内蒙古乌拉盖水库生态环境效应遥感监测与评价研究

柴志福，张茂煜，李 宁，付卫平，王 军，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)

1 概述

内蒙古自治区境内大小河流上建设了众多蓄水工程，这些蓄水工程实施后在带来可观的社会、经济效益[1]的同时，改变了局部小气候，也对当地周边的生态环境产生了多方面不同程度的影响。开展内蒙古典型蓄水工程生态环境效应遥感监测与评价研究，客观真实地分析成因并搞清楚其影响的深度和广度，对自治区下一步建设生态蓄水工程、促进区域生态环境逐步改善具有十分重要的现实意义[2]。

目前生态环境的评价工作深入到诸多领域，主要包括农业、城市、湿地、森林和土地生态等[3]，生态环境的土壤、水、地貌、植被等的评价取得了较丰富的成果，发展趋势则主要表现在以下几个方面：① 研究目标综合化以及丰富化；② 研究时间尺度的长期化以及空间尺度的区域化；③ 研究方法定量化、实用化以及综合化等；④ 研究成果普遍适用性以及共享性。

同时，在生态环境评价研究的过程中也存在许多欠缺的方面，较为突出的是：① 评价模型中指标的单一化，缺乏整体性。在现有的环境质量评价体系中，大多数都是选用单一的评价指标，如只对草地、湿地或者土地中选取一个作为评价体系，单一评价指标只能反映出生态环境中某些方面的特征，难以完全、客观的反映生态环境的状况，选取的评价指标缺乏整体性、全面性，不适宜较大范围区域，使用性受到限制[4]。② 评价技术手段落后。随着人类对生态环境认识的深入，对生态环境评价工作提出了更多更高的新要求，而生态环境的开放性和综合性，研究尺度的长期化、区域化，研究方法的实用化、综合化，传统的获取、处理、分析数据的方法无法满足对现阶段生态环境的评价[5]，要求我们运用当前较为先进的技术完成评价工作。

本文将充分采用遥感信息技术与样点监测相结合的手段，对自治区典型蓄水工程乌拉盖水库生态环境效应进行评价研究，包括水生态[6]、水资源利用、气候变化、土地利用、植被等关键因子识别与动态演变方向路径分析，构建生态环境效应综合评价指标体系和模型，提出生态环境遥感监测与效应评价技术方案，提升生态环境效应遥感监测能力等。

2 研究对象与方法

2.1 研究区域

乌拉盖水库位于内蒙古自治区锡林郭勒盟东北部乌拉盖管理区境内的乌拉盖河中上游，距乌拉盖管理区政府所在地65 km，距通辽市的霍林郭勒市40 km。乌拉盖水库是一座以工业供水、防洪为主、兼顾旅游等综合性工程。水库始建于1977年，于1980年建成开始运行，设计库容为2.22 亿m3。在1998年的特大洪水中发生非常溢洪道决口，水库失去蓄水功能。2002年开始进行水库除险加固工程，到2004年完工并从2005年开始运行，维护重建后的库容为2.48亿m3，控制流域面积为2 597 km2(研究区示意见图1)。

图1 乌拉盖水库研究区示意

2.2 数据来源

1)社会经济数据

社会经济数据包含人口、旅游效益、人均GDP、农作物效益等7个指标，主要来源是《内蒙古统计年鉴1998—2020》。

2)生态环境数据

生态环境数据主要包含6个子系统，分别是水资源、生态环境状况、土地利用、蓄水保土、碳汇功能、拦泥减沙功能。其中水资源子系统中的水资源量指标、蓄水保土子系统中的拦蓄洪水量和下泄生态水量以及拦沙减沙数据来自乌拉盖水库管理局。水资源子系统其他指标主要利用MNDWI水体指数法对研究区2000—2022年的Landsat影像解译，得到了乌拉盖水库从1998年到2020年河流水资源相关数据。土地利用相关数据下载于美国地质调查局(USGS，http://glovis.usgs.gov/)。生态环境数据是使用Landsat-8遥感影像处理得到。碳汇功能指标数据来源于NASA Earthdata Search。

3)气象数据

气象数据来自乌拉盖流域气象观测站点(见表1)。

表1 乌拉盖流域气象观测站位置

2.3 层次分析法

层次分析法是一种将定性分析和定量分析相结合的系统分析方法，它把复杂的问题分解成若干层次，形成递进层次结构，使问题的分析过程大为简化，它具有简洁性、系统性、可靠性等优点，层次分析法的整个求解过程，和人类大脑进行判断思维的过程相类似。层次分析法特别适合于评价分层次的评价指标体系[7-8]。

层次分析法[7]针对于上一层的某个因素，依次取本层的两个因素用“成对比较法”等来构造成对比矩阵。例如，要比较模型中某一层的n个因素C1，C2，…Cn对上层的1个因素D的影响，每次取这层中2个因素Ci和Cj，用aij表示Ci和Cj对D的影响之比，全部结果可用成对比较矩阵表示。该矩阵为“正互反矩阵”。

a=(aij)n×n，aij>0

(1)

(2)

一般采用五级定量法给判断矩阵指标aij赋值[9]。

排序计算的实质就是计算判断矩阵的最大特征根和该特征根的特征向量，对判断矩阵A求特征根，将W归一化即为层次排序结果[10-11]。

但是求得的判断矩阵A不一定能够满足判断矩阵的一致性要求。因此要对判断矩阵的一致性进行检验。对此，需要先计算出判断矩阵A的一致性指标CI：

(3)

式中：

λmax——最大特征值，其计算公式为：

(4)

然后再选择相同阶数判断矩阵的平均随机一致性指标RI。据此，计算随机一致性比率CR：

(5)

当 CR<0.1 时，认为判断矩阵满足一致性，否则就需要对判断矩阵进行调整，使之具有一致性。

2.4 评价指标体系构建

水利工程生态环境影响评价的指标体系应是对水利工程生态环境影响分析与评价的依据和标准，是综合反映项目本身和生态环境所构成的复杂系统的不同属性的指标，是按隶属关系、层次原则有序组成的集合[12-13]。

本文通过对乌拉盖水库流域的分析，针对流域生态特点以及存在的生态环境问题，依据指标选取原则，将评价体系形成一个由目标层、方案层、因素层以及指标层组成的结构。其中，目标层是对流域整体生态环境的综合评价；方案层则为选取用于整体评价的三大一类指标：社会经济影响、生态环境影响以及气候变化影响；因素层则是用于生态环境评价指标中更为具体的细节指标。本文确定指标体系的思路是：从影响生态环境质量的因素出发，理清各种因素之间的关系，深入分析影响生态环境质量的因素，从而推导评价生态环境质量的指标体系。

根据水利工程生态环境影响评价涉及的内容，将生态环境总体效应评价作为最高层次 (V层)的评判对象，把社会经济影响、生态环境影响以及气象变化3个子系统作为第2层次的评判对象(A层)；把组成要素，诸如人口、经济、社会、水资源、土地利用等作为第3层次(B层)的评判对象；把定居户数、人均GDP、生境质量指数作为第4层次(C层)，完整评价体系见表2所示。

表2 评价指标体系

表3 生态效应评价标准分级

3 乌拉盖水库生态环境效应综合评价

3.1 评价指标遥感监测

采用下垫面监测设备和地面调查方法，获取遥感监测数据和下垫面实测序列资料，结合需水工程研究区生态环境特征，利用Landsat、国产高分等不同遥感传感器数据采集系统，构建蓄水工程建设条件下生态环境遥感监测指标时空分布格局和序列数据库，并对蓄水工程环境效应的动态演变进行解析，从而定量分析蓄水工程对生态环境的影响。

1)净初级生产力(NPP)

净初级生产力是生态系统生产力的重要指标之一，反映了生态系统的生产能力，也是生态系统物质循环的基础。图2是乌拉盖流域2003—2022年NPP分布情况，从空间角度上，可以明显发现乌拉盖水库项目区净初级生产力分布较为一致，说明水库对流域生态环境的影响比较均衡，水库周边的生态环境相对稳定；从时间角度可以得知2003—2022年间净初级生产力有大幅提升，说明该区域生态系统的生产力得到了提高，生态环境质量有较大改善。

图2 乌拉盖流域不同年份NPP分布示意

2)遥感生态指数(RSEI)

遥感生态指数是一种使用遥感数据评估给定区域生态健康状况的方法，由绿度、湿度、干度和热度4个指标进行计算，遥感数据来自Landsat-8。在互只计算没有水体地方的指数，因此计算了一幅2004水库还未修建时的影像。由最终结果可知，2004—2010年遥感生态指数整体得分降低，可能是因为水库建设拦截河流，对水库下游有一定影响。2010年水库稳定运行后，遥感生态指数稳定上升，特别是原先得分较低的水库下游，有明显上升趋势，生态环境有所改善(见图3)。

图3 乌拉盖流域不同年份遥感生态指数示意

3)水质综合状况

水质综合状况反应了水体富营养化程度。由叶绿素a浓度、透明度、总磷、总氮和高锰酸盐5个指标进行计算，遥感数据来自Landsat-8卫星。水质综合状况仅计算了乌拉盖水库常年有水体分布的库区。由分布情况可以得知，水体综合状况整体上比较稳定，没有大的起伏变化，但水库上游由于人类活动的增加，水质综合状况略有些下降(见图4)。

3.2 评价指标的权重计算

根据建立的评价体系，综合判断每层次要素相对上一层次的影响程度的重要性，用aij表示Bi和Bj对A的影响之比，采用五级定量法给判断矩阵指标aij赋值，五级分为相等重要、稍重要、重要、很重要、特别重要，构成判断矩阵。权重判断矩阵由专家打分完成并通过一致性检验[10]。

各评价指标的权重系数见表4所示。

表4 各层级评价指标相对权重

3.3 乌拉盖流域生态环境状况综合评价

将上文所得的指标层权重分别与标准化指标相乘的累加得到最终的评价得分(如图5所示)。

图5 乌拉盖流域生态环境状况评价综合得分示意

由图5可以看出，得分在研究年限前几年有一个较大程度的下降，这是因为1998年降雨量非常大，导致占比权重最大的生态环境状况系统与水有关的指标飙升，导致最终得分较高，后续则恢复正常。由最终得分可以看出，乌拉盖水库的修建对生态环境整体起正向作用，生态环境评价得分呈上升趋势。

4 结语

为研究水利工程对环境的影响，本文结合内蒙古自治区乌拉盖水库建设影响的主要方式和特点，构建包括社会经济、生态环境、气象变化3个方案层和32个指标内容的评价指标体系。考虑传统生态环境监测的定点布位受限于自然环境和采样点缺乏，充分运用遥感技术手段，获得土地利用类型、水质综合状况以及净初级生产力等遥感数据。以蓄水工程生态环境效应评价为核心，以乌拉盖水库为切入点，讨论乌拉盖水库建设前后，乌拉盖水库流域内人文经济、水资源综合状况、土地利用变化的特征，最终结合搜集到的人文经济、环境遥感以及气象数据对乌拉盖水库建设产生的生态环境影响做出评价。乌拉盖水库的建设对流域生态环境整体上起正面作用，评价得分呈上升趋势，从各指标来看，净初级生产力空间分布较为一致，说明水库对流域生态环境的影响比较均衡，水库周边的生态环境相对稳定，时间上呈上升趋势，说明该区域生态系统的生产力得到了提高，生态环境质量有较大改善，由水质综合状况来看，水体富营养化也有所改善。