大型河道工程對流域LUCC 的影響評價
——以淮河入海水道二期工程為例

王之昱

（河海大學公共管理學院，南京 211100）

河道工程是指為了滿足泄洪、通航、灌溉、排澇等功能而建設的輸水通道，一般按照防洪對象重要性來劃分為大、中、小型項目［1］。大型河道工程建設既為沿線地區農業發展提供重要水源，同時能擴大流域行洪排澇能力，保障區域安全，對流域內地區經濟社會發展具有重要保障作用［2］。由于大型河道工程建設戰線長、占地面積大、工程涉及范圍廣的特點［3］，其建設對區域土地開發利用產生巨大影響。科學評價工程建設對區域土地利用/覆被（LUCC）的影響，既關系到工程建設決策、設計優化，也關系到區域國土空間利用調整，同時，也是優化土地利用結構、緩解區域土地利用矛盾、協調區域土地利用功能沖突、促進區域經濟社會高質量發展的依據。因此，如何客觀評價大型河道工程對沿線土地利用的影響，既是工程決策的現實問題，也是值得研究的理論問題。

土地利用/覆被變化本質上是社會-經濟-生態復合系統相互作用與協同發展的過程。概覽既有文獻，目前針對土地利用的研究內容主要集中在以下兩個方面，一是土地利用變化影響因素的識別［4-6］以及動力機制探索［7-9］，二是土地利用變化預測與模擬研究［10，11］。前者主要對區域內土地利用變化的驅動力因素進行分析研究，包括探尋目標地區土地利用變化由何種因素驅動［12］、如何驅動［13］以及各用地類型之間如何轉換［14］；后者則主要通過構建模型模擬地區未來土地利用情況，以期對研究區域內未來城市發展邊界［15］、生態服務價值［16］、三生空間變化［17］作出預測。當前學界尚未重視工程建設對土地利用的影響研究，現有文獻中只有少量關于生態工程建設［18］以及交通工程建設對區域土地利用影響［19］研究且局限于工程已實施情況下。除此之外，目前有關河道工程影響的文獻研究重點多集中于河道工程對流域環境［20］、河流生態［21］的影響以及工程移民安置規劃研究［22，23］。鮮有學者研究尚未實施的大型河道工程對沿線地區土地利用變化的影響。

土地利用格局作為人類活動高度集中、物質能量頻繁交互且地表劇烈變化的產物［24］，隨著社會經濟不斷發展，各類型用地之間的矛盾愈演愈烈，區域土地統籌開發、國土空間優化利用不僅是中國國土空間規劃的核心命題，更是區域經濟社會高質量發展的必由之路。大型河道工程建設嵌入區域土地利用，不僅改變了區域土地利用結構，改變土地自然狀況和利用條件，同時防洪、除澇條件改善，也為土地高質量利用提供了基礎，如何評價工程建設對土地利用的影響是地方政府和工程決策者共同關心的問題。本研究以淮河入海水道二期工程為例，將沿線4 個區（縣）納入研究區域，基于工程建設既定規劃設定發展情景，采用Markov-Flus 模型，模擬2030 年沿線地區在不同發展情景下土地利用格局變化，分析淮河入海水道二期工程對沿線土地利用產生的影響，從空間協調視角為工程決策和優化設計，以及高質量土地利用提出合理化建議。

1 研究方法與數據來源

1.1 大型河道工程對土地利用/覆被變化影響機理

從供需視角來看，土地資源合理配置的根本目的是在一定社會經濟技術水平下滿足社會經濟發展所需的土地資源合理利用［25］。土地利用/覆被變化本質上是人類對不同類型用地的需求以此來實現經濟目標、社會目標以及生態目標的過程。影響土地供需的因素可以歸結為社會、經濟和生態3 個方面。社會因素包括人口變化與發展、自身生存發展與需求等；經濟因素包括地區經濟發展、城鎮擴張和規模成本等；生態因素則集中在環境與資源的約束與需求上［26］。基于工程特點，大型河道工程建設對沿線地區外部性同樣集中體現在經濟-社會-生態系統上。工程建設將改善區域交通、農業水源等經濟發展區位條件，保障沿線社會穩定發展；除此之外，項目建設也會征占耕地、水塘、道路、林地等影響植被生長，在施工期擾動地表，從而引發水土流失等生態問題［27］。同時，工程建設除了永久性征占土地之外，還將產生大量棄土區，影響流域區（縣）土地利用供給指標的平衡。大型河道工程本質上是通過對區域經濟-社會-生態復合系統的作用，以此改變各類用地供需情況，進而影響區域土地利用變化（圖1）。

圖1 大型河道工程建設對土地利用影響機制

淮河入海水道二期工程作為2011 年3 月國務院批復關于治淮工作的重點項目之一，是擴大淮河行洪能力的關鍵性工程，也是區域農業生產的重要水源。該工程在一期工程基礎上進行河道擴挖、堤防加高加固、沿線樞紐擴建等，在提高渠北地區排澇標準、加強鞏固淮河入海能力的同時創造通航條件，建成后可使洪澤湖防洪標準提高到300 年一遇，對保障并促進流域經濟社會的發展具有重大意義［2］。但同時工程建設將征占大量土地，影響多個行政區域；如何減少工程建設的負外部性，是一個復雜的問題。

1.2 研究區域概況

淮河入海水道工程位于江蘇省境內，途經淮安市的清江浦區、淮安區以及鹽城市的阜寧縣和濱海縣4 個區（縣），全長162.3 km，沿線4 個區（縣）皆位于江蘇北部平原地區，總面積約為5 150.22 km2。地區概況與土地利用現狀如圖2 所示。

圖2 研究區區位及概況

地區以溫帶季風氣候為主，四季分明。受“一帶一路”等國家戰略影響，近年來區域內經濟水平穩步提升、城鎮化進程快速推進但空間差異顯著；目前清江浦區建設用地占比最高，達到了35.63%，淮安區最低，僅為16.34%。在嚴格的耕地保護制度下，作為調節蘇南地區耕地占補平衡的重要糧倉，區域內耕地保護管控力度不斷加強；阜寧縣現有耕地數量占比高達64.04%，清江浦區最低，為40.74%。淮河生態經濟走廊、沿海灘涂生態保護等生態工程的落實與開展，進一步推進區域內景觀生態格局建設，深化生態環境全域保護與治理。在城鎮化持續推進、耕地管控日益嚴格、生態治理不斷強化的時代背景下，如何實現城鎮發展、耕地保護以及生態安全的步調和諧，減少河道工程建設對土地利用格局的不利影響，是淮河入海水道沿線地區亟需解決的難題。鑒于此，以淮河入海水道沿線4 個區（縣）作為研究區域，展開對工程影響下區域土地利用變化的研究。

1.3 研究方法

1.3.1 基于工程建設的情景設置 基于河道工程特點，該工程建設將侵占沿線大量土地，其中包括工程建設用地以及棄土堆放用地。基于此，研究根據工程建設實際規劃，設立自然發展與工程實施2 類情景，分別模擬工程有無實施情況下區域土地利用變化情況，并對比兩者差異，從而分析工程建設對區域土地利用的外部性影響。為緩解工程后沿線土地利用結構性矛盾、優化流域內國土空間開發，根據區域土地利用現狀，在工程實施情景下設置2 個子情景，分別為保障發展情景以及耕地保護情景。根據各類情景特點以及工程建設規劃，設置各用地類型之間的轉移概率，同時利用Markov 鏈估算2030 年不同情景下各類用地需求量。各情景設置如下。

1）自然發展情景（Q1）。基于2010 年、2015 年、2018 年3 期土地利用數據，在遵循區域自然發展規律、無工程建設的前提下，通過Markov 鏈預測2030年區域各類型用地需求量，并模擬未來土地利用情況。

2）工程實施情景。在自然發展情景之外納入工程建設情況的考量，包括河道拓寬、區域內河道可達性增強、土地需求量變化以及航運功能的增加。為解決工程實施后區域土地利用結構性矛盾，根據區域現狀，在此情景下設置兩個子情景。①保障發展情景（Q2）。淮河入海水道沿線地區仍屬于經濟社會快速發展的階段，城鎮化發展仍然是未來區域發展的重點之一。因此，在該情景中工程建設不占用地區建設用地指標，同時增強其他用地類型向城鎮建設用地轉移的趨勢，保障并促進區域城鎮化發展。②耕地保護情景（Q3）。研究區域作為重要糧倉，肩負保障區域糧食安全的重要任務。在此情景中遵循地方對于耕地“應保盡保”的政策方針，對工程所占耕地采取占補平衡的措施，同時緩解耕地向其他建設用地轉移的趨勢。

1.3.2 基于Markov-Flus 模型的土地利用變化模擬Flus（Future Land Use Stimulation）模型是吳 欣昕等［28］在吸取集成系統動力學和元胞自動機模型優勢的基礎上，加入ANN 人工神經網絡模型（Artificial Neural Networks）以及輪盤賭機制［29］擬合而成的模型。該模型能有效模擬未來不同情境下土地利用格局［30］，模擬社會、自然與經濟等多種因素共同驅動的區域土地利用變化，預測未來變化趨勢［31］。模型首先通過神經網絡算法，結合研究區域初始年份土地利用數據和土地利用變化的驅動因子，計算并得出區域各用地類型的適宜性概率。隨后采用基于自適應慣性機制的元胞自動機模型（CA），結合各類型土地的適宜性概率、未來土地需求量以及限制區域等因素模擬未來特定情境下區域土地利用情況［29］，能夠有效避免傳統CA 模型在元胞形態、領域規則等方面存在局限的問題［28］。Markov 鏈模型則根據以往區域各類型用地變化趨勢，預測未來各類用地的需求量。研究結合河道工程建設規劃設置模型參數并以此預測未來研究區域土地利用需求量以及土地利用格局變化。模型設置主要包含以下4 個方面。

1）土地利用需求量預測。利用Markov 鏈模型，以 2010 年、2015 年、2018 年各類用地數量作為基礎數據，預測2030 年目標地區各類用地需求量，根據不同情景設置，估算不同情境下的用地需求（表1）。

表1 研究區域2030 年各情景土地需求量 （單位：km2）

2）成本矩陣設置。轉換成本矩陣用來表示現有用地類型轉換為目標用地類型的困難程度，若一種類型用地可以向另一類土地轉化，其值為1，反之為0。本研究根據不同情景設置不同的成本矩陣（表2）。

表2 轉換成本矩陣

3）鄰域權重參數設置。領域影響因子代表不同地類之間相互作用力的大小，反映了領域之間的相互作用，體現某一類型用地的擴張程度。領域影響參數范圍一般在0 到1 之間，越接近0 表示該用地類型的擴張能力越弱，反之則越強。由于土地利用變化與驅動因子之間存在著復雜的互動關系［14］，難以直接計算各類型用地的擴張強度。因此本研究參考其他學者的方法［32，33］，根據區域各類用地歷史擴張規律計算各類用地擴張強度并進行無量綱化處理，最后得出鄰域權重參數，使其滿足Flus 模型要求（表3）。

表3 領域權重參數設置

4）模型精度檢驗。在研究地區2010 年土地利用數據基礎上，首先利用Markov 鏈預測出2015 年清江浦區各類土地需求量，隨后帶入Flus 模型對當前區域未來土地利用變化進行預測，將預測結果與2015 年土地利用數據進行對比，計算Kappa 系數與總體精度。Kappa 系數和總體精度的值越接近于1表明模型模擬精度越高，當Kappa 系數大于0.75 時，即表明該模型具有較高的精準度。計算發現總體精度為 0.86，Kappa 系數達到了 0.88，表明 Flus 模型適用于模擬該地區未來土地利用變化狀況，且精度水平較高。

1.3.3 數據來源 基礎數據包括區域行政區劃以及2010 年、2015 年、2018 年 3 期土地利用數據，數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心。根據區域土地利用現狀以及研究需要，將土地利用類型分為耕地、草地、林地、水域、城鎮及工礦用地、農村居民點6 類。

驅動力因子方面，研究選取自然、社會和經濟3個維度10 個影響因子進行討論。其中影響土地利用變化的自然因子包括高程、坡度與坡向，數據來源于地理空間數據云平臺并通過DEM 數據提取；驅動區域土地利用變化的社會因子主要體現為區域可達性程度，包括區域內重點城鎮、鐵路、道路以及水域可達性程度，數據利用ArcGIS 提取歐式距離計算出每個柵格單元的可達性值。表征區域發展狀態的經濟因子包括人口密度、夜間燈光分布以及POI 密度。以上數據均來源于中國科學院資源環境科學與數據中心。限制因子選取地區土地利用總體規劃中耕地保護紅線以及生態紅線區域（表4）。所用數據均通過ArcGIS 處理為柵格大小為30 m×30 m 的數據，使其滿足Flus模型數據要求。

表4 情景模擬主要數據說明及來源

2 結果與分析

2.1 2010—2018 年區域土地利用/覆被格局變化特征

首先對2010—2018 年研究區域土地利用結構與轉移矩陣進行統計分析。由圖3、表5 可知，2018年區域內城鎮及工礦用地占比較低，總面積為308.36 km2，僅占區域總面積的5.99%，地區經濟社會發展潛力巨大。區域生態類用地占比超過城鎮及工礦用地，總面積為1 231.44 km2，占研究區域總面積的23.90%，其中水域占比超90%，沿線地區水資源豐富。地區主要用地類型為耕地及農村居民點，其面積分別為2 932.73、677.19 km2，總計占比高達70.10%，耕地儲備豐富，農村地區廣袤。除耕地及農村居民點外，清江浦區以城鎮及工礦用地為主要用地類型，區內城鎮及工礦用地占比超過20%。淮安區和阜寧縣用地類型以耕地為主，區域內耕地占比均超過60%，耕地面積總和達到了1 779.90 km2；水域面積占比排名第二，合計579.73 km2。濱海縣各類型用地數量為4 區（縣）中最高，其中耕地面積1 026.68 km2，占比52.69%；其次為生態類型用地，總面積538.55 km2，占比約為27.63%；城鎮及工礦用地數量占比最少為6.39%，但其面積仍為沿線地區最高。

表5 2010—2018 區域土地利用變化率結果

圖3 2018 年區域土地利用結構

從2010—2018 年研究區域4 個區（縣）各類用地變化來看，農村居民點均處于增加的態勢，然而耕地數量卻有著不同程度的流失。除濱海縣外，各區（縣）城鎮及工礦用地數量同樣有所增長，區域城鎮化進程穩步推進。由于濱海縣對沿海灘涂的保護，濱海縣沿海工礦用地數量大幅縮減，取而代之的是水域面積的增長。區域內出現生態類用地減少的狀況，部分區域草地、林地數量呈減少趨勢。

2.2 2018—2030 年工程影響下區域土地利用/覆被格局變化分析

為研究河道工程建設對沿線地區土地利用的影響，本研究利用Flus 模型模擬2030 年沿線區域在有無工程建設情景下土地利用格局變化并對比各情景模擬結果。模擬結果如圖4 所示，Q1、Q2、Q3 分別代表自然發展情景、保障發展情景與耕地保護情景。

圖4 2030 年多情景土地利用預測

2.2.1 多情景區域土地利用/覆被變化結果 由于各區域土地利用驅動因子及土地利用格局差異，針對不同情景，土地利用變化結果互異。

在自然發展情景下，淮河入海水道沿線地區土地利用變化格局總體呈現耕地面積逐年縮減，建設用地數量逐年增加的特點。耕地減少區域集中分布在城鎮周圍，其中清江浦區耕地流失現象最為嚴重，區域內耕地數量縮減近10%；阜寧縣耕地流失數量最少，僅占地區耕地數量的0.11%。由于經濟社會不斷發展，建設用地成為區域各類用地中增長幅度最大的用地類型。沿線4 個區（縣）新增建設用地占比均超過10%且集中分布在現有城鎮中心周邊。此情景下生態類用地變化較小，城鎮區域擴張并沒有破壞生態類用地的整體布局。

在保障發展情景下，河道工程的實施對區域土地利用變化格局產生的外部性影響主要體現在以下幾個方面。①生態類用地格局變化，河道拓寬導致淮河入海水道北側水域面積增加，但與此同時沿線區域林地、草地范圍相比自然發展情景下略有縮減。②區域內建設用地數量進一步增長，清江浦區建設用地總量增長最高，約為12.92%，阜寧縣增長最低，為4.74%。城鎮及工礦用地范圍呈現沿河流或向河流方向擴大的趨勢，農村居民點無明顯變化。③耕地面積進一步縮減，各區（縣）耕地減少量總和為88.7 km2。河道拓寬以及建設用地擴張占用大量耕地，表現為區域內農村各地區耕地均減少，入海水道北側減少顯著。

相比保障發展情景，耕地保護情景下區域耕地流失情況得到明顯改善，除水域外生態類用地縮減趨勢有所緩解。耕地數量相比自然發展情景減少37.55 km2，遠低于保障發展情景下耕地減少量，其中阜寧縣耕地數量出現增長趨勢。此情景下受影響最大的地類為城鎮及工礦用地，其數量相比自然發展情景減少約8.27%，顯著制約了地區城鎮化發展。其變化表現為重點式減少、均衡式增長的特點，總體呈減少趨勢。

2.2.2 河道工程建設對區域土地利用/覆被影響分析 考慮到淮河入海水道二期工程建設尚在設計規劃階段，本研究基于多情景視角，通過對比不同情景下土地利用變化情況，研究河道工程項目對目標區域土地利用變化的影響。

通過有無工程兩類情景對比可知，在保障發展情景下，河道工程建設占用沿線大量耕地，加快地區耕地流失速度，極大地影響了地區耕地保護與發展；此情景下建設用地擴張速度加快、空間布局更靠近河流，尤其是城鎮及工礦用地，表明工程實施后帶來的區位變化對地區城鎮化及經濟發展起到一定的積極作用。

相反，在耕地保護情景下，河道工程建設占用地方建設用地指標，對地區城鎮規模的增長起到一定的制約作用。模擬結果表明，該情景可以有效促進耕地保護與發展，工程建設對沿線地區農業灌溉等農業生產要素帶來積極的影響。該情景對地區城鎮擴張的限制作用使得除水域外生態類用地縮減趨勢得到緩解。

多情景下區域土地利用變化表明，從發展的視角來看，河道工程建設對當地經濟社會發展具有一定的促進作用，表現為改善農業生產要素及地區經濟發展區位。但在短期內，工程建設占用沿線地區大量土地會造成區域土地利用結構性矛盾，將會對城鎮發展、耕地保護帶來一定壓力，地方政府不僅需要面對建設用地指標收縮的困境，還需要關注耕地流失過快帶來的負面影響。土地利用結構與布局變化本質上與國土空間變化協同，土地利用結構性矛盾會對地區國土空間優化利用產生一定的影響。研究表明，構建科學適度有序的國土空間格局是實現地區高質量發展的根本保證［24］。該河道工程建設的不利影響除了體現在沿線地區短期內土地利用結構性矛盾之外，更體現在國土空間布局優化與地區高質量發展的交互作用上。

3 小結與討論

本研究在基于Markov-Flus 復合模型對土地利用格局預測的基礎上，以淮河入海水道二期工程建設為例，增設河道工程建設情景。從多情景視角出發，定量地揭示了河道工程建設對沿線地區土地利用的影響，得出以下結論。

2010—2018 年淮河入海水道二期工程沿線區（縣）土地利用變化結果表明，研究區域主要用地類型為耕地，且表現為不斷縮減的趨勢。生態類用地分布格局及數量變化較小。建設用地不斷擴張，呈現耕地向建設用地轉變的趨勢。

多情景模擬結果表明，河道沿線區域并沒有因為工程建設而破壞生態類用地的整體格局，其中水域面積得到擴張。相較于自然發展情景，保障發展情景下耕地、草地和林地數量分別減少88.70、1.73和2.48 km2，水域和建設用地分別增長79.51 和13.40 km2；耕地保護情景下耕地與建設用地分別減少37.55 和42.11 km2，草地、林地和水域分別增長0.12、0.03 和79.51 km2。所有情景下地區都呈現耕地面積減少。工程建設后保障發展情景加速了區域城鎮擴張與經濟發展；耕地保護情景對區域耕地流失的緩解效應顯著。

對比多情景模擬結果可知，淮河入海水道二期工程占用沿線地區大量土地，主要表現為建設用地供給量減少與耕地流失加劇，短期內會造成區域土地利用結構性矛盾，建成初期將不利于地區國土空間優化利用與布局。但其建設能改善農業生產要素以及提升區域經濟發展區位條件，對地區社會經濟高質量、可持續發展具有重大意義。

科學預測與評價大型河道工程建設對區域LUCC 的影響，不僅有利于工程決策者優化設計方案以及政府部門協調空間規劃，同時能推動區域國土空間高效利用與發展。

從河道工程建設規劃設計入手，創新并拓展Flus 模型的運用范圍，依據現有規劃設計方案運用模型預測其對區域土地利用/覆被影響，填補大型河道工程對區域LUCC 影響評價的理論和方法空白。研究綜合耕地保護、城鎮開發協調發展，以淮河入海水道二期工程為例，運用Markov-Flus 復合模型預測了研究區域在有無河道工程建設情景下的土地利用/覆被變化情況，分析大型河道工程建設對區域土地利用產生的影響，為地方政府及工程決策者合理規避河道工程建設對區域土地利用/覆被產生的負面影響提供理論依據。除此之外，科學評價大型河道工程建設對區域LUCC 的影響，對區域優化土地利用結構、緩解地區土地利用矛盾、協調流域土地利用功能沖突具有積極意義。與此同時，區域土地利用與國土空間規劃息息相關，本研究能為區域進行“自下而上”的國土空間規劃以及空間高質量發展提供參考［34］。對于淮河入海水道沿線區（縣）而言，河道工程建設產生的負面影響主要表現為工程征占地帶來的土地利用結構性矛盾。因此，工程規劃部門需要優化工程設計，減少棄土區等低效率占地問題；地方政府應當制定相應的國土空間規劃，促進空間協調發展，從而減少河道工程建設帶來的負面影響，促進地區經濟高質量發展。