水電開發(fā)對金沙江下游生態(tài)環(huán)境的影響

摘要：利用遙感技術(shù)，運用生態(tài)環(huán)境狀況評價體系，以金沙江下游兩期Landsat衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，定量和定性對比分析研究區(qū)內(nèi)4個最重要一級電站在2000、2014年建設(shè)前后生態(tài)環(huán)境在時間和空間上的變化狀況。結(jié)果表明，整個金沙江下游的生態(tài)環(huán)境狀況處于優(yōu)良狀態(tài)，但是總體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有很大幅度的下降，尤其明顯的是正在建設(shè)中的烏東德電站和白鶴灘電站流域，而已建成投產(chǎn)的溪洛渡電站和向家壩電站流域的生態(tài)環(huán)境狀況稍好，由此說明水電站在建設(shè)過程中對生態(tài)環(huán)境的影響比建成之后更大。

關(guān)鍵詞：水電開發(fā)；生態(tài)環(huán)境；遙感技術(shù)；金沙江下游

中圖分類號：X821 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2755-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.011

近年來，利用3S技術(shù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行研究已得到廣泛應(yīng)用[1-8]。水能資源以及興建水利水電設(shè)施對于支撐中國能源建設(shè)具有重要意義，同時在保護環(huán)境的前提下如何合理利用和開發(fā)水能資源更是一個亟待解決的重要課題[3]。如何更有效合理地利用水電資源，建立合適的監(jiān)測機制，確保將水電開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響降到最低，對金沙江下游、長江乃至全國的水電開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。水電開發(fā)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響是多方面、大面積且十分復(fù)雜的，涉及到資源與環(huán)境、經(jīng)濟與社會等諸多領(lǐng)域。研究水電開發(fā)建設(shè)過程中對區(qū)域或流域生態(tài)環(huán)境的影響程度，分析其影響因素，并在水電工程建設(shè)過程中和建成之后對問題進行針對性處理，可最大限度地降低水電建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的破壞程度，增強生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力。遙感（Remote sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（Geographil information system，GIS）為水利水電開發(fā)造成的生態(tài)環(huán)境影響提供了良好的監(jiān)測數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)分析手段，可以在定性和定量的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防治措施[9-11]。

金沙江作為長江的上游橫貫中國一二級階梯，地形復(fù)雜多變，地勢落差大，灘多水急，占長江水力資源的40%以上[12]。金沙江全流域共計劃開發(fā)25級電站，總裝機規(guī)模相當于4座三峽大壩。其中金沙江下游特別是大涼山地區(qū)年降水量高，徑流深度大，已建成或正在開發(fā)建設(shè)的烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座世界級電站，總裝機規(guī)模相當于2座三峽大壩。同時金沙江流域成為歐亞大陸生物物種南來北往的主要通道和避難所，是歐亞大陸生物群落最富集的地區(qū)。這一地區(qū)占中國國土面積不到0.4%，卻擁有全國20%以上的高等植物和全國25%的動物種數(shù)。金沙江下游是四川省乃至全國的主要林業(yè)生產(chǎn)基地和長江上游水源區(qū)，是中國長江上游的重要生態(tài)屏障。本研究利用RS和GIS技術(shù)，結(jié)合《HJ/T 192-2006，生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）》[13]的評價指標體系和計算方法等要求提取金沙江下游區(qū)域的各生態(tài)指標參數(shù)，對金沙江下游在2000、2014年水電開發(fā)前后的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響及其程度進行評價，可為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗數(shù)據(jù)

本研究數(shù)據(jù)源包括兩個部分，第一部分為遙感影像數(shù)據(jù)，包括長江下游（金沙江段）的Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù)；第二部分為長江下游（金沙江段）的ASTER GlobalDEM（簡稱ASTER GDEM）高程數(shù)據(jù)，精度為30 m。Landsat-5擁有7個波段，其多光譜空間分辨率為30 m和120 m（第六波段）；Landsat-8 OLI擁有9個波段，多光譜空間分辨率為30 m，全色波段分辨率為15 m。通過研究區(qū)所在影像軌道號獲取的數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 研究方法

運用ENVI 5.1和ArcGIS9.3軟件對遙感數(shù)據(jù)進行處理分析，主要利用ENVI 5.1進行輻射定標和大氣校正，利用ArcGIS9.3對研究區(qū)域進行鑲嵌、裁剪、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及坡度計算等，其中鑲嵌中的誤差不大于2個像素。利用30 m空間分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)制作出高程分布情況，并且對研究區(qū)域內(nèi)的高程做出了分布統(tǒng)計，對研究區(qū)的高程值進行分級處理，結(jié)合《中華人民共和國水利行業(yè)標準水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》對研究區(qū)的坡度進行分級，并且統(tǒng)計各坡度范圍內(nèi)面積，可以看出研究區(qū)內(nèi)急陡坡占了很大一部分，所以該區(qū)域地勢上屬于急陡坡的山區(qū)[14，15]。利用監(jiān)督分類和綜合閾值法[16]進行數(shù)據(jù)分類和對比分析。

通過對指標數(shù)據(jù)的科學(xué)分析和統(tǒng)計來評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。結(jié)合已解譯的土地類型數(shù)據(jù)，依據(jù)《HJ/T 192-2006，生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）》[13]進行指標篩選，本研究選取生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和人類干擾指數(shù)5個指標因子分析流域內(nèi)生物、植被、水資源、土地以及人類活動對環(huán)境的影響，通過賦予各指標不同的權(quán)重，計算區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

各項指標的權(quán)重與計算方法如下：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（EI）=0.25×生物豐度指數(shù)+0.20×植被覆蓋指數(shù)+0.20×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.20×土地退化指數(shù)+0.15×人類干擾指數(shù)[13]。

1.2.1 生物豐度指數(shù) 指通過單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異，間接地反映被評價區(qū)域的生物豐度的豐貧程度[13]。

生物豐度指數(shù)=Abio×（0.35×S林地+0.21×S草地+0.28×S水域濕地+0.11×S耕地+0.04×S建筑用地+0.01×S未利用地）/S區(qū)域

式中，Abio為生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)；S表示某類型土地的面積（km2）。

1.2.2 植被覆蓋指數(shù) 指區(qū)域內(nèi)林地、草地、農(nóng)田、建設(shè)用地和未利用地5種類型的面積占被評價區(qū)域的比例，用于反映區(qū)域植被覆蓋的程度[13]。

植被覆蓋指數(shù)=Aveg×（0.38×S林地+0.34×S草地+0.19×S耕地+0.07×S建筑用地+0.02×S未利用地）/S區(qū)域

式中，Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.2.3 水網(wǎng)密度指數(shù) 指被評價區(qū)域內(nèi)河流總長度、水域面積和水資源量占被評價區(qū)域面積的比例，用于反映評價區(qū)域的豐富程度[13]。

水網(wǎng)密度指數(shù)=Awat×S水體/S區(qū)域

式中，Awat為水體密度指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.2.4 土地退化指數(shù) 指被評價區(qū)域內(nèi)風蝕、水蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕和工程侵蝕的面積占被評價區(qū)域面積的比例，用于反映被評價區(qū)域內(nèi)的土地退化程度[13]。

土地退化指數(shù)=Aero×（0.05×S輕度侵蝕+0.25×S中度侵蝕+0.70×S重度侵蝕）/S區(qū)域

式中，Aero為土地退化指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.2.5 人類干擾指數(shù) 指被評價區(qū)域內(nèi)人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾程度，對于不同的土地利用類型，人類的干擾程度不同[13]。

人類干擾指數(shù)=Apop×（10×S林地+47×S耕地+34×S水域濕地+70×S建筑用地+40×S未利用地）/S區(qū)域

式中，Apop為人類干擾指數(shù)的歸一化系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價區(qū)域劃分

結(jié)合Google Earth解譯研究區(qū)域內(nèi)的4個一級電站位置圖。研究區(qū)內(nèi)水電站包括烏東德電站、白鶴灘電站、溪洛渡電站和向家壩電站，并將4個電站劃分為4個流域單元，對4個流域單元進行質(zhì)量評價，獲得4個單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。4個一級電站位置和4個流域單元劃分如圖1所示。

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和變化幅度

通過對研究區(qū)電站建設(shè)前后的生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和人類干擾指數(shù)進行統(tǒng)計，根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的各指標權(quán)重及計算方法計算出研究區(qū)的4個單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，并根據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價標準（EI≥75的為優(yōu)、55≤EI<75的為良、35≤EI<55的為一般、25≤EI<35的為較差、EI<25的為差）對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進行評價，結(jié)果如表2所示。

通過生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，可以計算得到研究區(qū)的生態(tài)狀況變化幅度，并將其分為4級：|ΔEI|≤2為無明顯變化、2<|ΔEI|≤5為略有變化、5<|ΔEI|≤10為明顯變化、|ΔEI|>10為顯著變化，得到研究區(qū)的生態(tài)狀況變化幅度如表3所示。

通過研究區(qū)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和對比分析，雖然電站建設(shè)前后4個流域單元的生態(tài)狀況都處于良好的狀態(tài)，但是通過表2和表3不難發(fā)現(xiàn)研究區(qū)大體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是呈下降趨勢的，尤其比較明顯的是烏東德電站和白鶴灘電站流域，這兩個電站呈顯著下降趨勢，主要是因為這兩個電站仍在建設(shè)當中，這說明水電站在建設(shè)過程中對生態(tài)環(huán)境影響較建成之后的更大，而溪洛渡電站和向家壩電站流域生態(tài)環(huán)境狀況稍好。

3 結(jié)論

金沙江下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于優(yōu)良狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定，但也存在一定的生態(tài)問題。影響金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素有人為干擾較大、工礦業(yè)眾多、土地墾殖和放牧過度、水土流失嚴重、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害較多等。因此，應(yīng)在流域范圍內(nèi)繼續(xù)加強林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)、控制農(nóng)業(yè)以及放牧業(yè)面源污染源，加之區(qū)域內(nèi)繼續(xù)實行天然林保護工程和退耕還林還草工程，會使得流域范圍內(nèi)的林地以及草地面積增加，這些因素可能會使流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況向更好的方向發(fā)展。

2000年金沙江下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好，4個流域單元生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級均達到了優(yōu)；2014年金沙江下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，4個流域單元生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級均達到了良及以上；2000-2014年金沙江下游4個流域單元生態(tài)環(huán)境質(zhì)量除了向家壩電站流域無明顯變化，其余3個均有明顯變化，其中溪洛渡電站流域明顯變差，烏東德電站和白鶴灘電站流域顯著變差。總體來講，在水電工程建設(shè)過程中對生態(tài)的破壞強度更大，建成之后由于生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)功能和國家地方等政策的實施，降低了水電開發(fā)對環(huán)境后期的影響程度，使得流域的生態(tài)環(huán)境得到了有效恢復(fù)。

利用RS的方法進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究，與只局限于通過地面測量的傳統(tǒng)統(tǒng)計調(diào)查方法相比，多源多尺度的遙感圖像在大時間、大空間尺度的環(huán)境監(jiān)測方面能提供重要的數(shù)據(jù)支撐，尤其是在動態(tài)反演地表信息情況下具有巨大的尺度優(yōu)勢，為流域的生態(tài)環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測提供了有力支持。其能綜合考慮多方面因素帶來的影響，具有方便快捷、更新周期短、速度快、節(jié)省人力物力財力的特點，能為掌握生態(tài)環(huán)境信息提供第一手資料，而且其為水利水電開發(fā)造成的生態(tài)環(huán)境變化提供了動態(tài)監(jiān)測的可能和必要的數(shù)據(jù)分析手段，可以在定性和定量的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防治措施。

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