基于遥感技术的水库流域土地利用及覆被变化过程研究

贺里梅，李奇宸，汪生华，梁 亮，5

(1.青海省自然资源综合调查监测院，青海 西宁 810001；2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第十采油厂，甘肃 庆阳 745100；3.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；4.杭州环保成套工程有限公司，浙江 杭州 310012；5.绍兴市汤浦水库有限责任公司，浙江 上虞 312364)

1 引言

土地是人类的宝贵资源，是社会赖以生存和发展的基础.人类的生产活动深刻地改变着地表形态和地理地貌.比如各类水利工程的建设，就会对河流形态、径流大小、生物迁徙等产生重要的影响，更为直接的是水库蓄水以后导致水面面积增加，地下水水位变化，甚至对水库周围流域生态环境造成一定影响[1-2].

土地利用与土地覆被变化过程，可以准确揭示人类社会经济活动对地表特征与空间格局变化的影响，能够真实再现地表景观的时空动态变化.土地利用与土地覆被变化揭示了人类社会经济活动与自然环境相互作用相互影响的耦合过程，同时，土地利用与土地覆被变化的空间格局能够表征人—地关系在不同时空尺度上的作用强度与作用模式.近年来随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，在全球范围内驱动土地利用及覆被变化的根本动因主要是经济利益驱使下人类的各种生产活动.因此，研究各类建设项目对土地利用与土地覆被变化的影响过程，分析评价这种变化对生态环境的作用机理，对于区域生态环境保护具有重要意义.水库建设是一项重要的生产活动，水库在建设及运行期间，其流域内土地利用及覆被会发生重要而显著的变化，主要表现为水域面积的增加，而这种变化又会对区域生态环境产生一系列直接和间接的影响，所以评估这种变化对水库生态环境的影响，从而对流域生态保护和水质安全保障都具有重要现实意义.

2 研究区概况

研究区是位于浙江上虞的汤浦水库.该水库是宁绍平原的主要水源地水库，距绍兴市区约44公里，由小舜江汤浦镇以上段截流而成，设计库容2.35亿m3，水面总面积为14km2，多年平均径流量为3.66亿m3，设计日供水量100万t，属我国大(Ⅱ)型水库.水库于1997年12月开工建设，2000年开始截流蓄水并于2001年正式供水.南溪、北溪、王化溪与万宝溪四大支流组成了水库水系.南溪和北溪在库前合流成为双江溪[3].水库流域属浙东低山丘陵区，上游水坝控制流域面积为460km2，设置水源一级保护区为小舜江源头水域及其周边1km的区域，面积52.21km2；二级保护区为流域内其他区域，面积约为407.79km2，主要包括柯桥区、嵊州市的6个乡镇(见图1)，涉及人口11.5万，流域内地势西南高东北低，处于亚热带季风气候，平均气温16.5℃、流域多年平均降水量1564.4mm，年内降水量逐月分配，通常体现为大中小三峰型.3月由于春雨产生小峰，9月由于台风雨产生中峰，6月由于梅雨产生大峰.在10月到次年2月之间一般会出现枯水期.水库流域的土壤种类繁多，主要包括黄棕壤、酸性紫色土、粗骨土和草甸土等.流域内植物主要包括各种乔木层植物，如马尾松、苦槠、石栎等，苦槠作为健全种，马尾松作为优势种，马尾松和苦槠都是植物中的优良品种，能够抵抗较大的自然破坏力，以至于整个涵养林拥有较大的自然持续能力.

图1 研究区区域位置示意图及遥感影像

3 数据来源与处理方法

流域遥感数据时段为1998-2018年，分为5个时期，分别为1998年、2003年、2008年10月的landsat TM影像数据(分辨率为30m)，2013年以及2018年的landsat 8卫星影像数据(分辨率为30m).划分研究区土地利用类型的方法：首先通过对遥感影像的辐射校正、大气校正、图像融合、图像剪裁等一系列预处理，之后使用最大似然法监督分类，同时与基于NDVI的非监督分类相结合.再经过小斑块去除、聚类处理等分类方式进行后处理，并对分类结果进行精度大小的验证，以Kappa系数达到0.7作为允许判别直接要求.在2011年绍兴市土地利用图(来源于绍兴市国土资源局，规格为1∶5万，shape格式)的基础上，通过对流域土地利用类型修正最终得到研究区汤浦水库流域1998—2018年间共5期的土地利用数据图.根据中国科学院资源环境信息数据库的6类分类方法，将该水库流域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地.

4 研究方法

4.1 土地利用及覆被类型转移矩阵

利用计算k时期与k+1时期不同土地利用类型的转换求得二维矩阵来阐述土地利用类型之间在不同时刻的面积变化规律和转移方向，从而可清晰地认识变化的趋势和土地利用的结构.此文章使用的转移矩阵是马尔科夫模型，此模型可以定量的表示不同土地利用类型之间的转化情况，同时还说明了不同类型之间的转移速率[4].

(1)

式中：Cij表示k时期到k+1时期的土地利用转移变化的面积(km2)；Aijk表示k时期i种土地利用类型转移成为k+1时期j种土地利用类型的面积(km2).

4.2 面积净变化指数

面积净变化指数表示同一土地利用类型面积随时间尺度的净变化指数[5].

计算公式如下：

(2)

4.3 植被覆盖度

区域的植被是影响区域生态的重要因素，植被生长状态的最佳指示因子为归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，其与植被覆盖度展现出良好的关联性.根据像元二分原理，每个像元的NDVI值可描述为两种情况：有植被覆盖(NDVIveg)和无植被覆盖(NDVIsoil).故区域植被覆盖度计算方法可为[6]：

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(3)

表1 植被覆盖度等级划分对应地表景观

式中：NDVIveg表示植被全覆盖的NDVI值；NDVIsoil表示无植被覆盖时的NDVI值.对NDVI的值进行重分类，NDVIsoil为提取频率累积表中累计频率为0.5%的NDVI值，NDVIveg为累计频率为99.5%的NDVI值.由于目前对覆盖度等级划分尚未统一，本文在文献查阅的基础上并结合研究区生态环境，将植被覆盖度划分如下[7，8](表1).

5 结果分析

5.1 水库流域土地利用及覆被变化过程

通过解译水库流域近20年共5期的土地利用变化图(图2)，对不同土地利用类型之间相互转换速度、面积等方面全面分析，评估水库建设及不同运行时期流域内的土地利用及覆被状况.

图2 汤浦水库流域1998、2003、2008、2013、2018年土地利用分类结果

可以看出，水库从建设到运行的20年间，该流域内最主要的两类土地覆被类型一直是林地和草地，随着水库的建成，流域内土地利用和覆被也逐渐变化，其中最显著的变化为：(1)水域面积的显著增加；(2)在流域的南部，草地面积有比较明显的扩大趋势；(3)流域内建设用地有增加，且聚居趋势显著.

基于1998—2018年流域遥感数据和土地利用分类结果，计算得到该流域20年间土地利用总体转移矩阵(见表2).可以看出在水库建设初期(1998年)和运行稳定期(2018年)流域内林地和草地是最主要的土地利用类型，其中林地占流域面积的60%以上，草地占25%以上.

表2 汤浦水库流域1998-2018年土地利用类型转移矩阵 单位：km2

从1998—2018年的20年间，流域内耕地所占研究区总面积下降了1.1%，约5.16km2；林地面积下降了3.9%，约17.37km2；草地面积占比增了2.8%，约12.96km2.其中增加的草地中由林地转化而来的大约占16.2%，约47.65km2，主要分布在研究区东南部.从1998—2018年，水域面积增长9.78km2，主要通过流域内原有的耕地和草地转移得到，其中耕地贡献36.1%、草地占40.1%，这主要是水库淹没区原有的耕地和草地；从1998—2018年，建设用地与未利用地面积未出现明显变化，主要是由于水库建成后限制建设开发活动，甚至还有部分聚居区搬迁至库区以外，这导致建设用地总面积变化不明显，但其中居民建设用地位置由分散逐渐变为集中，主要在水库西南方向(王坛镇)和库区东南方向(古来镇).

表3 流域土地利用面积净变化指数(1998-2018年)

图3 汤浦水库流域1998-2018年植被覆盖度面积比例

5.2 流域植被覆盖度变化

植被是陆地生态系统的重要组成部分，也是控制水土流失的重要因素.增加地表植被覆盖度，不仅可以有效控制区域水土流失，而且对控制流域非点源污染也有重要作用，此外还能起到涵养水源的效果[9].本文采用基于归一化植被指数(NDVI)计算的植被覆盖度作为评判指标，由于NDVI受季节性影响较大，故而采用band math工具将同一年的夏季月NDVI(7～9月)与冬季月NDVI(12月至翌年2月)叠加计算所得影像作为当年的NDVI值，用于计算当年的植被覆盖度[10，11].通过遥感影像反演得到的1998年、2003年、2008年、2013年和2018年的植被覆盖度状况如图3所示.

由图4可见，研究区流域近20年覆盖度均保持在65%以上.从变化过程来看，在1998年至2008年一直有所增长，植被覆盖度从72.27%增加到83.67%，具体表现在流域西部的草地逐渐转化成林地，中部和南部地区的疏林逐渐转变成密林.2013年极高覆盖度下降(67.38%)主要体现在流域西南部大范围密林转变为疏林或草地，到2018年时全流域范围植被覆盖度又回升至77.59%.可见该流域植被覆盖度整体呈现先增加，后降低，再逐步增加的“N”字型变化过程.

图4 2008年-2018年退耕还林示意图

经过调研和遥感影像推断，引起研究区2013年植被覆盖度大范围下降的主要原因是从2010年开始绍兴市按照“十一五”规划为了保护水源地水质，全面开展退耕还林和封山育林，对流域保护区内农业活动开始限制，因此原来研究区与西南部种植的大面积茶园被“还林”为乔木树苗.由于新种植的树苗的枝叶还不茂盛，覆盖度较小，故土地利用以稀疏的草地为主要组成部分，因此植被覆盖度有所下降.2013-2018年期间经过5年的生长，退耕还林地区的植被逐渐恢复生态，故植被覆盖度不断增加，见图4.极低覆盖度面积在1998-2003年有所增加，主要为水库水域面积的增加所致，其后15年内无较大波动；低覆盖度所占面积比最小，主要对应地物为未利用地、裸地、稀疏草地和建设用地，虽其总面积有缓慢增长但总体波动占比较小，最高为2018年(0.53%)；极低、低、中覆盖度所占总面积均在7%以内，最低为2018年(5.11%)，最高为2008年(6.86%)；研究区5期植被覆盖度平均值在0.5左右，虽有波动但起伏不大，总体植被状态保持良好.

6 结论

本研究以汤浦水库流域1998—2018年间，5期遥感影像为基础，分析了近20年间该流域从水库建设期到稳定运行期间的流域土地利用及覆被变化情况，为流域生态环境保护和水污染治理提供参考.

(1)水库建设前后该流域内土地利用类型没有发生根本性改变，主要土地利用及覆被依然是林地和草地，林地与草地之间的相互转化是主要的变化方式，这主要是人为调控的结果.

(2)研究区域内水域面积增加是水库建设的直接后果，水域面积主要由耕地和草地转化而来，水库建成后水域面积基本保持稳定，随时间变化不明显.

(3)研究区植被覆盖度虽然有所波动，但是总体变化不大，均处于高覆盖度—极高覆盖度，这也表明流域内生态环境质量整体较高.