基于景觀生態的山區風電開發區域生態風險評價

劉 哲，馬俊杰

(西北大學城市與環境學院，陜西西安 710127)

生態風險是由環境的自然變化或人類活動引 起的生態系統組成、結構的改變而導致系統功能損失的可能性[1]。生態風險評價是在環境風險評價和風險管理的框架下發展起來的，重點預測人類活動對生態系統結構、過程和功能產生不利影響的可能性，是發現和解決生態環境問題的基礎，可為風險管理提供決策支持[2－3]。生態風險評價方法主要有全幕景法、景觀生態法、生態承載力法、基于 3S 疊圖法、層次分析方法等[1、4－10]。風電是一種清潔能源，風電開發已成為我國能源戰略的重要組成部分，但隨著風電場的建設，項目與環境的矛盾越來越突出，對風電開發進行生態影響評價也變得十分必要。目前，風電開發的影響研究主要集中在土地利用、植被破壞、噪聲污染、鳥類遷徙生存以及景觀累積影響等方面的定性、定量分析，對風電開發的生態風險，特別是山區風電開發的生態風險研究幾乎沒有[11－18]。山區風電開發的風電場沿山脊和山梁單排布設，形成無具體場界的開放性區域[19]，其點(風機)－線(場內道路)組合式布局，切割沿線景觀，改變區域景觀格局和地表覆被狀況，影響生態系統的結構和功能，在景觀尺度產生一定的生態風險。鑒于此，以秦嶺山區某擬建風電開發項目為例，在3S技術的支持下，應用景觀生態學的方法，對山區風電開發的區域生態風險進行探索研究，為同類項目建設及區域生態風險防范提供參考。

1 研究區及數據預處理

1.1 研究區及項目概況

擬建風電場選址位于秦嶺中高山地區，海拔高度2 300～2 500 m，地形起伏較大，溝谷發育完善;氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，土壤和植被垂直分帶明顯，主要植被類型有落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林、灌叢和草甸等。項目共設33臺單機容量為1 500 kW的風力發電機組，采用一機一變方式，沿山脊布設。根據生態系統完整性原則，結合工程分析，確定研究區以工程附近的河流、溝道、鞍部、山脊和臺地為界，兼顧主梁兩側1 000 m和支脈兩側500 m范圍，總面積為2 289.34 hm2。

1.2 數據來源及預處理

以QuickBird多光譜遙感影像(2008年，0.65 m，見圖1)、1∶5萬地形圖、DEM、風電場設計資料及野外調查資料等為主。在Erdas，Arcgis以及AutoCAD等軟件支持下，對研究區數據進行北京54坐標系和WGS84坐標系轉換、圖像校正;根據景觀分類，進行人機交互分類解譯[20]，獲得研究區現狀數據，通過項目設計圖與現狀圖疊加等處理，得到風電開發后基礎數據。

圖1 研究區遙感影像Fig.1 Remote sensing image of the study area

2 研究方法

從景觀尺度進行區域生態風險分析，國外有代表性的是Graham，Hunsaker，O'Nell等運用蔓延度指標對區域生態風險進行評價[21－23]，國內學者主要通過構建景觀損失度、脆弱度、干擾度和綜合風險等指數表征生態風險，利用地統計學分析方法對風險進行變量空間化[24－33]。山區風電場以道路串聯風機的線狀工程穿越區域，形成一定的廊道結構，對區域能量、物質和生物(個體)流產生過濾和阻截作用[22];干擾種群與生態系統的結構和功能，改變區域景觀格局;同時受山地特殊的地貌、地表覆蓋條件影響，產生一定的區域生態風險。進行山區風電開發的生態風險除考慮區域景觀生態風險外，還應綜合山地環境和項目廊道特征的特殊作用，因此，在常用的景觀生態風險指數法的基礎上，提出景觀風險勢(Sr)和隔離效應指數(Gr)及生態敏感因子(Xr)，構建山區風電開發的區域生態風險模型，其公式如下:

式中，Sr為景觀風險勢，Gr為景觀隔離效應，Xr為生態敏感系數。

2.1 景觀風險勢(Sr)

景觀風險勢這一概念來源于原子激發原理，假設景觀在任何時空狀態下都有一個風險狀態，自然景觀在未受干擾時會形成一個基態，每一次人為干擾，類似能量吸收，改變景觀結構和功能，使其偏離基態處于一定的風險狀態，類似原子的激發態，當干擾達到某種程度時，景觀處于足以徹底損毀的風險狀態，類似原子電離。定義這種在特定時空狀態下的景觀風險狀態為景觀風險勢，它是景觀結構和景觀脆弱度的綜合反映，其公式如下:

式中:αi為區域(某風險單元)內i類景觀的比重，Sri為該類景觀的風險勢，Fri為該類景觀結構指數，Pri為某一類型景觀脆弱性指數。

2.1.1 景觀結構指數(Fri) 景觀結構指數反映不同景觀所代表的生態系統狀態，可利用景觀格局指數進行疊加來構建，山區風電開發點 －線組合式布局對區域景觀的切割和破碎作用明顯，參考文獻[24－28、34]，選取破碎度、分離度、分維數 3個指標構建景觀結構指數，計算公式如下:

式中:Ci為區域內i類景觀的破碎度，Si為i類景觀的分離度，Fi為i類景觀的分維數。由于各指數量綱的不同，需進行歸一化處理，a，b，c為各指數權重。

2.1.2 景觀脆弱度指數(Pri) 景觀脆弱度表示不同生態系統的易損性。查閱文獻[21，28－33]，發現研究中對該指數多以專家打分或定性排序為主，主觀性較強，未能真實反映具體區域的生態系統脆弱性。一般認為，生態系統的脆弱性與穩定性是兩個內涵相同但表現形式相反的概念，高的脆弱性意味著低的穩定性。在樣方調查資料的基礎上，利用樣方面積、樣方物種類型數以及覆蓋度來構建景觀穩定性指數(W)，將其平均值的倒數作為該類景觀脆弱度指數。其公式如下:

式中:Di為區域內i類景觀的優勢度(歸一化前)，n為i類景觀的樣方個數，pj為i類景觀第j個樣方的覆蓋度;qj為i類景觀第j個樣方單位面積中物種類型數，是樣方中物種類型總數與樣方面積的比值。

2.2 隔離效應(Gr)

隔離效應指線狀地物(河溝、公路、場內道路等)對區域景觀的阻隔程度和干擾程度[35]。定義隔離效應為區域線狀地物長度、段數和面積的函數，其計算公式如下:

式中:λi為區域內i類線狀地物的隔離效應權重，Gli和Gni分別為區域(某風險單元)內i類線狀地物的總長度和總段數，A為區域(某風險單元)面積。

2.3 生態敏感系數(Xr)

以線性工程穿越區域，隨著沿線環境的變化，不同的景觀類型受到的作用強度和風險程度各具差異，同一景觀類型在不同條件下(山地起伏、海拔高低、地表覆蓋差異等)對風電開發活動的抗干擾能力也不同，如陡坡附近臨時占地會比平緩地帶面積大，易發生滑坡;地表覆蓋率較低的地方易發生水土流失。選取坡度和植被覆蓋率以及生態敏感區3個指標對生態風險進行修正:非敏感(1.0)、低敏感(1.1)、中敏感(1.3，生態損失較明顯，易發生水土流失、滑坡等)、高敏感(1.5，涉及保護物種或保護區的區域)，具體修正見表1。

3 結果與分析

根據研究范圍，采用500 m×500 m單元網格將研究區劃分為119個風險小區，依據公式1，在對風電開發前后各風險單元的景觀風險勢值(公式(2)計算求得)和隔離效應值(公式(5)計算求得)疊加的基礎上，求得風電開發后，各風險單元生態風險相對變化值，利用Arcgis9.3的空間分析和地統計功能對該值進行網格采樣、Kriging空間插值和球狀模型擬合空間化表征，得到風電開發后研究區生態風險相對變化(見圖2)。對DEM提取的坡度并分級，經與植被蓋度圖疊加得到研究區生態敏感系數(見圖3)。利用ArcGis9.3平臺對相對變化值和生態敏感系數進行柵格修正計算，得到風電開發后區域風險變化強度圖，區域整體變化強度在1.15－6.87倍之間，其中，90%的區域低于2.6倍，結合修正前生態風險相對變化及修正因子系數，將研究區分為低風險(＜1.25倍)、較低風險(1.25－1.75倍)、中風險(1.75－2.5倍)、較高風險(2.5－3.5倍)、高風險(3.5－5.0倍)及極高風險(＞5.0倍)6個風險級別，對應風險區如圖4所示。

表1 生態敏感系數Tab.1 Ecological sensitive coefficient

圖2 研究區生態風險相對變化Fig.2 Ecological risk relative change of the study area

圖3 研究區生態敏感系數Fig.3 Ecological sensitive coefficient of the study area

1)風電開發后，研究區生態風險變化強度均大于1，73.44%區域以中級以下風險為主，不足5%的區域為高風險區和極高風險區。風險由西至東，由北向南呈上升趨勢，其中，中風險區面積最大(48.54%)，分布在風電場沿線，較低風險區次之(37.28%)，沿中風險區外圍分布，與低風險區同處于區域邊緣地帶;高風險區主要分布在W1機位東北部和W14-W22段南部。整體而言，風電開發活動增加山地區域生態風險，但高風險影響有限。

圖4 研究區生態風險分區Fig.4 Ecological risk partition of the study area

2)對比兩個高風險區，可以發現:該高風險區臨近交通區或旅游區，風電開發對項目區臨近的人類活動易達區影響較大，增加該類區域生態環境影響的累積效應，深化選址應予以重視;該高風險區以區域優勢度較低，破碎化、分離化嚴重的景觀類型為主，風電開發可從技術、防護措施等方面入手，減少占壓范圍，降低破壞強度。

3)風電場沿山脊布設，改變生態系統結構與組分，對山脊區域產生無法忽略的生態風險;風險變化趨勢與山脊(風電場道路)方向一致，且以其為中心線向兩側山坡或較遠處擴散，呈現明顯的山脊導向特征;而山脊又是天然的地理分界線，項目施工應對山脊系統加倍予以保護。

4)生態敏感修正后，原本平滑的區域邊緣不同程度地出現割裂、中高風險跳級現象，但整體分布趨勢基本未變。隔離和中高跳級主要是坡度因子產生的幾何形狀尖銳的斑塊引起的，而這些地方是較易發生滑坡、塌方、泥石流的地方，尤其是離風電場較近的地方。一方面說明利用景觀風險勢和隔離效應已經能較全面地反映區域生態風險，另一方面也說明山地地形、海拔、地表覆蓋等環境因子是風電開發的隱性風險孕育環境。山區風電開發活動需充分重視山地微觀敏感環境因子的生態影響，在山地進行現場勘踏，了解風電場周邊環境，初步判斷風電開發的生態風險十分必要。

4 結語

考慮不同類型景觀對生態環境的作用及其抗干擾能力，風電開發活動對區域景觀的隔離效應，山地區域復雜的地質、地形環境以及區域景觀組分等眾多因素，結合山區風電開發活動特征，提出景觀風險勢、隔離效應和生態敏感因子3個指數，構建生態風險模型。在3S技術支撐下，以秦嶺某擬建風電場為例，分析該項目的區域生態風險，結果表明:風電開發后區域生態風險升高，風險變化趨勢出現明顯的山脊導向特征;高生態風險影響范圍雖然有限，但臨近人類活動易達區域影響較大。

山區風電場多沿山脊單行排列，一定程度可抽象為線形工程，因此，所構建的生態風險模型同樣適用于公路、隧道、管線等山地線性工程的生態風險分析。基于生態系統相關理論和樣方調查資料定義景觀脆弱度指數，有別于常見的打分排序法，在一定程度上避免了人為主觀定性產生的脆弱性偏差，能較客觀地反映區域景觀脆弱度。但是，仍存在樣方中代表性物種特征考慮不足等問題，這可在未來研究中進一步修正。

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