向家壩水電工程影響下區域土地利用及景觀格局變化

王維琛 蔡宴朋 孫煉 楊薇 易雨君 徐俏

摘要：為研究向家壩水電工程建設對周圍區域土地利用和景觀格局變化的影響，本研究采用面向對象分類方法對水電站建設前（2006）與建設后（2017）兩個時期的研究區遙感影像進行土地利用和景觀格局變化分析，并以2006年為基準年，采用CLUES模型對研究區2017年“自然發展狀態”下土地利用進行模擬，與2017年實際情形進行對比分析。研究結果表明：（1）2006-2017年間，在水電站外部工程和社會發展的雙重作用下，水體面積大幅度增加，裸地得到開發利用，建筑區擴張，林地和耕地減少較多；（2）相較于“自然發展狀態”，水電工程影響下的建筑區面積略有下降，園地/草地面積下降且與林地之間交叉分布增多；（3）相較于“自然發展狀態”，水電工程影響下研究區景觀格局變化表現出不同的特點：景觀水平上，自然發展對研究區整體的聚集作用減弱；類型水平上，研究區景觀格局呈現出三種趨勢：耕地與園地/草地呈增強趨勢，建筑區與裸地呈延緩趨勢，林地呈相反趨勢。

關鍵詞：土地利用/覆蓋變化；面向對象分類；景觀格局變化；CLUES模擬；水電工程

中圖分類號：X22 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05007708

Land use/cover and landscape pattern changes under influence of Xiangjiaba Hydropower Station

WANG Weichen1，2，CAI Yanpeng1，2，SUN Lian1，2，YANG Wei1，2，YI Yujun1，2，XU Qiao1

（

1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Beijing Engineering Research Center for Watershed Environmental Restoration & Integrated Ecological Regulation，Beijing 100875，China）

Abstract：

In order to analyze the influence of Xiangjiaba hydropower project on land use and landscape changes in the peripheral region，we applied the objectoriented classification method to extract the land use types from the Landsat images of 2006 and 2017，and analyzed the landscape pattern changes around Xiangjiaba hydropower station.Then，we used CLUES model to simulate the land use and landscape changes in 2017 in the condition of natural development without the hydropower project.The main conclusions are as follows：from 2006 to 2017，the land types of the study area were seriously affected by both social development and the hydropower project.The water area has increased significantly；bare land has been utilized；construction area has expanded；forest and farmland area has decreased a lot.Compared with the situation in the natural development condition，under the influence of the hydropower project，the construction area is slightly smaller，and the garden/grass land area is smaller with more crossdistribution with forest land.The landscape pattern presented different trends：enhancement of farmland and garden/grassland，delayed development of construction and bare land，and opposite development of forest land.

Key words：

LUCC；objectoriented classification；landscape pattern change；CLUES simulation；hydropower project

土地利用/覆蓋變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是區域環境變化的關鍵[12]，可以實現地表時空特征的動態變化記錄。土地的不合理規劃和利用會導致一系列環境問題，如水土流失、生物多樣性降低和荒漠化等。景觀格局指數和CLUES模型（Conversion of Land Use and its Effects at Small region extent）都是分析區域尺度LUCC變化的有效工具。景觀格局分析主要研究景觀的結構、功能及其變化[3]，注重人類活動對于景觀格局變化的影響[4]，國內外學者應用景觀格局指數分析受到農業和工業影響下土地利用變化和景觀格局變化之間的關系[56]，并對景觀格局變化的驅動因子、指數篩選方法和局限性等方面進行研究[710]；CLUES模型是荷蘭瓦赫寧根大學在CLUE模型的基礎上改進得到的，在定量分析土地利用模擬、土地退化、山區植被變化、政策對土地利用影響等方面應用廣泛且表現良好[1118]。

隨著我國西南地區水電行業的快速發展，大型水電工程建設對周圍區域土地利用和景觀格局產生較大影響。研究表明，水電站的建設使土地利用和景觀格局表現出破碎化加劇和分布離散的趨勢。但在不同區域，水電工程的具體影響并不一致[1922]。關于金沙江干流大型水電站向家壩水電站，已有研究主要關注工程建設過程的實施細節以及局部地區生態恢復措施[2324]，缺乏區域尺度的水電工程建設對LUCC和景觀格局影響的分析研究。本文利用“3S”技術、景觀指數分析和土地利用模擬等手段，通過自然狀態發展情景與真實情況對比，放大水電工程因素的影響，對向家壩水電工程對LUCC和景觀格局影響進行分析，以期為日后該區域土地資源可持續開發利用和生態保護提供指導。

1 研究區概況

向家壩水電站是金沙江流域下游的一座巨型水電站，水庫正常蓄水位380 m，庫容5163億m3，裝機規模僅次于三峽和溪洛渡水電站，為中國第三大水電站，水庫面積956 km2，回水長度1566 km。向家壩水電站位于兩省交界處，按照行政區劃分會導致研究區過大，不能較好地體現水電工程造成的影響。使用Arcgis 102水文模塊從流域角度對水電站周圍區域進行子流域劃分，并結合《金沙江向家壩水電站環境影響報告書》[25]，合并水電站周圍的四個子流域作為研究區來分析水電工程的影響，如圖1所示。研究區位于28°29′37″-28°45′52″N和104°14′45″-104°38′22″E之間。

2 數據源及研究方法

2.1 數據源及面向對象分類

所用數據包括遙感影像數據、研究區的DEM數據以及當地土地規劃等相關文件。研究區DEM數據由30 m分辨率的GDEMDEM影像裁剪得到，遙感數據分別為2006年Landsat 5 TM影像數據和2017年Landsat 8 OLI影像數據。

對遙感影像進行輻射校正、大氣校正等預處理，利用eCognition 87軟件對預處理結果進行分割和面向對象分類[26]，使用的各指數如下。

其中：S代表土地類型的面積；Sij代表轉移前為i類的地物轉變為j類的面積；n代表土地利用類型數。i表示初期狀態；j表示末期狀態，即每一行表示初期一種土地類型轉向其他類型的轉出面積，每一列表示末期一種土地利用類型來自其他類型的轉入面積。

2.3 景觀格局分析方法

在景觀水平上選取AWMPFD（面積加權的平均斑快分形指數）、AWMSI（面積加權的平均形狀因子）、CONTAG（蔓延度指數）、MPS（平均斑快面積）、SHDI（香農多樣性指數）、IJI（散布與并列指數），在類型水平上選取CA（斑塊類型面積）、AWMPFD、AWMSI、MPS、AI（聚集度）、IJI對不同年份和情景下的研究區進行景觀格局分析。

2.4 CLUES模型及土地利用/覆蓋變化模擬

研究區土地利用變化是當地社會發展和水電工程共同驅動的結果，為了分離兩種驅動的影響，通過控制CLUES模型中的參數，以2006年土地利用為基礎，對“自然發展狀態”下的研究區2017年土地利用變化做出模擬，并對2017年（模擬）和2017年（真實）進行對比分析，可在一定程度上得到向家壩水電工程對研究區土地利用與景觀格局變化的影響。

2.4.1 CLUES模型原理

CLUES模型由輸入模塊和空間分配模塊組成[3538]，其中，輸入模塊包括四個部分：土地政策與限制區域、土地利用類型轉換規則、土地需求和空間特征。其中空間特征用Logistic回歸方法得到空間分布格局和各個驅動因子的定量關系見式（6）：

式中：Pi表示一個柵格出現種類為i的土地利用類型出現的概率；X表示驅動因素；β是回歸系數，表示土地類型和影響因子之間的定量關系。

2.4.2 驅動因子選取

CLUES模型所需的驅動因子可以分為社會驅動因子和自然驅動因子，自然因子一般為靜態特征的因子，如坡度、高程、區位特征等，社會因子一般為動態特征的因子，如人口、經濟收入等。由于研究區并未按照行政區劃分，不能保證經濟和人口等外部驅動因子的準確性，故選取6種驅動因子見表1。

將6種影響因子與2006年6種土地利用類型做二元Logistic回歸，利用ROC曲線驗證所選影響因子對研究區土地利用是否存在影響，ROC值為05表示模型為完全隨機模型，ROC值為1表示最優結果。最終選出每一類的最優影響因子進行后續模擬，如表2所示，ROC值最小為0673，大于06，共有四個ROC值大于085，整體上所選影響因子確實對6種地類具有影響，可以用作后續模擬過程。

庫蓄水，所以水體面積增加777%，原有河流明顯拓寬，兩岸邊緣的園地/草地、耕地和建筑區轉為水體；林地繼續減少和裸地重新利用導致園地/草地增加，研究區東部與南部的零散耕地開始改為植被，使得耕地面積出現大幅度下降，但在分布上也更加集中。在修建水電站的過程中，水富縣及其周圍的土地利用分布發生較大變化，江北裸地逐漸變為建筑區與園地/草地，兩岸部分建筑區被水淹沒，城區內綠化增加，建筑規模擴大；此外人口遷移和主要道路更改，宜賓縣建筑區向北擴張，周圍耕地減少。裸地大幅下降729%，主要轉為建筑區和植被，變化區域主要位于研究區東南部和中部。

3.2 真實情況與假設情景的景觀格局對比分析

利用CLUES模型進行模擬得到自然發展狀態下的2017年（模擬）土地利用分布圖（圖4）。

從類型水平上對2006年、2017年和2017年（模擬）景觀格局進行分析，可以明確不同景觀類型的動態變化，見表5。由表5可知如下結果。

水體是水電工程影響最明顯的土地利用類型。a和c各指標更為接近，水電工程建設下的研究區，水體形狀更加規則，分布更加聚集，水體斑塊周圍混雜了更多其他的地物。對于裸地，AWMPFD、AWMSI和AI均為a>c>b，而MPS為c>a>b，水電工程建設下裸地會由于面積大幅減少而更加破碎且邊緣變得復雜；IJI為b>a>c，與自然發展狀態下的變化趨勢相反，裸地斑塊周圍混雜更多其他地物。上述變化與裸地大規模轉化為建筑區等其他土地利用類型相關，且較自然發展狀態更加明顯。對于建筑區，AWMPFD和AWMSI均為a>b>c，MPS和AI為b>a>c，水電工程影響下的建筑區在面積增加的同時變得更加聚集，但相較于自然發展狀態，形狀更加復雜；IJI為a>b>c，自然發展狀態和實際變化下的建筑區斑塊周圍混雜地物趨向減少，但水電工程建設減緩了這種趨勢。

對于耕地，AWMPFD、AWMSI、MPS和AI均為a>c>b，IJI為b>c，兩種情景下耕地形狀趨向規則，斑塊群之間分布較為離散，水電工程影響增強了這種趨勢，相比原有的發展情景，耕地斑塊周圍的其他地物分布更加復雜，這也是耕地在分布和面積上收縮的結果之一。在研究區東南部和中部，原本分散的耕地一部分消失且變得更加聚集。對于園地/草地，AWMPFD和AWMSI均為a>c>b，MPS和AI均為ac>b，說明兩種發展情景都會減少林地與其他地物的混雜，但水電工程建設會加劇這種變化。

水電工程建設對建筑區和裸地的作用相對其他土地利用類型更加直接，而水電工程會在一定程度上減緩社會發展使建筑區和裸地集中聚集的趨勢，導致形狀復雜邊緣破碎，維持區域周圍地物的混雜狀態；水電工程建設會增強自然發展對耕地的作用，周圍的其他地物分布更加復雜；園地/草地斑塊更加緊湊規則，且周圍地物類型相比自然發展狀態下更加單一；林地斑塊更加規則且斑塊之間趨向離散，與自然發展作用相反。

4 結論

本文通過遙感、地理信息系統、景觀格局分析和土地利用模擬等手段，分析西南大型水電工程之一的向家壩水電站工程在修建過程中周圍區域的LUCC和景觀格局變化，并通過CLUES模型以2006年土地利用分布為初始狀態，對“自然發展狀態”下研究區2017年土地利用做出模擬，可以在一定程度上分離研究區社會發展和水電工程修建兩種因素的混合作用，得到大型水電工程對研究區土地利用變化與景觀格局的影響。得到如下結論。

在2006年至2017年間，在水電工程和社會發展的雙重作用下， 水庫蓄水，沿岸部分耕地和建筑區轉為水體，水體面積大幅度增加；裸地得到開發利用，分布減少，面積下降729%；受到人口遷移等活動影響，建筑區擴張明顯，城區內部更加聚集；東部與南部的耕地轉為植被，耕地面積下降，分布集中；林地分布更加聚集，零散分布的林地主要轉為園地/草地。

水電工程影響下各地類土地利用變化相較于“自然發展狀態”，除水體大幅增加外，建筑區面積減少，林地在河流沿岸及建筑區周圍分布減少，裸地轉化為建筑區和園地/草地，分布更加零散，園地/草地分布范圍擴大但面積略有下降，且與林地之間交叉分布增多。景觀水平上，水電工程影響下研究區景觀格局變化相較于“自然發展狀態”，形狀更加規則，自然發展對整體的聚集作用減弱；類型水平上，研究區不同地物類型景觀格局變化相較于“自然發展狀態”，呈現出三種不同趨勢：（1）耕地與園地/草地呈現增強趨勢，即水電開發下主要景觀指數與自然發展情景下變化方向相同且幅度更大；（2）建筑區與裸 地呈現延緩趨勢，即主要景觀指數與自然發展情景下變化方向相同但幅度減小；（3）林地呈現相反趨勢，即主要景觀指數與自然發展情景下變化方向相反。

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