付衛(wèi)平，柴志福，李 寧，黃文穎，鄔佳賓，朱 雙

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010052；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074；3.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010013)

蓄水工程在防洪、排澇、防災(zāi)和減災(zāi)等方面對國民經(jīng)濟(jì)做出了重要貢獻(xiàn)，在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉和居民生活等方面也發(fā)揮著重要作用。然而，人為干預(yù)會導(dǎo)致河流水文系統(tǒng)發(fā)生重大變化[1]，包括河流水量、水位、泥沙、河道走向，以及周圍土壤、動植物群落和植被蓋度[2]等方面均會受到一定程度的影響。因此，進(jìn)行內(nèi)蒙古典型蓄水工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)遙感監(jiān)測與分析，并客觀真實地分析其成因和影響的深度及廣度，對于下一步建設(shè)生態(tài)蓄水工程和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐步改善具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

德日蘇寶冷水庫是內(nèi)蒙古自治區(qū)典型的蓄水工程(所在的流域如圖1所示)，水庫壩址位于西遼河干流西拉沐淪河的一級支流查干沐淪河上，也是查干沐倫河干流唯一的骨干工程，研究區(qū)選擇查干沐淪河流域自然控制邊界，面積為1 501.35 km2。水庫工程于2007年正式開工建設(shè)，2010年落閘蓄水，水庫規(guī)模為中型，主要任務(wù)是生態(tài)保護(hù)和工業(yè)供水，兼顧灌溉等綜合利用。

圖1 德日蘇寶冷水庫地理位置示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文遙感數(shù)據(jù)包括研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)、Landsat數(shù)據(jù)、MODIS數(shù)據(jù)和相關(guān)產(chǎn)品以及國產(chǎn)高分GF影像。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m×30 m。國產(chǎn)高分GF影像通過購買獲取，其中GF-2具備亞米級、大幅寬成像等特點在本研究中用于計算水質(zhì)參數(shù)，對河流水質(zhì)狀況進(jìn)行遙感監(jiān)測。

2 研究方法

傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測主要采用布點采樣的方式，定位布點受自然環(huán)境的限制，局限性較大。相比而言，遙感技術(shù)主要采取衛(wèi)星影像和無人機(jī)相結(jié)合的工作手段[3-4]，能夠更加快速地獲取資料統(tǒng)計數(shù)據(jù)，大大提高了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的工作效率。目前，利用遙感數(shù)據(jù)研究生態(tài)環(huán)境大多通過歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)[5]、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)[6]、土地利用類型、地表溫度(Land Surface Temperature，LST)[7]等單一指標(biāo)來量化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。然而，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是多種因素共同作用的結(jié)果，包括自然因素和人為因素，需要通過氣候、地形、生物量、土地覆被、植被等數(shù)據(jù)來反映，僅采用一個生態(tài)指標(biāo)來評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是不夠的。遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecological Index，RSEI)[8]通過主成分分析法將NDVI、歸一化建筑土壤指數(shù)(Normalized Difference Build-up Soil Index，NDBSI)[9]、濕潤度(Wetness，WET)[10-11]和LST等4個指標(biāo)形成一個綜合指數(shù)來對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定量評估，可以反映人類活動、環(huán)境變化和氣候變化對環(huán)境造成的影響，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市[12]、濕地[13]、島嶼[14]等生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測。凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是衡量生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物產(chǎn)生速度的指標(biāo)[15]，是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和健康狀況的重要指標(biāo)。通過結(jié)合植被覆蓋和光合活動的測量，可以使用遙感數(shù)據(jù)估算NPP。人類活動對NPP的占用明顯影響了自然生態(tài)系統(tǒng)，同時還對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)產(chǎn)生間接影響[16]。此外，水質(zhì)也是生態(tài)環(huán)境中不可忽視的問題，水質(zhì)惡化及富營養(yǎng)化會造成流域內(nèi)生物多樣性降低，進(jìn)而對水環(huán)境和水生態(tài)安全構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時會影響區(qū)域生產(chǎn)生活用水安全供給[17-18]。于是水質(zhì)遙感監(jiān)測提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來監(jiān)測大規(guī)模水體[19-20]，尤其適用于地面監(jiān)測困難或不切實際的地區(qū)。在眾多的富營養(yǎng)化評估指數(shù)中，生物指標(biāo)葉綠素a(Chla)濃度[21]，理化指標(biāo)總氮(TN)、總磷(TP)[22]、水體透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)[23]在湖庫富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用非常廣泛，主要原因是這5個指標(biāo)對富營養(yǎng)化水平及相關(guān)風(fēng)險具備較好的指示意義且操作簡單。因此中國環(huán)境監(jiān)測總站推薦了一種基于以上5種營養(yǎng)水平指數(shù)的湖庫富營養(yǎng)化評價方法，即綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Comprehensive trophic level index，TLI)[23]，該方法可基于遙感數(shù)據(jù)有效評估水體營養(yǎng)物質(zhì)的含量及其對水體生態(tài)系統(tǒng)的影響，將富營養(yǎng)化水平劃分為0～100的連續(xù)分值，分值越高表示富營養(yǎng)化水平和相關(guān)風(fēng)險越高。

為了給內(nèi)蒙古自治區(qū)建設(shè)生態(tài)優(yōu)先的蓄水工程提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，本研究選定內(nèi)蒙古自治區(qū)典型蓄水工程德日蘇寶冷水庫流域作為研究區(qū)域，采用遙感信息技術(shù)從水質(zhì)、生態(tài)、碳匯3個維度應(yīng)用TLI、RSEI、NPP遙感指數(shù)對水庫建設(shè)前后的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)動態(tài)演變進(jìn)行研究，建立典型蓄水工程建設(shè)條件下水土環(huán)境因子的時空分布格局和序列數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建蓄水工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價指標(biāo)體系和模型，提出典型蓄水工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與不利影響應(yīng)對對策，提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

本研究對2000—2022年德日蘇寶冷水庫所在流域的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，以探究蓄水工程建設(shè)前后對生態(tài)環(huán)境所帶來的效應(yīng)。借助非參數(shù)檢驗方法中的Manner-Kendall檢驗法，提取出研究對象指標(biāo)的時間分布特征，并運用ArcGIS實現(xiàn)對研究對象指標(biāo)的空間分析和空間統(tǒng)計分析，以實現(xiàn)蓄水工程環(huán)境效應(yīng)的時空動態(tài)演變解析，進(jìn)而定量分析蓄水工程對生態(tài)環(huán)境所造成的影響。

2.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

對于蓄水工程，本研究利用大數(shù)據(jù)量的Landsat影像處理反演葉綠素a濃度、高錳酸鹽濃度、總磷濃度、總氮濃度和透明度5個水質(zhì)參數(shù)，并以Chla為核心構(gòu)建基于“五指標(biāo)”的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)。TLI的構(gòu)建過程需要將將反演后的5個指標(biāo)進(jìn)行營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算，計算公式如下：

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(1)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(4)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(5)

根據(jù)各參數(shù)的營養(yǎng)指數(shù)TLI(j)和權(quán)重值Wj，可計算所有參數(shù)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

(6)

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)

遙感生態(tài)指數(shù)RSEI以其指標(biāo)獲取方便、評價結(jié)果可視化的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評價[24]。它由美國環(huán)境保護(hù)署 (EPA)開發(fā)，旨在幫助評估污染和其他壓力源對生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)影響。RSEI 模型的優(yōu)勢之一是它能夠整合多個來源的數(shù)據(jù)和信息，以提供對生態(tài)健康的全面評估。該模型已用于許多環(huán)境影響評估和風(fēng)險評估以及監(jiān)管決策[25-26]。

RSEI的計算是在4個生態(tài)指數(shù)(分別是代表綠度的NDVI、代表干度的NDBSI、代表濕度的WET和代表熱度的LST)的基礎(chǔ)上，通過主成分變換得到。在RSEI中，NDVI能有效反映植被的生長情況與植被覆蓋度等重要植被的物理性質(zhì)[27]，NDBSI用于估算干旱和半干旱地區(qū)土壤水分含量和植被覆蓋度，WET是遙感中需要考慮的一個重要變量，因為它會影響其他環(huán)境因素(例如溫度和植物健康)測量的準(zhǔn)確性和可靠性[28]，LST是地表與大氣熱能交換的重要指標(biāo)，可用于研究范圍較大的環(huán)境過程，包括城市熱島效應(yīng)[29]、土地利用和土地覆蓋變化、氣候變化影響[30]等。以上4個生態(tài)指數(shù)以及RSEI的計算公式如下：

(7)

WET=c1B1+c2B2+c3B3+c4B4+c5B5+c6B6

(8)

(9)

(10)

NDBSI=(IBI+SI)/2

(11)

LST=γ*[1/ε*(ψ1*Lsen+ψ2)+ψ3]+δ

(12)

RSEI0=1-PC1[f(NDVI，WET，NDBSI，LST)]

(13)

(14)

式中：

ρnir、ρred、ρblue、ρgreen、ρswir1——分別代表了Landsat 7 TM中近紅外和紅、藍(lán)、綠光以及中紅外1波段的反射率；

B1～B6——分別代表藍(lán)波段、綠波段、紅波段、近紅波段、中紅外波段 1、中紅外波段 2；

c1～c6——傳感器參數(shù)。

由于傳感器的類型不同，參數(shù)也相應(yīng)有所不同。LST的計算方法詳見參考文獻(xiàn)[31]；RSEI0代表初始遙感生態(tài)指數(shù)，PC1代表第一主成分，RSEI0max和RSEI0min分別代表初始遙感生態(tài)指數(shù)的最大值和最小值。

2.3 凈初級生產(chǎn)力

凈初級生產(chǎn)力NPP是植物光合作用固定的碳量減去通過呼吸損失的碳量?；痉椒ㄊ鞘褂肗DVI來估算植被覆蓋度，并使用光能利用效率(LUE)概念來估算植物的碳吸收率[32]。NPP的公式可以表示為：

NPP=GPP-R

(15)

式中：

GPP——光合作用固定的碳總量(總初級生產(chǎn)力)；

R——植物呼吸損失的碳量。

為了估算GPP，通常使用LUE模型，該模型將碳吸收率與吸收的光合有效輻射(PAR)量聯(lián)系起來。LUE模型可以表示為：

GPP=fPAR*PAR*ε

(16)

式中：

fPAR——吸收的PAR的分?jǐn)?shù)；

PAR——光合有效輻射；

ε——LUE系數(shù)。

2.4 Mann-Kendall趨勢分析

Mann-Kendall是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[33]，最初由Mann在1945年提出，后由Kendall和Sneyers進(jìn)一步完善，其優(yōu)點是不需要測量值服從正態(tài)分布，也不要求趨勢是線性的，并且不受缺失值和異常值的影響，在長時間序列數(shù)據(jù)的趨勢顯著檢驗中得到了十分廣泛的應(yīng)用。其統(tǒng)計檢驗方法如下：

對于時間序列Xi，i=1，2，…i，…j，…，n，定義標(biāo)準(zhǔn)化檢驗統(tǒng)計量Z：

(17)

(18)

(19)

其中，xi和xj為時間序列數(shù)據(jù)，n為數(shù)據(jù)個數(shù)；當(dāng)n≥ 8時，檢驗統(tǒng)計量S近似為正態(tài)分布，其均值和方差如下：

E(S)=0

(20)

(21)

在給定顯著性水平α下，如果|Z|>Z1-α/2，表明不存在趨勢的假設(shè)被拒絕，時間序列數(shù)據(jù)Z1-α/2為在置信水平α下，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)分布表對應(yīng)的值。當(dāng)Z的絕對值大于1.28、1.64和2.32時，表示趨勢分別通過了信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時間演變特征

德日蘇寶冷水庫所在流域2002—2022年NPP以及2000—2022年RSEI、TLI年均值如圖2所示。據(jù)圖2a數(shù)據(jù)顯示，近20 a來德日蘇寶冷水庫項目區(qū)的凈初級生產(chǎn)力逐漸上升，并呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢。平均凈初級生產(chǎn)力為2 278 g/m2，且其線性擬合斜率分別為30.248，R2值為0.389 8，分別通過了0.99的M-K顯著性檢驗。這表明項目區(qū)的生態(tài)條件得到了大幅改善。結(jié)合水庫的建設(shè)工程分析，德日蘇寶冷水庫的建設(shè)工程于2010年完成后，項目區(qū)的凈初級生產(chǎn)力得到了顯著提高，保持在2 428 g/m2左右。這些結(jié)果表明，水庫的建設(shè)工程對凈初級生產(chǎn)力的上升可能具有重要作用。因此，在未來的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)中，需進(jìn)一步探究水庫建設(shè)與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。

a NPP

圖2b是德日蘇寶冷水庫近23 a RSEI年均值的時間變化。研究結(jié)果表明，在這段時期內(nèi)，德日蘇寶冷水庫項目區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化較小，RSEI值平均維持在0.46左右，整體而言，該項目區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持在一般水平。圖2c為德日蘇寶冷水庫近23 aTLI年均值的時間變化。值得注意的是，在這段時期內(nèi)，德日蘇寶冷水庫項目區(qū)水體的營養(yǎng)化程度呈持續(xù)上升的趨勢，其線性擬合斜率為0.063，R2值為0.529 3。整體而言，該項目區(qū)水體的營養(yǎng)化程度仍維持在貧營養(yǎng)水平。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布特征

3.2.1RSEI空間分布特征

圖3給出了德日蘇寶冷水庫項目區(qū)2000—2022年每4 a平均遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)的空間分布(2012年、2013年遙感數(shù)據(jù)缺失)。結(jié)果表明，水庫的建設(shè)對改善和平衡流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境起到了至關(guān)重要的作用。從圖3a～c可以看出，2000—2011年RSEI持續(xù)下降，均值從0.5下降到0.41。具體而言，2000—2003年流域中游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，但流域大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于一般水平，河流流經(jīng)區(qū)域及部分區(qū)域甚至達(dá)到良好水平；而2004—2007年整個流域的RSEI普遍下降，流域北部及下游下降最為顯著。在水庫建設(shè)期間，下游的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步降低，下游地區(qū)整體的生態(tài)環(huán)境整體較差。而蓄水工程完工后，流域內(nèi)RSEI整體大幅提升，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善，普遍達(dá)到一般水平。

圖3 2000—2022年水庫遙感生態(tài)指數(shù)空間分布示意

3.2.2NPP空間分布特征

圖4是德日蘇寶冷水庫項目區(qū)2003—2022年間，每5 a的平均凈初級生產(chǎn)力的空間分布。結(jié)果表明，蓄水工程完工后，流域整體NPP有顯著提升，就空間分布而言，德日蘇寶冷水庫項目區(qū)河流附近區(qū)域的NPP提升幅度最為明顯。

3.2.3TLI空間分布特征

圖5展示了德日蘇寶冷水庫項目區(qū)在2000—2022年期間，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)多年平均的空間分布情況。結(jié)果表明，德日蘇寶冷水庫項目對水體質(zhì)量產(chǎn)生了顯著影響。根據(jù)圖a、b的結(jié)果顯示，在蓄水工程建設(shè)之前，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI值保持在27以下，水體屬于貧營養(yǎng)水平，河流主干總體營養(yǎng)水平較低。根據(jù)圖c、d的觀察，自水庫建設(shè)、完工至2017年期間，水庫控制區(qū)域成為高TLI值的聚集區(qū)域，分析認(rèn)為這是由于水庫對周圍土地使用和水流動態(tài)的改變，導(dǎo)致了養(yǎng)分輸入的增加。通過對圖d、e的觀察，水庫建成后下游地區(qū)的營養(yǎng)水平明顯高于上游地區(qū)。而在2018—2022年間，水體面積顯著擴(kuò)張，流域綜合營養(yǎng)指數(shù)發(fā)生了劇烈波動，一部分水體達(dá)到了中營養(yǎng)水平，進(jìn)一步表明水庫項目對流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀況產(chǎn)生了重要影響。

a 2000—2002年TLI

4 結(jié)語

本文利用2003—2022年內(nèi)蒙古德日蘇寶冷水庫項目區(qū)NPP數(shù)據(jù)及2000—2022年RSEI、TLI數(shù)據(jù)，通過GIS空間分析法和數(shù)理統(tǒng)計方法分析了德日蘇寶冷水庫建設(shè)前后生態(tài)條件、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及水體營養(yǎng)化水平的時空變化特征和水庫建設(shè)工程對其產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：

1)2003—2022年德日蘇寶冷水庫項目區(qū)生態(tài)條件大幅提升，并呈顯著增長趨勢，其中水庫建設(shè)工程對生態(tài)條件的改善做出了重要貢獻(xiàn)。從年際變化來看，蓄水工程建設(shè)完工后，NPP值大幅增長，并長期維持在較高水平；就空間分布而言，蓄水工程建設(shè)完工后，除水庫控制區(qū)域外，流域整體NPP有顯著提升，河流附近區(qū)域的NPP提升幅度最為明顯。

2)2000—2022年德日蘇寶冷水庫項目區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體平穩(wěn)，流域下游在水庫建設(shè)完工后出現(xiàn)明顯的恢復(fù)態(tài)勢。從年際變化來看，RSEI值平均維持在0.46左右，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為一般水平；就空間分布而言，上游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較好，2004—2011年為下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化階段，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以較差級別為主，水庫建設(shè)完工后，下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)明顯改善。

3)2000—2022年德日蘇寶冷水庫項目區(qū)水體營養(yǎng)化程度呈持續(xù)上升的趨勢，但總體仍維持在貧營養(yǎng)水平，其中蓄水工程對流域內(nèi)水體面積和生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀況產(chǎn)生了重要影響。在水庫建設(shè)工程中及完工后，上下游TLI的空間分布出現(xiàn)顯著差異，下游水體營養(yǎng)化程度高于上游。值得注意的是，2018—2022年水體營養(yǎng)水平出現(xiàn)明顯波動，部分水體營養(yǎng)化程度上升至中營養(yǎng)水平，水體面積顯著擴(kuò)張。