银川市景观格局变化对水资源利用的影响探究

韩旭， 边晓辉， 刘友存

（江西理工大学，a.资源与环境工程学院；b.建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

0 引 言

城市化可以促进当地经济发展，使城市元素更加丰富[1]，但城市化也会带来一定的负面影响，首当其冲的便是生态环境问题.城市化可以在短时间内改变一个地区生态环境的结构，并将大量的自然景观以城市景观取而代之[2-5]，严重影响景观格局的脆弱性[6-8].21世纪以来，银川城市建设进程明显加快，城区面积迅速扩张，促使景观格局变化剧烈[9-11]，而景观格局的演变又会从一定程度上影响水资源量及其利用方式.白林波等[12]对银川市景观格局演变及土地利用现状进行了分析，董中龙等[13]研究了银川市水资源近年来的变化情况，但将二者结合的研究鲜有出现.因此本文从景观格局与水资源利用两个角度进行分析，并探讨银川市景观格局演变规律，以及对银川市水资源及其利用所产生的影响.

文中通过对银川市2006年、2011年、2016年三期Landsat TM遥感影像处理与解译，并采用最大似然法进行监督分类，分析银川市土地利用类型演变过程[14-15].再选取核心景观格局指数对监督分类后的影像进行景观格局变化分析[16]，以探究银川市景观格局演变规律，并结合2009—2016年银川市水资源利用变化情况，综合分析景观格局演变对水资源环境产生的影响.

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

银川市是西北地区的重点城市之一，位处宁夏北部，界于北纬 37°28′～38°52′，东经 105°49′～106°53′之间.全市总面积 9025.38 km2，2016年总人口219.11万人，人口密度243人/km2.银川市整体海拔在1010～1150 m之间，西北部较高，东南部较低，整体气候表现为中温带大陆性气候，主要气候特点为：四季分明，春迟夏短，秋早冬长，昼夜温差较大.研究区地表水水系较为发达，大大小小的沟渠密集成网.银川市DEM高程及水系分布见图1.

图1 银川市DEM高程及河网分布

1.2 数据来源及处理

文中所采用的数据资料包括：银川市2006年、2011年、2016年三期Landsat TM遥感影像，银川市行政区划图、地形图，《银川市统计年鉴（2006—2016）》，《宁夏水资源公报》等资料.本文利用ARCGIS10.2提取银川市行政边界，并借助DEM进行了水文分析，利用ENVI5.3进行图像镶嵌、影像裁剪后，采用最大似然法对研究区影像进行监督分类.依据 《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)国家标准将银川市土地类型分为林地、草地、耕地、荒地、建设用地、水域共6种类型.银川市三期遥感影像监督分类图像见图2，三个时期的监督分类精度分别是 87.3222%、91.1124%、88.6595%，Kappa 系数分别为 0.8626、0.8979、0.8812，符合精度要求.并在ARCGIS10.2中对分类后的图像进行格式转换，再导入Fragstat4.1软件中进行景观格局各项指数的运算与统计.

图2 银川市三期遥感影像监督分类

2 景观指数选取

景观指数是对研究区复杂景观格局信息的高度提炼，是用于分析景观格局及其变化过程与结果的重要参数[17-19].文中分别选用斑块类型指数和景观水平指数进行分析，得出银川市景观类型面积的变化规律.

2.1 斑块类型指数

在斑块类型指数中选取斑块类型面积（CA）、景观类型比重（PLAND）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）共4个指数对研究区景观格局演变规律进行分析，各指数计算公式及意义见表1.

表1 斑块类型指数

2.2 景观水平指数

在景观水平指数中选取蔓延度（CONTAG）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）3个指数对研究区景观格局演变规律进行分析，各指数计算公式及意义见表2.

表2 景观水平指数

3 景观格局与水资源变化分析

3.1 景观格局空间演变分析

3.1.1 斑块类型指数分析

斑块类型指数包括斑块类型面积（CA）、景观类型比重（PLAND）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）共 4 项. 其中，斑块类型面积（CA）、景观类型比重（PLAND）和斑块密度（PD）可以较为直观的反映某种景观类型在整体景观格局内所占的比重，而最大斑块指数（LPI）则反映该斑块类型在整体景观的优势度.研究区各斑块类型指数见表3、表4.

由研究区斑块类型指数的变化情况可得出以下结论：

1）银川市三个时期CA与PLAND指数变化最为明显的是建设用地与荒地，建设用地在景观所占的比重由2006年的7.53%，经过十年的城市化建设后，在2016年达到了总体的18.68%，较十年前有了非常高的提升，城市化进程的规模与速度可见一斑.荒地则由2006年的63.34%于2016年降至50.24%，大量的荒地被开发利用，城市规模迅速发展，城市边界向外扩张.耕地、水域、草地的PLAND指数波动幅度较小；林地在景观中占的比重有所提高，是由对银川西部贺兰山区退耕还林、开发保护的政策所影响.

表3 银川市景观格局指数CA与PLAND变化情况

表4 银川市景观格局指数PD与LPI变化情况

2）建设用地的PD值十年间翻了一倍，可见城市化进程对银川市景观格局的破碎度造成了最为严重的影响，与此同时，林地、水域、草地的PD值都有不同程度的增长，说明单一景观类型演化为若干种景观类型的现象极为普遍，而荒地PD值的下降则反映了相当部分的零散荒地被开发为各种类型加以利用.

3）LPI指数能够反映某种斑块类型的最大斑块面积在景观总面积中所占的百分比，在2006—2016年间，耕地、草地、水域的LPI指数都有不同程度的下降，可见在城市化建设中，大型的耕地、牧场被取代，更多的是小规模的耕地与养殖场分布在城市周围，而大规模的水源、湿地则被利用，转换成其他类型的用地.建设用地的LPI指数大幅提高，表明建筑物集群密集出现，这是城市化达到了一定程度所出现的标志，即居民建筑物、商业用地、基建设施相互重叠，城市高度发展，现代化特征明显.荒地的LPI指数明显降低，在本研究中所反映的是城市边界逐渐扩张，侵蚀了城市外围的大片荒地，从侧面印证了研究区城市化特征明显.林地的LPI有所上升是由于对林区进行开发限制与保护所导致.

总体而言，研究区建设用地面积迅速增加，耕地面积先增加后减少，草地、水域面积变化不明显，林地面积逐渐增加，荒地面积大幅度减少，景观优势度有所下降.

3.1.2 景观水平指数分析

蔓延度（CONTAG）和景观形状指数（LSI）反映景观破碎度，香农多样性指数（SHDI）与香农均匀度指数（SHEI）则反映景观格局中各景观类型的多样性.研究区景观水平指数变化情况见表5.

由研究区景观水平指数的变化情况可得出以下结论：

表5 银川市景观水平指数变化情况

1）CONTAG反映景观整体的聚集情况，与景观破碎度呈负相关，当CONTAG越大时，景观内各斑块类型的连接性与聚集性越强，景观破碎度越低.银川市近年来CONTAG指数逐渐降低，表明银川市在城市化进程中，景观破碎度逐渐提高.

2）同样景观类型所组成的景观格局，具有简单与复杂的差异.复杂的景观格局中各景观类型相互交织耦合，产生特殊效应，对当地景观格局及生态环境的演化都具有重要的影响，这种反映描述景观格局的复杂性与多样化程度称之为景观多样性[20].银川市在2006—2016年期间，SHDI与SHEI指数均稳步增长，说明银川市在城市化进程中，各景观类型在研究区整体的分布情况更趋于平均，多种景观类型相互交错，景观多样性进一步提高.

3.2 水资源变化分析

1）水资源总量

水资源是人类赖以生存的重要资源之一，也是地区发展所必要的自然条件.银川市由于常年受黄河补给，所以虽然降水稀少，蒸发量大，但水资源总量较为充沛，在宁夏乃至西北地区都属于水资源较为丰富的地区.银川市2009—2016年水资源量变化情况见图3.

图3 银川市2009—2016年水资源量变化情况

由图3可知，银川市年水资源总量与年降水总量呈正相关：在降水较多的年份，来自大气降水的补给更多，水资源得到恢复与补充，会有一定的回升；在降水较少的年份，无法对水资源进行补给，水资源被消耗.另外，虽然各年份降水量有所波动，但银川市地下水资源量连年下降且下降速度越来越快，表明银川市地下水过度开采、地下水污染等问题愈发严重，并从侧面印证了银川市城市化进程加速，建设用地的急剧增长可以迅速破坏地区的地下水环境.

2）水资源利用

水资源是指具有可再生性的、能够被利用的水.取水量是指直接从江河、湖泊或者地下通过工程或人工措施获得的水量；耗水量是指用水过程中所消耗的、不可回收利用的净用水量[21].通过对一个地区取耗水量的分析可以对该地区用水总量的变化趋势进行总结，进而探寻该地区水环境演化的规律，对水资源控制管理所涉及的关键问题的解决有很重要的作用.银川市农业与非农业取耗水量及趋势变化见图4.

图4 2009—2016银川市取耗水量及景观类型面积变化趋势分析

由图4可知，银川市2006—2016年耕地面积由升转降，而农业取耗水量从2009年起则持续降低，说明银川市在将部分耕地转化为其他土地利用类型的同时，也使得对农业用水的需求持续下降；建设用地面积与城市人口不断增加，城市化进程不断加快，导致非农业取水量也在不断增长，对银川市水资源的消耗造成了严重的负担：非农业取水耗水量持续保持增长，并且所占的比重也逐渐增大，2009年非农业取水量仅有总量的2.87%，耗水量更仅占总量的1.53%，但2016年占比则分别增至7.11%与4.98%.

4 结 论

文中基于RS、GIS技术支持，综合运用景观生态学的相关原理与研究方法，结合水文学的相关知识，对银川市2006年、2011年、2016年三个时期的遥感图像进行解译与监督分类，对分类后的图像进行了景观格局指数的分析，深入探索银川市近年来的景观格局演变规律，同时对银川市同时期水环境的变化进行分析，探究水环境对景观格局演变的响应，取得研究结果如下：

1）银川市2006—2016年十年发展历程中，建设用地面积迅速增加，耕地面积先增大后减少，草地、水域面积变化不明显，林地面积逐渐增加，荒地面积大幅度减少.研究区景观破碎度、景观多样性有所上升，景观优势度有所下降.

2）银川市2009—2016年水资源总量整体保持平稳，局部年份出现少量下降，但水资源利用方式发生较大转变，其中农业取耗水量连年下降，与银川市耕地利用面积成正相关；非农业取耗水量急剧上升，这是由于建设用地面积连年增长，以及城市化进程不断加快和城市人口增加所导致的必然结果.

然而，由于影像数据分辨率的问题，加之未能获取土地类型资料，土地利用类型分类有待提高.