基于圖像集成的西南地區(qū)大壩與區(qū)域生物多樣性宏觀關(guān)聯(lián)分析

李 翀，王 昊，彭 靜

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.北京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，北京 100872；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 國(guó)際合作處，北京 100038）

1 研究背景

中國(guó)是水利水電大國(guó)，截止2007年底，全國(guó)已建成各類水庫(kù)86353座［1］，其中15m以上高壩為26581座，2007年在建60m以上大壩為70座［2］。作為發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源和能源的需求仍呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。中國(guó)現(xiàn)階段的水力資源開(kāi)發(fā)程度僅為21%［3］，低于發(fā)達(dá)國(guó)家70%的平均河流開(kāi)發(fā)程度，因此在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，水電開(kāi)發(fā)仍將作為國(guó)家能源發(fā)展的基本戰(zhàn)略，保持穩(wěn)步的發(fā)展。

不容忽視的是，河流水電開(kāi)發(fā)的生態(tài)與環(huán)境影響問(wèn)題正成為制約水電事業(yè)發(fā)展的控制性因素［4］。中國(guó)西南地區(qū)具有豐富的水能資源，西南水電開(kāi)發(fā)在我國(guó)西電東送的能源優(yōu)化配置戰(zhàn)略中具有重要的作用。同時(shí)，中國(guó)西南山地也是世界上生物多樣性最豐富的地區(qū)之一，是世界自然保護(hù)組織保護(hù)國(guó)際（Conservation International，CI）劃定的全球34個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一，也是由世界自然基金會(huì)（WWF）認(rèn)可的全球重要200生態(tài)區(qū)中長(zhǎng)江上游生態(tài)區(qū)的一部分［5-7］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)［5，8-11］，該區(qū)域生存有12000種高等植物和1141種脊椎動(dòng)物，其中3500種植物和178種脊椎動(dòng)物是本地特有種，是國(guó)際公認(rèn)的地方特有種密集分布的中心區(qū)域，具有不可替代的生物多樣性價(jià)值。其范圍西起西藏東南部，穿過(guò)川西地區(qū)，向南延伸至云南西北部，向北延伸至青海和甘肅的南部。在占國(guó)土面積的10%的范圍內(nèi)分布有中國(guó)總數(shù)的30%的高等植物物種和中國(guó)大約50%的鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物，包括大熊貓、小熊貓、金絲猴、雪豹、羚牛和白馬雞等珍稀和特有物種。水電開(kāi)發(fā)與建設(shè)，作為該區(qū)域生物多樣性的脅迫性因素之一，受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

自1992年，包括中國(guó)在內(nèi)的153個(gè)國(guó)家在《生物多樣性公約》上簽字后，保護(hù)生物多樣性成為了我國(guó)對(duì)國(guó)際社會(huì)的承諾。生物多樣性指標(biāo)成為大尺度區(qū)域生態(tài)環(huán)境良好的指示指標(biāo)之一，用來(lái)定量反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種組成和變異程度，和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的演替等級(jí)和趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)值分析，并為生態(tài)環(huán)境保護(hù)確定目標(biāo)。國(guó)際上對(duì)于水電工程對(duì)流域生態(tài)與環(huán)境的影響研究，一方面注重開(kāi)展微觀尺度的水域生態(tài)環(huán)境影響的相關(guān)理論和技術(shù)研究，另一方面研究的空間尺度也逐步從河流、河流廊道發(fā)展到流域尺度。但是，由于水電工程生態(tài)環(huán)境影響的流域性、綜合性和長(zhǎng)期性，迄今為止對(duì)水電工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境真實(shí)影響的科學(xué)認(rèn)知還不夠深入，尤其大尺度的區(qū)域性研究不足，缺乏水電工程與區(qū)域生物多樣性定量關(guān)系的認(rèn)識(shí)。對(duì)于水電工程對(duì)區(qū)域生物多樣性的影響方面，由于基礎(chǔ)資料的可獲性差，區(qū)域生物學(xué)的成果不能與水利科學(xué)的成果有機(jī)融合，在同一空間信息平臺(tái)上整合集成，提供相關(guān)研究者深入研究，形成學(xué)科交叉研究的基礎(chǔ)。

為此，本文基于水電開(kāi)發(fā)與區(qū)域生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的需求，融合交叉水利界與生物界已有的數(shù)據(jù)資料與科研認(rèn)識(shí)，將西南地區(qū)壩高超過(guò)30m的大壩位置、回水范圍與生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域地圖，在電子地圖上進(jìn)行空間匹配與集成，形成大壩與生物多樣性因子位置關(guān)聯(lián)圖，為宏觀分析該區(qū)域水電工程與生物多樣性因子之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)支撐。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù) （1）中國(guó)大壩數(shù)據(jù)。本文共獲取中國(guó)大陸地區(qū)4000多個(gè)的大壩（壩高＞30m）的信息數(shù)據(jù)，其中位于西南地區(qū)的有200余座。大壩數(shù)據(jù)源于國(guó)際大壩中國(guó)委員會(huì)、水利科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心。大壩主要為已建成電站，但也包含一部分規(guī)劃中的待建電站。此外，還從保護(hù)國(guó)際中國(guó)項(xiàng)目（CI）及山水中心獲取了中國(guó)西南地區(qū)部分壩高小于30m的水庫(kù)數(shù)據(jù)。

（2）西南地區(qū)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域電子地圖。劃分生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域（Key Biodiversity Area，KBA），是保護(hù)國(guó)際在全球尺度上開(kāi)展的一項(xiàng)保護(hù)行動(dòng)，它使用定量的標(biāo)準(zhǔn)劃分出具有關(guān)鍵保護(hù)意義的區(qū)域，為制訂全球和區(qū)域的保護(hù)策略提供決策基礎(chǔ)［12］。劃出的KBA具有以下3個(gè)特征：1）該區(qū)域在全球生物多樣性保護(hù)上具有重要意義，區(qū)域內(nèi)有生存受到威脅的物種，或有特別保護(hù)意義的地方特有種，在保護(hù)價(jià)值上高于周圍區(qū)域；2）該區(qū)域?yàn)閷?shí)際保護(hù)區(qū)或潛在保護(hù)區(qū)，其本身是一個(gè)可以被保護(hù)和管理的單元；3）該區(qū)域本身（或同其他區(qū)域一起）可以為其中的目標(biāo)保護(hù)物種提供足夠的生存所需資源。

北京大學(xué)按照保護(hù)國(guó)際劃分KBA的標(biāo)準(zhǔn)［12］，基于從文獻(xiàn)研究和實(shí)地野外調(diào)查的數(shù)據(jù)制作的314種珍稀瀕危脊椎動(dòng)物和213種珍稀瀕危高等植物的分布圖以及西南山地的自然保護(hù)區(qū)分布圖，并結(jié)合該地區(qū)的專家知識(shí)，制作了西南山地生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域圖（圖1）。在中國(guó)西南地區(qū)定義了141個(gè)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域（KBA）和58個(gè)候選生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域（CKBA），共計(jì)199個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。在這些區(qū)域中，176個(gè)區(qū)域是由全球?yàn)l危獸類定義的，138個(gè)區(qū)域是由全球?yàn)l危、分布受限制或者集群遷徙的鳥(niǎo)類定義的，8個(gè)區(qū)域是由全球?yàn)l危爬行類定義的，171個(gè)區(qū)域是由全球?yàn)l危兩棲類定義的，以及54個(gè)區(qū)域是由全球?yàn)l危植物定義的。這些區(qū)域顯示出了基于目前的知識(shí)所能夠知道的有重要生物多樣性保護(hù)價(jià)值的區(qū)域，是實(shí)際存在的生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域的現(xiàn)時(shí)子集。

（3）DEM數(shù)據(jù)及河網(wǎng)信息。本文采用USGS精度為90m的DEM數(shù)據(jù)，利用開(kāi)發(fā)的軟件［13］，提取了西南地區(qū)的河網(wǎng)，并劃分子流域。該河網(wǎng)與1：25萬(wàn)數(shù)字河網(wǎng)進(jìn)行了校驗(yàn)，吻合良好。

2.2 方法 本文主要采取空間疊加技術(shù)，將大壩及其回水區(qū)信息定位到西南地區(qū)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域圖上，以生成大壩與生物多樣性因子位置關(guān)聯(lián)圖。

由于獲取的大壩信息不全，尤其是缺乏大壩的準(zhǔn)確空間定位信息。如何校驗(yàn)所獲取大壩空間定位數(shù)據(jù)，以使大壩能準(zhǔn)確定位到河流上；或利用DEM、遙感數(shù)據(jù)等空間技術(shù)的運(yùn)用，補(bǔ)充部分缺乏定位數(shù)據(jù)的大壩的空間定位，是大壩與KBA區(qū)域圖集成的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，也是圖像集成的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為此，本文確定大壩定位的3方面要求：1）大壩必須要落在河道上；2）能反映河道的縱坡降；3）大壩上游要有一段平緩的回水區(qū)（即大壩上游一定區(qū)域內(nèi)高程變化不明顯）。據(jù)此，采用Google Earth目測(cè)移動(dòng)法、河網(wǎng)坡降最陡法及綜合法等3種方法，對(duì)西南地區(qū)的大壩進(jìn)行了空間定位。其中Google Earth目測(cè)移動(dòng)法是利用Google Earth作為后臺(tái)，在其圖像中搜索出大壩的位置，然后記錄下大壩的坐標(biāo)信息，再結(jié)合DEM圖像進(jìn)行對(duì)比，定位出大壩的準(zhǔn)確位置。河網(wǎng)坡降最陡法是依據(jù)DEM提取河網(wǎng)的河道沿程坡降，根據(jù)坡降突變點(diǎn)（最陡坡降）確定大壩的位置［14］。綜合法則是綜合前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，以坡降突變點(diǎn)確定大壩的可能位置，而后用Google Earth目測(cè)定位大壩的位置。

3 結(jié)果分析

3.1 西南地區(qū)大壩及其再定位 通過(guò)前述3種方法，對(duì)長(zhǎng)江上游（宜昌以上）、瀾滄江及怒江的293個(gè)電站進(jìn)行了重新定位（圖2）。對(duì)于293個(gè)電站，基于DEM提取了大壩上游河道坡降平緩長(zhǎng)度，并結(jié)合大壩屬性信息，在GIS圖上確定出大壩的回水長(zhǎng)度及可能的回水水面范圍。各個(gè)河流上分布的電站如表1所示。

表1 長(zhǎng)江上游（宜昌以上）、瀾滄江及怒江大壩分布 （單位：個(gè)）

3.2 大壩與西南地區(qū)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域圖集成 將西南地區(qū)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域與前述再定位的大壩進(jìn)行空間集成，可得到如圖3所示的整合圖，其中落在西南KBA區(qū)域內(nèi)有105座電站。從圖上可以發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：1）大壩集中區(qū)與表征生物多樣性的KBA區(qū)域不重疊；2）大壩的回水水面范圍與KBA區(qū)域交集小，可能在于KBA區(qū)域多數(shù)處于水源區(qū)域且以陸地區(qū)域?yàn)橹鳎c河流關(guān)系不密切；3）少部分水壩落在KBA區(qū)域內(nèi)，例如岷江流域，有十余座壩落在KBA區(qū)域內(nèi)，多為壩高不超過(guò)30m的中小水電站。盡管KBA區(qū)域內(nèi)包含的大壩數(shù)量少，但表明水電開(kāi)發(fā)同KBA區(qū)域的保護(hù)的沖突是存在的。

盡管從大壩與KBA空間分布的特性看，大壩與KBA的關(guān)聯(lián)性不大。但是，是否就可以說(shuō)，大壩的開(kāi)發(fā)對(duì)區(qū)域生物多樣性影響不大，目前并不能得出肯定的結(jié)論。這是因?yàn)椋孩俅髩蔚慕ㄔO(shè)，體現(xiàn)為人類對(duì)河流的一種開(kāi)發(fā)活動(dòng)，其回水范圍、回水長(zhǎng)度，對(duì)于以陸面生物為主的KBA影響有限。但是，對(duì)河流生態(tài)會(huì)有一定影響。目前所劃定的KBA區(qū)域是以陸生動(dòng)植物為基礎(chǔ)形成，由于水生生物，魚(yú)類等數(shù)據(jù)的空缺，基于水體的KBA區(qū)域整體空缺，在未來(lái)增加了基于水生生物多樣性劃分的KBA區(qū)域后，大壩對(duì)西南山地生物多樣性的影響將可以被更客觀的評(píng)價(jià)；②現(xiàn)存生物多樣性還比較豐富的區(qū)域多處于人類活動(dòng)難以到達(dá)的區(qū)域，如高山區(qū)的水源地，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境角度不適宜進(jìn)行大型水電的開(kāi)發(fā)。西南地區(qū)已有大型水電開(kāi)發(fā)，多集中在相對(duì)容易開(kāi)發(fā)的區(qū)域，與KBA區(qū)域交叉不多。而中小型水電開(kāi)發(fā)，則可能對(duì)KBA有較多的影響。要更全面的評(píng)價(jià)水電開(kāi)發(fā)對(duì)生物多樣性的影響，還需要增加中小型電站和KBA關(guān)系的研究；③隨著水電開(kāi)發(fā)的繼續(xù)，KBA區(qū)域內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)新的大壩建設(shè)，大壩的影響需要更加謹(jǐn)慎的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

西南地區(qū)作為國(guó)家的水電開(kāi)發(fā)基地，也是全球34個(gè)生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)地區(qū)之一。在同一空間信息平臺(tái)上整合集成大壩與區(qū)域生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域圖，是從大尺度宏觀研究西南地區(qū)水電開(kāi)發(fā)與區(qū)域生物多樣性的關(guān)系的基礎(chǔ)性交叉工作。本文基于USGS 90m精度的DEM數(shù)據(jù)和西南地區(qū)大壩數(shù)據(jù)庫(kù)，在生成的數(shù)字河網(wǎng)上再定位大壩，并與西南地區(qū)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域(KBA)電子地圖圖像集成。通過(guò)大壩與KBA的空間位置關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)大壩集中區(qū)與表征生物多樣性的KBA區(qū)域不重疊，大壩的回水水面范圍與KBA區(qū)域交集較小，但水電開(kāi)發(fā)，尤其是中小水電，同KBA區(qū)域的保護(hù)的沖突還是存在的；西南地區(qū)大壩對(duì)于以陸面生物為主劃分的KBA影響有限。在KBA中引入于水生生物多樣性后，大壩對(duì)西南山地生物多樣性的影響將可以被客觀的評(píng)價(jià)。本文研究工作將為河流開(kāi)發(fā)與區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供宏觀的決策技術(shù)參考支持。

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