董箐大壩對北盤江水域面積時空動態變化的影響

楊 琴，趙學春，郝 俊，王志偉，程 華，韋昌盛，金寶成*

(1.貴州大學 動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省草業研究所，貴州 貴陽 550006；3.蘭州大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730000；4.貴州省貞豐縣林業局，貴州 黔西南 562200)

【研究意義】世界上一半的較大河流受到大壩管制，部分河段的水流完全由大壩控制[1]。修建大壩可有效攔截水流，有利于調節徑流、電力供應、防洪抗旱和航運[2-3]。但大壩建設也帶來一系列的生態問題，改變河流的自然水文狀態以及河岸帶生物的生境[4-6]，致使河流的連通性[7]、徑流量[3,6,8]和生物多樣性[9-10]等發生改變。大壩對河流最直接的影響是水域面積的變化，水域面積的改變進而影響其區域生態系統的結構和功能。分析大壩建設前后水域面積的時空動態變化是評估大壩對河流生態系統影響的重要內容之一。西南喀斯特地區功能性水資源短缺問題嚴重，大壩建設是開發利用地表河川徑流的重要方式；貴州喀斯特地區的河流海拔高差較大，河水從上游流到下游具有很強的沖擊性[11]，在寬谷型河段極易形成游蕩型河道，導致河水發生橫流擺動[12]。北盤江屬珠江水系，全長449 km，落差1982 m[13]，流域總面積26 590 km2[14]，是紅水河上游左岸最大支流，已建和在建的水電站大壩有9座，董箐大壩是其中1座，位于北盤江干流下游貴州省鎮寧縣和貞豐縣交界處，探明其建設前后水域面積的時空動態變化，對保護北盤江水域生態系統的結構和功能具有重要意義。【前人研究進展】大壩建設直接導致水域面積增加。長江三峽大壩建設后，水域面積從502 km2迅速增加到639 km2[15]。清江流域的梯級大壩建設后，水域面積從17.3 km2增至82.4 km2[16]。贛江龍潭大壩、上猶江大壩以及海勃灣水利樞紐大壩等建設后，水域面積變化范圍分別為0.3～3.9、16.6～35.4和10.3～68.8 km2[17-18]。喀斯特流域有地表和地下2個水系，具有不閉合邊界和不同的分水嶺，與其他河流相比在水系結構、地貌景觀和水文功能等方面都存在明顯差異[19-20]。喀斯特地區功能性水資源短缺問題嚴重，建設大壩以開發利用地表河川徑流是區域經濟社會持續發展的重要保證[14]。同時評估大壩建設對喀斯特地區河流的影響十分必要。自然狀態下，降水是導致河流水域面積變化的關鍵因素[21]，同一條河流降水量越大，其流量越大，水域面積也越大。不同季節的降水量差異較大，水域面積改變導致水域形態發生規律性變化，河道形態也因此受到影響。洪水致使河道在寬谷區游蕩型河段產生擺動[18]。貴州喀斯特地區的河流由于海拔高差較大，沖擊性強[11]，極易形成游蕩型河道和發生橫流擺動[12]。關于河流水域覆蓋變化的已有研究主要集中在長江三峽與黃河流域等大型水壩，鮮見貴州喀斯特地區水壩建設對河流水域覆蓋穩定性影響的研究報道。【本研究切入點】以北盤江下游董菁水電站大壩河段為研究區域，利用長時間序列(1988-2018年)衛星遙感影像，研究大壩建設前后水域面積的動態變化。【擬解決的關鍵問題】弄清建壩前后水域面積與降水量的相關性及其建壩前后水域面積穩定性的差異，并分析建壩后河岸歸一化植被指數(NDVI)的變化，探明董箐大壩對北盤江水域面積的時空動態變化，為北盤江水域生態系統結構和功能的保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省西南部北盤江流域董箐水電站大壩河段(東經105°27′～105°49′，北緯25°19′～25°50′)，海拔300～1000 m(圖1)。屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年(1988-2018年)平均溫度16.0 ℃，降水量1332.6 mm(http://data.cma.cn/)。土壤類型主要為紅壤和黃壤[22]，河岸有蕨類植物6科、裸子植物3科、被子植物67科，主要包括竹葉榕(Ficusstenophylla)、女貞(Ligustrumlucidum)、假木豆(Dendrolobiumtriangulare)、余甘子(Phyllanthusemblica)、火繩樹(Eriolaenaspectabilis)、仙人掌(Opuntiastricta)和量天尺(Hylocereusundatus)等[23]，還有夏蠟梅(Calycanthuschinensis)、龍眼(Dimocarpuslongan)、土沉香(Aquilariasinensis)和青檀(Pteroceltistatarinowii)等珍稀瀕危植物。北盤江屬珠江水系，全長449 km，落差1982 m[13]，流域總面積26 590 km2[14]，是紅水河上游左岸最大支流，已建和在建的水電站大壩有9座。董箐大壩位于北盤江干流下游，貴州省鎮寧縣和貞豐縣交界處，大壩于2006年11月開始施工，2009年8月下閘蓄水，2010年6月機組投產發電，水庫蓄水水位490 m，壩高150 m，總庫容約9.58億m3[24-25]。大壩建設導致該河段長薄鰍(Elongateloach)、葉結魚(Torzonatus)、烏原鯉(Procyprismerus)、長臀鮠(Cranoglanibouderius)和卷口魚(Ptychidiojordani)等瀕危保護魚類減少甚至滅絕[26-27]。

1.2 數據來源

從中國地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)和美國地質調查局地球資源觀測與科學中心(http://glovis.usgs.gov/)兩個網站下載研究區陸地衛星(Landsat TM、OLI系列)無云或云量較少遙感影像。影像空間分辨率30 m，條帶號127/128，行編號47/48，時間范圍1988-2018年，跨度31年，共計80期，其中建壩前(1988-2005年)32期，建壩中(2006-2010年)15期，建壩后(2011-2018年)33期。從中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)下載研究區周邊望謨、興仁、盤縣、安順和羅甸等5個氣象站點近30年逐月降水數據。1988-2018年間研究區年均降水量基本穩定，年內降水量隨月份呈單峰變化，主要集中在5-10月，占全年降水量的83.3 %。

1.3 方法

1.3.1 董箐大壩建設前后的水域面積 采用ArcMap 10.2目視解譯研究河段的水域邊界并計算水域面積，目視解譯范圍包括大壩上游28 km和下游14 km，目視解譯精度為93.2 %。以大壩為起點，以2 km為間隔，計算上下游每個間隔的水域面積，從而得到大壩建設后水域面積隨到大壩距離增加的變化趨勢。將水域面積矢量圖層轉化為柵格數據(分辨率30 m)，進行疊加運算，得到每個柵格在建壩前、建壩中和建壩后被水覆蓋的次數，用覆蓋次數除以對應階段遙感影像期數，得到每個柵格在3個階段的水域覆蓋率。合并所有遙感影像的水域邊界，獲取最大水域邊界。

1.3.2 董箐大壩建設前后河岸植物生長季的NDVI值 NDVI反映植被的生長狀態以及植被在空間上的分布密度，常用于監測植被覆蓋的變化(其值為-1～1)。利用ArcMap 10.2在最大水域邊界的基礎上生成500、1000和1500 m等3個不同距離的緩沖區，目視解譯排除緩沖區范圍內的耕地和道路等非自然植被，同時根據至大壩的距離將上游分為近段(0～6 km)、中段(6～15 km)和遠段(15～28 km)3段，分別計算其植物生長季(6-10月)的NDVI值。

2 結果與分析

2.1 董箐大壩建設前后水域面積的變化及其與大壩距離和前期降水量的相關性

2.1.1 大壩建設前后的水域面積 ①年變化。從圖2看出，建壩前(1988-2005年)水域面積的變化幅度較小，上游和下游的面積分別為4.5和1.7 km2；建壩中(2006-2010年)，上游水域面積急劇增大，由4.2 km2增至21.5 km2，而下游水域面積基本未發生變化，為1.7 km2；建壩后(2011-2018年)上游面積為21.7 km2，是建壩前的4.8倍，較建壩前增加3.8倍，下游面積為1.7 km2，較建壩前基本未發生變化。表明，大壩建設攔截水流致使上游水域面積迅速增加。②月變化。建壩前，水域存在明顯的枯水期和豐水期，枯水期為1-3月，豐水期為9-11月，枯水期和豐水期水域面積分別為5.2和6.6 km2。最大水域面積時間(9-11月)較降水集中時間(5-10月)滯后約3個月(圖3-A)。建壩后，上游不存在明顯的枯水期和豐水期，原有枯水期(1-3月)和豐水期(9-11月)的水域面積相同，均為21.8 km2(圖3-B)；而下游依然存在明顯的枯水期和豐水期，其水域面積分別為1.4和2.2 km2(圖3-C)。

2.1.2 水域面積與大壩距離和前期降水量的相關性 ①與大壩距離。上游水域面積，建壩前(1988-2005年)為0.01～0.05 km2，基本未發生變化；建壩后(2011-2018年)為0.07～1.60 km2，水域面積隨著與大壩距離的增大而減小(圖4-A)，水域面積與大壩距離的相關性顯著(P<0.05)。下游水域面積，建壩前后未發生明顯的變化(圖4-B)，處于相對穩定狀態，與到大壩的距離無顯著相關性。②與前期降水量。建壩前水域面積與前期降水量(影像獲取前3個月)呈正相關(圖5-A)，相關性顯著(P<0.01)，R2=0.4448。建壩后上游水域面積與前期降水量相關性不顯著(圖5-B)，R2=0.0062；下游水域面積與前期降水量的相關性發生變化，其降水量呈正相關(圖5-B)，且相關性顯著(P<0.01)，R2=0.4447。

2.2 董箐大壩建設前后水域覆蓋的穩定性

從圖6看出，董箐大壩建設后水域覆蓋的穩定性發生改變。大壩上游，建壩前水域覆蓋區域的波動性較大，建壩后水域覆蓋穩定性明顯提升，建壩后上游水域覆蓋率為80 %～100 %的穩定覆蓋柵格從35.3 %增至74.8 %，較建壩前增加1.1倍；水域覆蓋率為0～20 %的不穩定覆蓋柵格從29.5 %降至11.1 %，水體變得穩定。大壩下游，建壩前水域穩定覆蓋柵格為48.3 %，不穩定覆蓋柵格為20.6 %；建壩后穩定覆蓋柵格為45.0 %，不穩定覆蓋柵格為18.8 %，穩定性變化不明顯。

2.3 董箐大壩建設前后河岸近段(0～6 km)、中段(6～15 km)和遠段(15～28 km)植物生長季的NDVI值

近段(距大壩0～6 km)緩沖距離500、1000和1500 m植物生長季的NDVI在建壩前和建壩后分別為0.42和0.41、0.44和0.41、0.44和0.40，各緩沖距離建壩前后NDVI均呈下降趨勢，差異均不顯著(圖7-A)。中段(6～15 km)緩沖距離500、1000和1500 m植物生長季的NDVI在建壩前和建壩后分別為0.43和0.39、0.43和0.40、0.41和0.39，各緩沖距離建壩前后NDVI均呈下降趨勢，緩沖距離500 m時建壩前NDVI顯著高于建壩后，緩沖距離1000和1500 m建壩前后NDVI差異均不顯著(圖7-B)。遠段(15～28 km)在緩沖距離500、1000和1500 m植物生長季的NDVI在建壩前和建壩后分別為0.36和0.35、0.35和0.35、0.34和0.34，各緩沖距離建壩前后NDVI幾乎沒有變化，僅500 m時略為下降，各緩沖距離建壩前后NDVI差異均不顯著(圖7-C)。

3 討 論

3.1 大壩對水域面積的影響

在河流上修建大壩攔截水流，有利于調節徑流、供應電力、防洪抗旱和航運[3, 28-29]，同時也帶來一系列生態問題[30]，致使河流的水文連通性[7]、徑流量[3]和生物多樣性[9]等發生改變。研究結果表明，北盤江董箐大壩建壩前水域面積的變化幅度較小，上游和下游的水域面積分別為4.5和1.7 km2；建壩后上游水域面積為21.7 km2，較建壩前增加3.8倍，下游水域面積為1.7 km2，較建壩前基本未發生變化。表明，大壩建設攔截水流致使上游水域面積迅速增加。徐其勇[15]對三峽大壩蓄水前后上游水域面積變化分析發現，大壩建設后上游水域面積迅速增大，從建壩前的502 km2增至建壩后的639 km2。DU等[16]對清江流域的水域面積研究發現，大壩建設后水域面積顯著增大，由建壩前的17.9 km2增至建壩后的82.4 km2。李文波等[31]研究表明，清江流域中下游梯級大壩建設后水域面積由建壩前的60 km2增至建壩后的110 km2。TONG等[32]對清江流域的葛河巖水電站、高壩州水電站與水布埡水電站上游的水域面積研究發現，建壩后水域面積增大，由建壩前的16.2 km2增至建壩后的91.2 km2。張磊[18]對海勃灣水利樞紐上游大壩建設前后水域面積的變化分析發現，大壩建設后增大，由建壩前的10.3 km2增加到68.8 km2。廖啟卿等[17]發現水電站大壩建設導致贛江龍潭水電站河段水域面積由0.26 km2增至建壩后的3.87 km2，上猶江水電站河段水域面積由建壩前的16.6 km2增至建壩后的35.4 km2。可見，大壩建設會導致上游水域面積迅速增大，但是增加的幅度不同，雖然中小型水壩建設導致水域面積增加的絕對值較小，但是增加的比例遠超過大型水壩。同時考慮到中小型水壩數量遠超過大型水壩[33]，未來應加強中小型水壩對生態環境影響的關注。

研究結果表明，建壩后，上游水域面積增加幅度隨著大壩距離的增大逐漸減小。徐其勇[15]對三峽大壩蓄水后水域面積變化范圍研究發現，水域面積變化最大值出現在距離大壩最近的第1段(0～24.5 km)，隨著到大壩距離的增加，增加幅度逐漸減小，與本研究結果一致。研究區上游多為橫向谷和斜向谷，呈“V”字形，河岸坡度較緩[34]，當大壩建設蓄水后，水位上升，靠近大壩河段的水域面積增加明顯，隨著大壩距離的增大，河流水位增加逐漸減小，水域面積增加幅度也隨之變小。

3.2 大壩對水域覆蓋穩定性的影響

降水影響河流水域面積，旱季和雨季交替使水域覆蓋區域發生改變[19]。張磊等[18]對海勃灣水利樞紐上游大壩建設前后水域形態分析發現，建壩前河道擺動幅度大，最大擺動幅度可超過1 km，而下游河道的擺動規律則不受影響。研究結果表明，董箐大壩建設后水域覆蓋的穩定性發生改變。大壩上游，建壩前水域覆蓋區域的波動性較大，建壩后水域覆蓋穩定性明顯提升，建壩后上游水域覆蓋率為80 %～100 %的穩定覆蓋柵格從35.3 %增至74.8 %；水域覆蓋率為0～20 %的不穩定覆蓋柵格從29.5 %降至11.1 %，水體變得穩定。大壩下游，建壩前水域穩定覆蓋柵格為48.3 %，不穩定覆蓋柵格為20.6 %；建壩后穩定覆蓋柵格為45.0 %，不穩定覆蓋柵格為18.8 %，穩定性變化不明顯。與張磊等[18]對海勃灣水利樞紐的研究結果一致。可能原因：建壩前河流的水域面積主要受天然降水控制，而建壩后水域面積主要受人為調控，受降水影響的程度變弱。研究結果表明，董箐大壩建壩前水域面積與降水量呈顯著正相關，建壩后上游水域面積與降水量相關性不顯著。建壩后水域面積整體趨勢在枯水期(1-3月)減小，豐水期(9-11月)增大，建壩后上游水域面積隨季節波動小，原有枯水期和豐水期的水域面積相同，均為21.8 km2；而下游依然存在明顯的枯水期和豐水期，其水域面積分別為1.4和2.2 km2。建壩導致董箐大壩河段由天然水體轉變為人為控制的水體，水域變化主要受人為調控，當水流量過大時開閘放水，水流量較小時則關閘蓄水，使水域面積維持在相對穩定水平。

3.3 大壩對河岸NDVI值的影響

研究結果表明，近段(距大壩0～6 km)緩沖距離500、1000和1500 m植物生長季的NDVI在建壩前和建壩后均呈下降趨勢，差異均不顯著；中段(6～15 km)緩沖距離500、1000和1500 m植物生長季的NDVI在緩沖距離500 m時建壩前NDVI顯著高于建壩后，緩沖距離1000和1500 m建壩前后NDVI差異均不顯著；遠段(15～28 km)在緩沖距離500、1000和1500 m植物生長季的NDVI在建壩前和建壩后NDVI幾乎沒有變化，僅500 m時略為下降，各緩沖距離建壩前后NDVI差異均不顯著。王晶晶等[35]對三峽大壩近30年來河岸植被的時空變化分析發現，大壩建設導致河岸的植被覆蓋度降低，建壩前的植被覆蓋度大于建壩后。YI等[36]對金沙江和湄公河兩個流域上的4個梯級大壩建設對NDVI的影響研究表明，在大壩建設后，近河岸帶的NDVI值較建壩前呈下降趨勢。劉世梁等[37]研究瀾滄江梯級大壩建設對上游NDVI值的影響發現，大壩建設導致上游NDVI值下降，而建壩后NDVI值呈波動回升，建壩后的NDVI值大于建壩前。與本研究結果不一致，可能原因是此次研究中河岸的植被覆蓋還處于回升階段。大壩導致上游水域面積增加，進而可能會影響區域小氣候，降低溫度提高濕度[38]，最終降低小范圍內的NDVI值。

4 結 論

北盤江董箐大壩建壩前水域面積的變化幅度較小，上游和下游的水域面積分別為4.5和1.7 km2，建壩后上游水域面積為21.7 km2，較建壩前增加3.8倍，下游水域面積為1.7 km2，較建壩前基本未發生變化；上游水域面積建壩后水域面積隨著與大壩距離的增大而減小，水域面積與大壩距離的相關性顯著，下游水域面積建壩前后處于相對穩定狀態，與到大壩的距離無顯著相關性；建壩前水域面積與前期降水量呈顯著正相關，建壩后上游水域面積與前期降水量相關性不顯著，下游水域面積與前期降水量呈顯著正相關；董箐大壩建壩后上游水域覆蓋區域的穩定性增大，大壩下游水域覆蓋區域的穩定性變化不明顯；在緩沖距離500、1000和1500 m時，近段(距大壩0～6 km)和中段(6～15 km)各緩沖距離建壩前和建壩后植物生長季的NDVI均呈下降趨勢，遠段(15～28 km)的NDVI幾乎無變化。北盤江董箐大壩建壩前水域面積主要受降水控制，建壩后水體主要受人為調控，當水量過大時開閘放水，而水量較小時則關閘蓄水，使水域面積維持在相對穩定的水平，河流水體已由自然變化轉為人為調控為主。