集，水體斑塊周圍混雜了更多其他的地物。對(duì)于裸地，AWMPFD、AWMSI和AI均為a>c>b，而MPS為c>a>b，水電工程建設(shè)下裸地會(huì)由于面積大幅減少而更加破碎且邊緣變得復(fù)雜；IJI為b>a>c，與自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)下的變化趨勢(shì)相反，裸地斑塊周圍混雜更多其他地物。上述變化與裸地大規(guī)模轉(zhuǎn)化為建筑區(qū)等其他土地利用類型相關(guān)，且較自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)更加明顯。對(duì)于建筑區(qū)，AWMPFD和AWMSI均為a>b>c，MPS和AI為b>a>c，水電工程影響下的建筑區(qū)在面積增加的同時(shí)變得更加聚集，但相較于自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)，形狀更加復(fù)雜；IJI為a>b>c，自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)和實(shí)際變化下的建筑區(qū)斑塊周圍混雜地物趨向減少，但水電工程建設(shè)減緩了這種趨勢(shì)。

對(duì)于耕地，AWMPFD、AWMSI、MPS和AI均為a>c>b，IJI為b>c，兩種情景下耕地形狀趨向規(guī)則，斑塊群之間分布較為離散，水電工程影響增強(qiáng)了這種趨勢(shì)，相比原有的發(fā)展情景，耕地斑塊周圍的其他地物分布更加復(fù)雜，這也是耕地在分布和面積上收縮的結(jié)果之一。在研究區(qū)東南部和中部，原本分散的耕地一部分消失且變得更加聚集。對(duì)于園地/草地，AWMPFD和AWMSI均為a>c>b，MPS和AI均為ac>b，說(shuō)明兩種發(fā)展情景都會(huì)減少林地與其他地物的混雜，但水電工程建設(shè)會(huì)加劇這種變化。

水電工程建設(shè)對(duì)建筑區(qū)和裸地的作用相對(duì)其他土地利用類型更加直接，而水電工程會(huì)在一定程度上減緩社會(huì)發(fā)展使建筑區(qū)和裸地集中聚集的趨勢(shì)，導(dǎo)致形狀復(fù)雜邊緣破碎，維持區(qū)域周圍地物的混雜狀態(tài)；水電工程建設(shè)會(huì)增強(qiáng)自然發(fā)展對(duì)耕地的作用，周圍的其他地物分布更加復(fù)雜；園地/草地斑塊更加緊湊規(guī)則，且周圍地物類型相比自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)下更加單一；林地斑塊更加規(guī)則且斑塊之間趨向離散，與自然發(fā)展作用相反。

4 結(jié)論

本文通過(guò)遙感、地理信息系統(tǒng)、景觀格局分析和土地利用模擬等手段，分析西南大型水電工程之一的向家壩水電站工程在修建過(guò)程中周圍區(qū)域的LUCC和景觀格局變化，并通過(guò)CLUES模型以2006年土地利用分布為初始狀態(tài)，對(duì)“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”下研究區(qū)2017年土地利用做出模擬，可以在一定程度上分離研究區(qū)社會(huì)發(fā)展和水電工程修建兩種因素的混合作用，得到大型水電工程對(duì)研究區(qū)土地利用變化與景觀格局的影響。得到如下結(jié)論。

在2006年至2017年間，在水電工程和社會(huì)發(fā)展的雙重作用下， 水庫(kù)蓄水，沿岸部分耕地和建筑區(qū)轉(zhuǎn)為水體，水體面積大幅度增加；裸地得到開(kāi)發(fā)利用，分布減少，面積下降729%；受到人口遷移等活動(dòng)影響，建筑區(qū)擴(kuò)張明顯，城區(qū)內(nèi)部更加聚集；東部與南部的耕地轉(zhuǎn)為植被，耕地面積下降，分布集中；林地分布更加聚集，零散分布的林地主要轉(zhuǎn)為園地/草地。

水電工程影響下各地類土地利用變化相較于“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”，除水體大幅增加外，建筑區(qū)面積減少，林地在河流沿岸及建筑區(qū)周圍分布減少，裸地轉(zhuǎn)化為建筑區(qū)和園地/草地，分布更加零散，園地/草地分布范圍擴(kuò)大但面積略有下降，且與林地之間交叉分布增多。景觀水平上，水電工程影響下研究區(qū)景觀格局變化相較于“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”，形狀更加規(guī)則，自然發(fā)展對(duì)整體的聚集作用減弱；類型水平上，研究區(qū)不同地物類型景觀格局變化相較于“自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)”，呈現(xiàn)出三種不同趨勢(shì)：（1）耕地與園地/草地呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，即水電開(kāi)發(fā)下主要景觀指數(shù)與自然發(fā)展情景下變化方向相同且幅度更大；（2）建筑區(qū)與裸 地呈現(xiàn)延緩趨勢(shì)，即主要景觀指數(shù)與自然發(fā)展情景下變化方向相同但幅度減??；（3）林地呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，即主要景觀指數(shù)與自然發(fā)展情景下變化方向相反。

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