水電能源開(kāi)發(fā)對(duì)雅魯藏布江流域景觀格局的影響

劉云龍，何 理，聶倩文，殷 闖

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.中國(guó)科學(xué)院地理資源與科學(xué)研究所，北京 100101)

0 引 言

青藏高原平均海拔在4 000 m以上，是亞洲眾多河流的發(fā)源地，水能資源豐富，被稱為亞洲水塔。其水能資源分布主要集中在東部和南部，全區(qū)水能資源理論蘊(yùn)藏量達(dá)2.01億kW。其中，雅魯藏布江流域水能資源蘊(yùn)藏量為1.13億kW，占全區(qū)水能資源蘊(yùn)藏量一半以上[1]。2000年以來(lái)，為了緩解區(qū)域發(fā)展的用電緊張，青藏高原地區(qū)陸續(xù)修建了10余座水電站；同時(shí)，青藏高原也是全球氣候變化敏感區(qū)[2]，近年來(lái)在全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重因素影響下，該地區(qū)出現(xiàn)了植被覆蓋度降低[3]、土地荒漠化增加[4]、凍土退化、水域面積減少等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。水電能源的開(kāi)發(fā)伴隨著大壩的修建，大壩建成后將天然河流人為的分為上游和下游兩部分，通過(guò)上游水庫(kù)的蓄水調(diào)節(jié)作用影響下游地區(qū)來(lái)水量；同時(shí)，由于大壩的攔截作用，一些營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)被截留在上游區(qū)域。這些影響使得上下游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的差異[5]。這種差異性會(huì)隨著時(shí)間的累積而不斷變大，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響不斷累積[6]；因此，研究清楚水電能源開(kāi)發(fā)給區(qū)域帶來(lái)的各種影響十分重要[7]。

Maavara等[8]通過(guò)構(gòu)建全球NEWS模型并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，發(fā)現(xiàn)大壩的修建對(duì)河流營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送有明顯的截留效應(yīng)。Noh等[9]通過(guò)構(gòu)建大壩全生命周期溫室氣體釋放模型認(rèn)為，水電站整個(gè)運(yùn)行40年內(nèi)中會(huì)有大量的二氧化碳釋放量，使得區(qū)域升溫效應(yīng)明顯。Yi等[10]使用NDVI作為指標(biāo)分析了瀾滄江下游區(qū)域四座水電站對(duì)河岸植被生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)壩高是影響河岸植被生長(zhǎng)的主要因素。并且所有的這些影響直接表現(xiàn)在流域景觀格局的變化當(dāng)中。王維琛等[11]采用CLUE-S模型研究了向家壩水電站建站前后土地利用變化情況，發(fā)現(xiàn)電站建成后水域面積有明顯增大，裸地得到利用，建筑區(qū)有所擴(kuò)張。劉琦等[12]基于GIS技術(shù)，利用窗口移動(dòng)法對(duì)漫灣水電站建設(shè)前后景觀格局改變進(jìn)行了梯度分析，發(fā)現(xiàn)大壩建成后對(duì)上游景觀格局的影響大于下游區(qū)域。深入研究大壩建成前后區(qū)域的景觀格局變化情況，尤其是在青藏高原生態(tài)脆弱地區(qū)，對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，水土保持情況有重要意義。

表1 研究區(qū)內(nèi)已建成大型水電站基本信息

雅魯藏布江流域的水能資源蘊(yùn)藏量占整個(gè)青藏高原水能蘊(yùn)藏量一半以上，流域內(nèi)已建成了多座大型水電站，包括目前整個(gè)西藏地區(qū)投產(chǎn)的最大的水電站-藏木水電站，雅江干流上規(guī)劃了五級(jí)梯級(jí)電站。同時(shí)，雅魯藏布江流域涵蓋了拉薩、林芝、日喀則、山南等重要縣市區(qū)，是西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的重要區(qū)域，經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展對(duì)電力能源需求持續(xù)增大，水電開(kāi)發(fā)在這個(gè)區(qū)域方興未艾，該研究為流域未來(lái)水電開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)區(qū)域景觀格局的影響提供了有益的借鑒。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雅魯藏布江發(fā)源于西藏西南部喜馬拉雅山北麓的杰馬央宗冰川，由西向東橫貫西藏南部，在南迦巴瓦峰附近轉(zhuǎn)向南流，經(jīng)巴措卡出中國(guó)境。雅魯藏布江全長(zhǎng)2 900 km，流域面積為240 480 km2，干流出國(guó)境處年均流量為4 425 m3/s。雅魯藏布江中國(guó)境內(nèi)年降水量為949 mm，上游地區(qū)河水補(bǔ)給以融雪為主，中下游地區(qū)是印度洋暖濕氣流的輸送通道，每年7月～9月份進(jìn)入雨季，降水量大，河水以降水補(bǔ)給為主。流域內(nèi)河網(wǎng)縱橫，河岸土壤以高山土類為主，涵蓋了流域面積的70.58%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究所用雅魯藏布江流域1980年～2015年土地利用數(shù)據(jù)及1∶25萬(wàn)的DEM數(shù)據(jù)集來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。流域劃分?jǐn)?shù)據(jù)集使用SRTM DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提取以海拔高程>2 500 m為邊界，土地利用分類參照國(guó)際IGBP的LUCC分類系統(tǒng)。根據(jù)土地利用/覆蓋實(shí)際情況，將土地利用類型分為耕地、草地、林地、水體、城鎮(zhèn)和荒漠用地6類。雅魯藏布江流域的水電站多修建于2000年以后，因此使用1980年、1990年、2000年、2015年4個(gè)典型時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。其中，1980年～1990年青藏高原地區(qū)受人類活動(dòng)影響較小，為自然條件下景觀格局變化情況的參考。水電站研究寬度為河兩岸10 km范圍內(nèi)。

1.3 景觀格局研究方法

土地利用景觀格局分析通過(guò)構(gòu)建景觀格局指數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，空間結(jié)構(gòu)分析是景觀生態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)?？臻g結(jié)構(gòu)是不同層次水平或者相同層次水平景觀生態(tài)系統(tǒng)在空間上的依次更替和組合，直觀地顯現(xiàn)景觀生態(tài)系統(tǒng)縱向橫向的鑲嵌組合規(guī)律。應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)的基本觀點(diǎn)和原理，從景觀空間結(jié)構(gòu)和景觀異質(zhì)性等方面，對(duì)研究區(qū)域范圍從斑塊、景觀兩個(gè)尺度選取7項(xiàng)指標(biāo)，利用Arcgis地圖代數(shù)與統(tǒng)計(jì)功能及SPSS、Fragstats4.2進(jìn)行分析，景觀指數(shù)的計(jì)算方法如表2所示。

利用轉(zhuǎn)化矩陣研究土地利用類型變化方向，全面具體地研究區(qū)域景觀格局變化的結(jié)構(gòu)特征。該方法來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，為國(guó)內(nèi)外常用[13]。其數(shù)學(xué)公式為

(1)

表2 景觀指數(shù)計(jì)算方法

2 結(jié)果與分析

雅魯藏布江流域各土地利用類型景觀指數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 1980年～2015年雅魯藏布江流域各土地利用類型景觀指數(shù)

分析表3可知，雅魯藏布江流域內(nèi)土地利用類型變化趨勢(shì)基本一致。其中，耕地面積在2000年之前基本保持不變；2000年之后由于水利工程建設(shè)逐步開(kāi)始，水位的變化、人口的遷移以及耕地供水條件的改變，導(dǎo)致流域內(nèi)耕地被擠占、分割，耕地景觀斑塊數(shù)增加；同時(shí)，耕地景觀面積呈下降趨勢(shì)。

林地斑塊數(shù)量及面積在2000年之前呈逐步下降態(tài)勢(shì)，在2000年以后趨于穩(wěn)定略有回升，主要是由于雅魯藏布江河谷地區(qū)植樹(shù)造林、封山育林等生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施；此外，草地斑塊數(shù)量及面積在水電站修建前后基本保持不變，說(shuō)明水利工程在建設(shè)的時(shí)候，植被也得到了很好的保護(hù)。水域景觀的面積及比例在1990年大幅增加，氣候變化導(dǎo)致區(qū)域溫度上升可能是導(dǎo)致這一變化的原因；冰川退縮，徑流量變大，水域面積增加。隨著水電站蓄水發(fā)電，水域面積逐漸趨于穩(wěn)定，伴隨著水利工程的建設(shè)，水電站的上、下游地區(qū)出現(xiàn)人工庫(kù)塘。這在一定程度上改善了流域內(nèi)的小氣候。苔原荒漠占比在水電站建設(shè)過(guò)程中變化并不十分明顯，高原水電站建設(shè)階段對(duì)高原荒漠的影響很小。

城鎮(zhèn)建設(shè)用地在2000年之前斑塊數(shù)多但面積較小，最大斑塊指數(shù)也很小。這說(shuō)明2000年之前城鎮(zhèn)建設(shè)用地多為散落分布的小區(qū)域；水電站建設(shè)開(kāi)始以后，2000年～2015年這15年間城鎮(zhèn)建設(shè)用地的各項(xiàng)指標(biāo)均有顯著提升；水電站建設(shè)有效地帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸業(yè)、餐飲業(yè)及旅游業(yè)的發(fā)展，使當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力聚集，滿足當(dāng)?shù)馗餍懈鳂I(yè)用電需求；水能資源不斷的開(kāi)發(fā)與利用推動(dòng)了周邊區(qū)域的城鎮(zhèn)化發(fā)展。

耕地、林地、草地、苔原荒漠等景觀相對(duì)于2000年數(shù)值比值基本無(wú)變化，變化率在4%以內(nèi)；從而反映出這些景觀類型受水電站建設(shè)、運(yùn)行活動(dòng)干擾程度較輕。由于氣候的變化、徑流的增加，水域斑塊在形狀及面積上均呈不規(guī)則的增加趨勢(shì)。水域周長(zhǎng)面積分維數(shù)變化明顯，呈先升高后降低的態(tài)勢(shì)并趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。這是由于水庫(kù)蓄水，水域斑塊形狀趨于相似。水電站的建設(shè)帶動(dòng)了當(dāng)?shù)馗鱾€(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建設(shè)用地類型趨于多樣化；因此，2000年以后景觀散布與并列指數(shù)有明顯上升態(tài)勢(shì)(見(jiàn)表4)。

表4 景觀散布與并列指數(shù)|J| %

表6 雅魯藏布江流域1980年～2015年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣

分析表4可知，城鎮(zhèn)、耕地、草地與林地的散布與并列指數(shù)多年變化值在5%以內(nèi)且均低于60%，各個(gè)類型斑塊僅與少數(shù)其他種類相鄰。在2000年前水域斑塊的|J|值較小，說(shuō)明其分布集中且與其他斑塊類型少有相鄰，2000年水域|J|值明顯增加，說(shuō)明氣候的改變以及水電站的建設(shè)的使得出現(xiàn)與其余景觀相鄰較多的散布水域。此外2000年以后各種土地利用類型的|J|值均有所上升，各種景觀相接景觀種類增加。從總的改變量來(lái)看，水電站建設(shè)期間及建成蓄水后，形成明顯的集水區(qū)域，不同景觀各項(xiàng)指標(biāo)變化浮動(dòng)在正負(fù)百分之五之內(nèi)，整體影響不大。水域景觀由于氣候的影響以及水庫(kù)蓄水等變化，在水電站建設(shè)開(kāi)始后斑塊結(jié)合度發(fā)生較大的變化，增加了斑塊間的連接。其余景觀各項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度在正負(fù)3%以內(nèi)，可以看出水電站建設(shè)對(duì)各種土地利用類型連接程度沒(méi)有大的影響。

景觀多樣性指數(shù)反映景觀類型的豐富度和均勻度。由表3可知，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)；但下降趨勢(shì)較緩。這反映出水電站修建對(duì)當(dāng)?shù)鼐坝^的豐富度和均勻度有一定的影響，但影響程度輕微。

表5 景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)

轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果顯示，所有土地類型的被替代的概率均小于10%，水電站的開(kāi)發(fā)并未對(duì)區(qū)域土地類型的變化產(chǎn)生大的影響。其中，林地被水域、耕地、荒漠替代的概率在0.8%左右，水域基本沒(méi)有被其他土地利用類型替代的趨勢(shì)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地略微有向耕地、苔原轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，概率在0.6%左右。筑壩活動(dòng)并未大范圍影響雅魯藏布江流域的土地利用類型的轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域的影響在1980年～2015年這35年間仍然十分有限。

圖1顯示，水電站建成后，大壩上游蓄水使得研究區(qū)內(nèi)水域面積大幅度增加。藏木水電站上游區(qū)域水域面積增加了96%。城鎮(zhèn)建設(shè)用地在2000年以大幅度增加；雅魯藏布江流域水電能源的開(kāi)發(fā)主要集中在2000年以后，雅魯藏布江干流上規(guī)劃了5個(gè)梯級(jí)水電站。規(guī)劃在林芝設(shè)立5級(jí)電站調(diào)度中心，合理地開(kāi)發(fā)、利用水能資源為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)提供了優(yōu)質(zhì)的能源支持。

3 討論與結(jié)論

總體上看，雅魯藏布江流域水電站的開(kāi)發(fā)未對(duì)流域景觀格局產(chǎn)生的大的影響，水電站建設(shè)、運(yùn)行、蓄水、發(fā)電等活動(dòng)對(duì)青藏高原生態(tài)環(huán)境的影響有限。水電站建成后，水域面積增加明顯，城鎮(zhèn)面積增大明顯，且城鎮(zhèn)散布與并列指數(shù)|J|有不同程度的增加，城鎮(zhèn)發(fā)展向外擴(kuò)張趨勢(shì)明；水能資源的開(kāi)發(fā)滿足了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的電力需求，給區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展奠定了良好的能源基礎(chǔ)；水電開(kāi)發(fā)帶來(lái)的勞動(dòng)力聚集效應(yīng)也加速了城鎮(zhèn)發(fā)展趨勢(shì)；耕地面積有一定程度的下降，可能的原因是水電站建設(shè)淹沒(méi)了部分河谷地區(qū)原有耕地，同時(shí)人口遷移也使得部分田地棄耕。從景觀格局上來(lái)看，水電能源開(kāi)發(fā)對(duì)雅魯藏布江流

圖1 1980年～2015年水電站研究區(qū)土地利用變化情況(ai為水域變化情況；bi為城鎮(zhèn)建設(shè)用地變化情況；以1980年為基準(zhǔn)年)

域的景觀格局影響是積極正面的，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，未對(duì)流域內(nèi)草地、林地等植被生長(zhǎng)區(qū)域造成大的影響。未來(lái)的研究擬通過(guò)構(gòu)建模型，了解這種影響的內(nèi)在機(jī)制，為該區(qū)域未來(lái)水能資源開(kāi)發(fā)提供有益的參考。