水电能源开发对雅鲁藏布江流域景观格局的影响

刘云龙，何 理，聂倩文，殷 闯

(1.华北电力大学，北京 102206；2.中国科学院地理资源与科学研究所，北京 100101)

0 引 言

青藏高原平均海拔在4 000 m以上，是亚洲众多河流的发源地，水能资源丰富，被称为亚洲水塔。其水能资源分布主要集中在东部和南部，全区水能资源理论蕴藏量达2.01亿kW。其中，雅鲁藏布江流域水能资源蕴藏量为1.13亿kW，占全区水能资源蕴藏量一半以上[1]。2000年以来，为了缓解区域发展的用电紧张，青藏高原地区陆续修建了10余座水电站；同时，青藏高原也是全球气候变化敏感区[2]，近年来在全球气候变化和人类活动的双重因素影响下，该地区出现了植被覆盖度降低[3]、土地荒漠化增加[4]、冻土退化、水域面积减少等一系列生态环境问题。水电能源的开发伴随着大坝的修建，大坝建成后将天然河流人为的分为上游和下游两部分，通过上游水库的蓄水调节作用影响下游地区来水量；同时，由于大坝的拦截作用，一些营养元素会被截留在上游区域。这些影响使得上下游区域的生态环境开始出现不同程度的差异[5]。这种差异性会随着时间的累积而不断变大，对当地生态环境的影响不断累积[6]；因此，研究清楚水电能源开发给区域带来的各种影响十分重要[7]。

Maavara等[8]通过构建全球NEWS模型并与实测数据结合，发现大坝的修建对河流营养物质输送有明显的截留效应。Noh等[9]通过构建大坝全生命周期温室气体释放模型认为，水电站整个运行40年内中会有大量的二氧化碳释放量，使得区域升温效应明显。Yi等[10]使用NDVI作为指标分析了澜沧江下游区域四座水电站对河岸植被生长的影响，发现坝高是影响河岸植被生长的主要因素。并且所有的这些影响直接表现在流域景观格局的变化当中。王维琛等[11]采用CLUE-S模型研究了向家坝水电站建站前后土地利用变化情况，发现电站建成后水域面积有明显增大，裸地得到利用，建筑区有所扩张。刘琦等[12]基于GIS技术，利用窗口移动法对漫湾水电站建设前后景观格局改变进行了梯度分析，发现大坝建成后对上游景观格局的影响大于下游区域。深入研究大坝建成前后区域的景观格局变化情况，尤其是在青藏高原生态脆弱地区，对区域的生态环境保护，水土保持情况有重要意义。

表1 研究区内已建成大型水电站基本信息

雅鲁藏布江流域的水能资源蕴藏量占整个青藏高原水能蕴藏量一半以上，流域内已建成了多座大型水电站，包括目前整个西藏地区投产的最大的水电站-藏木水电站，雅江干流上规划了五级梯级电站。同时，雅鲁藏布江流域涵盖了拉萨、林芝、日喀则、山南等重要县市区，是西藏地区经济发展迅速的重要区域，经济不断发展对电力能源需求持续增大，水电开发在这个区域方兴未艾，该研究为流域未来水电开发过程中对区域景观格局的影响提供了有益的借鉴。

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区概况

雅鲁藏布江发源于西藏西南部喜马拉雅山北麓的杰马央宗冰川，由西向东横贯西藏南部，在南迦巴瓦峰附近转向南流，经巴措卡出中国境。雅鲁藏布江全长2 900 km，流域面积为240 480 km2，干流出国境处年均流量为4 425 m3/s。雅鲁藏布江中国境内年降水量为949 mm，上游地区河水补给以融雪为主，中下游地区是印度洋暖湿气流的输送通道，每年7月～9月份进入雨季，降水量大，河水以降水补给为主。流域内河网纵横，河岸土壤以高山土类为主，涵盖了流域面积的70.58%。

1.2 数据来源及处理

本研究所用雅鲁藏布江流域1980年～2015年土地利用数据及1∶25万的DEM数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。流域划分数据集使用SRTM DEM数据，数据提取以海拔高程>2 500 m为边界，土地利用分类参照国际IGBP的LUCC分类系统。根据土地利用/覆盖实际情况，将土地利用类型分为耕地、草地、林地、水体、城镇和荒漠用地6类。雅鲁藏布江流域的水电站多修建于2000年以后，因此使用1980年、1990年、2000年、2015年4个典型时期的数据进行研究。其中，1980年～1990年青藏高原地区受人类活动影响较小，为自然条件下景观格局变化情况的参考。水电站研究宽度为河两岸10 km范围内。

1.3 景观格局研究方法

土地利用景观格局分析通过构建景观格局指数来实现，空间结构分析是景观生态评价基础。空间结构是不同层次水平或者相同层次水平景观生态系统在空间上的依次更替和组合，直观地显现景观生态系统纵向横向的镶嵌组合规律。应用景观生态学的基本观点和原理，从景观空间结构和景观异质性等方面，对研究区域范围从斑块、景观两个尺度选取7项指标，利用Arcgis地图代数与统计功能及SPSS、Fragstats4.2进行分析，景观指数的计算方法如表2所示。

利用转化矩阵研究土地利用类型变化方向，全面具体地研究区域景观格局变化的结构特征。该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，为国内外常用[13]。其数学公式为

(1)

表2 景观指数计算方法

2 结果与分析

雅鲁藏布江流域各土地利用类型景观指数详见表3。

表3 1980年～2015年雅鲁藏布江流域各土地利用类型景观指数

分析表3可知，雅鲁藏布江流域内土地利用类型变化趋势基本一致。其中，耕地面积在2000年之前基本保持不变；2000年之后由于水利工程建设逐步开始，水位的变化、人口的迁移以及耕地供水条件的改变，导致流域内耕地被挤占、分割，耕地景观斑块数增加；同时，耕地景观面积呈下降趋势。

林地斑块数量及面积在2000年之前呈逐步下降态势，在2000年以后趋于稳定略有回升，主要是由于雅鲁藏布江河谷地区植树造林、封山育林等生态保护政策的实施；此外，草地斑块数量及面积在水电站修建前后基本保持不变，说明水利工程在建设的时候，植被也得到了很好的保护。水域景观的面积及比例在1990年大幅增加，气候变化导致区域温度上升可能是导致这一变化的原因；冰川退缩，径流量变大，水域面积增加。随着水电站蓄水发电，水域面积逐渐趋于稳定，伴随着水利工程的建设，水电站的上、下游地区出现人工库塘。这在一定程度上改善了流域内的小气候。苔原荒漠占比在水电站建设过程中变化并不十分明显，高原水电站建设阶段对高原荒漠的影响很小。

城镇建设用地在2000年之前斑块数多但面积较小，最大斑块指数也很小。这说明2000年之前城镇建设用地多为散落分布的小区域；水电站建设开始以后，2000年～2015年这15年间城镇建设用地的各项指标均有显著提升；水电站建设有效地带动了当地交通运输业、餐饮业及旅游业的发展，使当地劳动力聚集，满足当地各行各业用电需求；水能资源不断的开发与利用推动了周边区域的城镇化发展。

耕地、林地、草地、苔原荒漠等景观相对于2000年数值比值基本无变化，变化率在4%以内；从而反映出这些景观类型受水电站建设、运行活动干扰程度较轻。由于气候的变化、径流的增加，水域斑块在形状及面积上均呈不规则的增加趋势。水域周长面积分维数变化明显，呈先升高后降低的态势并趋于稳定的态势。这是由于水库蓄水，水域斑块形状趋于相似。水电站的建设带动了当地各个产业的发展，建设用地类型趋于多样化；因此，2000年以后景观散布与并列指数有明显上升态势(见表4)。

表4 景观散布与并列指数|J| %

表6 雅鲁藏布江流域1980年～2015年土地利用转移概率矩阵

分析表4可知，城镇、耕地、草地与林地的散布与并列指数多年变化值在5%以内且均低于60%，各个类型斑块仅与少数其他种类相邻。在2000年前水域斑块的|J|值较小，说明其分布集中且与其他斑块类型少有相邻，2000年水域|J|值明显增加，说明气候的改变以及水电站的建设的使得出现与其余景观相邻较多的散布水域。此外2000年以后各种土地利用类型的|J|值均有所上升，各种景观相接景观种类增加。从总的改变量来看，水电站建设期间及建成蓄水后，形成明显的集水区域，不同景观各项指标变化浮动在正负百分之五之内，整体影响不大。水域景观由于气候的影响以及水库蓄水等变化，在水电站建设开始后斑块结合度发生较大的变化，增加了斑块间的连接。其余景观各项指标的变化幅度在正负3%以内，可以看出水电站建设对各种土地利用类型连接程度没有大的影响。

景观多样性指数反映景观类型的丰富度和均匀度。由表3可知，多样性指数和均匀度指数都呈现出下降趋势；但下降趋势较缓。这反映出水电站修建对当地景观的丰富度和均匀度有一定的影响，但影响程度轻微。

表5 景观香农多样性指数统计

转移矩阵结果显示，所有土地类型的被替代的概率均小于10%，水电站的开发并未对区域土地类型的变化产生大的影响。其中，林地被水域、耕地、荒漠替代的概率在0.8%左右，水域基本没有被其他土地利用类型替代的趋势，城镇建设用地略微有向耕地、苔原转化的趋势，概率在0.6%左右。筑坝活动并未大范围影响雅鲁藏布江流域的土地利用类型的转化趋势，人类活动对该区域的影响在1980年～2015年这35年间仍然十分有限。

图1显示，水电站建成后，大坝上游蓄水使得研究区内水域面积大幅度增加。藏木水电站上游区域水域面积增加了96%。城镇建设用地在2000年以大幅度增加；雅鲁藏布江流域水电能源的开发主要集中在2000年以后，雅鲁藏布江干流上规划了5个梯级水电站。规划在林芝设立5级电站调度中心，合理地开发、利用水能资源为当地经济建设提供了优质的能源支持。

3 讨论与结论

总体上看，雅鲁藏布江流域水电站的开发未对流域景观格局产生的大的影响，水电站建设、运行、蓄水、发电等活动对青藏高原生态环境的影响有限。水电站建成后，水域面积增加明显，城镇面积增大明显，且城镇散布与并列指数|J|有不同程度的增加，城镇发展向外扩张趋势明；水能资源的开发满足了当地经济发展的电力需求，给区域城镇发展奠定了良好的能源基础；水电开发带来的劳动力聚集效应也加速了城镇发展趋势；耕地面积有一定程度的下降，可能的原因是水电站建设淹没了部分河谷地区原有耕地，同时人口迁移也使得部分田地弃耕。从景观格局上来看，水电能源开发对雅鲁藏布江流

图1 1980年～2015年水电站研究区土地利用变化情况(ai为水域变化情况；bi为城镇建设用地变化情况；以1980年为基准年)

域的景观格局影响是积极正面的，对当地的经济发展有很大的促进作用，未对流域内草地、林地等植被生长区域造成大的影响。未来的研究拟通过构建模型，了解这种影响的内在机制，为该区域未来水能资源开发提供有益的参考。