近五十年來大理海西流域坑塘系統發展演變及分布特征研究

張政東

北京大學 北京 100871

坑塘自農業時代以來,一直主要承擔著灌溉功能,隨著城鎮化工業化的快速發展,環境污染逐漸成為中國現今的重點問題,坑塘系統因其獨特的作用機制,使得近些年坑塘系統的凈化功能逐漸被重視。很多學者將目光轉向坑塘,目前在坑塘的定義、景觀研究、凈化效果、保護和利用方面取得了一些成果。〔1-10〕

然而,大多數學者都是聚焦于坑塘本身的景觀功能,凈化功能,以及歷史方面的研究,在坑塘系統分布的結構和發展變化上還沒有相關研究,而坑塘的發展變化情況以及背后的成因對于生態治理和生態修復工作有著重要意義,因此,本文通過對歷史遙感影像進行分析,得到坑塘系統歷史發展變化趨勢,并分析變化背后的成因,以期得到對未來區域生態治理工程以及生態修復措施提供理論參考和建議。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況 研究區域位于大理洱海西畔,東至洱海,西至蒼山,北至沙坪村,南接大理市區,長52千米,寬6千米。該區域農業文明歷史悠久,4世紀起白族祖先就在這里繁衍生息,創造了燦爛的新石器文化,是大理市重要的農產品生產基地。區域內有著包括大理古城,喜洲等在內的多個歷史聚落遺跡,地形西高東低,主要以山地、平原、湖泊三種地貌為主。發源于蒼山的18條溪流穿過該區域〔11〕,因此大流域內又分為若干個小流域。區域內坑塘眾多,城鎮、村落、農田區域都存在大量的坑塘,成為居民生活中重要的一部分。

2 數據來源與數據處理

為獲得較為精確的坑塘歷史分布數據,研究采用衛星遙感影像作為數據源。為保證研究階段的可對比性,遙感影像盡可能獲取2019年-1969年間以每十年為一階段進行研究。考慮植被遮擋水面等因素,盡可能獲取拍攝時間為冬季的遙感影像。

2.1 遙感影像獲取 從美國地質勘探局(https：//earthexplorer.usgs.gov/)獲取 Landsat5、Landsat7、Landsat8衛星拍攝的2019年、2009年、1999年、1984年C2層級分辨率為30米的四期遙感影像。由于70年代的Landsat1-4衛星拍攝的遙感影像分辨率過低,因此沒有獲取70年代的遙感數據。

為獲取年代更早年代的且分辨率較高地遙感影像,從美國地質勘探局(https：//earthexplorer.usgs.gov/)下載來自美國鎖眼衛星KH-1對大理區域拍攝的黑白遙感影像,由于時代技術以及拍攝影像清晰度的原因,考慮云層、清晰度、選取了目前大理區域拍攝最早且較為清晰的遙感影像即1967年12月獲取分辨率為2米的黑白遙感影像共四景。

2.2 數據預處理 首先對四期Landsat遙感影像進行處理,利用ENVI軟件對遙感影像進行裁剪,得到范圍略大于研究區域的遙感影像,然后進行輻射定標、大氣校正、地理幾何配準、影像鑲嵌處理、統一轉換投影坐標為WGS_1984_Albers坐標。

然后針對坑塘信息精確提取問題,采用單波段閾值法、監督分類法、面向對象方法等進行實驗研究,重點采用了面向對象方法,結合遙感影像光譜、紋理、形狀等特征,分析坑塘與其他地物之間的差異,結合谷歌影像與實地調研,最終實現坑塘信息的精確提取。

對1967年的鎖眼衛星遙感影像進行地理幾何配準,影像鑲嵌拼接處理。由于該遙感影像是光學相機拍攝的黑白影像,只能采用目視解譯法對坑塘進行提取。為能夠精確提取坑塘,目視解譯首先對水面較大且依舊現存的坑塘的水面的顏色、紋理、形狀等特征進行研究,并對比坑塘與其他地物之間的差異,結合谷歌地圖現狀的坑塘位置,最終實現坑塘信息的精確提取。

3 結果與分析

3.1 現狀分布 2019年,大理洱海海西區域坑塘共有365個,總面積5171畝,坑塘平均面積達到9685平方米。從分布上看,坑塘也是主要分布在靠近洱海一側的農業帶上,大部分分布在村落以及鄉鎮周邊,南邊下關鎮區域坑塘極少。

3.2 坑塘分布歷史變化 從圖1可以看出,1967年到現今,大理海西流域坑塘基本都分布在靠近洱海一側地勢相對平緩的的農業帶上,整體分布呈現圍繞大理古城,喜洲鎮,以及上關鎮三個人文歷史相對悠久的聚居點集中,同時在其他區域又相對分散的分布格局。

圖1 1967年-2019年各時期坑塘分布圖

(1)坑塘數量歷史變化

從坑塘數量上看,洱海海西區域1967年共有195個,1984年共有121個,1999年為108個,2009年為214個,2019年增加到356個。即上世紀60年代到本世紀初,坑塘出現遞減趨勢,新世紀以后,坑塘數量激增,到2019年坑塘數量達到90年代末數量最低時的3.5倍左右。

表2 海西流域坑塘歷史數據變化

(2)坑塘面積歷史變化

坑塘總面積從上世紀60年代到2009年都呈遞減的趨勢,1967年,坑塘面積為3507畝,到2009年的2909畝,42年間,坑塘面積減少了17.1%,減少面積430畝,到了2019年,坑塘面積快速增長,達到了5172畝,相比2009年坑塘面積增加2263畝,增長率為77.79%。

坑塘平均面積上看,1967年坑塘平均面積為11866平方米,1967年至1984年間,坑塘平均面積迅速增長,2000年以前坑塘平均大小變化不大,為18300㎡左右,到了20世紀以后,坑塘平均面積降低到9000多平米,由此可見,2000年后坑塘數量劇增,但是增長的坑塘也以小型坑塘為主,這也說明,坑塘的趨勢從以前的中小型水利設施開始越來越向小型凈化設施發展。

3.3 成因分析

3.3.1 城鎮建設 利用GIS軟件將各時期的坑塘與村落和城鎮做疊加相交分析,得出各時期城鎮和村落建設發展對坑塘的侵占、填埋等的情況。表3顯示,整個海西區域60年代-90年代,因城鎮建設而占用坑塘的面積大約維持在每十年120畝-130畝的水平,數量在30-40個之間,整體呈下降趨勢,進入新世紀之后,城鎮化的快速發展,村落的擴張,使得占用情況變得更加嚴重,1999年到2009年十年間,被占用的坑塘達到189.56畝,數量為47個,到近十年,坑塘占用達到234.68畝,數量為62個。而1967年-2019年間的近50年間,城鎮面積擴張了大約6倍。由此可見,城鎮建設和村落擴張是導致1967年-1999年間,坑塘整體數量下降的重要原因之一。

表3 各時期村鎮面積與坑塘占用情況統計

3.3.2 圍墾與填埋 根據實際調研與走訪,圍墾與填埋也是上世紀坑塘數量和面積持續減少的重要原因,特別是上世紀60年代-70年代集體時期,全國開展工業學大慶,農業學大寨運動,海西流域作為傳統農業帶,響應農業學大寨的號召,當地生產隊開始開墾土地,土質肥沃的洱海近岸和存在大量坑塘的沼澤地成為開墾重點。

以喜洲鎮沙村湖塘為例,1967年,沙村湖塘水域面積為1002畝,到1984年17年間共196畝湖塘被改造成農田,水域面積變為660.7畝。整體水域面積減小近三分之一。

3.3.3 灌溉方式與用水體系的改變 坑塘在洱海一帶有記載以來,主要功能為灌溉功能,村民也有在自家田地中挖坑取塘來作為旱季儲水用的傳統,1983年,海西區域完成分田下戶,為了滿足農耕用水需要,海西區域修建了數條提水灌溉管道,并在洱海口配備有泵站,這套灌溉系統被稱為“萬畝站”,自此,村民耕種灌溉用水從以往大多使用坑塘水變成使用萬畝站從洱海抽水灌溉,坑塘的灌溉功能下降,也使得一部分農田里村民用來儲水的灌溉小型坑塘消失,80年代-90年代坑塘數量進一步減少。

3.3.4 環保理念與政策的變化 1996年和2003年,洱海遭遇兩次大面積藍藻暴發,大理白族自治州由此決心開始進行洱海治理,建設了一大批環湖生態修復工程,其中濕地建設是重點,2003年-2012年,環洱海一帶修建了13個生態濕地,面積共一萬多畝。2015年,大理啟動多塘系統建設,計劃到2017年,大理市將在洱海沿湖各個鄉鎮建成380個庫塘。2018年,大理市成立洱海生態環境“三線”劃定指揮部,正式啟動環洱海廊道建設工程,洱海岸線100米內被劃為廊道區域,廊道里規劃建設了大量坑塘。因此,1999年-2019年間雖然在城鎮化發展,坑塘被填埋占用加速的大背景下,海西區域總體坑塘數量卻大規模增長,特別是2015年以后,大量的人工生態庫塘和洱海生態廊道的調蓄坑塘修建,使得這一時期的坑塘數量幾乎增長了一倍。

4 結論與討論

4.1 結論 2019年,大理洱海海西區域坑塘共有365個,總面積5171畝,坑塘平均面積達到9685平方米。從分布上看,坑塘也是主要分布在靠近洱海一側的農業帶上.1967年-2019年近五十年間,坑塘數量先減少后增多,總面積也是先減少后增多。坑塘平均面積呈先增大后減小再增大的趨勢。坑塘數量和面積再上世紀減少的主要原因在于農業發展所進行的圍墾,占用；城鎮發展以及人口增長帶來的村落擴張造成坑塘填埋進行建筑修建；灌溉方式的改變是一些用來蓄水灌溉的小型坑塘減少的主要原因；2000世紀以后,坑塘的數量出現大幅度增長的主要原因是在于洱海治理所帶來的環保理念改變,這一時期修建了大量的人工生態坑塘和調蓄坑塘,特別是2015年以后增長的數量最多。

4.2 討論 通過遙感影像對坑塘歷史分布變化進行研究,能夠得到較為精確的坑塘歷史變化數據,然而由于坑塘是一個小型的生態系統,因此,對于坑塘中的動植物等研究依舊需要結合現場踏勘等其他研究方法。從空間尺度上對坑塘變化進行研究,并分析背后的成因,這對未來該區域生態治理和修復措施的指定提供理論依據和指導。

由本文可以看出,近五十年來,坑塘系統的變化發展主要還是受人類活動的影響,而人工坑塘數量近年來大幅增加對該地區的生態治理的影響,坑塘功能的轉變對維持坑塘系統的可持續發展的影響,以及坑塘系統在城鎮快速發展人地矛盾加劇的大背景下擔任什么角色等等一系列問題都還有待研究。