調水工程輸水管道建設對地表植被格局的影響
——以南水北調河北省易縣段為例

董孟婷,唐明方,李思遠,曹慧明,鄧紅兵,吳 鋼,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

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調水工程輸水管道建設對地表植被格局的影響
——以南水北調河北省易縣段為例

董孟婷1,2,唐明方1,李思遠1,2,曹慧明1,鄧紅兵1,吳 鋼1,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

隨著生態環境不斷惡化,水資源緊缺已成為全球性的環境問題,跨流域調水工程是保障區域水資源合理配置,保證區域生態安全、區域經濟和社會可持續發展的重要措施之一。但是調水工程會不可避免的對施工建設區的生態系統帶來人為干擾,對施工建設的地表植被格局產生影響。以南水北調中線一期工程河北省易縣段大型輸水管道工程建設區作為研究對象,選取了施工建設前(2000年)、施工建設期(2008年)和施工建設后(2013年)3個不同時間段的遙感影像數據,通過解譯施工建設區地表植被類型的變化,采用象元二分法提取植被覆蓋度,比較不同時期植被覆蓋格局和土地利用格局的動態變化,探討了輸水管道建設對周邊生態系統影響的范圍和特點。研究表明：施工建設前、中、后期管道沿線土地利用類型有較大變化；隨著輸水管道的建設,人為干擾逐漸增強,施工作業帶成為該區域的主要建設用地,并造成了棄置用地和土地裸露,減少了耕地和草地的面積。同時,輸水管道建設施工對研究區內植被覆蓋度產生了明顯的影響,總體上呈現出先減少后增加的趨勢。管道建設期對沿線植被、土壤生態系統影響明顯,其范圍主要在管道施工作業帶中心兩側各100 m；在這個區域以外,影響強度大幅降低。

輸水管道；南水北調；植被覆蓋度；土地利用；遙感影像

人類社會的發展離不開水資源的開發與利用,隨著全球氣候的改變,一些國家和地區的自然環境加劇惡化,洪澇、干旱等災害現象日趨嚴重,引起了一系列生態環境和社會經濟問題,嚴重影響了人類的生存和發展。因此,許多國家通過興建調水工程對水資源進行重新分配來解決這一問題[1- 2]。跨流域調水工程是指在兩個及以上流域系統之間,通過調劑水量余缺所進行的合理水資源開發利用的工程,其是改善水土資源的現有組合格局,實現水資源合理配置,保證國家社會、經濟和環境持續協調發展的一項重要戰略任務。一般來講,跨流域調水工程的主要類型有：水源工程、渠系建筑物、受水區的蓄水、提水和飲水等設施,以及輸水工程。輸水管道建設工程是從遠距離水源輸水到用水地點的管道和渠道工程的統稱。廣義上指長距離的整個輸水系統,包括管道、明渠、暗渠和隧洞等。狹義上僅指跨越山谷、河谷或低洼地的輸水構筑物。輸水管道有各種不同的形式：按供水情況分有重力供水和水泵供水(或稱壓力供水)；按水力條件分有重力流和壓力流；按水流形式分有滿流和非滿流；按構筑物類型分有地面渠道、高架渠道(包括渡槽)、管道和隧洞等[3- 7]。大型跨流域輸水管道建設工程往往是多種輸水管道形式的組合。

然而,跨流域調水工程是一個跨學科、結構復雜、形式多樣的系統工程問題[8]。大型輸水管道建設工程會不可避免的對所經過區域的生態系統帶來人為干擾,產生各種影響[9],大型跨流域輸水管道建設項目工程量大、線路長,沿線所經過的生態系統類型多樣,因此對沿線生態環境和生態系統的影響也十分復雜[10-11]。在建設過程中,會對生態環境和生態系統有直接影響,例如挖掘、運輸等需要鏟除地表植被,鋪設道路,堆放土方的工程措施；間接及長期的影響例如,引入對區域景觀格局的影響,新的景觀類型會增加景觀異質性,產生邊緣效應,并永久性的將人類活動干擾帶入到沿線區域生態環境中[12-15]。

為緩解水資源短缺問題,中國實施了多項跨流域調水工程[16]。其中,南水北調工程是緩解中國北方水資源嚴重短缺、優化配置水資源的重大戰略性基礎設施,關系到經濟社會可持續發展和子孫后代的長遠利益[17]。目前,土地利用/覆蓋變化研究是我國所有與可持續發展相關問題的核心,也是全球變化研究的前沿和熱點[18- 21]。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積所占統計區總面積的百分比[22- 25]。它是刻畫地表植被覆蓋的一個重要參數,是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標,是描述生態系統的重要基礎數據,能夠很好的反映地表植被狀況,土地利用和植被覆蓋變化的研究可以為區域生態環境建設以及經濟建設提供參考,具有現實意義[26- 28]。本文在已有研究的基礎上,選取南水北調工程為研究對象,結合土地利用/土地覆蓋的變化,研究大型跨流域輸水管道建設工程對植被覆蓋度的影響,定量分析了大型輸水管道建設對沿線生態系統的影響范圍和強度,旨在為大型輸水管道建設工程對沿線生態環境影響的定量化研究提供數據參考,為支持完善區域生態安全格局建設,開展沿線保護措施提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究選取南水北調中線一期工程河北省易縣段作為重點研究對象(圖1)。研究區位于保定市西北部,太行山北端東麓。地理坐標114°51′—115°37′E,39°02′—39°35′N。易縣地處太行山區向華北平原過渡的傾斜地帶,十分之七為山地,與定興縣相鄰的高陌鄉是全縣唯一的平原鄉,平均海拔324 m,地勢由西向東下降明顯,流水落差大,易患水災；山體多為侵蝕、剝蝕、巖溶地貌。易縣屬溫帶季風氣候區,春秋干旱多風,夏季炎熱多雨,春季平均氣溫3.2℃,夏季平均氣溫32.2℃,秋季平均氣溫-3.3℃,全年極端最低氣溫-23℃,極端最高氣溫41℃。冬季嚴寒少雪,四季分明。年降水量564.5—668.6 mm,年內降水量8月份降水量最多,為190—220 mm,其次是7月降水量為170—190 mm。境內土壤類型繁多,有6個土類、13個亞類、41個土屬、114個土種。棕壤土類分布在西部700 m以上地區,褐土類分布在山地腳下,潮土類分布在中易水、北易水兩岸低洼處,草甸土類分布在山間河谷地帶,水稻土類分布在北易河、中易河沿岸洼地,風沙土類分布在中易水、北易水及拒馬河沿岸。易縣平原大部分地區原始植被的闊葉林,已經破壞殆盡,墾為農田,低山丘陵地帶闊葉林被破壞以后發育著旱生灌草叢,東部以荊條,黃背草為主,向西北較干旱的酸棗、白羊草增多,同時混入一些草原的旱生種類,如針茅屬等。

易縣輸水管道建設工程位于中國河北省中部偏西,保定市下轄的易縣,自南水北調中線總干渠荊軻山口門引水,穿越北易水河后至規劃地表水廠,采用明渠輸水,渠道斷面形式為梯形斷面,按不同地形條件分別為半填半挖、全挖、全填3種構筑形式,采用全斷面混凝土襯砌,渠底寬度22.5—7 m,渠底縱坡1∶30000—1∶20000,邊坡1∶2.5—1∶3,水深5—3.8 m。在渠道兩側布設寬度為5 m的一級馬道和8 m的防護林帶。利用重力自流輸水,線路全長41.2 km。工程于2009年竣工,是南水北調工程體系的重要組成部分[29]。研究區域中沒有其他工程項目實施,易縣段輸水管道工程是研究區域中唯一實施的工程項目,可以較好的排除其他工程對沿線的影響。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Study area and control area

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源與選擇

根據南水北調中線河北省易縣段輸水管道工程施工期,選取施工前(2000年)、施工期(2008年)以及施工后(2013年)作為研究時段。2000年該地區南水北調工程并未啟動,沿線生態系統處于人為干擾較少的自然狀態,2008年處于工程建設期,工程建設沿線地區的環境受到了工程建設的影響。到了2013年,該地區的南水北調一期工程已經建設結束,并且有了一段時間的自然恢復,選擇這3個時期能夠分別代表大型輸水管道建設的不同時期。由于管線跨度較大,屬于中尺度范疇,故選用Landsat TM5和Landsat 8數據遙感影像作為數據源,采集時間為3—5月,空間分辨率為30 m,數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云 (http://www.gscloud.cn)和美國地質調查局(http://earthexplorer.usgs.gov)。DEM數據采用的是日本METI和美國NASA研制的ASTER GDEM。

1.成果質量狀況。成果質量高低主要是從科研活動、研究內容和成果報告等方面的科學性、完整性、創新性中反映出來。通過對已完成科研成果的調查研究與統計分析，結果顯示，相對較高質量的成果達78%。

1.2.2 緩沖區劃分

廊道式工程項目對周邊區域景觀結構的干擾可以通過緩沖區分析來辨析。在本研究中,利用106個GPS實測點確定管線走向,考慮到邊緣效應的影響和數據的粒度大小,將管線中心兩側100m內的區域作為工程建設影響的重點區,并擴展到500m、1000m和3000m進行分析,以此來判斷工程建設對沿線地區景觀格局影響。

1.2.3 植被覆蓋度分析方法

植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關關系,通常通過建立二者之間的轉換關系,直接提取植被覆蓋度信息。本文采用像元二分模型進行估算,假設每個像元的NDVI 值可以由植被和土壤兩部分合成,則其公式如下：

NDVI=NDVIvCi+NDVIs(1-Ci)

式中,NDVIv為植被覆蓋部分的NDVI值,NDVIs為土壤部分的NDVI 值,Ci為植被覆蓋度。根據公式(1),Ci的算式如下：

本研究在實際計算過程中,分別用生長季內植被NDVI最大值和最小值代替NDVIv和NDVIs,則植被覆蓋度計算公式如下：

在每個緩沖區內隨機抽取100個象元,分別計算Ci,取其平均值來代表該緩沖區的Ci值。另外,每個緩沖區隨機設置6個1m2的方形樣方,調查植被覆蓋度情況,記錄經緯度,對遙感解譯結果進行校正,保證計算精度。

為了排除降雨、溫度等氣候因素的影響,我們定義植被覆蓋度相對變化率來研究工程建設引起的植被格局變化,計算公式如下：

式中,f為某一年份某一區域植被覆蓋度的相對變化率,Ci(n)為該區域當年的植被覆蓋度,Ci(0)為對照區當年的植被覆蓋度。由于3個時相的對照區相同,因此可以認定為處于同一參照系,使得不同年份的植被覆蓋度相對變化值具有可比性。計算植被覆蓋度的對照區選取原則為：地形類似、距離工程建設地點較遠和植被覆蓋均勻(圖1)。

2 結果與討論

2.1 對土地利用類型的影響

根據研究區內主要的土地利用方式,將土地利用類型劃分為5大類:草地、耕地、林地、水域以及建設用地。草地包括低覆蓋度(5%—20%)和中覆蓋度(20%—50%)的天然草地和改良草地,此類草地一般水分不足,草被比較稀疏。耕地包括無灌溉水源及設施,靠天然降水生長作物的耕地；有水源和澆灌設施,在一般年景下能正常灌溉的旱作物耕地；以及以種菜為主的耕地,正常輪作的休閑地和輪歇地。水域是指指天然形成或人工開挖的河流及主干渠常年水位以下的土地,人工渠(包括堤岸)。林地指郁閉度>30%的天然木和人工林。包括用材林、經濟林、防護林等成片林地。郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地也歸于此類。建設用地包括農村居民點；大、中、小城市及縣鎮以上建成區用地；交通用地和獨立于城鎮以外的廠礦、大型工業區、油田、鹽場、采石場等其他建筑用地。

圖2 研究區土地利用類型變化示意圖Fig.2 Change of the land use types in the study area

不同寬度緩沖區歷年土地利用類型變化圖顯示(圖2),2000年該地區土地利用類型以草地和耕地為主,林地呈零星分布,在3000 m緩沖區集中呈現的建設用地為縣城所在地。到了2008年,耕地和草地的面積萎縮,建設用地面積急劇增加,且增加的建設用地主要來自耕地。建設用地的分布范圍也發生變化,呈現出明顯的施工作業帶,建設用地呈條帶狀分布,并使管道兩側出現了棄置用地和裸露土地。這說明隨著南水北調中線工程輸水管道的建設,人為干擾增強。2013年時情況類似,耕地和草地的面積持續減少,由于管道建設完成導致建設用地面積進一步擴大,區域內景觀破碎化程度加大,生態結構復雜化,說明人為活動對自然生態環境產生了持續性影響。

2.2 植被覆蓋度變化分析

2.2.1 緩沖區植被覆蓋變化

比較各緩沖區植被覆蓋度的變化可以發現(圖3),在管道還未建設的2000年,100 m范圍內植被覆蓋度顯著高于其他范圍,但顯著低于完全沒有人為干擾的對照區植被覆蓋度,其他各個緩沖區之間的植被覆蓋情況沒有顯著差異。2008年是輸水管道的建設區,緩沖區受人為擾動影響較大,植被覆蓋度普遍降低,顯著低于完全沒有人為干擾的對照區植被覆蓋度。尤其是100 m內的范圍中,植被覆蓋度處于最低值,與其他區域相比有顯著性差異,從500 m緩沖帶外到3000 m內的范圍的緩沖區之間沒有顯著性差異,說明這一范圍內工程的影響強度類似,說明工程影響強度在500 m范圍以外顯著降低。

2013年南水北調中線工程輸水管道建設結束后已進行了將近四年的恢復,可以看出,在100 m內范圍中,植被覆蓋度仍然處于最低值,但是較2008年比植被覆蓋度明顯提高,甚至達到了500 m范圍的水平,而其他緩沖區也有所恢復,說明干擾強度下降,范圍縮小,與2000年未建設期情況相同。

從得出的結果中,發現輸水管道的建設對研究區植被覆蓋度產生了明顯的影響,直接影響范圍主要是管道施工建設中心兩側的100 m,間接影響范圍能夠達到作業帶外側500 m以內。管道外側100 m的區域可以視作是管道工程建設影響的緩沖區域：在這個區域以內,生態環境和生態系統受到了較大強度的干擾；在這個區域以外,影響強度大幅降低。

圖3 不同年份各緩沖區植被覆蓋度變化Fig.3 Change of the vegetation coverage of the buffers in different years大寫字母不同代表P<0.05水平的顯著性差異

2.2.2 植被覆蓋度相對變化分析

根據本文中定義的相對變化率的概念,緩沖區植被覆蓋度相對變化率的大小可以指示輸水管道建設對沿線區域植被的影響狀況。當緩沖區的植被覆蓋度相對變化低于1時,其值越小說明受到的工程影響越大。

比較3個年份相同緩沖區植被覆蓋度相對變化率(表3),可以發現在100 m范圍內,植被覆蓋度有明顯的先降低后增加的規律。該區域生態環境在受到輸水管道建設人為干擾后,2008年管道100 m緩沖區植被覆蓋的相對變化率為0.68,說明植被生長受到的抑制作用十分明顯,覆蓋度降低；而在2013年人工措施恢復及自然恢復的過程中,植被覆蓋度得到了提高,植被覆蓋相對變化率達升高到0.71,同2000年施工建設之前相同,說明的生態環境逐漸得到了良好的恢復,恢復措施的效果十分明顯。區域其他區域范圍內植被覆蓋度有著先增加后降低的變化規律。

比較各年份不同區域的植被覆蓋度相對變化率可以發現,2000年100 m緩沖區的植被覆蓋度相對變化率顯著高于其他各區域,其他各區域的植被覆蓋度相對變化率之間沒有顯著性差異；到了2008年,100 m緩沖區的植被覆蓋度相對變化率顯著低于其他各區域,說明管道建設對植被覆蓋的影響較大,工程建設給區域生態環境帶來了負面影響。500 m的數值也略低于1000 m和3000 m,說明影響范圍能夠達到管道施工作業中心兩側500 m左右,強度隨著距離的增加而降低；2013年,100 m緩沖區的植被覆蓋度相對變化率仍然顯著低于其他各區域,但是較2008年數值差距縮小,說明經過一段時間的人工及自然恢復,該地區的植被覆蓋有所好轉。

表1 植被覆蓋相對變化率

大寫字母不同代表P<0.05水平的顯著性差異

3 結論

(1)大型輸水管道建設直接改變了沿線地區生態系統的組成結構,將自然條件下的生態系統改造成人為干預下的生態系統,通過土地利用類型和植被覆蓋度變化的分析,可以看出在研究區中,外界因素作用于生態系統的干擾因子主要是工程建設,人為干擾破壞了生態系統的穩定性,形成生態系統結構和功能的破損,管道工程建設是周邊土地利用類型和植被構成變化的主要推動力,也是成為該區域生態系統動態演替的主要影響因素,人為干擾引入的建設用地成為該區域的主要建設用地,造成了棄置用地和土地裸露,減少了耕地和草地的面積,土地利用格局更加復雜化,加大了區域內景觀破碎化的程度,降低了區域生態系統服務功能,對區域生態環境產生了比較明顯的影響。

(2)研究區3年之間植被覆蓋度的變化出現了先減少后增加的趨勢,管道建設期對沿線生態環境系統的影響范圍主要在管道施工作業中心以外兩側100 m,在這個區域以外,影響強度大幅降低。建設完成后,經過一段時間的自然恢復,植被覆蓋度有所恢復,但由于研究區域地表植被格局和生態系統組成發生了改變,短期內無法恢復到建設前的水平。

致謝：感謝本課題組董仁才、嚴巖、付曉、劉昕老師和李思遠、曹慧明、邱莎對本研究工作的幫助。

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Effects of water transfer project construction on vegetation patterns

DONG Mengting1,2, TANG Mingfang1, LI Siyuan1,2, CAO Huiming1, DENG Hongbing1, WU Gang1,*

1StateKeyofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Development of human society depends greatly on the utilization of water resources, with a corresponding deterioration of the ecological environment. Water shortages have become a global environmental problem. Inter-basin water transfer projects can improve the existing patterns of land and water resources, to achieve a rational allocation of water resources to facilitate sustainable social, economic, and environmental development. However, inter-basin water transfer projects will inevitably bring about adverse ecological effects, such as the deterioration of water quality, the loss of biogeographical integrity, frequent and drastic alterations of hydrological regimes, the loss of endemic biotas, etc. Therefore, specific objective appraisals are necessary, before embarking on such projects. The South-North Water Transfer Project is a multi-decade infrastructural mega-project in China; it is the largest of its kind in the world. In the present study, Yi County, which is located in the vicinity of the Middle Route of the South-North Water Transfer Project in Hebei Province, was selected as the subject of study. Through the interpretation of remote sensing images, three land use types in three different construction stages (pre-construction period, construction period, and post-construction period) were selected, and the dimidiate pixel model was used to extract vegetation coverage. The impacts of corridor type projects on landscape structure in surrounding areas can be analyzed by buffer analysis. The present study used four kinds of buffers, namely the 100 m range, 500 m range, 1000 m range, and 3000 m range. In addition, the canal, which was within the 100 m range was a key study area. The present study analyzed the dynamic changes of vegetation coverage, land use patterns, and the relative change rates of vegetation coverage with different buffers. The results show that the Inter-basin water transfer project: directly changed the composition and structure of the ecological system along the construction area; transformed the ecological system from its natural condition to one showing anthropogenic effects. This last finding is the main factor that influenced the dynamics of the ecological system in the area under study. The land use types along the canal varied within different stages of construction. With construction of the canal, inevitably, human interference gradually increased. In addition, the introduction of a relatively large construction site in the region, resulted in increased land areas either laid bare or used for waste disposal, and reduced farmlands and grasslands. The degree of fragmentation was increased, and there was a reduction in ecological function of the regional ecosystem. The construction of the canal had significant effects on vegetation coverage, over three periods of study, showing an increasing trend after first being reduced. During the pre-construction period, vegetation coverage in the 100 m range was significantly higher than it was in other buffers, but significantly lower than it was in the control plot. During the construction period, vegetation coverage in all buffers was significantly lower than it was in the control plot with the lowest coverage recorded in the 100 m range. After almost four years of recovery, vegetation coverage in the 100 m range increased considerably, attaining levels recorded in the 500 m range, but remained significantly lower than that observed in the control plot. The rate of relative change in vegetation coverage in the 100 m range decreased from 0.71 to 0.68 during the period of construction, then rebounded to 0.71 in the post-construction period, to attain the same rate as was recorded during pre-construction. The scope of main influence was the construction area within the range of 100 m; beyond which, the strength of ecological impact was greatly reduced.

water transfer project; the South-North Water Transfer Project; vegetation coverage; land use; remote sensing

環保公益性行業科研專項(201209029- 3)

2015- 04- 08;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201504080718

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wug@rcees.ac.cn

董孟婷,唐明方,李思遠,曹慧明,鄧紅兵,吳鋼.調水工程輸水管道建設對地表植被格局的影響——以南水北調河北省易縣段為例.生態學報,2016,36(20):6656- 6663.

Dong M T, Tang M F, Li S Y, Cao H M, Deng H B, Wu G.Effects of water transfer project construction on vegetation patterns.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6656- 6663.