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1、洞庭湖区土地利用变化及其对洪水调蓄能力的影响李仁东( 中国科学院测量与地球物理研究所，武汉，4 3 0 0 7 7 ，0 2 7 - 6 8 8 8 13 1 2 ，l r d 曰a s e h w h i g g a c c r l )摘要：土地利用覆盖变化研究是全球变化研究的前沿和热点之一。本文在中国资源与环境时空数据库的支持下，利用2 0 世纪7 0 年代末期、9 0 年代末期获取的陆地资源卫星图像和G I S 分析方法，对洞庭湖区近2 0 年的土地利用，覆盖变化的时空特征进行了遥感调查，进而对土地利用变化导致的区域洪水调蓄能力的变化进行了估算。结果表明，变化比较显著的地类有3 类；耕地
2、减少了1 9 7 ，各类建设用地总计增加了1 4 8 8 ，水域面积增加的幅度为8 7 7 。因土地利用变化导致的区域洪水调蓄能力增加估计为6 2 3 亿I n 3 ，由此增加的湖泊容积，最大为1 3 0 1 亿寸。1 引言土地利用变化通过改变流域降水、蒸发、土壤下渗等特性，影响径流的产生，并通过改变汇流过程、水调节能力影响洪涝灾害。影响水文过程的主要土地利用变化包括林地变化、农业强化、湿地变化、道路建设与城市化。一般而言，各类建设用地会产生不透水层，所以建设用地的增加会使产水量和汛期径流系数增加，洪涝过程缩短，洪量趋于集中。耕地对流域的产汇流影响比较复杂，汛期是水稻的生长季节，水稻会吸收部分
3、水量，水田的增加可以加大湖区的调蓄量。另外，土地利用类型的变化的往往会使区域的生态环境发生变化，如水土流失增加，使河流淤积量增大，洪灾威胁更加严重。本文从土地利用变化对洪水调蓄能力的影响这一角度，以我国洪涝重灾区之一的长江中游洞庭湖区为研究区，对土地利用变化对流域洪涝灾害的影响进行了分析。研究区范围包括湖南省的岳阳市、岳阳县、华容县、沅江市、南县、湘阴县、泪罗市、益阳县、益阳市、安乡县、汉寿县、澧县、常德市、津市市、湖北省的石首市、公安县和松滋市等，总面积2 8 7 3 7 k m 2 ，其中，湖南部分2 2 8 7 5k m 2 ，湖北部分5 8 6 2k ( 图1 ) 。图1 洞庭湖研究区
4、范围、行政区划与水系基金项目：中国科学院知识创新工程项目K Z C X 2 一S w - 4 1 5 。作者简介：李仁东( 1 9 6 2 - ) ，男，湖北公安县人，研究员。主要从事资源环境遥感与地理信息系统应用研究工作。E - m a i1 ：I r d a s c h w h i g g a c c n该区地处长江中游断陷盆地，为河湖冲积平原，地面高程一般2 5 - 4 0 m ，绝大部分的耕地在3 5 m以下。区内的洞庭湖，为我国面积第二大的淡水湖，容纳湘、资、沅、澧水和长江松滋、太平、藕池、调弦四口分流( 其中调弦口已于1 9 5 9 年建闸控制) 以及环湖区的泪罗江、新墙河等中小河
5、流，经湖泊调蓄，由城陵矾注入长江。由于地势低洼，地面高差小，汇流慢，加上长江中上游来水丰富，荆江段水面比降小，河道“九曲十八弯”，每到汛期，该区洪水泄洪不畅，河湖水位居高不下，极易内涝外洪成灾。据毛德华等人的资料川，1 9 5 0 - 1 9 9 8 年的4 9 年间，湖南洞庭湖区累计成灾面积3 3 7 61 0 4 h m 2 ，平均每年成灾6 8 9 0 0 h m 2 ，洪涝累计直接经济损失1 0 8 5 9 X1 0 H 元，年均2 2 1 6 X1 0 9 元。进入1 9 9 0 年代以来，出现了中等流景造成较高洪水位和特大灾害损失的现象。1 9 5 4 年、1 9 9 8 年是本区
6、曾经发生的特大洪灾年。与1 9 5 4 年相比，在最大入湖流量相近的情况下，1 9 9 8 年城陵矶最高水位抬高了1 3 9 m ，出湖流量减少了1 4 6 1 0 4m a s 。2 数据与方法本项研究使用了2 期的卫星遥感数据：1 9 7 9 1 9 8 0 年间获取的L a n d s a tM S S 数据和1 9 9 9 2 0 0 0 年获取的L a n d s a tT M E T M 数据，其中，L a n d s a tT M E T M 数据及其土地利用基础数据来源于中国科学院资源与环境数据库。在土地利用覆盖变化信息提取的过程中，参考了地形图、区域专题研究资料与图件等其他资
7、料。首先分类，建立土地利用遥感调查分类系统。采用二级分类系统：一级分为6 类：耕地；林地；草地；水域；建设用地( 即城乡、工矿、居民用地) ；及未利用土地。二级分为1 9 类。分类系统含义见有关规程。然后用1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年的图像，经图像屏幕判读，并在A R C I N F O 软件平台上，建立制图比例尺为1 ：i 0 0 0 0 0 的土地利用本底数据库。勾绘图斑的定位误差小于1 个像元；经野外实地验证，图斑定性精度大于9 0 以上，其中耕地大于9 5 晗叫1 。建立本底数据库后，再检测动态变化。这一过程中，首先将1 9 8 9 1 9 9 0 年获取的待分析的新图象
8、与土地利用本底配准，配准误差小于1 个像元，然后将本底图形叠加于新图象之上，以相同的技术规程和方法，检测并勾绘土地利用覆盖的变化图斑，赋予每个变化图斑6 位数的编码，前3 位表示本底土地利用类型，后3 位表示新时期土地利用类型。变化检测的工作是在I m a g e A n a l y s t 环境下完成的。最后将变化图斑导出，在A R C I N F O 软件中，建立土地利用变化数据库，并统计变化信息。3 近2 0 年来土地利用的变化土地利用面积净变化的统计分析结果表明( 见表1 ) ，在2 0 世纪7 0 年代末9 0 年代末的2 0 年间，6 个一级地类的面积均发生了不同程度的变化，3 种
9、地类的面积净减，3 种地类的面积净增。在面积收缩的地类中，耕地净减少的面积居首，达3 0 6 0 8 公顷，未利用地次之，减少3 1 9 9 9 公顷，其中的绝大部分被水面占据。林地仅减少2 2 6 2 公顷；在面积净增的地类中，水域居首，净增4 8 9 7 8 公顷，建设用地增加的面积也较大，达到1 5 4 6 7 公顷，草地增加很少，只有4 2 5 公顷。表1近2 0 年来不同时期主要土地利用与土地覆盖的面积净变化( 单位：公顷；，1 )国家“九五”科技攻关9 6 B 0 2 0 1 技术总体组，国家级基本资源遥感动态信息系统本底数据库建设技术规程( 1 9 9 7年度试行稿) ，19 9
10、 7 3与洪水调蓄能力密切相关的水域面积，在2 0 年内总计增加了4 8 9 万公顷，其中，湖泊面积增加2 1 8 万公顷，水库坑塘增加1 5 3 万公顷，滩地也增加了1 2 6 万公顷。在近2 0 年间，耕地向水域净转移了1 7 5 万公顷( 表2 ) ，占耕地净损失量的5 7 1 9 ，其中向水库坑塘( 含鱼塘) 的转移占耕地净损失量3 5 9 5 。水田转向水域的面积比早地多。4 1 1 8 的流失耕地被建设用地所占用，旱地的相对损失更大。耕地向林地的净转移占耕地损失的1 9 6 。水域净增面积的6 6 1 2 来自未利用地。建设用地的扩张占地结构中，耕地居绝大多数，达8 1 5 5 ，
11、林地其次，有1 5 4 3 ，水域再次，为2 2 3 ，被占草地和未利用地的比重合计不到1 。其余类型的相互转移面积不大。1 9 8 0 2 0 0 0 年间未利用地中的沼泽地向水域转移了3 2 7 7 9 公顷。表21 9 8 0 - 2 0 0 0 年水域与其他类型之间的净转移变化单位：h m 2水域总计河渠湖泊水库坑塘滩地建设用地沼泽地 耕地1 7 5 2 52 0 65 1 5 31 0 9 6 8i 1 9 83 1 0林地一6 502 3一l- 4 2O草地- 5 6 4- 1 9 98 82 5 62 l0水域3 4 5河渠3 9湖泊6 9水库坑塘1 8 7 滩地5 04 土地利
12、用变化对区域洪水调节能力的估算4 I 对区域调蓄洪水能力变化的估算区域调蓄洪水能力的变化，等于各类水域面积的变化与各类水体可调水深之积。在估算调节水深时，考虑了下面的因素。是由于洞庭湖区的湖泊属于浅水湖泊，湖泊周围的地面高程大多变化在2 5 2 8 m 之间；区域内的最高洪水位，东洞庭湖为3 5 9 4 m ，南洞庭湖为3 6 1 3 m ，西洞庭湖为3 7 0 3 m 。二是退田还湖后的水域处于湖泊主体的边缘，或处于低洼的主湖四周，水深不大。有的低湖田的前身就是浅水湖泊或滩地，因此这些区域还湖后的水深应与建国初期湖泊容积减少所对应的水深接近。根据有关面积与容积历史变化关系的资料表明，洞庭湖面
13、积从1 9 4 9 年的4 3 5 0 k m 2 减少到1 9 5 4 年的3 9 1 5k m 。时，容积从2 9 3 亿m 3 减至2 6 8 亿m 3 ，到1 9 5 8 年时，面积进一步减至3 1 4 1J n 2 ，容积相应减至2 2 8 亿m 3 。由此推算缩减湖泊的平均水深分别为5 7 4m 、5 1 6m 。四是洪水起调水位的设定。考虑到洞庭湖在城陵矶警戒水位3 2 m 以下的湖容，在大汛来临之前已被注满，失去蓄洪调蓄价值，本文设为3 2 m 。在丰水期已有一定的底水的背景下，即水位已达到3 2 m 时，设定退田还湖还渔后的湖泊平均能够调节4 m 的水深，滩地可调水深与湖泊相
14、同，为4 m ，河渠可调水深也为4 m ，在水库、坑塘( 含鱼塘) 中，虽然水库、坑塘的调节能力与湖泊相当；但其中包括部分鱼塘，鱼塘的可调水深不超过0 5 m ，由于没有鱼塘的具体数据，且面积较大，综合起来设为3 5 m 。沼泽地的调蓄能力略低于滩地，设为3 5 m 。当水域转为耕地、建设用地时，损失水体的可调水深不变。在计算调蓄洪水变化量时，必需考虑各类水域净变化的来源。首先，耕地与水域之间的转移显著改变了洪水调蓄的能力，水域转为建设用地则减少了调蓄量。沼泽地具有调蓄洪水的能力，因此要计算它与耕地、建设用地之间的转移量；不过沼泽与水域之间的相互转移时，洪水调节量可以忽略。林地、草地与水域之间
15、的转移基本上发生在滩地，又由于起调水位为3 2 m ，因此对调蓄能力没有影响。基于上述考虑，对调蓄能力有影响的土地利用转移变化由耕地与水域、沼泽地之间、水域 与建设用地之间的转移组成。在上述条件下，近2 0 年来因土地覆被变化导致了区域洪水调蓄量的增加，其值估计为6 2 2 7 0 1 5万m 3 。其中，耕地转为各类水域使洪水调蓄能力增加了6 4 6 1 6 4 8 万m 3 ，其中耕地转为水库坑塘增加的比重占5 9 4 1 ，转为湖泊的占3 1 9 0 ，另2 类转移所占比重不到1 0 。因沼泽地垦殖损失的调蓄能力为1 0 8 4 2 8 万m 3 ，各类水域被建设用地占用导致的调蓄能力减
16、少了1 2 6 2 0 5 万m 3 。4 2 对区域最大湖容变化的估算土地覆被变化导致的区域最大湖容的增加，大于洪水调蓄量的增加。最大湖容的变化，等于各类水域面积的变化与各类水体平均水深之积。由于没有较大比例尺的D E M ，计算水域的平均水深时，参考依据之一是最高水位3 6 m 与地面海拔高程之间的差值。从l ：1 0 万比例尺地形图可知，本区地面比较平坦，高程大多处于2 4 2 8 m 之间，与最高水位有8 1 2 m 之差。再从表8 一1 2 可知，区域湖泊的最高水位与枯水位的差距介于8 8 5 - 1 6 3 7 m 之间。退田还湖的垸田、以及被水淹没的区域多属于地势低洼之处。综合起来，假设新增湖泊平均最大水深为9 m ；河渠平均为1 2 m 新增的滩地，略低于湖泊，即为8 m ；增加的水库、坑塘( 含鱼塘) ，平均水深应与湖泊相当，但其中包括部分鱼塘，鱼塘的水深一般只
