基于分形的南水北调中线工程河南水源区用地结构演变分析

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0959

中国农学通报 ›› 2026, Vol. 42 ›› Issue (7): 121-129.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0959

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基于分形的南水北调中线工程河南水源区用地结构演变分析

王国重¹(), 陈朝阳², 徐新龙², 张武云², 张继宇³, 王一帆², 卢圆章⁴

¹ 黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004
² 河南省南阳水文水资源测报分中心，河南南阳 473000
³ 河南黄河河务局，郑州 450003
⁴ 河南省水文水资源测报中心，郑州 450003

收稿日期:2025-12-02 修回日期:2026-03-13 出版日期:2026-04-15 发布日期:2026-04-15
作者简介:
王国重，男，1972年出生，河南南阳人，正高级工程师，博士，主要从事水文水资源、水土保持等方面的工作。通信地址：450004 河南省郑州市城北路12号黄委会水文局，E-mail：zhonggw2020@163.com。
基金资助:
河南省科技攻关计划“基于土地利用的丹江口水库水源区生态系统服务权衡协同关系分析”(GG202410)

Evolution Analysis of Land Use Structure in Water Source Area of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project in Henan Based on Fractals Theory

WANG Guozhong¹(), CHEN Zhaoyang², XU Xinlong², ZHANG Wuyun², ZHANG Jiyu³, WANG Yifan², LU Yuanzhang⁴

¹ Hydrology and Water Resources of Yellow River Scientific Research Institute, Zhengzhou 450004
² Nanyang Branch of Hydrology and Water Resources Survey and Forecast Center in Henan, Nanyang, Henan 473000
³ Henan Yellow River Bureau, Zhengzhou 450003
⁴ Hydrology and Water Resources Survey and Forecast Center in Henan, Zhengzhou 450003

Received:2025-12-02 Revised:2026-03-13 Published:2026-04-15 Online:2026-04-15

摘要/Abstract

摘要：

为探究南水北调中线工程河南水源区流域用地结构演变规律，基于1990—2021年遥感影像，运用分形理论剖析各类用地面积变化与空间结构的稳定性。结果表明，1990—2021年该流域耕地、灌丛地、草地和未利用地面积总体减少，而林地、水域和建设用地面积显著增加；斑块平均面积呈增长趋势，但不同用地类型表现各异。分形维数分析显示，人类活动是流域用地类型变化的主要因素，总体分形维数呈逐年降低趋势（由1.4038降至1.3580），表明用地结构趋于有序化，稳定性逐步提升（稳定性指数由0.0962增至0.1420），但易受外界因素影响。因此，建议未来流域用地规划中，实施必要的人为控制，进一步降低用地结构的分形维数，提高其稳定性，保障水源区生态安全。

关键词: 分形理论, 水源区, 土地利用, 演变

Abstract:

To grasp the evolution characteristics of land use structure within the Henan water source area of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project, using remote sensing images from 1990-2021, the fractal theory was adopted to analyze the changes in various land use areas and the stability of spatial structure, to reveal the transformation and evolution laws of land use structure. The results were as following. During 1990-2021, the areas of cultivated land, shrub land, grassland and unused land had generally decreased, while the areas of forest land, water areas and construction land had shown increasing trend; the average area of patches had been increasing overall, from 1990-2021, it increased by 0.052 square kilometers; the average area of patches in cultivated land, forest land, water area, unused land and construction land had increased, while that in shrub land and grassland had decreased; human activities were the main factor triggering change of land use types in the basin and the overall fractal dimensions in 1990, 2000, 2010 and 2021 were 1.4038, 1.3805, 1.3660 and 1.3580, respectively, showing gradually decreasing trend, indicating that the land use structure was tending to be orderly; the corresponding stability index gradually increased from 0.0962 to 0.1420, but the stability was not high and it was easily affected by external factors. In the future, land use planning of the basin, artificial controls should be implemented to reduce the fractal dimension of land use structure and enhance its stability.

Key words: fractal theory, water source area, land use, evolution

王国重, 陈朝阳, 徐新龙, 张武云, 张继宇, 王一帆, 卢圆章. 基于分形的南水北调中线工程河南水源区用地结构演变分析[J]. 中国农学通报, 2026, 42(7): 121-129.

WANG Guozhong, CHEN Zhaoyang, XU Xinlong, ZHANG Wuyun, ZHANG Jiyu, WANG Yifan, LU Yuanzhang. Evolution Analysis of Land Use Structure in Water Source Area of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project in Henan Based on Fractals Theory[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2026, 42(7): 121-129.

图/表 6

参考文献 24

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地类		2000年
地类		耕地	林地	灌丛地	草地	水域	未利用	建设	总计
1990年	耕地	25.5182	0.7580	0.0089	0.6708	0.0131	0	0.5046	27.4736
	林地	3.5357	59.8179	0.0399	0.0683	0.0001	0	0.0059	63.4677
	灌丛地	0.0025	0.3142	0.2029	0.0633	0	0	0	0.5829
	草地	0.2925	0.8127	0.0852	2.2276	0.0014	0	0.0302	3.4496
	水域	0.5594	0.0011	0	0.0024	2.502	0	0.2030	3.268
	未利用	0.0003	0	0	0.0002	0	0.0001	0.0005	0.0011
	建设	0.0003	0	0	0	0.0164	0	1.7404	1.7571
	总计	29.9089	61.7039	0.3369	3.0326	2.533	0.0001	2.4846	100

地类		2000年
地类		耕地	林地	灌丛地	草地	水域	未利用	建设	总计
1990年	耕地	25.5182	0.7580	0.0089	0.6708	0.0131	0	0.5046	27.4736
	林地	3.5357	59.8179	0.0399	0.0683	0.0001	0	0.0059	63.4677
	灌丛地	0.0025	0.3142	0.2029	0.0633	0	0	0	0.5829
	草地	0.2925	0.8127	0.0852	2.2276	0.0014	0	0.0302	3.4496
	水域	0.5594	0.0011	0	0.0024	2.502	0	0.2030	3.268
	未利用	0.0003	0	0	0.0002	0	0.0001	0.0005	0.0011
	建设	0.0003	0	0	0	0.0164	0	1.7404	1.7571
	总计	29.9089	61.7039	0.3369	3.0326	2.533	0.0001	2.4846	100

地类		2010年
地类		耕地	林地	灌丛地	草地	水域	未利用	建设	总计
2000年	耕地	27.8444	1.2708	0.0016	0.1134	0.2518	0	0.4269	29.9089
	林地	2.4007	59.1977	0.0098	0.088	0.0002	0	0.0074	61.7038
	灌丛地	0.0067	0.2065	0.0929	0.0308	0	0	0	0.3369
	草地	1.2618	0.4581	0.0179	1.2763	0.0032	0	0.0153	3.0326
	水域	0.0314	0.0028	0	0.0003	2.4773	0	0.0213	2.5331
	未利用	0	0	0	0	0	0	0.0001	0.0001
	建设	0.0043	0.0001	0	0	0.1607	0	2.3195	2.4846
	总计	31.5493	61.136	0.1222	1.5088	2.8932	0	2.7905	100

地类		2010年
地类		耕地	林地	灌丛地	草地	水域	未利用	建设	总计
2000年	耕地	27.8444	1.2708	0.0016	0.1134	0.2518	0	0.4269	29.9089
	林地	2.4007	59.1977	0.0098	0.088	0.0002	0	0.0074	61.7038
	灌丛地	0.0067	0.2065	0.0929	0.0308	0	0	0	0.3369
	草地	1.2618	0.4581	0.0179	1.2763	0.0032	0	0.0153	3.0326
	水域	0.0314	0.0028	0	0.0003	2.4773	0	0.0213	2.5331
	未利用	0	0	0	0	0	0	0.0001	0.0001
	建设	0.0043	0.0001	0	0	0.1607	0	2.3195	2.4846
	总计	31.5493	61.136	0.1222	1.5088	2.8932	0	2.7905	100

地类		2021年
地类		耕地	林地	灌丛地	草地	水域	未利用	建设	总计
2010年	耕地	25.2154	3.9057	0.0011	0.1107	1.6057	0.0002	0.7106	31.5493
	林地	1.0152	60.0791	0.0126	0.0092	0.0019	0	0.0181	61.136
	灌丛地	0.0033	0.0914	0.0227	0.0047	0	0.0001	0	0.1222
	草地	0.6030	0.4853	0.009	0.3986	0.0051	0.0004	0.0075	1.5089
	水域	0.0532	0.0034	0	0.0002	2.8267	0	0.0097	2.8932
	未利用	0	0	0	0	0	0	0	0
	建设	0.0025	0	0	0	0.3299	0	2.458	2.7904
	总计	26.8926	64.5649	0.0454	0.5234	4.7693	0.0007	3.2038	100

基于分形的南水北调中线工程河南水源区用地结构演变分析

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用地类型	年份	斑块数	面积/km²	周长/km	斑块平均面积/km²	面积占比/%
耕地	1990	85730	2263.398	44502.840	0.026	27.4724
	2000	56549	2464.035	36333.350	0.044	29.9076
	2010	38294	2599.187	34856.650	0.068	31.5481
	2021	31157	2215.451	34112.830	0.071	26.8904
林地	1990	39887	5229.057	43684. 050	0.131	63.4686
	2000	23240	5083.720	33164.130	0.219	61.7045
	2010	19209	5036.920	27565.510	0.262	61.1365
	2021	14496	5319.457	26460.240	0.367	64.5658
灌丛地	1990	19240	48.008	3935.461	0.003	0.5827
	2000	9638	27.736	2101.421	0.003	0.3367
	2010	4656	10.059	876.560	0.002	0.1221
	2021	1754	3.737	321.032	0.002	0.0454
草地	1990	58952	284.191	16313.020	0.005	3.4494
	2000	41856	249.870	12913.240	0.006	3.0328
	2010	29142	124.317	7660.680	0.004	1.5089
	2021	16514	43.121	3299.890	0.003	0.5234
水域	1990	1573	269.292	1514.823	0.171	3.2686
	2000	2670	208.727	1525.876	0.078	2.5335
	2010	1367	238.407	1441.814	0.174	2.8937
	2021	895	393.013	1535.810	0.439	4.7703
未利用地	1990	57	0.092	9.115	0.002	0.0011
	2000	9	0.008	1.080	0.001	0.0001
	2010	1	0.002	0.180	0.002	0
	2021	11	0.054	2.979	0.005	0.0007
建设用地	1990	36586	144.777	8971.392	0.004	1.7573
	2000	35083	204.718	10077.370	0.006	2.4848
	2010	34598	299.923	10349.850	0.009	3.6404
	2021	30803	263.981	10275.610	0.009	3.2041
合计	1990	242025	8238.814	118930.700	0.034	100
	2000	169045	8238.814	96116.470	0.049	100
	2010	127267	8238.814	82751.250	0.065	100
	2021	95630	8238.814	76008.390	0.086	100

用地类型	年份	回归模型	R²	D	SI
耕地	1990	lnA(s)=1.4032×lnP(s)-3.9767	0.9038	1.4253	0.0747
	2000	lnA(s)=1.4278×lnP(s)-3.9303	0.9150	1.4008	0.0992
	2010	lnA(s)=1.4450×lnP(s)-3.8983	0.9516	1.3841	0.1159
	2021	lnA(s)=1.4373×lnP(s)-3.8924	0.9479	1.3915	0.1085
林地	1990	lnA(s)=1.4191×lnP(s)-3.9414	0.9377	1.4093	0.0907
	2000	lnA(s)=1.4212×lnP(s)-3.9221	0.9315	1.4073	0.0927
	2010	lnA(s)=1.4532×lnP(s)-3.8666	0.9557	1.3763	0.1237
	2021	lnA(s)=1.4916×lnP(s)-3.7761	0.9731	1.3408	0.1592
灌丛地	1990	lnA(s)=1.4902×lnP(s)-3.8202	0.9160	1.3421	0.1579
	2000	lnA(s)=1.5391×lnP(s)-3.7312	0.9695	1.2995	0.2005
	2010	lnA(s)=1.4961×lnP(s)-3.8081	0.8872	1.3368	0.1632
	2021	lnA(s)=1.5028×lnP(s)-3.7872	0.8587	1.3308	0.1692
草地	1990	lnA(s)=1.4336×lnP(s)-3.9233	0.9058	1.3951	0.1049
	2000	lnA(s)=1.4754×lnP(s)-3.8431	0.9341	1.3556	0.1444
	2010	lnA(s)=1.4803×lnP(s)-3.8404	0.9330	1.3511	0.1489
	2021	lnA(s)=1.4768×lnP(s)-3.8483	0.8774	1.3543	0.1457
水域	1990	lnA(s)=1.4587×lnP(s)-3.8843	0.9097	1.3711	0.1289
	2000	lnA(s)=1.4061×lnP(s)-3.9660	0.8360	1.4224	0.0776
	2010	lnA(s)=1.4826×lnP(s)-3.8493	0.9385	1.3490	0.1510
	2021	lnA(s)=1.5021×lnP(s)-3.7771	0.9369	1.3315	0.1685
未利用地	1990	lnA(s)=1.5688×lnP(s)-3.6845	0.9696	1.2749	0.2251
	2000	lnA(s)=1.8889×lnP(s)-1.7909	1.0000	1.0588	0.4412
	2010	—	—	—	—
	2021	lnA(s)=1.5706×lnP(s)-3.6784	0.9985	1.2734	0.2266
建设用地	1990	lnA(s)=1.4564×lnP(s)-3.8886	0.9099	1.3732	0.1268
	2000	lnA(s)=1.4746×lnP(s)-3.8460	0.9164	1.3563	0.1437
	2010	lnA(s)=1.4895×lnP(s)-3.8188	0.9258	1.3427	0.1573
	2021	lnA(s)=1.4933×lnP(s)-3.8050	0.9220	1.3393	0.1607
合计	1990	lnA(s)=1.4247×lnP(s)-3.9391	0.9136	1.4038	0.0962
	2000	lnA(s)=1.4488×lnP(s)-3.8897	0.9230	1.3805	0.1195
	2010	lnA(s)=1.4641×lnP(s)-3.8639	0.9431	1.3660	0.1340
	2021	lnA(s)=1.4728×lnP(s)-3.8364	0.9441	1.3580	0.1420

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