基于遙感的“引水工程”對(duì)克拉瑪依近20年生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估

基于遙感的“引水工程”對(duì)克拉瑪依近20年生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估摘要:利用遙感資料評(píng)估了“引水工程”對(duì)克拉瑪依市近20年城市生態(tài)環(huán)境演變的影響。評(píng)估結(jié)果表明，近20年隨著城鎮(zhèn)面積的不斷擴(kuò)張，地表水面積也相應(yīng)地增加，進(jìn)而促使本市植被不斷增長(zhǎng)；對(duì)天氣要素的評(píng)估表明，克拉瑪依城區(qū)年內(nèi)的最高及最低溫日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)都有顯著性減少，而年降水量及大霧日數(shù)有顯著性增加；開(kāi)展了數(shù)值模式模擬降水實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了低層水汽的增加可有效促進(jìn)局地夏季降水，提升植被增加的驅(qū)動(dòng)力。綜合而言，“引水工程”為克拉瑪依地區(qū)提高了城市內(nèi)外各生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，增加了植被覆蓋度，進(jìn)而對(duì)局地小氣候改善起著關(guān)鍵性作用，促進(jìn)了近20年克拉瑪依城市生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展。關(guān)鍵詞：引水工程；克拉瑪依；生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估；遙感引言克拉瑪依市地理坐標(biāo)為E84°44′—E86°1′，N44°7′—N46°8′，地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的沖洪積扇前傾斜平原地帶（見(jiàn)圖1)，氣候長(zhǎng)期干旱，植被覆蓋率低。全球氣候變化對(duì)干旱區(qū)城市與綠洲的發(fā)展規(guī)模及持續(xù)性影響顯著，而“引水工程”是解決全球氣候變化對(duì)城市綠洲負(fù)反饋的重要生態(tài)工程措施。引水工程“克拉瑪依河”于2000年全線通水,給克拉瑪依帶來(lái)了新的活力，對(duì)生態(tài)環(huán)境改善提供必要的條件。從2000年開(kāi)始，克拉瑪依市政府提出了爭(zhēng)創(chuàng)國(guó)家環(huán)保模范城市的目標(biāo)，興修水庫(kù),開(kāi)展人工造林,積極開(kāi)展城區(qū)綠化，在中心城區(qū)西北部戈壁地進(jìn)行了土地沙化整治恢復(fù)濕地。隨著生態(tài)林地、綠地面積的擴(kuò)大,對(duì)區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生了一定的生態(tài)正效應(yīng)。利用衛(wèi)星和氣象資料對(duì)克拉瑪依市進(jìn)行長(zhǎng)序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析，并開(kāi)展了數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出了“引水工程”實(shí)施以來(lái)克拉瑪依生態(tài)環(huán)境變化的若干結(jié)論。一、近20年克拉瑪依市植被持續(xù)增長(zhǎng)通過(guò)遙感數(shù)據(jù)分析，獲得克拉瑪依市近20年的年平均植被歸一化指數(shù)為0.204，以及每5年的平均指數(shù)為0.164、0.184、0.221和0.250，植被指數(shù)整體呈持續(xù)上升趨勢(shì)，且以每年0.0049的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)；植被改善區(qū)面積占總面積的9.8%，植被退化區(qū)面積占全區(qū)面積的1%，剩余89.22%為無(wú)明顯變化的穩(wěn)定區(qū)。在植被覆蓋面積明顯增加情景下，低蓋度植被面積最大，裸露土地減少，這主要是由于引水工程使得氣候要素改善，進(jìn)而促使了整個(gè)地區(qū)氣候條件變好，這種氣候條件的改善僅表現(xiàn)為小幅度轉(zhuǎn)變，所以在整個(gè)地區(qū)的原本裸土的地區(qū)出現(xiàn)了適宜荒漠草本植物的生長(zhǎng)，故增加了低覆蓋植被的面積。從圖1可以看出，1999年克拉瑪依綠洲主要分布在克拉瑪依的南部，烏爾禾區(qū)也有小面積的綠洲，白堿灘區(qū)只有零星分布，2019年綠洲面積顯著擴(kuò)大，擴(kuò)大方向主要在克拉瑪依區(qū)，這主要是由于在烏爾禾區(qū)綠洲內(nèi)部本身植被長(zhǎng)勢(shì)良好，克拉瑪依地區(qū)整個(gè)氣候的改善對(duì)烏爾禾綠洲相對(duì)影響較小或未影響；而白堿灘區(qū)本身土壤較為惡劣，所以該地區(qū)氣候條件改善，能夠?qū)χ参锷L(zhǎng)產(chǎn)生較大影響，故白堿灘區(qū)能夠生長(zhǎng)植物的地區(qū)出現(xiàn)增加趨勢(shì)。由圖2可見(jiàn)植被覆蓋的大面積改善區(qū)主要位于城鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，這也符合氣候條件的改善對(duì)城鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)耕作區(qū)內(nèi)的植被有較大地促進(jìn)。整個(gè)地區(qū)的植被與該地區(qū)水資源面積呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，也進(jìn)一步表明了引水工程對(duì)該地區(qū)植被起到較好的正反饋?zhàn)饔??？傮w上，克拉瑪依地區(qū)內(nèi)植被面積的增加也不斷對(duì)區(qū)域小氣候形成良性正反饋?zhàn)饔?，而氣候的變好為植被提供良好的生長(zhǎng)條件，故而形成了可持續(xù)地良性循環(huán)。1999年2009年2019年圖11999年、2009年、2019年克拉瑪依市歸一化植被指數(shù)（NDVI）專題圖圖2克拉瑪依市農(nóng)業(yè)耕作區(qū)、隔壁濕地區(qū)、城鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)植被變化近20年克拉瑪依水資源增長(zhǎng)顯著2.1克拉瑪依地區(qū)水系、水利附屬設(shè)施分布水資源在人類社會(huì)發(fā)展過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，尤其是對(duì)干旱區(qū)內(nèi)城市綠洲的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與城市發(fā)展尤為關(guān)鍵?？死斠朗须`屬于白楊河流域和奎屯河流域，其水資源的承載力為克拉瑪依城市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市景觀和生態(tài)效益提供了必要條件，其水系及水系附屬設(shè)施分布圖中可以看出克拉瑪依自然水系分布相對(duì)較少、水網(wǎng)密度空間異質(zhì)性較大且分布不均；水系主要集中在克拉瑪依市東西兩側(cè)，水系附屬設(shè)施明顯多于周邊區(qū)域，水系和水網(wǎng)配置空間上可能會(huì)影響到城市規(guī)模的發(fā)展。2.2克拉瑪依市地表水面積逐年增加在干旱區(qū)內(nèi)城市綠洲的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與城市發(fā)展中，城市外圍的地表水是影響城市規(guī)模建設(shè)的又一關(guān)鍵要素。利用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用專家分析系統(tǒng)對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行逐一分類，可分為水和非水形成年數(shù)據(jù)集，并結(jié)合地表水二值分布圖對(duì)該區(qū)域地表水面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納分析。得到近20年克拉瑪依市地表水的面積呈增加趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率為0.0355；同方差分析可知，前十年水域面積距平為負(fù)值，后十年水域面積距平為正值，后期水域面積較前10年極其顯著的增加（P<0.01）（見(jiàn)圖3）。圖3近20年克拉瑪依市地表水面積變化距平圖“克拉瑪依河”于2000年8月全線通水,主要是解決克拉瑪依油田和居民生活用水兼顧沿線各類生態(tài)環(huán)境的用水問(wèn)題。從衛(wèi)星歷史影像進(jìn)行對(duì)比分析，1998年阿依庫(kù)勒水庫(kù)出現(xiàn)大規(guī)模人工修建的明顯痕跡，1999年水庫(kù)面積為1.16平方公里，2009年8月水庫(kù)面積為3.8平方公里，2019年8月水庫(kù)面積為3.6平方公里。三、近20年克拉瑪依市城區(qū)外延迅速擴(kuò)張克拉瑪依城區(qū)邊界和城區(qū)面積是城鎮(zhèn)化的重要表征和擴(kuò)展的基礎(chǔ)。項(xiàng)目采用高分辨率影像為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合利用高分辨率影像上的城市景觀特征解譯，并得到克拉瑪依城市2000年、2019年城區(qū)邊界。2000年城區(qū)占地面積41.51平方公里，2019年為112.85平方公里。20年間城區(qū)擴(kuò)展迅速，2019年與2000年相比，城區(qū)面積擴(kuò)大約1.7倍，每年平均新增城市用地約3.5平方公里。在整個(gè)擴(kuò)張的過(guò)程中，水資源承載力需求也在不斷增加。城區(qū)擴(kuò)張以外延型為主，城區(qū)主要集中分布在克拉瑪依區(qū)西部和獨(dú)山子區(qū)的北部，擴(kuò)張速度明顯優(yōu)于克拉瑪依市北部；白堿灘區(qū)面積擴(kuò)張主要在南方，靠近克拉瑪依區(qū)處增加城鎮(zhèn)建設(shè)明顯，克拉瑪依區(qū)面積擴(kuò)張以東南方和南方為主，北方和西方面積變化較??；獨(dú)山子區(qū)面積主要向北方擴(kuò)張，東面也有擴(kuò)張，其他方向擴(kuò)張不大。城區(qū)面積增速快于人口增速，在整個(gè)快速增加中，水資源承載力的增加起到了關(guān)鍵的保障作用，城區(qū)擴(kuò)張受地形、地貌和水資源等影響，并伴隨著城市周邊的耕地面積增加、植樹(shù)造林面積增加，最終使得整個(gè)城市生態(tài)環(huán)境有了極大的改善。四、引水工程驅(qū)動(dòng)改善了局地小氣候4.1應(yīng)用數(shù)值模式對(duì)克拉瑪依的濕度與降水敏感性分析利用WRF中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，模擬克拉瑪依一次典型降水天氣過(guò)程，通過(guò)增減克拉瑪依近地層水汽含量，模擬表面相關(guān)性區(qū)域的近地面濕度變化和降水兩者之間的關(guān)系。結(jié)果表明克拉瑪依市城市綠化面積增大、植被蒸發(fā)加大，以及增加城市的綠化噴灌等等這些增加近地層水汽措施，可以間接降低城市及周邊的溫度。4.2克拉瑪依區(qū)域濕度特征指數(shù)分析利用克拉瑪依近50年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析參考作物蒸散量，綜合判斷克拉瑪依氣候改變情況?？死斠篮幼?000年通水以來(lái)，克拉瑪依市的全年潛在蒸發(fā)量顯著降低；這可能是克拉瑪依河改善了克拉瑪依市各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水，改善了克拉瑪依市的水汽環(huán)境和植被覆蓋度，進(jìn)而導(dǎo)致克拉瑪依市全年潛在蒸散量顯著降低?？死斠篮用磕?月通水，10月停水，植被生長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)也是從4月開(kāi)始，10月結(jié)束。克拉瑪依全年的潛在蒸散量水平主要決定于每年的4-10月份，本文做了克拉瑪依市1957-2019年4-10月潛在蒸散量年際變化趨勢(shì)，克拉瑪依河的通水降低了克拉瑪依市的年潛在蒸散量，保留了土壤水分，這為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供了有利的水分條件，在一定程度上改善了克拉瑪依市的生態(tài)環(huán)境，尤其是自然植物生態(tài)環(huán)境得以改善。五、總結(jié)利用遙感資料對(duì)引水工程以來(lái)克拉瑪依市近20年城市生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)水汽增加效果進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)評(píng)估了氣象要素變化特征，結(jié)果表明：克拉瑪依市近20年植被、地表水面積增加、城鎮(zhèn)面積擴(kuò)大；克拉瑪依城區(qū)高低溫日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)有所減少，年降水量和大霧日數(shù)有所增加；數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了增加低層水汽可有效促進(jìn)降水，改善局地氣候?？死斠篮訛榭死斠缼?lái)了生機(jī)，使得克拉瑪依的生態(tài)環(huán)境、人居氣候環(huán)境等宜居指數(shù)都明顯改善，促進(jìn)我市不斷向人類宜居的方向持續(xù)發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]李俊峰.近20年漫灣庫(kù)區(qū)生態(tài)變化及其影響研究[D].云南大學(xué),2012.[2]劉文