內(nèi)蒙古烏拉蓋水庫生態(tài)環(huán)境效應遙感監(jiān)測與評價研究

柴志福，張茂煜，李 寧，付衛(wèi)平，王 軍，朱 雙

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

1 概述

內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)大小河流上建設了眾多蓄水工程，這些蓄水工程實施后在帶來可觀的社會、經(jīng)濟效益[1]的同時，改變了局部小氣候，也對當?shù)刂苓叺纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生了多方面不同程度的影響。開展內(nèi)蒙古典型蓄水工程生態(tài)環(huán)境效應遙感監(jiān)測與評價研究，客觀真實地分析成因并搞清楚其影響的深度和廣度，對自治區(qū)下一步建設生態(tài)蓄水工程、促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐步改善具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。

目前生態(tài)環(huán)境的評價工作深入到諸多領域，主要包括農(nóng)業(yè)、城市、濕地、森林和土地生態(tài)等[3]，生態(tài)環(huán)境的土壤、水、地貌、植被等的評價取得了較豐富的成果，發(fā)展趨勢則主要表現(xiàn)在以下幾個方面：① 研究目標綜合化以及豐富化；② 研究時間尺度的長期化以及空間尺度的區(qū)域化；③ 研究方法定量化、實用化以及綜合化等；④ 研究成果普遍適用性以及共享性。

同時，在生態(tài)環(huán)境評價研究的過程中也存在許多欠缺的方面，較為突出的是：① 評價模型中指標的單一化，缺乏整體性。在現(xiàn)有的環(huán)境質(zhì)量評價體系中，大多數(shù)都是選用單一的評價指標，如只對草地、濕地或者土地中選取一個作為評價體系，單一評價指標只能反映出生態(tài)環(huán)境中某些方面的特征，難以完全、客觀的反映生態(tài)環(huán)境的狀況，選取的評價指標缺乏整體性、全面性，不適宜較大范圍區(qū)域，使用性受到限制[4]。② 評價技術手段落后。隨著人類對生態(tài)環(huán)境認識的深入，對生態(tài)環(huán)境評價工作提出了更多更高的新要求，而生態(tài)環(huán)境的開放性和綜合性，研究尺度的長期化、區(qū)域化，研究方法的實用化、綜合化，傳統(tǒng)的獲取、處理、分析數(shù)據(jù)的方法無法滿足對現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境的評價[5]，要求我們運用當前較為先進的技術完成評價工作。

本文將充分采用遙感信息技術與樣點監(jiān)測相結合的手段，對自治區(qū)典型蓄水工程烏拉蓋水庫生態(tài)環(huán)境效應進行評價研究，包括水生態(tài)[6]、水資源利用、氣候變化、土地利用、植被等關鍵因子識別與動態(tài)演變方向路徑分析，構建生態(tài)環(huán)境效應綜合評價指標體系和模型，提出生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與效應評價技術方案，提升生態(tài)環(huán)境效應遙感監(jiān)測能力等。

2 研究對象與方法

2.1 研究區(qū)域

烏拉蓋水庫位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東北部烏拉蓋管理區(qū)境內(nèi)的烏拉蓋河中上游，距烏拉蓋管理區(qū)政府所在地65 km，距通遼市的霍林郭勒市40 km。烏拉蓋水庫是一座以工業(yè)供水、防洪為主、兼顧旅游等綜合性工程。水庫始建于1977年，于1980年建成開始運行，設計庫容為2.22 億m3。在1998年的特大洪水中發(fā)生非常溢洪道決口，水庫失去蓄水功能。2002年開始進行水庫除險加固工程，到2004年完工并從2005年開始運行，維護重建后的庫容為2.48億m3，控制流域面積為2 597 km2(研究區(qū)示意見圖1)。

圖1 烏拉蓋水庫研究區(qū)示意

2.2 數(shù)據(jù)來源

1)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包含人口、旅游效益、人均GDP、農(nóng)作物效益等7個指標，主要來源是《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒1998—2020》。

2)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)

生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)主要包含6個子系統(tǒng)，分別是水資源、生態(tài)環(huán)境狀況、土地利用、蓄水保土、碳匯功能、攔泥減沙功能。其中水資源子系統(tǒng)中的水資源量指標、蓄水保土子系統(tǒng)中的攔蓄洪水量和下泄生態(tài)水量以及攔沙減沙數(shù)據(jù)來自烏拉蓋水庫管理局。水資源子系統(tǒng)其他指標主要利用MNDWI水體指數(shù)法對研究區(qū)2000—2022年的Landsat影像解譯，得到了烏拉蓋水庫從1998年到2020年河流水資源相關數(shù)據(jù)。土地利用相關數(shù)據(jù)下載于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS，http://glovis.usgs.gov/)。生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)是使用Landsat-8遙感影像處理得到。碳匯功能指標數(shù)據(jù)來源于NASA Earthdata Search。

3)氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來自烏拉蓋流域氣象觀測站點(見表1)。

表1 烏拉蓋流域氣象觀測站位置

2.3 層次分析法

層次分析法是一種將定性分析和定量分析相結合的系統(tǒng)分析方法，它把復雜的問題分解成若干層次，形成遞進層次結構，使問題的分析過程大為簡化，它具有簡潔性、系統(tǒng)性、可靠性等優(yōu)點，層次分析法的整個求解過程，和人類大腦進行判斷思維的過程相類似。層次分析法特別適合于評價分層次的評價指標體系[7-8]。

層次分析法[7]針對于上一層的某個因素，依次取本層的兩個因素用“成對比較法”等來構造成對比矩陣。例如，要比較模型中某一層的n個因素C1，C2，…Cn對上層的1個因素D的影響，每次取這層中2個因素Ci和Cj，用aij表示Ci和Cj對D的影響之比，全部結果可用成對比較矩陣表示。該矩陣為“正互反矩陣”。

a=(aij)n×n，aij>0

(1)

(2)

一般采用五級定量法給判斷矩陣指標aij賦值[9]。

排序計算的實質(zhì)就是計算判斷矩陣的最大特征根和該特征根的特征向量，對判斷矩陣A求特征根，將W歸一化即為層次排序結果[10-11]。

但是求得的判斷矩陣A不一定能夠滿足判斷矩陣的一致性要求。因此要對判斷矩陣的一致性進行檢驗。對此，需要先計算出判斷矩陣A的一致性指標CI：

(3)

式中：

λmax——最大特征值，其計算公式為：

(4)

然后再選擇相同階數(shù)判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI。據(jù)此，計算隨機一致性比率CR：

(5)

當 CR<0.1 時，認為判斷矩陣滿足一致性，否則就需要對判斷矩陣進行調(diào)整，使之具有一致性。

2.4 評價指標體系構建

水利工程生態(tài)環(huán)境影響評價的指標體系應是對水利工程生態(tài)環(huán)境影響分析與評價的依據(jù)和標準，是綜合反映項目本身和生態(tài)環(huán)境所構成的復雜系統(tǒng)的不同屬性的指標，是按隸屬關系、層次原則有序組成的集合[12-13]。

本文通過對烏拉蓋水庫流域的分析，針對流域生態(tài)特點以及存在的生態(tài)環(huán)境問題，依據(jù)指標選取原則，將評價體系形成一個由目標層、方案層、因素層以及指標層組成的結構。其中，目標層是對流域整體生態(tài)環(huán)境的綜合評價；方案層則為選取用于整體評價的三大一類指標：社會經(jīng)濟影響、生態(tài)環(huán)境影響以及氣候變化影響；因素層則是用于生態(tài)環(huán)境評價指標中更為具體的細節(jié)指標。本文確定指標體系的思路是：從影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因素出發(fā)，理清各種因素之間的關系，深入分析影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因素，從而推導評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指標體系。

根據(jù)水利工程生態(tài)環(huán)境影響評價涉及的內(nèi)容，將生態(tài)環(huán)境總體效應評價作為最高層次 (V層)的評判對象，把社會經(jīng)濟影響、生態(tài)環(huán)境影響以及氣象變化3個子系統(tǒng)作為第2層次的評判對象(A層)；把組成要素，諸如人口、經(jīng)濟、社會、水資源、土地利用等作為第3層次(B層)的評判對象；把定居戶數(shù)、人均GDP、生境質(zhì)量指數(shù)作為第4層次(C層)，完整評價體系見表2所示。

表2 評價指標體系

表3 生態(tài)效應評價標準分級

3 烏拉蓋水庫生態(tài)環(huán)境效應綜合評價

3.1 評價指標遙感監(jiān)測

采用下墊面監(jiān)測設備和地面調(diào)查方法，獲取遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和下墊面實測序列資料，結合需水工程研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，利用Landsat、國產(chǎn)高分等不同遙感傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構建蓄水工程建設條件下生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測指標時空分布格局和序列數(shù)據(jù)庫，并對蓄水工程環(huán)境效應的動態(tài)演變進行解析，從而定量分析蓄水工程對生態(tài)環(huán)境的影響。

1)凈初級生產(chǎn)力(NPP)

凈初級生產(chǎn)力是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標之一，反映了生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的基礎。圖2是烏拉蓋流域2003—2022年NPP分布情況，從空間角度上，可以明顯發(fā)現(xiàn)烏拉蓋水庫項目區(qū)凈初級生產(chǎn)力分布較為一致，說明水庫對流域生態(tài)環(huán)境的影響比較均衡，水庫周邊的生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定；從時間角度可以得知2003—2022年間凈初級生產(chǎn)力有大幅提升，說明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力得到了提高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有較大改善。

圖2 烏拉蓋流域不同年份NPP分布示意

2)遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)

遙感生態(tài)指數(shù)是一種使用遙感數(shù)據(jù)評估給定區(qū)域生態(tài)健康狀況的方法，由綠度、濕度、干度和熱度4個指標進行計算，遙感數(shù)據(jù)來自Landsat-8。在互只計算沒有水體地方的指數(shù)，因此計算了一幅2004水庫還未修建時的影像。由最終結果可知，2004—2010年遙感生態(tài)指數(shù)整體得分降低，可能是因為水庫建設攔截河流，對水庫下游有一定影響。2010年水庫穩(wěn)定運行后，遙感生態(tài)指數(shù)穩(wěn)定上升，特別是原先得分較低的水庫下游，有明顯上升趨勢，生態(tài)環(huán)境有所改善(見圖3)。

圖3 烏拉蓋流域不同年份遙感生態(tài)指數(shù)示意

3)水質(zhì)綜合狀況

水質(zhì)綜合狀況反應了水體富營養(yǎng)化程度。由葉綠素a濃度、透明度、總磷、總氮和高錳酸鹽5個指標進行計算，遙感數(shù)據(jù)來自Landsat-8衛(wèi)星。水質(zhì)綜合狀況僅計算了烏拉蓋水庫常年有水體分布的庫區(qū)。由分布情況可以得知，水體綜合狀況整體上比較穩(wěn)定，沒有大的起伏變化，但水庫上游由于人類活動的增加，水質(zhì)綜合狀況略有些下降(見圖4)。

3.2 評價指標的權重計算

根據(jù)建立的評價體系，綜合判斷每層次要素相對上一層次的影響程度的重要性，用aij表示Bi和Bj對A的影響之比，采用五級定量法給判斷矩陣指標aij賦值，五級分為相等重要、稍重要、重要、很重要、特別重要，構成判斷矩陣。權重判斷矩陣由專家打分完成并通過一致性檢驗[10]。

各評價指標的權重系數(shù)見表4所示。

表4 各層級評價指標相對權重

3.3 烏拉蓋流域生態(tài)環(huán)境狀況綜合評價

將上文所得的指標層權重分別與標準化指標相乘的累加得到最終的評價得分(如圖5所示)。

圖5 烏拉蓋流域生態(tài)環(huán)境狀況評價綜合得分示意

由圖5可以看出，得分在研究年限前幾年有一個較大程度的下降，這是因為1998年降雨量非常大，導致占比權重最大的生態(tài)環(huán)境狀況系統(tǒng)與水有關的指標飆升，導致最終得分較高，后續(xù)則恢復正常。由最終得分可以看出，烏拉蓋水庫的修建對生態(tài)環(huán)境整體起正向作用，生態(tài)環(huán)境評價得分呈上升趨勢。

4 結語

為研究水利工程對環(huán)境的影響，本文結合內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉蓋水庫建設影響的主要方式和特點，構建包括社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、氣象變化3個方案層和32個指標內(nèi)容的評價指標體系。考慮傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的定點布位受限于自然環(huán)境和采樣點缺乏，充分運用遙感技術手段，獲得土地利用類型、水質(zhì)綜合狀況以及凈初級生產(chǎn)力等遙感數(shù)據(jù)。以蓄水工程生態(tài)環(huán)境效應評價為核心，以烏拉蓋水庫為切入點，討論烏拉蓋水庫建設前后，烏拉蓋水庫流域內(nèi)人文經(jīng)濟、水資源綜合狀況、土地利用變化的特征，最終結合搜集到的人文經(jīng)濟、環(huán)境遙感以及氣象數(shù)據(jù)對烏拉蓋水庫建設產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響做出評價。烏拉蓋水庫的建設對流域生態(tài)環(huán)境整體上起正面作用，評價得分呈上升趨勢，從各指標來看，凈初級生產(chǎn)力空間分布較為一致，說明水庫對流域生態(tài)環(huán)境的影響比較均衡，水庫周邊的生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定，時間上呈上升趨勢，說明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力得到了提高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有較大改善，由水質(zhì)綜合狀況來看，水體富營養(yǎng)化也有所改善。