遙感與分形理論在確定水利工程生態環境影響評價范圍中的應用

王海云,王振華

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002;2.宜昌市建筑設計研究院,湖北 宜昌 443000)

確定水利工程建設對陸面生態環境的影響評價范圍較為困難。一方面工程建設的影響從點(壩區)到線(河段、河流)到面(庫區生態環境)到體(流域自然-社會-經濟的復合生態系統)各不相同;另一方面影響是隨機的、離散的、非連續的復雜系統,陸面生態系統中各種生物之間以及各種生物與它們的無機環境之間的關系錯綜復雜,工程建設對環境的影響難以判斷。為科學合理地確定評價范圍,明確水利工程對一個地區的生態負荷及其動態變化原因,以觀音堂水利工程建設為例,應用遙感技術和分形理論探索水利工程建設對陸面生態環境影響的評價范圍。

1 確定陸面生態環境影響評價范圍的基本準則

1.1 生態優勢度指標

生態優勢度指集中于一個或幾個植物種類的程度,種群組成簡單的群落多樣性指數低、生態優勢度高,群落的優勢度往往集中在幾個少數種群上;反之,種群組成較復雜的群落生態優勢度低,這就構成了生態類型的斑塊特征。

由于生態系統是由不同斑塊有規律地組成,同時它又是一個具有多樣性的系統,無論是空間上還是時間上各類斑塊都存在復雜性和變異性,表現出明顯的時空特征,具有從簡單到復雜、從低級到高級的發展規律,從而使看似復雜、無序的生態環境問題(生物多樣性、景觀異質性、生態系統穩定性等)的背后隱藏著非線性可控的耗散規律,在微分成單元以后,各子系統均呈現出自相似性,分形理論恰好可以揭示這些規律。斑塊分維數用來衡量斑塊形狀的復雜程度或斑塊形狀影響內部斑塊的變化過程[1-2]。生態分形打破了傳統研究方法對尺度的過分依賴,為研究評價范圍提供了一條途徑。

1.2 陸面生態系統的整體性

陸面生態系統中各種生物以它們與周圍無機環境之間的錯綜復雜關系組成一個有機整體,一個成分的變化將會對全群落和整個生態系統產生反響性效應[3],某些結構成分的微小刺激可能會導致整個生態系統產生巨大的反應,局部的變化可能通過整個系統的調節而得以恢復。因此,從陸面生態系統的整體性出發,將建設項目作為生態系統中的一個作用因子,這樣才能反映出項目建設與陸面生態系統各因子之間在時間和空間上相互作用產生的變化規律,從而確定一個合適的評價范圍。

1.3 水利工程建設的特殊性

水利工程建設的空間布局有點狀(大壩、電廠)、線狀(施工道路、公路)、蛛網狀(管線、引洪道),形成了不同的施工方式和運營特點,影響方式和特點各異。針對其特殊性確定評價范圍,可以科學地揭示項目建設對生態環境的影響程度[4-5]。

1.4 生態環境的敏感性

水利工程通常在水資源欠開發、經濟落后的地區選址,這些地區通常又是生態環境比較敏感和脆弱的區域,或者是區域內存在環境限制因子的“兩控區”,區域生態系統抗干擾能力較脆弱,項目建設對其的影響相對較大,范圍也較廣。

2 生態環境影響評價范圍確定的難點

2.1 生態環境信息的不確定性和不易獲取

《環境影響評價技術導則》(以下稱《導則》)規定“生態因子之間相互影響和相互依存的關系是劃定評價范圍的原則和依據”,也就是說,生態環境影響評價范圍以受影響的各種生物及非生物因子為確定評價范圍上的主體。然而,各種生物及非生物因子構成的非污染生態信息具有不確定性,實際操作時不易獲取,使生態環境影響定量評價變得更加困難。

2.2 缺乏可行的定量評價方法

《導則》規定“評價范圍要以重要評價因子受影響的方向為擴展距離,一般不能小于 8～30km,2～8km,1～2km[6]”,但在實際環評中水利工程建設涉及的影響距離比規定的高限值還大得多,項目布局分別按照點、線、網狀進行,在水系、地形地貌、生態特征、工程規模、能流物流強度、場地與作業點、集中臨時生活區等因素上具有很大的區別,針對生態系統的類型、生態系統的開放性特征生態因子的調查內容和評價重點差別較大,目前沒有針對水利工程建設具體可行的評價范圍確定方法。

3 構建評價范圍的基本框架

3.1 依據建設區生態系統特征確定評價范圍

工程建設區具有各自不同的生態系統特征,生態環境影響的核心問題就是隨著工程建設的進程,在生態環境系統影響時空動態變化全生命周期中,建設項目或規劃影響區域自然生態體系是否超過生態閾值而失穩、生物多樣性會不會降低、自然資源是否在生態承載容量范圍、區域性水土流失是否加劇。因此,可根據生態完整性、生態敏感問題和區域生態問題的直接影響和間接影響確定評價范圍。

3.2 應用分形學建立定量評價模型

分形理論[7-8]可用于揭示非線性系統中有序和無序幾何形態,在很寬的尺度范圍內,系統無特征尺度卻有自相似性和自仿射性。生態系統是典型的熱力學系統與耗散自組織系統,生物群落是生態系統的核心,具有標度不變性的自相似性特點,并且這樣的自相似性存在于一定的標度范圍內,產生了不規則、不穩定且具有高度復雜結構的分維數值現象,這就為利用分形模型解釋生態系統受工程影響程度奠定了理論基礎[9]。

式中:N(r)為在一定的觀測尺度r上所獲得的某種分形變量;K為比例常數;D為分維數。

根據式(1)從不同的層次和尺度調查收集生態系統在某一觀測尺度內的復雜、無序的生態環境問題,探尋隱藏著的非線性可控的耗散規律,在微分成單元以后,各子系統均呈現出自相似性斑塊,結合斑塊分維數的實際意義,在評價區選用控制性生態景觀來揭示受影響的評價范圍。

斑塊分維數用來衡量斑塊形狀的復雜程度或斑塊形狀影響內部斑塊的變化過程,計算公式為

式中:P為斑塊周長;k為常數,k=4;A為斑塊面積;Fd為斑塊分維數。

4 研究實例

4.1 研究區概況

觀音堂水利工程位于湖北省西部長江中上游的秭歸縣(長江南岸)青干河流域梅家河與青干河兩岔河匯流口下游,距秭歸縣城茅坪鎮約120km。地理坐標在東經 110°15′～ 110°45′、北緯 30°43′～ 31°00′之間,總庫容為0.4618億m3,電站總裝機容量為16MW,屬中型水庫,尾水與三峽水庫(175m蓄水位)回水相接。

項目處于三峽庫區,屬生態敏感區非污染型項目,直接影響區域為26hm2,地形以高山為主。考慮到項目建設后自然生物群落的生物量和綠地面積減少了50%,主要生態景觀受到擾動,連通性有所變差,土壤理化性質生產能力發生了一定的變化,水體理化性質有一定的改變等特點,選擇以大壩為中心擴展12km為評價核心區,建設邊界線擴展40km的范圍作為影響評價研究區域,見圖1。

圖1 觀音堂水利工程評價區示意圖

4.2 數據來源及處理

數據來源于衛星Landsat7 TM/ETM+(30m分辨率)和SPOT5(2.5m分辨率)遙感影像,成像時間為2008年6—8月,所用的影像數據是在天氣晴朗、少云且植被對太陽有效輻射吸收比例強的條件下成像,圖像精度滿足 1∶50000測圖精度要求,見圖 2、圖3。

用美國ERDAS公司開發的遙感圖像處理系統和專題制圖儀,以及高分辨率的法國SPOT5衛星數據進行解譯,調用 “Classifier-〉Unsupervised Classification”執行非監督分類,重復自組織數據分析得到集群組數。將得到的集群組自然光譜組歸到其對應的類別中,應用地理信息等相關資料,將其合并成水體、建設用地、草地、耕地 、灌木林地 、林地 、裸土地、苗圃地、疏林地等幾種類型,再調用遙感圖像處理系統對上述類別進一步歸類,得到建設區生態環境影響模地范圍[10]。

圖2 2008年6月Landsat7 TM遙感影像

圖3 2008年6月衛星影像融合圖(工程主要影響區域)

4.3 評價范圍的確定

工程建設對生態系統影響的邊界確定,可以通過傳統生態學中優勢度法進行識別判定,優勢度計算公式為

式中:H為優勢度;Td為分類拼塊密度;Tf為頻率,即拼塊出現樣方數與總數之比;Lp為景觀比例。

按式(3)計算各拼塊的優勢度,結果見表1,由表1得出觀音堂水利工程建設區林地是環境資源拼塊中生態環境質量調控能力最強的高亞穩定性元素類型,優勢度高達 88.11%,拼塊密度和頻率(通程度)高(Td=86.51%,Tf=92.30%),是建設區生態質量的控制性絕對優勢組分,因此,可以判定林地是評價區的主要拼塊。

表1 研究區景觀生態體系各拼塊優勢度值 %

應用ArcGIS ArcMap對青干河流域生態環境信息庫中的空間數據進行統計分析,按式(2)計算出不同生態類型的斑塊分維數,結果見表2。由表 2得出32個斑塊林地分維數最大,說明區域林地斑塊形狀的復雜程度較大,苗圃地、草地分維數最小,灌叢斑塊出現跳躍現象,表明人為建設干擾活動形成的拼塊形狀較為簡單,復雜程度差異并不大。

表2 不同數據點的斑塊分維數

觀音堂水利工程建設區域是以林地為主的陸地生態系統,其分形規律可以作為生態系統分形的標志,林地表示主要的標度區,由此可以得到一個以觀音堂水庫為中心向外擴展的生態變化范圍,它在一定程度上反映了項目建設過程中施工區和淹沒區可能對生態環境影響的時空范圍。東至老觀頂之間的深溝(達170m),西到無名坡地,南至磨坪的場溝,北至魯家灣,形成了一個相對孤立的生態系統。依據主要生態影響及其變化程度,確定該工程生態環境影響評價范圍的面積約為67.4km2。

5 結 語

水利工程建設區一般為經濟基礎較薄弱的欠開發地區,也是生態環境比較敏感和脆弱的地區,區域中各種生物及非生物因子構成的非污染生態信息具有不確定性,實際操作時不易獲取,生態環境影響定量評價非常困難。

分形理論與遙感技術有機結合,較合理地解決了確定觀音堂水利工程建設區域生態環境影響評價范圍的難題,運用分形模型對生態完整性和生態敏感問題進行研究,拓寬了常規確定生態環境影響評價范圍的思維,提出在理論及實踐上按生態評價對象確定評價范圍的可操作性。

工程建設對生態系統的影響是一個動態系統[11],處于無序、非線性、非平衡和隨機的狀態之中,其影響程度將跨越不同的生態系統和不同的時間序列,加之生態系統的分維數值仍較依賴于測算方法和計量尺度,因此,用遙感技術[12-13]和分形理論確定生態環境影響評價范圍尚有許多深層次的理論問題需要解決。此外,雖然遙感技術在確定水利工程對生態環境影響的評價范圍上初顯效果,但反映的主要是陸面生境,需要進一步探索以突破這一局限。

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