邯鄲市平原濕地未來分布變化及影響因素研究

趙國麗

(河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北 邯鄲 056001)

0 引言

濕地是地球上最重要的生態系統之一，被稱為“景觀的腎臟”。濕地因其具有儲存洪水、保護海岸線、改善水質和補充地下水蓄水層的能力而受到重視。濕地為魚類和野生生物提供了棲息地，豐富了生物多樣性[1]，其中包括許多瀕危動物和物種。干旱和半干旱地區的濕地面積是維持農業和綠洲生態系統的基礎。在過去幾十年中，氣候變化和人類活動導致邯鄲市濕地面積迅速減少[2]。在過去的幾十年中，濕地變化的程度和范圍為發現和理解濕地變化提供了新的資料。地理信息系統(GIS)和遙感(RS)是監測當前濕地分布區域和時空動態變化的基本工具。GIS還可以作為預測和分析濕地變化及其變化原因的工具。有必要監測和評估濕地的變化，以保護和合理管理濕地資源。近年來，已開展了許多以評估濕地景觀格局和結構變化的研究，但評估濕地變化趨勢模擬的研究較少。

本文采用了3個時期的遙感影像，包含2001年9月的TM圖像、2009年9月和2016年9月的TM圖像，進行了遙感濕地影響數據處理，然后基于馬爾可夫模型，利用2001年和2009年的濕地分布建立了馬爾可夫轉移概率矩陣，以預測邯鄲市未來濕地的變化趨勢。

1 研究區概況

邯鄲市位于河北省的南部邊緣，面積為1.2×105km2[3]。其是重要的工業城市，鋼鐵生產在當地經濟中發揮著關鍵作用。邯鄲屬典型的季風氣候，春季干燥多風，夏季炎熱潮濕，冬季寒冷干燥。

2 數據來源

通過遙感軟件上分別下載了包含2001年、2009年和2016年的6個波段，像素分辨率分別為20 m的Landsat 5(TM)影像。所有圖像均覆蓋邯鄲地區。遙感圖像中研究區域范圍采用矢量邊界進行裁切以進行分類。根據濕地分類原則、濕地定義和遙感影像特征，將邯鄲市平原濕地分為濕地和非濕地。濕地可以是自然的也可以是人工的。天然濕地是自然形成的，幾乎沒有人類活動。根據在遙感影像中顯示的形狀、大小、色調和紋理等特征，自然濕地分為河流濕地和湖泊濕地，人工濕地包括池塘和稻田濕地[4]。其余的土地被指定為非濕地，包括植被、建筑用地和其他用途土地。因此，共有4種濕地類型。

3 研究方法

3.1 馬爾科夫鏈

對于一組狀態：S={s0,s1,s2,…,sr}，馬爾科夫過程從這些狀態之一開始，從一個狀態連續移動到另一狀態，每個移動稱為一個步長。如果鏈處于si狀態，則其將以pij的概率移動到下一狀態sj，其概率不取決于鏈在當前狀態之前所處的狀態，上述概率稱為過渡概率。該過程也可以保持其所處的狀態，并且發生的可能性為pii。定義S(0)為初始概率分布，其指定了鏈的起始狀態。通常其通過將特定狀態指定為開始狀態來進行的鏈式轉移[5]。

3.2 轉移概率矩陣

在一系列離散的時間狀態中，對于單一步長，其從Tm時刻的狀態i到Tm+1時刻的狀態j轉變概率為pij。pij僅取決于Tm和Tm+1狀態[6,7]。pij的矩陣形式如下：

(1)

式中：pij為濕地類型從i到j的轉變概率。

根據馬爾可夫隨機過程理論，本文采用初始狀態下的概率矩陣來計算從初始狀態到第n個狀態(包括穩定狀態)的狀態轉移概率[8]。第n個狀態的馬爾科夫轉移概率計算公式如下：

(2)

式中：m為轉移概率矩陣的行數或列數。

第n個轉移概率矩陣等于第一個轉移概率矩陣的n次方。

3.3 馬爾可夫預測模型

根據初始S(0)矩陣和第n階段的轉移概率P(n)，本文采用MATLAB模擬計算未來邯鄲市平原濕地的分布面積。馬爾可夫模擬模型S(n)的計算方法如下：

S(n)=S(n-1)×P(1)=S(0)×P(n)

(3)

4 模型的應用

4.1 初始狀態

模擬步驟如下：確定初始狀態矩陣。根據濕地景觀類型將濕地分為一系列相互演化的狀態，采用2001年每種濕地類型面積構建的初始狀態矩陣如下：

(4)

4.2 轉移概率矩陣

第二步為確定過渡概率矩陣。將2001年和2009年的景觀類型設置為基本地圖。在Arcgis軟件下，將兩個時期的濕地景觀柵格圖進行重疊，并提取了疊加圖像中的相應屬性。獲得了2001年～2009年初始狀態的濕地類型區域轉換矩陣見表1。計算了2001年～2009年的初始狀態轉換概率矩陣(N=0時)見表2。

表1 2001年～2009年濕地類型區域轉換矩陣

表2 2001年～2009年初始狀態轉變概率矩陣

4.3 演化趨勢模擬

利用公式(3)、公式(4)和表3計算出未來濕地分布的變化趨勢。其濕地面積的預測值見表3。

表3 馬爾可夫鏈預測的濕地分布面積值 單位：km2

由表3可知，2110年后河流濕地、湖泊濕地和池塘濕地的分布區域將保持穩定狀態。2130年后所有濕地類型和非濕地分布區域將保持穩定。

5 結果分析

5.1 濕地變化分析

使用2016年的濕地面積模擬值和實際值來檢驗馬爾科夫預測模型的模擬精度。其模擬結果見表4，可以看出：模擬值與真實值的相關性為0.992。濕地變化趨勢與21世紀初和20世紀末的變化是一致的。模擬結果與實際濕地分布面積之間的差異很小，并且兩者之間的一致性很好。因此，利用濕地面積轉移矩陣建立馬爾可夫鏈的轉移概率矩陣，并預測邯鄲平原濕地的分布格局是可行的。

表4 2016年濕地面積模擬結果

根據馬爾可夫模型預測的濕地分布，如果維持邯鄲平原近20 a的濕地管理方式，約100 a后，邯鄲平原的濕地分布區將基本上處于穩定狀態。滿足此條件后，濕地總面積為777.71 km2，占邯鄲平原總面積的10.01%。此外，濕地總面積將從610.481 km2增加2.16%至777.711 km2，自然濕地面積將從259.821 km2減少到142.821 km2，人工濕地面積從初始狀態的350.66開始(2001年)，穩定狀態下達到634.891 km2，模擬結果見表5。

表5 邯鄲平原濕地初始狀態和穩定狀態面積及所占百分比 單位：面積，km2；占比，%

近幾十年來，全球氣候變化包括年平均溫度和蒸發量的增加，導致邯鄲平原的氣候變得更干燥。因此，維持濕地生態系統健康的環境條件正在惡化。采用1961年～2004年的月平均溫度和月降雨量數據計算了邯鄲平原的地表濕度指數。計算結果表明：地球表面的濕潤指數呈下降變化趨勢，導致表面變干。自然濕地分布區域的減少趨勢與地球表面濕度的減少是一致的。

5.2 人類活動的影響

從1978年～2016年，邯鄲平原的人口增長從354.16萬人增加到954.97萬人，GDP從9.3億元增長到63.6億元人民幣。人口的增長和經濟發展均導致用水量的增加，導致地下水位下降。此外，人口增加導致糧食產量的增加；當地居民排干了湖泊以擴大耕地面積。在干旱和半干旱地區，淺層地下水位很容易引起土壤鹽堿化。自20世紀50年代以來，湖泊水已排干以控制土壤鹽堿化，這導致自然濕地的一些損失。當地居民對自然濕地保護的必要性也缺乏了解，與其他形式的農業相比，水稻種植獲得的經濟利益更大。因此，一些濕地和泄洪區的土地被開墾成池塘和稻田。這些地區每年消耗大量水，從而阻止了向濕地供水，加劇了自然濕地的進一步萎縮。

5.3 水資源利用

為了確保邯鄲平原濕地可持續發展，必須合理利用水資源和優化水資源配置。我國傳統的水管理僅考慮了經濟發展與人們日常生活之間的水分配，卻忽略了維持生態系統功能所需的水。邯鄲平原每年用水量為40億m3，其中農業用水量占95%，工業用水和生活用水占4%。剩下不到1%的濕地系統維護費用。當降雨量少于200 mm時，這種水資源分配很危險。此外，這種用水分布表明，邯鄲平原區需要更加重視環境保護。

6 結論

根據2016年邯鄲平原濕地類型分布面積的實際值與預測值之間的轉換率，確定了馬爾可夫過程模擬的轉換概率。研究結果表明，利用遙感(RS)和GIS技術建立的基于邯鄲濕地分布的馬爾可夫模型是可行的；邯鄲平原濕地類型分布面積變化趨勢的預測結果表明：人工濕地分布面積呈增加趨勢，而天然濕地面積呈下降趨勢。如果維持目前濕地的管理條件，濕地分布區域將在大約100 a內保持穩定。當進入穩定狀態后，河流濕地面積將為73.00 km2，湖泊濕地面積將為69.82 km2，池塘濕地面積將為112.25 km2，稻田濕地面積將為522.64 km2，非濕地面積將為6992.42 km2，表明人類活動干擾仍將是邯鄲平原濕地分布區變化的主要原因。