德日苏宝冷水库生态环境质量时空演变特征分析

付卫平，柴志福，李 宁，黄文颖，邬佳宾，朱 双

(1.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010052；2.中国地质大学(武汉)，武汉 430074；3.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010013)

蓄水工程在防洪、排涝、防灾和减灾等方面对国民经济做出了重要贡献，在工业生产、农业灌溉和居民生活等方面也发挥着重要作用。然而，人为干预会导致河流水文系统发生重大变化[1]，包括河流水量、水位、泥沙、河道走向，以及周围土壤、动植物群落和植被盖度[2]等方面均会受到一定程度的影响。因此，进行内蒙古典型蓄水工程的生态环境效应遥感监测与分析，并客观真实地分析其成因和影响的深度及广度，对于下一步建设生态蓄水工程和促进区域生态环境逐步改善具有十分重要的现实意义。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

德日苏宝冷水库是内蒙古自治区典型的蓄水工程(所在的流域如图1所示)，水库坝址位于西辽河干流西拉沐沦河的一级支流查干沐沦河上，也是查干沐伦河干流唯一的骨干工程，研究区选择查干沐沦河流域自然控制边界，面积为1 501.35 km2。水库工程于2007年正式开工建设，2010年落闸蓄水，水库规模为中型，主要任务是生态保护和工业供水，兼顾灌溉等综合利用。

图1 德日苏宝冷水库地理位置示意

1.2 数据来源

本文遥感数据包括研究区DEM数据、Landsat数据、MODIS数据和相关产品以及国产高分GF影像。数字高程模型(DEM)数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，空间分辨率为30 m×30 m。国产高分GF影像通过购买获取，其中GF-2具备亚米级、大幅宽成像等特点在本研究中用于计算水质参数，对河流水质状况进行遥感监测。

2 研究方法

传统的生态环境监测主要采用布点采样的方式，定位布点受自然环境的限制，局限性较大。相比而言，遥感技术主要采取卫星影像和无人机相结合的工作手段[3-4]，能够更加快速地获取资料统计数据，大大提高了生态环境监测的工作效率。目前，利用遥感数据研究生态环境大多通过归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)[5]、叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)[6]、土地利用类型、地表温度(Land Surface Temperature，LST)[7]等单一指标来量化生态环境质量。然而，生态环境质量是多种因素共同作用的结果，包括自然因素和人为因素，需要通过气候、地形、生物量、土地覆被、植被等数据来反映，仅采用一个生态指标来评估生态环境质量是不够的。遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index，RSEI)[8]通过主成分分析法将NDVI、归一化建筑土壤指数(Normalized Difference Build-up Soil Index，NDBSI)[9]、湿润度(Wetness，WET)[10-11]和LST等4个指标形成一个综合指数来对区域的生态环境质量进行定量评估，可以反映人类活动、环境变化和气候变化对环境造成的影响，已经被广泛应用于城市[12]、湿地[13]、岛屿[14]等生态系统的环境质量监测。净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)是衡量生态系统中有机物产生速度的指标[15]，是生态系统生产力和健康状况的重要指标。通过结合植被覆盖和光合活动的测量，可以使用遥感数据估算NPP。人类活动对NPP的占用明显影响了自然生态系统，同时还对生态系统服务的供应产生间接影响[16]。此外，水质也是生态环境中不可忽视的问题，水质恶化及富营养化会造成流域内生物多样性降低，进而对水环境和水生态安全构成威胁，严重时会影响区域生产生活用水安全供给[17-18]。于是水质遥感监测提供了一种经济高效的方法来监测大规模水体[19-20]，尤其适用于地面监测困难或不切实际的地区。在众多的富营养化评估指数中，生物指标叶绿素a(Chla)浓度[21]，理化指标总氮(TN)、总磷(TP)[22]、水体透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)[23]在湖库富营养化评价中的应用非常广泛，主要原因是这5个指标对富营养化水平及相关风险具备较好的指示意义且操作简单。因此中国环境监测总站推荐了一种基于以上5种营养水平指数的湖库富营养化评价方法，即综合营养状态指数(Comprehensive trophic level index，TLI)[23]，该方法可基于遥感数据有效评估水体营养物质的含量及其对水体生态系统的影响，将富营养化水平划分为0～100的连续分值，分值越高表示富营养化水平和相关风险越高。

为了给内蒙古自治区建设生态优先的蓄水工程提供科学依据和决策支持，本研究选定内蒙古自治区典型蓄水工程德日苏宝冷水库流域作为研究区域，采用遥感信息技术从水质、生态、碳汇3个维度应用TLI、RSEI、NPP遥感指数对水库建设前后的生态环境效应动态演变进行研究，建立典型蓄水工程建设条件下水土环境因子的时空分布格局和序列数据库，构建蓄水工程生态环境效应综合评价指标体系和模型，提出典型蓄水工程生态环境效应与不利影响应对对策，提供理论依据和技术支撑。

本研究对2000—2022年德日苏宝冷水库所在流域的相关指标进行综合评估，以探究蓄水工程建设前后对生态环境所带来的效应。借助非参数检验方法中的Manner-Kendall检验法，提取出研究对象指标的时间分布特征，并运用ArcGIS实现对研究对象指标的空间分析和空间统计分析，以实现蓄水工程环境效应的时空动态演变解析，进而定量分析蓄水工程对生态环境所造成的影响。

2.1 综合营养状态指数

对于蓄水工程，本研究利用大数据量的Landsat影像处理反演叶绿素a浓度、高锰酸盐浓度、总磷浓度、总氮浓度和透明度5个水质参数，并以Chla为核心构建基于“五指标”的综合营养状态指数(TLI)。TLI的构建过程需要将将反演后的5个指标进行营养状态指数计算，计算公式如下：

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(1)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(4)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(5)

根据各参数的营养指数TLI(j)和权重值Wj，可计算所有参数的综合营养状态指数。

(6)

2.2 遥感生态指数

遥感生态指数RSEI以其指标获取方便、评价结果可视化的优点被广泛应用于生态环境评价[24]。它由美国环境保护署 (EPA)开发，旨在帮助评估污染和其他压力源对生态系统的生态影响。RSEI 模型的优势之一是它能够整合多个来源的数据和信息，以提供对生态健康的全面评估。该模型已用于许多环境影响评估和风险评估以及监管决策[25-26]。

RSEI的计算是在4个生态指数(分别是代表绿度的NDVI、代表干度的NDBSI、代表湿度的WET和代表热度的LST)的基础上，通过主成分变换得到。在RSEI中，NDVI能有效反映植被的生长情况与植被覆盖度等重要植被的物理性质[27]，NDBSI用于估算干旱和半干旱地区土壤水分含量和植被覆盖度，WET是遥感中需要考虑的一个重要变量，因为它会影响其他环境因素(例如温度和植物健康)测量的准确性和可靠性[28]，LST是地表与大气热能交换的重要指标，可用于研究范围较大的环境过程，包括城市热岛效应[29]、土地利用和土地覆盖变化、气候变化影响[30]等。以上4个生态指数以及RSEI的计算公式如下：

(7)

WET=c1B1+c2B2+c3B3+c4B4+c5B5+c6B6

(8)

(9)

(10)

NDBSI=(IBI+SI)/2

(11)

LST=γ*[1/ε*(ψ1*Lsen+ψ2)+ψ3]+δ

(12)

RSEI0=1-PC1[f(NDVI，WET，NDBSI，LST)]

(13)

(14)

式中：

ρnir、ρred、ρblue、ρgreen、ρswir1——分别代表了Landsat 7 TM中近红外和红、蓝、绿光以及中红外1波段的反射率；

B1～B6——分别代表蓝波段、绿波段、红波段、近红波段、中红外波段 1、中红外波段 2；

c1～c6——传感器参数。

由于传感器的类型不同，参数也相应有所不同。LST的计算方法详见参考文献[31]；RSEI0代表初始遥感生态指数，PC1代表第一主成分，RSEI0max和RSEI0min分别代表初始遥感生态指数的最大值和最小值。

2.3 净初级生产力

净初级生产力NPP是植物光合作用固定的碳量减去通过呼吸损失的碳量。基本方法是使用NDVI来估算植被覆盖度，并使用光能利用效率(LUE)概念来估算植物的碳吸收率[32]。NPP的公式可以表示为：

NPP=GPP-R

(15)

式中：

GPP——光合作用固定的碳总量(总初级生产力)；

R——植物呼吸损失的碳量。

为了估算GPP，通常使用LUE模型，该模型将碳吸收率与吸收的光合有效辐射(PAR)量联系起来。LUE模型可以表示为：

GPP=fPAR*PAR*ε

(16)

式中：

fPAR——吸收的PAR的分数；

PAR——光合有效辐射；

ε——LUE系数。

2.4 Mann-Kendall趋势分析

Mann-Kendall是一种非参数统计检验方法[33]，最初由Mann在1945年提出，后由Kendall和Sneyers进一步完善，其优点是不需要测量值服从正态分布，也不要求趋势是线性的，并且不受缺失值和异常值的影响，在长时间序列数据的趋势显著检验中得到了十分广泛的应用。其统计检验方法如下：

对于时间序列Xi，i=1，2，…i，…j，…，n，定义标准化检验统计量Z：

(17)

(18)

(19)

其中，xi和xj为时间序列数据，n为数据个数；当n≥ 8时，检验统计量S近似为正态分布，其均值和方差如下：

E(S)=0

(20)

(21)

在给定显著性水平α下，如果|Z|>Z1-α/2，表明不存在趋势的假设被拒绝，时间序列数据Z1-α/2为在置信水平α下，标准正态函数分布表对应的值。当Z的绝对值大于1.28、1.64和2.32时，表示趋势分别通过了信度为90%、95%和99%的显著性检验。

3 结果与分析

3.1 生态环境质量时间演变特征

德日苏宝冷水库所在流域2002—2022年NPP以及2000—2022年RSEI、TLI年均值如图2所示。据图2a数据显示，近20 a来德日苏宝冷水库项目区的净初级生产力逐渐上升，并呈现出显著的上升趋势。平均净初级生产力为2 278 g/m2，且其线性拟合斜率分别为30.248，R2值为0.389 8，分别通过了0.99的M-K显著性检验。这表明项目区的生态条件得到了大幅改善。结合水库的建设工程分析，德日苏宝冷水库的建设工程于2010年完成后，项目区的净初级生产力得到了显著提高，保持在2 428 g/m2左右。这些结果表明，水库的建设工程对净初级生产力的上升可能具有重要作用。因此，在未来的环境保护和生态建设中，需进一步探究水库建设与当地生态环境之间的关系。

a NPP

图2b是德日苏宝冷水库近23 a RSEI年均值的时间变化。研究结果表明，在这段时期内，德日苏宝冷水库项目区的生态环境质量变化较小，RSEI值平均维持在0.46左右，整体而言，该项目区的生态环境质量保持在一般水平。图2c为德日苏宝冷水库近23 aTLI年均值的时间变化。值得注意的是，在这段时期内，德日苏宝冷水库项目区水体的营养化程度呈持续上升的趋势，其线性拟合斜率为0.063，R2值为0.529 3。整体而言，该项目区水体的营养化程度仍维持在贫营养水平。

3.2 生态环境质量空间分布特征

3.2.1RSEI空间分布特征

图3给出了德日苏宝冷水库项目区2000—2022年每4 a平均遥感生态指数(RSEI)的空间分布(2012年、2013年遥感数据缺失)。结果表明，水库的建设对改善和平衡流域内的生态环境起到了至关重要的作用。从图3a～c可以看出，2000—2011年RSEI持续下降，均值从0.5下降到0.41。具体而言，2000—2003年流域中游生态环境质量较差，但流域大部分区域生态环境质量处于一般水平，河流流经区域及部分区域甚至达到良好水平；而2004—2007年整个流域的RSEI普遍下降，流域北部及下游下降最为显著。在水库建设期间，下游的生态环境质量进一步降低，下游地区整体的生态环境整体较差。而蓄水工程完工后，流域内RSEI整体大幅提升，生态环境质量有所改善，普遍达到一般水平。

图3 2000—2022年水库遥感生态指数空间分布示意

3.2.2NPP空间分布特征

图4是德日苏宝冷水库项目区2003—2022年间，每5 a的平均净初级生产力的空间分布。结果表明，蓄水工程完工后，流域整体NPP有显著提升，就空间分布而言，德日苏宝冷水库项目区河流附近区域的NPP提升幅度最为明显。

3.2.3TLI空间分布特征

图5展示了德日苏宝冷水库项目区在2000—2022年期间，综合营养状态指数(TLI)多年平均的空间分布情况。结果表明，德日苏宝冷水库项目对水体质量产生了显著影响。根据图a、b的结果显示，在蓄水工程建设之前，综合营养状态指数TLI值保持在27以下，水体属于贫营养水平，河流主干总体营养水平较低。根据图c、d的观察，自水库建设、完工至2017年期间，水库控制区域成为高TLI值的聚集区域，分析认为这是由于水库对周围土地使用和水流动态的改变，导致了养分输入的增加。通过对图d、e的观察，水库建成后下游地区的营养水平明显高于上游地区。而在2018—2022年间，水体面积显著扩张，流域综合营养指数发生了剧烈波动，一部分水体达到了中营养水平，进一步表明水库项目对流域内生态系统的营养状况产生了重要影响。

a 2000—2002年TLI

4 结语

本文利用2003—2022年内蒙古德日苏宝冷水库项目区NPP数据及2000—2022年RSEI、TLI数据，通过GIS空间分析法和数理统计方法分析了德日苏宝冷水库建设前后生态条件、生态环境质量及水体营养化水平的时空变化特征和水库建设工程对其产生的影响，结果表明：

1)2003—2022年德日苏宝冷水库项目区生态条件大幅提升，并呈显著增长趋势，其中水库建设工程对生态条件的改善做出了重要贡献。从年际变化来看，蓄水工程建设完工后，NPP值大幅增长，并长期维持在较高水平；就空间分布而言，蓄水工程建设完工后，除水库控制区域外，流域整体NPP有显著提升，河流附近区域的NPP提升幅度最为明显。

2)2000—2022年德日苏宝冷水库项目区生态环境质量总体平稳，流域下游在水库建设完工后出现明显的恢复态势。从年际变化来看，RSEI值平均维持在0.46左右，生态环境质量为一般水平；就空间分布而言，上游生态环境质量总体较好，2004—2011年为下游生态环境质量恶化阶段，生态环境质量以较差级别为主，水库建设完工后，下游生态环境质量出现明显改善。

3)2000—2022年德日苏宝冷水库项目区水体营养化程度呈持续上升的趋势，但总体仍维持在贫营养水平，其中蓄水工程对流域内水体面积和生态系统的营养状况产生了重要影响。在水库建设工程中及完工后，上下游TLI的空间分布出现显著差异，下游水体营养化程度高于上游。值得注意的是，2018—2022年水体营养水平出现明显波动，部分水体营养化程度上升至中营养水平，水体面积显著扩张。