水電能源開發對雅魯藏布江流域景觀格局的影響

劉云龍，何 理，聶倩文，殷 闖

(1.華北電力大學，北京 102206；2.中國科學院地理資源與科學研究所，北京 100101)

0 引 言

青藏高原平均海拔在4 000 m以上，是亞洲眾多河流的發源地，水能資源豐富，被稱為亞洲水塔。其水能資源分布主要集中在東部和南部，全區水能資源理論蘊藏量達2.01億kW。其中，雅魯藏布江流域水能資源蘊藏量為1.13億kW，占全區水能資源蘊藏量一半以上[1]。2000年以來，為了緩解區域發展的用電緊張，青藏高原地區陸續修建了10余座水電站；同時，青藏高原也是全球氣候變化敏感區[2]，近年來在全球氣候變化和人類活動的雙重因素影響下，該地區出現了植被覆蓋度降低[3]、土地荒漠化增加[4]、凍土退化、水域面積減少等一系列生態環境問題。水電能源的開發伴隨著大壩的修建，大壩建成后將天然河流人為的分為上游和下游兩部分，通過上游水庫的蓄水調節作用影響下游地區來水量；同時，由于大壩的攔截作用，一些營養元素會被截留在上游區域。這些影響使得上下游區域的生態環境開始出現不同程度的差異[5]。這種差異性會隨著時間的累積而不斷變大，對當地生態環境的影響不斷累積[6]；因此，研究清楚水電能源開發給區域帶來的各種影響十分重要[7]。

Maavara等[8]通過構建全球NEWS模型并與實測數據結合，發現大壩的修建對河流營養物質輸送有明顯的截留效應。Noh等[9]通過構建大壩全生命周期溫室氣體釋放模型認為，水電站整個運行40年內中會有大量的二氧化碳釋放量，使得區域升溫效應明顯。Yi等[10]使用NDVI作為指標分析了瀾滄江下游區域四座水電站對河岸植被生長的影響，發現壩高是影響河岸植被生長的主要因素。并且所有的這些影響直接表現在流域景觀格局的變化當中。王維琛等[11]采用CLUE-S模型研究了向家壩水電站建站前后土地利用變化情況，發現電站建成后水域面積有明顯增大，裸地得到利用，建筑區有所擴張。劉琦等[12]基于GIS技術，利用窗口移動法對漫灣水電站建設前后景觀格局改變進行了梯度分析，發現大壩建成后對上游景觀格局的影響大于下游區域。深入研究大壩建成前后區域的景觀格局變化情況，尤其是在青藏高原生態脆弱地區，對區域的生態環境保護，水土保持情況有重要意義。

表1 研究區內已建成大型水電站基本信息

雅魯藏布江流域的水能資源蘊藏量占整個青藏高原水能蘊藏量一半以上，流域內已建成了多座大型水電站，包括目前整個西藏地區投產的最大的水電站-藏木水電站，雅江干流上規劃了五級梯級電站。同時，雅魯藏布江流域涵蓋了拉薩、林芝、日喀則、山南等重要縣市區，是西藏地區經濟發展迅速的重要區域，經濟不斷發展對電力能源需求持續增大，水電開發在這個區域方興未艾，該研究為流域未來水電開發過程中對區域景觀格局的影響提供了有益的借鑒。

1 研究區域概況及研究方法

1.1 研究區概況

雅魯藏布江發源于西藏西南部喜馬拉雅山北麓的杰馬央宗冰川，由西向東橫貫西藏南部，在南迦巴瓦峰附近轉向南流，經巴措卡出中國境。雅魯藏布江全長2 900 km，流域面積為240 480 km2，干流出國境處年均流量為4 425 m3/s。雅魯藏布江中國境內年降水量為949 mm，上游地區河水補給以融雪為主，中下游地區是印度洋暖濕氣流的輸送通道，每年7月～9月份進入雨季，降水量大，河水以降水補給為主。流域內河網縱橫，河岸土壤以高山土類為主，涵蓋了流域面積的70.58%。

1.2 數據來源及處理

本研究所用雅魯藏布江流域1980年～2015年土地利用數據及1∶25萬的DEM數據集來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。流域劃分數據集使用SRTM DEM數據，數據提取以海拔高程>2 500 m為邊界，土地利用分類參照國際IGBP的LUCC分類系統。根據土地利用/覆蓋實際情況，將土地利用類型分為耕地、草地、林地、水體、城鎮和荒漠用地6類。雅魯藏布江流域的水電站多修建于2000年以后，因此使用1980年、1990年、2000年、2015年4個典型時期的數據進行研究。其中，1980年～1990年青藏高原地區受人類活動影響較小，為自然條件下景觀格局變化情況的參考。水電站研究寬度為河兩岸10 km范圍內。

1.3 景觀格局研究方法

土地利用景觀格局分析通過構建景觀格局指數來實現，空間結構分析是景觀生態評價基礎。空間結構是不同層次水平或者相同層次水平景觀生態系統在空間上的依次更替和組合，直觀地顯現景觀生態系統縱向橫向的鑲嵌組合規律。應用景觀生態學的基本觀點和原理，從景觀空間結構和景觀異質性等方面，對研究區域范圍從斑塊、景觀兩個尺度選取7項指標，利用Arcgis地圖代數與統計功能及SPSS、Fragstats4.2進行分析，景觀指數的計算方法如表2所示。

利用轉化矩陣研究土地利用類型變化方向，全面具體地研究區域景觀格局變化的結構特征。該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，為國內外常用[13]。其數學公式為

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表2 景觀指數計算方法

2 結果與分析

雅魯藏布江流域各土地利用類型景觀指數詳見表3。

表3 1980年～2015年雅魯藏布江流域各土地利用類型景觀指數

分析表3可知，雅魯藏布江流域內土地利用類型變化趨勢基本一致。其中，耕地面積在2000年之前基本保持不變；2000年之后由于水利工程建設逐步開始，水位的變化、人口的遷移以及耕地供水條件的改變，導致流域內耕地被擠占、分割，耕地景觀斑塊數增加；同時，耕地景觀面積呈下降趨勢。

林地斑塊數量及面積在2000年之前呈逐步下降態勢，在2000年以后趨于穩定略有回升，主要是由于雅魯藏布江河谷地區植樹造林、封山育林等生態保護政策的實施；此外，草地斑塊數量及面積在水電站修建前后基本保持不變，說明水利工程在建設的時候，植被也得到了很好的保護。水域景觀的面積及比例在1990年大幅增加，氣候變化導致區域溫度上升可能是導致這一變化的原因；冰川退縮，徑流量變大，水域面積增加。隨著水電站蓄水發電，水域面積逐漸趨于穩定，伴隨著水利工程的建設，水電站的上、下游地區出現人工庫塘。這在一定程度上改善了流域內的小氣候。苔原荒漠占比在水電站建設過程中變化并不十分明顯，高原水電站建設階段對高原荒漠的影響很小。

城鎮建設用地在2000年之前斑塊數多但面積較小，最大斑塊指數也很小。這說明2000年之前城鎮建設用地多為散落分布的小區域；水電站建設開始以后，2000年～2015年這15年間城鎮建設用地的各項指標均有顯著提升；水電站建設有效地帶動了當地交通運輸業、餐飲業及旅游業的發展，使當地勞動力聚集，滿足當地各行各業用電需求；水能資源不斷的開發與利用推動了周邊區域的城鎮化發展。

耕地、林地、草地、苔原荒漠等景觀相對于2000年數值比值基本無變化，變化率在4%以內；從而反映出這些景觀類型受水電站建設、運行活動干擾程度較輕。由于氣候的變化、徑流的增加，水域斑塊在形狀及面積上均呈不規則的增加趨勢。水域周長面積分維數變化明顯，呈先升高后降低的態勢并趨于穩定的態勢。這是由于水庫蓄水，水域斑塊形狀趨于相似。水電站的建設帶動了當地各個產業的發展，建設用地類型趨于多樣化；因此，2000年以后景觀散布與并列指數有明顯上升態勢(見表4)。

表4 景觀散布與并列指數|J| %

表6 雅魯藏布江流域1980年～2015年土地利用轉移概率矩陣

分析表4可知，城鎮、耕地、草地與林地的散布與并列指數多年變化值在5%以內且均低于60%，各個類型斑塊僅與少數其他種類相鄰。在2000年前水域斑塊的|J|值較小，說明其分布集中且與其他斑塊類型少有相鄰，2000年水域|J|值明顯增加，說明氣候的改變以及水電站的建設的使得出現與其余景觀相鄰較多的散布水域。此外2000年以后各種土地利用類型的|J|值均有所上升，各種景觀相接景觀種類增加。從總的改變量來看，水電站建設期間及建成蓄水后，形成明顯的集水區域，不同景觀各項指標變化浮動在正負百分之五之內，整體影響不大。水域景觀由于氣候的影響以及水庫蓄水等變化，在水電站建設開始后斑塊結合度發生較大的變化，增加了斑塊間的連接。其余景觀各項指標的變化幅度在正負3%以內，可以看出水電站建設對各種土地利用類型連接程度沒有大的影響。

景觀多樣性指數反映景觀類型的豐富度和均勻度。由表3可知，多樣性指數和均勻度指數都呈現出下降趨勢；但下降趨勢較緩。這反映出水電站修建對當地景觀的豐富度和均勻度有一定的影響，但影響程度輕微。

表5 景觀香農多樣性指數統計

轉移矩陣結果顯示，所有土地類型的被替代的概率均小于10%，水電站的開發并未對區域土地類型的變化產生大的影響。其中，林地被水域、耕地、荒漠替代的概率在0.8%左右，水域基本沒有被其他土地利用類型替代的趨勢，城鎮建設用地略微有向耕地、苔原轉化的趨勢，概率在0.6%左右。筑壩活動并未大范圍影響雅魯藏布江流域的土地利用類型的轉化趨勢，人類活動對該區域的影響在1980年～2015年這35年間仍然十分有限。

圖1顯示，水電站建成后，大壩上游蓄水使得研究區內水域面積大幅度增加。藏木水電站上游區域水域面積增加了96%。城鎮建設用地在2000年以大幅度增加；雅魯藏布江流域水電能源的開發主要集中在2000年以后，雅魯藏布江干流上規劃了5個梯級水電站。規劃在林芝設立5級電站調度中心，合理地開發、利用水能資源為當地經濟建設提供了優質的能源支持。

3 討論與結論

總體上看，雅魯藏布江流域水電站的開發未對流域景觀格局產生的大的影響，水電站建設、運行、蓄水、發電等活動對青藏高原生態環境的影響有限。水電站建成后，水域面積增加明顯，城鎮面積增大明顯，且城鎮散布與并列指數|J|有不同程度的增加，城鎮發展向外擴張趨勢明；水能資源的開發滿足了當地經濟發展的電力需求，給區域城鎮發展奠定了良好的能源基礎；水電開發帶來的勞動力聚集效應也加速了城鎮發展趨勢；耕地面積有一定程度的下降，可能的原因是水電站建設淹沒了部分河谷地區原有耕地，同時人口遷移也使得部分田地棄耕。從景觀格局上來看，水電能源開發對雅魯藏布江流

圖1 1980年～2015年水電站研究區土地利用變化情況(ai為水域變化情況；bi為城鎮建設用地變化情況；以1980年為基準年)

域的景觀格局影響是積極正面的，對當地的經濟發展有很大的促進作用，未對流域內草地、林地等植被生長區域造成大的影響。未來的研究擬通過構建模型，了解這種影響的內在機制，為該區域未來水能資源開發提供有益的參考。