基于GIS的黃河北干流岸線土地利用變化分析

梁之豪 時芳欣 陳融旭 穆磊

摘 要：河岸帶是水陸交錯帶，資源十分寶貴，其質量關系到陸地及河流兩者的生態狀況，黃河流域岸線資源更為寶貴，為摸清其土地利用時空變化規律，以黃河北干流岸線為研究區域，采用GIS手段分析了黃河大北干流岸線利用需求較為迫切的河曲—準格爾旗（河準段）與府谷—保德（府保段）兩段河道和小北干流岸線土地利用時空變化情況，然后結合土地利用變化轉移矩陣，利用馬爾柯夫模型分別對其土地利用結構進行預測。分析可知，北干流岸線多年間土地利用在耕地、水域和建筑用地之間轉化相對劇烈，其中大部分區域耕地、建筑用地呈增長態勢，水域呈減少態勢。原因可能是隨著北干流岸線區域經濟發展，工業化、城鎮化進程加快，建筑用地、耕地需求增加。利用馬爾柯夫模型對北干流岸線土地利用結構的預測結果表明，隨著經濟社會的持續發展，沿河人民拓寬生存空間的需求會持續增長，北干流岸線將逐漸形成以耕地、建筑用地和水域為主的布局形式。

關鍵詞：北干流岸線;土地利用變化;GIS;轉移矩陣;馬爾柯夫預測

中圖分類號：TV212.4;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.024

引用格式：梁之豪，時芳欣，陳融旭，等.基于GIS的黃河北干流岸線土地利用變化分析[J].人民黃河，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

河岸帶是水陸交錯帶，資源十分寶貴，其質量關系到陸地及河流兩者的生態狀況。黃河流域河道岸線是有限的寶貴資源，其獨特的地理位置使其具有豐富的自然功能和社會價值，已成為沿河經濟社會建設的重要基礎和寶貴戰略資源。對其進行合理開發利用和保護治理是黃河流域生態保護和高質量發展的重點工作之一。土地利用變化是反映人類活動程度的重要因子，分析土地利用時空變化規律是揭示人類活動程度的有效方式[1]。

本文采用GIS手段對黃河流域大北干流岸線的河準段（河曲—準格爾旗）、府保段（府谷—保德）和小北干流岸線進行土地利用結構變化、土地利用轉移矩陣和土地利用空間變化情況分析，得到2010—2017年大北干流岸線和1990—2015年小北干流岸線土地利用時空變化情況，然后結合土地利用轉移矩陣，利用馬爾柯夫模型對大北干流岸線2017—2037年和小北干流岸線2015—2035年土地利用結構進行預測。

1 研究區概況

黃河干流的河口鎮至禹門口段也稱大北干流河段，流域面積11.16萬km2，河長725.1 km，水力資源豐富;禹門口至潼關段稱為小北干流河段，該河段有汾河、渭河兩大支流匯入，河谷展寬，河長約130 km。

大北干流區域內諸多地帶并無岸線開發需求，本文選用人口數量相對較多、岸線利用需求較為迫切的河準段和府保段對岸線資源進行分析。河準段河道屬山區峽谷型河道，是黃河著名的彎曲性河道之一，段內農業經濟較發達，涉河建筑較多，岸線相對穩定，岸線邊界采用歷史最高洪水位854.7 m的淹沒范圍邊界。府保段河道也屬山區峽谷型河道，河灘地主要是耕地、林地和少量園地，岸線相對穩定，岸線邊界采用歷史最高洪水位820.2 m的淹沒范圍邊界。

小北干流河道左岸為山西省運城市，右岸為陜西省渭南市，屬淤積性游蕩型河道，劇烈的河勢變化使得沿河群眾經常受到洪水威脅，岸線邊界采用20 a一遇淹沒范圍邊界。

2 研究方法及數據來源

2.1 研究方法

（1）單一土地利用動態度。單一土地利用動態度簡單來說就是指一定時間內某種土地利用類型的變化率，它對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都有積極的作用[2]，公式為

（2）土地利用轉移矩陣。采用土地利用轉移矩陣可以衡量土地利用類型的動態變化過程，其來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，較為常用[3]的轉移矩陣為

式中：n為土地利用類型數;Pij代表研究時段內第i類轉換為第j類土地利用的面積或百分比。在實際應用中，通常將矩陣用表格形式來表示。

（3）土地利用變化預測。馬爾柯夫預測法是由俄國數學家馬爾柯夫創造并命名的一種方法，利用轉移矩陣分析某一系統的現狀及其發展動向，預測該系統未來狀況。利用這種方法可以揭示不同土地利用類型之間的轉移概率，更好地分析其時空演變過程[4-12]。從某一現狀出發，假定在其發展過程中有n個可能的狀態，即K1、K2、…、Kn。記Sij為從狀態Ki轉變為狀態Kj的狀態轉移概率，則矩陣為

2.2 數據來源

研究采用的小北干流數據為1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的1 km柵格數據，采用的土地利用數據由國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心（http：//www.geodata.cn）提供。大北干流研究區區域較小，數據有限，使用的數據為清華大學提供的2010年和2017年的30 m柵格數據。數據集均通過遙感影像人機交互解譯，結合外業考察和驗證，通過柵格化處理獲得，數據真實可靠。

3 研究區土地利用變化分析

3.1 時間變化分析

2010年和2017年大北干流河準段及府保段岸線土地利用情況見圖1～圖4，1990年、2015年小北干流岸線土地利用情況見圖5、圖6。

分別統計2010—2017年大北干流河準段及府保段岸線和1990—2015年小北干流岸線土地利用類型變化情況，見表1。

分析表1可知：大北干流河準段岸線從2010年到2017年土地利用類型變化明顯，其中建筑用地和水域變化顯著，建筑用地呈現上升的變化趨勢最為明顯，水域呈現下降的變化趨勢較明顯，耕地、林地、草地、未利用地相對變化較小。原因可能是隨著岸線區域工業化、城鎮化的快速發展，建筑用地需求增大，岸線側城市為盡力發展工業區、基礎建設等出現了城區改造及圍河造地現象。

府保段岸線從2010年到2017年土地利用類型變化也比較明顯，其中耕地、林地、水域下降趨勢明顯，建筑用地上升趨勢最為明顯，草地、未利用地變化相對較小。原因可能是隨著工業化、城鎮化快速發展，大量農村人口尤其是青壯年勞動力外出務工，岸線區域常住人口減少導致對耕地的需求逐漸萎縮。而同時，為了快速發展城市的基礎設施及工業，對建筑用地產生了巨大的需求，沿河居民將岸線區域的大量土地劃為建筑用地，甚至出現自發性圍河造地現象。

小北干流1990—2015年岸線土地利用類型變化較大，其中耕地面積呈現先升后降的趨勢，原因可能是在2010年之前為了滿足岸線經濟發展及農村居民對耕地需求的增長，將岸線區域的大量土地劃為耕地，以及出現圍河造地現象，而在2010年以后隨著農村人口尤其是青壯年勞動力外出務工數量增多，耕地面積需求減小。水域面積呈現先降后升的變化規律，這與耕地面積變化規律正好相反，反映出耕地與水域面積變化之間的關聯性。建筑用地、未利用地面積整體變化幅度不大。

3.2 空間變化分析

采用ArcGIS空間分析工具，對2010—2017年大北干流河準段及府保段、1990—2015年小北干流岸線土地利用空間分布變化進行分析，結果見圖7～圖9。

由圖7可知：岸線土地利用類型在河準段北部臨近河道處出現了小范圍變化，2010—2017年水域和建筑用地的空間轉化相對劇烈。其中北部出現了較多水域轉化為建筑用地的情況，原因是岸線區域工業化、城鎮化快速發展，建筑用地需求增加。

分析圖8可知：岸線土地利用類型在府保段臨近河道處出現了小范圍變化，2010—2017年耕地、水域、建筑用地的空間轉化相對劇烈。其中在府保段北部、府谷和保德兩縣縣城交界的區域出現了大量水域、耕地轉化為建筑用地的情況，說明青壯年勞動力外出，對耕地的需求減小。而同時，城市建設和發展對建筑土地產生了巨大的需求，由此導致了侵占水域面積的現象。

分析圖9可知：1990—2015年小北干流岸線土地利用變化主要集中在北部及中部，南部變化較小，其中耕地與水域的變化最為明顯。該河段為山區峽谷型河段，灘地本身難以固定，但是隨著經濟社會發展、人口的增加及上游大型水利樞紐的投入使用，導致水情發生巨大變化，為了擴寬生存空間及改善自身生活環境，部分峽谷區的群眾搬遷至河灘上，當地政府為保護群眾生命財產安全修建了灘岸工程，隨著群眾圍墾土地逐年增多，部分灘地已變成了基本農田。

3.3 土地利用轉移變化

根據式（2）計算的大北干流河準段及府保段、小北干流岸線土地利用轉移矩陣見表2～表4。

分析可知：2000—2017年河準段土地類型變化較大的為耕地、水域和建筑用地，其余土地類型變化較小。其中水域有3.14 km2演變成耕地、1.37 km2演化為建筑用地，同時期內有1.43 km2耕地演化為建筑用地，有1.05 km2耕地演化為水域。因此，在水域內占用河道進行耕種和圍河造地進行城市建設可能是這段時間水域面積大幅度減小的首要原因。

府保段土地類型變化較大的為耕地、水域和建筑用地，其余土地類型變化較小。其中，耕地有5.50 km2和2.32 km2演變為建筑用地和草地，同時期內只有0.53 km2建筑用地演化為耕地，農村勞動力外流與占用耕種面積進行城市建設可能是主要原因;水域面積減小，有2.89 km2演變為建筑用地、1.61 km2演變成耕地，同時期建筑用地僅有0.09 km2演變為水域，由此可見，在該期間存在人為侵占岸線資源的情況。

大北干流河段部分岸線土地利用類型在耕地、水域與建設用地之間反復轉換，這是近年來隨著大北干流沿岸地區的經濟發展，人口遷移變化和經濟發展造成城鎮化進程加快等原因造成的。

分析表4可知：1990—2015年小北干流土地類型變化較大的為耕地、草地和水域，其余土地類型變化較小。其中水域有144 km2演變成耕地，同時期內只有30 km2耕地演化為水域。因此，該時期存在較為突出的與水爭地現象，有46 km2水域演變為草地，而草地有39 km2和42 km2演變為水域和耕地，耕地僅有6 km2演變為草地。小北干流區域為典型的河道游蕩區，上游水利樞紐的泥沙調控使黃河的部分水流沖出原有河道，導致部分耕地和草地被水域覆蓋，同時也使部分河道變為灘地，受經濟發展和人口增長等因素的驅動，這些區域存在“占灘為耕”的現象，導致部分水域和草地面積減小，轉為耕地。

3.4 土地利用變化預測

將2017年大北干流河準段、府保段各土地類型的面積設置為初始狀態向量，每經過1 a為1步，利用轉移概率矩陣，預測2037年土地利用結構，結果見表5、表6。

大北干流河準段、府保段未來土地利用變化趨勢形成的主要原因可能有：①截至2017年大北干流河準段共修建河道工程14處，府保段共修建河道工程6處，隨著這些水利樞紐工程的使用，加之上游用水量增加等，使得河道干流水量減少，從而形成大量的沿河灘地;②隨著區域經濟社會的持續發展，人們對生存空間拓展的需求激增，部分群眾為改善生活條件搬遷至河岸地區，將河灘陸續改造成耕地、建筑用地等;③河段沿岸礦產、旅游等資源豐富，如磧口、壺口瀑布等成為“網紅打卡地”，各地政府因勢利導，大力投資，在當前發展趨勢下，如果沒有有效的政策加以調控，圍河造地現象會日趨嚴重。

將2015年小北干流各土地類型的面積設置為初始狀態向量，每經過1 a為1步，預測2035年土地利用結構，結果見表7。

分析可知：未來小北干流的土地利用結構變化最劇烈的是耕地和水域，這也說明了未來隨著經濟社會的不斷發展，與水爭地現象會日趨嚴重。小北干流這種發展趨勢的形成可能有以下原因：①隨著城鎮化進程的加快，城市人口急劇增多，加之沿河旅游公路等交通條件改善，群眾對生存空間拓展的愿望日趨強烈;②當地政府為確保沿河居民生命財產安全，陸續修建了一些護岸、護村工程，灘地位置逐漸穩定，一些灘地被群眾自發性開墾成基本農田;③與大北干流情況類似，為提升河岸帶居民生活幸福感，一些旅游開發項目、城市景觀等工程陸續修建。

為了確保黃河流域水生態高質量發展，黃河河岸帶健康發展是今后的重點，因此有以下建議：①沿河城鎮應實施最嚴格的河道管理制度和水資源管理制度;②定時進村、進社區開展法制宣傳教育活動，將保護黃河的理念植入民心;③將沿河居民對改善生活環境的愿景與河岸治理規劃結合起來，努力做到“雙贏”。

4 結 論

本文以黃河北干流岸線為研究區域，利用GIS等技術手段，對2010—2017年大北干流河準段及府保段岸線、1990—2015年小北干流岸線土地利用變化進行了分析，得出以下結論。

（1）黃河北干流岸線土地利用總體結構上呈現建筑用地增長、水域面積減少的態勢，可能原因是隨著北干流岸線區域經濟發展，工業化、城鎮化進程加快，沿黃岸線城市出于拓寬城鎮居民生存空間的考量，對位于岸線內的主城區基礎設施、建筑用地等進行了改造利用，并且出現了圍河造地的現象。

（2）大北干流府保段耕地面積出現下降趨勢，小北干流的耕地面積以2010年為轉折點呈現先增長后減少的態勢，原因是隨著城鎮化進程的加快，大量農村青壯年勞動力外出務工，在一些村莊形成了“空巢村”的現象，農村人口對耕地需求量減少，部分耕地隨著城鎮化被改造成了建筑用地，這與2008年后國內城鎮化進程速度加快相吻合。

（3）結合土地利用變化轉移矩陣，利用馬爾柯夫模型對大北干流岸線2037年和小北干流岸線2035年土地利用結構進行預測。結果發現：隨著經濟社會的持續發展，建筑用地的需求量會持續增大，水域面積會持續減小;大北干流河準段和小北干流岸線耕地資源需求會持續增大，大北干流府保段耕地資源需求會減小。由此可以推斷：在土地政策沒有突然變化的情況下，位于岸線內的城市化建設會導致對建筑用地的需求繼續增大，為了拓寬發展空間，還會出現圍河造地現象，大北干流府保段農村人口向城鎮轉移會日趨加劇，岸線內居民對耕地的需求會逐漸減小;北干流岸線土地資源將逐漸形成以耕地、建筑用地和水域為主的布局形式。

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【責任編輯 張華巖】