云南高原盆地城市水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)

楊 帆, 曾建軍, 蘇旺德, 肖夢(mèng)景, 徐建寧

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650500; 2.甘肅省水利科學(xué)研究院,

甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

云南高原盆地城市水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)

楊 帆1, 曾建軍2, 蘇旺德1, 肖夢(mèng)景1, 徐建寧3

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650500; 2.甘肅省水利科學(xué)研究院,

甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 探究云南高原盆地城市水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)，為該區(qū)城市水源地土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。 [方法] 以洛倫茲曲線和分形方法相結(jié)合，對(duì)云南省9個(gè)典型高原盆地城市水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。 [結(jié)果] 9個(gè)典型高原盆地城市水源地土地利用類型中建設(shè)用地、草地和未利用地當(dāng)前分布欠缺合理性，很不均衡，而未利用地和水域的空間結(jié)構(gòu)鑲嵌程度復(fù)雜，穩(wěn)定性差。 [結(jié)論] 各個(gè)水源地現(xiàn)存的土地利用空間結(jié)構(gòu)缺乏從水源保護(hù)角度出發(fā)的統(tǒng)一規(guī)劃，土地利用問(wèn)題突出。

關(guān)鍵詞：高原盆地城市水源地; 土地利用空間結(jié)構(gòu); 洛倫茲曲線; 分形

土地利用的空間結(jié)構(gòu)反映了土地利用類型在空間上的配置及其對(duì)比關(guān)系，能否實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，不僅取決于是否合理、高效地利用各類土地，還取決于不同土地類型間組合關(guān)系的合理性[1]。對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的區(qū)域差異性與合理性進(jìn)行分析，便于人們更好地認(rèn)識(shí)土地利用與人口、自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的相關(guān)性及土地利用類型的空間分布規(guī)律[2]。關(guān)于土地利用空間結(jié)構(gòu)相關(guān)研究當(dāng)前已取得較多成果，諸如應(yīng)用RS-GIS、馬爾可夫鏈、最優(yōu)線性規(guī)劃、景觀指數(shù)、信息熵、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種方法在研究土地利用空間結(jié)構(gòu)都取得了一定成果，但這些方法基本都是傳統(tǒng)的地理學(xué)或者數(shù)學(xué)方法，研究過(guò)程復(fù)雜且結(jié)果不夠直觀[3]。

洛倫茨曲線(Lorrenze curvers)是美國(guó)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Lorrenz在20世紀(jì)初期利用頻率累計(jì)數(shù)繪制成的曲線來(lái)刻畫社會(huì)財(cái)富、土地和工資收入等不平等(集中或分散)程度而提出的，經(jīng)濟(jì)學(xué)中利用該方法對(duì)地區(qū)之間收入差距或財(cái)富不平等進(jìn)行分析[4]。1975年法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德爾布羅特(Mandelbrot)提出分形(fractal)概念，土地斑塊為自然界中最典型的分形幾何體，對(duì)各土地生態(tài)類型的形態(tài)結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用分形理論進(jìn)行定量化研究[5]。利用空間洛倫茨曲線可直觀地從圖形上反映土地利用類型在地域上配置的合理性；基尼系數(shù)則可以對(duì)洛倫茲曲線得出的結(jié)果合理性進(jìn)行定量化研究；而分形可用來(lái)揭示土地利用空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性特征。當(dāng)前，以上方法已經(jīng)運(yùn)用在土地利用空間結(jié)構(gòu)分析中，但是利用洛倫茲曲線結(jié)合分形方法進(jìn)行土地利用的空間結(jié)構(gòu)分析還鮮有報(bào)道。本研究擬以洛倫茲曲線和分形方法相結(jié)合從不同側(cè)面對(duì)云南高原盆地城市水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，應(yīng)用洛倫茲曲線和分形方法相結(jié)合進(jìn)行土地利用空間結(jié)構(gòu)的可行性分析，并為當(dāng)?shù)爻鞘兴吹赝恋乩媒Y(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

云南省位于我國(guó)西南邊陲，以高原山地為主，山區(qū)、半山區(qū)占該省國(guó)土面積的94%，壩區(qū)占該省國(guó)土面積的6%。降水相對(duì)充沛，多年平均降雨量1 000 mm以上，但降水變率大且時(shí)空分布極不均勻，雨季(5—10月)降水占全年降水量的80%以上[6]。由于云南省內(nèi)城市大多位于地形相對(duì)封閉的斷陷盆地中，少有大江大河經(jīng)過(guò)，盆地上游水庫(kù)成為城市最主要，甚至是唯一的水源[7]，其水庫(kù)供水量4.00×108m3，占總供水量的61.7%。該省具有城市飲用水供水功能的大中型水源地共有82個(gè)，2009年以來(lái)，云南省遭遇連續(xù)4 a干旱，使得缺少補(bǔ)給、生態(tài)環(huán)境脆弱的高原盆地城市水源地面臨的供水壓力日益增大[8]。針對(duì)上述情況，為保障城市供水安全，本研究從土地利用空間結(jié)構(gòu)的角度對(duì)保山市北廟水庫(kù)、玉溪市東風(fēng)水庫(kù)、紅河州菲白水庫(kù)、楚雄市九龍甸水庫(kù)、曲靖市瀟湘水庫(kù)、普洱市信房水庫(kù)、昭通市漁洞水庫(kù)以及昆明市的云龍水庫(kù)和松華壩水庫(kù)共9個(gè)典型城市水源地進(jìn)行分析。

以2012年SPOT5影像與TM/ETM影像作為遙感解譯的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解譯并結(jié)合實(shí)際需要將城市水源區(qū)土地利用類型分為：建筑用地、耕地、草地、林地、疏林地、水域以及未利用地等7大類。

2土地利用結(jié)構(gòu)分析

2.1　洛倫茲曲線的繪制

利用遙感解譯的云南省高原盆地九大城市水源地土地利用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，繪制出不同土地利用類型的洛倫茲曲線，表述各土地利用類型空間分布的分散或集中程度。利用水源地各地類土地利用類型面積的原始數(shù)據(jù)，分別求出9個(gè)水源地某地類的區(qū)位熵。區(qū)位熵主要被用來(lái)衡量某一要素的空間分布情況，指某一地區(qū)該土地利用類型面積占區(qū)域該土地類型總面積的比值與該地區(qū)土地總面積占區(qū)域土地總面積之比，計(jì)算公式為[9]:

Q=(A1/A2)/(A3/A4)

(1)

式中：Q——區(qū)位熵；A1——某水源地某種土地利用類型的面積(km2)；A2——9個(gè)水源地某土地利用類型總面積(km2)；A3——某水源地土地總面積(km2)；A4——9個(gè)水源地土地總面積(km2)。

按照區(qū)位熵大小，由小到大依次列出各個(gè)水源地各地類面積占總土地面積百分比，并計(jì)算累計(jì)百分比(以耕地為例，表1)。

表1　云南省9個(gè)典型高原盆地城市水源地耕地累計(jì)比例

注：A1表示某水源地某種土地利用類型的面積(km2)；A2表示9個(gè)水源地某土地利用類型總面積(km2)；A3表示某水源地土地總面積(km2)；A4表示9個(gè)水源地土地總面積(km2)。

最后以各水源地土地總面積占9個(gè)水源地土地總面積的累計(jì)百分比為橫坐標(biāo)，以各水源地某地類面積占9個(gè)水源地該地類總面積的累計(jì)百分比為縱坐標(biāo)，各取100長(zhǎng)度，繪出坐標(biāo)圖，以各累計(jì)數(shù)繪制坐標(biāo)點(diǎn)，得到的曲線至絕對(duì)均勻線的離差就是該地類實(shí)際分布與其在全區(qū)均勻分布的差異程度(圖1)。越接近絕對(duì)均勻線，曲線離差較小，表明該土地利用類型在全區(qū)分布越均勻；反之，離絕對(duì)均勻線較遠(yuǎn)的曲線，表明該土地利用類型在全區(qū)中的區(qū)域分布差異較大，即分布相對(duì)分散[3]。

圖1　云南9個(gè)典型高原盆地城市水源地

2.2　空間基尼系數(shù)

洛倫茲曲線可以直觀顯示某種土地利用類型在全區(qū)空間分布的差異性，但是無(wú)法對(duì)差異(均衡或不均衡的)的程度進(jìn)行定量描述。基尼系數(shù)可以進(jìn)一步定量描述土地利用類型在各個(gè)水源地分布的差異程度，在洛倫茲曲線上，基尼系數(shù)反映的幾何意義是曲線與絕對(duì)均勻線之間面積和絕對(duì)均勻線以上三角形面積之比，因此也被稱為洛倫茲系數(shù)，基尼系數(shù)低于0.2表示分布絕對(duì)合理，0.2～0.3表示比較合理，0.3～0.4表示相對(duì)合理，0.4～0.5表示差距較大，0.6以上表示差距懸殊[10]。計(jì)算公式為[4]：

(2)

式中：G——基尼系數(shù)； Mi——某水源地某一土地類型面積累計(jì)百分比； Qi——某水源地土地在9個(gè)水源地土地總面積的累計(jì)比例。基尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2　云南省9個(gè)典型高原盆地城市水源地土地利用類型基尼系數(shù)

2.3　分形維數(shù)

分形(fractal)指其局部結(jié)構(gòu)放大后以某種方式與整體相似的形體，是研究不規(guī)則自相似體系的理論，具有自相似性和標(biāo)度不變性[11]。一個(gè)系統(tǒng)的自相似性是指某種結(jié)構(gòu)或過(guò)程的特征從不同的時(shí)間尺度或空間尺度上看都是相似的，標(biāo)度不變性是指自相似性的系統(tǒng)不具有特征長(zhǎng)度，具有自相似的結(jié)構(gòu)一定滿足標(biāo)度不變性[12]。各地類空間結(jié)構(gòu)分維的計(jì)算首先要進(jìn)行各地類斑塊周長(zhǎng)—面積關(guān)系的建立，計(jì)算公式為[13]：

(3)

式中：A——某一斑塊面積；P——同一斑塊周長(zhǎng)；D——分維；k——待定常數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行雙對(duì)數(shù)變換可得：

(4)

D值越大，表示空間上的鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。地類空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)SK計(jì)算公式為[14]：

SK=|1.5-D|

(5)

SK值越大，表示空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。據(jù)此，繪制各土地利用類型的周長(zhǎng)—面積散點(diǎn)圖(圖略)，并經(jīng)過(guò)回歸分析后分別計(jì)算出分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)(表3)。

表3　云南省9個(gè)典型高原盆地城市水源地土地

3結(jié)果分析

3.1　洛倫茨曲線結(jié)果分析

從圖1可以看出，耕地、水域、林地和疏林地距離絕對(duì)均勻線較近，說(shuō)明這幾種用地類型在9個(gè)水源地分布較為分散，分布在各個(gè)水源地的面積比例大致相等。建設(shè)用地、草地和未利用地離絕對(duì)均勻線較遠(yuǎn)，表明這3種用地類型在9個(gè)水源地分布較不均衡，其中草地距絕對(duì)均勻線最遠(yuǎn)，即草地在各個(gè)水源地所占比例不一。

3.2　基尼系數(shù)結(jié)果分析

用基尼系數(shù)對(duì)云南省9個(gè)高原盆地城市水源地土地利用類型的分析結(jié)果與洛倫茲曲線分析出的結(jié)果基本一致。其中，耕地、水域、林地和疏林地基尼系數(shù)均小于0.2，表示上述幾種用地類型分布很合理，建設(shè)用地基尼系數(shù)為0.271，處在比較合理的范圍內(nèi)，未利用地基尼系數(shù)為0.480，分布的差距較大，草地基尼系數(shù)為0.728，表明草地在9個(gè)水源地的分布差距懸殊。

3.3　分形結(jié)果分析

云南省高原盆地城市水源地不同土地利用類型的分維數(shù)排序?yàn)椋何蠢玫?水域>草地>林地>耕地>建設(shè)用地>疏林地。其中未利用地和水域的分維數(shù)較大，表明這兩種用地類型的空間結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，鑲嵌程度最高。水域的穩(wěn)定性指數(shù)最低，僅為0.029表明水域的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，其次為未利用地。而建設(shè)用地和疏林地分維數(shù)最小，空間結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，其中疏林地穩(wěn)定性指數(shù)為0.472，穩(wěn)定性最高。

4討 論

水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)直接影響著地表徑流和水源供給能力，土地利用變化通過(guò)改變下墊面狀況進(jìn)而影響水源供給，下墊面是水分循環(huán)的重要場(chǎng)所，不僅影響陸面的實(shí)際蒸散發(fā)，還影響土壤理化性質(zhì)和水分狀況[15]。結(jié)合遙感解譯得到的土地利用類型數(shù)據(jù)，菲白水庫(kù)與瀟湘水庫(kù)的耕地面積均超過(guò)水庫(kù)總面積的40%；菲白水庫(kù)與魚洞水庫(kù)的林地面積不足20%；同時(shí)云龍水庫(kù)與瀟湘水庫(kù)的未利用地的面積達(dá)到10%左右；9個(gè)水源地內(nèi)的居民地面積均在2%～3%，而松華壩水庫(kù)的居民地面積達(dá)到6%。耕地和未利用地與林地相比水源涵養(yǎng)功能較弱，且容易發(fā)生水土流失，水源地內(nèi)耕地和未利用地所占面積過(guò)大會(huì)對(duì)水源涵養(yǎng)功能造成負(fù)面影響。實(shí)地調(diào)查情況也表明各個(gè)水庫(kù)內(nèi)土地利用類型的空間結(jié)構(gòu)均缺乏合理性，現(xiàn)有的土地利用類型并不利于水源地的水源涵養(yǎng)。另一方面，由于各個(gè)水源地內(nèi)均分布有數(shù)量眾多的農(nóng)業(yè)人口，且源區(qū)內(nèi)地表徑流復(fù)雜，河流水庫(kù)等易受人為影響，農(nóng)業(yè)面源污染和水土流失現(xiàn)象突出，人為因素不僅對(duì)水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)影響較大，而且對(duì)水源地供水能力和水質(zhì)安全起著至關(guān)重要的作用。由于不同植被帶在控制水分和養(yǎng)分的運(yùn)動(dòng)上可起到重要作用[16]，不同土地利用方式在空間上的組合可以顯著地影響土壤中養(yǎng)分、水分和水土流失[17]。通過(guò)土地利用空間結(jié)構(gòu)的合理分布和規(guī)劃，從而控制土壤水分和養(yǎng)分流失，以及防止水體污染。

5結(jié) 論

(1) 利用空間洛倫茨曲線可直觀地從圖形上反映土地利用類型在地域上配置的合理性；基尼系數(shù)則可以對(duì)配置的合理性進(jìn)行定量化研究；而分形可用來(lái)揭示土地利用空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性特征。通過(guò)3種方法結(jié)合分析之后，得出云南省9個(gè)高原盆地城市水源地中建設(shè)用地、草地和未利用地的分布很不均衡，而水域的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，鑲嵌程度復(fù)雜，水源涵養(yǎng)功能較大的林地和草地分形維數(shù)較大，表面這兩種土地利用類型鑲嵌程度較高，破碎程度較大。

(2) 由于不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱不同，因此土地利用空間結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)水源地水源供給至關(guān)重要，從本研究結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況表明，云南省9個(gè)典型高原盆地城市水源地土地利用空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題突出，主要為水源地內(nèi)耕地面積過(guò)大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)度較大，不利于水源保護(hù)；森林覆蓋率較高但破碎程度較大，使得地表蒸發(fā)量過(guò)大，減弱了森林的水源涵養(yǎng)功能；水庫(kù)內(nèi)的未利用地面積較多，裸露的地表造成一定規(guī)模的水土流失。水源地土地利用結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步調(diào)整與優(yōu)化。

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Spatial Structural Analyses on Use types of Urban Watert-source Lands in Basin Area of Yunnan Plateau

YANG Fan1, ZENG Jianjun2, SU Wangde1, XIAO Mengjing1, XU Jianning3

(1.CollegeofTourism&GeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming，Yunnan650500,China; 2.GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou，Gansu730000,China; 3.FacultyofGeometrics,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] The spatial structural of use types of water source lands in basin area of Yunnan Plateau was analyzed to provide bases for the transformation of land use types. [Methods] Lorentz curve and fractal method were used to analyze the spatial structural of urban water-source land use in basin area of Yunnan Plateau. [Results] The results showed that, currently, the water-source land use in basin area of Yunnan Plateau with respect to construction land, grass land and unutilized land was uneven and unreasonable. Moreover, the unutilized lands mosaicked messily with aquatorium and they were unstable. [Conclusion] The current land-use in basin area lacked a well-designed plan and an elaborative scheme regarding with water source protection should be conducted.

Keywords:urban water-source lands in plateau basin; land-use spatial structure; Lorentz curve; fractal method

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)04-0254-04

中圖分類號(hào)：F301.2

收稿日期：2014-12-27修回日期：2014-12-27

資助項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)項(xiàng)目“高原盆地城市水源地脆弱性診斷研究”(201001058); 云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012CA024)

第一作者：楊帆(1991—),男(漢族),甘肅省寧縣人,碩士研究生，研究方向?yàn)樽匀毁Y源利用。E-mail:yf8110@163.com。