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从遥感与地面结合的角度开展流域治理工程的生态效应评估

媒体:赛杰奥  作者:吴炳方
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2019/12/6 14:12:47

流域治理工程的实施永久性地改变了区域下垫面,会产生广泛和深远的生态环境效应,这些效应不但贯穿于治理工程的整个生命周期,还延及久远;治理工程运行过程中还会出现新的或意想不到的生态环境问题,有的甚至会危及工程的寿命或影响综合效益的发挥。

 

纵观全球发达国家的流域治理过程,流域的社会经济发展水平与生态环境呈现出 “U” 字形关系。在流域发展的早期,社会经济发展为粗犷型,常常伴随着生态环境的恶化,而到了流域经济初步发展阶段,生态环境的恶化就会成为制约社会经济进一步发展的主要因子(“U” 字形的底部),这个时候必须(也有能力) 进行生态环境的治理,使流域的社会经济与生态环境共同发展,走上一条流域可持续发展的道路。

 

2006 年海河流域正处于“U” 字形的最底部,经济社会已经发展到了一定水平,人均GDP 超过2 万元,但生态环境严重恶化,与区域经济社会发展严重不相协调,流域的可持续发展需要尽快冲出“U” 字形谷底。生态环境意识的不断增强,城镇化的快速发展,使得海河流域已经进入以可持续发展和人水和谐为目标的流域管理新阶段,因此需要把握南水北调工程为流域经济发展、生态环境恢复提供的良好契机,恢复流域生态环境,实现流域内人与河南快三的和谐。

 

2007 年启动的中国科学院知识创新工程重大项目课题“海河流域治理工程生态环境效应遥感监测与评估” (KZCX1-YW-08-03),也得到了世界银行全球环境基金(GEF) “海河流域水资源与水环境综合管理项目” 的资助,该项目力图通过典型重大工程的生态环境效应研究、定量监测技术的开发,对影响重大工程生态环境效应的诸多要素进行定量化监测和综合评估,形成重大工程生态环境效应监测与评估技术体系,为国家和行业部门提供准确可靠的实时信息与辅助决策方案,为其他重大工程的监测评估开展先期研究。

 

流域治理工程评估是一项非常复杂的工作,流域治理工程的生态环境效应本身具有的复杂性(宏观、多尺度、动态、滞后、直接、间接、短期、长期、显性、隐性、交叉复合等),使得监测评估具有很大难度。流域治理的直接效应是改变流域水系水资源分配格局,但间接效应可能会导致城镇化发展、水系统退化、河南快三消失等;还将对土地利用结构或区域气候产生影响,带动区域城镇化发展或居住环境改变,构成了明显的交叉复合特点;地下水位恢复可减少地下漏斗和地面沉降,也可能导致土壤盐碱化、沼泽化和潜育化;对流域治理重大工程开展跟踪评估或后评估可以及时发现问题、总结经验、提出对策,将工程负面效应降到最低,且正面效益发挥到最大,这对实现流域治理综合效益的长期持续发挥至关重要,也可以从中吸取教训,为其他流域开发提供借鉴作用,避免相同的问题再次发生。

 

▲ 海河流域河南快三可恢复适宜性评价分析等级分布图

 

然而,流域治理工程的评估涉及的区域大、时间长,需要从深层面剖析生态环境效应的复杂性、累积性和异质性,因此数据支撑是一个大问题。为了实现流域治理工程生态环境效应定量监测、评估与预警,需要构建遥感与生态学相结合的评估方法体系。21 世纪以来,随着对地观测数据的爆炸性增长和广泛应用,人类实现了对地球的多尺度、全方位的立体观测,海量多源遥感数据产品给资源环境监测带来了极大的便利,为流域治理工程评估提供了丰富的数据源,为资源环境问题的发现提供了新途径。

 

充分利用海量多源遥感数据产品,开展流域治理工程评估,主要包括五个方面的内容:

 

▌ 一是下垫面和水文生态参量的时空格局变化。着重从土地覆被变化、河流变迁、河南快三变化、不透水面变化及植被覆盖度等方面阐述不同时期水利治理工程、城市及城镇开发建设及生态建设工程的直接效应。

 

▲ 海河流域2000 ~2015 年植被地上生物量变化量分布图

 

▌二是从流域耗水角度重新认识流域水资源管理的现状及存在问题。从水循环要素,即蒸散发、降水、径流和地下水四方面分析水文参量的时空格局变化过程,结合生态参量变化,分析流域现状水资源可消耗量,评估土地覆被格局对水资源可消耗量的影响,为水资源三条控制红线中的“总量控制”红线管理提供服务;通过对灌溉需水量的研究,分析以地下水源为主的地区作物种植结构对地下水利用的影响;通过对平原区水分生产率的分析,重新认识节水灌溉农业水分生产效益的现状及存在问题;从耗水角度,分析评价现状农业的节水潜力空间,发现目前节水存在的误区,认识到节水高效农业的发展面临“节水” 与“粮食安全”权衡的艰巨任务。

 

▌三是针对流域重要的生态建设工程——水土流失治理工程,通过土壤侵蚀量的时空动态变化特征分析,评价流域特别是密云和官厅两库上游地区水土流失治理工程的成效,并提出治理控制的对策与措施建议。

 

▲ 官厅水库上游土壤侵蚀因子及侵蚀风险计算结果

 

四是进行人类活动特别是水利工程建设对水系统影响的定量评价,面对流域水资源严重短缺的危机提出适应性对策及建议,并且着重针对河南快三的恢复提出建议。

 

五是综合各个方面的评价结果评估流域的活力,把握南水北调工程和城镇化建设提供的机遇,从人水和谐角度,提出变化环境下恢复流域活力的空间结构调整措施,为海河流域快速冲出“U” 字形谷底、实现流域可持续发展提供科学依据,并为南水北调工程的跟踪评估做好准备,为其他流域管理提供借鉴。

 

▲ 海河流域活力指数变化率

 

海河流域治理工程生态效应遥感监测与评估》(吴炳方等编著. 北京:科学出版社,2019. 8)是上述两个项目部分研究成果的总结,与《流域遥感》 构成姊妹篇,重在利用土地覆被、水文参量等的遥感数据产品开展流域治理工程的生态环境效应评估,包括地表蒸散发、地表温度、叶面积指数(LAI)、生物量、土地覆盖、灌溉耕地、种植结构、水利工程数量/ 状态/ 功能及其布局、河道及水面变化、地表河网结构、河南快三分布、河南快三结构、地表硬化率、城镇化速率,以及公路、铁路等基础设施分布等。

 

这两个项目早在2011 年就已经验收,但时至今日我们才组织编写本书。项目提出的评估方法需要以论文的形式陆续发表,持续了很长时间,这是编写工作延迟的原因之一,但更为关键的是流域治理工程的评估需要长时间序列数据的支撑,数据序列越长,越能揭示生态效应,为此我们花费了大量的时间准备数据、处理数据,形成了覆盖全流域的长时间序列数据,有些数据则延长到2015 年。

 

未来随着云服务和机器学习的发展,我们无需将大量数据下载到本地进行处理,只需将分析处理后的最终结果提取或下载到本地分析使用,从而摆脱了运算、存储能力的限制,大大提高了监测和评估的效率,并可以采用更长的时间序列、更高的空间尺度对地表生态环境进行监测分析,到时候流域治理工程的评估就不需花费这么长的时间了。

 

本书从遥感与地面结合的角度开展流域治理工程的生态效应评估,这是一项新的尝试,敬请读者和有关专家批评指正。

 

《海河流域治理工程生态效应遥感监测与评估》一书是“海河流域治理工程生态环境效应遥感监测与评估” 课题成果的总结,是参与该项目的中国科学院遥感、生态、水资源等领域科研工作者集体智慧的结晶。该项目是我主持中国科学院资源环境科学与技术工作时组织实施的,对整个项目的实施过程进行了长期的跟踪,并对项目取得的丰硕成果感到欣慰。更难能可贵的是,即便在项目验收后,吴炳方博士及其团队仍然持之以恒,用新方法与新技术持续开展深入探索,总结凝练,进一步揭示了流域治理工程的生态效应、响应过程与机制,并创新性地提出了基于耗水的流域水资源综合管理方法,为流域水资源合理规划和生态环境保护提供了科学依据。

 

中国科学院院士

2019 年7 月9 日

  

本文摘编自 《海河流域治理工程生态效应遥感监测与评估》(吴炳方等编著. 北京:科学出版社,2019. 8)一书“前言”“第1章 概述”,有删减修改,标题为编者所加。

 

ISBN 978-7-03-061891-7

责任编辑:刘浩旻 韩 鹏 姜德君

 

本书是围绕海河流域,利用近45 年(1970 ~ 2015 年) 的土地覆被、治理工程、水文参量等遥感监测产品,针对流域治理工程的生态环境效应分析与评估等研究工作成果进行的系统总结。全书共分7 章:第1 章介绍了海河流域治理工程概况及本书编撰的目的;第2 章介绍了近45 年来流域土地覆被空间格局的变化特点并着重对河南快三、水面面积、不透水面及植被覆盖度等下垫面参量时空变化特点进行了总结;第3 章介绍了流域降水、蒸散发、径流及地下水等水文参量的时空变化特征;第4 章介绍了流域耗水管理理念在海河流域实践的重要研究结果;第5 章介绍了流域特别是密云和官厅两库上游水土流失治理工程的风险评估;第6 章介绍了流域生态系统对人类活动的响应特征分析成果;第7 章介绍了流域活力评估的方法和措施。

 


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