基于植被指数的开都河第一分水枢纽工程生态效应分析

艾克热木·热合曼，玉素甫江·如素力,2

(1.新疆师范大学，地理科学与旅游学院，流域信息集成与生态安全实验室，830054，乌鲁木齐； 2.新疆师范大学，新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，830054，乌鲁木齐)

基于植被指数的开都河第一分水枢纽工程生态效应分析

艾克热木·热合曼1，玉素甫江·如素力1,2

(1.新疆师范大学，地理科学与旅游学院，流域信息集成与生态安全实验室，830054，乌鲁木齐； 2.新疆师范大学，新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，830054，乌鲁木齐)

水利工程建设在生态环境较恶劣，水资源严重短缺的干旱区其表现更为突出。科学的分析水利工程的生态效应可为区域水利工程与生态环境协调发展提供重要的理论依据。本文以Landsat遥感影像和水文数据为主要数据源，分析开都河流域第一分水枢纽工程建成前后的土地利用/土地覆被、径流量与生物量变化趋势，进一步讨论水利工程建设对开都河流域植被覆盖变化的影响。结果显示：1)第一分水枢纽工程建成以后，研究区土地利用动态度增加，其中耕地面积直线增加；2)通过对水利工程建设前后的水资源利用效率与流域生态环境质量进行对比分析，得知水利工程可以调节开都河水量在时间和空间上的分配，适应人类对水资源利用的要求；3)水利工程运行后，研究区植被覆盖度与生物量逐渐增加，裸地面积逐渐减少，说明水利工程的建设对生态环境有修复作用。

水利工程； 土地利用变化； 生态效应； 开都河； 第一分水枢纽站

生态环境是人类生存与发展的物质源泉与能量通道，其演变引起人类生活和生产活动的巨大变化[1]。随着人类对自然环境依赖性地不断增加，使得生态环境趋于良好态势改善。其中，水利工程是改善生态环境调水及水资源利用的主要方法之一[2-4]。水利工程建设以合理分配和控制地表水和地下水、调节生态环境、促进经济发展和社会进步为目的，在区域水资源有效、合理利用方面起到重要作用[5-6]。水利工程有双刃剑的作用：一方面水库建设为周边动植物生长提供充足的水供给，同时起到调节水量分配，减轻洪涝灾害对生态系统威胁的作用[7]；另一方面，其负面效应主要表现在改变当地气候条件，导致当地地表径流量减少、河流水文情势变化、水质恶化、地基下沉、导致水生动植物、陆生动植物和微生物生长环境等发生变化[8-9]。因此，水利工程在为社会带来经济效益的同时，对生态环境也产生了负面影响。西北干旱地区气候、地形等自然条件的限制以及人类活动的影响都导致大部分地区生态用水严重短缺、植被枯萎以及生态环境不断恶化[10-11]。在大力推进西部大开发、“一带一路”建设的国家战略背景下，由于社会、经济发展对水资源的需求日益增长，近年来西北干旱地区以缓解水资源问题为主要目标陆续开展一些大型的水利工程建设。对水利工程对生态环境的正、负面影响进行定量研究，能够为区域社会经济与生态环境持续发展提供理论依据。

本文以开都河第一分水枢纽工程为研究对象，选用研究区水文、遥感与社会经济数据，通过对比分析水利工程建成前后的开都河流域土地利用/土地覆盖变化(LUCC)、生物量变化特征，进一步探讨水利工程对该地区生态环境的作用。研究结果对开都河流域生态环境的修复与改善具有重要的现实意义。

1 研究区概况

焉耆盆地地处E 86°39′～ 88°20′，N 41°23′～ 43°31′ 之间，是一个北高南低，西北向东南倾斜的半封闭山间盆地，地貌类型主要有背斜丘陵、洪积冲积平原及博斯腾湖湿地。属大陆性温带干旱气候，夏热冬寒，昼夜温差较大，日照充足，降水少，蒸发能力强。开都河发源于天山山脉中部依连哈比尔尕山南坡，流经和静县、焉耆县、博湖县，最终注入博斯腾湖，全长560 km，年均径流量35.05亿m3，是巴州境内最大的一条内陆河[12]。开都河第一分水枢纽站地处开都河出峡谷进入焉耆盆地的浅山丘陵地带，距大山口 24.8 km，其中大山口水文站的汇水面积为1万8 827 km2，是开都河灌区规划的3个引水枢纽工程之一(图1)，1999年建成后开始使用。该枢纽工程属中型水利枢纽项目，工程共分拦河大坝、两岸进水阀、泄洪阀及其沿岸河堤附属工程项目组成，全长889.3 m，多年均引水量为6.357亿m3。该控制性引水枢纽工程合并开都河南岸的开来渠、大巴仑渠、小巴仑渠与北岸的乌朗尕孜渠、百灵渠、岔孜渠、解放二渠等支干排水渠，同时将原有的开来渠等7条渠道改为干渠输水，并将南北两岸沿河干渠全部作防渗处理，全年可减少水量损失约1亿450万m3及保持6亿7 700万m3的输水量(表1)。

表1 开都河第一分水枢纽两岸渠道年输水损失以及干渠基本信息

2 材料与方法

2.1 渠系及其灌区数据

在焉耆盆地1∶10万的水利工程现状图和实地考察资料的基础上提取开都河第一分水枢纽站的干渠、支渠、斗渠、农渠和农田灌溉系统(表1)，并运用GIS软件的空间分析功能，适当考虑焉耆盆地边界(1 400 m海拔)线[13]，确定开都河第一分水枢纽站的边缘区域，作为本研究的系统界定线。

2.2 遥感数据

选取枢纽站1999年建成前后的卫星遥感数据，既1994-08-24、2006-08-01和2015-07-17的Landsat TM、ETM、OLI 遥感数据，数据来自于美国地质调查局 USGS(http:∥earthexplorer.usgs.gov/)。对 Landsat 遥感影像利用非监督与目视解译2种方法综合的进行分类。通过已划分的土地利用类型，再结合野外实地观测数据对预处理的Landsat影像采取解译化分类和精度化评估。评估结果表明，分类的总精度>85% (kappa系数>83%)。

2.3 野外采样数据

在2015年7月通过OREGON 550 GPS接收机采集的500多个地物(主要包括耕地、湿地、水体、沙地和裸地等)定位采样数据。

2.4 水文数据

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of study area

采用1974—2014年大山口和焉耆水文站的逐年径流量数据及大山口水文站至焉耆水文站之间的径流沿程损失水量数据[14]。第一分水枢纽站在大山口水文站以下24.8 km 处，土壤质地主要为砂石、中细砂和亚砂土，因此土壤的渗透率很小，可以忽略；所以大山口站径流量可以代表第一分水枢纽站径流量。

2.5 LUCC动态监测与趋势

通过研究区三期分类数据两两的叠加，建立相关转移矩阵(表3)的方法[15]，更深一步探讨各类LUCC的格局变化大小、方向及其内在机制。

2.6 植被指数和植被综合指数

根据研究区地理环境特点[16-18]，选用土壤调整植被指数(SAVI)[19]，并其界定值设为0.5[20]。区域植被综合指数(植被综合指数)是区域内所有植被覆盖类型的植被覆盖率和生物量的综合，能更好的评价研究区生态环境的植被变化。其表达式为：

(1)

ΔLp-q=Lq-Lp。

(2)

式中：L为区域植被综合指数；Vi为该区域植被类型i的植被指数；Ci为区域内，植被覆盖类型i的面积比例，%；ΔLq-p为时间p到时间q内区域植被综合指数的波动值；Lp和Lq分别为p时间和q时间区域生态综合指数。若Lp-q为正数，则该地区的地面植被覆盖和生物量总体增长，植被覆盖区的生态环境趋势好。

在干旱区域关于非植被覆被类型，主要通过面积的变动，反映出对生态环境变化的影响。非植被覆被类型面积波动幅度ΔC、植被类型/非植被覆被类型的波动值R，表征其对陆地生态系统变化的作用。其计算公式为：

ΔC=ΔCw-ΔCd=(Cw2-Cw1)-(Cd2-Cd1)；

(3)

(4)

式中：ΔCw为河流、湖泊、水库坑塘、滩地等与水域相关的土地覆被类型面积比例，在某个时间段内的波动变化，%；根据土地覆被类型及含义，将河渠、湖泊、水库坑塘、滩地、沙地归为反映生态环境自然变化的非植被覆被类型ΔCd在某个时间段内的波动，%。当ΔC>0和R>0时，表征非植被类型的变化有利于生态修复；当ΔC<0和R<0则不利于生态环境的发展，生态环境质量下降[21]。

3 结果与分析

3.1 枢纽站对径流量的影响

图2 1974—2014年开都河大山口、焉耆水文站和第一枢纽站灌区耗水量Fig.2 Water consumptions in the irrigation areas of Dashankou water station, Yanqi water station and the First Water Diversion Hub Station in Kaidu River during 1974 to 2014

从开都河年均径流量的变化趋势(图2)来看，近40年，开都河年均径流量总体呈上升态势，径流量从1974年的25.7亿m3/a增长至2014年的42亿m3/a，2002年的径流量最多，为56.07亿m3。第一分水枢纽站建成之前(1974—1998年)开都河年均来水量为31.65亿m3，枢纽站建成之后开都河年均来水量增多为40.89亿m3。为得到第一分水枢纽站建成前后的沿河道耗水量，利用下式计算：

W=(Wd-Wy)-(S×0.082 5%) 。

(5)

式中：W为研究区沿河道耗水量，m3；Wd为大山口水文站的多年均年径流量，m3；Wy为焉耆水文站的年均径流量，m3；S为大山口至焉耆水文站之间的距离，km(S=105 km)。0.082 5%为大山口至焉耆水文站沿程损失率[14]。从大山口至焉耆水文站沿河道耗水量分析结果来看，1999—2014年期间耗水量表现出下降趋势。

开都河第一分水枢纽站建成后(1999年)将开都河灌区大巴仑渠、小巴仑渠、开来渠、乌浪尕孜渠、柏灵渠、岔孜渠和解放二渠等7座无坝引水渠道合并改为干渠输水，并将南北两岸沿河干渠全部作防渗处理，该措施的作用下每年可减少水量损失约1亿450万m3，进一步提高农业生产用水效率。除此之外，开都河第一分水枢纽站建成后开都河每年来水量不断增加及确保6亿7 700万m3的输水量，这一方面满足了焉耆盆地日益增加的耕地所需要的灌溉需求(表2)，另一方面满足了人口不断增多(图5)所带来的生活用水需求。

3.2 第一分水枢纽站对LUCC的影响

经过LUCC分析结果得知，研究区1994—2015年间耕地面积日益增加，而裸地面积和湿地面积处于减少趋势，耕地面积增加104.9%，裸地面积减少53.8%(表2和图3)。

根据研究区1994—2015年间景观类型面积转移矩阵(表3)得知：

1)1994—2006年间耕地面积增加48.3%，主要来自于裸地和湿地，裸地和湿地净转入面积分别占耕地总转入面积的42.7%和54.4%；裸地面积减少16.8%，主要转变为沙地、耕地和湿地；沙地面积增加76.9%，主要来自于裸地；湿地面积减少15.7%，主要转变为耕地和裸地；水体面积增加116.3%，主要来自于裸地、湿地和耕地。

2) 2006—2015年间耕地面积持续增加38.%，主要来自于裸地和湿地，且两者净转入面积占耕地总转入面积的43.2%和55.5%；裸地面积减少2.9%，主要转变为耕地和沙地；沙地面积减少38.2%，主要转变为裸地；湿地面积减少45.2%，主要转变为耕地；水体面积减少26.1%，主要转变为湿地。

分析得知，1994—2015年耕地面积呈现迅猛增长态势，沙地面积呈现先增加后减少的趋势且非植被覆被类型综合指数处于增长态势(表4)，更进一步确定水利枢纽工程的建设对区域水资源调配起重要影响，对区域生态修复起举足轻重的作用。

表2 研究区1994—2015年间土地利用变化

图3 研究区土地利用/覆盖变化图(1994，2006和2015年)Fig.3 Land use/cover change in the study area (1994, 2006 and 2015)

3.3 土地利用动态度分析

经过计算1994、2006及2015年，研究区景观类型的单一动态度和综合动态度(表4)得知：

1) 1994—2006年该研究区LUCC综合动态度Rs为1.06%；在面积动态度方面，水体、沙地和耕地面积往逐年递增的方向扩展，年均增长速度依次加快，同时，裸地和湿地却呈现出逐年递减态势。在空间动态度方面，沙地的空间动态度波动最大，为20.9%；综合变化趋势指数Rt为0.17，研究区处于平衡状态，类型转换呈现双向转换趋势。

2)2006—2015年间，该区域综合动态度Rs为1.09%，说明该研究时段内，LUCC综合动态度变化较1994—2006年期间略微加快；在面积动态度方面，耕地面积呈现出增大的态势，主要以其他类型转换为耕地。而湿地、裸地、水体和沙地面积随时间的增加呈现规律性递减趋势。在空间动态度方面，湿地的空间动态度波动最大，为12.4%，裸地波动最小，为3.7%。综合变化趋势Rt为0.18，研究区还是处于平衡状态，类型转换呈现双向转移趋势。

表3 第一分水枢纽站建设前后景观类型面积转移矩阵

注：行数据表示某景观类型面积转入量，列数据表示某景观类型面积转出量。

Note: The data in the row refer to the transferring area of a given landscape type, and data in the column refer to the output area of a given landscape type.

表4 研究区景观类型变化速度和趋势

3)1994—2015，Rt=0.29，耕地和水体的增长趋势很明显，而沙地面积略有增加；耕地和水体处于由其他景观类型转入为主状态；裸地和沙地处在双向转换的状态；湿地处在转变为其他景观类型的不平衡状态。综合来看，研究区处于准平衡状态，类型转换仍然保持双向转换趋势。

3.4 枢纽站对生物量的影响

3.4.1 区域尺度上的生态变化分析 土壤调整植被指数(SAVI)有效提高干旱低植被覆盖区遥感提取精度，目前在干旱区植被覆盖信息提取应用比较广泛；因此，本研究中分别计算研究区1994、2006以及2015年不同分区SAVI均值来分析枢纽站对生物量的影响(图4)。

图4 1994—2015年各分区的SAVI灰度值Fig.4 SAVI gray value of each partition in 1994—2015

图5 研究区1994—2015年径流、灌溉引水量和人口变化状态Fig.5 Changes of annual runoff, irrigation water diversion, and population in 1994—2015

结果表明：1994—2015年间研究区SAVI植呈现增加态势，其主要原因可以从以下几个方面解释。

1)1994—2015年间研究区年均径流量保持在40亿400万m3，人口从1994年的38.49万人增加到2014年的49.95万人(图5)，耕地面积也为满足日益增加的人口需求而逐年增加，相应的研究区SAVI值也呈现增加态势，这有利于区域生态修复。

2)枢纽站建成以后，合理的控制水量，另一方面采用政策性措施，改善灌溉技术，加大地下水开采力度，使1994—2015年间研究区灌溉引水量呈现逐年递减态势，从而增加开都河入湖水量。

3)人口的增加和大规模的开垦，湿地面积主要转换为耕地，可是整体方面植被覆盖度和生物量逐年递增，这有利于减缓土地沙漠化，生态环境以良性循环趋势发展。

3.4.2 土地覆被尺度上的生态变化分析 遥感植被指数VI是不同尺度上组合而成的定性特征，与地表生物量成正相关。为了更明确地反映研究区水文变化和人类活动分别对研究区植被和非植被覆盖的影响程度，根据公式(1)～(4)计算1994—2015年之间研究区的植被综合指数L及其变化量ΔL和变化率RL，非植被覆盖类型面积比例ΔC及其变化率RC(表5)。

结果显示，20世纪90年代以来研究区植被覆被类型和非植被类型综合指数发生了明显的变化。在1994—2015年期间L一直处于增加趋势；ΔC和RC大于0，说明在1994—2006年间，非植被类型的年际变化有利于生态环境的健康发展。而植被覆被类型区的变化更明显，处于直线上升趋势，特别是2006—2015年期间，对应的RL为11.6；表明枢纽站建成以后，通过枢纽向南北两岸沿河干渠和开都河下游灌区合理分水配水，使研究区的植被覆盖和生物量持续增加，这有利于生态修复。

表5 研究区各地理分区植被覆被和非植被覆被类型综合指数变化

4 结论与讨论

水利工程生态效应研究涉及到不同的科学领域，影响范围比较广泛，从不同的时间与空间尺度上所表现出来的特征与产生的影响也不一样；因此对水利工程的生态效应进行科学的研究是十分必要的。对比分析水利工程建设前后区域植被覆盖变化的特征与轨迹，阐明水利工程建设对区域生态环境的正负作用与影响程度，为水利工程建设对区域生态环境进行综合评价提供科学依据。同时，对已建水利工程的拆留或改善提出决策性意见。本研究结果表明：

1)水利工程建成以后，开都河年均径流量总体呈上升趋势，径流量从25.7亿增长到42亿m3，主要原因是水利工程建成以后，无坝引水渠道合并实现统筹管理，这极大地提高了水资源的合理配置和有效利用。通过水量的控制，降低了洪涝灾害的发生概率，径流量的增加满足了日益增加的耕地用水量。

2)在土地利用方面，1994—2015年间耕地面积处于增加趋势，主要从裸地和湿地转变而来的。沙地表现出先增加后减少的趋势，主要从裸地面积转变而来的。湿地面积的减少主要是由20世纪90年代以来研究区产业结构的大力调整和经济水平的迅速提升，迫使大量湿地转变为耕地。水体增加以1994—2015年间沿开都河沿岸耕地、裸地等的淹没所致。

3)生物量方面，1994—2015年间，研究区植被指覆盖呈现增加态势，尤其是耕地的植被指数为最大，湿地的为其次。属于非植被类型区域的裸地和沙地的植被指数，水利工程建成后也有所增长。综合植被指数L从1994—2015年间处于增长趋势，其中ΔC和RC都>0，表明研究区的植被覆盖和生物量持续增加，有利于生态环境以良性循环趋势发展。

总之，第一分水枢纽站建成后，一方面，灌区引水条件得到了明显的改善，实现了水资源高效利用的目标，另一方面，灌区植被覆盖增加，对灌区生态环境起到驱动的作用。

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Ecological effects of the First Water Diversion Hub Station in Kaidu River based on the vegetation index

Aikeremu·REHEMAN1, Yusufujiang·RUSULI1,2

(1.Institute of Geographical Science and Tourism/Laboratory of Information Integration and Eco-Security，Xinjiang Normal University, 830054, Urumqi, China;2.Xinjiang Normal University, Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone, 830054, Urumqi, China)

[Background] Human activities including water conservancy projects construction and water diversion affect the regional hydrological process and ecological environment. Water conservancy construction is a double-edged sword, due to coexisting both advantages and disadvantages for environmental security and socio-economic development. The impact of water division on ecological water uses has become the focus of environmental impact assessment for water diversion projects in arid regions. Scientific analysis and precise evaluation of the water conservancy project construction provide an important theoretical basis for the harmonious development of regional water conservancy project and ecological environment. Many water conservancy projects have been built to meet the needs of economic and social development in the Yanqi basin, Xinjiang, China since several decades. The First Water Diversion Hub Station built in 1999 is a most important water conservancy project in Kaidu River, and it leads to change of land cover and alter the underlying surface conditions obviously. In this paper, the ecological effects of the First Water Diversion Hub Station in Kaidu River were carefully studied by the technologies of geographic information system and remote sensing. [Methods] Considering the vegetation situation of study area, the land cover was classified as bare land, sand, cultivated area, wetland and water from Landsat images. In order to eliminate the influence of the soil background on the vegetation index as far as possible, the adjusted soil-vegetation index (SAVI) was used as the vegetation index of the vegetation cover types. The biomass in different land cover types were calculated using SAVI respectively. Then, the impact of water conservancy project construction on the change of vegetation cover and biomass was discussed together with hydrological data encompassed the period between 1974 and 2014. [Results] After The First Water Diversion Hub Station completed，the land use dynamic degree increased (Rt=0.29), the growth of cultivated land and water body were especially obvious. The cultivated land increased approximately 104.9% during 1994 and 2015; at the same time, the bare land decreased about 53.8%. Based on the comparative analysis of water resources utilization efficiency and ecological environment quality before and after the water conservancy project built, the annual ineffective water loss amount decreased about 1.045×108m3. It is understood that the water conservancy project effectively adjusted the spatio-temporal distribution of water resources in Kaidu River oasis area, and met the human requirements for water resources utilization. After the operation of water conservancy project，the vegetation coverage and biomass of the study area increased, and bare land decreased gradually. [Conclusions] On the one hand, the First Water Diversion Hub Station in Kaidu River improved the water diversion and allocation conditions, the original goal of efficient water resources utilization were achieved. On the other hand, it plays an important role in the ecological environment by increasing the regional vegetation coverage.

water conservancy project; land use change; ecological effects; Kaidu River; First Water Division Hub Station

2016-07-22

2017-03-23

项目名称： 新疆维吾尔自治区青年科技创新人才培养工程“变化环境下典型绿洲系统的时空演变过程及其驱动机制研究”(QN2015YX009)；国家自然科学基金“内陆湖泊流域水循环过程模拟与调控研究”(41461006)，“新疆焉耆盆地二元水循环时空动力学机制与模拟研究”(41161007)

艾克热木·热合曼(1983—)，研究生。主要研究方向：资源环境与地理信息系统。E-mail: akram24@163.com

†通信作者简介： 玉素甫江·如素力(1975—)，男，博士，教授，硕士生导师。主要研究方向：应用3S技术流域水文与生态系统。E-mail: Yusupjan@xjnu.edu.cn

N3

A

2096-2673(2017)02-0115-10

10.16843/j.sswc.2017.02.015