基于情景分析的蓄滞洪区土地利用方式优化模拟研究

张晓蕾　雷添杰　宋豫秦　姚秋玲　周容　李海辰

摘要：为探索蓄滞洪区土地利用方式的优化调整方向，以淮河蒙洼蓄洪区为例，将遥感解译与实地调研相结合，运用土地利用动态度和转移矩阵，评价了土地利用方式在2000-2014年间的时空变化过程。通过构建“居民点减少”、“农田减少”和“协同作用”3类24个子情景，运用CLUE-S模型，预测并模拟了不同情景下土地利用的数量及空间分布。结果表明，蓄滞洪区土地利用方式受工程措施和政策因素影响显著;林地、水塘、农田和居民点4种地类之间，存在空间分布的竞争性行为：在上游和中游湖心庄台居民点附近，林地的优先级高于水塘，在下游堤防和河渠附近，水塘的优先级最高，此种分布特征可起到径流削减、涵养水源的作用。

关键词：蓄滞洪区;土地利用方式;情景设计;模拟优化

中图分类号：TV873文献标志码：A

Abstract：The temporal and spatial distributions of land use/land cover change situations in Mengwa，Huaihe River from 2000 to 2014 were investigated based on land use dynamic index and transition matrix.Three scenarios （24 sub-scenarios），"Immigration" "Agriculture land reduction" and "Combined actions"，were developed and simulated by CLUE-S model to predict future land use pattern under different policies and restrictions.The optimization and simulation results indicated that land use pattern in flood detention basins were greatly influenced by engineering works and policies.Among four kinds of land use patterns as forest，pond，agricultural land and residential areas，spatial distribution competition existed：the priority of forest was higher than pond，in the periphery of residential areas of upper and middle reaches，while pond was the highest in the surrounding areas of lower embankment and rivers，.The predicted and optimized land use patterns would have advantages in flood reduction，water resources conservation and ecological functions.

Key words：flood detention basins;land use pattern;scenario analysis;optimization and simulation

蓄滞洪区是流域防洪工程体系的重要组成部分，多年来，我国的蓄滞洪区兼具防洪和居民生产生活栖息地的“双功能”，取得了显著防洪减灾效益，但是其现状土地利用方式导致居民生命财产安全与防洪减灾效益的矛盾。自1998年长江流域大洪水后，我国陆续开始实施移民迁建工程，近期目标是将居住在蓄滞洪区内低洼地带的居民搬迁至区内的高地安全区，远期的目标是“渐进式移民迁建”，一方面使居民一劳永逸远离洪水灾害，降低蓄滞洪区的启用成本和损失，另一方面，增强蓄滞洪区的防洪蓄洪功能和生态功能。不论是何种方式，其根本是基于土地利用方式的调整和优化。

流域土地利用方式的改变会影响蒸散发、地表下渗、流域径流等，进而造成流域下游出口径流量的增大或减小[1-4]。学界的共识是对流域土地利用方式和管理方式的改变会在短期和长期内影响流域的水资源循环和水文过程[5-7]，而这些变化对于流域的洪水风险管理和水资源管理起着至关重要的作用[8-10]。政策制定者和环境保护管理者关心土地利用变化对流域水文的影响，其原因是土地可以同时发挥洪水削减、水资源利用、经济产出、生态修复等多重功能[11-12]。

本文在综合分析蓄滞洪区土地利用方式变化的基础上，运用土地利用变化及效应模型，预测并模拟了不同情景下土地利用的数量及空间分布，提出了蓄滞洪区土地利用方式的优化调整方向，为流域“洪水综合管理”和土地资源的有效管理提供政策建议。

1 研究区域和方法

1.1 研究区域

蒙洼蓄洪区在安徽省阜阳市阜南县境内，位于淮河干流洪河口至南照集间，南临淮河，北临蒙河分洪道，汛期四面环水[13]。蒙洼蓄洪区东西长约40 km，南北宽2～10 km，呈西南-东北走向的狭长地带，地势由上游王家坝向下游曹台孜倾斜，由淮堤渐向蒙河分洪道倾斜，总面积180.4 km2，耕地面积132.4 km2，容积为9.73亿m3。蒙洼蓄洪区在淮河流域的地理位置见图 1。

1.2 研究数据

蒙洼蓄洪区的“安全建设”工程于1999年陆续开展，包括堤防除险加固工程，保庄圩和庄台的新建、加固，以及行洪通道的清淤挖掘等，交通堤防面积略有增加。“移民遷建”工程始于2000年，将居住在低洼地的居民搬迁至蓄洪区内地势较高的保庄圩或庄台上，并对人均居住面积作出规定，故居民点的数量出现增长。同年，国务院颁布了第286号令《蓄滞洪区运用补偿暂行办法》，要求当蓄滞洪区启用时，补偿区内居民的农作物、专业养殖和经济林水毁损失。蒙洼蓄洪区在2003年和2007年均蓄洪启用，但蓄洪补偿金额却存在较大差别。2003年的补偿方式为按农作物的种类进行补偿，经济作物的补偿额度高于农作物，林业高于普通的粮食作物，但是，2007年实施的则为按亩补偿方式，对于农作物、经济林（含杨树、杞柳、紫穗槐）实行亩均定值补偿，而对于区内居民点附近的畜牧水产养殖则不予补偿。这种补偿方式经济核算简便且实际操作容易，但却在一定程度上降低了居民的生产积极性，一定程度上导致林地和水塘面积减少。

2003年淮河流域发生特大洪水后，国家在安徽、江苏、河南、山东等省的洪泛区和部分蓄滞洪区实施以“退人不退耕”为主要形式的“平垸行洪、退田还湖、移民建镇”工程，以及王家坝进洪闸、蒙洼圈堤、曹台孜退水闸的加固工程，居民点、河渠、水塘、林地面积均大幅增加，农田面积小幅减少。

鉴于2010年蒙洼蓄洪区的区内移民迁建工程已基本完成，在2010年后，根据《淮河流域蓄滞洪区建设与管理规划（2011年）》（简称《淮河规划》）主要的移民迁建措施为“渐进式移民迁建”，即“控制区内人口过快增长、引导区内群众外迁或向相对安全的区域迁移、调整区内人口分布”，故蒙洼蓄洪区内约2.45万居住在大堤上的居民，永久搬离了蓄洪区，居民点面积比前期减少了约200 hm2。

由以上政策分析可知，蒙洼蓄洪区在2000-2014年间，逐步实施了一系列安全建设和移民迁建工程，对土地利用的改变程度较大，因此，本文将2000年设为起始年份，将2014年设为结束年份，以重大政策为时间节点（约3-4年时间间隔），研究2000-2014年15年间的土地利用变化。

根据2000、2003、2007、2010、2014年USGS的Landsat3、4/5、7和8系列卫星的TM/ETM+影像数据（122°37′E和122°38′E区域，每期各2幅），分辨率为30 m，运用ArcGIS 10.0进行目视解译，并通过实地调研对其精度进行校准，投影采用WGS-84坐标系。为了保证解译的精度和有效性，选择了统一的春末夏初时段（第100-150天的范围），该时段内，土地植被覆盖率较高，且颜色差别较大易于目视辨识。同时，考虑到研究区面积较小（为180.4 km2），区域土地利用类型受人类活动因素影响较大，故选择目视解译法并运用实地调研辅助校正，以保证解译结果的可靠性。

研究区内农田面积最大，占总面积的83%以上;其次是居民点，约占6%;交通堤防，约占4%～5%;林地、河渠、水塘和其他面积比例约占1%。综观2000年至2014年土地利用类型的变化，7种地类均处于增减交替的状态。土地利用类型的动态变化情况如表1单一动态度和表2土地利用转移矩阵。其中，单一土地利用类型动态度D可用于分析研究区在一定时间范围内，某种土地利用类型数量的年变化率[14-15];土地利用转移矩阵可用于分析各土地利用类型在一定时间范围内，数量和空间上的转入转出情况，以综合反映土地利用的变化趋势和状态[16-18]。

1.3 研究方法

1.3.1 CLUE-S土地利用模拟模型

本文选择CLUE-S模型来进行土地利用情景的优化模拟研究。CLUE-S（the Conversion of Land Use and its Effects at Small regional extent）面向小尺度的土地利用变化及效应模型，由Verburg和Veldkamp在2002年提出[19]。本文所使用的模型版本是Dyna-CLUE[20]。

模型被分解为2个独立模块，分别是非空间需求模块和空间分配过程模块（图2）。非空间模块是在总水平层面，计算各年度的各種土地利用类型的面积或需求变化。空间分配过程模块是基于栅格数据，计算每一个栅格内土地利用的变化，同时根据各土地利用类型的概率分布、竞争力以及土地利用转移规则矩阵，对模拟年份的土地利用需求进行空间上的分配。

1.3.2 模型构建和率定

（1）模型构建。

CLUE-S模型的校准包括回归方程选择、预测周期确定和模型参数设置3个部分，采用系数比较的方式进行，即至少需要选择2个起始年份同时对某个终止年份（需有真实的土地利用类型图）的土地利用方式进行模拟和预测，通过比较[WTB1X]k系数值（k[WTBZ]值越接近1，模型模拟和预测精度越高），选择模拟精度高的回归方程、预测周期和模型参数代入后续对未来情景的预测中[17]，土地利用变化驱动因子如表3所示。

为了定量描述个体差异性因子与土地利用方式之间的关系，在研究中需要进行实地调研和入户访谈，以提高预测的精度。考虑到移民迁建与蓄滞洪区内居民的切身利益直接相关，调研走访了移民户（66户）和非移民户（48户）。访谈结果为点数据，通过借助ArcGIS空间地统分析模块Geostatistical analyst的克里金插值法，将点数据转化为面数据，并分配到每一个栅格中（如图3）。

（2）模型率定。

模型校准的作用是：①进行主要参数率定，包括转换弹性系数、迭代变量系数、土地利用初试值和可选迭代变量参数;②确定情景模拟的回归方程;③确定情景模拟的时间步长。本文选择2000年和2007年的土地利用类型来预测2014年的土地空间格局，并通过与2014年的真实土地利用类型图比较（图4），获得系数，从而确定后续情景模拟的时间步长和参数。

根据预测结果，2000年所预测的2014年土地利用类型图中，堤防和居民点的分布与2014年的真实情况差异最小，而对比2007年预测结果，堤防是支离破碎的，甚至出现在农田中，而居民点的分布与真实情况差别较大。

通过计算，2000年的系数为0.71，2007年为0.61，这与2007-2010年土地利用频繁变化有关，此结果表明2000年的回归方程更能够真实预测土地利用的分布格局，因此，本文选择2000年的回归方程代入后续情景预测，并将周期设定为15年，即2014年预测2028年的土地利用格局。

2 蓄滞洪区土地利用情景设计

本文构建了“居民点减少”、“农田减少”以及“协同作用”的3大类情景，共计24个子情景。

基于3个前提假设：（1）伴随着安全建设工程的基本完成，蓄滞洪区的交通堤防在数量和空间分布上维持2014年水平不变;（2）河渠作为蓄滞洪区连通干流和农业灌溉的有效通道，长期内变化的可能性较低，因此，也维持2014年的空间分布和数量;（3）其他地类是在解译精度30 m范围内，肉眼无法区分和判断的地类，面积较小，故也维持在2014年的空间和数量水平。

在土地利用类型的转化方向上，结合土地利用变化情况综合统计结果（表 4）所获得的变化比例和绝对值较高的土地利用类型，遵循3个转化规律：（1）居民点数量只能减少，不能增加;（2）居民点可以转化为农田和林地，但无法转化为水塘，因为宅基地复垦用作农田和林地已有实施，但水塘地势低洼，多依赖自然地势因素形成;（3）农田可以转化为林地和水塘，不能转化为居民点。

3 结果与讨论

3.1 模拟结果

3.1.1 居民点减少情景

居民点减少情景下，河渠、交通堤防和其他3种地类的数量和空间布局维持基准情景不变，居民点数量分别减少了25%和50%。图5（a）-图5（c）是居民点减少25%的预测结果，图5（d）-图5（f）是居民点减少50%的预测结果。通过优化，约2/3的居民点以沿堤分布为主，剩余1/3的居民点则维持之前的湖心庄台不变，居民点的整体分布更加集中。红色的区域为居民点，其减少量集中分布于蓄洪区中游及下游的湖心庄台。

3.1.2 农田减少情景

在农田减少的情景下，河渠、交通堤防、其他和居民点4种地类的数量和空间分布均维持2014年水平不变。由于蓄滞洪区主要以农田为主，在农田减少10%和20%的情景下，退耕面积分别为1 495.6 hm2和2 991.1 hm2，已远远超过了林地、河渠、水塘、居民点等地类的初始面积。图6（a）-图6（c）是农田减少10%的预测结果，图6（d）-图6（f）是农田减少20%的预测结果。林地（图6（a）和图6（c））和水塘（图6（b）和图6（e））面积增幅显著，林地的空间分布以下游居民点外围和下游堤防处为主，其次是上游居民点外围;水塘集中于下游出口处、中游河渠附近，其次是上游居民点外围，其中下游出口处的水塘处于大片连通状态;蓄洪区的中游以大片农田为主。

3.1.3 协同作用情景

在协同作用情景下，河渠、交通堤防和其他3种地类的数量和空间布局维持2014年水平，居民点只减不增，图7（a）-图7（d）分别对应协同情景下，农田和居民点的减少量全部为林地的预测结果;图7（e）-图7（h）分别对应居民点减少量转化为林地、农田减少量转化为水塘的预测结果，其中水塘增加量显著高于林地;图7（i）-图7（l）分别对应居民点减少量全部转化为林地、农田减少量的1/2转化为林地、剩余1/2转化为水塘的

情景，其中，林地增加量显著高于水塘。林地的增加量优先沿下游居民点和下游堤防分布，而后为上游居民点外围;水塘的增加量优先分布于下游出口处，其次为中游河渠附近和上游居民点外围。

3.2 讨论

3.2.1 土地利用预测的准确性评价

土地利用的准确度评价是从数理统计角度比较2000年预测方程与2007年预测方程，与k系数一样，值越高，预测方程的准确性越高。CLUE-S模型基于栅格概率分布进行地类的优化筛选，其概率组成包括空间Logistic回歸的概率、转移难度概率和迭代系数3个部分，其中，影响预测准确性的主要因素是Logistic回归方程的预测能力。本文运用Pontius R.G.提出的ROC曲线（Relative Operating Characteristics Curve）对Logistic回归结果进行检验[21]，又可称为感受性曲线（Sensitivity Curve）。ROC曲线是基于一系列不同的二分类方式，以横坐标1-特异度和纵坐标灵敏度绘制而成的曲线。通过比较曲线下面的面积AUC值可对结果进行分析。AUC的取值范围介于0.5至1之间，越接近1表明所选驱动因子对地类的解释及预测能力越强，当AUC值大于0.7时，认为所选驱动因子具有良好的解释及预测能力[22]。由图8分析可知，2000年的ROC曲线结果显著优于2007年，且各地类回归方程的AUC值分别为林地0.681，河渠0.714，水塘0.808，农田0.686，居民点0.895，交通堤防0.775，其他0.982。

3.2.2 土地利用转移难度系数参数设置

土地利用转移难度系数是指各地类自身发生数量和空间位置变化的难易程度，其值介于0～1之间，越接近1表明越难发生改变，接近0则表示较易发生改变。多数研究对于此系数采用主观赋值方式，本文采用客观赋值方式，基于模拟期内土地利用类型转移矩阵计算结果设置土地利用转移难度系数，如表 2所示。此结果表明，蒙洼蓄洪区农田的转移难度最大，其次为居民点，交通堤防和河渠受频繁的堤防加固工程和农田灌溉工程影响，转移难度低于前两者，易受转移的地类是林地和水塘，在15年间，处于频繁的转化过程。此外，在本研究CLUE-S模型预测中，因情景设计以河渠、交通堤防和其他3种地类的空间区域限制为前提，故将以上3种地类的转移难度系数设置为1代入CLUE-S模型模拟，调整后的CLUE-S模型土地利用转移难度设置见表 5。

3.2.3 土地利用的空间分布特征比较

基于情景模拟结果（图5-图7），在河渠、交通堤防和其他地类维持数量和空间分布为2014年水平时，各地类的空间分布优先级及分布特征见表6。

在地类的空间分布竞争方面，根据图6（c）和6（f），当林地和水塘增加相同面积时，蓄洪区上游沿堤居民点外围、下游湖心庄台型居民点外围、下游堤防处，倾向于选择林地，其栅格对林地的选择概率高于水塘;在下游出口处、中游河渠附近区域，倾向于选择水塘，其栅格对水塘的选择概率高于林地。根据图7（i）-图7（l），当林地面积的增加量略高于水塘时，上游堤防及居民点外围、下游居民点外围、下游堤防附近区域，倾向于选择林地，其栅格对林地的选择概率高于水塘;在下游出口处附近，水塘具有最高的空间栅格选择概率，几乎所有预测图中都将此处预测为水塘。

相比现状土地利用方式，优化后的各地类分布更集中，将分散的土地整合起来，利于进行规模化经营，具有获得更高效益的潜力。

3.2.4 土地利用对洪水的适应关系预期

部分发达国家的实践表明，洪泛平原上农业土地的湿地恢复可以削减流域出口径流，同时林地也具有显著的径流削减作用[23-25]。在本研究的居民点减少、农田减少和协同作用3类情景中，林地和水塘数量均有所增加，在空间分布上，下游的增加量高于上游和中游，如水塘位于流域下游出口处，且呈大面积连通状态，林地多位于下游居民点和堤防附近，且具有成林趋势，预期可以起到径流削减、涵养水源的作用。

4 结论与建议

本文针对我国蓄滞洪区长期存在的防洪与社会经济发展间的矛盾，探索并提出了蓄滞洪区土地利用优化调整方式。研究成果可指导未来蓄滞洪区土地利用方式的優化调整，为政策制定提供可行依据和政策建议。结论如下：

（1）蓄滞洪区土地利用方式受“渐进式移民迁建”、“退田还湖”、“发展农牧业、林业、水产养殖业”和“恢复河湖功能”等多种政策影响，对于蓄滞洪区土地利用方式的调整和优化，具有降低洪水灾害损失的潜力，是蓄滞洪区适应洪水的有效途径，但是不同区域土地利用方式对洪水的适应研究需因地制宜。

（2）在本研究的居民点减少、农田减少和协同作用3类情景中，林地和水塘数量均有所增加，在空间分布上，下游的增加量高于上游和中游，林地多位于下游居民点和堤防附近，且具有成林趋势，预期可以起到径流削减、涵养水源的作用。

（3）蒙洼蓄洪区上、中、下游土地利用方式的重点各有不同，上游高程较高，受洪水影响的时间短暂，短期内现状的居民点空间布局合理，但农田受进洪过程高流量的影响较大，建议将农田调整为林地，发挥削峰减洪的作用;中游区域以连片农田为主，建议将此处的居民点调整为农田，发展集约化农业生产，提高农田的产出效益;下游区域受“启用”阶段淹没影响较大，建议减少农田并调整为水塘和喜湿、高杆林地，以降低洪水淹没固有损失，削减流域出口径流。

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