河流筑壩對流域和景觀尺度土地利用變化的影響
——以洪家渡水庫為例

符俊杰王 偉李 偉孫君瑤

(1. 西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩 850000; 2. 西藏大學(xué)青藏高原生態(tài)與環(huán)境研究中心，拉薩 850000;3. 中國科學(xué)院武漢植物園水生植物與流域生態(tài)重點實驗室，武漢 430074)

大壩的建設(shè)常用于防洪、灌溉或水利發(fā)電，在帶來經(jīng)濟(jì)和社會效益的同時，也產(chǎn)生了一系列社會和生態(tài)環(huán)境問題. 自20 世紀(jì)以來，關(guān)于筑壩與拆壩的爭論主要集中在移民社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和生態(tài)環(huán)境問題兩個方面，其中生態(tài)環(huán)境問題一直貫穿筑壩始終，主要表現(xiàn)在水物理化學(xué)性質(zhì)變化[1]、泥沙攔截[2]、魚類洄游廊道受阻[3]以及河口演變[4]等多個方面. 此外，水庫攔截大量碳氮物質(zhì)后的溫室氣體排放問題，也引起了越來越多的關(guān)注[5-7]. 自然河流從發(fā)源地到入?？谥g是一個連續(xù)的單位，生物群落、結(jié)構(gòu)特征和功能為一個整體[8]，是連接陸地和海洋物質(zhì)循環(huán)的橋梁. 筑壩打破了這種連續(xù)性: 一是表現(xiàn)在對碳、氮等生源要素物質(zhì)的攔截，泥沙下泄量顯著下降; 二是隨著水體流速減緩，水體生物過程趨向湖泊水體演變，生物過程又會影響水體中碳、氮等生源要素的有機和無機組分組成[9]，而人為調(diào)蓄水量使庫區(qū)具有不同于自然湖泊的特異性[10]. 二者均顯著改變了河流生源要素的物質(zhì)輸送通量. 除此之外，筑壩不僅會改變庫區(qū)周邊土地利用類型和覆蓋，其帶來的移民安置等問題也會改變流域尺度及景觀尺度的區(qū)域土地利用類型和覆蓋. 這些變化又會反作用于流域的植物初級生產(chǎn)力[11-12]、水土侵蝕強度等，從而進(jìn)一步影響流域的產(chǎn)沙輸沙和生源物質(zhì)輸送強度.

已有的對筑壩生態(tài)環(huán)境影響評價方面的研究主要集中在物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化[13-14]、土壤侵蝕產(chǎn)沙[15-16]或生態(tài)評價[17-18]等方面. 筑壩區(qū)域土地利用類型的改變大多被認(rèn)為是水質(zhì)、植被等要素變化的原因[19-20]，鮮少有研究具體涉及到土地利用類型在筑壩前后互相轉(zhuǎn)化的比例. 事實上，這類研究卻更有利于對筑壩帶來的生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行精準(zhǔn)量化評估，為政府制定下一步庫區(qū)生態(tài)保護(hù)規(guī)劃提供理論依據(jù). 此外，筑壩對土地利用的影響多集中于中、大尺度流域[21-22]，從景觀尺度對水庫緩沖區(qū)的研究較少. 本研究以烏江流域洪家渡水庫為例，基于2000 年、2010 年與2020 年的土地利用數(shù)據(jù)，在時間尺度上分為蓄水后第一階段(2000～2010 年)和蓄水后第二階段(2010～2020 年)，從流域尺度和景觀尺度對比了洪家渡水庫在筑壩前后的土地利用變化特征，為筑壩后流域的土地資源管理和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和參考.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

洪家渡水庫位于貴州西北部黔西、織金兩縣交界處的烏江北源六沖河下游，是烏江水電基地11 個梯級電站規(guī)劃中唯一一個對水量具有多年調(diào)節(jié)能力的“龍頭”電站. 水庫電站裝機容量600 MW，保證出力171.5 MW，多年平均發(fā)電量15.94 億kW·h. 洪家渡水庫總庫容49.25 億m3，調(diào)節(jié)庫容33.61 億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫，地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)[23]. 該區(qū)域年降水量為1 100～1 300 mm，雨季為每年的5～10 月，庫區(qū)4 月水位最低，5 月開始上漲，至12 月開始回落. 洪家渡水庫2000 年開工建設(shè)，蓄水時間為2004 年，2005 年主體全部完工并網(wǎng)發(fā)電. 正常蓄水位1 140 m，死水位1 076 m[24]. 洪家渡水庫的流域范圍和高程信息如圖1 所示，流域面積大小為9 858 km2，海拔高度為1 153～2 856 m.

圖1 洪家渡水庫流域地理位置示意圖Fig.1 Location of the catchment of Hongjiadu Reservoir

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選取精度最高的GlobeLand30 土地利用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://wwww.ngcc.cn)，土地利用數(shù)據(jù)分辨率為30 m×30 m. 采用ENVI 5.3對土地利用影像進(jìn)行分類合并，參照《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)的土地利用分類合并為耕地、林地、草地、水體、建筑5 類(研究區(qū)內(nèi)無未利用的土地類型). GlobeLand30 土地利用數(shù)據(jù)包含2000，2010，2020 年三期，結(jié)合洪家渡水庫建成時間為2005 年，在時間尺度上分為蓄水后第一階段(2000～2010 年)和蓄水后第二階段(2010～2020 年)，對研究區(qū)在兩個階段不同尺度范圍內(nèi)的土地利用變化進(jìn)行了分析，其中第一階段反映了筑壩前后土地利用的差異，第二階段反映了建壩完成并平穩(wěn)運行一段時間后水庫對周邊土地利用類型產(chǎn)生的影響.

將研究區(qū)分為流域尺度和景觀尺度. 洪家渡水庫的庫區(qū)范圍和流域面積利用DEM 影像在ArcGIS 10.5 中生成，通過水庫常水位結(jié)合DEM 影像劃分洪家渡水庫庫區(qū)范圍. DEM 數(shù)據(jù)為30 m 的ASTER GDEM v2.0 數(shù)據(jù)，來源為地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn). 洪家渡水庫流域尺度被定義為洪家渡水庫的集水區(qū)，以洪家渡水庫為傾瀉點，在ArcGIS 10.5 中計算洪家渡水庫流域范圍. 景觀尺度為以水庫庫區(qū)邊界構(gòu)建的0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，5～6，6～7，7～8，8～9，9～10 km 共計10 個同心緩沖區(qū).

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是將兩個不同時期的土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)移關(guān)系通過矩陣形式加以統(tǒng)計，反映了土地利用類型的變化特征和各土地利用類型之間的流向，量化了各土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)移狀況. 數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:Sij為i類土地利用類型轉(zhuǎn)移成j類的面積;n為土地利用類型的數(shù)量;i和j分別為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型.

在Envi 5.3 中對蓄水后第一階段和蓄水后第二階段的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到兩個階段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析了2000～2020 年洪家渡水庫不同尺度范圍內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向與特征. 轉(zhuǎn)移矩陣表從上至下為土地利用轉(zhuǎn)移方向，其中轉(zhuǎn)出面積為前一時期某類土地利用類型轉(zhuǎn)移為后一時期其他4 類土地利用類型的面積總和，轉(zhuǎn)入面積為后一時期某類土地利用類型由前一時期其他4 類土地利用類型轉(zhuǎn)移而來的面積總和.

1.3.2 土地利用變化幅度

在分析流域土地利用變化的總體趨勢時，使用土地利用變化幅度來表示不同土地利用類型的變化過程和趨勢，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:Ya，Yb分別為研究區(qū)初期和末期某土地利用類型的面積(km2);Kt為研究期間某土地利用類型的變化幅度. 為從宏觀上把握洪家渡水庫2000～2020 年不同尺度范圍內(nèi)土地利用類型的變化狀況，根據(jù)式(2)對兩個階段以及2000～2020 年土地利用類型的變化幅度進(jìn)行計算.

2 結(jié)果與分析

2.1 洪家渡水庫流域土地利用類型的變化分析

洪家渡水庫流域2000，2010，2020 年的土地利用面積及其占比如表1 所示. 洪家渡水庫流域土地利用類型以耕地、林地和草地為主，面積占比總和大于95%，其中耕地面積占比最大，3 年占比分別為49.33%，48.40%，46.06%. 2000～2020 年耕地面積總體呈持續(xù)下降趨勢，共減少322.31 km2，主要減少在蓄水后第二階段. 林地和草地面積均表現(xiàn)為先增加后減少. 蓄水后第一階段林地面積增加26.53 km2，草地面積增加8.84 km2; 蓄水后第二階段林地面積減少30.17 km2，草地面積減少42.88 km2. 兩個階段的水體和建筑面積呈持續(xù)增加趨勢，其中水體面積增加64.58 km2，主要增加在蓄水后第一階段; 建筑面積增加295.46 km2，主要增加在蓄水后第二階段.

表1 2000～2020 年洪家渡水庫流域土地利用面積和占比Table 1 Areas and proportions of land-use in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

圖2 2000～2020 年洪家渡水庫流域土地利用類型分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of land-use in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

2000～2020 年蓄水后第一階段和蓄水后第二階段的土地利用面積變化幅度如表2 所示.可以看出: 水體的土地利用面積變化幅度最大，高達(dá)5.94; 其次為建筑，變化幅度為5.02. 對比兩個階段可以看到: 蓄水后第一階段變化幅度最大的土地利用類型是水體，為5.10; 蓄水后第二階段變化幅度最大的是建筑，為4.97.

表2 2000～2020 年洪家渡水庫流域土地利用面積變化幅度Table 2 Change rangeability of land-use areas in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

為進(jìn)一步探究蓄水后不同階段土地利用的轉(zhuǎn)移方向和比例，對蓄水后兩個階段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行計算，結(jié)果如表3 和4 所示. 由表3 可知: 蓄水后第一階段減少面積最多的為耕地，有196.69 km2轉(zhuǎn)移為其他土地利用類型; 新增面積最多的為草地，有142.54 km2其他土地利用類型轉(zhuǎn)移為草地; 減少的耕地主要轉(zhuǎn)移為林地(64.13 km2)和草地(98.57 km2); 增加的林地主要來源于耕地; 增加的草地主要來源于耕地; 增加的水體主要來源于耕地(25.03 km2)和草地(33.33 km2); 增加的建筑主要來源于耕地(8.96 km2). 由表4 可知: 蓄水后第二階段減少面積最多的為耕地，有382.16 km2轉(zhuǎn)移為其他土地利用類型; 新增面積最多的為建筑，有298.86 km2其他土地利用類型轉(zhuǎn)移為建筑; 減少的耕地主要轉(zhuǎn)移為建筑(241.60 km2); 減少的林地主要轉(zhuǎn)移為草地(145.00 km2); 減少的草地主要轉(zhuǎn)移為林地(146.93 km2); 增加的水體主要來源于草地(6.09 km2); 增加的建筑主要來源于耕地(241.60 km2). 對比蓄水后的兩個階段可以看出，在洪家渡水庫流域尺度，除水體、建筑外，蓄水后第二階段的耕地、林地、草地轉(zhuǎn)移比例大于第一階段，土地利用類型變化更大.

表3 蓄水后第一階段洪家渡水庫流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land-use conversion matrix in the first stage after impoundment in Hongjiadu Reservoir catchment km2

表4 蓄水后第二階段洪家渡水庫流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land-use conversion matrix in the second stage after impoundment in Hongjiadu Reservoir catchment km2

由圖3 所示的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分布圖可知: 蓄水后第一階段的土地利用變化集中在庫區(qū)附近(見圖3(a))，蓄水后第二階段的土地利用轉(zhuǎn)移分布則較為分散(見圖3(b)). 為驗證是否是筑壩因素對庫區(qū)周邊土地利用產(chǎn)生了影響，對庫區(qū)進(jìn)行了0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，5～6，6～7，7～8，8～9，9～10 km 緩沖區(qū)構(gòu)建，并在緩沖區(qū)尺度上對土地利用類型變化進(jìn)行了分析.

圖3 2000～2020 年洪家渡水庫流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分布圖Fig.3 Land-use conversion matrix distributions in Hongjiadu Reservoir catchment from 2000 to 2020

2.2 洪家渡水庫緩沖區(qū)土地利用類型變化分析

由于不同距離緩沖區(qū)本底面積不同，因此為了對比不同尺度范圍內(nèi)的土地利用類型變化，本研究采用土地利用面積比例進(jìn)行分析. 由圖4(a)可見: 在蓄水后第一階段0～10 km 緩沖區(qū)尺度范圍內(nèi)，土地利用類型變化總體表現(xiàn)為耕地面積減少，林地、草地、水體、建筑面積增加，與同階段洪家渡水庫流域尺度的變化保持一致; 耕地與草地面積變化比例最大，其中0～10 km總體范圍內(nèi)耕地面積共計減少27.91%，草地面積共計增加23.44%，耕地與草地在空間尺度上表現(xiàn)出距離庫區(qū)越近，面積變化比例越大的趨勢. 由圖4(b)可見: 在蓄水后第二階段0～10 km緩沖區(qū)尺度范圍內(nèi)，土地利用類型變化總體表現(xiàn)為耕地、林地、草地面積減少，水體和建筑面積增加; 建筑與耕地面積變化比例最大，其中在0～10 km 總體范圍內(nèi)建筑面積增加24.06%，耕地面積減少12.20%; 在6～9 km 范圍內(nèi)，耕地、草地和建筑面積有較大變化.

圖4 2000～2020 年洪家渡水庫0～10 km 緩沖區(qū)土地利用面積變化比例Fig.4 Percentage of land-use change coverage in Hongjiadu Reservoir 0—10 km buffer zone from 2000 to 2020

為描述洪家渡水庫0～10 km 緩沖區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移方向與比例，對緩沖區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行統(tǒng)計，計算土地利用類型轉(zhuǎn)移為其他類型的比例總和，結(jié)果如圖5 所示，可以看出: 蓄水后第一階段0～10 km 緩沖區(qū)范圍內(nèi)水體轉(zhuǎn)移為其他類型的比例總和最高(56.54%)，其次為建筑(18.20%); 在緩沖區(qū)空間尺度上，0～1 km 緩沖區(qū)范圍內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移比例最大，其中水體主要轉(zhuǎn)移為草地，建筑主要轉(zhuǎn)移為耕地; 蓄水后第二階段0～10 km 緩沖區(qū)范圍內(nèi)水體和建筑轉(zhuǎn)移為其他類型的比例下降，分別為11.52%，12.19%，草地轉(zhuǎn)移比例總和最高為15.30%.

圖5 2000～2020 年洪家渡水庫0～10 km 緩沖區(qū)土地利用面積轉(zhuǎn)移比例Fig.5 Percentage of land-use transfer areas in Hongjiadu Reservoir 0—10 km buffer zone from 2000 to 2020

3 討 論

3.1 筑壩在時間尺度上對土地利用變化的影響

2000～2020 年，洪家渡水庫流域土地利用總體表現(xiàn)為耕地面積持續(xù)減少，林地和草地面積先增加后減少，水體和建筑面積增加，這與三峽庫區(qū)1986～2018 年土地利用變化的研究結(jié)果一致[21]，表明洪家渡水庫流域區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值已改變，增加了經(jīng)濟(jì)效益. 劉純軍等[25]對烏江流域2000～2017 年的土地利用變化研究結(jié)果與本研究結(jié)果在林地類型上有差異.2000～2017 年烏江整體流域范圍內(nèi)林地面積比重增加，而洪家渡水庫流域范圍內(nèi)林地面積持續(xù)減少. 烏江流域林地主要分布于高程1 000～1 300 m 梯度，與洪家渡水庫流域不在同一海拔地區(qū)，烏江整體流域與洪家渡水庫流域林地變化差異可能受其他因素影響. 赤水河干流無水電開發(fā)，赤水河流域尺度上2000～2015 年土地利用變化主要表現(xiàn)為草地、耕地減少，林地增加[26]. 增加的林地主要來源于耕地，說明赤水河流域內(nèi)退耕還林還草工程的實施發(fā)揮了重要作用. 地理位置鄰近赤水河流域的洪家渡水庫流域在蓄水后第一階段表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)移為林地和草地，也與退耕還林還草政策相關(guān). 蓄水后第一階段水體面積大幅度增加，增加的水體來源于耕地和草地，與筑壩后水位上升，直接淹沒原有土地形成庫區(qū)的結(jié)果一致. 蓄水后第二階段主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)移為建筑，反映了城市化進(jìn)程的加速.

3.2 筑壩在空間尺度上對土地利用變化的影響

洪家渡水庫流域尺度整體表現(xiàn)為耕地、林地、草地減少，水體和建筑增加. 蓄水后土地利用變化集中于庫區(qū)附近，除去筑壩直接淹沒原有土地形成水體區(qū)域，景觀尺度上0～1 km 緩沖區(qū)尺度的土地利用變化最大，主要為水體與建筑的變化. 水體轉(zhuǎn)移為草地，一是水位波動產(chǎn)生的周期性淹沒區(qū)域. 王業(yè)春等[27]在對三峽庫區(qū)消落帶的研究中發(fā)現(xiàn)，一年生草本植物在消落帶植物物種數(shù)量中的比例高達(dá)72.4%. 二是筑壩后下游徑流量產(chǎn)生變化[28]，河道變窄導(dǎo)致原有河道露出水面后草本植物生長. 0～1 km 緩沖區(qū)的研究結(jié)果表明，筑壩對庫區(qū)0～1 km 緩沖區(qū)的土地利用影響最大. 0～1 km 緩沖區(qū)建筑轉(zhuǎn)移為耕地，主要是由于水庫修建造成的移民，庫區(qū)蓄水淹沒原有農(nóng)村、城鎮(zhèn)，原有居民易址遷建.

4 結(jié)束語

水資源的合理調(diào)度利用以及水力資源開發(fā)是人類社會文明發(fā)展的重要標(biāo)志之一. 洪家渡水庫作為烏江流域干流11 級梯級水電開發(fā)的龍頭水庫，對其筑壩前后的生態(tài)環(huán)境變化研究具有重要意義. 本研究利用GlobeLand30 土地利用數(shù)據(jù)對洪家渡水庫筑壩前后不同階段的土地利用變化進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明: 在流域尺度上，蓄水后第一階段土地利用變化集中在庫區(qū)附近，筑壩后水位上升，大量原有草地和耕地轉(zhuǎn)移為水體; 除水庫直接淹沒區(qū)域外，在景觀尺度上，土地利用變化在0～1 km 緩沖區(qū)范圍最大. 因此，在評估水利設(shè)施的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)時，筑壩初期的庫區(qū)0～1 km 緩沖區(qū)土地利用變化不容忽視.