李　靜　王昌佐　萬華偉

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京　100094)

基于遙感技術(shù)的水電梯級開發(fā)及對生態(tài)系統(tǒng)影響遙感監(jiān)測

李靜王昌佐萬華偉

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京100094)

【摘要】本文對遙感技術(shù)在梯級開發(fā)水電站識別和對生態(tài)系統(tǒng)的影響中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：(1)根據(jù)水電站類型和規(guī)模特征，選擇合適分辨率的遙感影像，可以對河流梯級開發(fā)水電站進(jìn)行遙感識別，進(jìn)而開展河流梯級開發(fā)水電站對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響動(dòng)態(tài)監(jiān)測；(2)梯級開發(fā)水電站建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)的影響可從大壩樞紐區(qū)和整個(gè)庫區(qū)兩個(gè)方面開展分析，大壩樞紐建設(shè)區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在植被破壞、區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)增加；對整個(gè)庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響則主要表現(xiàn)在淹沒大量農(nóng)田、林草、灘地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)，移民數(shù)量大，水域大幅增加但河流形態(tài)發(fā)生很大變化，建筑及道路增長迅速。

【關(guān)鍵詞】水電梯級開發(fā)；生態(tài)影響；遙感技術(shù)

1引言

水電開發(fā)是解決我國能源需求，承擔(dān)國際責(zé)任，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[1]。流域梯級開發(fā)是指在同一條河流或河段上布置一系列階梯式水利樞紐的開發(fā)方式，因其可最大限度的利用河流水能，成為當(dāng)前水電開發(fā)的趨勢[2，3]。但水電梯級開發(fā)在取得大量經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時(shí)，也會改變流域天然的水文過程，對流域生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生影響，部分河段的水電開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的矛盾很突出[4，5]。

科學(xué)、合理的利用水電這一可再生能源，需要及時(shí)掌握河流水電梯級開發(fā)狀況和其造成的生態(tài)環(huán)境影響。水能資源較為豐富的區(qū)域多以高山峽谷為主，全面客觀地調(diào)查流域的水電開發(fā)及其環(huán)境影響，開展水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管，全靠傳統(tǒng)的地面調(diào)查不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且風(fēng)險(xiǎn)大，難以實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星遙感具有宏觀性好、客觀性強(qiáng)、周期性觀測和不受地表自然條件限制等優(yōu)勢，是獲取水電開發(fā)、地表生態(tài)環(huán)境及其動(dòng)態(tài)變化的重要手段。

隨著衛(wèi)星資源增多和技術(shù)發(fā)展，遙感技術(shù)在我國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管等方面都發(fā)揮了巨大的作用[6-8]，大大提高了對地表資源環(huán)境研究和監(jiān)測的效率和質(zhì)量，使生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、制圖等方面發(fā)生了巨大的變化。但利用遙感技術(shù)，開展水電站遙感識別的研究和應(yīng)用的研究還相對較少，本研究是在流域水電站開發(fā)遙感識別及其生態(tài)環(huán)境影響監(jiān)測方面的有益嘗試，可為國家水電開發(fā)監(jiān)督管理提供參考和技術(shù)支撐。

2梯級開發(fā)水電站遙感識別

2.1遙感數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

根據(jù)水電站類型和規(guī)模的不同，需要選擇不同的遙感數(shù)據(jù)源。其中壩式水電站因其規(guī)模一般較大、特征明顯，對遙感影像空間分辨率要求相對較低，中分辨率遙感影像(30米左右)即可基本滿足要求；而引水式水電站因其規(guī)模相對較小，且解譯標(biāo)志多為線性地物，對遙感數(shù)據(jù)要求高，一般需要高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)(米級和亞米級)的支持。總體來說，水電站規(guī)模越大、水庫大壩規(guī)模越大，對遙感數(shù)據(jù)空間分辨率要求越低。目前梯級開發(fā)水電站遙感識別常用的數(shù)據(jù)源見表1。

表1　梯級開發(fā)水電站遙感識別常用數(shù)據(jù)源

所有圖像數(shù)據(jù)以1∶50000地形圖為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何精糾正，糾正精度控制在一個(gè)像元以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)不同時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)。對高分辨率數(shù)據(jù)，還要將全色波段和多光譜波段進(jìn)行融合，獲得識別能力強(qiáng)的多光譜高分辨率影像。

2.2梯級開發(fā)水電站遙感解譯

梯級開發(fā)水電站遙感解譯是指根據(jù)流域水電站自身的組成、特征，并綜合分析其所在河流上下游及岸上一定區(qū)域特點(diǎn)，將水電站準(zhǔn)確解譯出來。對河流上較大規(guī)模的水電站來說，可分為已建水電站遙感解譯和在建水電站遙感解譯。

(1)已建水電站遙感解譯

河流上已建梯級開發(fā)水電站具有明顯的水電開發(fā)特征，對壩式水電站而言，表現(xiàn)為具有大壩、庫區(qū)、廠房和排水等設(shè)施；對引水式水電站而言，表現(xiàn)為具有明顯的引水管、排水設(shè)施、廠房等設(shè)施。遙感解譯標(biāo)志見圖1。

(2)在建水電站遙感解譯

河流上在建梯級開發(fā)水電站在遙感影像上表現(xiàn)為河道被阻斷，周邊具有較強(qiáng)的開發(fā)特征，有道路、料場、渣場等輔助解譯標(biāo)志，見圖2。

圖1　已建梯級開發(fā)水電站遙感解譯圖

圖2　在建梯級開發(fā)水電站遙感解譯圖

(3)全河流梯級開發(fā)水電站解譯

通過對河流上已建水電站和在建水電站的遙感解譯，可以得到全河流梯級水電開發(fā)情況。如利用環(huán)境衛(wèi)星2011年5月5日影像，解譯得到2011年大渡河流域已建成和在建水電站10座，其中已建成水電站5座，分別為龍頭石水電站、瀑布溝水電站、龔嘴水電站、沙灣水電站和銅街子水電站；在建水電站5座，分別為長河壩水電站、黃金坪水電站、瀘定水電站、大崗山水電站和深溪溝水電站。這10座水電站中，有8座為2003年到2011年的新增電站。解譯結(jié)果見圖3。

圖3　2011年大渡河干流已建和在建水電站分布圖

3梯級水電開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)影響分析

3.1梯級水電開發(fā)密度分析

對一條河流來說，水電站開發(fā)方式、開發(fā)數(shù)量、開發(fā)規(guī)模以及空間分布等特征，是水電開發(fā)對區(qū)域水資源利用、水文情勢及其它生態(tài)環(huán)境影響的重要決定因素。在梯級水電站遙感解譯的基礎(chǔ)上，水電開發(fā)密度用河流上水電站平均間隔長度來表示，可反映河流水電開發(fā)的強(qiáng)度，是開展河流梯級水電開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)。

以大渡河干流為例，從上游首座水電站到下游的末座水電站，共約380公里的河道上，分布著已建和在建水電站10座，平均41公里就有一座，其中，有4組水電站之間的距離小于20公里，銅街子水電站和沙灣水電站間隔最小，為13公里。

3.2梯級開發(fā)水電站對生態(tài)系統(tǒng)影響

大型梯級開發(fā)水電站對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在大壩建設(shè)和水庫蓄水等工程對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、土壤侵蝕、河流水文狀況(庫區(qū)水文變化、下游河道減脫水)、移民等的影響，這些影響集中體現(xiàn)在水電站建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后生態(tài)系統(tǒng)類型的劇烈變化上。為了更好的分析水電站建設(shè)過程及蓄水發(fā)電對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，對大壩建設(shè)區(qū)和水庫周邊生態(tài)系統(tǒng)變化分別進(jìn)行遙感監(jiān)測。大壩建設(shè)區(qū)范圍確定以實(shí)際建設(shè)波及范圍為主，水電站庫區(qū)周邊范圍則以海拔1500米以下河谷區(qū)域?yàn)橹?，同時(shí)考慮河流整體形態(tài)等因素劃定。以下將以大渡河流域最大的梯級開發(fā)水電站瀑布溝水電站為例，分析水電開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)的影響。

(1)大壩樞紐建設(shè)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響

瀑布溝水電站于2004年3月30日開工建設(shè)，從遙感影像上可以清晰看出大壩樞紐區(qū)建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后生態(tài)系統(tǒng)類型的變化，生態(tài)系統(tǒng)類型遙感解譯結(jié)果見表2。

表2　瀑布溝樞紐建設(shè)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型面積　(單位：km2)

注：變化情況均以2000年的面積為參照。

瀑布溝樞紐建設(shè)區(qū)建筑、道路等建設(shè)工程用地大幅增加，其中建設(shè)期最多(增加了3.7平方公里)，建成后隨著臨時(shí)用地的恢復(fù)有所降低；工程建成后水域面積有所增加，增加了1.4平方公里；灘地因工程占地和庫區(qū)淹沒而消失。同時(shí)，2000年以來，樞紐建設(shè)區(qū)周圍退耕還林效果較好，林草生態(tài)系統(tǒng)面積有所增加；耕地受施工占地、水庫淹沒和退耕還林等因素影響面積逐漸減小。由此看出，樞紐工程建設(shè)對周圍生態(tài)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為：①大壩修建導(dǎo)致建筑和道路大幅增加，對區(qū)域植被產(chǎn)生了一定破壞；②大壩建成蓄水，淹沒了大量的灘地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；③由于植被的破壞，導(dǎo)致大壩建設(shè)區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)加劇。

(2)水電站庫區(qū)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)影響

根據(jù)瀑布溝水電站庫區(qū)及影響范圍內(nèi)建設(shè)前、建設(shè)中和建成后生態(tài)系統(tǒng)遙感解譯結(jié)果(見圖4)，瀑布溝水電站區(qū)域農(nóng)田、林草、灘地生態(tài)系統(tǒng)呈減少趨勢，水域、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)和建筑及道路呈增加趨勢。2003年到2011年，庫區(qū)及周邊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較大變化，其中①庫區(qū)淹沒了35.7平方公里的農(nóng)田、6.7平方公里的林草、12.3平方公里的灘地、0.9平方公里的城鎮(zhèn)、1.4平方公里的農(nóng)村居民點(diǎn)，對當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境和城鄉(xiāng)居民居住都產(chǎn)生了影響，同時(shí)，庫區(qū)水域面積的大幅增長意味著河流形態(tài)和水文特征均發(fā)生較大變化；②由于水電站建設(shè)，漢源縣城進(jìn)行了新城建設(shè)，農(nóng)村居民也進(jìn)行了搬遷，城鎮(zhèn)建設(shè)占用13平方公里農(nóng)田、和0.3平方公里的林草，農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)占用了7.7平方公里的農(nóng)田；③由于水庫建設(shè)修建了大量的公路和設(shè)施，也新增了一些工業(yè)用地，占用耕地13平方公里、占用林草地1.2平方公里。

圖4　水電站庫區(qū)建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)遙感解譯

4結(jié)論與討論

綜上所述，根據(jù)水電站類型和規(guī)模特征，選擇合適分辨率的遙感影像，可以對河流梯級開發(fā)水電站進(jìn)行遙感識別，進(jìn)而開展河流梯級開發(fā)水電站對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

梯級開發(fā)水電站建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)的影響可從大壩樞紐區(qū)和整個(gè)庫區(qū)兩個(gè)方面開展分析，大壩樞紐建設(shè)區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在植被破壞、區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)增加；對整個(gè)庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響則主要表現(xiàn)在淹沒大量農(nóng)田、林草、灘地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)，移民數(shù)量大，水域大幅增加但河流形態(tài)發(fā)生很大變化、建筑及道路增長迅速。

典型梯級開發(fā)水電站對生態(tài)系統(tǒng)的影響遙感監(jiān)測是開展整個(gè)流域水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響分析的基礎(chǔ)，下一步將進(jìn)一步開展對全流域水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響的分析。

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Monitoring on Cascade Hydropower Development and Its Ecosystem Impact by Remote Sensing

LI JingWANG ChangzuoWan Huawei

(Satellite Environment Center Minsisty of Enviormental Protection，Beijing 100094)

Abstract：This paper focuses on the research of remote sensing technology application on cascade hydropower stations recognition and their ecological system impact analysis.The results show that (1) if appropriate resolution images are selected according to the hydropower station′s type and scale，the cascade hydropower stations can be identified and thus，we can further carry out the impact analysis by remote sensing；(2) the impact on the ecosystem can be analysis from two aspects，and for the dam hub construction，the impact is mainly manifested in the destruction of vegetation，the increased risk of soil erosion，for the entire reservoir area，the impact is inundate large tracts of farmland，grass，beaches，towns and rural settlements，the large number of immigrants，water increased greatly but the morphology changed a lot，and the building，roads increased rapidly.

Keywords：

作者簡介：李靜，博士，高級工程師，主要從事區(qū)域開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響遙感監(jiān)測和評價(jià)研究

中圖分類號：X87

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)03-0038-03

項(xiàng)目資助：863 項(xiàng)目“全球變化敏感區(qū)生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測與評估技術(shù)”(2012AA12A310)；863項(xiàng)目“典型應(yīng)用領(lǐng)域全球定量遙感產(chǎn)品生產(chǎn)體系(2013AA12A302)”

引用文獻(xiàn)格式：李靜等.基于遙感技術(shù)的水電梯級開發(fā)及對生態(tài)系統(tǒng)影響遙感監(jiān)測[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(3)：38-40.