基于遥感技术的水电梯级开发及对生态系统影响遥感监测

李　静　王昌佐　万华伟

(环境保护部卫星环境应用中心，北京　100094)

基于遥感技术的水电梯级开发及对生态系统影响遥感监测

李静王昌佐万华伟

(环境保护部卫星环境应用中心，北京100094)

【摘要】本文对遥感技术在梯级开发水电站识别和对生态系统的影响中的应用技术进行研究，结果表明：(1)根据水电站类型和规模特征，选择合适分辨率的遥感影像，可以对河流梯级开发水电站进行遥感识别，进而开展河流梯级开发水电站对区域生态系统影响动态监测；(2)梯级开发水电站建设对生态系统的影响可从大坝枢纽区和整个库区两个方面开展分析，大坝枢纽建设区对生态系统的影响主要表现在植被破坏、区域土壤侵蚀风险增加；对整个库区生态系统的影响则主要表现在淹没大量农田、林草、滩地、城镇和农村居民点，移民数量大，水域大幅增加但河流形态发生很大变化，建筑及道路增长迅速。

【关键词】水电梯级开发；生态影响；遥感技术

1引言

水电开发是解决我国能源需求，承担国际责任，实施可持续发展的必然选择[1]。流域梯级开发是指在同一条河流或河段上布置一系列阶梯式水利枢纽的开发方式，因其可最大限度的利用河流水能，成为当前水电开发的趋势[2，3]。但水电梯级开发在取得大量经济效益和社会效益的同时，也会改变流域天然的水文过程，对流域生态系统和环境产生影响，部分河段的水电开发与生态保护的矛盾很突出[4，5]。

科学、合理的利用水电这一可再生能源，需要及时掌握河流水电梯级开发状况和其造成的生态环境影响。水能资源较为丰富的区域多以高山峡谷为主，全面客观地调查流域的水电开发及其环境影响，开展水电开发生态环境监管，全靠传统的地面调查不仅费时、费力，而且风险大，难以实现。卫星遥感具有宏观性好、客观性强、周期性观测和不受地表自然条件限制等优势，是获取水电开发、地表生态环境及其动态变化的重要手段。

随着卫星资源增多和技术发展，遥感技术在我国生态环境质量评价、生态环境监管等方面都发挥了巨大的作用[6-8]，大大提高了对地表资源环境研究和监测的效率和质量，使生态环境监测、制图等方面发生了巨大的变化。但利用遥感技术，开展水电站遥感识别的研究和应用的研究还相对较少，本研究是在流域水电站开发遥感识别及其生态环境影响监测方面的有益尝试，可为国家水电开发监督管理提供参考和技术支撑。

2梯级开发水电站遥感识别

2.1遥感数据源及预处理

根据水电站类型和规模的不同，需要选择不同的遥感数据源。其中坝式水电站因其规模一般较大、特征明显，对遥感影像空间分辨率要求相对较低，中分辨率遥感影像(30米左右)即可基本满足要求；而引水式水电站因其规模相对较小，且解译标志多为线性地物，对遥感数据要求高，一般需要高空间分辨率卫星数据(米级和亚米级)的支持。总体来说，水电站规模越大、水库大坝规模越大，对遥感数据空间分辨率要求越低。目前梯级开发水电站遥感识别常用的数据源见表1。

表1　梯级开发水电站遥感识别常用数据源

所有图像数据以1∶50000地形图为基准进行几何精纠正，纠正精度控制在一个像元以内，并实现不同时相遥感数据的精确配准。对高分辨率数据，还要将全色波段和多光谱波段进行融合，获得识别能力强的多光谱高分辨率影像。

2.2梯级开发水电站遥感解译

梯级开发水电站遥感解译是指根据流域水电站自身的组成、特征，并综合分析其所在河流上下游及岸上一定区域特点，将水电站准确解译出来。对河流上较大规模的水电站来说，可分为已建水电站遥感解译和在建水电站遥感解译。

(1)已建水电站遥感解译

河流上已建梯级开发水电站具有明显的水电开发特征，对坝式水电站而言，表现为具有大坝、库区、厂房和排水等设施；对引水式水电站而言，表现为具有明显的引水管、排水设施、厂房等设施。遥感解译标志见图1。

(2)在建水电站遥感解译

河流上在建梯级开发水电站在遥感影像上表现为河道被阻断，周边具有较强的开发特征，有道路、料场、渣场等辅助解译标志，见图2。

图1　已建梯级开发水电站遥感解译图

图2　在建梯级开发水电站遥感解译图

(3)全河流梯级开发水电站解译

通过对河流上已建水电站和在建水电站的遥感解译，可以得到全河流梯级水电开发情况。如利用环境卫星2011年5月5日影像，解译得到2011年大渡河流域已建成和在建水电站10座，其中已建成水电站5座，分别为龙头石水电站、瀑布沟水电站、龚嘴水电站、沙湾水电站和铜街子水电站；在建水电站5座，分别为长河坝水电站、黄金坪水电站、泸定水电站、大岗山水电站和深溪沟水电站。这10座水电站中，有8座为2003年到2011年的新增电站。解译结果见图3。

图3　2011年大渡河干流已建和在建水电站分布图

3梯级水电开发对生态系统影响分析

3.1梯级水电开发密度分析

对一条河流来说，水电站开发方式、开发数量、开发规模以及空间分布等特征，是水电开发对区域水资源利用、水文情势及其它生态环境影响的重要决定因素。在梯级水电站遥感解译的基础上，水电开发密度用河流上水电站平均间隔长度来表示，可反映河流水电开发的强度，是开展河流梯级水电开发对生态系统影响的基础。

以大渡河干流为例，从上游首座水电站到下游的末座水电站，共约380公里的河道上，分布着已建和在建水电站10座，平均41公里就有一座，其中，有4组水电站之间的距离小于20公里，铜街子水电站和沙湾水电站间隔最小，为13公里。

3.2梯级开发水电站对生态系统影响

大型梯级开发水电站对区域生态系统的影响主要体现在大坝建设和水库蓄水等工程对区域生态系统结构、土壤侵蚀、河流水文状况(库区水文变化、下游河道减脱水)、移民等的影响，这些影响集中体现在水电站建设前、建设中和建设后生态系统类型的剧烈变化上。为了更好的分析水电站建设过程及蓄水发电对区域生态系统的影响，对大坝建设区和水库周边生态系统变化分别进行遥感监测。大坝建设区范围确定以实际建设波及范围为主，水电站库区周边范围则以海拔1500米以下河谷区域为主，同时考虑河流整体形态等因素划定。以下将以大渡河流域最大的梯级开发水电站瀑布沟水电站为例，分析水电开发对生态系统的影响。

(1)大坝枢纽建设区生态系统影响

瀑布沟水电站于2004年3月30日开工建设，从遥感影像上可以清晰看出大坝枢纽区建设前、建设中和建设后生态系统类型的变化，生态系统类型遥感解译结果见表2。

表2　瀑布沟枢纽建设区生态系统类型面积　(单位：km2)

注：变化情况均以2000年的面积为参照。

瀑布沟枢纽建设区建筑、道路等建设工程用地大幅增加，其中建设期最多(增加了3.7平方公里)，建成后随着临时用地的恢复有所降低；工程建成后水域面积有所增加，增加了1.4平方公里；滩地因工程占地和库区淹没而消失。同时，2000年以来，枢纽建设区周围退耕还林效果较好，林草生态系统面积有所增加；耕地受施工占地、水库淹没和退耕还林等因素影响面积逐渐减小。由此看出，枢纽工程建设对周围生态系统的影响主要表现为：①大坝修建导致建筑和道路大幅增加，对区域植被产生了一定破坏；②大坝建成蓄水，淹没了大量的滩地、农田生态系统；③由于植被的破坏，导致大坝建设区土壤侵蚀风险加剧。

(2)水电站库区建设对生态系统影响

根据瀑布沟水电站库区及影响范围内建设前、建设中和建成后生态系统遥感解译结果(见图4)，瀑布沟水电站区域农田、林草、滩地生态系统呈减少趋势，水域、城镇、农村居民点和建筑及道路呈增加趋势。2003年到2011年，库区及周边生态系统发生了较大变化，其中①库区淹没了35.7平方公里的农田、6.7平方公里的林草、12.3平方公里的滩地、0.9平方公里的城镇、1.4平方公里的农村居民点，对当地的自然生态环境和城乡居民居住都产生了影响，同时，库区水域面积的大幅增长意味着河流形态和水文特征均发生较大变化；②由于水电站建设，汉源县城进行了新城建设，农村居民也进行了搬迁，城镇建设占用13平方公里农田、和0.3平方公里的林草，农村居民点建设占用了7.7平方公里的农田；③由于水库建设修建了大量的公路和设施，也新增了一些工业用地，占用耕地13平方公里、占用林草地1.2平方公里。

图4　水电站库区建设生态系统遥感解译

4结论与讨论

综上所述，根据水电站类型和规模特征，选择合适分辨率的遥感影像，可以对河流梯级开发水电站进行遥感识别，进而开展河流梯级开发水电站对区域生态系统影响动态监测。

梯级开发水电站建设对生态系统的影响可从大坝枢纽区和整个库区两个方面开展分析，大坝枢纽建设区对生态系统的影响主要表现在植被破坏、区域土壤侵蚀风险增加；对整个库区生态系统的影响则主要表现在淹没大量农田、林草、滩地、城镇和农村居民点，移民数量大，水域大幅增加但河流形态发生很大变化、建筑及道路增长迅速。

典型梯级开发水电站对生态系统的影响遥感监测是开展整个流域水电开发生态环境影响分析的基础，下一步将进一步开展对全流域水电开发生态环境影响的分析。

参考文献：

[1]陈凯麒，芮建良.中国水电环境影响评价的十年回顾与展望[J].环境保护，2012，22：21-24.

[2]杨净，王宁，陈燕.河流水电资源的梯级开发对生态环境的影响[J].水资源与水工程学报，2013，24(4)：58-62.

[3]胡德秀，周孝德.黄河上游梯级开发的生态与环境风险分析方法研究[M].郑州：黄河水利出版社，2011.

[4]吴晓青.我国水电开发与生态环境保护[J].中国三峡，2011，11：38-40.

[5]司源.水利水电工程对生态环境的影响及保护对策[J].人民黄河，2012，34(2)：126-130.

[6]万本太，张建辉，董贵华等.中国生态环境质量评价研究[M].北京：中国环境科学出版社，2004.

[7]万华伟，李静，王昌佐等.遥感技术在突发自然灾害生态影响监测和评估中的应用研究[J].环境与可持续发展，2014，5：28-30.

[8]Liu W T，Kogan F N.Monitoring regional drought using the vegetation condition index.International Journal of Remote Sensing，1996，16：1327-1340.

Monitoring on Cascade Hydropower Development and Its Ecosystem Impact by Remote Sensing

LI JingWANG ChangzuoWan Huawei

(Satellite Environment Center Minsisty of Enviormental Protection，Beijing 100094)

Abstract：This paper focuses on the research of remote sensing technology application on cascade hydropower stations recognition and their ecological system impact analysis.The results show that (1) if appropriate resolution images are selected according to the hydropower station′s type and scale，the cascade hydropower stations can be identified and thus，we can further carry out the impact analysis by remote sensing；(2) the impact on the ecosystem can be analysis from two aspects，and for the dam hub construction，the impact is mainly manifested in the destruction of vegetation，the increased risk of soil erosion，for the entire reservoir area，the impact is inundate large tracts of farmland，grass，beaches，towns and rural settlements，the large number of immigrants，water increased greatly but the morphology changed a lot，and the building，roads increased rapidly.

Keywords：

作者简介：李静，博士，高级工程师，主要从事区域开发生态环境影响遥感监测和评价研究

中图分类号：X87

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)03-0038-03

项目资助：863 项目“全球变化敏感区生态环境要素监测与评估技术”(2012AA12A310)；863项目“典型应用领域全球定量遥感产品生产体系(2013AA12A302)”

引用文献格式：李静等.基于遥感技术的水电梯级开发及对生态系统影响遥感监测[J].环境与可持续发展，2016，41(3)：38-40.