唐夫凱,崔 明,周金星,王昭艷,馬國(guó)青,方健梅

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091; 2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083; 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所,北京 100048; 4.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714)

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通天河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)景觀效應(yīng)與生態(tài)安全評(píng)價(jià)

唐夫凱1,2,崔 明1,周金星2,王昭艷3,馬國(guó)青4,方健梅4

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091; 2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083; 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所,北京 100048; 4.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714)

摘要:為評(píng)價(jià)通天河干流水電開(kāi)發(fā)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響,利用數(shù)字影像和野外調(diào)查等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以“3S”技術(shù)為支撐,運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)和生態(tài)安全指數(shù)等方法對(duì)通天河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)引起的陸地生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)后流域內(nèi)水體面積增加300. 72 km2,草地面積減少296. 80 km2,主要植被類(lèi)型和土地利用格局未產(chǎn)生明顯變化;流域景觀格局中的優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型為草地,其次為裸地和林地,在景觀格局水平上景觀破碎度降低,景觀優(yōu)勢(shì)度增加,同時(shí)景觀多樣性增加,有利于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定;水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)未對(duì)流域內(nèi)植被生產(chǎn)力和河流兩岸物種豐富度造成顯著影響,水電站建成后植被生產(chǎn)力值減小1. 83×105t/ a,僅占區(qū)域原植被生產(chǎn)力值的0. 78%;水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)后流域總體生態(tài)安全指數(shù)為0. 819,較開(kāi)發(fā)前增大0. 001,流域生態(tài)安全指數(shù)總體維持較高水平。通天河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)后流域景觀格局、生態(tài)系統(tǒng)的功能與性質(zhì)未發(fā)生改變,未對(duì)流域生態(tài)環(huán)境與安全造成威脅。

關(guān)鍵詞:水電梯級(jí)開(kāi)發(fā);環(huán)境影響;景觀效應(yīng);生態(tài)安全;通天河

攔河建壩修建水電站是當(dāng)前水資源開(kāi)發(fā)利用的主要方式[1],對(duì)河流水電資源的梯級(jí)開(kāi)發(fā)可以充分利用河流的落差和最大限度地開(kāi)發(fā)河流的水能和水運(yùn)資源,產(chǎn)生較大的綜合效益,是當(dāng)前水電開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)[2-3]。歷史上美國(guó)密西西比河、科羅拉多河流域和蘇聯(lián)伏爾加河流域的梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)建設(shè)都促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4]。水電工程開(kāi)發(fā)與建設(shè)在給人類(lèi)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境利益的同時(shí),也會(huì)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生多層次的負(fù)面影響,如導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性下降等[5-6]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(ecological risk)反映了種群、生態(tài)系統(tǒng)或景觀的生態(tài)功能受外界干擾脅迫,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能減弱的狀況[7]。脆弱生態(tài)區(qū)的土地利用變化對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)安全格局起到至關(guān)重要的作用。生態(tài)環(huán)境因素已成為大型水電工程建設(shè)主要的制約性因素,整個(gè)社會(huì)對(duì)大型水電工程建設(shè)可能引起的復(fù)雜生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題越來(lái)越重視[8]。

水電開(kāi)發(fā)中淹沒(méi)引起的景觀空間結(jié)構(gòu)與功能的變化,影響著區(qū)域的物質(zhì)流、信息流和能量流特征,進(jìn)而會(huì)影響該區(qū)域的資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)。目前有關(guān)梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的研究多沿用單個(gè)水電工程生態(tài)環(huán)境的研究成果,并已有學(xué)者從水電站建設(shè)對(duì)河流水文過(guò)程、地貌生物多樣性、水質(zhì)等的影響做了單一或綜合研究[9-10],但從整體上認(rèn)識(shí)、理解和把握梯級(jí)水電站對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的影響不足,梯級(jí)水電站建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的系統(tǒng)研究仍比較欠缺[1,5]。

三江源是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地,因其具有充沛的水資源,被譽(yù)為“中華水塔”。由于地理環(huán)境和氣候條件特殊,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱,三江源生態(tài)環(huán)境與生態(tài)平衡的變化直接關(guān)系到我國(guó)的生態(tài)安全。本文采用野外調(diào)查、遙感影像解譯和Fragstats3. 3軟件平臺(tái)相結(jié)合的方法,研究青海省三江源重要干流——通天河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響,分析工程建設(shè)前后區(qū)域景觀格局、植被生產(chǎn)力、物種多樣性和生態(tài)安全指數(shù)的變化狀況,以期為區(qū)域生態(tài)安全調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

通天河地處青海省玉樹(shù)藏族自治州,是三江源保護(hù)區(qū)最上游的主干流,是我國(guó)青藏高原生態(tài)屏障的重要組成部分;通天河同時(shí)也是南水北調(diào)西線(xiàn)工程的水源地之一。流域內(nèi)水量充沛,落差大,水能資源蘊(yùn)藏豐富。通天河干流河長(zhǎng)769km,河道天然落差953m,多年平均流量424 m3/ s,理論蘊(yùn)藏量2668 MW,約占青海省蘊(yùn)藏總量的11. 5%;河段平均比降0. 124%,單位河長(zhǎng)蘊(yùn)藏的水流出力約為3. 47 MW/ km[11]。流域平均海拔高度4400 m,區(qū)域自然環(huán)境條件相對(duì)較差,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低。

通天河流域水電開(kāi)發(fā)是國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的要求,即在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上,充分利用通天河豐富的水力資源積極開(kāi)發(fā)水電、促進(jìn)地區(qū)旅游發(fā)展,遠(yuǎn)期滿(mǎn)足南水北調(diào)西線(xiàn)通天河調(diào)水要求[12-13]。由于通天河位于三江源自然保護(hù)區(qū),其生態(tài)環(huán)境保護(hù)非常重要,水電開(kāi)發(fā)需充分考慮環(huán)境敏感區(qū)和重要淹沒(méi)對(duì)象的分布特點(diǎn)。通天河流域水電開(kāi)發(fā)規(guī)劃按整個(gè)梯級(jí)分8級(jí)開(kāi)發(fā)水資源,總利用落差592 m,裝機(jī)總?cè)萘? 838 MW,年發(fā)電量128. 32億kW·h。梯級(jí)水電站自上而下依次為克隴、若欽、立新、勒義、仲昌、跟著、拉貢和玉樹(shù),其中拉貢水電站為已建成電站。梯級(jí)水電站布局合理,技術(shù)可行,整個(gè)流域地廣人稀,沿河兩岸居民及耕地較少,淹沒(méi)損失較小。各梯級(jí)水電站水庫(kù)特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 通天河干流各梯級(jí)水電站水庫(kù)特征參數(shù)

2 研究方法

2. 1 研究范圍與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

研究的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)間為2011年8月,評(píng)價(jià)時(shí)段為2011年到工程施工前的時(shí)段,評(píng)價(jià)內(nèi)容為水庫(kù)擬淹沒(méi)庫(kù)區(qū)對(duì)區(qū)域陸生生態(tài)環(huán)境的影響。研究范圍為楚瑪爾河匯口(克隴水電站水庫(kù)回水末端)至巴塘河口沿通天河兩岸第一重山脊線(xiàn)所包括的陸域范圍,干流河段長(zhǎng)約511 km,總面積38346. 7 km2。

根據(jù)階梯電站的位置分布,在評(píng)價(jià)區(qū)選取11個(gè)典型河流斷面(楚瑪爾河口、克隴壩址、治曲、曲麻萊、若欽、立新、勒義、仲昌、跟著、拉貢和玉樹(shù))設(shè)置11個(gè)調(diào)查樣帶,每個(gè)樣帶在河流兩岸淹沒(méi)區(qū)和非淹沒(méi)區(qū)分別設(shè)置樣地,并進(jìn)行固定樣地調(diào)查,調(diào)查資料包括植被群落統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),工程影響范圍內(nèi)GPS定位植被記錄數(shù)據(jù)等。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)研究區(qū)2011年Landsat ETM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)影像和DEM數(shù)據(jù)(分辨率30 m×30 m)進(jìn)行信息提取和專(zhuān)題解譯,確定水庫(kù)擬淹沒(méi)范圍,在Arcgis10. 0軟件平臺(tái)上建立土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)[14]。利用GIS對(duì)景觀類(lèi)型現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)疊加分析,得到水電開(kāi)發(fā)工程擬淹沒(méi)區(qū)景觀類(lèi)型、景觀格局指數(shù)和植被蓋度等數(shù)據(jù),用于進(jìn)行各項(xiàng)預(yù)測(cè)分析。

2. 2 景觀格局與生態(tài)功能分析

a.景觀格局指數(shù)變化。以土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在Fragstats3. 3景觀格局軟件平臺(tái)上,基于斑塊和景觀兩個(gè)尺度計(jì)算區(qū)域淹沒(méi)前后景觀格局指數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析。斑塊類(lèi)型尺度景觀格局指數(shù)包括斑塊數(shù)、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)和分離度指數(shù)等;景觀水平尺度景觀格局指數(shù)包括蔓延度指數(shù)、分離度指數(shù)、平均分維數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)等。具體計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[15-16]。

b.植被生產(chǎn)力。以基于光能利用率的CASA模型思路來(lái)計(jì)算區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)[17-18]。面積的準(zhǔn)確計(jì)算是統(tǒng)計(jì)分析的必要前提,采用特定的Albers等面積投影,計(jì)算得到基于柵格圖像的結(jié)果。選取2000年、2005年和2010年對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)典型植被類(lèi)型年際、年間分布特征進(jìn)行分析,采用其平均值與淹沒(méi)后區(qū)域植被生產(chǎn)力做對(duì)比分析。

c.物種多樣性。根據(jù)11個(gè)固定調(diào)查樣帶的植被群落調(diào)查信息計(jì)算各調(diào)查樣帶河流兩岸淹沒(méi)區(qū)和非淹沒(méi)區(qū)α物種多樣性指數(shù),計(jì)算公式[15,19]如下:

式中:H為Shannon-Wiener指數(shù);D為Simpson多樣性指數(shù);JSW為Pielou均勻度指數(shù); S為物種豐富度指數(shù)(群落中的物種總數(shù));Pi為物種i的相對(duì)重要值。

2. 3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法

影響區(qū)域生態(tài)安全的因素主要有自然和人為兩大類(lèi),對(duì)于通天河流域水電開(kāi)發(fā)而言,生態(tài)安全的主要影響因素為人類(lèi)活動(dòng),通過(guò)區(qū)域的土地利用/覆被變化來(lái)反映。采用基于土地利用的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI),構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全指數(shù)(ESI)來(lái)表征區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度[20-21]。計(jì)算公式為

式中:IER、IES分別為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和生態(tài)安全指數(shù); j為土地利用類(lèi)型;Aj為樣本區(qū)域內(nèi)第j種土地利用類(lèi)型的總面積;A為樣本區(qū)的土地總面積;Wj為第j種土地利用類(lèi)型的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度系數(shù)。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越高,相應(yīng)生態(tài)安全指數(shù)則越小,表明區(qū)域內(nèi)的生態(tài)安全程度越低;反之生態(tài)安全程度越高。本研究生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度權(quán)重系數(shù)參照曾輝等[20]的研究成果,并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況做適當(dāng)修改,最終確定不同土地利用類(lèi)型生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重系數(shù)為:耕地0. 31,水體0. 18,林地0. 14,草地0. 2,裸地0. 109,冰川及永久積雪0. 10。

以10 km×10 km為基本柵格單元計(jì)算生態(tài)安全指數(shù),將柵格單元值轉(zhuǎn)化為點(diǎn)數(shù)據(jù),并通過(guò)Arcgis10. 0軟件進(jìn)行插值,得到通天河流域的生態(tài)安全空間分布圖;為準(zhǔn)確評(píng)估水電開(kāi)發(fā)后土地利用對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度,將生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)一步細(xì)分為低、中、中高和高4類(lèi),并生成生態(tài)安全等級(jí)區(qū)范圍圖,以直觀地反映區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布狀況。采用Excel 2007和Sigmaplot10. 0軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理以及圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3. 1 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)土地利用方式的影響

水電站建成蓄水后會(huì)導(dǎo)致河流兩岸的土地利用類(lèi)型發(fā)生改變,使一定面積的草地、林地、裸地等土地利用類(lèi)型被水覆蓋成為水體。通天河流域總面積38346. 70 km2,其中草地面積所占比例最大,其次為裸地。表2為流域淹沒(méi)前后水庫(kù)與陸域土地利用類(lèi)型面積的變化情況。

表2 淹沒(méi)前后土地利用類(lèi)型面積變化

梯級(jí)水電站建設(shè)完成后,研究區(qū)土地利用類(lèi)型有一定的變化,占優(yōu)勢(shì)地位的草地淹沒(méi)的面積最大,其面積變化比例也較大,其他土地利用類(lèi)型的淹沒(méi)面積和比例均很小。裸地減少1. 32 km2,林地減少2. 60 km2,草地減少296. 80 km2,冰川及永久積雪沒(méi)有變化。梯級(jí)水電站建成后水體面積變化最明顯,面積增加300. 72 km2,且水體面積的增加以草地的貢獻(xiàn)最大,所占比例為98. 70%。由于壩址的選擇一般位于懸崖峭壁,建設(shè)前后各土地利用類(lèi)型面積總體變化不大,土地利用類(lèi)型優(yōu)勢(shì)度不變,草地最大,其次是裸地、林地和水體,冰川及永久積雪最小。

3. 2 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)景觀格局的影響

3. 2. 1 斑塊類(lèi)型尺度景觀格局指數(shù)變化

研究區(qū)內(nèi)斑塊類(lèi)型水平上的景觀格局變化見(jiàn)表3。各類(lèi)型景觀要素由于分布范圍不同,受水庫(kù)的影響程度也不同,其中裸地、林地和冰川及永久積雪類(lèi)型景觀各個(gè)指數(shù)值在淹沒(méi)前后基本沒(méi)有變化,受水庫(kù)建設(shè)影響較大的是草地和水體[14]。

草地淹沒(méi)后斑塊數(shù)、斑塊密度和最大斑塊指數(shù)有所增加,草地的景觀破碎度有所提高;草地景觀形狀指數(shù)較淹沒(méi)前增加0. 937,說(shuō)明景觀的穩(wěn)定性有所降低。裸地的斑塊數(shù)、斑塊密度和景觀形狀指數(shù)淹沒(méi)后略微降低,最大斑塊指數(shù)保持不變,而平均斑塊面積略有增加。林地淹沒(méi)后除斑塊數(shù)降低1個(gè)外,其余景觀指數(shù)都有所增加,說(shuō)明淹沒(méi)在一定程度上影響了景觀格局,使景觀受到一定程度的干擾。由于水庫(kù)的形成,水體景觀的斑塊數(shù)、斑塊密度明顯下降,最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)和平均斑塊面積則明顯增大。由于水體在區(qū)域中所占的比重很小,不足1%,因此水體景觀的改變對(duì)流域的生態(tài)功能與作用影響小,在大尺度上表現(xiàn)不明顯。冰川及永久積雪所占比例小,其一般都位于流域的邊緣地帶,基本不受人類(lèi)活動(dòng)干擾,其景觀指數(shù)都保持不變。

3. 2. 2 景觀水平尺度景觀格局指數(shù)變化

表4為在景觀水平尺度上淹沒(méi)前后研究區(qū)景觀格局指數(shù)變化狀況,淹沒(méi)后區(qū)域斑塊數(shù)、斑塊密度和最大斑塊指數(shù)均降低,說(shuō)明淹沒(méi)后整個(gè)景觀格局的破碎化程度降低。景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)指數(shù)在淹沒(méi)后呈增大趨勢(shì),平均形狀分布指數(shù)增大,表明景觀斑塊幾何形狀較淹沒(méi)前規(guī)則[22-23]。淹沒(méi)后蔓延度指數(shù)呈減小趨勢(shì)(-2. 4%),而景觀分裂指數(shù)增大(5. 76%),表明工程建設(shè)會(huì)造成各斑塊之間的連接性水平降低。淹沒(méi)后Shannon多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別增大了0. 041和0. 025,但都維持在較低水平,表明工程實(shí)施后區(qū)域的景觀格局更復(fù)雜,各景觀要素斑塊更加均勻,優(yōu)勢(shì)度水平會(huì)降低。

3. 3 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)陸生植被生態(tài)系統(tǒng)的影響

3. 3. 1 梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)植被生產(chǎn)力的影響

評(píng)價(jià)區(qū)2000年、2005年、2010年陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生產(chǎn)力(以C計(jì),下同)的平均值分別為679.87 g/ (m2·a)、631. 04g/ (m2·a)和652. 81 g/ (m2·a),年總生產(chǎn)量分別為2. 61×107t/ a、2. 42×107t/ a、2. 50× 107t/ a。植被生產(chǎn)力的總體分布趨勢(shì)與植被類(lèi)型、太陽(yáng)輻射、溫度、降雨等氣候條件密切相關(guān),具有一定的空間異質(zhì)性。評(píng)價(jià)區(qū)平均植被生產(chǎn)力的空間分布格局與植被類(lèi)型和植被群落關(guān)系密切,以高寒草甸植被為主的地區(qū)為植被生產(chǎn)力分布高值區(qū),而在亞高山闊葉落葉灌叢分布的區(qū)域?qū)儆谥脖簧a(chǎn)力次高值區(qū),高海拔無(wú)植被地段屬于植被生產(chǎn)力分布低值區(qū)。

表3 淹沒(méi)前后研究區(qū)斑塊類(lèi)型尺度景觀格局指數(shù)的變化

表4 淹沒(méi)前后研究區(qū)景觀水平尺度景觀格局指數(shù)的變化

表5 淹沒(méi)前后研究區(qū)植被生產(chǎn)力值變化情況

從表5可以看出,水電站的建設(shè)降低了評(píng)價(jià)區(qū)的植被生產(chǎn)力值,減小值為1. 83×105t/ a,減少了區(qū)域原植被生產(chǎn)力值的0. 78%。5種主要土地利用類(lèi)型中,只有水體面積增加,且增加比例較大,為原來(lái)面積的4倍多;其余除冰川及永久積雪外,都有所減少,其中草地減少的面積最大,而草地的平均植被生產(chǎn)力值也較水體面積高很多,所以區(qū)域總體表現(xiàn)為植被生產(chǎn)力值減小。

3. 3. 2 梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)物種多樣性的影響

水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)會(huì)淹沒(méi)大壩上游的部分沿河地帶,使部分生境喪失,表6為在物種多樣性層次上水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)陸生生態(tài)系統(tǒng)的影響。由表6可知,各調(diào)查樣帶中左岸和右岸、淹沒(méi)區(qū)與非淹沒(méi)區(qū)樣地的物種豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)變化都很小,從而可以看出,修建電站堤壩以及水庫(kù)蓄水對(duì)兩岸的物種多樣性影響不大。

表6 淹沒(méi)前后不同樣帶生物多樣性變化

3. 4 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)區(qū)域生態(tài)安全影響程度

經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)梯級(jí)水電站建設(shè)前總體的生態(tài)安全指數(shù)為0. 818(圖1(a)),梯級(jí)水電站建設(shè)完成后,通天河流域的總體生態(tài)安全指數(shù)為0. 819(圖1 (b)),建設(shè)完成后區(qū)域總體生態(tài)安全指數(shù)增加0. 001。與其他研究區(qū)相比,本區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全程度相對(duì)較高,其原因主要為區(qū)域景觀以自然景觀為主,受到的人為活動(dòng)影響較小,對(duì)生態(tài)安全有影響的破壞性活動(dòng)較少。梯級(jí)水電站建成后,10 km×10 km基本柵格單元上的生態(tài)安全統(tǒng)計(jì)值和其空間分布同電站建設(shè)前基本一致,其最大生態(tài)安全指數(shù)和最小生態(tài)安全指數(shù)的柵格未發(fā)生變化。

圖1 梯級(jí)水電站建成前后區(qū)域生態(tài)安全指數(shù)空間分布

通天河流域生態(tài)安全指數(shù)最大值為0. 86,最小值為0. 80,基本未發(fā)生變化。生態(tài)安全指數(shù)較高的區(qū)域同電站建設(shè)前的區(qū)域基本一致,生態(tài)安全指數(shù)較低的區(qū)域在東北部,整體趨勢(shì)也表現(xiàn)為東低西高。為了更細(xì)致地對(duì)比建設(shè)前后的生態(tài)安全變化,在Arcgis10. 0軟件中將兩個(gè)時(shí)期的生態(tài)安全數(shù)據(jù)疊加對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn):日阿讓涌西南部、切如隴給、加巧、夏日貢巴、當(dāng)江榮西北、來(lái)涌與奇迪之間等區(qū)域的生態(tài)安全指數(shù)有所下降;冬特考等地生態(tài)安全指數(shù)有輕微的增大。8個(gè)梯級(jí)水電站正常蓄水后,淹沒(méi)的主要土地利用類(lèi)型為草地,從土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移來(lái)看,草地轉(zhuǎn)換為水體,生態(tài)安全指數(shù)有所增大。從不同土地利用類(lèi)型和植被的生態(tài)效益上來(lái)看,水體的生態(tài)效益大于草地,因此,淹沒(méi)區(qū)水體面積增加,這些區(qū)域的生態(tài)安全指數(shù)有輕微增大的趨勢(shì)。

通天河流域分為4個(gè)生態(tài)安全等級(jí)區(qū)域(圖2),分別為低生態(tài)安全區(qū)(0. 80～0. 81)、中生態(tài)安全區(qū)(0. 81～0. 82)、中高生態(tài)安全區(qū)(0. 82～0. 83)、高生態(tài)安全區(qū)(0. 83～0. 86)。通天河流域的西部生態(tài)安全明顯高于東部地區(qū),且通天河流域多為低生態(tài)安全區(qū)和中生態(tài)安全區(qū)。整體上中生態(tài)安全區(qū)面積最大,其次是低生態(tài)安全區(qū)、中高生態(tài)安全區(qū),而高生態(tài)安全區(qū)面積最小,低、中、中高和高生態(tài)安全區(qū)的面積比為0. 86∶1∶0. 47∶0. 11。對(duì)淹沒(méi)前后生態(tài)安全等級(jí)圖疊加發(fā)現(xiàn)淹沒(méi)前后4個(gè)生態(tài)安全等級(jí)區(qū)的空間分布基本一致,未發(fā)生明顯變化。通天河流域生態(tài)安全以中低等級(jí)為主,水電開(kāi)發(fā)中應(yīng)著重考慮區(qū)域的生態(tài)安全空間分布規(guī)律,采取因地制宜的方法,盡量避免造成區(qū)域生態(tài)問(wèn)題。

圖2 電站建成后區(qū)域生態(tài)安全等級(jí)空間分布

4 結(jié) 語(yǔ)

通天河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)后區(qū)域不同土地利用類(lèi)型面積變化不大,未對(duì)土地利用類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)度產(chǎn)生影響。水庫(kù)建成蓄水后區(qū)域景觀格局指數(shù),在斑塊類(lèi)型尺度上景觀優(yōu)勢(shì)度水平降低,景觀形狀也較淹沒(méi)前更規(guī)則;在景觀水平尺度上景觀優(yōu)勢(shì)度水平降低,景觀破碎化增加,受淹沒(méi)影響斑塊形狀更加規(guī)則。水庫(kù)建成淹沒(méi)后,由于草地面積的顯著減少,研究區(qū)內(nèi)陸地植物植被生產(chǎn)力較淹沒(méi)前降低。從多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)來(lái)看,梯級(jí)水電站的建設(shè)對(duì)流域內(nèi)物種的生物多樣性無(wú)顯著影響。梯級(jí)水電站建設(shè)未對(duì)區(qū)域整體生態(tài)安全產(chǎn)生影響,梯級(jí)水電站建設(shè)后流域生態(tài)安全指數(shù)較建設(shè)前增大0. 001,且研究區(qū)生態(tài)安全程度相對(duì)較高。從總體上看,研究區(qū)東北部的生態(tài)安全指數(shù)相對(duì)較低,特別是海拔較高的區(qū)域,在項(xiàng)目建設(shè)中需注意生態(tài)的保護(hù)。

研究結(jié)果顯示通天河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)后流域景觀要素的基本構(gòu)成不會(huì)發(fā)生明顯改變,以高山、高寒草地為主的草地在研究區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)主導(dǎo)地位不會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化;景觀多樣性指數(shù)略有變化,但不會(huì)減弱生態(tài)系統(tǒng)抵御干擾的能力和其自然體系的穩(wěn)定性;生態(tài)安全指數(shù)略有增加,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)仍處于較穩(wěn)定的水平[24]。

本研究主要討論了通天河干流梯級(jí)水電站建設(shè)對(duì)流域土地利用類(lèi)型、景觀格局、植被生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及區(qū)域生態(tài)安全的影響,除此之外,梯級(jí)水電站的建設(shè)對(duì)陸生動(dòng)物、文物古跡、土壤侵蝕和自然保護(hù)區(qū)等都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。工程建設(shè)會(huì)影響鳥(niǎo)類(lèi)和獸類(lèi)動(dòng)物的生化和取食環(huán)境,但其一般分布在較高海拔地段,且具有遷徙性,因而不會(huì)對(duì)動(dòng)物棲息地造成較大影響。此外,盡管工程建設(shè)會(huì)產(chǎn)生土壤侵蝕,由于壩址的選擇多位于懸崖峭壁和自然山谷,最大限度地減小了對(duì)植被的破壞[25];工程結(jié)束后梯級(jí)水庫(kù)會(huì)產(chǎn)生攔沙效益,輔以適當(dāng)?shù)闹脖换謴?fù)措施,能夠有效防治區(qū)域水土流失。

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Landscape effect and ecological security evaluation of cascade hydropower development in the mainstream of Tongtian River Basin

/ / TANG Fukai1,2, CUI Ming1, ZHOU Jinxing2, WANG Zhaoyan3, MA Guoqing4, FANG Jianmei4(1. Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. School of Soil and Water Conserυation, Beijing Forestry Uniυersity, Beijing 100083, China; 3. Department of Sediment Research, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 4. Academy of Forest Inυentory and Planning, State Forestry Administration, Beijing 100714, China)

Abstract:In order to evaluate the impacts of hydropower development on the ecological environment, the impacts of the cascade development of hydropower projects in the main stream of the Tongtian River on the terrestrial ecological environment were analyzed and evaluated using the“3S”technology combined with the methods of landscape ecology and the ecological security index, as well as data from digital images and field surveys. The results show that, subsequent to cascade hydropower development, the water area increased by 300. 72 km2, the grassland area decreased by 296. 80 km2, and there was no significant change in the main vegetation types and land use patterns. Grassland was the dominant landscape type in the basin, followed by bare land and woodland. Landscape fragmentation decreased after hydropower development, while landscape dominance and diversity increased, which was conducive to the stability of regional ecosystem. Cascade hydropower development did not significantly affect the productivity of vegetation in the basin and the richness of species on both sides of the river. The productivity of vegetation decreased by 1. 83×105t/ a, and the productivity after the development only accounted for 0. 78% of that before the development. The ecological security index of the overall basin was 0. 819 after the development, 0. 001 higher than that before it, indicating a high ecological security index. In summary, since there were no major changes in landscape patterns or in ecosystem features and functions, cascade hydropower development does not pose a threat to the ecological environment and safety in the Tongtian River Basin.

Key words:cascade development of hydropower; environmental impact; landscape effect; ecological security; Tongtian River

(收稿日期:2014- 11 28 編輯:熊水斌)

通信作者:崔明(1979—),女,副研究員,博士,主要從事生態(tài)恢復(fù)和自然地理研究。E-mail:cuiming2009@ foxmail. com

作者簡(jiǎn)介:唐夫凱(1988—),男,博士,主要從事水土保持和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究。E-mail:tangfk_hi@126. com

基金項(xiàng)目:“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAC09B03);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(CAFYBB2014ZD006)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 009

中圖分類(lèi)號(hào):TV213. 2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647(2016)02- 0046- 07