德日蘇寶冷水庫生態環境質量時空演變特征分析

付衛平，柴志福，李 寧，黃文穎，鄔佳賓，朱 雙

(1.內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010052；2.中國地質大學(武漢)，武漢 430074；3.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010013)

蓄水工程在防洪、排澇、防災和減災等方面對國民經濟做出了重要貢獻，在工業生產、農業灌溉和居民生活等方面也發揮著重要作用。然而，人為干預會導致河流水文系統發生重大變化[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，進行內蒙古典型蓄水工程的生態環境效應遙感監測與分析，并客觀真實地分析其成因和影響的深度及廣度，對于下一步建設生態蓄水工程和促進區域生態環境逐步改善具有十分重要的現實意義。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區概況

德日蘇寶冷水庫是內蒙古自治區典型的蓄水工程(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，2010年落閘蓄水，水庫規模為中型，主要任務是生態保護和工業供水，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 數據來源

本文遙感數據包括研究區DEM數據、Landsat數據、MODIS數據和相關產品以及國產高分GF影像。數字高程模型(DEM)數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m×30 m。國產高分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參數，對河流水質狀況進行遙感監測。

2 研究方法

傳統的生態環境監測主要采用布點采樣的方式，定位布點受自然環境的限制，局限性較大。相比而言，遙感技術主要采取衛星影像和無人機相結合的工作手段[3-4]，能夠更加快速地獲取資料統計數據，大大提高了生態環境監測的工作效率。目前，利用遙感數據研究生態環境大多通過歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)[5]、葉面積指數(Leaf Area Index，LAI)[6]、土地利用類型、地表溫度(Land Surface Temperature，LST)[7]等單一指標來量化生態環境質量。然而，生態環境質量是多種因素共同作用的結果，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、植被等數據來反映，僅采用一個生態指標來評估生態環境質量是不夠的。遙感生態指數(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(Normalized Difference Build-up Soil Index，NDBSI)[9]、濕潤度(Wetness，WET)[10-11]和LST等4個指標形成一個綜合指數來對區域的生態環境質量進行定量評估，可以反映人類活動、環境變化和氣候變化對環境造成的影響，已經被廣泛應用于城市[12]、濕地[13]、島嶼[14]等生態系統的環境質量監測。凈初級生產力(Net Primary Productivity，NPP)是衡量生態系統中有機物產生速度的指標[15]，是生態系統生產力和健康狀況的重要指標。通過結合植被覆蓋和光合活動的測量，可以使用遙感數據估算NPP。人類活動對NPP的占用明顯影響了自然生態系統，同時還對生態系統服務的供應產生間接影響[16]。此外，水質也是生態環境中不可忽視的問題，水質惡化及富營養化會造成流域內生物多樣性降低，進而對水環境和水生態安全構成威脅，嚴重時會影響區域生產生活用水安全供給[17-18]。于是水質遙感監測提供了一種經濟高效的方法來監測大規模水體[19-20]，尤其適用于地面監測困難或不切實際的地區。在眾多的富營養化評估指數中，生物指標葉綠素a(Chla)濃度[21]，理化指標總氮(TN)、總磷(TP)[22]、水體透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)[23]在湖庫富營養化評價中的應用非常廣泛，主要原因是這5個指標對富營養化水平及相關風險具備較好的指示意義且操作簡單。因此中國環境監測總站推薦了一種基于以上5種營養水平指數的湖庫富營養化評價方法，即綜合營養狀態指數(Comprehensive trophic level index，TLI)[23]，該方法可基于遙感數據有效評估水體營養物質的含量及其對水體生態系統的影響，將富營養化水平劃分為0～100的連續分值，分值越高表示富營養化水平和相關風險越高。

為了給內蒙古自治區建設生態優先的蓄水工程提供科學依據和決策支持，本研究選定內蒙古自治區典型蓄水工程德日蘇寶冷水庫流域作為研究區域，采用遙感信息技術從水質、生態、碳匯3個維度應用TLI、RSEI、NPP遙感指數對水庫建設前后的生態環境效應動態演變進行研究，建立典型蓄水工程建設條件下水土環境因子的時空分布格局和序列數據庫，構建蓄水工程生態環境效應綜合評價指標體系和模型，提出典型蓄水工程生態環境效應與不利影響應對對策，提供理論依據和技術支撐。

本研究對2000—2022年德日蘇寶冷水庫所在流域的相關指標進行綜合評估，以探究蓄水工程建設前后對生態環境所帶來的效應。借助非參數檢驗方法中的Manner-Kendall檢驗法，提取出研究對象指標的時間分布特征，并運用ArcGIS實現對研究對象指標的空間分析和空間統計分析，以實現蓄水工程環境效應的時空動態演變解析，進而定量分析蓄水工程對生態環境所造成的影響。

2.1 綜合營養狀態指數

對于蓄水工程，本研究利用大數據量的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個水質參數，并以Chla為核心構建基于“五指標”的綜合營養狀態指數(TLI)。TLI的構建過程需要將將反演后的5個指標進行營養狀態指數計算，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)

根據各參數的營養指數TLI(j)和權重值Wj，可計算所有參數的綜合營養狀態指數。

(6)

2.2 遙感生態指數

遙感生態指數RSEI以其指標獲取方便、評價結果可視化的優點被廣泛應用于生態環境評價[24]。它由美國環境保護署 (EPA)開發，旨在幫助評估污染和其他壓力源對生態系統的生態影響。RSEI 模型的優勢之一是它能夠整合多個來源的數據和信息，以提供對生態健康的全面評估。該模型已用于許多環境影響評估和風險評估以及監管決策[25-26]。

RSEI的計算是在4個生態指數(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[27]，NDBSI用于估算干旱和半干旱地區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境因素(例如溫度和植物健康)測量的準確性和可靠性[28]，LST是地表與大氣熱能交換的重要指標，可用于研究范圍較大的環境過程，包括城市熱島效應[29]、土地利用和土地覆蓋變化、氣候變化影響[30]等。以上4個生態指數以及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、綠光以及中紅外1波段的反射率；

B1～B6——分別代表藍波段、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。

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

2.3 凈初級生產力

凈初級生產力NPP是植物光合作用固定的碳量減去通過呼吸損失的碳量。基本方法是使用NDVI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的分數；

PAR——光合有效輻射；

ε——LUE系數。

2.4 Mann-Kendall趨勢分析

Mann-Kendall是一種非參數統計檢驗方法[33]，最初由Mann在1945年提出，后由Kendall和Sneyers進一步完善，其優點是不需要測量值服從正態分布，也不要求趨勢是線性的，并且不受缺失值和異常值的影響，在長時間序列數據的趨勢顯著檢驗中得到了十分廣泛的應用。其統計檢驗方法如下：

對于時間序列Xi，i=1，2，…i，…j，…，n，定義標準化檢驗統計量Z：

(17)

(18)

(19)

其中，xi和xj為時間序列數據，n為數據個數；當n≥ 8時，檢驗統計量S近似為正態分布，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被拒絕，時間序列數據Z1-α/2為在置信水平α下，標準正態函數分布表對應的值。當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 結果與分析

3.1 生態環境質量時間演變特征

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。據圖2a數據顯示，近20 a來德日蘇寶冷水庫項目區的凈初級生產力逐漸上升，并呈現出顯著的上升趨勢。平均凈初級生產力為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。這表明項目區的生態條件得到了大幅改善。結合水庫的建設工程分析，德日蘇寶冷水庫的建設工程于2010年完成后，項目區的凈初級生產力得到了顯著提高，保持在2 428 g/m2左右。這些結果表明，水庫的建設工程對凈初級生產力的上升可能具有重要作用。因此，在未來的環境保護和生態建設中，需進一步探究水庫建設與當地生態環境之間的關系。

a NPP

圖2b是德日蘇寶冷水庫近23 a RSEI年均值的時間變化。研究結果表明，在這段時期內，德日蘇寶冷水庫項目區的生態環境質量變化較小，RSEI值平均維持在0.46左右，整體而言，該項目區的生態環境質量保持在一般水平。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，德日蘇寶冷水庫項目區水體的營養化程度呈持續上升的趨勢，其線性擬合斜率為0.063，R2值為0.529 3。整體而言，該項目區水體的營養化程度仍維持在貧營養水平。

3.2 生態環境質量空間分布特征

3.2.1RSEI空間分布特征

圖3給出了德日蘇寶冷水庫項目區2000—2022年每4 a平均遙感生態指數(RSEI)的空間分布(2012年、2013年遙感數據缺失)。結果表明，水庫的建設對改善和平衡流域內的生態環境起到了至關重要的作用。從圖3a～c可以看出，2000—2011年RSEI持續下降，均值從0.5下降到0.41。具體而言，2000—2003年流域中游生態環境質量較差，但流域大部分區域生態環境質量處于一般水平，河流流經區域及部分區域甚至達到良好水平；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。在水庫建設期間，下游的生態環境質量進一步降低，下游地區整體的生態環境整體較差。而蓄水工程完工后，流域內RSEI整體大幅提升，生態環境質量有所改善，普遍達到一般水平。

圖3 2000—2022年水庫遙感生態指數空間分布示意

3.2.2NPP空間分布特征

圖4是德日蘇寶冷水庫項目區2003—2022年間，每5 a的平均凈初級生產力的空間分布。結果表明，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河流附近區域的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在2000—2022年期間，綜合營養狀態指數(TLI)多年平均的空間分布情況。結果表明，德日蘇寶冷水庫項目對水體質量產生了顯著影響。根據圖a、b的結果顯示，在蓄水工程建設之前，綜合營養狀態指數TLI值保持在27以下，水體屬于貧營養水平，河流主干總體營養水平較低。根據圖c、d的觀察，自水庫建設、完工至2017年期間，水庫控制區域成為高TLI值的聚集區域，分析認為這是由于水庫對周圍土地使用和水流動態的改變，導致了養分輸入的增加。通過對圖d、e的觀察，水庫建成后下游地區的營養水平明顯高于上游地區。而在2018—2022年間，水體面積顯著擴張，流域綜合營養指數發生了劇烈波動，一部分水體達到了中營養水平，進一步表明水庫項目對流域內生態系統的營養狀況產生了重要影響。

a 2000—2002年TLI

4 結語

本文利用2003—2022年內蒙古德日蘇寶冷水庫項目區NPP數據及2000—2022年RSEI、TLI數據，通過GIS空間分析法和數理統計方法分析了德日蘇寶冷水庫建設前后生態條件、生態環境質量及水體營養化水平的時空變化特征和水庫建設工程對其產生的影響，結果表明：

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

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

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