遙感與分形理論在確定水利工程生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍中的應(yīng)用

王海云,王振華

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.宜昌市建筑設(shè)計(jì)研究院,湖北 宜昌 443000)

確定水利工程建設(shè)對(duì)陸面生態(tài)環(huán)境的影響評(píng)價(jià)范圍較為困難。一方面工程建設(shè)的影響從點(diǎn)(壩區(qū))到線(河段、河流)到面(庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境)到體(流域自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng))各不相同;另一方面影響是隨機(jī)的、離散的、非連續(xù)的復(fù)雜系統(tǒng),陸面生態(tài)系統(tǒng)中各種生物之間以及各種生物與它們的無(wú)機(jī)環(huán)境之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響難以判斷。為科學(xué)合理地確定評(píng)價(jià)范圍,明確水利工程對(duì)一個(gè)地區(qū)的生態(tài)負(fù)荷及其動(dòng)態(tài)變化原因,以觀音堂水利工程建設(shè)為例,應(yīng)用遙感技術(shù)和分形理論探索水利工程建設(shè)對(duì)陸面生態(tài)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)范圍。

1 確定陸面生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍的基本準(zhǔn)則

1.1 生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)

生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指集中于一個(gè)或幾個(gè)植物種類的程度,種群組成簡(jiǎn)單的群落多樣性指數(shù)低、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度高,群落的優(yōu)勢(shì)度往往集中在幾個(gè)少數(shù)種群上;反之,種群組成較復(fù)雜的群落生態(tài)優(yōu)勢(shì)度低,這就構(gòu)成了生態(tài)類型的斑塊特征。

由于生態(tài)系統(tǒng)是由不同斑塊有規(guī)律地組成,同時(shí)它又是一個(gè)具有多樣性的系統(tǒng),無(wú)論是空間上還是時(shí)間上各類斑塊都存在復(fù)雜性和變異性,表現(xiàn)出明顯的時(shí)空特征,具有從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展規(guī)律,從而使看似復(fù)雜、無(wú)序的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題(生物多樣性、景觀異質(zhì)性、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等)的背后隱藏著非線性可控的耗散規(guī)律,在微分成單元以后,各子系統(tǒng)均呈現(xiàn)出自相似性,分形理論恰好可以揭示這些規(guī)律。斑塊分維數(shù)用來(lái)衡量斑塊形狀的復(fù)雜程度或斑塊形狀影響內(nèi)部斑塊的變化過(guò)程[1-2]。生態(tài)分形打破了傳統(tǒng)研究方法對(duì)尺度的過(guò)分依賴,為研究評(píng)價(jià)范圍提供了一條途徑。

1.2 陸面生態(tài)系統(tǒng)的整體性

陸面生態(tài)系統(tǒng)中各種生物以它們與周圍無(wú)機(jī)環(huán)境之間的錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系組成一個(gè)有機(jī)整體,一個(gè)成分的變化將會(huì)對(duì)全群落和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生反響性效應(yīng)[3],某些結(jié)構(gòu)成分的微小刺激可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的反應(yīng),局部的變化可能通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)而得以恢復(fù)。因此,從陸面生態(tài)系統(tǒng)的整體性出發(fā),將建設(shè)項(xiàng)目作為生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)作用因子,這樣才能反映出項(xiàng)目建設(shè)與陸面生態(tài)系統(tǒng)各因子之間在時(shí)間和空間上相互作用產(chǎn)生的變化規(guī)律,從而確定一個(gè)合適的評(píng)價(jià)范圍。

1.3 水利工程建設(shè)的特殊性

水利工程建設(shè)的空間布局有點(diǎn)狀(大壩、電廠)、線狀(施工道路、公路)、蛛網(wǎng)狀(管線、引洪道),形成了不同的施工方式和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn),影響方式和特點(diǎn)各異。針對(duì)其特殊性確定評(píng)價(jià)范圍,可以科學(xué)地揭示項(xiàng)目建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度[4-5]。

1.4 生態(tài)環(huán)境的敏感性

水利工程通常在水資源欠開發(fā)、經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)選址,這些地區(qū)通常又是生態(tài)環(huán)境比較敏感和脆弱的區(qū)域,或者是區(qū)域內(nèi)存在環(huán)境限制因子的“兩控區(qū)”,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力較脆弱,項(xiàng)目建設(shè)對(duì)其的影響相對(duì)較大,范圍也較廣。

2 生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍確定的難點(diǎn)

2.1 生態(tài)環(huán)境信息的不確定性和不易獲取

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》(以下稱《導(dǎo)則》)規(guī)定“生態(tài)因子之間相互影響和相互依存的關(guān)系是劃定評(píng)價(jià)范圍的原則和依據(jù)”,也就是說(shuō),生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍以受影響的各種生物及非生物因子為確定評(píng)價(jià)范圍上的主體。然而,各種生物及非生物因子構(gòu)成的非污染生態(tài)信息具有不確定性,實(shí)際操作時(shí)不易獲取,使生態(tài)環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)變得更加困難。

2.2 缺乏可行的定量評(píng)價(jià)方法

《導(dǎo)則》規(guī)定“評(píng)價(jià)范圍要以重要評(píng)價(jià)因子受影響的方向?yàn)閿U(kuò)展距離,一般不能小于 8～30km,2～8km,1～2km[6]”,但在實(shí)際環(huán)評(píng)中水利工程建設(shè)涉及的影響距離比規(guī)定的高限值還大得多,項(xiàng)目布局分別按照點(diǎn)、線、網(wǎng)狀進(jìn)行,在水系、地形地貌、生態(tài)特征、工程規(guī)模、能流物流強(qiáng)度、場(chǎng)地與作業(yè)點(diǎn)、集中臨時(shí)生活區(qū)等因素上具有很大的區(qū)別,針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的類型、生態(tài)系統(tǒng)的開放性特征生態(tài)因子的調(diào)查內(nèi)容和評(píng)價(jià)重點(diǎn)差別較大,目前沒有針對(duì)水利工程建設(shè)具體可行的評(píng)價(jià)范圍確定方法。

3 構(gòu)建評(píng)價(jià)范圍的基本框架

3.1 依據(jù)建設(shè)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征確定評(píng)價(jià)范圍

工程建設(shè)區(qū)具有各自不同的生態(tài)系統(tǒng)特征,生態(tài)環(huán)境影響的核心問(wèn)題就是隨著工程建設(shè)的進(jìn)程,在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響時(shí)空動(dòng)態(tài)變化全生命周期中,建設(shè)項(xiàng)目或規(guī)劃影響區(qū)域自然生態(tài)體系是否超過(guò)生態(tài)閾值而失穩(wěn)、生物多樣性會(huì)不會(huì)降低、自然資源是否在生態(tài)承載容量范圍、區(qū)域性水土流失是否加劇。因此,可根據(jù)生態(tài)完整性、生態(tài)敏感問(wèn)題和區(qū)域生態(tài)問(wèn)題的直接影響和間接影響確定評(píng)價(jià)范圍。

3.2 應(yīng)用分形學(xué)建立定量評(píng)價(jià)模型

分形理論[7-8]可用于揭示非線性系統(tǒng)中有序和無(wú)序幾何形態(tài),在很寬的尺度范圍內(nèi),系統(tǒng)無(wú)特征尺度卻有自相似性和自仿射性。生態(tài)系統(tǒng)是典型的熱力學(xué)系統(tǒng)與耗散自組織系統(tǒng),生物群落是生態(tài)系統(tǒng)的核心,具有標(biāo)度不變性的自相似性特點(diǎn),并且這樣的自相似性存在于一定的標(biāo)度范圍內(nèi),產(chǎn)生了不規(guī)則、不穩(wěn)定且具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分維數(shù)值現(xiàn)象,這就為利用分形模型解釋生態(tài)系統(tǒng)受工程影響程度奠定了理論基礎(chǔ)[9]。

式中:N(r)為在一定的觀測(cè)尺度r上所獲得的某種分形變量;K為比例常數(shù);D為分維數(shù)。

根據(jù)式(1)從不同的層次和尺度調(diào)查收集生態(tài)系統(tǒng)在某一觀測(cè)尺度內(nèi)的復(fù)雜、無(wú)序的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,探尋隱藏著的非線性可控的耗散規(guī)律,在微分成單元以后,各子系統(tǒng)均呈現(xiàn)出自相似性斑塊,結(jié)合斑塊分維數(shù)的實(shí)際意義,在評(píng)價(jià)區(qū)選用控制性生態(tài)景觀來(lái)揭示受影響的評(píng)價(jià)范圍。

斑塊分維數(shù)用來(lái)衡量斑塊形狀的復(fù)雜程度或斑塊形狀影響內(nèi)部斑塊的變化過(guò)程,計(jì)算公式為

式中:P為斑塊周長(zhǎng);k為常數(shù),k=4;A為斑塊面積;Fd為斑塊分維數(shù)。

4 研究實(shí)例

4.1 研究區(qū)概況

觀音堂水利工程位于湖北省西部長(zhǎng)江中上游的秭歸縣(長(zhǎng)江南岸)青干河流域梅家河與青干河兩岔河匯流口下游,距秭歸縣城茅坪鎮(zhèn)約120km。地理坐標(biāo)在東經(jīng) 110°15′～ 110°45′、北緯 30°43′～ 31°00′之間,總庫(kù)容為0.4618億m3,電站總裝機(jī)容量為16MW,屬中型水庫(kù),尾水與三峽水庫(kù)(175m蓄水位)回水相接。

項(xiàng)目處于三峽庫(kù)區(qū),屬生態(tài)敏感區(qū)非污染型項(xiàng)目,直接影響區(qū)域?yàn)?6hm2,地形以高山為主?？紤]到項(xiàng)目建設(shè)后自然生物群落的生物量和綠地面積減少了50%,主要生態(tài)景觀受到擾動(dòng),連通性有所變差,土壤理化性質(zhì)生產(chǎn)能力發(fā)生了一定的變化,水體理化性質(zhì)有一定的改變等特點(diǎn),選擇以大壩為中心擴(kuò)展12km為評(píng)價(jià)核心區(qū),建設(shè)邊界線擴(kuò)展40km的范圍作為影響評(píng)價(jià)研究區(qū)域,見圖1。

圖1 觀音堂水利工程評(píng)價(jià)區(qū)示意圖

4.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

數(shù)據(jù)來(lái)源于衛(wèi)星Landsat7 TM/ETM+(30m分辨率)和SPOT5(2.5m分辨率)遙感影像,成像時(shí)間為2008年6—8月,所用的影像數(shù)據(jù)是在天氣晴朗、少云且植被對(duì)太陽(yáng)有效輻射吸收比例強(qiáng)的條件下成像,圖像精度滿足 1∶50000測(cè)圖精度要求,見圖 2、圖3。

用美國(guó)ERDAS公司開發(fā)的遙感圖像處理系統(tǒng)和專題制圖儀,以及高分辨率的法國(guó)SPOT5衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯,調(diào)用 “Classifier-〉Unsupervised Classification”執(zhí)行非監(jiān)督分類,重復(fù)自組織數(shù)據(jù)分析得到集群組數(shù)。將得到的集群組自然光譜組歸到其對(duì)應(yīng)的類別中,應(yīng)用地理信息等相關(guān)資料,將其合并成水體、建設(shè)用地、草地、耕地 、灌木林地 、林地 、裸土地、苗圃地、疏林地等幾種類型,再調(diào)用遙感圖像處理系統(tǒng)對(duì)上述類別進(jìn)一步歸類,得到建設(shè)區(qū)生態(tài)環(huán)境影響模地范圍[10]。

圖2 2008年6月Landsat7 TM遙感影像

圖3 2008年6月衛(wèi)星影像融合圖(工程主要影響區(qū)域)

4.3 評(píng)價(jià)范圍的確定

工程建設(shè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的邊界確定,可以通過(guò)傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)中優(yōu)勢(shì)度法進(jìn)行識(shí)別判定,優(yōu)勢(shì)度計(jì)算公式為

式中:H為優(yōu)勢(shì)度;Td為分類拼塊密度;Tf為頻率,即拼塊出現(xiàn)樣方數(shù)與總數(shù)之比;Lp為景觀比例。

按式(3)計(jì)算各拼塊的優(yōu)勢(shì)度,結(jié)果見表1,由表1得出觀音堂水利工程建設(shè)區(qū)林地是環(huán)境資源拼塊中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量調(diào)控能力最強(qiáng)的高亞穩(wěn)定性元素類型,優(yōu)勢(shì)度高達(dá) 88.11%,拼塊密度和頻率(通程度)高(Td=86.51%,Tf=92.30%),是建設(shè)區(qū)生態(tài)質(zhì)量的控制性絕對(duì)優(yōu)勢(shì)組分,因此,可以判定林地是評(píng)價(jià)區(qū)的主要拼塊。

表1 研究區(qū)景觀生態(tài)體系各拼塊優(yōu)勢(shì)度值 %

應(yīng)用ArcGIS ArcMap對(duì)青干河流域生態(tài)環(huán)境信息庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,按式(2)計(jì)算出不同生態(tài)類型的斑塊分維數(shù),結(jié)果見表2。由表 2得出32個(gè)斑塊林地分維數(shù)最大,說(shuō)明區(qū)域林地斑塊形狀的復(fù)雜程度較大,苗圃地、草地分維數(shù)最小,灌叢斑塊出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象,表明人為建設(shè)干擾活動(dòng)形成的拼塊形狀較為簡(jiǎn)單,復(fù)雜程度差異并不大。

表2 不同數(shù)據(jù)點(diǎn)的斑塊分維數(shù)

觀音堂水利工程建設(shè)區(qū)域是以林地為主的陸地生態(tài)系統(tǒng),其分形規(guī)律可以作為生態(tài)系統(tǒng)分形的標(biāo)志,林地表示主要的標(biāo)度區(qū),由此可以得到一個(gè)以觀音堂水庫(kù)為中心向外擴(kuò)展的生態(tài)變化范圍,它在一定程度上反映了項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中施工區(qū)和淹沒區(qū)可能對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的時(shí)空范圍。東至老觀頂之間的深溝(達(dá)170m),西到無(wú)名坡地,南至磨坪的場(chǎng)溝,北至魯家灣,形成了一個(gè)相對(duì)孤立的生態(tài)系統(tǒng)。依據(jù)主要生態(tài)影響及其變化程度,確定該工程生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍的面積約為67.4km2。

5 結(jié) 語(yǔ)

水利工程建設(shè)區(qū)一般為經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較薄弱的欠開發(fā)地區(qū),也是生態(tài)環(huán)境比較敏感和脆弱的地區(qū),區(qū)域中各種生物及非生物因子構(gòu)成的非污染生態(tài)信息具有不確定性,實(shí)際操作時(shí)不易獲取,生態(tài)環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)非常困難。

分形理論與遙感技術(shù)有機(jī)結(jié)合,較合理地解決了確定觀音堂水利工程建設(shè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍的難題,運(yùn)用分形模型對(duì)生態(tài)完整性和生態(tài)敏感問(wèn)題進(jìn)行研究,拓寬了常規(guī)確定生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍的思維,提出在理論及實(shí)踐上按生態(tài)評(píng)價(jià)對(duì)象確定評(píng)價(jià)范圍的可操作性。

工程建設(shè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[11],處于無(wú)序、非線性、非平衡和隨機(jī)的狀態(tài)之中,其影響程度將跨越不同的生態(tài)系統(tǒng)和不同的時(shí)間序列,加之生態(tài)系統(tǒng)的分維數(shù)值仍較依賴于測(cè)算方法和計(jì)量尺度,因此,用遙感技術(shù)[12-13]和分形理論確定生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍尚有許多深層次的理論問(wèn)題需要解決。此外,雖然遙感技術(shù)在確定水利工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)范圍上初顯效果,但反映的主要是陸面生境,需要進(jìn)一步探索以突破這一局限。

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