劉索玄,袁艷斌,趙 皞,李 倩

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,湖北 武漢 430070)

隨著對能源和水資源的需求增加,水力發(fā)電作為一種可再生、無污染的能源被廣泛開發(fā)利用[1]。大型水利水電工程往往建于生態(tài)脆弱區(qū),工程建設在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益的同時,也會對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫[2]。如何準確分析評價水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響,將對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要意義。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價方法主要有模糊評判法、層次分析法、網(wǎng)絡分析法和綜合指數(shù)法[3]。以往生態(tài)評價方法所選指標獲取難度大,指標權重設定具有主觀性,不能準確反映整個研究區(qū)的評價結果。遙感技術的發(fā)展推動了區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價研究的發(fā)展:付剛等[4]利用遙感數(shù)據(jù)和GIS對北京市生態(tài)脆弱性進行評價;周雪欣等[5]選取植被覆蓋度、土壤侵蝕程度和石漠化敏感性程度指標,采用綜合指數(shù)法定量評價北盤江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。利用遙感技術獲取評價指標,便于快速、全面評價生態(tài)環(huán)境時空變化,已成為水電開發(fā)區(qū)生態(tài)評價的創(chuàng)新點。

作為全國水電梯級開發(fā)的首個試點,清江中下游成為我國生態(tài)環(huán)境建設的重點區(qū)域。關于清江水電開發(fā)的研究,主要針對水庫汛限水位[6]、洪水概率[7]或水電梯級聯(lián)合調(diào)度[8]以及運營模式[9]等方面,而面向整個水電開發(fā)區(qū)長期的綜合性生態(tài)環(huán)境評價研究還較少。因此,根據(jù)水電梯級開發(fā)的時間順序,選擇清江中下游地區(qū)1987、2004和2015年3期遙感數(shù)據(jù)反演各期生態(tài)環(huán)境指標,運用主成分分析法構建新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecology index,RSEI,IRSE),對該地區(qū)1987—2015年生態(tài)環(huán)境時空變化進行分析,以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和綜合治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

清江是湖北省境內(nèi)第2大長江支流,發(fā)源于利川市齊岳山龍洞溝。地勢西高東低,流經(jīng)區(qū)域以山地為主(山地面積占比>80%),總海拔高差為1 330 m。流域內(nèi)年平均無霜期為285.4 d,年均降水量為1 335.5 mm,水能資源較為豐富,其中,水資源主要集中在恩施以下的干流河段(占比>80%)。清江梯級開發(fā)工程始于1987年,規(guī)劃在清江中下游地區(qū)建設“水布埡—隔河巖—高壩洲”3個梯級工程。截至2014年,清江13座水電站全面竣工。其中,下游的隔河巖和高壩洲水電站分別建成于1994和2003年;位于恩施州巴東縣境內(nèi)的水布埡水電站于2009年6月底建成。此次研究區(qū)域為清江中下游及其周邊地區(qū),包括宜都市、五峰縣、長陽縣和巴東縣部分地區(qū),面積共計8 783.12 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)概覽Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

以清江中下游為界,以水電站梯級建設起始時間、下游梯級建成時間、水電梯級全面建成時間為依據(jù),統(tǒng)一選用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)提供的1987年4月17日、2004年5月17日的Landsat 5 TM影像及2015年4月14日的Landsat 8 OLI影像。所選影像質(zhì)量完好,云量較少,時相一致,能保證研究結果具有可比性。采用ENVI 5.3軟件對遙感影像數(shù)據(jù)進行預處理,主要包括輻射定標、大氣校正、波段組合以及圖像配準和裁剪等。非遙感數(shù)據(jù)包括地貌分布圖、土壤植被覆蓋圖、湖北省省市縣行政區(qū)劃圖和清江統(tǒng)計文本資料。

2.2 RSEI的構建

綠度、濕度、熱度和干度能直觀反映生態(tài)條件優(yōu)劣,常用于評價生態(tài)環(huán)境。采用改進型土壤植被指數(shù)(modified adjusted soil vegetation index,MASVI)、濕度分量(WET)、地表溫度(land surface temperature,LST)和裸土指數(shù)(normalized difference soil index,NDSI)分別代表綠度、濕度、熱度和干度來綜合評價清江水電開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境?；跀?shù)據(jù)標準化和主成分變換方法將IRSE轉換為各項指標的函數(shù)[10-11]為

IRSE=f(IMASV,TWE,TLS,INDS)=

(1)

式(1)中,IMASV為綠度;TWE為濕度;TLS為熱度;INDS為干度;Mu、Wu、Lu和Nu分別為柵格圖像中第u個柵格MASVI、WET、LST和NDSI值;ωM、ωW、ωL和ωN分別為MASVI、WET、LST和NDSI權重;n為柵格數(shù)。

2.2.1分量指標的選取

(1)綠度指標。植被對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況指示極為敏感。改進型土壤植被指數(shù)通過降低土壤背景影響來提高植被指數(shù)的敏感度。由于研究區(qū)主要地貌分布類型為山地,故選用IMASV可以更好地反映此類型用地的綠度情況,其計算公式[12]為

(2)

式(2)中,ρNIR和ρred分別為TM和OLI近紅外和紅光波段的反射率。

(2)濕度指標。土壤濕度是用于土壤退化等生態(tài)環(huán)境研究的重要指標。遙感纓帽變換提取的濕度分量反映了地表土壤和植被的濕度狀況?；赥M和OLI反射率數(shù)據(jù)計算濕度分量(WET，TWE)的公式[13-14]分別為

TWE，TM=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+

0.159 4ρNIR-0.680 6ρSWIR1-0.610 9ρSWIR2,

(3)

TWE，OLI=0.151 1ρblue+0.197 2ρgreen+0.328 3ρred+

0.340 7ρNIR-0.711 7ρSWIR1-0.455 9ρSWIR2。

(4)

式(3)～(4)中,ρblue、ρgreen、ρred、ρNIR、ρSWIR1和ρSWIR2分別為TM和OLI藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的反射率。

(3)熱度指標。地表溫度與植被的生長與分布、地表水資源蒸發(fā)循環(huán)密切相關,是反映地表環(huán)境的重要參數(shù)之一。由于NASA的陸地過程分布式數(shù)據(jù)檔案中心MODIS現(xiàn)有產(chǎn)品地表溫度分辨率為1 000 m,為確保用GIS對分量指標進行疊加分析的精度一致,可通過地表熱輻射傳輸方程反演獲取?；赥M6提取地表真實溫度Ts的計算公式[15]為

Ts=Tb/[1+(λTb/α)lnε6]。

(5)

式(5)中,Tb為傳感器處溫度，K；中心波長λ為11.435 μm；α取1.438×10-2mK；ε6為基于TM6波段的地表比輻射率。

同時考察Landsat 8熱紅外波段10和11,由于波段11對大氣剖面的誤差敏感[16],故基于波段10來反演地表溫度,通過普朗克定律反函數(shù)求得Ts:

Ts=K2/ln [K1/B10(Ts)+1]。

(6)

式(6)中,B10(Ts)為溫度Ts的黑體在熱紅外波段10的輻射亮度值；K1和K2取值分別為774.89 W·m-2·sr-1·μm-1和1 321.08 K。地表比輻射率ε6計算方法見文獻[17]。

(4)干度指標。自然裸土和人為施工建筑用地均會造成地表“干化”,干度指標由裸土指數(shù)(soil index,SI,IS)[18]和建筑指數(shù)(index-based built-up index,IBI,IIB)[19]組成,記為裸土指數(shù)(NDSI,INDS)[11],其計算公式為

INDS=(IS+IIB)/2。

(7)

為了消除量綱差異對RSEI的影響,對各指標進行標準化處理:

In=(I-Imin)/(Imax-Imin)。

(8)

式(8)中,In為標準化后指標;I為原始指標;Imax和Imin為指標最大值和最小值。

2.2.2主成分分析

生態(tài)環(huán)境評價的關鍵是將改進型土壤植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和裸土指數(shù)轉化為綜合評價指標。由于研究區(qū)存在清江、長江大面積水體,為了避免大片水域影響主成分分析(principal component analysis,PCA)的荷載分布,使?jié)穸戎笜四軌蚩坍嫷乇碚鎸崫穸?采用MNDWI(modified normalized difference water index)指數(shù)掩膜掉水體信息[20]。此次研究將各標準化分量指標進行波段合成后,基于水體掩膜信息進行主成分分析,對清江IRSE進行轉換,其表達式為

(9)

(10)

(11)

式(11)中,IMASV和TWE變量系數(shù)為正,說明其對生態(tài)環(huán)境起積極作用;而TLS和INDS變量系數(shù)為負,說明其對生態(tài)環(huán)境起消極作用。利用式(8)對3個時期IRSE進行標準化,采用ArcGIS 10.5軟件中相等間隔(0.2)的重分類函數(shù),將IRSE劃分為差(0～0.2)、較差(>0.2～0.4)、中等(>0.4～0.6)、良(>0.6～0.8)和優(yōu)(>0.8～1.0)5個生態(tài)等級[21],提取研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化分級圖。

3 結果與分析

3.1 模型檢驗

為了判定RSEI的綜合代表程度,通過統(tǒng)計各年份4個分量指標和RSEI的相關系數(shù)以及各指標自身之間的相關性來檢驗模型適宜性(表1)。干度分量平均相關度最高,3 a平均相關度達0.685,綠度、濕度和熱度的3 a平均相關度則分別為0.626、0.642和0.505。而RSEI與各指標的平均相關度均大于0.750,3 a平均相關度達0.799,比4個指標的平均值(0.614)高30.1%。因此,RSEI與各指標間的相關度更高,可反映清江水電開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況。

表1 各年份清江水電開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境評價分量指標與遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)相關性Table 1 Correlation between the indicators of ecological environment assessment and remote sensing ecological index (RSEI)of Qingjiang hydropower development zone in each year

MASVI為綠度,WET為濕度,LST為熱度,NDSI為干度。

3.2 水電開發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價分析

統(tǒng)計分析1987—2015年4個分量指標和RSEI(表2),清江水電開發(fā)區(qū)1987、2004和2015年RSEI均值分別為0.443、0.664和0.515,呈逐階段先上升后下降趨勢,變化幅度分別為49.9%和22.4%。其中,代表生態(tài)變好的綠度和濕度均值呈先上升后下降趨勢;代表生態(tài)變差的熱度和干度均值呈先降低后上升趨勢,單一指標的綜合作用與RSEI基本吻合。

表2 清江水電開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境評價各項分量指標和遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)統(tǒng)計值Table 2 Four statistical indicators of ecological environment assessment and the statistical value of remote sensing ecological index (RSEI)in Qingjiang hydropower development zone

MASVI為綠度,WET為濕度,LST為熱度,NDSI為干度。

通過分析各分量指標對PCA載荷值的貢獻發(fā)現(xiàn),在1987—2004年間,綠度和濕度分量對PCA貢獻度較大,由于森林覆蓋面積與水域面積擴大,MASVI與WET分別上升41.19%和16.27%,清江中下游地區(qū)環(huán)境質(zhì)量明顯提高;而2004—2015年間,綠度和干度分量對PCA貢獻度較大,植被覆蓋度減少及裸土干化使MASVI下降15.51%,NDSI上升9.40%,研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量開始惡化。在水電梯級開發(fā)的兩個時間段,綠度貢獻度最大,說明植被覆蓋度對生態(tài)環(huán)境的影響最大,成為影響清江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境的決定因素。

為了進一步分析RSEI體現(xiàn)的生態(tài)效應,統(tǒng)計1987、2004和2015年各生態(tài)等級面積和占比(表3)。結果表明,1987—2015年間,清江中下游地區(qū)生態(tài)等級變化明顯,1987年生態(tài)等級為中等以下面積所占比例為86.64%,2004年為37.89%,2015年為72.11%,說明1987—2004年間生態(tài)環(huán)境呈良好的發(fā)展態(tài)勢,但2004—2015年間生態(tài)環(huán)境呈下降趨勢。因此,在水電梯級項目全面建成之后,對清江中下游地區(qū)環(huán)境進行整治尤為必要。

為了探究生態(tài)環(huán)境的空間變化特征,對水電梯級開發(fā)各階段生態(tài)環(huán)境進行空間分級(圖2)。在水電梯級開發(fā)起始年,清江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體處于中等水平,環(huán)境惡劣地區(qū)(差、較差等級)主要集中在西部裸土嚴重的喀斯特丘陵、山地以及中部、西南部大起伏山地區(qū),環(huán)境良好(良、優(yōu)等級)地區(qū)主要分布在東部林地、農(nóng)業(yè)發(fā)達的耕地地區(qū)及清江流域沿岸地帶。2004年清江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體處于良水平,環(huán)境惡劣地區(qū)主要集中在隔河巖、高壩洲兩個水電梯級建設項目的下游地區(qū)及長江沿岸丘陵區(qū)。2015年清江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體處于中等水平,環(huán)境惡劣地區(qū)以水布埡水電站為起始點,圍繞清江干、支流呈放射狀分布。

表3 1987、2004和2015年清江水電開發(fā)區(qū)各生態(tài)等級面積及占比Table 3 Area and proportion of different ecological grades in Qingjiang hydropower development zone in 1987,2004 and 2015

3.3 清江水電開發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化分析

為了對生態(tài)狀況時空變化特征進行分析,在5個RSEI生態(tài)等級的基礎上,利用ArcGIS 10.5軟件對清江中下游地區(qū)生態(tài)狀況差值變化進行檢測(表4)。1987—2004年間,該區(qū)域生態(tài)條件變化顯著,生態(tài)條件變差區(qū)域面積為989.34 km2,約占總面積的11.50%,主要分布在清江沿岸溝壑以及新建隔河巖、高壩洲下游區(qū)域〔圖3(a)中紅色圖斑〕;生態(tài)條件改善區(qū)域面積達6 015.50 km2,占69.92%,主要分布在低山丘陵、喀斯特山地,土地利用以常綠闊葉林、常綠針葉林和針闊葉混交林為主。

圖2 1987、2004和2015年清江中下游地區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)等級分布Fig.2 Distribution of remote sensing ecological index (RSEI)in the middle and lower reaches of Qingjiang River in 1987,2004 and 2015

表4 1987、2004和2015年清江中下游地區(qū)生態(tài)狀況差值變化Table 4 Changes of ecological conditions in the middle and lower reaches of the Qingjiang River in 1987,2004 and 2015

隨著下游梯級大壩的建成,日調(diào)節(jié)型隔河巖水庫正常蓄水位為200 m,庫容30.18億m3,年調(diào)節(jié)型高壩洲水庫正常蓄水位為80 m,庫容4.03億m3。更多的水資源被保留在峽谷型庫容內(nèi),為農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和林業(yè)等的發(fā)展以及林地、草地等的恢復提供更多水源。2003年植被混凝土護坡綠化技術的成功應用[22],使得2004年綠度指數(shù)(0.593)和土壤濕度(0.636)為3 a最高,促進了該地區(qū)農(nóng)業(yè)升級改造的發(fā)展及植被的恢復。

圖3 1987、2004和2015年清江中下游地區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)變化Fig.3 Changes of remote sensing ecological index (RSEI)in the middle and lower reaches of the Qingjiang River in 1987,2004 and 2015

2015年清江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境整體呈退化趨勢,生態(tài)環(huán)境惡化區(qū)域面積達4 991.12 km2,占總面積的58.01%,而生態(tài)環(huán)境改善區(qū)域面積為618.48 km2,僅占7.19%。生態(tài)條件改善區(qū)域主要分布在東部低山丘陵區(qū)和平坦平原區(qū)〔圖3(b)中綠色圖斑〕。生態(tài)環(huán)境退化區(qū)域廣泛分布在以新建水布埡樞紐為中心的上下游區(qū)域,梯級水電站建設對生態(tài)環(huán)境的影響作用是疊加的,包括時間和空間的累積。工程區(qū)層間剪切帶發(fā)育,斷裂構造較發(fā)育,有巖溶洞穴及巖溶通道,地質(zhì)條件較為復雜。巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r和頁巖等軟硬互層,土層淺薄,易受侵蝕。

水電梯級開發(fā)活動引起水土流失,表現(xiàn)為擾動面積大、強度高,建設周期長。水土保持生態(tài)效應評價主要包括水、土和植被3個方面,即保水、保土和植被恢復[23]。水電梯級項目全面建成后,土壤濕度(0.477)為3 a最低,比2004年降低25.00%。土壤含水量是陸表生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的重要組成部分,影響土壤性質(zhì)和植被生長。土壤抗沖蝕能力差等自然因素和主體工程施工活動等人為因素,壓占土地、開挖表土和擾動土地范圍較大,均不利于植被恢復[24]。2015年干度指數(shù)(0.512)比2004年升高9.40%,綠度指數(shù)(0.501)比2014年降低15.51%,過度開發(fā)使清江中下游地區(qū)進入快速調(diào)整和不穩(wěn)定階段。因此,在水電梯級建設的同時,有效防止水土流失造成的地表干化和提高植被覆蓋度成為生態(tài)環(huán)境恢復的關鍵。

1987—2015年清江中下游地區(qū)各縣市生態(tài)環(huán)境空間特征穩(wěn)定比例均超過30%(表5),從空間〔圖3(c)〕上來看,生態(tài)環(huán)境惡化區(qū)域面積比例相對較高(26.89%)的為宜都市,生態(tài)環(huán)境改善區(qū)域面積比例較高的為長陽自治縣和巴東縣,比例分別為47.77%和51.46%。在清江下游水電開發(fā)階段(1987—2004年),宜都市生態(tài)環(huán)境變化劇烈,環(huán)境退化區(qū)域面積比例達26.05%,長陽自治縣、五峰自治縣和巴東縣環(huán)境改善區(qū)域面積比例均>70.00%。隔河巖和高壩洲水利樞紐工程興建引發(fā)的水庫蓄水及部分河段的擴寬工程使得水域面積明顯增加,植被環(huán)境恢復與建設的關鍵就是解決水源問題?；谶b感估算植被覆蓋度[25]的結果也表明,1987年清江中下游地區(qū)林地覆蓋率僅為21.50%,2004年上升為57.66%,植被覆蓋面積呈現(xiàn)增長趨勢。

水電梯級項目全面建成后,長陽自治縣、五峰自治縣和巴東縣呈現(xiàn)不同程度的環(huán)境惡化趨勢,宜都市惡化區(qū)域面積比例雖有所減緩,但也超過環(huán)境恢復速率。其中,巴東縣中部及東南部、五峰自治縣北部以及長陽自治縣西北部和東南部差等級增加幅度最大,以隔河巖為中心的長陽自治縣東南部和宜都市東南部環(huán)境有所改善,說明清江中下游地區(qū)受水電梯級建設人類活動干擾的影響,生態(tài)環(huán)境等級變化明顯。大壩及水庫群的建設占用大量土地資源,植被覆蓋度降低至34.29%,比2004年降低23.37百分點。由于裸土造成的地表干化程度(祼土指數(shù))提高9.40%,流域梯級的過度開發(fā)會破壞天然的地表地貌,導致不同程度的水土流失。2015年清江中下游地區(qū)地表溫度比2004年升高16.95%,水庫蓄水后,庫區(qū)水體面積及覆被變化,使其與空氣之間的能量交換方式和強度發(fā)生改變,導致氣溫變化,影響原來穩(wěn)定的群落結構完整性[26]。因此,在發(fā)揮水電梯級項目建設巨大經(jīng)濟效益和生態(tài)價值的同時,提高植被覆蓋度及防范因過度開發(fā)引起的水土流失、地表干化已成為流域治理和生態(tài)修復的重點。

表5 1987、2004和2015年清江中下游地區(qū)各縣市生態(tài)環(huán)境變化面積比例Table 5 Proportion of ecological environment changes in counties and cities alongside the middle and lower reaches of the Qingjiang River in 1987,2004 and 2015

4 討論與結論

傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境評價方法中所選河流水質(zhì)、水文流量和底棲動物群落等數(shù)據(jù),需人工采集,獲取耗時、耗力且具有滯后性。完全基于遙感的RSEI,采用主成分分析方法確定權重,克服了以往生態(tài)評價指標難以空間化和權重確定具有主觀性的缺點,通過遙感空間變量的解譯和耦合,能定量揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的空間分布與變化,為水電開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境提供實時、客觀的監(jiān)測技術。

依據(jù)水電梯級開發(fā)的時間順序,選取Landsat 5和Landsat 8遙感數(shù)據(jù),通過建立新型RSEI,對清江水電開發(fā)區(qū)1987—2015年間生態(tài)環(huán)境時空變化進行分析,以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與治理提供科學依據(jù),得出以下結論。

(1)清江中下游地區(qū)1987、2004和2015年RSEI均值分別為0.443、0.664和0.515,呈先上升后下降趨勢。這是因為在下游梯級水電站建成后,水庫蓄水、部分河段的擴寬工程和防護坡綠化技術,促進了植被的恢復,生態(tài)環(huán)境得到一定改善;水電梯級項目全面建成后,過度開發(fā)擾動大量地表,原生植被遭到破壞,土壤抗侵蝕能力變差,水土流失加劇，導致生態(tài)環(huán)境惡化。

(2)清江中下游地區(qū)受水電梯級建設活動干擾的影響,生態(tài)環(huán)境等級變化明顯。從空間上來看,1987—2015年間,生態(tài)環(huán)境改善區(qū)域主要分布于低山丘陵區(qū)和平坦平原區(qū),生態(tài)環(huán)境退化區(qū)域主要分布在水利樞紐中心及其附屬庫區(qū)、沿岸喀斯特山地以及清江匯入長江口的丘陵區(qū)。在清江下游水電開發(fā)階段,宜都市生態(tài)環(huán)境變化劇烈,環(huán)境退化比例最大;梯級水電站全面建成后,長陽自治縣、五峰自治縣和巴東縣生態(tài)環(huán)境均呈現(xiàn)惡化趨勢,宜都市生態(tài)環(huán)境惡化趨勢雖有所減緩,但超過環(huán)境恢復速率。

(3)為了提高生態(tài)承載力,加強水利樞紐沿岸地帶水土流失及地表干化的治理力度,各縣市應該積極發(fā)展水土保持型生態(tài)農(nóng)業(yè),保護好天然林和退耕林,合理調(diào)度水資源,提高植被覆蓋度,以改善清江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境。