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“华北明珠”、雄安新区白洋淀土地使用时空变化及驱动力

本文摘要:原标题:近 30 a 来白洋淀土地使用变化纪律及驱动力分析摘 要:分析土地使用变化纪律对提高土地开发使用效率和推动生态情况掩护事情具有重要意义。针对白洋淀的土地使用演变,为探究其变化趋势,以白洋淀湿地为例,接纳30 a来8期Landsat TM/OLI遥感影像为数据源,联合遥感和地理信息系统方法,分析白洋淀湿地土地使用的时空变化特征和驱动力。 效果讲明:(1)1986—2018年,主导的土地使用类型是耕地和水域。

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原标题:近 30 a 来白洋淀土地使用变化纪律及驱动力分析摘 要:分析土地使用变化纪律对提高土地开发使用效率和推动生态情况掩护事情具有重要意义。针对白洋淀的土地使用演变,为探究其变化趋势,以白洋淀湿地为例,接纳30 a来8期Landsat TM/OLI遥感影像为数据源,联合遥感和地理信息系统方法,分析白洋淀湿地土地使用的时空变化特征和驱动力。

效果讲明:(1)1986—2018年,主导的土地使用类型是耕地和水域。耕地变化最为显着,淘汰了60.3%,水域变化次之,增加了24.1%。水生植物面积大致呈“增多—淘汰—增多”的趋势,住民地面积连续增加。

(2)分析土地使用动态度得出,1986—2018年间水生植物和水域面积的单一动态度较大,综合动态度(LC)从0.267%下降到0.117%,出现缓慢下降趋势,说明确洋淀土地使用到后期的变化速度变慢,土地使用状态趋于稳定。(3)白洋淀土地使用类型变化的驱动因子为气候、人类运动和国家宏观政策。

研究结果有利于区域举行土地使用决议,也可作为土地可连续使用和生态情况掩护的科学依据。关键词:白洋淀; 土地使用; 时空变化; 驱动因子;作者简介:吕婷婷(1995—),女,硕士研究生,主要从事水文与水资源方面的研究。E-mail:617056648@qq.com;基金:国家重点研发计划项目(2018YFC0406500);引用:吕婷婷,李林森,朱世峰,等. 近 30 a 来白洋淀土地使用变化纪律及驱动力分析[J]. 水利水电技术,2020,51(3): 37-44.LV Tingting,LI Linsen,ZHU Shifeng,et al. Analysis on land use variation law and its driving force of Baiyangdian Lake since recent 30years[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51(3): 37-44.0 引 言土地使用变化是指在差别时空尺度上,土地使用和治理方式发生了改变,导致土地覆被发生变化。

其变化的成因涉及到自然因素和人为因素的配合作用。20世纪90年月以来,土地使用成为研究全球情况变化的热点话题,许多海内外学者举行了土地使用方面的研究, IGBP和IHDP组织在1995年配合制订了一项有关土地使用与覆被变化的研究计划,土地使用成为前沿的研究课题。

自革新开放以来,由于中国经济的高速生长、人口的快速增加以及科技的突飞猛进,使得人类在增强开发和使用土地的同时,也改变着区域土地使用的类型。2008年是土地使用变化研究的分界线,研究偏向开始从大尺度转向小流域和都会。

白洋淀地域的飞速生长使土地使用随之变化,带来不少生态问题。为确保都会的可连续生长,科学合理计划土地使用变化至关重要。

现在,海内外学者针对土地使用变化做了许多探索和实践。林柳璇等运用面向工具分类法得出厦门市1985—2015年土地使用笼罩数据,联合土地使用转移矩阵分析法、动态度分析法对厦门市30 a都会用地变化历程举行动态监测与分析。张冉等在分析黄河流域1980—2015年土地使用面积变化的基础上,基于水资源二级分区,接纳土地使用变化重要性指数等3个指标分析8个子区域土地使用变化的偏向和水平;然后针对1980—2015年间的4个时期,接纳单一土地使用动态度、综合土地使用动态度及土地使用水平研究各分区的土地使用变化速度与水平。

童小容等基于2000年、2005年、2010年和2015年4期土地使用遥感影像解译数据,联合GIS空间分析方法,从土地使用变化速度、转移偏向、使用水平3 个方面定量分析了重庆市2000—2015年土地使用变化的时空特征。张静等在此基础上联合准噶尔盆地资源情况的特点,以Landsat卫星遥感影像为数据源瞄准噶尔盆地举行了生态情况遥感解译,并系统分析了其生态情况问题。杨剑等以连云港海岸带为研究工具,运用遥感和 GIS空间分析等技术,从土地使用的幅度变化、速度变化以及土地面积的转换方面研究了海岸带1987—2012年4个时期土地使用变化特点,分析土地使用变化的自然驱动与人力驱动因素,得出土地使用类型变化的趋势。

针对各区域泛起的种种土地使用变化问题,研究者们开展了大量的研究事情。关于土地使用格式的时空分析不足以论述其变化机理,若试图深入展现其格式变化的内在纪律,则必须识别导致这些变化的驱动力,并探究其作用机理和驱念头制。在海内,自然和社会因素是驱动力研究主要关注的两个方面,自然因素包罗地质地貌、气象水文、土壤等因素,社会因素包罗人口、技术、政策、文化等因素。驱念头制分析方法包罗定性分析和定量分析两种途径,定性分析以对驱动因素的排序、枚举和形貌等为特征,定量分析常用的方法包罗基于履历统计的主身分分析方法、灰色关联分析法、系统动力学方法、空间统计模型和非线性回归模型等方法。

2017年4月1日,中共中央国务院宣布在河北雄县、安新县、容城县设立雄安新区,自此以来,在地域区划上隶属于雄安新区的白洋淀受到举世关注。白洋淀作为雄安新区内一块飞速生长的区域,具有一定的代表性,经济的快速增长驱使土地使用格式发生猛烈变化,引发了一系列的情况问题。

虽然现在关于白洋淀湿地的地质情况问题已有许多学者举行了大量研究,但缺乏使用遥感技术在长时间序列下对白洋淀土地使用类型变化的研究。因此,本文以白洋淀湿地为研究工具,联合遥感和GIS技术,宏观上分析1986—2018年近30 a快速生长配景下土地使用的动态变化历程及特征,选取土地使用变化重要性指数、单一土地使用动态度、综合土地使用动态度和土地使用转移矩阵,深入研究近30 a来白洋淀湿地的土地使用变化的趋势,展现其驱动力,总结其变化纪律,并展望和预测未来的变化趋势。

从而为白洋淀生态情况掩护和土地可连续使用提供科学支撑,也为海内外同类区域研究提供借鉴。1 研究方法与数据泉源1.1 数据泉源与处置惩罚遥感图像资料为:1986年、1989年、1994年、1997年、2004年、2007年、2013年和2018年Landsat OLI/TM遥感影像数据(见表1),选取了差别年份相克日期的8幅影像数据,可以在一定水平上淘汰或剔除LUCC季节性变化的影响,而且所选择的影像都要求云量较小,可以淘汰影像由于大气发生的影响。辅助数据为白洋淀地形图。数据影像由地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)提供。

表1 遥感影像数据泉源在ENVI5.2中将遥感影像与矢量界限叠加,裁剪出研究区所需要的遥感影像。本文先在ENVI5.2中使用监视分类的支持向量机法对裁剪后的遥感影像举行相识译,再联合野外调研,对解译效果举行验证。然后举行Majority/Minority分析平分类处置惩罚,盘算分类的精度,生成研究各时间段的土地使用类型图,最后在ENVI Classic中举行分类后处置惩罚。1.2 研究方法1.2.1 土地使用变化重要性指数土地使用变化重要性指数Ci是第i种土地类型变化面积Ai所占区域总土地类型变化面积A的比例,接纳该指数可以看出各时期土地使用变化的主要类型,盘算公式为1.2.2 动态变化测定1.2.2.1 单一土地使用动态度受气候和人类运动的影响,差别区域的土地使用方式存在差异,各时期变化的速度和幅度也有所差别。

单一土地使用动态度表征在一定时间段内差别土地使用类型的变化速度和幅度,用来比力土地使用变化的区域差异和预测未来土地使用变化趋势。其数学模型为式中,K为某一土地使用类型在t1到t2时段内的动态度,K值越小,讲明该类土地转化为其他类型土地的数量越少,在研究期内相对稳定;St1、St2划分表现t1、t2时间上某一土地使用类型的面积。1.2.2.2 综合土地使用动态度综合土地使用动态度可以表现研究时段内土地使用类型间转移的整体情况,可反映研究区综合土地使用变化的猛烈水平,也可用于对比局部与全区、局部与局部之间综合土地使用变化。其数学模型为式中,Lc为t时段研究区的综合土地使用动态度,其值越大,讲明区域土地使用变化越猛烈;ΔSij为研究期初至研究期末第i类土地转化为j类型土地的总面积;Si为研究期初第i类土地的面积总和;T为研究时间段。

1.2.3 土地使用转移矩阵土地使用转移矩阵反映各种土地使用类型之间的转换情况,它既可以反映研究期内各种土地使用类型的转移变化情况,又可以反映出研究期末各土地使用类型的泉源与结构。其数学形式为式中,S为土地使用转移矩阵;n为转移前后的土地使用类型数;i,j(i,j=1,2,…,n)划分为转移前与转移后的土地使用类型;Sij表现转移前的i地类转换成转移后的j地类的面积。2 研究区概况白洋淀是华北最大的天然湖泊湿地,被称为“华北之肾”、“华北明珠”(见图1)。白洋淀流域位于大清河中上游地域,大清河水系的潴龙、孝义、唐、府、漕、瀑、萍、白沟引河八条河流呈扇形划分由南、西、北部直接入淀,然后通过赵北口汇入海河,流入渤海(见图2)。

地理位置处于115°38′—116°07′E,38°43′—39°02′N,白洋淀湿地总面积31 867.2 hm2。白洋淀流域属于温带大陆性季风区,冬季严寒干燥,夏季炎热多雨,多年的平均气温为7.3~12.7 ℃,气温年差较大。

年平均降水量563.9 mm,降水主要集中在6—9月份;年平均蒸发量1 369 mm,蒸发量远大于降水量。随着人口增长和社会经济实力增强,白洋淀湿地的生态情况由于逐渐增多的人类运动被严重破坏,湿地功效也逐渐减退。由于雄安新区的飞速生长,耕地开发水平加大,都会建设加速,受人为因素和自然因素的双重影响,几十年来白洋淀湿地水文特征发生猛烈变化,如入淀水量淘汰、水位降低、蒸发量增加等。

图1 白洋淀行政区划3 效果分析3.1 差别时期土地使用变化差异为识别出各时期研究区土田主要变化类型,将土地使用变化重要性指数(Ci)按年份盘算,统计出各土地变化类型的Ci值,表2为近30 a来土地使用重要性指数变化效果。从2018年看,白洋淀湿地所有土地使用类型中所占比例最大的是耕地,高达34.6%;水域面积次之,为25.3%;而住民地和水生植物面积占比力少,划分为8.2%和3.19%,说明确洋淀湿地土地使用现状的主动土地类型是耕地和水域,河流水系、湖泊等较为蓬勃,水资源量中等。与1986年相比,2018年白洋淀湿地土地使用类型中,耕地变化最为显着,靠近-60.3%;水域面积变化次之,增加了24.1%;水生植物和住民地均发生了差别水平的变化,划分增长了2.09%和5.4%。这可以看出,近30a白洋淀湿地土地使用发生了显著变化。

图2 白洋淀水系3.2 土地使用时空变化分析土地使用类型的数量变化反映在差别类型面积总量的变化上,通太过析土地使用类型的总量变化,可以掌握土地使用变化总趋势及其结构变化特征。本文选取了8个时段土地使用图形数据(见图3)划分举行统计(见表3)。

30 a来白洋淀土地使用变化差异显着,结构无太大变化(见图4)。凭据流域面积比例获得基本结构为:耕地>水域>住民地>水生植物。

其中,住民地对研究区面积的孝敬率连续增加。从数量变化上来看,1986—2018年白洋淀起主导职位的土地使用类型是耕地和水域,水生植物面积先增多后淘汰,住民地出现上升趋势。(1)耕地和水域的面积的增减呈互补关系,1989年为高水位年,水域面积到达最大为22 165.76 hm2,面积所占比例高达62.6%。

此时的耕地面积到达近30 a来最小值。(2)水生植物大要上呈先增加后淘汰的趋势,1997年水生植物所占面积最大,为9 674.64 hm2,1994年水生植物面积占比下降到了1.7%,后有大幅度增加。(3)住民地面积逐年增加,由1986年的979.11 hm2至2018年的2 853.81 hm2,总面积增加了1 874.7 hm2,增加比例为5.3%。表2 1986年—2018年土地使用重要性指数变化图3 1986—2018年土地使用类型漫衍表3 1986—2018年土地使用分类面积变化1986—1989年耕地淘汰的同时其他用地呈增加趋势,耕地面积淘汰了70.1%,淘汰的面积为24 368.12 hm2。

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水域面积增加最为显著,增加21 763.28 hm2,变化比例为61.4%。1989—1994年,水域与水生植物淘汰的同时其他用地呈增加趋势,其中显著增加的为耕地,面积增加15 859.6 hm2,变化比例为45.8%;水域淘汰最为显著,淘汰了14 401.65 hm2,变化比例为40.2%。1994—1997年耕地淘汰的同时其他用地呈增加趋势,其中水生植物的增加最为显著,面积增加9 052.92 hm2,变化比例为26.1%。

耕地的淘汰比例最为显著,面积淘汰14 090.47 hm2,变化比例为40.6%。1997—2018年住民地面积呈增加趋势,水生植物面积呈淘汰趋势,2018年有小幅度增加。水域面积先淘汰后增加,耕地面积变化较为显著,2007年耕地面积最大为23 373.8 hm2,所占比例为66.6%。

可见,差别阶段水域与耕地的变化较为显著。图4 1986—2018年各土地使用类型面积变化3.3 动态度测定由表4可知,1986—1997年K值最大的土地使用类型是水域,其他按顺序递减为:水生植物、住民地、耕地。1997—2007年K值按递减排序为:耕地、水生植物、水域、住民地。2007—2018年K值按递减排序为:水生植物、耕地、水域、住民地。

水生植物和水域在3个时间段内K值均较大,即变化最大最快。表4 白洋淀1986—2018年土地使用动态度综合动态度LC从0.267%下降到0.117%,出现缓慢下降趋势,说明近期白洋淀土地使用到后期的变化速度变慢,土地使用状态越稳定。

1986—2018年整个研究阶段相对于其他阶段发生猛烈变化,土地综合使用动态度最大,为0.773%。近30 a白洋淀差别阶段差别地类的单一动态度有着显着的差异。各种土地变化在1986—1997年有显着的差异,水域的年均增长率为2.807%,变化最快;水生植物次之,年均增长率为2.142%;住民地的年均增长率为0.089%;耕地最慢,为-0.062%。

1997—2007年耕地变化最快,年均增长率为0.122%;水生植物和水域次之,年均增长率划分为-0.065%和-0.052%;住民地变化最慢,为0.011%。2007—2018年水生植物变化最为猛烈,年均增长率为0.207%;耕地和水域次之,年均增长率划分为-0.044%和0.040%;住民地变化最慢,为0.030%。这可以看出,整个研究时段内住民地的增长保持稳定的趋势,都会建设计划合理,变化起伏较大的是水域,说明水域变化比力猛烈。

3.4 土地使用转换分析使用ENVI5.2通过对4期土地使用矢量数据融合叠加获得差别阶段的白洋淀种种土地使用类型的转移矩阵(见表5)。表5 1986—2018年白洋淀土地使用转移矩阵分时段来看,1986—1997年,共发生了12种土地使用转换类型,水生植物转出头积290.25 hm2,其中50.64%转为水域、19.42%转为耕地;水生植物转入面积9 568.71 hm2。水域转出头积192.06 hm2,主要来自水生植物和耕地;水域转入面积为12 522.87 hm2。

耕地转出头积23 061.42 hm2,主要来自水生植物和水域;耕地转入面积329.76 hm2。住民地转入面积远大于转出头积,主要由水域和耕地转化。1986—1997年,发生转出变化的耕地遍布整个研究区,在东部和南部主要转化为水域,北部和西部主要转化为水生植物。1997—2007年,共发生了12种土地使用转换类型。

水生植物共转出8 704.89 hm2,其中18.09%转为水域;水生植物转入面积2 526.66 hm2,主要来自水域;水域转出头积7 571.61 hm2,转为耕地、水生植物和住民地的百分比划分为40.53%、18.09%和0.72%;水域转入面积967.14 hm2,主要来自水生植物。耕地转出头积596.07 hm2,其中3.41%转为住民地;耕地转入面积13 641.75 hm2,主要来自水生植物和住民地。

住民地的转入面积大于转出头积,主要转出为耕地。2007—2018年,共发生了12种土地使用转换类型。

水生植物的转出头积为1 999.62 hm2,其中47.95%转为水域;水生植物转入面积为9 625.14 hm2,主要来自于耕地和水域。耕地共转出11 929.59 hm2,其中33.85%转为水生植物,主要漫衍在研究区的北部和中部;耕地转入面积591.84 hm2,主要来自水生植物和住民地;水域和住民地转入面积各为4 385.25 hm2、1 394.91 hm2,转入面积远大于各自转出头积,主要转入偏向均为耕地。总体来看,耕地和水域相互转化活跃。水域的转出头积整体呈“先增多后淘汰”的趋势,水域主要转出为耕地;耕地转出头积的变化情况与水域正好相反,主要转出为水域。

水生植物主要转入和转出划分为住民地和耕地。住民地转出头积变化较小,主要转出偏向履历了“耕地—水生植物—水生植物”的变化历程;住民地的转入面积主要来自于水域和耕地。3.5 土地使用变化驱动力分析3.5.1 气候因素连续干旱后的1988年,河北省大部地域降雨偏多。

8月上半月,保定连降暴雨,由于降雨次数多,强度大,导致山洪暴发,河水猛涨,洪水相继入淀,干枯了五年之久的白洋淀到达最高水位9.26 m。1989年降水量达819.3 mm,入淀水量为12.15亿m3。因此,1989年白洋淀水域面积到达30 a来最大值,为22 165.76 hm2。受2012年和2013年白洋淀上游区域降水偏多的影响,白洋淀蓄水较往年显著增加,蓄水量增加到4.58亿m3。

3.5.2 人为因素耕地漫衍与土地使用方式息息相关,并随着人类运动如都会化和工业化的生长而发生变化。例如,都会化及经济的生长会引起耕地面积的淘汰[17]。人口增加会导致对土地和水资源等需求的增加,驱动耕地非农化[18]。经济生长和人口增长导致住民地面积不停扩大并占据耕地,使得研究区的土地使用结构发生改变。

据统计,1997年白洋淀总人口为718 696人;2004年为740 717人;2007年人口增至759 447人;2013年总人口为801 906人;2018年白洋淀总人口为864 523人;1997—2018年人口增长20.3%,耕地增加1 542.86 hm2,住民地增加914.04 hm2,是因为随着人口增加耕地面积需求量变大,住民地的面积随之增多。经济生长带来相应的情况破坏,水域面积淘汰,因此人口数量对土地使用变化有着不行忽视的影响。3.5.3 生态情况掩护政策因素为了掩护白洋淀湿地面积,2006年后国家相关部门开始频繁跨流域调水补给白洋淀,芦苇恢复生长较好,湿地面积增加较大, 如在2006和2008年,引黄入淀的水量划分为1.00×108 m3和1.57×108 m3,充实保证了白洋淀入淀水量。

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2019年1月,经党中央、国务院同意,河北省委、省政府印发的《白洋淀生态情况治理和掩护计划(2018—2035年)》,对白洋淀生态空间建设、淀区生态修复、生态掩护与使用等举行了全面计划,在2018—2019年冬夏季节划分从南水北调中线和引黄入淀补水,扩大了水域面积,淘汰了耕地面积。4 结 论(1)近30a来白洋淀土地使用变化有着显着的差异。主导的土地使用类型是耕地和水域。

总体上,耕地和水域的面积变化比力猛烈,水生植物面积先增多后淘汰,住民地面积稳定增长。水生植物的单一动态度变化较快的的两个阶段是在1986—1997年和2007—2018年。在研究时段内住民地呈稳定增长的趋势,其动态度较小。从综合动态度来看,Lc先淘汰后增加,说明1997—2018年的土地使用变化相对平缓。

(2)研究区土地使用转移主要发生在水域和耕地。水域的转出头积整体呈“先增多后淘汰”的趋势,耕地转出呈“先淘汰后增多”的趋势,水域与耕地相互转化活跃。住民地的增加主要由水域和耕地转化而来,水生植物面积主要转出为耕地。

(3)白洋淀土地使用变化的驱动因子为气候因素、人为因素和生态情况掩护政策因素。降水量增加则水域面积增加;人口增加使耕地面积和居住地扩大,挤占水域面积;受惠于国家生态情况掩护政策,通过外流域生态调水,白洋淀生态水域面积获得保障。由于近年来雄安新区的飞速生长,白洋淀湿地会发生排山倒海的变化,例如将实施恢复淀泊水位、退耕还淀、生态修复等措施,白洋淀湿地的水文历程将发生改变,淀区水位及面积将稳定在最佳状态。本文研究了已往30a土地使用的时空变化,但未分析出如何维持白洋淀的最佳水位。

下一步,应增强白洋淀湿地水文地质情况的监测事情,跟踪其水文变化历程,对淀区开发实施科学治理,并进一步研究如何维系白洋淀湿地系统,为白洋淀湿地的未来生长及生态掩护提供科学支撑。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。

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