許雪婷，楊博文，曹嘉琪，郝芳華

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100875)

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西南地區(qū)典型流域水電開發(fā)對下墊面時空變化的影響

許雪婷，楊博文，曹嘉琪，郝芳華

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100875)

紅河流域位于云南省中部，該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，且水能豐富，水電工程開發(fā)在一定程度上改變了研究區(qū)下墊面狀況。通過研究紅河流域2000—2010年水電開發(fā)對下墊面，包括土地利用、植被覆蓋和土壤侵蝕的影響狀況，進(jìn)而分析水電工程開發(fā)對下墊面影響的利弊。研究可知：水電工程的開發(fā)加速了研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型，有利于水資源在時間空間上的合理分配，提高植被覆蓋度；同時，水電工程的建設(shè)擴(kuò)大了壩區(qū)綠化面積，促進(jìn)了壩周防護(hù)林的建設(shè)，減少了土壤侵蝕程度。

水電開發(fā)；下墊面；紅河流域

水能資源作為可再生能源，是用于發(fā)電的優(yōu)質(zhì)能源。水力發(fā)電是利用江河巨大的水流量和地理落差形成水的勢能進(jìn)行發(fā)電，屬于清潔能源，但水電工程開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)具有積累效應(yīng)，會改變流域原始地貌[1-2]。其中，對流域下墊面的影響是其生態(tài)效應(yīng)最顯著的表現(xiàn)之一，主要包括對土地利用、植被、地貌和土壤的影響[3]。我國對水能的開發(fā)利用較早，但大規(guī)模水電工程開發(fā)較遲，水電工程的評價從單一的經(jīng)濟(jì)評價到生態(tài)效應(yīng)評價[4]，其產(chǎn)生的正負(fù)影響也越來越受到關(guān)注[5]。目前水電工程影響評價的研究正處于高速發(fā)展階段，且研究主要集中在生態(tài)環(huán)境[6-8]，而對下墊面的影響缺乏科學(xué)研究。流域下墊面的變化不但直接關(guān)系到人類的生活，還對水文和水質(zhì)有著極為重要的影響[9-11]。因此，評估水電工程對下墊面的影響并建立科學(xué)的研究體系極為重要。

西南地區(qū)地形復(fù)雜，區(qū)域緯度跨度較大，因此氣候的垂直和緯向分布顯著，降雨充沛但分布不均，且區(qū)域內(nèi)植被分布也復(fù)雜多樣。本次研究選取的典型小流域——云南省紅河流域，在地形、氣候及植被上具有西南地區(qū)的典型特征[12-13]。同時，紅河流域是我國西南地區(qū)的代表性流域，水能豐富，水電工程發(fā)展迅速，并積極參與到云南省“西電東送”、“云電外送”工程中，未來計劃共建成水電站11座。因此，研究選取紅河流域，從土地利用、流域植被覆蓋與恢復(fù)、土壤侵蝕等多角度綜合分析水電工程開發(fā)對流域下墊面時空變化的影響，實現(xiàn)流域土地規(guī)劃、開發(fā)和利用合理化，優(yōu)化區(qū)域生態(tài)環(huán)境，確保流域生態(tài)安全，也為未來所有水電站建成對流域下墊面產(chǎn)生影響的評估做出鋪墊。

1 研究區(qū)概況

紅河流域位于云南省中部，北緯22°27′—25°32′與東經(jīng)100°06′—105°40′之間，面積76 276 km2，如圖1所示。該地區(qū)地勢西北高、東南低，沿岸地貌復(fù)雜多樣，主要受亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候影響。流域年均氣溫在15～22.6 ℃，無霜期超過330天，且受到海拔高程和緯度的影響，氣溫從南到北呈遞增趨勢。降雨量年際變化平穩(wěn)，年均降雨量在700～3000 mm，其中大部分地區(qū)介于1000～1600 mm，5—10月為雨季，該時段的降雨量占到年降水總量的85%。其在流域內(nèi)的分布呈現(xiàn)從上游向下游遞增，從河谷向山地遞增的趨勢。李仙江是紅河西岸的最大支流，國境內(nèi)干流河長488 km，流域面積3.3萬多km2。紅河多年平均河川徑流量484億m3，水資源豐富，水力資源理論蘊(yùn)藏量989萬kW，可能開發(fā)量360萬kW。流域發(fā)育著較完整的熱帶山地植被類型垂直系列，迄今初步整理出的種子植物有229科1530屬5667種，是云南及中國植物種類最為豐富的地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

《云南省紅河(元江)干流梯級綜合規(guī)劃報告》提出的12梯級開發(fā)規(guī)劃中，目前已完成第9和第10級梯度水電站修建。其中，第9級水電站為南沙水電站，2005年規(guī)劃動工，2008年最早投入使用；第10級水電站為馬堵山水電站，于2011年8月并網(wǎng)發(fā)電。本次研究分析紅河流域水電站建設(shè)對下墊面的影響，以南沙水電站為研究對象，分析水電站建設(shè)前、建設(shè)中和建成后下墊面變化狀況。

2 研究方法

紅河流域水電工程的興建會改變流域原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，阻斷物質(zhì)、能量與信息循環(huán)，在一定程度上會對生態(tài)系統(tǒng)造成影響，即為水電工程的生態(tài)效應(yīng)。本研究結(jié)合流域社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境綜合發(fā)展的需要，初步建立符合該流域發(fā)展需要的綠色指標(biāo)，包括土地利用變化、植被覆蓋變化和土壤侵蝕3個方面。

2.1 土地利用變化指標(biāo)

紅河是我國西南嶺谷區(qū)重要的國際河流，分析該流域土地利用變化對于分析其上下游水文情勢變化，整治水土流失、生物多樣性消失等跨境環(huán)境問題顯得尤為重要。綜合考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量，即云量與噪聲情況以及數(shù)據(jù)獲取狀況，對研究區(qū)2000年、2005年、2010年的遙感影像進(jìn)行解譯，得到不同時期研究范圍的土地利用數(shù)據(jù)。

本研究首先采用ENVI對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，主要是大氣輻射糾正和幾何糾正，然后根據(jù)TM影像5/4/3波段合成的影像對各地類進(jìn)行目視解譯，并根據(jù)全國土地利用分類體系，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、工業(yè)用地、建筑用地、水域和未利用地八大類。最后將目視解譯完的影像，采用網(wǎng)格五分法進(jìn)行精度評價，精度≥80%則滿足研究要求；若精度不滿足要求，即<80%，則參照Google Earth對解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，直至滿足研究所需的精度要求。

2.2 植被覆蓋變化指標(biāo)

植被是生態(tài)環(huán)境的重要組成之一，植被覆蓋度是評價生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。紅河流域水電開發(fā)將改變水資源的時空分布，進(jìn)而對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積累效應(yīng)。本研究結(jié)合植被覆蓋度與歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)兩個參數(shù)，分析研究區(qū)內(nèi)的植被演變規(guī)律。植被覆蓋度主要是利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定量估算，其等級劃分參照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—96)，具體分級情況如表1所示。

表1 植被覆蓋度分級

注：Ⅰ表示低植被覆蓋度，Ⅱ表示較低植被覆蓋度，Ⅲ表示中植被覆蓋度，Ⅳ表示較高植被覆蓋度，Ⅴ表示高植被覆蓋度。

歸一化植被指數(shù)是植被生長狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子，其利用遙感影像中近紅外(NIR)和紅外(R)波段反射率的比值得到，計算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

NDVI的取值范圍介于[-1，1]，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；0表示為巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值則表示有植被覆蓋，且數(shù)值隨覆蓋度的增大而增大。本研究的NDVI數(shù)據(jù)來源美國航空航天局中分辨率成像光譜儀(MODIS/Terra)中的NDVI產(chǎn)品，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，采集時間段為2000年、2005年和2010年。

2.3 土壤侵蝕指標(biāo)

土壤侵蝕變化涉及的影響因子眾多，且其分布具有明顯的時空特征，本研究區(qū)土地利用類型、植被覆蓋度及地面坡度是影響該地區(qū)土壤侵蝕的重要因素。目前較為先進(jìn)的手段是采用3S(Remote Sensing，Geographic Information System，Global Positioning System)技術(shù)，即運(yùn)用全球定位系統(tǒng)(GPS)對區(qū)域進(jìn)行定位，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)(RS)獲取植被覆蓋度和土地利用信息，再利用地理信息系統(tǒng)(GIS)從地形圖上獲取坡度信息，最后基于以上三個因子疊加分析計算形成土壤侵蝕分布圖。依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—96)，土壤受侵蝕程度可以分為6個等級：微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈，具體分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用時空改變

通過解譯2000年、2005年和2010年的衛(wèi)星影像，可得到紅河流域土地利用類型的分布圖和10年來的土地利用類型的變化狀況，如圖2、圖3所示。

從圖2可以看出，林地是該流域主要的土地利用類型，占流域總面積的近70%，其余依次為草地、耕地、園地、建筑用地、水域、未利用地和建筑用地；除了林地，其余土地利用類型集中分布在流域河流周圍。

從圖3可以看出，2000—2010年，林地、草地、建筑用地、工業(yè)用地和未利用地呈現(xiàn)小幅度增加。林地面積在此期間增加了0.028%，草地從2000年的15.725%增加到2010年的15.748%，建筑用地比例在十年間增加了0.068%，2010年達(dá)到0.619%，工業(yè)用地與未利用地分別增加了0.005%和0.002%，整體上保持不變。耕地面積呈下降趨勢，從2000年的12.04%變?yōu)?010年的11.91%，減少了0.13%。此外，園地面積在2000年至2005年間略有減少，隨后5年有所增加，整體保持不變；與之相反，水域面積先增加后減少，總體面積不變。為了剔除研究過程中的干擾因素——城市發(fā)展所帶來的土地利用類型的改變，本次研究選擇草地、林地為主的非城市發(fā)展地區(qū)為研究區(qū)，其中建筑用地的改變主要用于表征水電站的建設(shè)所產(chǎn)生的土地利用類型的變化。

3.2 流域植被覆蓋演變

根據(jù)2000年、2005年和2010年的NDVI數(shù)據(jù)可繪制出紅河流域NDVI序列曲線，如圖4所示。

由圖4可知，研究區(qū)2000年、2005年和2010年的地表植被變異不明顯，但總體呈現(xiàn)上升趨勢，2000年、2005年和2010年的平均NDVI值分別為0.518、0.524和0.534。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，1—5月的NDVI指數(shù)保持在0.45～0.55波動，6月存在明顯的下降過程，之后呈現(xiàn)波動上升的趨勢，8—10月為全年NDVI指數(shù)較高的狀態(tài)，進(jìn)入11月植被指數(shù)急劇下降?；诖?，本研究分別選取該流域2000年2月、2005年6月、2005年11月和2010年10月的植被覆蓋度進(jìn)行研究，結(jié)果如表3所示。

圖2 2000年、2005年、2010年土地利用類型分布Fig.2 Distributions of landuse types in 2000, 2005 and 2010

圖3 2000年、2005年、2010年土地利用類型柱狀圖Fig.3 Histogram of landuse types in 2000, 2005 and 2010

圖4 紅河流域2000年、2005年和2010年的歸一化植被指數(shù)Fig.4 Normalized vegetation index of Red River Basin in 2000, 2005 and 2010

表3 紅河流域不同時間的植被覆蓋度表

由表4可進(jìn)一步說明紅河流域植被覆蓋存在明顯的季節(jié)波動。流域2005年6月份植被覆蓋率較低，其中低與較低植被覆蓋度面積為24 960.88 km2，占到流域總面積的74.90%。2005年11月與2009年10月的植被覆蓋較高，其較高植被覆蓋度分別占到42.07%和31.84%，高植被覆蓋度在兩個時期分別占到49.50%和47.05%，較高和高植被覆蓋度比例之和分別占到整個流域的91.57%和78.89%。2000年2月高植被覆蓋度所占比例為5.22%，低植被覆蓋度、中植被覆蓋度及較高植被覆蓋度所占的比例均在27%左右，所占面積分別為8720.49 km2、8859.64 km2、9548.71 km2。高植被覆蓋度區(qū)域由2000年的1740.17 km2提高到2010年的15 676.80 km2，其比例提高到了全流域的41.83%；低植被覆蓋度的面積由2000年的8720.49 km2減少到2010年的519.63 km2，其比例減少了24.61%；中高植被覆蓋度的面積由2000年的9548.71 km2提高到2010年的10 609.60 km2，其比例增加了3.18%。

3.3 土壤侵蝕時空分布

在ArcGIS操作平臺下，基于多個數(shù)據(jù)集，根據(jù)土壤侵蝕分級標(biāo)準(zhǔn)生成土壤侵蝕的時空分布圖和土壤侵蝕強(qiáng)度分級面積統(tǒng)計表，分別如圖5和表4所示。

由圖5可知，紅河流域強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈土壤侵蝕主要集中分布在紅河兩岸，該區(qū)域溝壑密布，地形破碎化較重，容易造成土壤侵蝕；中度侵蝕區(qū)域多為農(nóng)業(yè)用地，主要集中在流域中部和西部地區(qū)，以細(xì)溝侵蝕為主，耕地的墾耕系數(shù)較高，土層較薄，且多為坡地；輕度侵蝕區(qū)域主要分布在林地為主的中低山脈；坡度小于5°的區(qū)域?qū)儆谖⒍惹治g區(qū)域，土壤侵蝕輕微，多為農(nóng)業(yè)用地，耕作較為精細(xì)。

圖5 土壤侵蝕的時空分布Fig.5 Temporal and spatial distribution of soil erosion

強(qiáng)度類型2000年2005年2010年面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%微度1755.695.271755.695.271755.695.27輕度7476.9322.4313730.8041.1912736.2138.21中度12094.0436.2811385.3134.1512814.8038.44強(qiáng)度7719.4423.161777.925.332238.726.72極強(qiáng)度3740.4411.22476.841.43607.251.82劇烈894.742.68100.510.30103.230.31

2000年紅河流域土壤侵蝕強(qiáng)度主要為輕度、中度和強(qiáng)度，其侵蝕比例分別占到總流域的22.43%、36.28%和23.16%，流域總面積的73.34%侵蝕強(qiáng)度在輕度以上，因此2000年紅河流域的土壤侵蝕較為嚴(yán)重。與2000年相比，2005年輕度侵蝕面積增加6253.87 km2，中度及以上強(qiáng)度的土壤侵蝕面積都有一定量的減少，其中強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈土壤侵蝕面積減少比例較大?？傮w來看，2005年紅河流域的土壤侵蝕情況有所好轉(zhuǎn)，侵蝕強(qiáng)度較高的區(qū)域面積減少尤為明顯。2010年紅河流域土壤侵蝕程度主要為輕度和中度，其侵蝕面積分別為127 362.21 km2和12 814.80 km2，分別占紅河流域的38.21%和38.44%，與2005年相比，侵蝕程度為中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈的區(qū)域面積分別增加了4.29%、1.39%、0.39%和0.01%。土壤侵蝕程度的變化受到氣候、植被、土地利用類型等多種因素的影響，2010年研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積增加，林地面積存在一定幅度的減少，尤其是較高覆蓋度植被，加之該年遭遇特大干旱，影響植被生長，改變土壤結(jié)構(gòu)，干旱后的短期集中降雨也會加劇土壤侵蝕，因此2010年土壤侵蝕程度有所加劇。

4 討論與結(jié)論

紅河流域水能資源豐富，大規(guī)模水電開發(fā)會改變該區(qū)域水資源的時空分布，進(jìn)而引起流域植被發(fā)生變化。一方面，水電工程可以有效地分配流域水資源，使其在時間和空間上合理分布；另一方面，水電工程的建設(shè)可將更多的水資源保存在峽谷型的庫容內(nèi)，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)的發(fā)展及林地、草地的恢復(fù)提供更多的水源，同時促進(jìn)該區(qū)域合理的開發(fā)利用與農(nóng)業(yè)改造，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，提高流域植被覆蓋。

此外，水電工程施工期各施工區(qū)的開挖擾動及棄渣堆放易造成水土流失，但在采取防護(hù)措施后，水土流失治理率可達(dá)到95%以上，使得實際水土流失量僅占流域總量的0.1%～2%。施工結(jié)束后，施工臨時用地會得到恢復(fù)，渣場得到防護(hù)并綠化，水土流失量較建設(shè)前會有所減少。水庫運(yùn)行期間，水域面積的擴(kuò)大及因水庫形成產(chǎn)生的濕地面積增加、壩區(qū)綠化、庫周防護(hù)林建設(shè)均有助于減弱庫周及河谷兩岸的土壤侵蝕強(qiáng)度。因此，水域面積的改變及局地小氣候的改善，使得靠近庫岸邊的植被數(shù)量顯著增加，進(jìn)而對區(qū)域水土流失起到一定的減緩作用。

總而言之，水電工程的開發(fā)有利于促進(jìn)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提升局部區(qū)域植被覆蓋度，進(jìn)而使流域土壤侵蝕程度降低。因此，水電工程建設(shè)對流域生態(tài)環(huán)境存在有利影響與不利影響，但從下墊面方面來看，其在一定程度上改善了生態(tài)環(huán)境。

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Impacts of Hydropower Development on Spatiotemporal Variation of Underlying Surface in Typical Basin of Southwestern Region

XU Xue-ting, YANG Bo-wen, CAO Jia-qi, HAO Fang-hua

(School of Environment, State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

The Red River Basin is located in the middle of Yunnan Province, where the ecosystem is diverse and the water power resources are rich. The development of hydropower projects has changed the situation of the underlying surface to some extend. Thus, this paper summarizes the impact of hydropower development on the underlying surface in the Red River Basin from 2000 to 2010, which including the land use, vegetation cover, and soil erosion. In this way, it seeks to analyze the advantages and disadvantages of hydropower development on the underlying surface. The research concludes that the development of hydropower projects has accelerated the transformation of land use in the Red River Basin. Meanwhile, it is favorable to the reasonable allocation of water resources in both time and space, and increases the vegetation coverage as well. Moreover, the construction of hydropower projects expands the green area in the dam region, promotes the construction of dam shelter forest, and reduces the degree of soil erosion.

hydropower development; underlying surface; Red River Basin

2017-03-01

國家自然科學(xué)基金(91647105)

許雪婷(1991—)，女，上海人，碩士，主要研究方向為流域農(nóng)業(yè)面源污染，E-mail：xtlx9112@163.com

郝芳華(1963—)，女，江蘇人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向為流域非點源污染，E-mail：fanghua@bnu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2017.04.012

X820.3

A

2095-6444(2017)04-0050-07