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從遙感與地面結合的角度開展流域治理工程的生態效應評估

媒體:賽杰奧  作者:吳炳方
專業號:紅樹林基金會
2019/12/6 14:12:47

流域治理工程的實施永久性地改變了區域下墊面,會產生廣泛和深遠的生態環境效應,這些效應不但貫穿于治理工程的整個生命周期,還延及久遠;治理工程運行過程中還會出現新的或意想不到的生態環境問題,有的甚至會危及工程的壽命或影響綜合效益的發揮。

 

縱觀全球發達國家的流域治理過程,流域的社會經濟發展水平與生態環境呈現出 “U” 字形關系。在流域發展的早期,社會經濟發展為粗獷型,常常伴隨著生態環境的惡化,而到了流域經濟初步發展階段,生態環境的惡化就會成為制約社會經濟進一步發展的主要因子(“U” 字形的底部),這個時候必須(也有能力) 進行生態環境的治理,使流域的社會經濟與生態環境共同發展,走上一條流域可持續發展的道路。

 

2006 年海河流域正處于“U” 字形的最底部,經濟社會已經發展到了一定水平,人均GDP 超過2 萬元,但生態環境嚴重惡化,與區域經濟社會發展嚴重不相協調,流域的可持續發展需要盡快沖出“U” 字形谷底。生態環境意識的不斷增強,城鎮化的快速發展,使得海河流域已經進入以可持續發展和人水和諧為目標的流域管理新階段,因此需要把握南水北調工程為流域經濟發展、生態環境恢復提供的良好契機,恢復流域生態環境,實現流域內人與自然的和諧。

 

2007 年啟動的中國科學院知識創新工程重大項目課題“海河流域治理工程生態環境效應遙感監測與評估” (KZCX1-YW-08-03),也得到了世界銀行全球環境基金(GEF) “海河流域水資源與水環境綜合管理項目” 的資助,該項目力圖通過典型重大工程的生態環境效應研究、定量監測技術的開發,對影響重大工程生態環境效應的諸多要素進行定量化監測和綜合評估,形成重大工程生態環境效應監測與評估技術體系,為國家和行業部門提供準確可靠的實時信息與輔助決策方案,為其他重大工程的監測評估開展先期研究。

 

流域治理工程評估是一項非常復雜的工作,流域治理工程的生態環境效應本身具有的復雜性(宏觀、多尺度、動態、滯后、直接、間接、短期、長期、顯性、隱性、交叉復合等),使得監測評估具有很大難度。流域治理的直接效應是改變流域水系水資源分配格局,但間接效應可能會導致城鎮化發展、水系統退化、濕地消失等;還將對土地利用結構或區域氣候產生影響,帶動區域城鎮化發展或居住環境改變,構成了明顯的交叉復合特點;地下水位恢復可減少地下漏斗和地面沉降,也可能導致土壤鹽堿化、沼澤化和潛育化;對流域治理重大工程開展跟蹤評估或后評估可以及時發現問題、總結經驗、提出對策,將工程負面效應降到最低,且正面效益發揮到最大,這對實現流域治理綜合效益的長期持續發揮至關重要,也可以從中吸取教訓,為其他流域開發提供借鑒作用,避免相同的問題再次發生。

 

▲ 海河流域濕地可恢復適宜性評價分析等級分布圖

 

然而,流域治理工程的評估涉及的區域大、時間長,需要從深層面剖析生態環境效應的復雜性、累積性和異質性,因此數據支撐是一個大問題。為了實現流域治理工程生態環境效應定量監測、評估與預警,需要構建遙感與生態學相結合的評估方法體系。21 世紀以來,隨著對地觀測數據的爆炸性增長和廣泛應用,人類實現了對地球的多尺度、全方位的立體觀測,海量多源遙感數據產品給資源環境監測帶來了極大的便利,為流域治理工程評估提供了豐富的數據源,為資源環境問題的發現提供了新途徑。

 

充分利用海量多源遙感數據產品,開展流域治理工程評估,主要包括五個方面的內容:

 

▌ 一是下墊面和水文生態參量的時空格局變化。著重從土地覆被變化、河流變遷、濕地變化、不透水面變化及植被覆蓋度等方面闡述不同時期水利治理工程、城市及城鎮開發建設及生態建設工程的直接效應。

 

▲ 海河流域2000 ~2015 年植被地上生物量變化量分布圖

 

▌二是從流域耗水角度重新認識流域水資源管理的現狀及存在問題。從水循環要素,即蒸散發、降水、徑流和地下水四方面分析水文參量的時空格局變化過程,結合生態參量變化,分析流域現狀水資源可消耗量,評估土地覆被格局對水資源可消耗量的影響,為水資源三條控制紅線中的“總量控制”紅線管理提供服務;通過對灌溉需水量的研究,分析以地下水源為主的地區作物種植結構對地下水利用的影響;通過對平原區水分生產率的分析,重新認識節水灌溉農業水分生產效益的現狀及存在問題;從耗水角度,分析評價現狀農業的節水潛力空間,發現目前節水存在的誤區,認識到節水高效農業的發展面臨“節水” 與“糧食安全”權衡的艱巨任務。

 

▌三是針對流域重要的生態建設工程——水土流失治理工程,通過土壤侵蝕量的時空動態變化特征分析,評價流域特別是密云和官廳兩庫上游地區水土流失治理工程的成效,并提出治理控制的對策與措施建議。

 

▲ 官廳水庫上游土壤侵蝕因子及侵蝕風險計算結果

 

四是進行人類活動特別是水利工程建設對水系統影響的定量評價,面對流域水資源嚴重短缺的危機提出適應性對策及建議,并且著重針對濕地的恢復提出建議。

 

五是綜合各個方面的評價結果評估流域的活力,把握南水北調工程和城鎮化建設提供的機遇,從人水和諧角度,提出變化環境下恢復流域活力的空間結構調整措施,為海河流域快速沖出“U” 字形谷底、實現流域可持續發展提供科學依據,并為南水北調工程的跟蹤評估做好準備,為其他流域管理提供借鑒。

 

▲ 海河流域活力指數變化率

 

海河流域治理工程生態效應遙感監測與評估》(吳炳方等編著. 北京:科學出版社,2019. 8)是上述兩個項目部分研究成果的總結,與《流域遙感》 構成姊妹篇,重在利用土地覆被、水文參量等的遙感數據產品開展流域治理工程的生態環境效應評估,包括地表蒸散發、地表溫度、葉面積指數(LAI)、生物量、土地覆蓋、灌溉耕地、種植結構、水利工程數量/ 狀態/ 功能及其布局、河道及水面變化、地表河網結構、濕地分布、濕地結構、地表硬化率、城鎮化速率,以及公路、鐵路等基礎設施分布等。

 

這兩個項目早在2011 年就已經驗收,但時至今日我們才組織編寫本書。項目提出的評估方法需要以論文的形式陸續發表,持續了很長時間,這是編寫工作延遲的原因之一,但更為關鍵的是流域治理工程的評估需要長時間序列數據的支撐,數據序列越長,越能揭示生態效應,為此我們花費了大量的時間準備數據、處理數據,形成了覆蓋全流域的長時間序列數據,有些數據則延長到2015 年。

 

未來隨著云服務和機器學習的發展,我們無需將大量數據下載到本地進行處理,只需將分析處理后的最終結果提取或下載到本地分析使用,從而擺脫了運算、存儲能力的限制,大大提高了監測和評估的效率,并可以采用更長的時間序列、更高的空間尺度對地表生態環境進行監測分析,到時候流域治理工程的評估就不需花費這么長的時間了。

 

本書從遙感與地面結合的角度開展流域治理工程的生態效應評估,這是一項新的嘗試,敬請讀者和有關專家批評指正。

 

《海河流域治理工程生態效應遙感監測與評估》一書是“海河流域治理工程生態環境效應遙感監測與評估” 課題成果的總結,是參與該項目的中國科學院遙感、生態、水資源等領域科研工作者集體智慧的結晶。該項目是我主持中國科學院資源環境科學與技術工作時組織實施的,對整個項目的實施過程進行了長期的跟蹤,并對項目取得的豐碩成果感到欣慰。更難能可貴的是,即便在項目驗收后,吳炳方博士及其團隊仍然持之以恒,用新方法與新技術持續開展深入探索,總結凝練,進一步揭示了流域治理工程的生態效應、響應過程與機制,并創新性地提出了基于耗水的流域水資源綜合管理方法,為流域水資源合理規劃和生態環境保護提供了科學依據。

 

中國科學院院士

2019 年7 月9 日

  

本文摘編自 《海河流域治理工程生態效應遙感監測與評估》(吳炳方等編著. 北京:科學出版社,2019. 8)一書“前言”“第1章 概述”,有刪減修改,標題為編者所加。

 

ISBN 978-7-03-061891-7

責任編輯:劉浩旻 韓 鵬 姜德君

 

本書是圍繞海河流域,利用近45 年(1970 ~ 2015 年) 的土地覆被、治理工程、水文參量等遙感監測產品,針對流域治理工程的生態環境效應分析與評估等研究工作成果進行的系統總結。全書共分7 章:第1 章介紹了海河流域治理工程概況及本書編撰的目的;第2 章介紹了近45 年來流域土地覆被空間格局的變化特點并著重對濕地、水面面積、不透水面及植被覆蓋度等下墊面參量時空變化特點進行了總結;第3 章介紹了流域降水、蒸散發、徑流及地下水等水文參量的時空變化特征;第4 章介紹了流域耗水管理理念在海河流域實踐的重要研究結果;第5 章介紹了流域特別是密云和官廳兩庫上游水土流失治理工程的風險評估;第6 章介紹了流域生態系統對人類活動的響應特征分析成果;第7 章介紹了流域活力評估的方法和措施。

 


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