西南地区典型流域水电开发对下垫面时空变化的影响

许雪婷，杨博文，曹嘉琪，郝芳华

(北京师范大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100875)



西南地区典型流域水电开发对下垫面时空变化的影响

许雪婷，杨博文，曹嘉琪，郝芳华

(北京师范大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100875)

红河流域位于云南省中部，该地区生态系统复杂多样，且水能丰富，水电工程开发在一定程度上改变了研究区下垫面状况。通过研究红河流域2000—2010年水电开发对下垫面，包括土地利用、植被覆盖和土壤侵蚀的影响状况，进而分析水电工程开发对下垫面影响的利弊。研究可知：水电工程的开发加速了研究区土地利用转型，有利于水资源在时间空间上的合理分配，提高植被覆盖度；同时，水电工程的建设扩大了坝区绿化面积，促进了坝周防护林的建设，减少了土壤侵蚀程度。

水电开发；下垫面；红河流域

水能资源作为可再生能源，是用于发电的优质能源。水力发电是利用江河巨大的水流量和地理落差形成水的势能进行发电，属于清洁能源，但水电工程开发对生态系统具有积累效应，会改变流域原始地貌[1-2]。其中，对流域下垫面的影响是其生态效应最显著的表现之一，主要包括对土地利用、植被、地貌和土壤的影响[3]。我国对水能的开发利用较早，但大规模水电工程开发较迟，水电工程的评价从单一的经济评价到生态效应评价[4]，其产生的正负影响也越来越受到关注[5]。目前水电工程影响评价的研究正处于高速发展阶段，且研究主要集中在生态环境[6-8]，而对下垫面的影响缺乏科学研究。流域下垫面的变化不但直接关系到人类的生活，还对水文和水质有着极为重要的影响[9-11]。因此，评估水电工程对下垫面的影响并建立科学的研究体系极为重要。

西南地区地形复杂，区域纬度跨度较大，因此气候的垂直和纬向分布显著，降雨充沛但分布不均，且区域内植被分布也复杂多样。本次研究选取的典型小流域——云南省红河流域，在地形、气候及植被上具有西南地区的典型特征[12-13]。同时，红河流域是我国西南地区的代表性流域，水能丰富，水电工程发展迅速，并积极参与到云南省“西电东送”、“云电外送”工程中，未来计划共建成水电站11座。因此，研究选取红河流域，从土地利用、流域植被覆盖与恢复、土壤侵蚀等多角度综合分析水电工程开发对流域下垫面时空变化的影响，实现流域土地规划、开发和利用合理化，优化区域生态环境，确保流域生态安全，也为未来所有水电站建成对流域下垫面产生影响的评估做出铺垫。

1 研究区概况

红河流域位于云南省中部，北纬22°27′—25°32′与东经100°06′—105°40′之间，面积76 276 km2，如图1所示。该地区地势西北高、东南低，沿岸地貌复杂多样，主要受亚热带高原山地季风气候影响。流域年均气温在15～22.6 ℃，无霜期超过330天，且受到海拔高程和纬度的影响，气温从南到北呈递增趋势。降雨量年际变化平稳，年均降雨量在700～3000 mm，其中大部分地区介于1000～1600 mm，5—10月为雨季，该时段的降雨量占到年降水总量的85%。其在流域内的分布呈现从上游向下游递增，从河谷向山地递增的趋势。李仙江是红河西岸的最大支流，国境内干流河长488 km，流域面积3.3万多km2。红河多年平均河川径流量484亿m3，水资源丰富，水力资源理论蕴藏量989万kW，可能开发量360万kW。流域发育着较完整的热带山地植被类型垂直系列，迄今初步整理出的种子植物有229科1530属5667种，是云南及中国植物种类最为丰富的地区之一。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

《云南省红河(元江)干流梯级综合规划报告》提出的12梯级开发规划中，目前已完成第9和第10级梯度水电站修建。其中，第9级水电站为南沙水电站，2005年规划动工，2008年最早投入使用；第10级水电站为马堵山水电站，于2011年8月并网发电。本次研究分析红河流域水电站建设对下垫面的影响，以南沙水电站为研究对象，分析水电站建设前、建设中和建成后下垫面变化状况。

2 研究方法

红河流域水电工程的兴建会改变流域原生态系统的结构，阻断物质、能量与信息循环，在一定程度上会对生态系统造成影响，即为水电工程的生态效应。本研究结合流域社会、经济和环境综合发展的需要，初步建立符合该流域发展需要的绿色指标，包括土地利用变化、植被覆盖变化和土壤侵蚀3个方面。

2.1 土地利用变化指标

红河是我国西南岭谷区重要的国际河流，分析该流域土地利用变化对于分析其上下游水文情势变化，整治水土流失、生物多样性消失等跨境环境问题显得尤为重要。综合考虑数据质量，即云量与噪声情况以及数据获取状况，对研究区2000年、2005年、2010年的遥感影像进行解译，得到不同时期研究范围的土地利用数据。

本研究首先采用ENVI对遥感影像进行预处理，主要是大气辐射纠正和几何纠正，然后根据TM影像5/4/3波段合成的影像对各地类进行目视解译，并根据全国土地利用分类体系，将研究区土地利用类型划分为耕地、园地、林地、草地、工业用地、建筑用地、水域和未利用地八大类。最后将目视解译完的影像，采用网格五分法进行精度评价，精度≥80%则满足研究要求；若精度不满足要求，即<80%，则参照Google Earth对解译数据进行修改，直至满足研究所需的精度要求。

2.2 植被覆盖变化指标

植被是生态环境的重要组成之一，植被覆盖度是评价生态环境的重要指标。红河流域水电开发将改变水资源的时空分布，进而对流域生态环境产生积累效应。本研究结合植被覆盖度与归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)两个参数，分析研究区内的植被演变规律。植被覆盖度主要是利用遥感数据进行定量估算，其等级划分参照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—96)，具体分级情况如表1所示。

表1 植被覆盖度分级

注：Ⅰ表示低植被覆盖度，Ⅱ表示较低植被覆盖度，Ⅲ表示中植被覆盖度，Ⅳ表示较高植被覆盖度，Ⅴ表示高植被覆盖度。

归一化植被指数是植被生长状态及植被空间分布密度的最佳指示因子，其利用遥感影像中近红外(NIR)和红外(R)波段反射率的比值得到，计算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

NDVI的取值范围介于[-1，1]，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示为岩石或裸土等，NIR和R近似相等；正值则表示有植被覆盖，且数值随覆盖度的增大而增大。本研究的NDVI数据来源美国航空航天局中分辨率成像光谱仪(MODIS/Terra)中的NDVI产品，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m，采集时间段为2000年、2005年和2010年。

2.3 土壤侵蚀指标

土壤侵蚀变化涉及的影响因子众多，且其分布具有明显的时空特征，本研究区土地利用类型、植被覆盖度及地面坡度是影响该地区土壤侵蚀的重要因素。目前较为先进的手段是采用3S(Remote Sensing，Geographic Information System，Global Positioning System)技术，即运用全球定位系统(GPS)对区域进行定位，利用卫星遥感技术(RS)获取植被覆盖度和土地利用信息，再利用地理信息系统(GIS)从地形图上获取坡度信息，最后基于以上三个因子叠加分析计算形成土壤侵蚀分布图。依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—96)，土壤受侵蚀程度可以分为6个等级：微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈，具体分级标准如表2所示。

表2 土壤侵蚀强度分级标准

3 结果分析

3.1 土地利用时空改变

通过解译2000年、2005年和2010年的卫星影像，可得到红河流域土地利用类型的分布图和10年来的土地利用类型的变化状况，如图2、图3所示。

从图2可以看出，林地是该流域主要的土地利用类型，占流域总面积的近70%，其余依次为草地、耕地、园地、建筑用地、水域、未利用地和建筑用地；除了林地，其余土地利用类型集中分布在流域河流周围。

从图3可以看出，2000—2010年，林地、草地、建筑用地、工业用地和未利用地呈现小幅度增加。林地面积在此期间增加了0.028%，草地从2000年的15.725%增加到2010年的15.748%，建筑用地比例在十年间增加了0.068%，2010年达到0.619%，工业用地与未利用地分别增加了0.005%和0.002%，整体上保持不变。耕地面积呈下降趋势，从2000年的12.04%变为2010年的11.91%，减少了0.13%。此外，园地面积在2000年至2005年间略有减少，随后5年有所增加，整体保持不变；与之相反，水域面积先增加后减少，总体面积不变。为了剔除研究过程中的干扰因素——城市发展所带来的土地利用类型的改变，本次研究选择草地、林地为主的非城市发展地区为研究区，其中建筑用地的改变主要用于表征水电站的建设所产生的土地利用类型的变化。

3.2 流域植被覆盖演变

根据2000年、2005年和2010年的NDVI数据可绘制出红河流域NDVI序列曲线，如图4所示。

由图4可知，研究区2000年、2005年和2010年的地表植被变异不明显，但总体呈现上升趋势，2000年、2005年和2010年的平均NDVI值分别为0.518、0.524和0.534。由图4可以发现，1—5月的NDVI指数保持在0.45～0.55波动，6月存在明显的下降过程，之后呈现波动上升的趋势，8—10月为全年NDVI指数较高的状态，进入11月植被指数急剧下降。基于此，本研究分别选取该流域2000年2月、2005年6月、2005年11月和2010年10月的植被覆盖度进行研究，结果如表3所示。

图2 2000年、2005年、2010年土地利用类型分布Fig.2 Distributions of landuse types in 2000, 2005 and 2010

图3 2000年、2005年、2010年土地利用类型柱状图Fig.3 Histogram of landuse types in 2000, 2005 and 2010

图4 红河流域2000年、2005年和2010年的归一化植被指数Fig.4 Normalized vegetation index of Red River Basin in 2000, 2005 and 2010

表3 红河流域不同时间的植被覆盖度表

由表4可进一步说明红河流域植被覆盖存在明显的季节波动。流域2005年6月份植被覆盖率较低，其中低与较低植被覆盖度面积为24 960.88 km2，占到流域总面积的74.90%。2005年11月与2009年10月的植被覆盖较高，其较高植被覆盖度分别占到42.07%和31.84%，高植被覆盖度在两个时期分别占到49.50%和47.05%，较高和高植被覆盖度比例之和分别占到整个流域的91.57%和78.89%。2000年2月高植被覆盖度所占比例为5.22%，低植被覆盖度、中植被覆盖度及较高植被覆盖度所占的比例均在27%左右，所占面积分别为8720.49 km2、8859.64 km2、9548.71 km2。高植被覆盖度区域由2000年的1740.17 km2提高到2010年的15 676.80 km2，其比例提高到了全流域的41.83%；低植被覆盖度的面积由2000年的8720.49 km2减少到2010年的519.63 km2，其比例减少了24.61%；中高植被覆盖度的面积由2000年的9548.71 km2提高到2010年的10 609.60 km2，其比例增加了3.18%。

3.3 土壤侵蚀时空分布

在ArcGIS操作平台下，基于多个数据集，根据土壤侵蚀分级标准生成土壤侵蚀的时空分布图和土壤侵蚀强度分级面积统计表，分别如图5和表4所示。

由图5可知，红河流域强度、极强度、剧烈土壤侵蚀主要集中分布在红河两岸，该区域沟壑密布，地形破碎化较重，容易造成土壤侵蚀；中度侵蚀区域多为农业用地，主要集中在流域中部和西部地区，以细沟侵蚀为主，耕地的垦耕系数较高，土层较薄，且多为坡地；轻度侵蚀区域主要分布在林地为主的中低山脉；坡度小于5°的区域属于微度侵蚀区域，土壤侵蚀轻微，多为农业用地，耕作较为精细。

图5 土壤侵蚀的时空分布Fig.5 Temporal and spatial distribution of soil erosion

强度类型2000年2005年2010年面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%微度1755.695.271755.695.271755.695.27轻度7476.9322.4313730.8041.1912736.2138.21中度12094.0436.2811385.3134.1512814.8038.44强度7719.4423.161777.925.332238.726.72极强度3740.4411.22476.841.43607.251.82剧烈894.742.68100.510.30103.230.31

2000年红河流域土壤侵蚀强度主要为轻度、中度和强度，其侵蚀比例分别占到总流域的22.43%、36.28%和23.16%，流域总面积的73.34%侵蚀强度在轻度以上，因此2000年红河流域的土壤侵蚀较为严重。与2000年相比，2005年轻度侵蚀面积增加6253.87 km2，中度及以上强度的土壤侵蚀面积都有一定量的减少，其中强度、极强度和剧烈土壤侵蚀面积减少比例较大。总体来看，2005年红河流域的土壤侵蚀情况有所好转，侵蚀强度较高的区域面积减少尤为明显。2010年红河流域土壤侵蚀程度主要为轻度和中度，其侵蚀面积分别为127 362.21 km2和12 814.80 km2，分别占红河流域的38.21%和38.44%，与2005年相比，侵蚀程度为中度、强度、极强度和剧烈的区域面积分别增加了4.29%、1.39%、0.39%和0.01%。土壤侵蚀程度的变化受到气候、植被、土地利用类型等多种因素的影响，2010年研究区农业用地面积增加，林地面积存在一定幅度的减少，尤其是较高覆盖度植被，加之该年遭遇特大干旱，影响植被生长，改变土壤结构，干旱后的短期集中降雨也会加剧土壤侵蚀，因此2010年土壤侵蚀程度有所加剧。

4 讨论与结论

红河流域水能资源丰富，大规模水电开发会改变该区域水资源的时空分布，进而引起流域植被发生变化。一方面，水电工程可以有效地分配流域水资源，使其在时间和空间上合理分布；另一方面，水电工程的建设可将更多的水资源保存在峡谷型的库容内，为农业、林业的发展及林地、草地的恢复提供更多的水源，同时促进该区域合理的开发利用与农业改造，促进区域生态环境的恢复，提高流域植被覆盖。

此外，水电工程施工期各施工区的开挖扰动及弃渣堆放易造成水土流失，但在采取防护措施后，水土流失治理率可达到95%以上，使得实际水土流失量仅占流域总量的0.1%～2%。施工结束后，施工临时用地会得到恢复，渣场得到防护并绿化，水土流失量较建设前会有所减少。水库运行期间，水域面积的扩大及因水库形成产生的湿地面积增加、坝区绿化、库周防护林建设均有助于减弱库周及河谷两岸的土壤侵蚀强度。因此，水域面积的改变及局地小气候的改善，使得靠近库岸边的植被数量显著增加，进而对区域水土流失起到一定的减缓作用。

总而言之，水电工程的开发有利于促进区域土地利用结构转变，提升局部区域植被覆盖度，进而使流域土壤侵蚀程度降低。因此，水电工程建设对流域生态环境存在有利影响与不利影响，但从下垫面方面来看，其在一定程度上改善了生态环境。

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Impacts of Hydropower Development on Spatiotemporal Variation of Underlying Surface in Typical Basin of Southwestern Region

XU Xue-ting, YANG Bo-wen, CAO Jia-qi, HAO Fang-hua

(School of Environment, State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

The Red River Basin is located in the middle of Yunnan Province, where the ecosystem is diverse and the water power resources are rich. The development of hydropower projects has changed the situation of the underlying surface to some extend. Thus, this paper summarizes the impact of hydropower development on the underlying surface in the Red River Basin from 2000 to 2010, which including the land use, vegetation cover, and soil erosion. In this way, it seeks to analyze the advantages and disadvantages of hydropower development on the underlying surface. The research concludes that the development of hydropower projects has accelerated the transformation of land use in the Red River Basin. Meanwhile, it is favorable to the reasonable allocation of water resources in both time and space, and increases the vegetation coverage as well. Moreover, the construction of hydropower projects expands the green area in the dam region, promotes the construction of dam shelter forest, and reduces the degree of soil erosion.

hydropower development; underlying surface; Red River Basin

2017-03-01

国家自然科学基金(91647105)

许雪婷(1991—)，女，上海人，硕士，主要研究方向为流域农业面源污染，E-mail：xtlx9112@163.com

郝芳华(1963—)，女，江苏人，教授，博士生导师，博士，主要研究方向为流域非点源污染，E-mail：fanghua@bnu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2017.04.012

X820.3

A

2095-6444(2017)04-0050-07