基于图像集成的西南地区大坝与区域生物多样性宏观关联分析

李 翀，王 昊，彭 静

（1.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038；2.北京大学 生命科学学院，北京 100872；3.中国水利水电科学研究院 国际合作处，北京 100038）

1 研究背景

中国是水利水电大国，截止2007年底，全国已建成各类水库86353座［1］，其中15m以上高坝为26581座，2007年在建60m以上大坝为70座［2］。作为发展中国家，中国目前经济发展对水资源和能源的需求仍呈现不断增长的趋势。中国现阶段的水力资源开发程度仅为21%［3］，低于发达国家70%的平均河流开发程度，因此在未来相当长的时间内，水电开发仍将作为国家能源发展的基本战略，保持稳步的发展。

不容忽视的是，河流水电开发的生态与环境影响问题正成为制约水电事业发展的控制性因素［4］。中国西南地区具有丰富的水能资源，西南水电开发在我国西电东送的能源优化配置战略中具有重要的作用。同时，中国西南山地也是世界上生物多样性最丰富的地区之一，是世界自然保护组织保护国际（Conservation International，CI）划定的全球34个生物多样性热点地区之一，也是由世界自然基金会（WWF）认可的全球重要200生态区中长江上游生态区的一部分［5-7］。据不完全统计［5，8-11］，该区域生存有12000种高等植物和1141种脊椎动物，其中3500种植物和178种脊椎动物是本地特有种，是国际公认的地方特有种密集分布的中心区域，具有不可替代的生物多样性价值。其范围西起西藏东南部，穿过川西地区，向南延伸至云南西北部，向北延伸至青海和甘肃的南部。在占国土面积的10%的范围内分布有中国总数的30%的高等植物物种和中国大约50%的鸟类和哺乳动物，包括大熊猫、小熊猫、金丝猴、雪豹、羚牛和白马鸡等珍稀和特有物种。水电开发与建设，作为该区域生物多样性的胁迫性因素之一，受到国内外广泛的关注。

自1992年，包括中国在内的153个国家在《生物多样性公约》上签字后，保护生物多样性成为了我国对国际社会的承诺。生物多样性指标成为大尺度区域生态环境良好的指示指标之一，用来定量反映生态系统内的物种组成和变异程度，和对生态系统的演替等级和趋势进行数值分析，并为生态环境保护确定目标。国际上对于水电工程对流域生态与环境的影响研究，一方面注重开展微观尺度的水域生态环境影响的相关理论和技术研究，另一方面研究的空间尺度也逐步从河流、河流廊道发展到流域尺度。但是，由于水电工程生态环境影响的流域性、综合性和长期性，迄今为止对水电工程建设对生态环境真实影响的科学认知还不够深入，尤其大尺度的区域性研究不足，缺乏水电工程与区域生物多样性定量关系的认识。对于水电工程对区域生物多样性的影响方面，由于基础资料的可获性差，区域生物学的成果不能与水利科学的成果有机融合，在同一空间信息平台上整合集成，提供相关研究者深入研究，形成学科交叉研究的基础。

为此，本文基于水电开发与区域生态环境协调的需求，融合交叉水利界与生物界已有的数据资料与科研认识，将西南地区坝高超过30m的大坝位置、回水范围与生物多样性关键区域地图，在电子地图上进行空间匹配与集成，形成大坝与生物多样性因子位置关联图，为宏观分析该区域水电工程与生物多样性因子之间的关系提供基础支撑。

2 材料与方法

2.1 数据 （1）中国大坝数据。本文共获取中国大陆地区4000多个的大坝（坝高＞30m）的信息数据，其中位于西南地区的有200余座。大坝数据源于国际大坝中国委员会、水利科学数据共享中心。大坝主要为已建成电站，但也包含一部分规划中的待建电站。此外，还从保护国际中国项目（CI）及山水中心获取了中国西南地区部分坝高小于30m的水库数据。

（2）西南地区生物多样性关键区域电子地图。划分生物多样性关键区域（Key Biodiversity Area，KBA），是保护国际在全球尺度上开展的一项保护行动，它使用定量的标准划分出具有关键保护意义的区域，为制订全球和区域的保护策略提供决策基础［12］。划出的KBA具有以下3个特征：1）该区域在全球生物多样性保护上具有重要意义，区域内有生存受到威胁的物种，或有特别保护意义的地方特有种，在保护价值上高于周围区域；2）该区域为实际保护区或潜在保护区，其本身是一个可以被保护和管理的单元；3）该区域本身（或同其他区域一起）可以为其中的目标保护物种提供足够的生存所需资源。

北京大学按照保护国际划分KBA的标准［12］，基于从文献研究和实地野外调查的数据制作的314种珍稀濒危脊椎动物和213种珍稀濒危高等植物的分布图以及西南山地的自然保护区分布图，并结合该地区的专家知识，制作了西南山地生物多样性关键区域图（图1）。在中国西南地区定义了141个生物多样性关键区域（KBA）和58个候选生物多样性关键区域（CKBA），共计199个关键区域。在这些区域中，176个区域是由全球濒危兽类定义的，138个区域是由全球濒危、分布受限制或者集群迁徙的鸟类定义的，8个区域是由全球濒危爬行类定义的，171个区域是由全球濒危两栖类定义的，以及54个区域是由全球濒危植物定义的。这些区域显示出了基于目前的知识所能够知道的有重要生物多样性保护价值的区域，是实际存在的生物多样性关键区域的现时子集。

（3）DEM数据及河网信息。本文采用USGS精度为90m的DEM数据，利用开发的软件［13］，提取了西南地区的河网，并划分子流域。该河网与1：25万数字河网进行了校验，吻合良好。

2.2 方法 本文主要采取空间叠加技术，将大坝及其回水区信息定位到西南地区生物多样性关键区域图上，以生成大坝与生物多样性因子位置关联图。

由于获取的大坝信息不全，尤其是缺乏大坝的准确空间定位信息。如何校验所获取大坝空间定位数据，以使大坝能准确定位到河流上；或利用DEM、遥感数据等空间技术的运用，补充部分缺乏定位数据的大坝的空间定位，是大坝与KBA区域图集成的一项基础性工作，也是图像集成的一个关键点。为此，本文确定大坝定位的3方面要求：1）大坝必须要落在河道上；2）能反映河道的纵坡降；3）大坝上游要有一段平缓的回水区（即大坝上游一定区域内高程变化不明显）。据此，采用Google Earth目测移动法、河网坡降最陡法及综合法等3种方法，对西南地区的大坝进行了空间定位。其中Google Earth目测移动法是利用Google Earth作为后台，在其图像中搜索出大坝的位置，然后记录下大坝的坐标信息，再结合DEM图像进行对比，定位出大坝的准确位置。河网坡降最陡法是依据DEM提取河网的河道沿程坡降，根据坡降突变点（最陡坡降）确定大坝的位置［14］。综合法则是综合前两种方法的优点，以坡降突变点确定大坝的可能位置，而后用Google Earth目测定位大坝的位置。

3 结果分析

3.1 西南地区大坝及其再定位 通过前述3种方法，对长江上游（宜昌以上）、澜沧江及怒江的293个电站进行了重新定位（图2）。对于293个电站，基于DEM提取了大坝上游河道坡降平缓长度，并结合大坝属性信息，在GIS图上确定出大坝的回水长度及可能的回水水面范围。各个河流上分布的电站如表1所示。

表1 长江上游（宜昌以上）、澜沧江及怒江大坝分布 （单位：个）

3.2 大坝与西南地区生物多样性关键区域图集成 将西南地区生物多样性关键区域与前述再定位的大坝进行空间集成，可得到如图3所示的整合图，其中落在西南KBA区域内有105座电站。从图上可以发现如下特点：1）大坝集中区与表征生物多样性的KBA区域不重叠；2）大坝的回水水面范围与KBA区域交集小，可能在于KBA区域多数处于水源区域且以陆地区域为主，与河流关系不密切；3）少部分水坝落在KBA区域内，例如岷江流域，有十余座坝落在KBA区域内，多为坝高不超过30m的中小水电站。尽管KBA区域内包含的大坝数量少，但表明水电开发同KBA区域的保护的冲突是存在的。

尽管从大坝与KBA空间分布的特性看，大坝与KBA的关联性不大。但是，是否就可以说，大坝的开发对区域生物多样性影响不大，目前并不能得出肯定的结论。这是因为：①大坝的建设，体现为人类对河流的一种开发活动，其回水范围、回水长度，对于以陆面生物为主的KBA影响有限。但是，对河流生态会有一定影响。目前所划定的KBA区域是以陆生动植物为基础形成，由于水生生物，鱼类等数据的空缺，基于水体的KBA区域整体空缺，在未来增加了基于水生生物多样性划分的KBA区域后，大坝对西南山地生物多样性的影响将可以被更客观的评价；②现存生物多样性还比较丰富的区域多处于人类活动难以到达的区域，如高山区的水源地，从经济、环境角度不适宜进行大型水电的开发。西南地区已有大型水电开发，多集中在相对容易开发的区域，与KBA区域交叉不多。而中小型水电开发，则可能对KBA有较多的影响。要更全面的评价水电开发对生物多样性的影响，还需要增加中小型电站和KBA关系的研究；③随着水电开发的继续，KBA区域内可能会出现新的大坝建设，大坝的影响需要更加谨慎的评价。

4 结论

西南地区作为国家的水电开发基地，也是全球34个生物多样性保护的热点地区之一。在同一空间信息平台上整合集成大坝与区域生物多样性关键区域图，是从大尺度宏观研究西南地区水电开发与区域生物多样性的关系的基础性交叉工作。本文基于USGS 90m精度的DEM数据和西南地区大坝数据库，在生成的数字河网上再定位大坝，并与西南地区生物多样性关键区域(KBA)电子地图图像集成。通过大坝与KBA的空间位置关系分析，发现大坝集中区与表征生物多样性的KBA区域不重叠，大坝的回水水面范围与KBA区域交集较小，但水电开发，尤其是中小水电，同KBA区域的保护的冲突还是存在的；西南地区大坝对于以陆面生物为主划分的KBA影响有限。在KBA中引入于水生生物多样性后，大坝对西南山地生物多样性的影响将可以被客观的评价。本文研究工作将为河流开发与区域生态环境保护提供宏观的决策技术参考支持。

［1］国家水电可持续发展中心.生态调度调研报告［R］.北京：国家水电可持续发展中心，2009.

［2］国家水电可持续发展中心.国外及主要国家水电发展历程及对我国水电发展启示［R］.北京：国家水电可持续发展中心，2009.

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［13］李翀，杨大文.基于栅格DEM的河网提取及实现［J］.中国水利水电科学研究院学报，2004（3）：208-214.

［14］李翀，王昊，彭静.基于DEM的大坝位置定位方法探讨［J］.中国环境资源与水利水电工程，2007：306-309.