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(tài)系統(tǒng)之一，被稱為“景觀的腎臟”。濕地因其具有儲存洪水、保護(hù)海岸線、改善水質(zhì)和補(bǔ)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(qū)的濕地面積是維持農(nóng)業(yè)和綠洲生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在過去幾十年中，氣候變化和人類活動導(dǎo)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(fā)現(xiàn)和理解濕地變化提供了新的資料。地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)是監(jiān)測當(dāng)前濕地分布區(qū)域和時空動態(tài)變化的基本工具。GIS還可以作為預(yù)測和分析濕地變化及其變化原因的工具。有必要監(jiān)測和評估濕地的變化，以保護(hù)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了遙感濕地影響數(shù)據(jù)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(zhuǎn)移概率矩陣，以預(yù)測邯鄲市未來濕地的變化趨勢。

1 研究區(qū)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(yè)城市，鋼鐵生產(chǎn)在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。邯鄲屬典型的季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱潮濕，冬季寒冷干燥。

2 數(shù)據(jù)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(qū)。遙感圖像中研究區(qū)域范圍采用矢量邊界進(jìn)行裁切以進(jìn)行分類。根據(jù)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(jù)在遙感影像中顯示的形狀、大小、色調(diào)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(tài)：S={s0,s1,s2,…,sr}，馬爾科夫過程從這些狀態(tài)之一開始，從一個狀態(tài)連續(xù)移動到另一狀態(tài)，每個移動稱為一個步長。如果鏈處于si狀態(tài)，則其將以pij的概率移動到下一狀態(tài)sj，其概率不取決于鏈在當(dāng)前狀態(tài)之前所處的狀態(tài)，上述概率稱為過渡概率。該過程也可以保持其所處的狀態(tài)，并且發(fā)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(tài)。通常其通過將特定狀態(tài)指定為開始狀態(tài)來進(jìn)行的鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)移[5]。

3.2 轉(zhuǎn)移概率矩陣

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

(1)

式中：pij為濕地類型從i到j(luò)的轉(zhuǎn)變概率。

根據(jù)馬爾可夫隨機(jī)過程理論，本文采用初始狀態(tài)下的概率矩陣來計(jì)算從初始狀態(tài)到第n個狀態(tài)(包括穩(wěn)定狀態(tài))的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率[8]。第n個狀態(tài)的馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率計(jì)算公式如下：

(2)

式中：m為轉(zhuǎn)移概率矩陣的行數(shù)或列數(shù)。

第n個轉(zhuǎn)移概率矩陣等于第一個轉(zhuǎn)移概率矩陣的n次方。

3.3 馬爾可夫預(yù)測模型

根據(jù)初始S(0)矩陣和第n階段的轉(zhuǎn)移概率P(n)，本文采用MATLAB模擬計(jì)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(jì)算方法如下：

S(n)=S(n-1)×P(1)=S(0)×P(n)

(3)

4 模型的應(yīng)用

4.1 初始狀態(tài)

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

(4)

4.2 轉(zhuǎn)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(shè)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(jìn)行重疊，并提取了疊加圖像中的相應(yīng)屬性。獲得了2001年～2009年初始狀態(tài)的濕地類型區(qū)域轉(zhuǎn)換矩陣見表1。計(jì)算了2001年～2009年的初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率矩陣(N=0時)見表2。

表1 2001年～2009年濕地類型區(qū)域轉(zhuǎn)換矩陣

表2 2001年～2009年初始狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jì)算出未來濕地分布的變化趨勢。其濕地面積的預(yù)測值見表3。

表3 馬爾可夫鏈預(yù)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(qū)域?qū)⒈３址€(wěn)定狀態(tài)。2130年后所有濕地類型和非濕地分布區(qū)域?qū)⒈３址€(wěn)定。

5 結(jié)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(shí)際值來檢驗(yàn)馬爾科夫預(yù)測模型的模擬精度。其模擬結(jié)果見表4，可以看出：模擬值與真實(shí)值的相關(guān)性為0.992。濕地變化趨勢與21世紀(jì)初和20世紀(jì)末的變化是一致的。模擬結(jié)果與實(shí)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(zhuǎn)移矩陣建立馬爾可夫鏈的轉(zhuǎn)移概率矩陣，并預(yù)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(jié)果

根據(jù)馬爾可夫模型預(yù)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(qū)將基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。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(tài)的350.66開始(2001年)，穩(wěn)定狀態(tài)下達(dá)到634.891 km2，模擬結(jié)果見表5。

表5 邯鄲平原濕地初始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)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(fā)量的增加，導(dǎo)致邯鄲平原的氣候變得更干燥。因此，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的環(huán)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(shù)據(jù)計(jì)算了邯鄲平原的地表濕度指數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：地球表面的濕潤指數(shù)呈下降變化趨勢，導(dǎo)致表面變干。自然濕地分布區(qū)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(jīng)濟(jì)發(fā)展均導(dǎo)致用水量的增加，導(dǎo)致地下水位下降。此外，人口增加導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的增加；當(dāng)?shù)鼐用衽鸥闪撕匆詳U(kuò)大耕地面積。在干旱和半干旱地區(qū)，淺層地下水位很容易引起土壤鹽堿化。自20世紀(jì)50年代以來，湖泊水已排干以控制土壤鹽堿化，這導(dǎo)致自然濕地的一些損失。當(dāng)?shù)鼐用駥ψ匀粷竦乇Ｗo(hù)的必要性也缺乏了解，與其他形式的農(nóng)業(yè)相比，水稻種植獲得的經(jīng)濟(jì)利益更大。因此，一些濕地和泄洪區(qū)的土地被開墾成池塘和稻田。這些地區(qū)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(jìn)一步萎縮。

5.3 水資源利用

為了確保邯鄲平原濕地可持續(xù)發(fā)展，必須合理利用水資源和優(yōu)化水資源配置。我國傳統(tǒng)的水管理僅考慮了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們?nèi)粘Ｉ钪g的水分配，卻忽略了維持生態(tài)系統(tǒng)功能所需的水。邯鄲平原每年用水量為40億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量占95%，工業(yè)用水和生活用水占4%。剩下不到1%的濕地系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。當(dāng)降雨量少于200 mm時，這種水資源分配很危險(xiǎn)。此外，這種用水分布表明，邯鄲平原區(qū)需要更加重視環(huán)境保護(hù)。

6 結(jié)論

根據(jù)2016年邯鄲平原濕地類型分布面積的實(shí)際值與預(yù)測值之間的轉(zhuǎn)換率，確定了馬爾可夫過程模擬的轉(zhuǎn)換概率。研究結(jié)果表明，利用遙感(RS)和GIS技術(shù)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(yù)測結(jié)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?xiàng)l件，濕地分布區(qū)域?qū)⒃诖蠹s100 a內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)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(qū)變化的主要原因。