基于GIS的黄河北干流岸线土地利用变化分析

梁之豪 时芳欣 陈融旭 穆磊

摘 要：河岸带是水陆交错带，资源十分宝贵，其质量关系到陆地及河流两者的生态状况，黄河流域岸线资源更为宝贵，为摸清其土地利用时空变化规律，以黄河北干流岸线为研究区域，采用GIS手段分析了黄河大北干流岸线利用需求较为迫切的河曲—准格尔旗（河准段）与府谷—保德（府保段）两段河道和小北干流岸线土地利用时空变化情况，然后结合土地利用变化转移矩阵，利用马尔柯夫模型分别对其土地利用结构进行预测。分析可知，北干流岸线多年间土地利用在耕地、水域和建筑用地之间转化相对剧烈，其中大部分区域耕地、建筑用地呈增长态势，水域呈减少态势。原因可能是随着北干流岸线区域经济发展，工业化、城镇化进程加快，建筑用地、耕地需求增加。利用馬尔柯夫模型对北干流岸线土地利用结构的预测结果表明，随着经济社会的持续发展，沿河人民拓宽生存空间的需求会持续增长，北干流岸线将逐渐形成以耕地、建筑用地和水域为主的布局形式。

关键词：北干流岸线;土地利用变化;GIS;转移矩阵;马尔柯夫预测

中图分类号：TV212.4;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.024

引用格式：梁之豪，时芳欣，陈融旭，等.基于GIS的黄河北干流岸线土地利用变化分析[J].人民黄河，2021，43（10）：123-127.

Abstract： Riparian zone is a waterway crisscross zone， and its resources are very precious. Its quality is related to the ecological conditions of land and rivers. The shoreline resources of the Yellow River Basin are more precious. In order to find out the temporal and spatial changes of land use， this paper takes the shoreline of the north main stream of the Yellow River as the research area， and uses GIS to analyze the temporal and spatial changes of land use of the shoreline of the great north main stream and the small north main stream of the Yellow River Basin， and then combines the transfer matrix of land use change and Markov model to predict the land quantitative structure. The analysis shows that the land use in the north main stream coastline has changed dramatically between cultivated land， water area and construction land for many years， and the cultivated land and construction land in most areas are increasing， while the water area is decreasing. This may be because with the economic development of the coastal area along the north main stream， the process of industrialization and urbanization is speeding up， and the demand for construction land and cultivated land is increasing. Using Markov model to predict the quantitative structure of land use along the north main stream coastline， it shows that with the sustainable development of economy and society， the demand of people along the river to broaden living space will continue to grow， and the coastline of the north main stream will gradually form a layout of mainly cultivated land， construction land and water area.

Key words： north main stream coastline; land use change; GIS; transfer matrix; markov forecast

河岸带是水陆交错带，资源十分宝贵，其质量关系到陆地及河流两者的生态状况。黄河流域河道岸线是有限的宝贵资源，其独特的地理位置使其具有丰富的自然功能和社会价值，已成为沿河经济社会建设的重要基础和宝贵战略资源。对其进行合理开发利用和保护治理是黄河流域生态保护和高质量发展的重点工作之一。土地利用变化是反映人类活动程度的重要因子，分析土地利用时空变化规律是揭示人类活动程度的有效方式[1]。

本文采用GIS手段对黄河流域大北干流岸线的河准段（河曲—准格尔旗）、府保段（府谷—保德）和小北干流岸线进行土地利用结构变化、土地利用转移矩阵和土地利用空间变化情况分析，得到2010—2017年大北干流岸线和1990—2015年小北干流岸线土地利用时空变化情况，然后结合土地利用转移矩阵，利用马尔柯夫模型对大北干流岸线2017—2037年和小北干流岸线2015—2035年土地利用结构进行预测。

1 研究区概况

黄河干流的河口镇至禹门口段也称大北干流河段，流域面积11.16万km2，河长725.1 km，水力资源丰富;禹门口至潼关段称为小北干流河段，该河段有汾河、渭河两大支流汇入，河谷展宽，河长约130 km。

大北干流区域内诸多地带并无岸线开发需求，本文选用人口数量相对较多、岸线利用需求较为迫切的河准段和府保段对岸线资源进行分析。河准段河道属山区峡谷型河道，是黄河著名的弯曲性河道之一，段内农业经济较发达，涉河建筑较多，岸线相对稳定，岸线边界采用历史最高洪水位854.7 m的淹没范围边界。府保段河道也属山区峡谷型河道，河滩地主要是耕地、林地和少量园地，岸线相对稳定，岸线边界采用历史最高洪水位820.2 m的淹没范围边界。

小北干流河道左岸为山西省运城市，右岸为陕西省渭南市，属淤积性游荡型河道，剧烈的河势变化使得沿河群众经常受到洪水威胁，岸线边界采用20 a一遇淹没范围边界。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

（1）单一土地利用动态度。单一土地利用动态度简单来说就是指一定时间内某种土地利用类型的变化率，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都有积极的作用[2]，公式为

（2）土地利用转移矩阵。采用土地利用转移矩阵可以衡量土地利用类型的动态变化过程，其來源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，较为常用[3]的转移矩阵为

式中：n为土地利用类型数;Pij代表研究时段内第i类转换为第j类土地利用的面积或百分比。在实际应用中，通常将矩阵用表格形式来表示。

（3）土地利用变化预测。马尔柯夫预测法是由俄国数学家马尔柯夫创造并命名的一种方法，利用转移矩阵分析某一系统的现状及其发展动向，预测该系统未来状况。利用这种方法可以揭示不同土地利用类型之间的转移概率，更好地分析其时空演变过程[4-12]。从某一现状出发，假定在其发展过程中有n个可能的状态，即K1、K2、…、Kn。记Sij为从状态Ki转变为状态Kj的状态转移概率，则矩阵为

2.2 数据来源

研究采用的小北干流数据为1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的1 km栅格数据，采用的土地利用数据由国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn）提供。大北干流研究区区域较小，数据有限，使用的数据为清华大学提供的2010年和2017年的30 m栅格数据。数据集均通过遥感影像人机交互解译，结合外业考察和验证，通过栅格化处理获得，数据真实可靠。

3 研究区土地利用变化分析

3.1 时间变化分析

2010年和2017年大北干流河准段及府保段岸线土地利用情况见图1～图4，1990年、2015年小北干流岸线土地利用情况见图5、图6。

分别统计2010—2017年大北干流河准段及府保段岸线和1990—2015年小北干流岸线土地利用类型变化情况，见表1。

分析表1可知：大北干流河准段岸线从2010年到2017年土地利用类型变化明显，其中建筑用地和水域变化显著，建筑用地呈现上升的变化趋势最为明显，水域呈现下降的变化趋势较明显，耕地、林地、草地、未利用地相对变化较小。原因可能是随着岸线区域工业化、城镇化的快速发展，建筑用地需求增大，岸线侧城市为尽力发展工业区、基础建设等出现了城区改造及围河造地现象。

府保段岸线从2010年到2017年土地利用类型变化也比较明显，其中耕地、林地、水域下降趋势明显，建筑用地上升趋势最为明显，草地、未利用地变化相对较小。原因可能是随着工业化、城镇化快速发展，大量农村人口尤其是青壮年劳动力外出务工，岸线区域常住人口减少导致对耕地的需求逐渐萎缩。而同时，为了快速发展城市的基础设施及工业，对建筑用地产生了巨大的需求，沿河居民将岸线区域的大量土地划为建筑用地，甚至出现自发性围河造地现象。

小北干流1990—2015年岸线土地利用类型变化较大，其中耕地面积呈现先升后降的趋势，原因可能是在2010年之前为了满足岸线经济发展及农村居民对耕地需求的增长，将岸线区域的大量土地划为耕地，以及出现围河造地现象，而在2010年以后随着农村人口尤其是青壮年劳动力外出务工数量增多，耕地面积需求减小。水域面积呈现先降后升的变化规律，这与耕地面积变化规律正好相反，反映出耕地与水域面积变化之间的关联性。建筑用地、未利用地面积整体变化幅度不大。

3.2 空间变化分析

采用ArcGIS空间分析工具，对2010—2017年大北干流河准段及府保段、1990—2015年小北干流岸线土地利用空间分布变化进行分析，结果见图7～图9。

由图7可知：岸线土地利用类型在河准段北部临近河道处出现了小范围变化，2010—2017年水域和建筑用地的空间转化相对剧烈。其中北部出现了较多水域转化为建筑用地的情况，原因是岸线区域工业化、城镇化快速发展，建筑用地需求增加。

分析图8可知：岸线土地利用类型在府保段临近河道处出现了小范围变化，2010—2017年耕地、水域、建筑用地的空间转化相对剧烈。其中在府保段北部、府谷和保德两县县城交界的区域出现了大量水域、耕地转化为建筑用地的情况，说明青壮年劳动力外出，对耕地的需求减小。而同时，城市建设和发展对建筑土地产生了巨大的需求，由此导致了侵占水域面积的现象。

分析图9可知：1990—2015年小北干流岸线土地利用变化主要集中在北部及中部，南部变化较小，其中耕地与水域的变化最为明显。该河段为山区峡谷型河段，滩地本身难以固定，但是随着经济社会发展、人口的增加及上游大型水利枢纽的投入使用，导致水情发生巨大变化，为了扩宽生存空间及改善自身生活环境，部分峡谷区的群众搬迁至河滩上，当地政府为保护群众生命财产安全修建了滩岸工程，随着群众围垦土地逐年增多，部分滩地已变成了基本农田。

3.3 土地利用转移变化

根据式（2）计算的大北干流河准段及府保段、小北干流岸线土地利用转移矩阵见表2～表4。

分析可知：2000—2017年河准段土地类型变化较大的为耕地、水域和建筑用地，其余土地类型变化较小。其中水域有3.14 km2演变成耕地、1.37 km2演化为建筑用地，同时期内有1.43 km2耕地演化为建筑用地，有1.05 km2耕地演化为水域。因此，在水域内占用河道进行耕种和围河造地进行城市建设可能是这段时间水域面积大幅度减小的首要原因。

府保段土地类型变化较大的为耕地、水域和建筑用地，其余土地类型变化较小。其中，耕地有5.50 km2和2.32 km2演变为建筑用地和草地，同时期内只有0.53 km2建筑用地演化为耕地，农村劳动力外流与占用耕种面积进行城市建设可能是主要原因;水域面积减小，有2.89 km2演变为建筑用地、1.61 km2演变成耕地，同时期建筑用地仅有0.09 km2演变为水域，由此可见，在该期间存在人为侵占岸线资源的情况。

大北干流河段部分岸线土地利用类型在耕地、水域与建设用地之间反复转换，这是近年来随着大北干流沿岸地区的经济发展，人口迁移变化和经济发展造成城镇化进程加快等原因造成的。

分析表4可知：1990—2015年小北干流土地类型变化较大的为耕地、草地和水域，其余土地类型变化较小。其中水域有144 km2演变成耕地，同时期内只有30 km2耕地演化为水域。因此，该时期存在较为突出的与水争地现象，有46 km2水域演变为草地，而草地有39 km2和42 km2演变为水域和耕地，耕地仅有6 km2演变为草地。小北干流区域为典型的河道游荡区，上游水利枢纽的泥沙调控使黄河的部分水流冲出原有河道，导致部分耕地和草地被水域覆盖，同时也使部分河道变为滩地，受经济发展和人口增长等因素的驱动，这些区域存在“占滩为耕”的现象，导致部分水域和草地面积减小，转为耕地。

3.4 土地利用变化预测

将2017年大北干流河准段、府保段各土地类型的面积设置为初始状态向量，每经过1 a为1步，利用转移概率矩阵，预测2037年土地利用结构，结果见表5、表6。

大北干流河准段、府保段未来土地利用变化趋势形成的主要原因可能有：①截至2017年大北干流河准段共修建河道工程14处，府保段共修建河道工程6处，随着这些水利枢纽工程的使用，加之上游用水量增加等，使得河道干流水量减少，从而形成大量的沿河滩地;②随着区域经济社会的持续发展，人们对生存空间拓展的需求激增，部分群众为改善生活条件搬迁至河岸地区，将河滩陆续改造成耕地、建筑用地等;③河段沿岸矿产、旅游等资源丰富，如碛口、壶口瀑布等成为“网红打卡地”，各地政府因势利导，大力投资，在当前发展趋势下，如果没有有效的政策加以调控，围河造地现象会日趋严重。

将2015年小北干流各土地类型的面积设置为初始状态向量，每经过1 a为1步，预测2035年土地利用结构，结果见表7。

分析可知：未来小北干流的土地利用结构变化最剧烈的是耕地和水域，这也说明了未来随着经济社会的不断发展，与水争地现象会日趋严重。小北干流这种发展趋势的形成可能有以下原因：①随着城镇化进程的加快，城市人口急剧增多，加之沿河旅游公路等交通条件改善，群众对生存空间拓展的愿望日趋强烈;②当地政府为确保沿河居民生命财产安全，陆续修建了一些护岸、护村工程，滩地位置逐渐稳定，一些滩地被群众自发性开垦成基本农田;③与大北干流情况类似，为提升河岸带居民生活幸福感，一些旅游开发项目、城市景观等工程陆续修建。

为了确保黄河流域水生态高质量发展，黄河河岸带健康发展是今后的重点，因此有以下建议：①沿河城镇应实施最严格的河道管理制度和水资源管理制度;②定时进村、进社区开展法制宣传教育活动，将保护黄河的理念植入民心;③将沿河居民对改善生活环境的愿景与河岸治理规划结合起来，努力做到“双赢”。

4 结 论

本文以黄河北干流岸线为研究区域，利用GIS等技术手段，对2010—2017年大北干流河准段及府保段岸线、1990—2015年小北干流岸线土地利用变化进行了分析，得出以下结论。

（1）黄河北干流岸线土地利用总体结构上呈现建筑用地增长、水域面积减少的态势，可能原因是随着北干流岸线区域经济发展，工业化、城镇化进程加快，沿黄岸线城市出于拓宽城镇居民生存空间的考量，对位于岸线内的主城区基础设施、建筑用地等进行了改造利用，并且出现了围河造地的现象。

（2）大北干流府保段耕地面积出现下降趋势，小北干流的耕地面积以2010年为转折点呈现先增长后减少的态势，原因是随着城镇化进程的加快，大量农村青壮年劳动力外出务工，在一些村庄形成了“空巢村”的现象，农村人口对耕地需求量减少，部分耕地随着城镇化被改造成了建筑用地，这与2008年后国内城镇化进程速度加快相吻合。

（3）结合土地利用变化转移矩阵，利用马尔柯夫模型对大北干流岸線2037年和小北干流岸线2035年土地利用结构进行预测。结果发现：随着经济社会的持续发展，建筑用地的需求量会持续增大，水域面积会持续减小;大北干流河准段和小北干流岸线耕地资源需求会持续增大，大北干流府保段耕地资源需求会减小。由此可以推断：在土地政策没有突然变化的情况下，位于岸线内的城市化建设会导致对建筑用地的需求继续增大，为了拓宽发展空间，还会出现围河造地现象，大北干流府保段农村人口向城镇转移会日趋加剧，岸线内居民对耕地的需求会逐渐减小;北干流岸线土地资源将逐渐形成以耕地、建筑用地和水域为主的布局形式。

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【责任编辑 张华岩】