辽宁蒲石河抽水蓄能电站对景观格局影响的生态风险评价

黄 勇，李子漪，武鹏峰，郑 国，陈 忱

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100101；2.沈阳师范大学化学与生命科学学院，辽宁 沈阳 110034)

辽宁蒲石河抽水蓄能电站对景观格局影响的生态风险评价

黄 勇1，李子漪1，武鹏峰2，郑 国2，陈 忱1

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100101；2.沈阳师范大学化学与生命科学学院，辽宁 沈阳 110034)

以辽宁蒲石河流域新建成的蒲石河抽水蓄能电站及其下游区域为研究地点，基于2003年和2013年两期ETM遥感数据，采用RS和GIS技术分析了10年间本区域土地的利用变化，并结合景观生态研究方法，计算了斑块数、斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、多样性指数、均匀度指数、优势度指数等景观指数，对该区域景观格局状态进行了评价，旨在明确抽水蓄能电站工程建设对区域生态环境的影响程度.结果表明：森林景观在工程建设前后均为整个区域的主体景观，面积所占比例分别达到84.80%和80.65%；水域景观和农田建设景观均有所增加，尤其是水域景观，增加幅度为5.89%，而且多以不规则斑块的形式增加；整个研究区域景观多样性和均匀度增大.抽水蓄能电站建成后，该区域主体仍然是自然林，工程建设对区域土地利用格局的影响较小，而且建设用地呈现上升趋势.在未来的管理中要协调各种景观间的关系，并继续推进天然林保护、封山育林等工程，保证区域生态功能的有效发挥.

遥感；土地利用；景观格局；景观指数

土地利用/覆被变化(land use/cover change，LUCC)是土地科学研究的热点问题之一[1-2].土地利用和土地覆被动态被认为是研究环境变化的关键[3].土地利用资源的数量、空间格局的变化及土地利用类型组合方式的改变都会引起自然环境和生态过程的改变，从而形成土地利用的生态环境效应.[4-5]通过景观效应分析，能够对土地利用和土地规划提供理论依据.景观格局是指景观的空间结构特征，即景观组成单元的多样性和空间配置.景观格局及其变化是自然、社会和生物要素相互作用的结果[6-8]，特别是人类活动对自然景观的改造作用.人为干扰影响着景观格局变化的速率和方向，这在景观格局变化过程中的作用越来越大，同时景观格局的变化也对人类活动产生了重大影响.[9-10]于兴修等以浙江省西苕溪流域为例，分析了流域在不同年份间的土地利用变化所引起的景观结构和景观异质性的变化以及该过程所产生的生境质量下降、边缘效应增强和土地退化等景观生态效应.[11]

蒲石河抽水蓄能电站是经国家批准立项的东北地区第一座大型抽水蓄能电站，它由东北电网负责建设和管理.蒲石河抽水蓄能电站工程于2006年8月开工，2012年12月完工.工程总投资40多亿元，总装机容量120万kW，装机4台，单机容量为30万kW，年发电量18.6亿kW·h.年平均抽水电量为24.09亿kW·h，年抽水小时数为2 008 h，综合效益为77.2%.但是，关于电站建设对当地景观格局的影响，以及由此引起的生态效应，至今鲜有报道.

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

蒲石河抽水蓄能电站(40°25′N，124°40′E)位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县长甸镇境内(见图1)，距丹东市约60 km，分上游、下游两个库区，上游库区位于长甸镇东洋河村境内，下游库区位于长甸镇小孤山子村境内.上、下水库间的直线平面距离约为2.5 km，上、下水库坝址处库底高差约280 m.

宽甸县位于辽宁省东部、鸭绿江中下游右岸，东南与朝鲜隔江相望，东北与吉林省集安接壤，西接凤城，北邻桓仁，西北与本溪毗邻，西南与丹东相连.地势自北向南逐渐降低，季风气候明显，四季分明，冬暖夏凉.年平均气温6.5℃，积温3 000℃，无霜期140 d.雨量充沛，降雨受地形抬升影响，常以暴雨形式出现，每年暴雨天数最高可达12 d，降雨量年内分配主要集中在7—8月.

图1 蒲石河抽水蓄能电站地理位置

1.2 数据预处理

为说明工程建设对调查区域景观空间格局的影响，利用了工程建设前后两个时段的两幅ETM数据(空间分辨率28.5 m)作为数据源.两幅影像的获取时间分别为2003年6月10日和2013年5月15日，影像集中于5月和6月，避免了由于农作物的生长而产生的季节性差异.考虑到ETM数据在2003年后出现条带状缺失的问题，利用空间差值的方法对影像中条带进行消除处理.然后，对处理后影像进行地理坐标匹配和几何精校正(以1∶100 000地形图作为基准)，获得同一坐标系下两幅匹配完好的影像数据.

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型划分

经实地考察发现，研究区域内建设用地多于农田用地，且建设用地在农田用地间零星分布，难以对建设用地与农田用地做出精确、有效的区分，因此，结合国标《土地利用现状分类》的分类体系，参考调查区域土地利用特征以及Landsat-7ETM影像数据特点，确定划分4种土地利用类型：森林、灌草区、水域、农田及建设用地.

1.3.2 影像分类和指数计算

基于野外考察实际，在ENVI软件中利用最大似然分类法对两幅影像数据进行监督分类，以获取蒲石河抽水蓄能电站在两个时段(2003年和2013年)的景观格局处理结果.经过精度检验，两幅影像分类精度分别为82.4%和85.6%，满足遥感解译精度要求，然后在ARCGIS软件中作图.景观格局指数能高度浓缩景观格局信息，是反映其结构组成和空间配置方面特征的简单定量指标[12-14]，因此以获取的景观分类结果为基础，利用FRAGSTATS软件计算景观指数.在景观类型水平上，计算斑块数(NP)、斑块密度(DP)、最大斑块指数(ILP)、景观形状指数(ILS)；在景观水平上，计算景观优势度(ILD)、多样性指数(ISHD)、均匀度指数(ISHE).ILD，ISHD，ISHE三个指数用来讨论景观多样性，而NP，PD，ILP，ILS等用来描述景观的破碎程度和复杂程度.各指数计算公式见表1.

表1 各景观指数公式计算表

2 结果分析

2.1 2003—2013年土地利用类型变化

蒲石河抽水蓄能电站在工程建设前后土地利用发生明显变化(见图2及表2).其中，水域的变化最为明显，在上库和下库两个位置，都有一定程度的增加，而且下库水域景观增加量大于上库.森林和灌草两种景观趋于减少，从整体来看，两种景观向水域景观转换；在上库坝址和下库坝址等一些局部区域，也存在两类景观的相互转换，但其转换面积较少.农田和建设用地所占比例较少，零散分布于几类景观之中.

图2 蒲石河抽水蓄能电站在工程建设前后土地利用变化

表2 蒲石河抽水蓄能电站在工程建设前后各景观类型面积

蒲石河抽水蓄能电站在工程建设前后的10年(2003—2013年)中，水域面积增加了520 hm2，对该区域环境、水生生物、鸟类和两栖动物等都会产生重要影响；森林景观是整个区域的主体景观，在2003年和2013年所占比例分别达到了84.80%和80.65%，尽管有所减少，但仍然占据较大比重；灌草区被水域所占据，面积减少了182 hm2，所占比例减少了2.07%；农田和建设用地仅增加29 hm2，虽然数量较少，但已经呈现出扩张的趋势.

2.2 2003—2013年4类景观结构对比

2.2.1 森林景观、水域景观、灌草景观、农田与建设景观结构变化

在景观类型水平，4类景观在破碎化程度和复杂性上呈现了不同的格局(见表3).

森林景观破碎程度最低，在2003年和2013年斑块数分别为119和117，连通性较高；森林景观最大斑块指数远大于其他几类景观也反映了高连通性这一特征；景观形状指数最小，而且变化量仅为0.355，表明森林景观复杂性较低，景观结构简单.

水域景观破碎程度较高，斑块数从125增加到756，斑块密度从0.776增加到4.696，变化幅度大于其他3类景观；最大斑块指数表现增大趋势，表明随着工程的修建，原来较小水域斑块聚集成为较大的斑块；景观形状指数增加量最大，达到9.630，水域景观在工程建成后，景观结构趋于复杂.

灌草区域被水域景观占据，从破碎程度看，破碎程度有一定下降，但其破碎程度依然很高，斑块数从581降到485；最大斑块指数降低幅度超过50%；景观形状指数较大，景观结构复杂.

农田和建设用地增加，散布于其他几类景观之间，斑块面积较小，但斑块数较多；在景观结构上，与水域景观变化类似，景观结构趋于复杂，而且不规则.

表3 景观类型水平景观指数对比

2.2.2 整体景观结构变化

从整体景观水平来看，破碎化程度有一定上升，斑块数和斑块密度都有增加趋势，主要与水域景观和农田建设景观的不规则增加有关；最大斑块指数下降，但其数值依然较高，可能与森林在两个时期都作为主体景观有关；景观多样性增加，均匀度增加，优势度下降，整个区域景观类型呈现多元化(见表4).

表4 景观水平景观格局指数对比

NP为斑块数；DP为斑块密度；ILP为最大斑块指数；ILS为景观形状指数；ISHD为Shannon多样性指数；ISHE为Shannon均匀度指数；ILD为景观优势度指数.

3 讨论与结论

土地利用景观格局是自然与人为因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反应[15].水电工程的开发建设是对河流生态系统的一种大规模扰动，是改变河流自然特性的最主要因素.[16]蒙吉军等利用综合指标法对三峡库区景观生态进行了综合评价，结果表明三峡库区景观生态质量表现出中等质量占主体的特点，而且景观质量存在水平区域差异和垂直差异；[17]邹秀萍等研究了1985—2000年怒江流域土地利用/覆被变化及其景观格局变化，显示怒江流域景观总体上异质性在减小，斑块类型出现均匀分布的趋势，景观稳定性在降低；[18]夏兵等利用马尔可夫模型深入分析了北京怀柔水库流域近15年的景观动态转化特征，指出流域景观组分相对稳定，且灌木林面积下降趋势明显.[19]

将遥感技术应用于土地利用和土地覆盖已成为专家关注的热点，这是进行生态环境变化和土地资源调查研究的一种重要方法.[20-22]利用遥感手段进行生态监测正逐步成为近几年来生态监测研究的重点，是宏观监测技术发展的趋势.[23]王根绪等在黑河流域选择两个典型区域进行了土地利用变化的空间差异与影响的对比研究；[24]谢国清和鲁韦坤利用TM数据分析了云南松华坝水库流域景观格局及其动态变化；[25]张宏锋等利用MSS数据、TM数据、ETM数据研究了新疆玛纳斯河流域景观格局变化及其生态效应.需要指出，遥感影像质量和分类方法的选择是应用遥感技术的两个关键环节.[26]

生态完整性是支持和保持一个平衡的、综合的、适宜的生物系统的能力[27].在非污染生态影响评价中，生态完整性的判定是整个评价工作的基础[28]，也是深入进行各子项目评价的前提.运用景观生态学及遥感相结合的方法，能够有效地对区域生态完整性进行评价.尹晓煜以山西省石膏山水库为研究区域，采用遥感手段获得植被信息，分析了水库工程建设前后景观结构、景观异质性的变化，指出工程所在区域景观的生态完整性未因工程建设受到较大影响，石膏山水库工程对生态环境影响是自然体系可以承受的[29].这一评价方法已经在众多水库建设项目中得到了应用，如浙江省周公宅水库[30]、黑龙江省桃山水库[31]、辽宁省锦凌水库[32]，并取得了较好的效果.

总体而言，经过对蒲石河抽水蓄能电站在工程建设前后土地利用和景观格局的分析，发现电站工程结束后森林景观面积轻微减少，但依然是整个区域的主体景观，说明该区域的环境质量主要受天然林生态系统调节.同时，多年的封山育林政策保证了该区域森林总量的稳定，未来进一步增加其景观连通性是该区域森林保护工作的发展目标.抽水蓄能电站建成后，水域景观和农田建设景观以不规则斑块的形式有所增加，灌草景观面积有所减少，在未来的管理中要协调各种景观间的关系，并继续推进天然林保护、封山育林等工程，维护生态完整性，保证区域生态功能的有效发挥.

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(责任编辑：方 林)

Ecological risk assessment of effect on landscape pattern of Pushihe pumped-storage power station in Liaoning

HUANG Yong1，LI Zi-yi1，WU Peng-feng2，ZHENG Guo2，CHEN Chen1

(1.Assessment Center of Environmental Engineering，Department of Environmental Protection，Beijing 100101，China；2.College of Chemistry and Life Sciences，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China)

The change of land-use pattern of watershed could alter nature environments and ecological courses，and then lead to some effects of environment. The study was carried out in the part of Pushihe watershed，accurately where Pushihe pumped-storage power station was built and the downstream region. Based on two ETM data，classified using maximum likelihood classification and mapped the results in ARCGIS. Combined with methods of landscape ecology，calculated seven landscape metrics，such as number of patches，density of patches，largest patch indices，landscape shape indices，Shannon diversity indices，Shannon evenness indices，and landscape dominance indices and assessed the landscape pattern of the region，aiming at knowing the degrees of impacts to local ecological environment caused by pumped-storage power station. The results shows forests are still the dominat landscape of the area before and after the engineering construction，the percentage amounting for 84.80% and 80.65% respectively. Water area and farming-constructing landscapes are slightly increasing，especially the ratio of water area increasing by 5.89%，more in irregular patch style. The diversity and evenness of the wold landscape are enhancing. In a word，the dominance of the area is nature forest，and the influence of the station project is relatively weak to local landscape pattern. However，the percent of constrction area is appearing an increasing trend so that should coordinate the development of landscape in the future management. Have to continue to promote such projects as nature forest protection and closing hillsides for forest conservation in order to guarantee that the ecological functions take effect efficiently.

remote sensing；land use；landscape pattern；landscape metrics

1000-1832(2015)04-0137-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.029

2014-07-09

国家环保部公益性行业重大专项基金资助项目(201209029).

黄勇(1980—)，男，博士研究生，高级工程师，主要从事水电开发生态环境效应评价研究；通讯作者：陈忱(1964—)，男，高级工程师，主要从事生态环境影响评价研究.

X 820.3 [学科代码] 610·3040

A