董箐大坝对北盘江水域面积时空动态变化的影响

杨 琴，赵学春，郝 俊，王志伟，程 华，韦昌盛，金宝成*

(1.贵州大学 动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省草业研究所，贵州 贵阳 550006；3.兰州大学生命科学学院，甘肃 兰州 730000；4.贵州省贞丰县林业局，贵州 黔西南 562200)

【研究意义】世界上一半的较大河流受到大坝管制，部分河段的水流完全由大坝控制[1]。修建大坝可有效拦截水流，有利于调节径流、电力供应、防洪抗旱和航运[2-3]。但大坝建设也带来一系列的生态问题，改变河流的自然水文状态以及河岸带生物的生境[4-6]，致使河流的连通性[7]、径流量[3,6,8]和生物多样性[9-10]等发生改变。大坝对河流最直接的影响是水域面积的变化，水域面积的改变进而影响其区域生态系统的结构和功能。分析大坝建设前后水域面积的时空动态变化是评估大坝对河流生态系统影响的重要内容之一。西南喀斯特地区功能性水资源短缺问题严重，大坝建设是开发利用地表河川径流的重要方式；贵州喀斯特地区的河流海拔高差较大，河水从上游流到下游具有很强的冲击性[11]，在宽谷型河段极易形成游荡型河道，导致河水发生横流摆动[12]。北盘江属珠江水系，全长449 km，落差1982 m[13]，流域总面积26 590 km2[14]，是红水河上游左岸最大支流，已建和在建的水电站大坝有9座，董箐大坝是其中1座，位于北盘江干流下游贵州省镇宁县和贞丰县交界处，探明其建设前后水域面积的时空动态变化，对保护北盘江水域生态系统的结构和功能具有重要意义。【前人研究进展】大坝建设直接导致水域面积增加。长江三峡大坝建设后，水域面积从502 km2迅速增加到639 km2[15]。清江流域的梯级大坝建设后，水域面积从17.3 km2增至82.4 km2[16]。赣江龙潭大坝、上犹江大坝以及海勃湾水利枢纽大坝等建设后，水域面积变化范围分别为0.3～3.9、16.6～35.4和10.3～68.8 km2[17-18]。喀斯特流域有地表和地下2个水系，具有不闭合边界和不同的分水岭，与其他河流相比在水系结构、地貌景观和水文功能等方面都存在明显差异[19-20]。喀斯特地区功能性水资源短缺问题严重，建设大坝以开发利用地表河川径流是区域经济社会持续发展的重要保证[14]。同时评估大坝建设对喀斯特地区河流的影响十分必要。自然状态下，降水是导致河流水域面积变化的关键因素[21]，同一条河流降水量越大，其流量越大，水域面积也越大。不同季节的降水量差异较大，水域面积改变导致水域形态发生规律性变化，河道形态也因此受到影响。洪水致使河道在宽谷区游荡型河段产生摆动[18]。贵州喀斯特地区的河流由于海拔高差较大，冲击性强[11]，极易形成游荡型河道和发生横流摆动[12]。关于河流水域覆盖变化的已有研究主要集中在长江三峡与黄河流域等大型水坝，鲜见贵州喀斯特地区水坝建设对河流水域覆盖稳定性影响的研究报道。【本研究切入点】以北盘江下游董菁水电站大坝河段为研究区域，利用长时间序列(1988-2018年)卫星遥感影像，研究大坝建设前后水域面积的动态变化。【拟解决的关键问题】弄清建坝前后水域面积与降水量的相关性及其建坝前后水域面积稳定性的差异，并分析建坝后河岸归一化植被指数(NDVI)的变化，探明董箐大坝对北盘江水域面积的时空动态变化，为北盘江水域生态系统结构和功能的保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省西南部北盘江流域董箐水电站大坝河段(东经105°27′～105°49′，北纬25°19′～25°50′)，海拔300～1000 m(图1)。属亚热带湿润季风气候，多年(1988-2018年)平均温度16.0 ℃，降水量1332.6 mm(http://data.cma.cn/)。土壤类型主要为红壤和黄壤[22]，河岸有蕨类植物6科、裸子植物3科、被子植物67科，主要包括竹叶榕(Ficusstenophylla)、女贞(Ligustrumlucidum)、假木豆(Dendrolobiumtriangulare)、余甘子(Phyllanthusemblica)、火绳树(Eriolaenaspectabilis)、仙人掌(Opuntiastricta)和量天尺(Hylocereusundatus)等[23]，还有夏蜡梅(Calycanthuschinensis)、龙眼(Dimocarpuslongan)、土沉香(Aquilariasinensis)和青檀(Pteroceltistatarinowii)等珍稀濒危植物。北盘江属珠江水系，全长449 km，落差1982 m[13]，流域总面积26 590 km2[14]，是红水河上游左岸最大支流，已建和在建的水电站大坝有9座。董箐大坝位于北盘江干流下游，贵州省镇宁县和贞丰县交界处，大坝于2006年11月开始施工，2009年8月下闸蓄水，2010年6月机组投产发电，水库蓄水水位490 m，坝高150 m，总库容约9.58亿m3[24-25]。大坝建设导致该河段长薄鳅(Elongateloach)、叶结鱼(Torzonatus)、乌原鲤(Procyprismerus)、长臀鮠(Cranoglanibouderius)和卷口鱼(Ptychidiojordani)等濒危保护鱼类减少甚至灭绝[26-27]。

1.2 数据来源

从中国地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)和美国地质调查局地球资源观测与科学中心(http://glovis.usgs.gov/)两个网站下载研究区陆地卫星(Landsat TM、OLI系列)无云或云量较少遥感影像。影像空间分辨率30 m，条带号127/128，行编号47/48，时间范围1988-2018年，跨度31年，共计80期，其中建坝前(1988-2005年)32期，建坝中(2006-2010年)15期，建坝后(2011-2018年)33期。从中国气象数据网(http://data.cma.cn/)下载研究区周边望谟、兴仁、盘县、安顺和罗甸等5个气象站点近30年逐月降水数据。1988-2018年间研究区年均降水量基本稳定，年内降水量随月份呈单峰变化，主要集中在5-10月，占全年降水量的83.3 %。

1.3 方法

1.3.1 董箐大坝建设前后的水域面积 采用ArcMap 10.2目视解译研究河段的水域边界并计算水域面积，目视解译范围包括大坝上游28 km和下游14 km，目视解译精度为93.2 %。以大坝为起点，以2 km为间隔，计算上下游每个间隔的水域面积，从而得到大坝建设后水域面积随到大坝距离增加的变化趋势。将水域面积矢量图层转化为栅格数据(分辨率30 m)，进行叠加运算，得到每个栅格在建坝前、建坝中和建坝后被水覆盖的次数，用覆盖次数除以对应阶段遥感影像期数，得到每个栅格在3个阶段的水域覆盖率。合并所有遥感影像的水域边界，获取最大水域边界。

1.3.2 董箐大坝建设前后河岸植物生长季的NDVI值 NDVI反映植被的生长状态以及植被在空间上的分布密度，常用于监测植被覆盖的变化(其值为-1～1)。利用ArcMap 10.2在最大水域边界的基础上生成500、1000和1500 m等3个不同距离的缓冲区，目视解译排除缓冲区范围内的耕地和道路等非自然植被，同时根据至大坝的距离将上游分为近段(0～6 km)、中段(6～15 km)和远段(15～28 km)3段，分别计算其植物生长季(6-10月)的NDVI值。

2 结果与分析

2.1 董箐大坝建设前后水域面积的变化及其与大坝距离和前期降水量的相关性

2.1.1 大坝建设前后的水域面积 ①年变化。从图2看出，建坝前(1988-2005年)水域面积的变化幅度较小，上游和下游的面积分别为4.5和1.7 km2；建坝中(2006-2010年)，上游水域面积急剧增大，由4.2 km2增至21.5 km2，而下游水域面积基本未发生变化，为1.7 km2；建坝后(2011-2018年)上游面积为21.7 km2，是建坝前的4.8倍，较建坝前增加3.8倍，下游面积为1.7 km2，较建坝前基本未发生变化。表明，大坝建设拦截水流致使上游水域面积迅速增加。②月变化。建坝前，水域存在明显的枯水期和丰水期，枯水期为1-3月，丰水期为9-11月，枯水期和丰水期水域面积分别为5.2和6.6 km2。最大水域面积时间(9-11月)较降水集中时间(5-10月)滞后约3个月(图3-A)。建坝后，上游不存在明显的枯水期和丰水期，原有枯水期(1-3月)和丰水期(9-11月)的水域面积相同，均为21.8 km2(图3-B)；而下游依然存在明显的枯水期和丰水期，其水域面积分别为1.4和2.2 km2(图3-C)。

2.1.2 水域面积与大坝距离和前期降水量的相关性 ①与大坝距离。上游水域面积，建坝前(1988-2005年)为0.01～0.05 km2，基本未发生变化；建坝后(2011-2018年)为0.07～1.60 km2，水域面积随着与大坝距离的增大而减小(图4-A)，水域面积与大坝距离的相关性显著(P<0.05)。下游水域面积，建坝前后未发生明显的变化(图4-B)，处于相对稳定状态，与到大坝的距离无显著相关性。②与前期降水量。建坝前水域面积与前期降水量(影像获取前3个月)呈正相关(图5-A)，相关性显著(P<0.01)，R2=0.4448。建坝后上游水域面积与前期降水量相关性不显著(图5-B)，R2=0.0062；下游水域面积与前期降水量的相关性发生变化，其降水量呈正相关(图5-B)，且相关性显著(P<0.01)，R2=0.4447。

2.2 董箐大坝建设前后水域覆盖的稳定性

从图6看出，董箐大坝建设后水域覆盖的稳定性发生改变。大坝上游，建坝前水域覆盖区域的波动性较大，建坝后水域覆盖稳定性明显提升，建坝后上游水域覆盖率为80 %～100 %的稳定覆盖栅格从35.3 %增至74.8 %，较建坝前增加1.1倍；水域覆盖率为0～20 %的不稳定覆盖栅格从29.5 %降至11.1 %，水体变得稳定。大坝下游，建坝前水域稳定覆盖栅格为48.3 %，不稳定覆盖栅格为20.6 %；建坝后稳定覆盖栅格为45.0 %，不稳定覆盖栅格为18.8 %，稳定性变化不明显。

2.3 董箐大坝建设前后河岸近段(0～6 km)、中段(6～15 km)和远段(15～28 km)植物生长季的NDVI值

近段(距大坝0～6 km)缓冲距离500、1000和1500 m植物生长季的NDVI在建坝前和建坝后分别为0.42和0.41、0.44和0.41、0.44和0.40，各缓冲距离建坝前后NDVI均呈下降趋势，差异均不显著(图7-A)。中段(6～15 km)缓冲距离500、1000和1500 m植物生长季的NDVI在建坝前和建坝后分别为0.43和0.39、0.43和0.40、0.41和0.39，各缓冲距离建坝前后NDVI均呈下降趋势，缓冲距离500 m时建坝前NDVI显著高于建坝后，缓冲距离1000和1500 m建坝前后NDVI差异均不显著(图7-B)。远段(15～28 km)在缓冲距离500、1000和1500 m植物生长季的NDVI在建坝前和建坝后分别为0.36和0.35、0.35和0.35、0.34和0.34，各缓冲距离建坝前后NDVI几乎没有变化，仅500 m时略为下降，各缓冲距离建坝前后NDVI差异均不显著(图7-C)。

3 讨 论

3.1 大坝对水域面积的影响

在河流上修建大坝拦截水流，有利于调节径流、供应电力、防洪抗旱和航运[3, 28-29]，同时也带来一系列生态问题[30]，致使河流的水文连通性[7]、径流量[3]和生物多样性[9]等发生改变。研究结果表明，北盘江董箐大坝建坝前水域面积的变化幅度较小，上游和下游的水域面积分别为4.5和1.7 km2；建坝后上游水域面积为21.7 km2，较建坝前增加3.8倍，下游水域面积为1.7 km2，较建坝前基本未发生变化。表明，大坝建设拦截水流致使上游水域面积迅速增加。徐其勇[15]对三峡大坝蓄水前后上游水域面积变化分析发现，大坝建设后上游水域面积迅速增大，从建坝前的502 km2增至建坝后的639 km2。DU等[16]对清江流域的水域面积研究发现，大坝建设后水域面积显著增大，由建坝前的17.9 km2增至建坝后的82.4 km2。李文波等[31]研究表明，清江流域中下游梯级大坝建设后水域面积由建坝前的60 km2增至建坝后的110 km2。TONG等[32]对清江流域的葛河岩水电站、高坝州水电站与水布垭水电站上游的水域面积研究发现，建坝后水域面积增大，由建坝前的16.2 km2增至建坝后的91.2 km2。张磊[18]对海勃湾水利枢纽上游大坝建设前后水域面积的变化分析发现，大坝建设后增大，由建坝前的10.3 km2增加到68.8 km2。廖启卿等[17]发现水电站大坝建设导致赣江龙潭水电站河段水域面积由0.26 km2增至建坝后的3.87 km2，上犹江水电站河段水域面积由建坝前的16.6 km2增至建坝后的35.4 km2。可见，大坝建设会导致上游水域面积迅速增大，但是增加的幅度不同，虽然中小型水坝建设导致水域面积增加的绝对值较小，但是增加的比例远超过大型水坝。同时考虑到中小型水坝数量远超过大型水坝[33]，未来应加强中小型水坝对生态环境影响的关注。

研究结果表明，建坝后，上游水域面积增加幅度随着大坝距离的增大逐渐减小。徐其勇[15]对三峡大坝蓄水后水域面积变化范围研究发现，水域面积变化最大值出现在距离大坝最近的第1段(0～24.5 km)，随着到大坝距离的增加，增加幅度逐渐减小，与本研究结果一致。研究区上游多为横向谷和斜向谷，呈“V”字形，河岸坡度较缓[34]，当大坝建设蓄水后，水位上升，靠近大坝河段的水域面积增加明显，随着大坝距离的增大，河流水位增加逐渐减小，水域面积增加幅度也随之变小。

3.2 大坝对水域覆盖稳定性的影响

降水影响河流水域面积，旱季和雨季交替使水域覆盖区域发生改变[19]。张磊等[18]对海勃湾水利枢纽上游大坝建设前后水域形态分析发现，建坝前河道摆动幅度大，最大摆动幅度可超过1 km，而下游河道的摆动规律则不受影响。研究结果表明，董箐大坝建设后水域覆盖的稳定性发生改变。大坝上游，建坝前水域覆盖区域的波动性较大，建坝后水域覆盖稳定性明显提升，建坝后上游水域覆盖率为80 %～100 %的稳定覆盖栅格从35.3 %增至74.8 %；水域覆盖率为0～20 %的不稳定覆盖栅格从29.5 %降至11.1 %，水体变得稳定。大坝下游，建坝前水域稳定覆盖栅格为48.3 %，不稳定覆盖栅格为20.6 %；建坝后稳定覆盖栅格为45.0 %，不稳定覆盖栅格为18.8 %，稳定性变化不明显。与张磊等[18]对海勃湾水利枢纽的研究结果一致。可能原因：建坝前河流的水域面积主要受天然降水控制，而建坝后水域面积主要受人为调控，受降水影响的程度变弱。研究结果表明，董箐大坝建坝前水域面积与降水量呈显著正相关，建坝后上游水域面积与降水量相关性不显著。建坝后水域面积整体趋势在枯水期(1-3月)减小，丰水期(9-11月)增大，建坝后上游水域面积随季节波动小，原有枯水期和丰水期的水域面积相同，均为21.8 km2；而下游依然存在明显的枯水期和丰水期，其水域面积分别为1.4和2.2 km2。建坝导致董箐大坝河段由天然水体转变为人为控制的水体，水域变化主要受人为调控，当水流量过大时开闸放水，水流量较小时则关闸蓄水，使水域面积维持在相对稳定水平。

3.3 大坝对河岸NDVI值的影响

研究结果表明，近段(距大坝0～6 km)缓冲距离500、1000和1500 m植物生长季的NDVI在建坝前和建坝后均呈下降趋势，差异均不显著；中段(6～15 km)缓冲距离500、1000和1500 m植物生长季的NDVI在缓冲距离500 m时建坝前NDVI显著高于建坝后，缓冲距离1000和1500 m建坝前后NDVI差异均不显著；远段(15～28 km)在缓冲距离500、1000和1500 m植物生长季的NDVI在建坝前和建坝后NDVI几乎没有变化，仅500 m时略为下降，各缓冲距离建坝前后NDVI差异均不显著。王晶晶等[35]对三峡大坝近30年来河岸植被的时空变化分析发现，大坝建设导致河岸的植被覆盖度降低，建坝前的植被覆盖度大于建坝后。YI等[36]对金沙江和湄公河两个流域上的4个梯级大坝建设对NDVI的影响研究表明，在大坝建设后，近河岸带的NDVI值较建坝前呈下降趋势。刘世梁等[37]研究澜沧江梯级大坝建设对上游NDVI值的影响发现，大坝建设导致上游NDVI值下降，而建坝后NDVI值呈波动回升，建坝后的NDVI值大于建坝前。与本研究结果不一致，可能原因是此次研究中河岸的植被覆盖还处于回升阶段。大坝导致上游水域面积增加，进而可能会影响区域小气候，降低温度提高湿度[38]，最终降低小范围内的NDVI值。

4 结 论

北盘江董箐大坝建坝前水域面积的变化幅度较小，上游和下游的水域面积分别为4.5和1.7 km2，建坝后上游水域面积为21.7 km2，较建坝前增加3.8倍，下游水域面积为1.7 km2，较建坝前基本未发生变化；上游水域面积建坝后水域面积随着与大坝距离的增大而减小，水域面积与大坝距离的相关性显著，下游水域面积建坝前后处于相对稳定状态，与到大坝的距离无显著相关性；建坝前水域面积与前期降水量呈显著正相关，建坝后上游水域面积与前期降水量相关性不显著，下游水域面积与前期降水量呈显著正相关；董箐大坝建坝后上游水域覆盖区域的稳定性增大，大坝下游水域覆盖区域的稳定性变化不明显；在缓冲距离500、1000和1500 m时，近段(距大坝0～6 km)和中段(6～15 km)各缓冲距离建坝前和建坝后植物生长季的NDVI均呈下降趋势，远段(15～28 km)的NDVI几乎无变化。北盘江董箐大坝建坝前水域面积主要受降水控制，建坝后水体主要受人为调控，当水量过大时开闸放水，而水量较小时则关闸蓄水，使水域面积维持在相对稳定的水平，河流水体已由自然变化转为人为调控为主。