丹江口水库扩张对淅川县“三生空间”的影响研究
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Research the Influence of Danjiangkou Reservoir Expansion on the “Production-Living-Ecological Space” of Xichuan County
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通讯作者:
收稿日期: 2021-07-07 修回日期: 2022-07-20
基金资助: |
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Received: 2021-07-07 Revised: 2022-07-20
作者简介 About authors
史志方(1998-),男,河南南阳人,硕士研究生,主要从事区域生态空间保护方面的研究E⁃mail:
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本文引用格式
史志方, 熊广成, 尹利娜, 刘桢, 芦艳艳, 刘小燕, 闰亚迪, 崔耀平.
Shi Zhifang, Xiong Guangcheng, Yin Lina, Liu Zhen, Lu Yanyan, Liu Xiaoyan, Run Yadi, Cui Yaoping.
1 引 言
当前关于丹江口水库扩张的研究中,主要关注的是库区扩张所引起的土地利用变化[4-5],而很少会去分析其对区域生态空间演化所造成的影响。从促进区域生态空间保护的角度出发,基于生态、生产、生活三维分类体系来对区域土地利用变化进行研究,可以将土地利用变化与区域生态空间演化相衔接[6]。此外,进行生态、生产和生活(三生空间)空间格局的演化分析研究,对于区域国土空间格局优化具有重要意义[7-8]。而通过从土地功能、生态系统服务和景观功能综合的视角构建生态—生产—生活空间功能分类体系,可以定量的测度出区域土地的功能价值量[9-10]。因此,在评估水库扩张对区域土地利用分布格局所造成的影响时,如何量化分析区域生态环境变化是当前所需解决的问题。
水库扩张挤占水源地周围的生产、生活用地,致使水源地产生生态移民。生态移民是指由于生态环境的恶化,导致人们短期或长期生存利益丧失,从而迫使人们改变居住场所、调整生活方式的一种行为[11-12]。人作为生态系统最重要的组成部分之一,其受到的影响更加主观,当前有关于南水北调中线工程的影响研究往往从生态环境出发,而忽略了对生态移民的影响进行量化分析[13-16]。生态移民的安置、搬迁后的生活状况是评估南水北调工程的相关影响的决定性因素之一[17-18]。中线工程调水线路源于丹江口库区,调水距离长、淹没土地广、影响范围大,淅川县16.2万库区居民需迁离家乡,丹江口水库扩张对当地生态移民的影响没有得到应有的关注。
由于传统的遥感方法难以快速、实时地对水体动态变化进行监测分析[19-20],并且难以对大量影像数据进行处理,通常采用小规模的遥感数据进行研究[21-22]。而Google Earth Engine云平台可以提供大量遥感影像集,同时兼顾快速、批量处理大规模遥感数据的运算能力[23-25]。国内外对于Google Earth Engine云平台的运用主要集中在土地利用变化遥感监测[26-27]、湿地遥感监测[28-29]、水体提取[30-32]等方面。关于水体提取的研究[33]表明Google Earth Engine云平台对于水体的提取精度满足研究要求,因此,利用Google Earth Engine云平台来实现对丹江口水库水域动态变化的监测。
当前对水库扩张的研究中,难以利用大量遥感影像数据来实现对水体变化的长时间序列连续监测[34],而使用传统的遥感方法,需要耗费大量的人力和时间。因此,研究基于Google Earth Engine云平台的Landsat数据,利用基于阈值的水体提取方法提取淅川县2000—2020年的水体数据,结合淅川县的2000、2010、2020年3期土地利用数据,构建三生空间分体系,探究水库扩张及南水北调工程对淅川县三生空间格局演变所造成的影响。
2 研究区与数据
2.1 研究区概况
研究所涉及的淅川县位于河南省南阳市的西南部,属于北亚热带向暖温带过渡的季风性气候区,雨量充沛但在地域上分布不均匀;河流以丹江为主,丹江及其支流流域面积约占全县总面积的93.5%,其主要支流有淇河、滔河、老鹳河;是南水北调中线工程核心水源区和渠首所在地。南水北调中线工程建设,淅川县动迁16.2万人,是河南省唯一的移民迁出县和第三安置大县。淅川县作为南水北调中线工程水源地,在这20 a间由于水体扩张,当地的生态环境受到了大影响,且由于其位置处于南北过渡带,气候复杂多变,属于我国生态环境比较脆弱的区域之一。
图1
2.2 研究数据
研究所用数据主要包括土地利用数据、水体数据及相关统计数据3部分。其中2000年、2010、2020年的土地利用数据均来自于中国科学院资源环境科学数据中心(
研究所采用的水体数据是通过Google Earth Engine平台获取2000—2020年Landsat数据进行计算得到的,空间分辨率为30 m,时间分辨率为16 d。本次研究共从Google Earth Engine云平台中调用淅川县1 631景Landsat遥感影像数据(图2),通过运用CFmask算法来实现对影像中云、雪、阴影等不利像素的去除,利用大地卫星图像的太阳方位角和天顶角以及数字高程模型,消除地形阴影,利用无云无雪的Landsat影像,根据水体指数和植被指数之间的关系来提取水体。
图2
图2
2000—2020年淅川县Landsat遥感影像数量统计图
Fig.2
Statistics of Landsat observations across the Xichuan County from 2000 to 2020
研究所采用的相关统计数据主要来自于政府网站及统计年鉴。所涉及到统计数据主要包括淅川县的移民来源、移民去向数据及淅川县的财政预算收入数据等。基于以上统计数据来分析水库扩张对于淅川县生态移民及当地经济发展的影响。
3 研究方法
3.1 三生空间分类体系
三生空间是由生态空间、生产空间、生活空间3部分组成,根据土地利用功能作为依据进行划分[35]。其中生态空间用地代表着以保护和发展区域生态系统可持续为目标,可以改善周围生态环境,能够提供生态系统服务功能的用地类型[36-37];生产空间用地则是指首先保证生产功能即以土地作为劳作对象直接获取各种产品和服务的功能的土地,同时其中部分土地还可以发挥生态功能[38];生活空间用地是指用于满足人们日常游憩、消费、娱乐休闲及其它生活功能的土地[39]。本研究主要根据淅川县2000、2010、2020年3期土地利用数据特征,结合当地实际情况,以此来构建三生空间分类体系。该体系包括两级分类,第一级分类主要由生态空间用地、生产空间用地、生活空间用地3大类组成,第二级分类主要是由一级分类下细分的土地利用类型组成,共5小类(表1)。生态空间用地下包括林地、草地、水体3种土地利用类型;生产空间用地主要是耕地;生活空间用地主要是建设用地。
表1 淅川县三生空间分类体系表
Table 1
用地类型 | 分类依据 | 土地利用类型 |
---|---|---|
生态空间用地 | 完全生态用地,能够改善区域生态环境 | 林地、草地、水体 |
生产空间用地 | 生产功能强于生态功能的用地 | 耕地 |
生活空间用地 | 用于除农业生产外的其他生产、生活用地 | 建设用地 |
为了将这20 a间由于水体扩张对淅川县的生态空间格局所造成的影响更好的表示出来,本研究通过构建三生空间分类体系将淅川县土地利用数据进行重新分类,以此来直观地分析研究区范围内的生态空间格局分布变化规律。
3.2 水体识别提取方法
(1) 水体指数的运算
其中:ρGreen为绿波段;ρSWIR1为短波红外波段;ρNIR为近红外波段;ρRed为红波段;ρBlue为蓝波段。通过采用mNDWI > NDVI或mNDWI > EVI来识别水体信号,并通过EVI < 0.1筛选排除出植被像素以及水体与植被的混合像素。只有符合以上标准的像素才会被分类为水体像素,其它像素则被分为非水体像素。
(2) 年水体频率影像的计算
在获取影像的水体数据分布后,对于一年中的每个水体像素,采用以下公式来获取该处的水体分布频率数值:
其中:F为该像素的水体频率;y为指定年份;Ny 为该像素在当年所获取的影像数量;Wy,i 表示该像素在该影像数据中是否表现为水体。
4 结果分析
4.1 淅川县三生空间格局分布变化
2000—2020年间,淅川县区域内三生空间分布变化总体呈现出生态空间用地波动上升、生产空间用地减少、生活空间用地增加的趋势(图3)。2000—2020年间,淅川县区域内生态用地波动上升,共增加了371.64 km2,相比于2000年增加了12.97%。其中2000—2010年间生态用地面积增加了66.46 km2,2010—2020年间生态用地增加趋势最为显著,共增加了305.18 km2。生态用地增加区域集中分布于丹江口水库及丹江支流沿线。
图3
图3
2000—2020年淅川县三生空间格局分布图
Fig.3
Spatial distribution of production-living-ecological space in Xichuan County, 2000-2020
2000—2020年间,淅川县区域内生产用地显著减少,生活用地持续扩张(图4)。生产用地显著减少,共减少了447.84 km2,相比于2000年减少了16.06%。在2010—2020年间生产用地的减少速度最为明显,共减少了366.29 km2;在2000—2010年间淅川县的生产用地面积减少了81.54 km2。生产用地减少的主要原因是水体扩张侵占了大量耕地,同时由于人口增长的需求,一部分生产用地转化为了生活用地。生活用地在2010—2020年间的扩张趋势相较于2000—2010年间更为显著,淅川县生活用地在2000—2020年间共增加了87.26 km2。2000—2010年间生活用地增加量为27.33 km2,而在2010—2020年间生活用地面积增加了59.93 km2。生活用地增加主要原因是由于人口增长及城镇化速度加快,导致生活用地以原区域为中心不断向外扩张。
图4
图4
2000—2020年淅川县“三生用地”面积统计
Fig.4
Areal statistics of production-living-ecological space in Xichuan Congtry, 2000—2020
在2000—2020年间,三生空间的变化趋势很明显在2010—2020年间相较于2000—2010年间更为显著。其中生态用地在2000—2010年间面积增加了2.13%,在2000—2020年间增加了10.84%;生产用地面积在2000—2010年间减少了3.09%,在2010—2020年间减少了12.97%;2000—2010年间生活用地面积增加了0.96%,在2010—2020年间增加了2.13%。2010—2020年变化趋势更为明显的原因主要是因为在南水北调中线工程通水后,淅川县的水体快速扩张,占用了当地的生产和生活空间用地。水体扩张及其引起的生态移民对于淅川县的生态格局变化起了很大的加速作用。
4.2 淅川县水体空间格局变化
在2000—2020年间,淅川县境内的水域面积处于上升的状态,丹江口水库总体呈扩张趋势(图5)。永久性水体集中分布在丹江口水库及丹江沿线,从2000—2020年间永久性水体面积一直处于波动上升的趋势,这也说明了丹江口水库在这20 a间不断扩张。季节性水体主要分布在淅川县的中部区域以及丹江支流区域,其面积在总体上呈波动下降的趋势。而淅川县境内的非水体区域分布是最广的,但非水体面积在这20 a间一直处于波动下降的趋势,2000年时非水体区域约占淅川县总面积的91.98%,到2020年时非水体面积约占县域面积的85.80%。
图5
图5
2000—2020年淅川县地表水体空间分布图
Fig.5
Spatial distribution of surface water in Xichuan County from 2000 to 2020
2000—2020年间淅川县的永久性水体面积明显增加,季节性水体面积波动减少,非水体面积呈现明显减少的趋势(图6)。淅川县的永久性水体面积在2000—2020年间总体处于波动上升的趋势,但在2000—2013年间一直处于波动变化,并未出现较大增幅,永久性水体面积均值为208.79 km2;2014年12月南水北调中线工程开始通水后,永久性水体得以快速扩张,此时间段内永久性水体面积均值为311.49 km2,相比于2000—2014年时增加了102.7 km2。从2000年至2020年,永久性水体面积增加了197.85 km²。季节性水体则在2000—2020年间始终处于波动变化,并无明显变化趋势,季节性水体面积从2000年的47.46 km2至2020年的20.39 km2,面积减少57.04%。非水体面积从2000年的2 581.78 km2至2020年的2 411.44 km2,面积减少6.60%。非水体面积变化在2000—2013年间处于波动变化,并未出现明显增减现象,在2014—2020年间非水体面积则出现了明显的减少。
图6
图6
2000—2020年淅川县地表水体动态变化图
Fig.6
Dynamic changes of surface water in Xichuan County, 2000—2020
丹江口水库水体在这20 a间不断扩张,占用库区周围其他土地利用类型。基于该地区2000、2010年的三生空间分类数据,并结合丹江口水库2020年的水体面积数据进一步分析得出(表2)。在2000—2020年间,丹江口水库扩张过程中水体占用了生产用地和生活用地,并且随着水体面积的扩张,生态用地的面积也随之增加。丹江口水库水体扩张共占用的生产用地、生活用地面积分别为180.42 km2、1.25 km2,改变了当地的三生空间格局,减少了当地居民的生产生活空间,从而使得淅川县出现了大量移民人口。
表2 2000—2020年丹江口水库三生空间面积变化统计
Table 2
用地类型 | 2000年 面积/km2 | 2010年 面积/km2 | 2020年 面积/km2 |
---|---|---|---|
生态用地 | 198.79 | 262.74 | 380.91 |
生产用地 | 180.42 | 117.16 | 0 |
生活用地 | 1.25 | 0.82 | 0 |
4.3 水库扩张对生态移民和经济发展的影响
丹江口水库水体扩张,淹没了当地生产空间180.42 km2,生活空间1.25 km2,从而导致淅川县大约16.2万居民不得不从原居住地迁走。出现移民乡镇集中分布于丹江口水库周围,其中移民人数在2万以上的乡镇有盛湾镇、香花镇、滔河乡,移民人数在1—2万之间的乡镇有金河镇、大石桥乡、老城镇、上集镇、马蹬镇,移民人数在0—1万之间的乡镇有仓房镇、九重镇(图7)。移民人数达到2万以上人数的城镇主要分布在丹江口水库中部区域,在丹江口水库扩张期间淅川县这一部分的地表水体变化最为明显,占用了库区周围的生产和生活空间用地,承载土地面积减少,承载人口压力增加,因此导致了这些乡镇的移民向其他地区进行迁移。
图7
图7
淅川县移民空间分布和移民分批统计
Fig.7
Spatial distribution of immigrants and statistics of immigrants in batches in Xichuan County
对丹江口库区移民的去向进行追踪,可知库区移民完全是由河南省内部承担接收,移民主要流向南阳市、许昌市、平顶山市、郑州市、漯河市、新乡市等地(图8)。其中移民主要的去向是南阳市9.6万人,约占整个库区移民的59.33%;许昌市、郑州市、新乡市这3地市接收移民人数均达到1万人以上,约占整个库区移民的29.54%;平顶山市、漯河市以及其它地区所接收的移民人数共有1.8万人,约占库区移民的11.13%。其中南阳市安置移民在淅川县县内的就有1.8万人。淅川县内移民安置乡镇主要为厚坡镇、香花镇、九重镇、马蹬镇4地,移民安置人数皆达到2000人以上,结合淅川县三生空间变化进行分析,主要是因为这部分地区多为生产、生活用地,适宜移民后期的居住生活。
图8
图8
河南省和淅川县安置库区移民统计
Fig.8
Statistics of resettlement reservoir immigrants in Henan Province and Xichuan County
水库扩张除了导致淅川县产生生态移民之外,还对当地经济发展产生一定的影响。在2003—2019年间,淅川县的国内生产总值(GDP)始终处于缓步增长的状况,淅川县利用自身的生态资源禀赋,发展生态旅游业,将生态旅游与经济发展相结合。淅川县的财政预算收入在2003—2009年处于缓步上升的趋势(图9),财政预算收入的增幅不大,从2003年的1.22亿元增加到2009年的3.02亿元。在2010—2013年淅川县的财政预算收入显著增加,从2010年的7.35亿元到2013年的15.95亿元,增幅为217.01%。但在2014年,南水北调中线工程通水之际,淅川县的财政预算收入出现了一个断崖式的减少,从2013年的15.95亿元减少到2014年的7.01亿元。财政预算减少的主要原因是,为了保证南水北调工程的水质水量,淅川县关停了一大部分工业企业,因此导致淅川县的财政预算收入减少。在2014年之后,到2019年间,淅川县的财政预算收入恢复了平缓上升的状态。
图9
图9
2003—2019淅川县财政预算收入和GDP统计
Fig.9
Statistics of fiscal budget revenue and GDP of Xichuan County from 2003 to 2019
5 讨 论
水库扩张对淅川县的三生空间分布格局的演变影响。当前部分学者[45-46]的研究结果表明南水北调中线工程水源地土地利用变化特征为,在2009—2015年间耕地大量减少,主要转变为草地、林地、建设用地。这一规律与本研究所分析的淅川县三生空间的演变规律相同。而在这一演化过程中水库扩张促进了生态空间的增加,同时水库扩张过程中,水库周围植树和当地的退耕还林政策也使得生态空间增加。生态空间覆盖率从2000年的52.10%增加到2020年的65.07%,生态空间的扩张,特别是水体扩张改善了当地的生态环境,可以有效提升淅川县的生态宜居性。淅川县以水质保护、绿色发展为主,为保证一库清水永续北送,将生态保护和脱贫发展相结合,把植树造林和旅游开发相结合,构建环库旅游生态圈和旅游区[47]。
因此本研究基于Google Earth Engine云平台,共运用了1 631景Landsat影像实现了对2000—2020年淅川县水体变化的连续监测,使用了足够数量的遥感影像集合来有效地监测水体的动态变化,并提高了水体提取的效率和精度。
图10
图10
丹江口库区生活补偿标准
Fig.10
Resettlement compensation Standard of different construction in Danjiangkou Reservoir
6 结 论
研究以基于Google Earth Engine云平台获取的2000—2020年淅川县水体数据为基础,结合土地利用数据,通过建立三生空间分类体系,分析了淅川县水体扩张对当地的三生空间格局变化所造成的影响。主要结论为:
(1)淅川县的土地利用率总体均呈上升态势,淅川县的生态用地面积呈现波动上升趋势,生产用地逐渐减少,生活用地不断扩张。从2000年至2020年淅川县生态用地面积波动增加371.64 km2,生产用地面积减少447.84 km2,生活用地面积增加87.26 km2。
(2)淅川县境内的水域面积在2000—2020年处于波动上升的状态,最大水域面积总体呈上升趋势,在丹江口水库水域扩张的过程中占用三生用地。在2000—2020年间,库区水域扩张分别占用生产用地面积180.42 km²、生活用地面积1.25 km2。
(3)丹江口水库大坝加高,淹没库周大约181.67 km2的生产、生活用地,使得淅川县产生16.2万的生态移民。移民的主要来源分布丹江口水库周围的乡镇;丹江口库区移民的主要流向为南阳市,约占整个库区移民的59.33%;南水北掉中线工程不仅使得淅川县产生生态移民,并且对淅川县的财政预算收入产生明显影响。
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