蘇子河流域土地利用變化對(duì)大伙房水庫水量的影響

摘要：土地利用變化影響著地表徑流，分析其變化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)力有利于實(shí)現(xiàn)土地資源與水資源的合理利用.本研究以大伙房水庫上游蘇子河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣分析法、相關(guān)分析法等分析方法，評(píng)估了氣候因素、人為因素及土地利用變化對(duì)大伙房水庫水量的影響，并主要從土地利用角度進(jìn)行了分析，探討水庫水域面積增加的原因.結(jié)果表明：２０００—２０２０年，水庫水域面積呈逐年增加趨勢，流域內(nèi)最主要的兩種土地利用變化為林地面積增加、農(nóng)田面積減少，且兩者均對(duì)流域產(chǎn)水量起到正效應(yīng);同時(shí)，氣候因素的變化也對(duì)水庫水量的增加起到正效應(yīng).

關(guān)鍵詞：土地利用;轉(zhuǎn)移矩陣;相關(guān)分析;水量;驅(qū)動(dòng)力;大伙房水庫;蘇子河流域

doi：１０．１３２７８/j．cnki．jjuese．２０２２００６６ 中圖分類號(hào)：P２３７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

０ 引言

流域徑流量同時(shí)受到自然因素和人為因素的影響.氣溫和降水的時(shí)空變化影響著徑流的分布和徑流量的多少[１].人為因素如水利工程、生產(chǎn)生活用水、土地利用等都會(huì)對(duì)徑流過程和徑流量產(chǎn)生不同程度的影響，其中不同土地利用方式下墊面的狀況不同，對(duì)降水的截留、下滲及蒸騰作用不同[２].而流域徑流量的多少直接影響了水庫的入庫徑流，所以分析自然因素與人為因素對(duì)徑流量的影響至關(guān)重要.

分析徑流特征的方法主要分為３類：第一類為統(tǒng)計(jì)分析法，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)水文氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬和預(yù)測徑流量并分析其特征.Li等[３]基于MenＧKendall算法預(yù)測分析了年徑流量的變化.李鴻雁等[４]基于降水資料和徑流資料分析了嫩江流域徑流的演變規(guī)律.王琪等[５]基于主成分分析和Logistic方程多元回歸方法，建立了大伙房水庫徑流中長期預(yù)報(bào)模型.游海林[６]使用主成分分析、小波分析等技術(shù)對(duì)大伙房水庫年徑流量進(jìn)行了預(yù)測.第二類為實(shí)驗(yàn)法，通過實(shí)驗(yàn)探究土地利用變化對(duì)流域徑流量的影響.Tuteja等[７]的研究表明增加流域種植密度會(huì)減少流域徑流.曹艷杰[８]對(duì)松花江流域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，河川徑流量隨著流域內(nèi)森林覆蓋率的增加而增加.馬雪華[９]對(duì)岷江上游流域的研究發(fā)現(xiàn)森林覆蓋度的降低，導(dǎo)致流域徑流量顯著減少.第三類為模型法，通過模型模擬水文過程，分析氣候與土地利用對(duì)徑流量的影響.Li等[１０]基于水文模型模擬了氣候和土地利用變化對(duì)徑流的影響.李鴻雁等[１１]基于SIMHYD模型模擬了松花江流域的徑流并分析了模型的適用性.傅春等[１２]基于SWAT（soilandwaterassessmenttool）模型定量分析了撫河流域徑流對(duì)土地利用變化的時(shí)空響應(yīng).黃俊雄等[１３]基于水量平衡模型定量分析了土地利用與氣候變化對(duì)密云水庫來水量變化的影響.

蘇子河流域在遼寧省占有重要的位置，流域內(nèi)不僅有豐富的森林資源，該流域還對(duì)大伙房水庫的水源涵養(yǎng)起著舉足輕重的作用，流域內(nèi)土地利用的變化影響著流域產(chǎn)水量的多少.欒經(jīng)黎等[１４]發(fā)現(xiàn)大伙房水庫徑流的年際變化劇烈，豐枯年間水量相差較大.氣候變化及人類活動(dòng)影響了水庫上游流域徑流的變化，進(jìn)而影響了水庫入庫徑流.欒繼虹等[１５]發(fā)現(xiàn)大伙房水庫１９５９—２００５年的徑流量年際變化穩(wěn)定，入庫徑流減少，但未分析其原因.劉偉等[１６]對(duì)大伙房水庫１９５９—２０１１ 年的入庫徑流年際、年內(nèi)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并分析探討影響大伙房水庫入庫徑流的影響因素.本研究基于遙感手段，主要從土地利用角度分析了蘇子河流域２０a間土地利用變化對(duì)大伙房水庫水量的影響.借助分類軟件eCognition８．７和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS１０．５、ENVI （the environment for visualizingimages）５．３對(duì)蘇子河流域２０００、２０１０、２０２０年３個(gè)時(shí)相的Landsat遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從時(shí)間序列上探討了蘇子河流域２０a來的土地利用和覆被變化的動(dòng)態(tài)情況.運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣分析法、相關(guān)分析法等分析方法，對(duì)大伙房水庫水域面積在時(shí)間尺度上的變化特征與蘇子河流域的土地利用變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析，以揭示兩者之間的關(guān)系，為流域的土地利用規(guī)劃和水資源管理提供參考.

１ 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

１．１ 研究區(qū)概況

新賓滿族自治縣境內(nèi)的蘇子河是大伙房水庫上游一級(jí)子流域之一，位于１２４°２０′００″E—１２５°１６′００″E、４１°３２′００″N—４１°５６′００″N（圖１）. 主河道全長１１９km，流域面積２１６０km２，占全縣總面積的４８．６％;年平均徑流量為５．１９億m３.

１．２ 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)源采用２０００ 年６ 月和２０１０ 年６ 月的Landsat ５TM（thematicmapper）數(shù)據(jù)以及２０２０年６ 月的Landsat ８ OLI（operationallandimager）數(shù)據(jù)，分辨率均為３０m.

２ 研究方法

２．１ 數(shù)據(jù)處理

在ENVI軟件中對(duì)蘇子河流域３個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后，借助研究區(qū)矢量邊界對(duì)３期影像進(jìn)行裁剪，將研究區(qū)分為農(nóng)田、林地、河流、居民地、道路５類土地利用類型.對(duì)預(yù)處理后的影像在eCognition中進(jìn)行最近鄰法監(jiān)督分類，并在eCognition中加入實(shí)測的２００個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，３ 個(gè)年份的總體分類精度分別為８５．４６％，８８．９７％，８６．３１％，Kappa系數(shù)分別為０．８５，０．８６，０．８３，可認(rèn)為分類精度較好.

２．２ 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[１７]能夠反映土地利用的結(jié)構(gòu)特征和各類型間的轉(zhuǎn)化情況，揭示各類型的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出信息，其表達(dá)形式如下：

２．３ 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度[１８]能夠反映土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化程度，包括單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度.單一土地利用動(dòng)態(tài)度可以表達(dá)特定區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的變化情況，表達(dá)式如下：

２．４ 相關(guān)分析方法

相關(guān)分析是描述兩個(gè)或多個(gè)隨機(jī)變量間相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法[１９２１]，兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度通過相關(guān)系數(shù)r 來表示，r ?[－１，１].兩變量呈正相關(guān)時(shí)，r ?（０，１];呈負(fù)相關(guān)時(shí)，r ?[－１，０）.對(duì)于兩個(gè)變量X 和Y，它們之間的相關(guān)系數(shù)表示為

３ 結(jié)果與分析

３．１ 土地利用面積變化

根據(jù)eCognition監(jiān)督分類的結(jié)果，結(jié)合ArcGIS的疊加分析功能繪制蘇子河流域３期土地利用變化情況圖（圖２），并對(duì)土地利用面積變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表１）.結(jié)合表１和圖２可知：２０a間，蘇子河流域土地利用類型以林地和農(nóng)田為主，共占流域總面積的８０％以上，居民地面積約占流域總面積的２％;林地、居民地面積分別增長了１６０．３２和１９．５７km２;農(nóng)田、道路、河流的面積減少量分別為１６８．７８、１０．３６、０．８３km２.蘇子河流域的土地利用類型變化較為明顯，２０００—２０１０年，土地面積有所增長的類型按降序排列是林地＞居民地，土地面積減少的類型按降序排列是農(nóng)田＞道路＞河流;２０１０—２０２０年，土地面積有所增長的類型按降序排列是林地＞居民地＞河流，土地面積減少的類型按降序排列是農(nóng)田＞道路.兩個(gè)時(shí)期的變化總體趨勢一致.２０a間流域內(nèi)最主要的兩種土地利用變化類型為林地與農(nóng)田.

３．２ 轉(zhuǎn)移矩陣

分別計(jì)算３ 個(gè)年份的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以２０００—２０２０年的轉(zhuǎn)移矩陣（表２）為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.轉(zhuǎn)移矩陣中對(duì)角線上的數(shù)字代表各類土地利用類型未發(fā)生變化的面積，其余表格中數(shù)字越大，則代表轉(zhuǎn)化為該類型面積越多.由表２可知，近２０a間退耕還林是土地轉(zhuǎn)移的主要方向.

通過分析轉(zhuǎn)移矩陣可以得到同一地區(qū)不同時(shí)相的土地覆蓋現(xiàn)狀的變化關(guān)系，還可以了解土地利用變化總的變化趨勢和土地利用結(jié)構(gòu)的變化.

３．３ 流域土地利用動(dòng)態(tài)度

蘇子河流域土地利用動(dòng)態(tài)度如表３所示.通過表３可知：蘇子河流域近２０a間除河流變化趨于平穩(wěn)外，其他地物均有變化，居民地面積呈上升趨勢，林地面積也呈上升趨勢，農(nóng)田面積呈現(xiàn)減少趨勢，道路面積也呈現(xiàn)減少趨勢.

土地利用動(dòng)態(tài)度真實(shí)反映了特定區(qū)域土地利用/覆蓋中土地利用類型的變化劇烈程度，與轉(zhuǎn)移矩陣反映土地利用結(jié)構(gòu)和變化趨勢互為補(bǔ)充，從兩個(gè)角度反映了土地利用變化的特點(diǎn).

３．４ 水庫水域面積提取

基于水體指數(shù)法提取出２０００年６月、２０１０年６月及２０２０年６月大伙房水庫的水域面積，３年的水庫水域面積分別為３２８．３７，６９７．７０和８５４．９５km２，水庫水域面積呈逐年增加的趨勢，水域面積變化情況如圖３所示.

３．５ 流域土地利用演變及氣候因素與水庫水域面積的相關(guān)性

蘇子河作為大伙房水庫的主要入庫河流之一，流域內(nèi)土地利用的變化會(huì)導(dǎo)致徑流量的變化，進(jìn)而影響流域產(chǎn)水量，故對(duì)水庫水域面積與各類地物的面積進(jìn)行了相關(guān)性分析.結(jié)果表明：林地和居民地與水庫水域面積正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為０．９３和０．８７，且林地與水庫水域面積的相關(guān)系數(shù)最大，說明兩者與水庫水域面積具有強(qiáng)烈的正相關(guān)性;農(nóng)田、河流與水庫水域面積的相關(guān)系數(shù)分別為－０．９２ 和－０．６５，兩者與水庫水域面積呈負(fù)相關(guān).通過相關(guān)分析法將水庫水域面積信息與土地利用變化狀況和氣候變化狀況聯(lián)系起來并進(jìn)行了定量分析，通過相關(guān)系數(shù)描述它們間的關(guān)系.結(jié)果表明，水庫水域面積與土地利用變化狀況和氣候變化狀況均呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為０．６４和０．６７;故氣溫上升和降水量增加也是水庫水域面積增加的可能驅(qū)動(dòng)因素.

３．６ 水庫水域面積變化原因分析

水庫水域面積的變化受到自然因素和人為因素的共同影響.降水是水庫水量增加最為直接的補(bǔ)給水源，降水量增加對(duì)于水庫水量起到正向作用.２０a間平均氣溫升高約１．２ ℃，大氣中可蓄積并傾盆而下的雨水量增加，蒸發(fā)量增加，水循環(huán)加快，降水量隨之也增加.受到氣溫升高、降水量增加的影響，入庫水量增加，水域面積增加，兩者均對(duì)水庫水域面積的增加起到正效應(yīng).植被對(duì)流域內(nèi)的氣候變化有著重要影響，林地面積增加一般使氣流流動(dòng)受阻，可以減少水汽外逃，增加局地水循環(huán)，有助于徑流產(chǎn)生，增加流域產(chǎn)水量.同時(shí)居民地的增加導(dǎo)致不透水層面積的增加，使得地表產(chǎn)水量增加，解釋了林地與居民地面積與水庫水域面積正相關(guān)的計(jì)算結(jié)果.農(nóng)田面積的減少，尤其是水田面積的減少，導(dǎo)致流域的蓄水能力減弱，徑流量增加，流域產(chǎn)水量增加，解釋了農(nóng)田面積的減少對(duì)水庫水域面積增加起到了積極的作用，解釋了其相關(guān)系數(shù)為負(fù)的計(jì)算結(jié)果.為從根本上解決遼寧省多個(gè)城市水資源短缺的問題，國家批復(fù)的大伙房水庫輸水工程于２００９年竣工通水，該工程完成了從遼寧省桓仁滿族自治縣水庫引水至大伙房水庫的輸水任務(wù)，解釋了２０００—２０１０年水庫水域面積大幅度增加的現(xiàn)象.此外，２０a間，政府也在不斷推進(jìn)退耕還林政策的實(shí)施，將很多坡耕地、嚴(yán)重沙化耕地恢復(fù)為林地，解釋了流域內(nèi)主要的土地利用變化是農(nóng)田的減少和林地的增加.由此推斷，退耕還林政策的實(shí)施可能是流域土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因子之一.

４ 結(jié)論與討論

通過對(duì)蘇子河流域３期Landsat影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯與隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證，提取出了蘇子河流域５類土地利用類型的信息和同期大伙房水庫水域面積情況，基于轉(zhuǎn)移矩陣和動(dòng)態(tài)度分析法描述了土地利用變化特征，采用相關(guān)分析法定量描述了自然因素和流域土地利用演變與水庫水域面積的相關(guān)關(guān)系，分析水庫水域面積變化的原因，并得到以下結(jié)論.

１）林地和農(nóng)田是蘇子河流域主要的土地利用類型，２０a間，流域內(nèi)河流面積基本保持不變，林地面積和居民地面積有所增加，農(nóng)田、道路的面積有所減少，土地利用變化主要體現(xiàn)在農(nóng)田轉(zhuǎn)換為林地，大伙房水庫的水域面積呈逐年增加的趨勢.

２）相關(guān)分析結(jié)果表明：林地面積和居民地面積與水庫水域面積呈正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)分別為０．９３和０．８７），且林地與水域面積的相關(guān)性更顯著，農(nóng)田面積與水庫水域面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為－０．９２），且相關(guān)性較顯著.氣溫和降水與水庫水域面積呈正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為０．６７和０．６４）.

３）由相關(guān)分析結(jié)果推測，大伙房水庫水域面積受到自然因素和人為因素的共同影響. 結(jié)合２０００—２０１０年逐年遙感影像與實(shí)際情況分析水庫水域面積變化原因，認(rèn)為大伙房水庫輸水工程的實(shí)施是導(dǎo)致水庫水域面積增加最主要的驅(qū)動(dòng)因素.影響蘇子河流域土地利用變化的因素可能是人口的增長和退耕還林政策的實(shí)施.流域內(nèi)林地面積的增加和農(nóng)田面積的減少是流域內(nèi)最主要的兩種土地利用變化類型，且均對(duì)流域產(chǎn)水量起到正效應(yīng).

參考文獻(xiàn)（References）：

[１] 張利平，李凌程，夏軍，等．氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)對(duì)灤河流域徑流變化的定量影響分析[J]．自然資源學(xué)報(bào)，２０１５，３０（４）：６６４ ６７２．

[２] 張強(qiáng)．淺談土地利用對(duì)水環(huán)境的影響[J]．城市地理，２０１５（１８）：１８０ １８２．

[３] LiH，ZhangY，VazeJ，etal．SeparatingEffectsof Vegetation Change and Climate Variability Using Hydrological Modelling and SensitivityＧBased Approaches[J]．Journalof Hydrology，２０１２，４２０：４０３ ４１８．

[４] 李鴻雁，田琪，王小軍，等．嫩江流域徑流時(shí)空演化規(guī)律分析[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），２０１４，４４（４）：１２８２ １２８９．

[５] 王琪，張亭亭，游海林，等．基于多元回歸分析的大伙房水庫徑流中長期預(yù)報(bào)[J]．水力發(fā)電，２０１４，４０（５）：１７２０．

[６] 游海林．大伙房水庫徑流中長期預(yù)報(bào)方法應(yīng)用研究[D]．大連：遼寧師范大學(xué)，２０１０．

[７] TutejaN K，VazeJ，TengJ，etal．Partitioningthe EffectsofPinePlantationsandClimateVariabilityon Runoff from a Large Catchmentin Southeastern Australia[J]．WaterResourcesResearch，２００７，４３： W０８４１５．

[８] 曹艷杰．松花江流域森林對(duì)河川徑流的影響[D]．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，１９８９．

[９] 馬雪華．四川米亞羅地區(qū)高山冷杉林水文作用的研究[J]．林業(yè)科學(xué)，１９８７（３）：２５３ ２６５．

[１０] LiH Y，Zhang Y Q，VazeJ，etal．Separating EffectsofVegetationChangeandClimateVariability Using Hydrological ModellingandSensitivityＧBased Approaches[J]．JournalofHydrology，２０１２，２７５（１/２/３/４）：４０３ ４１８．

[１１] 李鴻雁，李悅，劉海瓊，等．SIMHYD模型在松花江流域應(yīng)用的適應(yīng)性分析[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），２０１７，４７（５）：１５０２ １５１０．

[１２] 傅春，毛安琪．撫河流域徑流對(duì)土地利用變化時(shí)空響應(yīng)[J]．長江流域資源與環(huán)境，２０２１，３０（２）：３４２ ３５０．

[１３] 黃俊雄，劉兆飛，張航，等．土地利用與氣候變化對(duì)密云水庫來水量變化的影響研究[J]．水文，２０２１，４１（１）：１ ６．

[１４] 欒經(jīng)黎，欒繼虹，楊旭．大伙房水庫徑流系列分析[J]．東北水利水電，２００５（６）：３１ ３２．

[１５] 欒繼虹，王雙銀，楊旭．大伙房水庫入庫徑流特性分析[C]//變化環(huán)境下的水資源響應(yīng)與可持續(xù)利用：中國水利學(xué)會(huì)水資源專業(yè)委員會(huì)２００９學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．大連：大連理工大學(xué)出版社，２００９：１７２ １７７．

[１６] 劉偉，何俊仕，陳楊，等．大伙房水庫入庫徑流演變規(guī)律及驅(qū)動(dòng)力分析[J]．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，２０１５，４６（２）：２５０ ２５５．

[１７] 董瑩，劉德成，高雪媛，等．基于Landsat影像的土地利用變化分析[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，２０２０，２６（７）：１０１１０６．

[１８] 廖慧，舒章康，金君良，等．１９８０—２０１５年黃河流域土地利用變化特征與驅(qū)動(dòng)力[J]．南水北調(diào)與水利科技，２０２１，１９（１）：１２９ １３９．

[１９] 羅東旭，王繼保，鄭霞忠，等．淮河中上游流域土地利用變化與流域徑流量相關(guān)性分析[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），２０２０，４２（５）：１８ ２３．

[２０] 洪梅，林豪棟．CMADS降水?dāng)?shù)據(jù)在溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū)水庫控制流域適用性：以潮白河、東洋河流域?yàn)槔齕J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），２０２１，５１（３）：８３３８４２．

[２１] 劉瀚陽，王博帥，王鳳艷，等．一種基于重疊區(qū)指數(shù)化互相關(guān)和優(yōu)化Dijkstra算法的航攝影像鑲嵌線選取方法[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），２０２２，５２（２）：６６２ ６６８．