2000～2020年丹江口库区人类活动干扰强度时空特征

郭 恒 亮，冯 珍 珍，赫 晓 慧，耿 庆 玲，田 智 慧

(1.郑州大学 河南省超算中心，河南 郑州 450052； 2.郑州大学 地球科学与技术学院，河南 郑州 450052)

近年来，人类改造自然界的力度和规模不断增强，城市化规模扩展、经济生产、大型工程建设等人类活动对生态环境的扰动和压力不断增加，引发了诸多生态环境问题，人类活动干扰评价成为研究的热点问题[1-2]。人类活动干扰强度是指一定面积区域的生态环境受人类活动影响而产生的扰动程度[3]，是评价区域人类活动对生态环境干扰程度的重要指标。对区域进行定量的人类活动干扰评价，全面客观地认识区域人类活动干扰强度及其时空演化规律，有助于分析生态环境变化驱动因素，合理调控区域人类活动的影响范围和强度，有效促进区域的生态恢复和改善。

目前国内外学者们主要从两方面开展人类活动干扰评价：一是以土地利用/景观作为人类活动的主要载体，通过对各类土地利用/景观类型进行赋值并求和计算人类活动干扰强度[4-6]，如Brown、Reiss等通过将不同土地利用类型的能值综合计算对河流、湖泊等区域进行人类活动干扰评价[2，7-8]；徐勇等、刘慧明等将不同土地利用类型按照一定标准换算成建设用地当量综合计算，分别在黄土高原、黔南生物多样性保护优先区开展人类活动对地面表层影响程度评价[9-10]。这类评价适用于较大范围的人类活动干扰评价，能够反映区域的人类活动干扰强度的空间差异，但对于特定区域仅从土地利用的变化方面来表现区域的人类活动强度不够全面。另一方面学者根据特定区域的情况构建多指标综合评价体系计算人类活动干扰强度[2，11-12]，如张翠云选取人口总数、耕地面积、水库总数等5个指标，利用变异系数法和综合指数法定量评价黑河流域上中下游近50 a来的人类活动强度[13]；胡志斌选取道路、居民点和地形3个因子，采用层次分析法和综合指数法定量评价岷江上游地区各县人类活动强度[14]。这类评价结果能够客观地反映研究区的人类活动干扰状况，但已有的研究大多依赖社会统计数据，指标的数据以空间地理数据为主要数据来源的研究相对较少，评价单元以行政单元为主，难以分析行政单元内部的人类活动干扰强度时空分布特征。

随着南水北调中线工程的建设，丹江口水库蓄水、大坝加高、库区工程建设、移民安置、城镇扩张、退耕还林和植树造林等，对库区的生态环境产生了很大的影响。学者们对丹江口库区生态环境进行了大量的研究，多集中于库区内的土地利用变化、生态环境质量评价、生态安全、生态脆弱性等相关研究[15-17]，人类活动大多作为生态环境变化的重要驱动因素考虑，而从人类活动对丹江口库区生态环境的干扰强度角度进行评价的研究相对缺乏。本次研究利用遥感和GIS技术，结合空间地理数据和社会经济统计数据，根据丹江口库区的人类活动特点并基于“自然-经济-社会”模型构建人类活动干扰评价指标体系，结合模糊层次法和TOPSIS综合评价模型对库区2000～2020年人类活动干扰强度进行评价，基于1 km格网尺度分析丹江口库区人类活动干扰强度时空分布特征，并利用空间自相关法分析库区人类活动干扰强度的空间集聚性特征，以期为丹江口库区的生态环境恢复、空间规划以及水源地水资源保护提供参考。

1 研究区概况

丹江口库区位于汉江干流和其支流丹江的交汇处，包含汉库、丹库和淅库3个子水库，库区总面积达17 916 km2，见图1。行政区划上，丹江口库区包括河南省的西峡县、淅川县；湖北省十堰市辖区(张湾区和茅箭区)、丹江口市、郧西县、郧阳区(原郧县)。库区地质构造比较复杂，地形存在高差大、坡度陡、切割深的特点，主要呈现出盆地与峡谷交替的地貌。库区位于南北气候过渡地带的秦巴山区，属北亚热带季风气候，具有四季分明、光能充足、雨热同期等特点[15-16]。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of research area

2 研究方法与数据

为充分体现研究区内部的人类活动干扰强度的空间差异，本研究将丹江口库区划分为1 km×1 km的格网单元对库区进行人类活动干扰评价。基于“自然-经济-社会”框架模型选取评价指标，利用RS和GIS技术进行提取指标信息，并对指标进行归一化和权重的计算，最后根据TOPSIS综合评价模型计算库区的人类活动干扰强度。利用空间自相关法分析研究区人类活动干扰强度空间集聚性特征。

2.1 评价指标体系构建

基于“自然-经济-社会”模型，结合丹江口库区的实际情况，选取能够科学反映人类活动，并具有代表性和可操作性的指标，构建丹江口库区人类活动干扰评价指标体系。

“自然-经济-社会”模型是从生态系统结构的角度出发构建的框架模型。人类活动干扰强度与区域的自然条件现状、经济发展和区域开发、社会的规模和人文影响度3个方面紧密联系[18-19]，这3个方面相互制约相互影响，共同决定人类活动干扰强度。

人类活动干扰强度指标评价体系包含目标层、准则层和指标层。目标层指人类活动干扰强度，反映研究区人类活动对生态环境的干扰强弱；准则层包含自然、经济和社会3个复合指标，指标层指自然、经济和社会3个复合指标对应的具体分指标。自然方面包括植被覆盖度、总初级生产力、土壤侵蚀强度；经济方面包括第二三产业GDP产值、路网密度、城镇用地面积比例和居民地距离；社会方面包括人口密度、地表温度、单位耕地面积化肥施用量。

2.2 数据来源与处理

南水北调中线工程于2002年开工，2014年正式通水，本次研究选取2000，2004，2010，2017，2020年为代表年份对库区进行人类活动干扰评价，以分析2000～2020年库区建设过程中人类活动干扰强度的时空变化特征。

基础地理数据：① Landsat影像数据来源于地理空间数据云，时相为2000～2020年每一年的4～8月，空间分辨率为30 m，云量低于10%；② MODIS 数据(MODIS17A2H、MODIS13A3和MODIS11A2，分辨率分别为500 m、1 km、1km)，来源于NASA官网，时相为2000～2020年每一年的5～9月。③ DEM数据来源于地理空间数据云的ASTER数据，时相为2009年，空间分辨率为30 m；④ 夜间灯光数据：DMSP/OLS包含2000，2004，2010年3期，分辨率为1 km；NPP/VIIRS的2017，2020年数据，分辨率为500 m，来源于美国国家地球物理数据中心。⑤ 土地利用数据由中国科学院资源环境科学数据中心提供，2000～2020年共5期数据，空间分辨率1 km。⑥ 1∶25万道路数据来源于中国国家基础地理信息中心，包括2002，2015年两期。

人口数据、化肥施用量数据、GDP等统计数据，来源于2001～2020年的河南省统计年鉴、南阳市统计年鉴、十堰市统计年鉴。

数据的预处理主要是对栅格数据进行预处理，包括辐射定标、大气校正、裁剪、重采样、投影转换等操作。数据的空间分辨率统一转换为1 km，坐标系为WGS84 Albers Conical Equal Area。各指标计算方法列于表1[20-23]。

表1 人类活动干扰评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of human activityinterference

2.3 数据标准化

利用极差标准化方法对各指标进行标准化处理，使各指标均分布在[0，1]范围之间，解决指标量纲不同无法对比问题。正向指标和负向指标的标准化处理方法分别如下所示[24]。

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

式中：rij为标准化后第i个指标第j个格网的归一化值，xij为第i个指标的第j个格网的原始值，xmax与xmin分别为第i个指标原始数据的最大值和最小值。

2.4 指标权重确定

权重的大小反映各指标对评价目标影响程度的大小。由于人类活动具有精确又模糊的双重特性，因此本研究采用模糊层次分析法确定各评价指标的权重[25]。通过邀请专家两两比较，采用三角模糊数构造模糊成对比较矩阵，进而计算层次单排序及总排序，检验判断矩阵一致性，最后得到各评价指标的权重。各指标权重计算结果列于表1。

2.5 TOPSIS综合评价

TOPSIS模型是一种距离综合评价方法，被称为“逼近理想解排序方法”[26]。在指标标准化后得到标准化矩阵的基础上，选择各指标最大值和最小值分别作为正、负理想点，分别计算各评价对象到正、负理想点的欧式距离，最后根据贴合度公式计算人类活动干扰强度。具体步骤如下：

(1) 构建加权规范化矩阵。加权规范化矩阵V=(vij)m*n通过矩阵R的每一行与其相应的权重wi相乘得到：

(3)

式中：n为评价格网总数，m为评价指标个数。

(2) 确定正理想解和负理想解。

(4)

(5)

(3) 测算指标理想解的欧式距离，分别计算每个格网单元到正理想解的距离D+和负理想解的距离D-。

(6)

(7)

式中：vij为第i项指标的第j个格网的加权规范化值；v+、v-分别为第i项指标在所有格网中的正理想解和负理想解。

(4) 计算各评价格网单元与最优方案的贴合度，测度人类活动强度。

(8)

Cj值介于0～1之间，Cj越大，表明第j个格网单元的人类活动干扰强度越大；反之，人类活动干扰强度越小。根据相关研究及研究区的情况，将人类活动干扰强度分为5个等级：低(0～0.25)、较低(0.25～0.35)、中等(0.35～0.45)、较高(0.45～0.55)、高(0.55～1)。

2.6 空间自相关分析

空间自相关是指检验空间位置上的某要素与其相邻位置的观测值是否具有显著的关联性，包括全局空间自相关和局部空间自相关两种方法[9，27]。

全局空间自相关最常用的指标是Moran′s I指数，用于验证整个研究区格网单元人类活动干扰强度的空间相关关系，判断其在空间上是否存在集聚性。计算公式如下：

(9)

(10)

(11)

3 结果与分析

3.1 研究区人类活动干扰强度时空变化分析

由提取的指标信息和指标的权重，利用TOPSIS综合评价模型计算研究区格网单元内的人类活动干扰强度并划分等级，得到2000～2020年库区人类活动干扰评价结果(分别见图2和表2)。从图2空间分布来看：2000～2020年库区人类活动干扰强度区域差异明显，库区人类活动干扰强度呈现出东北部伏牛山区、西部秦岭山区和西南部武当山区低，水库沿线及周边低海拔丘陵、冲积平原区高的分布特征。在空间变化上，2000～2020年低强度区由库区边缘地区向库区中部大范围扩展，较低和中等强度区沿河及水库周边逐渐缩减，较高和高强度区以城镇为中心有小范围扩展。

图2 研究区人类活动干扰强度分布Fig.2 Interference intensity distribution of human activities in the study area

表2 研究区均值及各强度区所占面积比

由表2可以看出：2000～2020年研究区的人类活动干扰强度均值范围在0.25～0.35之间，人类活动干扰强度整体来说处于较低强度。库区的人类活动干扰强度逐渐降低，由2000年0.314降至2020年0.274。2000～2020年库区以低强度和较低强度为主，较低强度区、中等强度区面积分别减少9.090%，12.362%，低强度区、较高强度区、高强度区面积分别增加21.038%，0.366%，0.048%。

分析人类活动干扰评价各指标均值在2000～2020年的变化情况(见表3)，发现植被覆盖度、总初级生产力、土壤侵蚀强度、人口密度、地表温度这5个指标的均值呈现出降低的趋势，与库区人类活动干扰强度逐渐降低的态势较为一致，这与库区在建设过程中实施的生态环境工程(退耕还林、植树造林、封山育林等)、水土保持工程、生态环境综合整治项目以及水库大坝加高蓄水导致的人口外迁等有关[17]。其中，人口密度减幅最大，说明人口密度是导致人类活动干扰强度降低的主要因素。另外单位耕地面积化肥施用量、路网密度、居民地距离、第二三产业GDP产值和城镇用地面积比例指标的均值逐渐增大，反映了库区农业、交通、经济和城镇化等方面对库区的干扰在研究时段内是逐渐增强的，是阻碍库区整体人类活动干扰强度降低，导致人类活动干扰强度高强度区面积增加的主要原因。而单位耕地面积化肥施用量和路网密度两个指标增幅最大，说明这2个因素起主要作用。

表3 研究区人类活动干扰强度相关指标在2000～2020年间的变化情况Tab.3 Changes in indicators of human activity interference intensity in the study area from 2000 to 2020

3.2 研究区人类活动干扰强度空间集聚特征分析

基于空间自相关方法探究丹江口库区人类活动干扰强度的空间集聚特征。利用全局自相关法了解库区人类活动干扰强度的空间关联(集聚)程度，并利用局部自相关法识别人类活动干扰强度的高值和低值集聚的区域。结合库区人类活动干扰强度的空间分布特征和集聚特征，进一步分析2000～2020年丹江口库区人类活动干扰强度的演变规律。

利用ArcGIS全局自相关分析工具，对丹江口库区2000～2020年的人类活动干扰强度进行全局空间自相关检验(表4)。结果显示，检验结果通过了1%水平的显著性，2000～2020年丹江口库区人类活动干扰强度的Moran′s I均大于零，且Moran′s I值较大，可以得出丹江口库区2000～2020年人类活动干扰强度的空间分布整体上表现出非常显著的集聚性(正相关)。

表4 研究区全局空间自相关分析结果Tab.4 Results of spatial autocorrelation analysis in the study area

利用ArcGIS冷热点分析工具，对丹江口库区2000～2020年的人类活动干扰强度做局部空间自相关分析。由图3可知：2000～2020年的人类活动干扰强度冷点区主要分布在库区东北部和西南部，这部分主要为山区，林草密集，人口密度较低，人类活动干扰强度也相对较低；热点区主要分布在水库沿线以及各县市城镇地区，水库沿线及周边地区水资源丰富，地势相对平坦，农耕灌溉较密集，农药化肥的施用量较大，对库区生态环境及地下水环境产生较大的干扰，而城镇地区人口较多，建设用地增加，经济和社会发展对库区也会造成干扰和压力；较冷点区和较热点区分别在冷点区和热点区周围零星分布。从空间变化来看，库区人类活动干扰强度空间集聚性逐渐增强。2000～2020年热点区水库沿线范围大幅缩小，尤其以淅川县变化最为明显，这得益于库区退耕还林、大坝加高水库蓄水、移民安置等措施。另一方面，热点区范围以城镇为中心范围略有扩大。冷点区、较冷点区和较热点区变化不明显。

图3 研究区人类活动干扰强度空间集聚特征Fig.3 Spatial agglomeration characteristics of interference intensity of human activities in the study area

综合来看，库区人类活动干扰强度逐渐降低的同时，高值集聚区(即热点区)由水库沿线及周围地区大幅缩减，城镇地区略有扩展，人类活动有向城镇集聚的趋势。这说明在国家政策的影响下，人类对库区的干扰活动区范围更为集中，这将减少人口粗放型生产生活对库区生态环境的干扰，有利于库区生态环境进一步恢复与改善。结合影响库区人类活动干扰强度增大的指标，在今后的管控管理中，应加强库区生态治理的同时，合理控制建设用地规模，严格保护耕地；应减少化肥农药施用，降低农业面源污染；发展生态产业，促进产业转型。

4 结 论

本研究基于“自然-经济-社会”模型构建了人类活动干扰强度的评价指标体系，并借助GIS和RS技术，利用模糊层次法和TOPSIS综合评价模型对2000～2020年丹江口库区人类活动干扰强度进行了格网化评价，研究了库区1km格网尺度下人类活动干扰强度的时空分布特征；利用全局空间自相关和局部空间自相关法分析了丹江口库区人类活动干扰强度的空间集聚特征。主要结论如下：

(1) 2000～2020年丹江口库区人类活动干扰强度空间差异明显，整体呈现出东北部伏牛山区、西部秦岭山区和西南部武当山区低，水库沿线及周边低海拔丘陵、冲积平原区高的空间分布特征。

(2) 2000～2020年库区低强度区大幅增加，较高强度区和高强度区面积略微增大，较低强度区、中等强度区面积均减少；2000～2020年库区人类活动干扰强度均值逐渐降低。

(3) 2000～2020年丹江口库区的人类活动干扰强度具有显著的空间集聚性，高值集聚(热点)区主要分布在水库及周围地区和城镇地区，且水库沿线及周围地区大幅缩减，城镇地区略有扩展。

由此可以看出，尽管近年来丹江口库区实施的退耕还林、封山育林、移民安置等政策大大削弱了库区的人类活动强度，但人类活动有向城镇地区集聚的趋势。同时，单位耕地面积化肥施用量、路网密度、居民地距离、第二三产业GDP产值和城镇用地面积比例是导致库区人类活动干扰强度高强度区面积小幅度增加以及高值集聚(热点)区在城镇地区小范围扩展的主要原因。因此，为促进库区生态环境的进一步恢复与提高，库区各县市应注重城镇地区的产业结构调整和土地资源的集约化利用，加强农业生产的绿色化，减少库区的农业面源污染。