李奇宸, 王 敏, 萬 甜, 施練東, 程 文

(1.西安理工大學 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048; 2.紹興市湯浦水庫有限公司, 浙江 上虞 312364)

人類活動是影響地表形態(tài)和土地利用類型變化的主要原因，進而直接或間接影響著全球和區(qū)域生態(tài)環(huán)境有關(guān)要素的改變，對生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也會造成重要影響[1-2]。在社會發(fā)展過程中，各類水利工程的建設(shè)在防止洪澇災(zāi)害、農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水、水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖及發(fā)展旅游等發(fā)揮了重大作用[3-4]，但于此同時，水庫尤其是大型水庫的建設(shè)深刻改變流域的天然形貌，對流域生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了重要影響。水庫建成后水域面積增加，導致庫區(qū)周圍小氣候環(huán)境改變，植被分布狀況也會隨之改變，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會與原始狀況有所差別[5-6]；此外，庫區(qū)水域面積的擴大，其它土地面積就會減少，流域內(nèi)原始狀態(tài)下土地利用格局就會隨之改變，而且隨著水庫管理的日益嚴格，流域內(nèi)的居民區(qū)、工業(yè)區(qū)也會逐步搬遷，流域內(nèi)城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工業(yè)用地及耕地會進一步減少，土地利用格局的變化也會更加顯著[7-8]。作為重要的生態(tài)環(huán)境要素，流域土地利用類型的改變勢必引起流域生態(tài)環(huán)境變化。為探討水庫建設(shè)所引起的流域生態(tài)環(huán)境的變化，劉冰等[9]基于土地類型變化狀況對南灣湖污染源進行解析并研究了其生態(tài)價值;趙明月等[10]基于土地利用類型對水府廟水庫流域生態(tài)安全進行了評價，研究了生態(tài)調(diào)控措施。近年來隨著空間技術(shù)和地理信息技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，利用遙感影像統(tǒng)計分析土地覆被/利用變化(land use and land cover change， LUCC)，研究流域LUCC的時空演變、驅(qū)動力分析、情景模擬和預(yù)測以及生態(tài)環(huán)境價值(效應(yīng))評價等，是當前流域生態(tài)環(huán)境問題研究的熱點[11-14]。但針對飲用水水庫建設(shè)前后及運行管理期土地利用變化和生態(tài)效應(yīng)的研究較少。因此，本文基于1998—2018年共5期遙感影像數(shù)據(jù)，對一水源地水庫LUCC時空變化進行定量分析，從土地利用類型的轉(zhuǎn)移和生態(tài)價值指數(shù)的變化等方面評價水庫流域各階段生態(tài)效應(yīng)；基于GIS緩沖區(qū)分析和空間疊加分析，劃分水源地水庫流域污染監(jiān)控區(qū)；并在此基礎(chǔ)上研究流域內(nèi)居民搬遷方案，模擬預(yù)測逐步實施居民搬遷計劃后，流域生態(tài)價值指數(shù)變化趨勢。為該流域生態(tài)環(huán)境保護及水源地水庫管理與供水安全的保障提供參考。

1 研究區(qū)概況

湯浦水庫位于浙江省紹興市湯浦鎮(zhèn)，興建于1997年12月，總庫容2.35×109m3，水面面積14 km2，多年平均徑流量11.6 m3/s，設(shè)計日供水規(guī)模達1.00×106t，屬國家大(Ⅱ)型水庫。為虞紹平原170萬人解決生活、生產(chǎn)用水問題。水庫流域位于會稽山脈東南部，屬浙東低山丘陵區(qū)。地理坐標為東經(jīng)120°24′—120°55′，北緯29°30′—29°57′之間。研究區(qū)東西長30.8 km，南北寬32.6 km，土地面積460 km2，地勢西南高東北低，處于亞熱帶季風氣候，平均氣溫16.5 ℃、流域多年平均降水量1 564.4 mm，3月、6月、9月為多雨季，枯水期一般為10月到次年2月之間。流域土壤種類以紅壤、黃壤、黃棕壤為主。主要植被為喬木層，馬尾松為優(yōu)勢種。東面G104國道、G329國道位于西北，中間S212省道穿過研究區(qū)。上游流域設(shè)定為飲用水水源二級保護區(qū)、涉及到6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，85個行政村，人口約12萬。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)土地利用變化數(shù)據(jù)主要來源于1998，2003和2008年的Landsat TM影像，以及2013年、2018年的Landsat 8影像數(shù)據(jù)。為了避免季節(jié)、天氣等影響，選取同一季節(jié)相近月份、無云質(zhì)量較好影像作為源數(shù)據(jù)。通過ENVI 5.3對遙感影像的輻射校正、大氣校正、圖像融合、圖像剪裁等預(yù)處理，最大似然法監(jiān)督分類與NDVI的非監(jiān)督分類相結(jié)合的方式劃分土地利用[15]。再經(jīng)過小斑塊去除、聚類處理等分類后處理,并對分類結(jié)果進行精度驗證，其Kappa系數(shù)均達到允許判別0.7的要求。利用中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫發(fā)布的2004年1∶100 000土地利用現(xiàn)狀圖；1∶5萬土壤圖和1∶5萬植被圖為輔助數(shù)據(jù)，以及實地調(diào)查對土地利用類型進行修正。最終得到湯浦水庫流域1998—2018年共5期土地利用圖。土地利用分類采用中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的6類分類法，將土地利用與類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個類型。

3 研究方法

3.1 土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣

通過計算k時期與k+1時期的不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況求得的二維矩陣，能夠描述利用類型之間在不同時相時的面積變化和轉(zhuǎn)移方向，了解變化的總體趨勢和土地利用的結(jié)構(gòu)變化。轉(zhuǎn)移矩陣使用的是馬爾科夫模型，其不僅可以定量的表示類型之間的轉(zhuǎn)化情況，同時還能揭示類型之間的轉(zhuǎn)移速率[16]。

(土地利用類型<10時適用)

(1)

3.2 面積凈變化指數(shù)

分析同一土地利用類型面積隨時間尺度的凈變化指數(shù)[17]。計算公式為：

(2)

3.3 生態(tài)價值指數(shù)(ecological value index, EVI)

生態(tài)服務(wù)價值是指經(jīng)濟社會體直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的利益，主要包括向社會體提供的有價值的物質(zhì)和能量；接納和轉(zhuǎn)化來自社會體的廢棄物；為人類直接提供的(干凈的空氣、舒適的環(huán)境)服務(wù)[18]。區(qū)域生態(tài)服務(wù)的價值會因為區(qū)域土地利用的生態(tài)進程和服務(wù)間的相互作用產(chǎn)生影響[19]。相對生態(tài)價值指數(shù)參照謝高地[20]等提出的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量表”之間的比例關(guān)系，并結(jié)合研究區(qū)實際情況進行調(diào)整確定，進行研究區(qū)生態(tài)效應(yīng)評估[21-22](表1)。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型的相對生態(tài)價值 元/(hm2·a)

其中，由于研究區(qū)水體內(nèi)部物種構(gòu)成較為簡單，生態(tài)結(jié)構(gòu)較為單一，實際上的生態(tài)服務(wù)功能應(yīng)該低于林地，其賦值相應(yīng)降低[16]。

生態(tài)價值指數(shù)EVI是綜合考慮該土地利用類型的相對生態(tài)價值和該類型在研究區(qū)域內(nèi)的面積比，定量的表示出該研究區(qū)在某一時間參數(shù)下的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，其數(shù)學表達式為[22]：

(3)

式中：EVIi——第i種土地利用類型的生態(tài)價值指數(shù)；Si——第i種土地利用類型在該時期所占總研究區(qū)面積的面積比； EVI——總研究區(qū)在該時期的生態(tài)價值指數(shù)；n——土地利用類型的數(shù)量。

3.4 緩沖區(qū)分析與空間疊加分析

利用GIS緩沖區(qū)分析，參考《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范(HJ338-2018)》對保護區(qū)的劃分并結(jié)合庫區(qū)實際空間分布，將研究區(qū)流域劃分為Ⅲ級監(jiān)控區(qū)域，為大Ⅱ型飲用水水庫——湯浦水庫庫區(qū)管理提供直觀的流域監(jiān)控范圍和梯度，以便監(jiān)控資源的合理分配。其中距水庫庫區(qū)500 m范圍內(nèi)作為Ⅰ級監(jiān)控區(qū)，2 000 m范圍內(nèi)作為Ⅱ級監(jiān)控區(qū)。流入水庫的河流水質(zhì)是影響水庫水質(zhì)的主要原因之一，因此將主要河流兩岸200 m范圍內(nèi)劃分為Ⅰ級監(jiān)控區(qū)，2 000 m范圍內(nèi)劃分為Ⅱ級監(jiān)控區(qū)，流域其他地區(qū)作為Ⅲ級監(jiān)控區(qū)。結(jié)合建筑用地、耕地在研究區(qū)的分布，利用GIS空間疊加三級監(jiān)控區(qū)域分析，按建筑用地與耕地所在位置對水庫進水河流水質(zhì)可能造成的影響大小先后搬遷，為水庫流域中滯留的12萬人提供三期搬遷規(guī)劃：將Ⅰ級監(jiān)控區(qū)內(nèi)的建筑用地、耕地等作為一期搬遷，依次類推。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用/覆蓋動態(tài)變化度量標準

利用湯浦水庫流域1998—2018年這20 a間共5期的土地利用分類結(jié)果，從土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的面積和速率等方面分析其變化。

由1998和2018年的土地利用分類結(jié)果計算得該流域20 a來LUCC轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。由表2可以看出1998年和2018年研究區(qū)的主要利用類型都是林地和草地，分別占總研究區(qū)面積的60%和25%以上；相較來說2018年的草地面積比1998年上漲了2.8%，約12.96 km2，林地總體面積下降了3.9%，約17.37 km2，其中有16.2%的草地由林地轉(zhuǎn)化而來，約47.65 km2，主要集中在研究區(qū)西南部位；研究區(qū)內(nèi)林地與草地的相互轉(zhuǎn)換為LUCC的主要轉(zhuǎn)換類型；由于水庫蓄水的原因，水域面積增加9.78 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)移而來，其中耕地占36.1%、草地占40.1%；建設(shè)用地與未利用地面積沒有較大變化，但其中居民用地位置由分散轉(zhuǎn)變?yōu)榧?，主要聚集地為水庫庫區(qū)的西南面(王壇鎮(zhèn))和庫區(qū)東南面(古來鎮(zhèn))。

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

為進一步分析這20 a間的各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)變過程，由1998，2003，2008，2013和2018年這5個時段土地利用類型的面積凈變化指數(shù)(圖1)可以得出，面積凈變化指數(shù)最大的是1998—2003年的水域變化，是由于1999年水庫蓄水的原因，指數(shù)變化達12.28；2008—2013年的建筑用地有一個顯著的增長，指數(shù)達1.10，但由于1998—2008年的建筑用地緩慢減少總體面積無較大變化，分析衛(wèi)星遙感圖得是由于村莊、小范圍居民聚集地等面積減少，但鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣等城市用地、道橋等交通用地增加導致；1998—2003年居民地、耕地附近的未利用地多轉(zhuǎn)移為耕地，后2003—2013年有部分草地、水域、林地轉(zhuǎn)移為未利用地(多為遭到破壞的植被和庫區(qū)水位下降形成的裸地)，2013—2018年靠近城鎮(zhèn)的未利用地逐漸轉(zhuǎn)移為建筑用地和草地，遂未利用地呈先減后增再減趨勢；除林地與草地的相互轉(zhuǎn)換，草地多向建筑用地(道橋)和耕地轉(zhuǎn)變，其中草地轉(zhuǎn)移為耕地約6.30 km2，主要分布為居民地附近和沿道路用地(S212省道)兩邊，轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地約3.24 km2，主要集中在較大城鎮(zhèn)周圍。結(jié)合表2與圖1分析研究區(qū)LUCC主要活躍區(qū)域為流域西南部，表現(xiàn)為2008—2013年流域西南部有大范圍密林轉(zhuǎn)變?yōu)槭枇趾筒莸?、植被遭到破壞，?013—2018年逐漸有小范圍的恢復(fù)，但林地利用面積與2008年相比依然趨向于碎片化。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和遙感影像推斷，主要原因是2010年紹興市遵照“十一五”規(guī)劃，全面開展退耕還林政策，原研究區(qū)西南部種植有大面積茶園，為積極響應(yīng)“十一五”規(guī)劃，西南部位的茶園被“還林”為喬木樹苗，但由于樹苗才種植，枝葉還不繁茂、生態(tài)還未恢復(fù)，主要土地利用以稀疏草地為主，因此林地利用面積有所下降，2013—2018年，退耕還林地區(qū)生態(tài)逐漸恢復(fù)，則林地利用面積緩慢回升，但樹木還未成林，利用面積趨向于碎片化。

圖1 1998-2018年湯浦水庫流域土地利用面積凈變化指數(shù)

4.2 土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

從圖2分析研究區(qū)相對生態(tài)價值指數(shù)變化，1998—2018年呈先升后降再升趨勢(N字形)，2018年相較1998年略降低了4.1%，總指數(shù)最高為2008年(0.800)，最低為2013年(0.688)。主要價值貢獻類型為林地，2003年最高貢獻率86.9%，2013年最低為78.1%，第二大貢獻類型為草地，林地與草地貢獻率占總指數(shù)的93%以上，其總面積占比85%以上；區(qū)域EVI波動最大為2008—2013年，下降16.2%，其中因林地變化減少28.9%；未利用地與建筑用地呈先減少后增加趨勢，其EVI貢獻率占總指數(shù)的0.2%以下，對整體流域EVI變化無較大影響。結(jié)合土地利用分類圖從空間分布角度分析，計算5期單位面積EVI均值，利用GIS自然斷點法進行重分類。研究區(qū)EVI高值區(qū)(>0.75)主要集中在研究區(qū)中部山地、丘陵地區(qū)和研究區(qū)東北部水庫庫區(qū)；EVI中值區(qū)(0.75～0.3)主要分布在研究區(qū)西南部，除林地之外有部分草地、耕地和疏林分布；EVI低值區(qū)(<0.3) 零星分布在研究區(qū)東部、東南、西部和庫區(qū)西南部位，主要為居民地、道橋用地等。其中1998—2018年EVI高值區(qū)較為穩(wěn)定；EVI低值區(qū)呈中心向四周擴張形小幅度增長；EVI中值區(qū)較為活躍，主要分布在研究區(qū)西南、東南部，距離主要城鎮(zhèn)距離較近、地勢較為平緩、交通較為便利區(qū)域，隨時間變化土地利用變化較大。需要注意的是生態(tài)價值指數(shù)是包含了研究時段的所有土地利用類型變化的綜合指標，不同土地利用類型的改變所帶來生態(tài)價值的影響也是不同的，生態(tài)環(huán)境的改善與退化兩種趨勢是并存的，不能因為總研究區(qū)生態(tài)價值指數(shù)的增加而忽略單個利用類型的貢獻值減少，反之亦然。例如，2013—2018年總流域的相對生態(tài)價值指數(shù)EVI增加4.8%，而水域面積減少導致水域相對生態(tài)價值貢獻量減少1.1%，但由于林地面積增加生態(tài)價值貢獻量增加9.1%的幅度更大，所以總EVI值是增加的。

圖2 湯浦水庫流域相對生態(tài)價值指數(shù)

4.3 水庫流域監(jiān)控區(qū)劃分與搬遷生態(tài)效應(yīng)預(yù)測

水庫庫區(qū)周圍主要地貌為山地/林地，水庫水質(zhì)主要受入庫河流的水質(zhì)影響。流域內(nèi)居民地生活污染和耕地農(nóng)業(yè)面源污染作為影響河流水質(zhì)主要污染源，主要沿河流兩岸分布。對湯浦水庫流域按照上文中的劃分原則劃分為三級監(jiān)控區(qū)(如附圖1所示)。研究區(qū)內(nèi)共有三條主要入庫河流，其中庫區(qū)西北部河流徑流量最小，Ⅰ級監(jiān)控區(qū)內(nèi)主要分布為耕地，居民地較少；研究區(qū)南部走向河流，沿兩岸耕地面積較多，且經(jīng)過較大城鎮(zhèn)王壇鎮(zhèn)；研究區(qū)中部東西走向河流徑流量最大，部分與S212省道走向重合，沿途分布有較多的居民地，且從中間穿過位于Ⅰ級監(jiān)控區(qū)的王壇鎮(zhèn)后與南部走向河流匯流進入水庫。從空間分布和近20 a的LUCC轉(zhuǎn)移速率角度分析，主要環(huán)境污染重點監(jiān)控區(qū)域應(yīng)設(shè)在研究區(qū)中部(S212省道東西走向段)和水庫庫區(qū)西南方向(王壇鎮(zhèn))方向，耕地、居民地面積逐年增大，且均位于Ⅰ級監(jiān)控區(qū)、距離庫區(qū)近、河流徑流量大，防止居民生活污染以及耕地非點源污染水庫水質(zhì)。

通過GIS空間疊加三級流域監(jiān)測區(qū)分析，結(jié)合水庫管理目標，制定流域內(nèi)生態(tài)移民搬遷計劃，分三期實施：一期搬遷建設(shè)用地6.91 km2，約占總建設(shè)用地41.13%，主要為沿河兩岸居民用地，其中王壇鎮(zhèn)與研究區(qū)中部東西走向河流段兩岸分布較多；二期搬遷12.80 km2(含一期搬遷面積)，約占76.19%，此次沿河居民用地基本完成搬遷，包括研究區(qū)內(nèi)三個主要城鎮(zhèn)(王壇鎮(zhèn)、古來鎮(zhèn)、稽東鎮(zhèn))；三期搬遷16.80 km2，主要為流域內(nèi)少量分布在研究區(qū)西南、西北部位的分散居民，至此完成流域內(nèi)全部居民搬遷；同時耕地面積分期轉(zhuǎn)化量為6.64 km2(一期)、16.93 km2(二期)和20.09 km2(三期)，占流域耕地總面積33.05%，84.27%和100%，搬遷位置分布與搬遷居民地的位置分布基本一致。利用區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)模型，對搬遷后因LUCC導致的流域EVI變化進行預(yù)測，結(jié)果如附圖1所示。參照研究區(qū)流域西南部2008—2018年茶園退耕還林區(qū)域生態(tài)演變的規(guī)律，模擬流域內(nèi)搬遷后土地利用變化狀況：搬遷初期(<5 a)，搬遷地土地利用逐步由建設(shè)用地/耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾褪枇?；搬遷穩(wěn)定期(>5 a)土地利用類型逐步由草地/疏林向林地轉(zhuǎn)變。通過分別計算搬遷地在搬遷前、搬遷初期和搬遷穩(wěn)定期的生態(tài)價值指數(shù)可知移民搬遷對區(qū)域價值指數(shù)的影響。對搬遷地而言，移民搬遷計劃實施前搬遷地的耕地和建設(shè)用地生態(tài)價值指數(shù)貢獻量共為0.015，搬遷初期(耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?生態(tài)價值指數(shù)為0.027，較搬遷前增加了76.1%；搬遷穩(wěn)定期(耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?生態(tài)價值指數(shù)為0.081，較搬遷初期增加了202.1%，搬遷后生態(tài)價值共增加了0.066，是原生態(tài)價值指數(shù)的4.3倍。對全流域而言，由于草地的相對生態(tài)價值指數(shù)略高于耕地，在搬遷初期(<5 a)流域相對生態(tài)價值呈緩慢上升趨勢，由搬遷前(2018年)0.721增長至0.747。到搬遷穩(wěn)定期(>5 a)，搬遷地的生態(tài)環(huán)境完全恢復(fù)，土地利用類型由草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，區(qū)域相對生態(tài)價值指數(shù)有較大提升，由0.747增長至0.802，且搬遷穩(wěn)定期生態(tài)價值指數(shù)增長速率提高，是搬遷前的3.06倍，流域總生態(tài)價值指數(shù)比搬遷之前增加了11.2%。搬遷穩(wěn)定期林地面積共增加36.89 km2，占總流域面積68.9%，對流域內(nèi)相對生態(tài)價值指數(shù)貢獻量增加17.6%。

5 結(jié) 論

(1) 湯浦水庫流域近20 a土地利用類型以林地為主，林地與草地的相互轉(zhuǎn)換為研究區(qū)LUCC的主要轉(zhuǎn)換類型，人為因素是土地利用類型變化主要驅(qū)動力；研究區(qū)LUCC主要活躍區(qū)域為流域西南部，表現(xiàn)為林地—草地—林地變化。

(2) 1998—2018年流域生態(tài)價值指數(shù)均呈N字形變化。區(qū)域相對生態(tài)價值指數(shù)高為2008年(0.800)，最低為2013年(0.688)。

(3) EVI高值區(qū)主要位于研究區(qū)中部山地林區(qū)和水庫庫區(qū)，EVI低值區(qū)零星分布在研究區(qū)東部、東南、西部和庫區(qū)西南部位，主要為建設(shè)用地和未利用地。

(4) 流域內(nèi)環(huán)境污染重點監(jiān)控區(qū)應(yīng)設(shè)在研究區(qū)中部沿S212省道東西走向段和庫區(qū)西南角王壇鎮(zhèn)方向；

(5) 依據(jù)流域Ⅲ級監(jiān)控區(qū)劃分，逐步實施庫區(qū)生態(tài)搬遷移民后，共將減少建設(shè)用地16.80 km2，耕地20.09 km2；因此，搬遷地的生態(tài)價值指數(shù)由0.015增加至0.081，全流域的生態(tài)價值指數(shù)由0.721增加至0.802，提高了11.2%。