丹江口水庫消落帶土地利用現(xiàn)狀調(diào)查及特點分析

葉 松，譚德寶，張 煜

(1.華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074；2. 長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

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丹江口水庫消落帶土地利用現(xiàn)狀調(diào)查及特點分析

葉 松1,2，譚德寶2，張 煜2

(1.華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074；2. 長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

為分析丹江口庫區(qū)消落帶土地利用空間格局及土地資源特點，基于2013年丹江口水庫調(diào)水前無人機采集的庫區(qū)0.5 m數(shù)字正射影像，對庫區(qū)蓄水前的土地利用現(xiàn)狀進行遙感監(jiān)測。結(jié)合行政區(qū)劃圖和1∶50 000數(shù)字高程模型提取的150，160，163.5，170 m水位淹沒線、坡度圖，采用空間分析與地理統(tǒng)計方法，研究了丹江口庫區(qū)調(diào)水前的土地利用現(xiàn)狀特點。結(jié)果表明：150～160 m，160～170 m消落帶面積分別為227.1 km2，194.3 km2；消落帶主要分布在淅川、丹江口、鄖縣；耕地是消落帶區(qū)域內(nèi)最主要的用地形式，且主要分布在淅川。監(jiān)測結(jié)果為丹江口庫區(qū)消落帶管理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

丹江口水庫；消落帶；土地利用；空間統(tǒng)計分析；無人機遙感

1 研究背景

消落帶(Water-Level-Fluctuating Zone)指水庫由于季節(jié)性水位消漲和周期性蓄水在最高水位線與最低水位線之間形成的消漲區(qū)域，是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域[1]，是生態(tài)脆弱的敏感帶和易污染、易破壞帶[2]。隨著三峽工程建設(shè)運行，消落帶的管理逐漸引起重視。國內(nèi)外學(xué)者開展了水庫消落帶的生態(tài)環(huán)境、土地利用、土壤環(huán)境和生態(tài)重建等方面的試驗和研究，并取得一定進展[3-9]。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線水源工程的水源地，輸水安全對庫區(qū)消落帶管理提出了更高要求。2013年5—6月份，長江科學(xué)院利用無人機低空遙感技術(shù)獲取了丹江口庫區(qū)0.5 m高分辨率遙感影像，共計2 300km2有余，覆蓋整個丹江口水庫。以無人機遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，采用目視判讀結(jié)合現(xiàn)場樣本調(diào)查，解譯獲取了丹江口庫區(qū)140～176.6 m土地利用與土地覆被基本特征情況，結(jié)合1∶50 000數(shù)字高程模型和行政區(qū)劃圖，分析了庫區(qū)消落帶空間格局及土地資源特點。研究結(jié)果對水庫調(diào)水運行后消落帶土地資源開發(fā)利用及水源地水環(huán)境保護具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線工程水源地為漢江中上游的丹江口水庫，主要向輸水沿線的河南、河北、北京、天津4省市的20多座大中型城市提供生活和生產(chǎn)用水。丹江口水庫位于漢江中上游，由1973年建成的丹江口大壩下閘蓄水后形成，橫跨鄂、豫2省，由漢江庫區(qū)和丹江庫區(qū)組成。丹江口水庫多年平均入庫水量為394.8億m3，水源來自于漢江和丹江。

3 研究方法及數(shù)據(jù)源

3.1 研究方法

基于1∶50 000的數(shù)字高程模型提取丹江口水庫特征淹沒線，結(jié)合庫區(qū)行政區(qū)劃矢量地圖，套合高分辨率無人機遙感影像，采用人工目視解譯方法，獲取了庫區(qū)消落帶土地利用與土地覆被現(xiàn)狀，利用空間分析與地理統(tǒng)計方法，研究丹江口庫區(qū)消落帶土地資源特征與空間格局。主要技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 主要技術(shù)流程

3.2 數(shù)據(jù)來源

無人機遙感影像采用2013年丹江口水庫汛前航拍數(shù)據(jù)，比例尺為1∶5 000，像素分辨率0.5 m。平面基準(zhǔn)采用高斯-克呂格投影，中央經(jīng)線111°，3°分帶。行政區(qū)劃及1∶50 000的DEM從測繪行政主管部門獲取。

3.3 數(shù)據(jù)處理與信息提取

3.3.1 高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

高分辨率無人機正射影像采用了西安80直角坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)。因歷史原因，長江流域高程系統(tǒng)普遍采用吳淞高程基準(zhǔn)[10]，二者高程系統(tǒng)不統(tǒng)一，必須通過水準(zhǔn)聯(lián)測計算轉(zhuǎn)換參數(shù)進行高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在精度要求在dm級下時，筆者采用文獻[10]的轉(zhuǎn)換參數(shù)，四舍五入，取常數(shù)1.7 m，則1985國家高程基準(zhǔn)與吳淞高程在丹江口庫區(qū)近似轉(zhuǎn)換關(guān)系見式(1)。

(1)

式中：H1985國家為1985年國家基準(zhǔn)高程值;H吳淞為基于吳淞零點高程值。

3.3.2 不同水位淹沒線提取

基于1∶50 000的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過高程系轉(zhuǎn)換后，分別提取150，160，163.5，170 m等高線，建立等高線拓撲關(guān)系，構(gòu)建閉合圖斑，并設(shè)定閾值刪除破碎的面片，填補缺失圖斑，獲得了不同水位線下的淹沒面。利用150，160 m和160，170 m水位高程的淹沒線建立消落帶面狀數(shù)據(jù)，經(jīng)過拓撲檢查后形成了150～160 m消落帶和160～170 m消落帶矢量數(shù)據(jù)。

3.3.3 土地利用與土地覆被遙感解譯

土地利用與土地覆被遙感解譯可采用商業(yè)軟件如eCongnition軟件進行面向?qū)ο蟮淖詣咏庾g，文獻[11]即采用該方法?？紤]到影像精度和地面復(fù)雜情況，使用人工目視判讀為主的遙感地表覆蓋解譯方法，在解譯的過程中，綜合參考了庫區(qū)相關(guān)的其它數(shù)據(jù)源，以提高判讀的精度。參照《地理國情普查數(shù)據(jù)規(guī)定與采集要求》(GDPJ 03—2013)，土地利用與土地覆被一共劃分為7類，各類特征見表1。

表1 土地利用與土地覆被特征

4 結(jié)果與討論

4.1 水庫與消落區(qū)面積

根據(jù)DEM提取150，160，163.5，170 m水位淹沒線，將水庫中心的島嶼面積計入統(tǒng)計結(jié)果，其水庫面積分別是590.7，820.5，896.7，1 025.7 km2，水庫面積與水位高程呈線性關(guān)系，見圖2。擬合公式為y=21.854x-2 682.3，R2=0.998 5。其中170 m水庫面積與文獻[12]的1 050 km2接近，相差2.31%。

圖2 水庫面積-水位關(guān)系Fig.2 Correlation between water level and reservoir area

同理，計算150～160 m消落帶面積為227.1 km2，與文獻[11]結(jié)果基本一致;而160～170 m消落帶面積是194.3 km2，與文獻[11]的統(tǒng)計值242.6 km2差距較大。

4.2 消落帶土地利用特點

4.2.1 坡度分區(qū)統(tǒng)計

圖3為丹江口水庫坡度分區(qū)概況，表2為丹江口庫區(qū)消落帶坡度分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果。

從圖3及表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出：

(1) 在整個消落區(qū)范圍內(nèi)，大約80%區(qū)域為坡度<15°的緩坡或平地區(qū)域。隨著水位高程抬升(160～170 m)平地面積減少，陡坡面積增大，>15°的消落區(qū)集中在漢江庫區(qū)一側(cè)。

(2) 在150～160 m消落帶，坡度<2°的土地利用與土地覆蓋面積共計105.64 km2，接近總面積的一半，其中湖北、河南2地各占一半；坡度<15°的面積為193.43 km2，約占總面積的85%；>15°的消落帶面積為34.51 km2，約占總面積的15%。

(3) 在160～170 m消落帶范圍內(nèi)，約80%為坡度<15°的緩坡或平原區(qū)域。坡度<2°面積共計50.79 km2，占比超過25%；坡度<15°總面積152.28 km2，約占總面積的78.4%；>15°的消落帶面積為41.96 km2，約占總面積的21.6%。

丹江口庫區(qū)消落帶形成后，庫區(qū)水位會發(fā)生周期性漲落，當(dāng)水位上升到170 m時，由于漢庫庫岸坡 度大，土體隨著水位上升浸泡水中，受到水的浸潤作用加上長期的水流沖刷作用，極有可能誘發(fā)滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

圖3 丹江口庫區(qū)坡度分區(qū)

坡度/(°)不同高程下各區(qū)土地利用與土地覆被面積/km2150～160m160～170m湖北河南湖北河南[0,2)52.9452.7014.0836.71[2,6)22.6813.3818.2331.17[6,15)38.9212.8134.6017.49[15,25)22.366.3024.635.52[25,90]4.661.1910.161.65小計141.5786.39101.7092.54合計227.96194.24

4.2.2 消落帶土地利用現(xiàn)狀

表3為丹江口庫區(qū)消落帶土地利用分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果。從表3可看出，150～160 m消落帶主要土地利用與土地覆被分別是耕地、草地、林地；160～170 m消落帶主要土地利用與土地覆被分別是耕地、草地、林地。由此可見，耕地是消落帶最主要的土地覆被類型，隨著水位抬升到170 m，淹沒的林地面積逐漸增大，最大占比近20%。草地面積比重較大，分析原因可能是人工目視解譯錯誤，現(xiàn)場核查時有紕漏，導(dǎo)致誤判；此外，從影像看不出明顯的耕作溝壑，疑似拋荒地，也被判讀為草地。

丹江口庫區(qū)消落帶分布在湖北省丹江口市、鄖縣、十堰張灣區(qū)以及河南省淅川縣，且湖北省總面積大于河南省。從分區(qū)統(tǒng)計看，在150～160 m消落帶區(qū)域，耕地主要分布在淅川，占消落區(qū)耕地面積72.5%；林地從多到少依次為丹江口市、鄖縣、淅川。在160～170 m消落帶中耕地占比為71.1%。

表3 丹江口庫區(qū)消落帶土地利用分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)論與建議

(1) 丹江口水庫面積與水位高程呈線性關(guān)系，擬合公式為y=21.854x-2 682.3，R2=0.998 5。其中170 m水位時水庫面積為1 025 km2。

(2) 丹江口庫區(qū)150～160 m，160～170 m消落帶面積分別為227.1 km2，194.3 km2。與表2和表3統(tǒng)計的數(shù)據(jù)并不一致，究其原因，一是統(tǒng)計誤差；二是各圖斑空間拓撲關(guān)系不正確導(dǎo)致裂縫、壓蓋，使得統(tǒng)計結(jié)果有誤差。

(3) 本次丹江口庫區(qū)消落帶土地利用與土地覆被現(xiàn)狀調(diào)查以無人機亞米級數(shù)碼影像結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查方式完成，由于影像分辨率顯著提高，調(diào)查結(jié)果的可信度更高。但采用的仍然是內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔，每一個圖斑的判讀存在歧義性，而外業(yè)工作又無法逐一核實。而2014年啟動的第1次全國地理國情普查工作對外業(yè)調(diào)查工作更加全面具體，為此可利用基于地理國情普查數(shù)據(jù)對現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果進行復(fù)核。

(4) 從調(diào)查結(jié)果看，消落帶范圍內(nèi)存在大量耕地、園地，并且集中在丹江口庫區(qū)內(nèi)，離陶岔渠首距離近，當(dāng)庫區(qū)移民自發(fā)利用消落帶的土地資源時，無序的耕作種植極易導(dǎo)致水源地面源污染，對陶岔取水口的水質(zhì)構(gòu)成了威脅。為此，建議行政主管部門盡快出臺消落帶土地資源利用管理辦法，建立庫區(qū)土地開發(fā)利用模式，引導(dǎo)庫區(qū)移民合理有序利用土地資源，減少面源污染。

(5) 根據(jù)丹江口水庫調(diào)度規(guī)則，可計算消落帶各地塊淹沒及出露時間。結(jié)合丹江口水庫壩前多年的實測水位，進而得到精細化的土地資源使用辦法。

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(編輯：黃 玲)

Investigation and Analysis on the Characteristics of Land-useStatus of Danjiangkou Water Level Fluctuating Zone

YE Song1,2,TAN De-bao2, ZHANG Yu2

(1.School of Hydropower & Information Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China;2. Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

To analyze the spatial pattern of land-use and characteristics of land resources in Danjiangkou water-level-fluctuating zone, land-use status quo is monitored through remote sensing based on 0.5 m Digital Orthphoto Map in the reservoir area acquired through unmanned aerial vehicle by 2013 before impoundment of the reservoir area. Moreover, the characteristics of land-use status are studied using spatial analysis and geostatistical methods in association with administrative map, slope map and 150 m, 160 m, 163.5 m, 170m water flooding lines extracted from 1∶50 000 Digital Elevation Model. Results show that the areas of water-level-fluctuating zone are 227.1 km2and 194.3 km2at elevation 150-160 m and 160-170 m, respectively. Water-level-fluctuating zones are mainly distributed in Xichuan, Danjiangkou and Yunxian County. Arable land is the main land form in the fluctuating zone and is mainly distributed in Xichuan. The monitoring results provide a data basis for the management of Danjiangkou water-level-fluctuating zone.

Danjiangkou Reservoir;water-level-fluctuating zone; land-use; spatial and geostatistical analysis;UAV remote sensing

2016-09-01

丹江口庫區(qū)環(huán)境保護科研項目(CKSK2013455/KJ)；云南省省級水資源費項目(CKSK2015720/KJ)；云南省水利重大科技項目(CKSK2015852/KJ)

葉 松(1981-)，男，湖北英山人，高級工程師，博士研究生，主要研究方向為3S技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用，(電話)027-82828995(電子信箱)cjwyesong@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160896

2016,33(11):17-20

TV697.4

A

1001-5485(2016)11-0017-04