基于景觀生態(tài)的山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉 哲，馬俊杰

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127)

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是由環(huán)境的自然變化或人類(lèi)活動(dòng)引 起的生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)致系統(tǒng)功能損失的可能性[1]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管理的框架下發(fā)展起來(lái)的，重點(diǎn)預(yù)測(cè)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能產(chǎn)生不利影響的可能性，是發(fā)現(xiàn)和解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的基礎(chǔ)，可為風(fēng)險(xiǎn)管理提供決策支持[2－3]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有全幕景法、景觀生態(tài)法、生態(tài)承載力法、基于 3S 疊圖法、層次分析方法等[1、4－10]。風(fēng)電是一種清潔能源，風(fēng)電開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，但隨著風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，項(xiàng)目與環(huán)境的矛盾越來(lái)越突出，對(duì)風(fēng)電開(kāi)發(fā)進(jìn)行生態(tài)影響評(píng)價(jià)也變得十分必要。目前，風(fēng)電開(kāi)發(fā)的影響研究主要集中在土地利用、植被破壞、噪聲污染、鳥(niǎo)類(lèi)遷徙生存以及景觀累積影響等方面的定性、定量分析，對(duì)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，特別是山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究幾乎沒(méi)有[11－18]。山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)沿山脊和山梁?jiǎn)闻挪荚O(shè)，形成無(wú)具體場(chǎng)界的開(kāi)放性區(qū)域[19]，其點(diǎn)(風(fēng)機(jī))－線(場(chǎng)內(nèi)道路)組合式布局，切割沿線景觀，改變區(qū)域景觀格局和地表覆被狀況，影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，在景觀尺度產(chǎn)生一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，以秦嶺山區(qū)某擬建風(fēng)電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為例，在3S技術(shù)的支持下，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)的方法，對(duì)山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行探索研究，為同類(lèi)項(xiàng)目建設(shè)及區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)及項(xiàng)目概況

擬建風(fēng)電場(chǎng)選址位于秦嶺中高山地區(qū)，海拔高度2 300～2 500 m，地形起伏較大，溝谷發(fā)育完善;氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，土壤和植被垂直分帶明顯，主要植被類(lèi)型有落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林、灌叢和草甸等。項(xiàng)目共設(shè)33臺(tái)單機(jī)容量為1 500 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用一機(jī)一變方式，沿山脊布設(shè)。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)完整性原則，結(jié)合工程分析，確定研究區(qū)以工程附近的河流、溝道、鞍部、山脊和臺(tái)地為界，兼顧主梁兩側(cè)1 000 m和支脈兩側(cè)500 m范圍，總面積為2 289.34 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

以QuickBird多光譜遙感影像(2008年，0.65 m，見(jiàn)圖1)、1∶5萬(wàn)地形圖、DEM、風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)資料及野外調(diào)查資料等為主。在Erdas，Arcgis以及AutoCAD等軟件支持下，對(duì)研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行北京54坐標(biāo)系和WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、圖像校正;根據(jù)景觀分類(lèi)，進(jìn)行人機(jī)交互分類(lèi)解譯[20]，獲得研究區(qū)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖與現(xiàn)狀圖疊加等處理，得到風(fēng)電開(kāi)發(fā)后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)遙感影像Fig.1 Remote sensing image of the study area

2 研究方法

從景觀尺度進(jìn)行區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析，國(guó)外有代表性的是Graham，Hunsaker，O'Nell等運(yùn)用蔓延度指標(biāo)對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[21－23]，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要通過(guò)構(gòu)建景觀損失度、脆弱度、干擾度和綜合風(fēng)險(xiǎn)等指數(shù)表征生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行變量空間化[24－33]。山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)以道路串聯(lián)風(fēng)機(jī)的線狀工程穿越區(qū)域，形成一定的廊道結(jié)構(gòu)，對(duì)區(qū)域能量、物質(zhì)和生物(個(gè)體)流產(chǎn)生過(guò)濾和阻截作用[22];干擾種群與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，改變區(qū)域景觀格局;同時(shí)受山地特殊的地貌、地表覆蓋條件影響，產(chǎn)生一定的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)除考慮區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，還應(yīng)綜合山地環(huán)境和項(xiàng)目廊道特征的特殊作用，因此，在常用的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的基礎(chǔ)上，提出景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)(Sr)和隔離效應(yīng)指數(shù)(Gr)及生態(tài)敏感因子(Xr)，構(gòu)建山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型，其公式如下:

式中，Sr為景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)，Gr為景觀隔離效應(yīng)，Xr為生態(tài)敏感系數(shù)。

2.1 景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)(Sr)

景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)這一概念來(lái)源于原子激發(fā)原理，假設(shè)景觀在任何時(shí)空狀態(tài)下都有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，自然景觀在未受干擾時(shí)會(huì)形成一個(gè)基態(tài)，每一次人為干擾，類(lèi)似能量吸收，改變景觀結(jié)構(gòu)和功能，使其偏離基態(tài)處于一定的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，類(lèi)似原子的激發(fā)態(tài)，當(dāng)干擾達(dá)到某種程度時(shí)，景觀處于足以徹底損毀的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，類(lèi)似原子電離。定義這種在特定時(shí)空狀態(tài)下的景觀風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)為景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)，它是景觀結(jié)構(gòu)和景觀脆弱度的綜合反映，其公式如下:

式中:αi為區(qū)域(某風(fēng)險(xiǎn)單元)內(nèi)i類(lèi)景觀的比重，Sri為該類(lèi)景觀的風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)，F(xiàn)ri為該類(lèi)景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)，Pri為某一類(lèi)型景觀脆弱性指數(shù)。

2.1.1 景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)(Fri) 景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)反映不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，可利用景觀格局指數(shù)進(jìn)行疊加來(lái)構(gòu)建，山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)點(diǎn) －線組合式布局對(duì)區(qū)域景觀的切割和破碎作用明顯，參考文獻(xiàn)[24－28、34]，選取破碎度、分離度、分維數(shù) 3個(gè)指標(biāo)構(gòu)建景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)，計(jì)算公式如下:

式中:Ci為區(qū)域內(nèi)i類(lèi)景觀的破碎度，Si為i類(lèi)景觀的分離度，F(xiàn)i為i類(lèi)景觀的分維數(shù)。由于各指數(shù)量綱的不同，需進(jìn)行歸一化處理，a，b，c為各指數(shù)權(quán)重。

2.1.2 景觀脆弱度指數(shù)(Pri) 景觀脆弱度表示不同生態(tài)系統(tǒng)的易損性。查閱文獻(xiàn)[21，28－33]，發(fā)現(xiàn)研究中對(duì)該指數(shù)多以專(zhuān)家打分或定性排序?yàn)橹鳎饔^性較強(qiáng)，未能真實(shí)反映具體區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性。一般認(rèn)為，生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性與穩(wěn)定性是兩個(gè)內(nèi)涵相同但表現(xiàn)形式相反的概念，高的脆弱性意味著低的穩(wěn)定性。在樣方調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，利用樣方面積、樣方物種類(lèi)型數(shù)以及覆蓋度來(lái)構(gòu)建景觀穩(wěn)定性指數(shù)(W)，將其平均值的倒數(shù)作為該類(lèi)景觀脆弱度指數(shù)。其公式如下:

式中:Di為區(qū)域內(nèi)i類(lèi)景觀的優(yōu)勢(shì)度(歸一化前)，n為i類(lèi)景觀的樣方個(gè)數(shù)，pj為i類(lèi)景觀第j個(gè)樣方的覆蓋度;qj為i類(lèi)景觀第j個(gè)樣方單位面積中物種類(lèi)型數(shù)，是樣方中物種類(lèi)型總數(shù)與樣方面積的比值。

2.2 隔離效應(yīng)(Gr)

隔離效應(yīng)指線狀地物(河溝、公路、場(chǎng)內(nèi)道路等)對(duì)區(qū)域景觀的阻隔程度和干擾程度[35]。定義隔離效應(yīng)為區(qū)域線狀地物長(zhǎng)度、段數(shù)和面積的函數(shù)，其計(jì)算公式如下:

式中:λi為區(qū)域內(nèi)i類(lèi)線狀地物的隔離效應(yīng)權(quán)重，Gli和Gni分別為區(qū)域(某風(fēng)險(xiǎn)單元)內(nèi)i類(lèi)線狀地物的總長(zhǎng)度和總段數(shù)，A為區(qū)域(某風(fēng)險(xiǎn)單元)面積。

2.3 生態(tài)敏感系數(shù)(Xr)

以線性工程穿越區(qū)域，隨著沿線環(huán)境的變化，不同的景觀類(lèi)型受到的作用強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)程度各具差異，同一景觀類(lèi)型在不同條件下(山地起伏、海拔高低、地表覆蓋差異等)對(duì)風(fēng)電開(kāi)發(fā)活動(dòng)的抗干擾能力也不同，如陡坡附近臨時(shí)占地會(huì)比平緩地帶面積大，易發(fā)生滑坡;地表覆蓋率較低的地方易發(fā)生水土流失。選取坡度和植被覆蓋率以及生態(tài)敏感區(qū)3個(gè)指標(biāo)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行修正:非敏感(1.0)、低敏感(1.1)、中敏感(1.3，生態(tài)損失較明顯，易發(fā)生水土流失、滑坡等)、高敏感(1.5，涉及保護(hù)物種或保護(hù)區(qū)的區(qū)域)，具體修正見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)研究范圍，采用500 m×500 m單元網(wǎng)格將研究區(qū)劃分為119個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，依據(jù)公式1，在對(duì)風(fēng)電開(kāi)發(fā)前后各風(fēng)險(xiǎn)單元的景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)值(公式(2)計(jì)算求得)和隔離效應(yīng)值(公式(5)計(jì)算求得)疊加的基礎(chǔ)上，求得風(fēng)電開(kāi)發(fā)后，各風(fēng)險(xiǎn)單元生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)變化值，利用Arcgis9.3的空間分析和地統(tǒng)計(jì)功能對(duì)該值進(jìn)行網(wǎng)格采樣、Kriging空間插值和球狀模型擬合空間化表征，得到風(fēng)電開(kāi)發(fā)后研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)變化(見(jiàn)圖2)。對(duì)DEM提取的坡度并分級(jí)，經(jīng)與植被蓋度圖疊加得到研究區(qū)生態(tài)敏感系數(shù)(見(jiàn)圖3)。利用ArcGis9.3平臺(tái)對(duì)相對(duì)變化值和生態(tài)敏感系數(shù)進(jìn)行柵格修正計(jì)算，得到風(fēng)電開(kāi)發(fā)后區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)變化強(qiáng)度圖，區(qū)域整體變化強(qiáng)度在1.15－6.87倍之間，其中，90%的區(qū)域低于2.6倍，結(jié)合修正前生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)變化及修正因子系數(shù)，將研究區(qū)分為低風(fēng)險(xiǎn)(＜1.25倍)、較低風(fēng)險(xiǎn)(1.25－1.75倍)、中風(fēng)險(xiǎn)(1.75－2.5倍)、較高風(fēng)險(xiǎn)(2.5－3.5倍)、高風(fēng)險(xiǎn)(3.5－5.0倍)及極高風(fēng)險(xiǎn)(＞5.0倍)6個(gè)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)如圖4所示。

表1 生態(tài)敏感系數(shù)Tab.1 Ecological sensitive coefficient

圖2 研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)變化Fig.2 Ecological risk relative change of the study area

圖3 研究區(qū)生態(tài)敏感系數(shù)Fig.3 Ecological sensitive coefficient of the study area

1)風(fēng)電開(kāi)發(fā)后，研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化強(qiáng)度均大于1，73.44%區(qū)域以中級(jí)以下風(fēng)險(xiǎn)為主，不足5%的區(qū)域?yàn)楦唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。風(fēng)險(xiǎn)由西至東，由北向南呈上升趨勢(shì)，其中，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積最大(48.54%)，分布在風(fēng)電場(chǎng)沿線，較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)次之(37.28%)，沿中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)外圍分布，與低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)同處于區(qū)域邊緣地帶;高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在W1機(jī)位東北部和W14-W22段南部。整體而言，風(fēng)電開(kāi)發(fā)活動(dòng)增加山地區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但高風(fēng)險(xiǎn)影響有限。

圖4 研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)Fig.4 Ecological risk partition of the study area

2)對(duì)比兩個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，可以發(fā)現(xiàn):該高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)臨近交通區(qū)或旅游區(qū)，風(fēng)電開(kāi)發(fā)對(duì)項(xiàng)目區(qū)臨近的人類(lèi)活動(dòng)易達(dá)區(qū)影響較大，增加該類(lèi)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響的累積效應(yīng)，深化選址應(yīng)予以重視;該高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以區(qū)域優(yōu)勢(shì)度較低，破碎化、分離化嚴(yán)重的景觀類(lèi)型為主，風(fēng)電開(kāi)發(fā)可從技術(shù)、防護(hù)措施等方面入手，減少占?jí)悍秶?，降低破壞?qiáng)度。

3)風(fēng)電場(chǎng)沿山脊布設(shè)，改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組分，對(duì)山脊區(qū)域產(chǎn)生無(wú)法忽略的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)與山脊(風(fēng)電場(chǎng)道路)方向一致，且以其為中心線向兩側(cè)山坡或較遠(yuǎn)處擴(kuò)散，呈現(xiàn)明顯的山脊導(dǎo)向特征;而山脊又是天然的地理分界線，項(xiàng)目施工應(yīng)對(duì)山脊系統(tǒng)加倍予以保護(hù)。

4)生態(tài)敏感修正后，原本平滑的區(qū)域邊緣不同程度地出現(xiàn)割裂、中高風(fēng)險(xiǎn)跳級(jí)現(xiàn)象，但整體分布趨勢(shì)基本未變。隔離和中高跳級(jí)主要是坡度因子產(chǎn)生的幾何形狀尖銳的斑塊引起的，而這些地方是較易發(fā)生滑坡、塌方、泥石流的地方，尤其是離風(fēng)電場(chǎng)較近的地方。一方面說(shuō)明利用景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)和隔離效應(yīng)已經(jīng)能較全面地反映區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也說(shuō)明山地地形、海拔、地表覆蓋等環(huán)境因子是風(fēng)電開(kāi)發(fā)的隱性風(fēng)險(xiǎn)孕育環(huán)境。山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)活動(dòng)需充分重視山地微觀敏感環(huán)境因子的生態(tài)影響，在山地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘踏，了解風(fēng)電場(chǎng)周邊環(huán)境，初步判斷風(fēng)電開(kāi)發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)十分必要。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮不同類(lèi)型景觀對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用及其抗干擾能力，風(fēng)電開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)區(qū)域景觀的隔離效應(yīng)，山地區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)、地形環(huán)境以及區(qū)域景觀組分等眾多因素，結(jié)合山區(qū)風(fēng)電開(kāi)發(fā)活動(dòng)特征，提出景觀風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)、隔離效應(yīng)和生態(tài)敏感因子3個(gè)指數(shù)，構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型。在3S技術(shù)支撐下，以秦嶺某擬建風(fēng)電場(chǎng)為例，分析該項(xiàng)目的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明:風(fēng)電開(kāi)發(fā)后區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)升高，風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)出現(xiàn)明顯的山脊導(dǎo)向特征;高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響范圍雖然有限，但臨近人類(lèi)活動(dòng)易達(dá)區(qū)域影響較大。

山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)多沿山脊單行排列，一定程度可抽象為線形工程，因此，所構(gòu)建的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型同樣適用于公路、隧道、管線等山地線性工程的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。基于生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)理論和樣方調(diào)查資料定義景觀脆弱度指數(shù)，有別于常見(jiàn)的打分排序法，在一定程度上避免了人為主觀定性產(chǎn)生的脆弱性偏差，能較客觀地反映區(qū)域景觀脆弱度。但是，仍存在樣方中代表性物種特征考慮不足等問(wèn)題，這可在未來(lái)研究中進(jìn)一步修正。

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