2000—2018 年焉耆綠洲城市擴(kuò)展特征分析

馬 麗,張 紅

（1. 新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

我國對綠洲城市擴(kuò)張研究較為滯后，僅側(cè)重于發(fā)達(dá)地區(qū)和特大城市，并未深層次剖析城市空間擴(kuò)展形態(tài)特征，缺乏對干旱區(qū)城市空間擴(kuò)展的動態(tài)監(jiān)測。為確保綠洲內(nèi)土地資源的高效利用和與生態(tài)安全，不少綠洲城市空間擴(kuò)展存在潛在風(fēng)險，早期的不合理高速擴(kuò)展為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全帶來挑戰(zhàn)，甚至致使綠洲資源耗費(fèi)至衰竭，綠洲城市的擴(kuò)展應(yīng)該重視空間形態(tài)和擴(kuò)展方式，加強(qiáng)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測，確保區(qū)域生態(tài)安全和資源的合理利用[1-10]。

1 研究區(qū)概況

焉耆盆地位于塔里木盆地東北側(cè)，是在南天山褶皺帶和庫魯塔格褶皺帶上發(fā)育起來的中生代-新生代山間綠洲盆地[11-13]。盆地呈菱形，地勢朝西北-東南方向傾斜延伸，占地面積約8 932.91 km2，盆地內(nèi)所隸屬的縣級城鎮(zhèn)有和靜縣、和碩縣、焉耆縣、博湖縣（圖1）。盆地內(nèi)氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶愿珊禋夂颍鉄彷^充足，年均氣溫為8.5C°，年均降水量為79.8 mm[14]。開都河為盆地內(nèi)最大的河流，流域面積約22 800 km2，盆地內(nèi)注入博斯騰湖的河流有開都河、黃水溝河、清水河、曲惠河、烏什塔拉河等10多條河流。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 研究方法

本文使用2000、2009年的Landsat7 ETM和2018年landsat8 OLI 遙感影像（表1），并對數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、幾何校正、圖像裁剪鑲嵌，結(jié)合1:10萬新疆地形圖以及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2的支持下，對研究區(qū)不同時期的遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，得到2000—2018年焉耆盆地土地利用的數(shù)據(jù)，并對焉耆綠洲城市的擴(kuò)展采用以下指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計：

表1 遙感影像數(shù)據(jù)詳細(xì)信息

1）緊湊度。形態(tài)緊湊度是反映城市空間形態(tài)集中化程度的重要指標(biāo)之一[15]。其公式為：

式中，X、Y分別為城市的面積和周長，若緊湊度趨近于1，表明城市布局較緊閉；小于1 則表示城市結(jié)構(gòu)離散。緊湊值越大，越能反映城市發(fā)展形態(tài)成熟，土地利用率高。

2）分形指數(shù)。城市分形指數(shù)是描述城市斑塊形狀復(fù)雜性的指標(biāo)[16]。其公式為：

式中，X、Y分別為城市的面積和周長；S的理論范圍在1～2 之間。

3）擴(kuò)展速度。擴(kuò)展速度（F）是反映城市空間變化的重要指標(biāo)，可以直觀地反映單位時間內(nèi)城市用地變化的幅度[17]。其表達(dá)式為：

式中，SA，SB為A，B時間所對應(yīng)的城區(qū)面積；T為時間A到B的研究年限。

4）擴(kuò)展強(qiáng)度。擴(kuò)展強(qiáng)度可綜合反映某空間要素在一定時間內(nèi)的城市土地擴(kuò)展面積占土地總面積的百分比[18]，擴(kuò)展強(qiáng)度越大，則其指數(shù)值越大。其表達(dá)式為：

式中，ΔS為某時間段內(nèi)城市用地擴(kuò)展面積（km2）；T為研究時間；S為研究區(qū)總面積?？筛鶕?jù)M值把擴(kuò)展強(qiáng)度分為5個等級，M值在0～0.28范圍內(nèi)，為緩慢擴(kuò)展階段；M值在0.28～0.59 間，為低速擴(kuò)展階段；M值在0.59～1.05 間，代表中速擴(kuò)展階段；M值在1.05～1.90 間，代表快速擴(kuò)展階段。當(dāng)M＞1.90 為高速擴(kuò)展階段[19]。

3 結(jié) 果

3.1 焉耆綠洲建設(shè)用地面積變化特征分析

通過對2000、2009、2018年三期影像監(jiān)督分類，得到了焉耆盆地2000—2018年土地利用信息。結(jié)果表明2000—2009年綠洲內(nèi)建設(shè)用地面積擴(kuò)張了63.469 km2；2009—2018年建設(shè)用地面積增加了44.59 km2。綠洲北部的和靜縣在2000—2009 年建設(shè)用地累積增加了29.44 km2，城鎮(zhèn)主要沿綠洲邊緣向戈壁和裸地不斷外擴(kuò)（圖2），綠洲內(nèi)部的未利用土地也不斷被開發(fā)為建設(shè)用地和耕地，西部的城鎮(zhèn)沿著開都河河岸、烏拉斯臺河沖積扇、莫呼查汗河河岸擴(kuò)展，屬于外部擴(kuò)展內(nèi)部片狀填充發(fā)展模式。2009—2018年和靜縣屬于內(nèi)部點(diǎn)式填充和外部擴(kuò)張模式，主要沿老城區(qū)外緣向北部戈壁灘擴(kuò)展，新擴(kuò)展區(qū)域集中在黃水溝河和開澤支渠周圍，內(nèi)部荒地呈多點(diǎn)式填充發(fā)展。盆地北部的和碩縣城鎮(zhèn)建設(shè)用地整體沿山前沖積扇、清水河、曲惠溝渠、烏什塔拉干渠等南北縱向條帶式擴(kuò)展，2000—2009年和碩縣處于內(nèi)部集中填充和外部擴(kuò)展階段，山前戈壁被大面積開發(fā)為建設(shè)用地和耕地；2009—2018年和碩縣在外擴(kuò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了城市建設(shè)規(guī)劃，城鎮(zhèn)不僅沿河流南北縱向擴(kuò)展而且開始東西橫向擴(kuò)展。2000—2009年焉耆綠洲中部的焉耆縣城鎮(zhèn)用地主要沿著老城區(qū)外緣向西南-東北方向輻射填充擴(kuò)展。2009—2018焉耆縣呈分散式擴(kuò)展，老城區(qū)周圍的耕地不斷轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，西部和南部山前戈壁地被大面積開墾為耕地，除此之外開都河南岸建設(shè)用地面積顯著增加，耕地與建設(shè)用地鑲嵌分布。2000—2009年焉耆綠洲南部的博湖縣擴(kuò)張面積最小，城鎮(zhèn)主要沿著開都河?xùn)|岸向綠洲內(nèi)部橫向擴(kuò)展，在下游則沿著開都河河岸平行式擴(kuò)展。2009—2018 年博湖縣在原有城區(qū)的基礎(chǔ)上縱向擴(kuò)展加深，在開都河左岸和博斯騰湖北岸呈條帶式擴(kuò)展。

圖2 2000—2018年土地利用變化

2000—2009年焉耆綠洲北部城鎮(zhèn)擴(kuò)展速度和強(qiáng)度均高于中部和南部，綠洲北部的和靜縣與和碩縣城鎮(zhèn)面積增加明顯，均呈條帶狀朝山前沖洪積扇和河流縱向擴(kuò)展。2009—2018 年綠洲北部和南部呈均衡態(tài)發(fā)展，北部沿城鎮(zhèn)邊緣出現(xiàn)了橫向擴(kuò)展為主，縱向擴(kuò)展為輔的趨勢，南部的焉耆和博湖縣則沿著開都河下游和博斯騰湖河岸呈現(xiàn)多向分散式擴(kuò)展。在開都河下游耕地，濕地及建設(shè)用地多種景觀鑲嵌分布。通過對比發(fā)現(xiàn)，焉耆綠洲內(nèi)建設(shè)用地、沙漠/戈壁、耕地、農(nóng)田、水體等幾種土地類型中，耕地和建設(shè)用地面積增加明顯，戈壁和裸地面積呈持續(xù)減少趨勢，山前戈壁和裸地被大量開發(fā)為耕地和建設(shè)用地。此外，2000—2009 年城鎮(zhèn)用地面積擴(kuò)展大于2009—2018 年，整體表現(xiàn)出中高速擴(kuò)展趨勢。其中2000—2009年盆地北部的和靜縣城鎮(zhèn)面積擴(kuò)展強(qiáng)度為6.7%，擴(kuò)展速度為17%，均高于其他3 個縣。博湖縣擴(kuò)展強(qiáng)度和擴(kuò)展速度最低，分別為5.5%和11%，2009—2018年綠洲內(nèi)和碩縣城鎮(zhèn)擴(kuò)展面積高于其他3 個縣，擴(kuò)展速度為64.2%，擴(kuò)展強(qiáng)度為4.07%。

3.2 焉耆盆地城市空間分布特征分析

為了進(jìn)一步研究城市空間形態(tài)變化特征，利用研究區(qū)行政邊界對盆地內(nèi)4 個縣的建設(shè)用地進(jìn)行矢量化處理，使用ArcGIS10.2對矢量化的范圍與處理好的影像進(jìn)行疊加分析，得到了2000、2009、2018年的城鎮(zhèn)擴(kuò)展特征信息。

1）2000 年以前，焉耆綠洲城鎮(zhèn)主要集中在北部、中部和南部河流沿岸，北部城鎮(zhèn)分布較集中，南部的城鎮(zhèn)主要集中在開都河沿岸。北部和靜縣以黃水溝河、莫呼查汗河、開都河流域?yàn)榛A(chǔ)，在北部平坦的沖積平原呈不規(guī)則細(xì)帶狀南北發(fā)展，在綠洲與戈壁交界地帶建設(shè)用地多呈環(huán)狀散射分布，西部城鎮(zhèn)沿山莫呼查汗河和開都河?xùn)|西向延伸，建設(shè)用地主體呈北縱南橫式分布（圖3）。2000 年和靜縣城鎮(zhèn)緊湊度為0.81，空間分布集中程度高，分型指數(shù)為2.06，表明城鎮(zhèn)邊界錯落復(fù)雜。和碩縣主要城鎮(zhèn)集中在清水河、烏什塔拉河、曲惠河及干渠周圍。除特吾里克鎮(zhèn)外，塔哈其和曲惠及烏什塔拉沿綠洲邊緣的延伸帶呈均勢發(fā)展，城鎮(zhèn)緊湊度為1.08，空間分布緊湊，分型指數(shù)為0.67，城鎮(zhèn)邊界整齊，土地利用較合理。焉耆縣以開都河為軸線朝外部擴(kuò)展，城鎮(zhèn)緊湊度為0.83，緊湊度高，分型指數(shù)為0.29，表明該城鎮(zhèn)規(guī)劃合理，邊界整齊。博湖縣位于博斯騰湖西岸，沿開都河下游右側(cè)河段分布，在博斯騰湖沿岸有居民區(qū)分布，城鎮(zhèn)空間緊湊度為1.13，緊湊度高，分型指數(shù)為1.73，城鎮(zhèn)邊界形態(tài)復(fù)雜。

圖3 2000年盆地內(nèi)部城鎮(zhèn)分布

2）2000—2009年盆地內(nèi)城鎮(zhèn)分布變化。該時間段內(nèi)城鎮(zhèn)主要擴(kuò)展區(qū)域集中在北部山前戈壁上（圖4），零散分布的建設(shè)用地通過擴(kuò)展已連接成片，綠洲山前區(qū)域南北縱向擴(kuò)張加深加寬，西部和南部沿河流橫向擴(kuò)展，山前沖積扇和河流沿岸為主要增加區(qū)域。盆地南部主要沿焉耆縣和博湖縣老城區(qū)不斷外擴(kuò)，其中焉耆縣東北部和西南部擴(kuò)展快速，耕地多被開發(fā)為建設(shè)用地，博湖縣則沿著開都河下游沖積平原擴(kuò)展，城鎮(zhèn)建設(shè)走向與開都河岸平行。和靜縣擴(kuò)展速度為17.3%，擴(kuò)展強(qiáng)度為6.7%，屬于高速擴(kuò)展階段，城鎮(zhèn)緊湊度為0.89，城鎮(zhèn)分型指數(shù)為2，建設(shè)用地內(nèi)部分布緊湊但邊界復(fù)雜度高，處于內(nèi)部片式填充和外部帶狀擴(kuò)展階段。和碩縣城鎮(zhèn)面積增加了約16 km2，擴(kuò)展強(qiáng)度屬于高速擴(kuò)展階段，城鎮(zhèn)分散集中，分型指數(shù)為1.99，較2000 年緊湊度和分型指數(shù)略有降低（圖6），表明該區(qū)域一直處于外部擴(kuò)展和內(nèi)部填充。焉耆縣擴(kuò)展強(qiáng)度7.2%，屬于高速擴(kuò)展階段，與2000年相比緊湊度下降分型指數(shù)增加，表明處于外部擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)（圖7）。博湖縣在博斯騰湖沿西岸出現(xiàn)了分散擴(kuò)展趨勢，擴(kuò)展強(qiáng)度為高速擴(kuò)展，城鎮(zhèn)緊湊度為0.73，分型指數(shù)為2.15，與2000年相比，該區(qū)域緊湊度略有下降，分型指數(shù)增加，表明該時間段城鎮(zhèn)分散分布且邊界復(fù)雜，屬于外部擴(kuò)展模式。

圖4 2009年盆地內(nèi)部城鎮(zhèn)分布

圖6 焉耆盆地城鎮(zhèn)緊湊度比較

圖7 焉耆盆地城鎮(zhèn)分形度比較

3）2009—2018年城鎮(zhèn)分布變化。在2000—2018年和靜縣城鎮(zhèn)面積增加了11.06 km2，空間上朝城區(qū)西側(cè)的戈壁灘和開都河上游南側(cè)的戈壁擴(kuò)張（圖5），擴(kuò)展強(qiáng)度為2.07%，屬于高速擴(kuò)展階段，城市緊湊度降低，分型指數(shù)為2.07，城鎮(zhèn)擴(kuò)展呈現(xiàn)出內(nèi)部點(diǎn)狀填充外部橫向片狀擴(kuò)展特征。和碩縣城鎮(zhèn)面積增加了約17.7 km2，空間分布朝盆地北側(cè)和東側(cè)戈壁迅速擴(kuò)展，擴(kuò)展強(qiáng)度為高速，緊湊度為0.89，分型指數(shù)為2，屬于內(nèi)部多點(diǎn)式填充和外部片狀擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。焉耆縣城鎮(zhèn)面積增加了8.64 km2，形態(tài)上朝城鎮(zhèn)東北-西南區(qū)域輻射擴(kuò)展，擴(kuò)展強(qiáng)度為3.55%，屬于高速擴(kuò)展，緊湊度為0.7，分型指數(shù)為2.14，緊湊度不高且城鎮(zhèn)邊界錯雜，屬于外部分散擴(kuò)展。博湖縣城鎮(zhèn)面積增加了7.13 km2，形態(tài)上朝開都河左岸及下游東南區(qū)域擴(kuò)展，屬于中速擴(kuò)展階段，緊湊度為0.63，分型指數(shù)為2.23，呈多向分散分布。

圖5 2018年盆地內(nèi)部城鎮(zhèn)分布

4 討 論

1）焉耆盆地在2000—2018年經(jīng)歷了綠洲城市的快速興起與擴(kuò)展，是我國干旱區(qū)綠洲城市擴(kuò)展較完整的案例。如何兼顧綠洲土地資源分配與城市擴(kuò)展帶來的效益，同時保證水資源的合理利用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為近年來綠洲開發(fā)的熱點(diǎn)問題[20-21]。綠洲土地面積有限，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱，綠洲的開發(fā)與保護(hù)，發(fā)展需求的增長與土地有限供應(yīng)形成了一定的矛盾[22]，為了避免綠洲土地過度浪費(fèi)，城鎮(zhèn)過度開發(fā)造成生態(tài)環(huán)境惡化，有必要對綠洲城市擴(kuò)展做出合理科學(xué)的規(guī)劃。

2）通過對焉耆綠洲城鎮(zhèn)建設(shè)用地分析發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)存在南北發(fā)展不均衡的現(xiàn)象，盆地北部的和碩縣與和靜縣在近18 a來表現(xiàn)出高速擴(kuò)展趨勢，而中部和南部的焉耆縣與博湖縣發(fā)展相對較慢，存在這種現(xiàn)象可能與焉耆盆地周圍的地理環(huán)境有關(guān)。

綠洲的發(fā)展規(guī)模不僅受河流水量的影響，而且與水資源的開發(fā)利用有關(guān)[23]，焉耆盆地內(nèi)水系豐富，多沿山前戈壁注入綠洲內(nèi)部。近年來，大面積的戈壁被開發(fā)為耕地和建設(shè)用地，城鎮(zhèn)擴(kuò)展速度快，開發(fā)強(qiáng)度大，盆地內(nèi)各種景觀越來越破碎[24]，導(dǎo)致城鎮(zhèn)邊緣錯綜復(fù)雜，建設(shè)用地未能得到合理規(guī)劃，出現(xiàn)土地浪費(fèi)和資源利用不合理問題，河岸兩側(cè)過度擴(kuò)展會帶來水資源的過度開發(fā)和浪費(fèi)，這將嚴(yán)重威脅到綠洲的可持續(xù)發(fā)展，為綠洲的生態(tài)安全埋下隱患。