2000—2018 年焉耆绿洲城市扩展特征分析

马 丽,张 红

（1. 新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

我国对绿洲城市扩张研究较为滞后，仅侧重于发达地区和特大城市，并未深层次剖析城市空间扩展形态特征，缺乏对干旱区城市空间扩展的动态监测。为确保绿洲内土地资源的高效利用和与生态安全，不少绿洲城市空间扩展存在潜在风险，早期的不合理高速扩展为区域可持续发展和生态安全带来挑战，甚至致使绿洲资源耗费至衰竭，绿洲城市的扩展应该重视空间形态和扩展方式，加强对区域生态环境动态监测，确保区域生态安全和资源的合理利用[1-10]。

1 研究区概况

焉耆盆地位于塔里木盆地东北侧，是在南天山褶皱带和库鲁塔格褶皱带上发育起来的中生代-新生代山间绿洲盆地[11-13]。盆地呈菱形，地势朝西北-东南方向倾斜延伸，占地面积约8 932.91 km2，盆地内所隶属的县级城镇有和静县、和硕县、焉耆县、博湖县（图1）。盆地内气候为暖温带大陆性干旱气候，光热较充足，年均气温为8.5C°，年均降水量为79.8 mm[14]。开都河为盆地内最大的河流，流域面积约22 800 km2，盆地内注入博斯腾湖的河流有开都河、黄水沟河、清水河、曲惠河、乌什塔拉河等10多条河流。

图1 研究区概况图

2 研究方法

本文使用2000、2009年的Landsat7 ETM和2018年landsat8 OLI 遥感影像（表1），并对数据进行大气校正、几何校正、图像裁剪镶嵌，结合1:10万新疆地形图以及行政区划数据，在ArcGIS 10.2的支持下，对研究区不同时期的遥感影像进行监督分类，得到2000—2018年焉耆盆地土地利用的数据，并对焉耆绿洲城市的扩展采用以下指数进行统计：

表1 遥感影像数据详细信息

1）紧凑度。形态紧凑度是反映城市空间形态集中化程度的重要指标之一[15]。其公式为：

式中，X、Y分别为城市的面积和周长，若紧凑度趋近于1，表明城市布局较紧闭；小于1 则表示城市结构离散。紧凑值越大，越能反映城市发展形态成熟，土地利用率高。

2）分形指数。城市分形指数是描述城市斑块形状复杂性的指标[16]。其公式为：

式中，X、Y分别为城市的面积和周长；S的理论范围在1～2 之间。

3）扩展速度。扩展速度（F）是反映城市空间变化的重要指标，可以直观地反映单位时间内城市用地变化的幅度[17]。其表达式为：

式中，SA，SB为A，B时间所对应的城区面积；T为时间A到B的研究年限。

4）扩展强度。扩展强度可综合反映某空间要素在一定时间内的城市土地扩展面积占土地总面积的百分比[18]，扩展强度越大，则其指数值越大。其表达式为：

式中，ΔS为某时间段内城市用地扩展面积（km2）；T为研究时间；S为研究区总面积。可根据M值把扩展强度分为5个等级，M值在0～0.28范围内，为缓慢扩展阶段；M值在0.28～0.59 间，为低速扩展阶段；M值在0.59～1.05 间，代表中速扩展阶段；M值在1.05～1.90 间，代表快速扩展阶段。当M＞1.90 为高速扩展阶段[19]。

3 结 果

3.1 焉耆绿洲建设用地面积变化特征分析

通过对2000、2009、2018年三期影像监督分类，得到了焉耆盆地2000—2018年土地利用信息。结果表明2000—2009年绿洲内建设用地面积扩张了63.469 km2；2009—2018年建设用地面积增加了44.59 km2。绿洲北部的和静县在2000—2009 年建设用地累积增加了29.44 km2，城镇主要沿绿洲边缘向戈壁和裸地不断外扩（图2），绿洲内部的未利用土地也不断被开发为建设用地和耕地，西部的城镇沿着开都河河岸、乌拉斯台河冲积扇、莫呼查汗河河岸扩展，属于外部扩展内部片状填充发展模式。2009—2018年和静县属于内部点式填充和外部扩张模式，主要沿老城区外缘向北部戈壁滩扩展，新扩展区域集中在黄水沟河和开泽支渠周围，内部荒地呈多点式填充发展。盆地北部的和硕县城镇建设用地整体沿山前冲积扇、清水河、曲惠沟渠、乌什塔拉干渠等南北纵向条带式扩展，2000—2009年和硕县处于内部集中填充和外部扩展阶段，山前戈壁被大面积开发为建设用地和耕地；2009—2018年和硕县在外扩的基础上进行了城市建设规划，城镇不仅沿河流南北纵向扩展而且开始东西横向扩展。2000—2009年焉耆绿洲中部的焉耆县城镇用地主要沿着老城区外缘向西南-东北方向辐射填充扩展。2009—2018焉耆县呈分散式扩展，老城区周围的耕地不断转换为建设用地，西部和南部山前戈壁地被大面积开垦为耕地，除此之外开都河南岸建设用地面积显著增加，耕地与建设用地镶嵌分布。2000—2009年焉耆绿洲南部的博湖县扩张面积最小，城镇主要沿着开都河东岸向绿洲内部横向扩展，在下游则沿着开都河河岸平行式扩展。2009—2018 年博湖县在原有城区的基础上纵向扩展加深，在开都河左岸和博斯腾湖北岸呈条带式扩展。

图2 2000—2018年土地利用变化

2000—2009年焉耆绿洲北部城镇扩展速度和强度均高于中部和南部，绿洲北部的和静县与和硕县城镇面积增加明显，均呈条带状朝山前冲洪积扇和河流纵向扩展。2009—2018 年绿洲北部和南部呈均衡态发展，北部沿城镇边缘出现了横向扩展为主，纵向扩展为辅的趋势，南部的焉耆和博湖县则沿着开都河下游和博斯腾湖河岸呈现多向分散式扩展。在开都河下游耕地，湿地及建设用地多种景观镶嵌分布。通过对比发现，焉耆绿洲内建设用地、沙漠/戈壁、耕地、农田、水体等几种土地类型中，耕地和建设用地面积增加明显，戈壁和裸地面积呈持续减少趋势，山前戈壁和裸地被大量开发为耕地和建设用地。此外，2000—2009 年城镇用地面积扩展大于2009—2018 年，整体表现出中高速扩展趋势。其中2000—2009年盆地北部的和静县城镇面积扩展强度为6.7%，扩展速度为17%，均高于其他3 个县。博湖县扩展强度和扩展速度最低，分别为5.5%和11%，2009—2018年绿洲内和硕县城镇扩展面积高于其他3 个县，扩展速度为64.2%，扩展强度为4.07%。

3.2 焉耆盆地城市空间分布特征分析

为了进一步研究城市空间形态变化特征，利用研究区行政边界对盆地内4 个县的建设用地进行矢量化处理，使用ArcGIS10.2对矢量化的范围与处理好的影像进行叠加分析，得到了2000、2009、2018年的城镇扩展特征信息。

1）2000 年以前，焉耆绿洲城镇主要集中在北部、中部和南部河流沿岸，北部城镇分布较集中，南部的城镇主要集中在开都河沿岸。北部和静县以黄水沟河、莫呼查汗河、开都河流域为基础，在北部平坦的冲积平原呈不规则细带状南北发展，在绿洲与戈壁交界地带建设用地多呈环状散射分布，西部城镇沿山莫呼查汗河和开都河东西向延伸，建设用地主体呈北纵南横式分布（图3）。2000 年和静县城镇紧凑度为0.81，空间分布集中程度高，分型指数为2.06，表明城镇边界错落复杂。和硕县主要城镇集中在清水河、乌什塔拉河、曲惠河及干渠周围。除特吾里克镇外，塔哈其和曲惠及乌什塔拉沿绿洲边缘的延伸带呈均势发展，城镇紧凑度为1.08，空间分布紧凑，分型指数为0.67，城镇边界整齐，土地利用较合理。焉耆县以开都河为轴线朝外部扩展，城镇紧凑度为0.83，紧凑度高，分型指数为0.29，表明该城镇规划合理，边界整齐。博湖县位于博斯腾湖西岸，沿开都河下游右侧河段分布，在博斯腾湖沿岸有居民区分布，城镇空间紧凑度为1.13，紧凑度高，分型指数为1.73，城镇边界形态复杂。

图3 2000年盆地内部城镇分布

2）2000—2009年盆地内城镇分布变化。该时间段内城镇主要扩展区域集中在北部山前戈壁上（图4），零散分布的建设用地通过扩展已连接成片，绿洲山前区域南北纵向扩张加深加宽，西部和南部沿河流横向扩展，山前冲积扇和河流沿岸为主要增加区域。盆地南部主要沿焉耆县和博湖县老城区不断外扩，其中焉耆县东北部和西南部扩展快速，耕地多被开发为建设用地，博湖县则沿着开都河下游冲积平原扩展，城镇建设走向与开都河岸平行。和静县扩展速度为17.3%，扩展强度为6.7%，属于高速扩展阶段，城镇紧凑度为0.89，城镇分型指数为2，建设用地内部分布紧凑但边界复杂度高，处于内部片式填充和外部带状扩展阶段。和硕县城镇面积增加了约16 km2，扩展强度属于高速扩展阶段，城镇分散集中，分型指数为1.99，较2000 年紧凑度和分型指数略有降低（图6），表明该区域一直处于外部扩展和内部填充。焉耆县扩展强度7.2%，属于高速扩展阶段，与2000年相比紧凑度下降分型指数增加，表明处于外部扩展状态（图7）。博湖县在博斯腾湖沿西岸出现了分散扩展趋势，扩展强度为高速扩展，城镇紧凑度为0.73，分型指数为2.15，与2000年相比，该区域紧凑度略有下降，分型指数增加，表明该时间段城镇分散分布且边界复杂，属于外部扩展模式。

图4 2009年盆地内部城镇分布

图6 焉耆盆地城镇紧凑度比较

图7 焉耆盆地城镇分形度比较

3）2009—2018年城镇分布变化。在2000—2018年和静县城镇面积增加了11.06 km2，空间上朝城区西侧的戈壁滩和开都河上游南侧的戈壁扩张（图5），扩展强度为2.07%，属于高速扩展阶段，城市紧凑度降低，分型指数为2.07，城镇扩展呈现出内部点状填充外部横向片状扩展特征。和硕县城镇面积增加了约17.7 km2，空间分布朝盆地北侧和东侧戈壁迅速扩展，扩展强度为高速，紧凑度为0.89，分型指数为2，属于内部多点式填充和外部片状扩展状态。焉耆县城镇面积增加了8.64 km2，形态上朝城镇东北-西南区域辐射扩展，扩展强度为3.55%，属于高速扩展，紧凑度为0.7，分型指数为2.14，紧凑度不高且城镇边界错杂，属于外部分散扩展。博湖县城镇面积增加了7.13 km2，形态上朝开都河左岸及下游东南区域扩展，属于中速扩展阶段，紧凑度为0.63，分型指数为2.23，呈多向分散分布。

图5 2018年盆地内部城镇分布

4 讨 论

1）焉耆盆地在2000—2018年经历了绿洲城市的快速兴起与扩展，是我国干旱区绿洲城市扩展较完整的案例。如何兼顾绿洲土地资源分配与城市扩展带来的效益，同时保证水资源的合理利用，实现区域的可持续发展已经成为近年来绿洲开发的热点问题[20-21]。绿洲土地面积有限，生态环境敏感脆弱，绿洲的开发与保护，发展需求的增长与土地有限供应形成了一定的矛盾[22]，为了避免绿洲土地过度浪费，城镇过度开发造成生态环境恶化，有必要对绿洲城市扩展做出合理科学的规划。

2）通过对焉耆绿洲城镇建设用地分析发现盆地内存在南北发展不均衡的现象，盆地北部的和硕县与和静县在近18 a来表现出高速扩展趋势，而中部和南部的焉耆县与博湖县发展相对较慢，存在这种现象可能与焉耆盆地周围的地理环境有关。

绿洲的发展规模不仅受河流水量的影响，而且与水资源的开发利用有关[23]，焉耆盆地内水系丰富，多沿山前戈壁注入绿洲内部。近年来，大面积的戈壁被开发为耕地和建设用地，城镇扩展速度快，开发强度大，盆地内各种景观越来越破碎[24]，导致城镇边缘错综复杂，建设用地未能得到合理规划，出现土地浪费和资源利用不合理问题，河岸两侧过度扩展会带来水资源的过度开发和浪费，这将严重威胁到绿洲的可持续发展，为绿洲的生态安全埋下隐患。