基于多源遙感數(shù)據(jù)的涔天河水庫環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)監(jiān)測(cè)

郭 偉，蔣 瑜，包志軒

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

水庫是攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的重要水利工程建筑物，修建水庫有利于水資源的充分開發(fā)利用。但興建水庫同時(shí)不可避免對(duì)水庫周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，有必要對(duì)水庫變化進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。一般來說，水庫變化以直接的水文觀測(cè)為主，但這種傳統(tǒng)方法耗時(shí)耗力，難以準(zhǔn)確表達(dá)區(qū)域性實(shí)時(shí)變化，不能滿足對(duì)水庫水質(zhì)長(zhǎng)期、大面積、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)要求，遙感技術(shù)具有信息量大、觀測(cè)范圍廣、精度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為大型水利工程項(xiàng)目監(jiān)測(cè)提供新技術(shù)、新方法和新手段。

基于遙感技術(shù)手段對(duì)水電站庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究，國(guó)內(nèi)外已開展一系列研究。如吳炳方等[1]采用SPOT-5和Landsat 5 TM 數(shù)據(jù)對(duì)1992—2007 年三峽工程庫區(qū)環(huán)境變化進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)，并提出了相應(yīng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施；Shumba 等[2]利用遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)卡里巴水庫的水位變化，并結(jié)合遙感數(shù)據(jù)分析影響水位變化的自然與人為因素；Li 等[3]結(jié)合遙感技術(shù)，研究了大壩對(duì)湄公河三角洲的土地利用類型、土地面積、地貌等方面的影響，并建立了1 個(gè)新的、全面的湄公河流域大壩和灌溉系統(tǒng)的GIS 數(shù)據(jù)庫；李靜等[4]基于遙感數(shù)據(jù)，從土地利用類型變化方面對(duì)梯級(jí)開發(fā)水電的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并從大壩樞紐區(qū)和整個(gè)庫區(qū)兩個(gè)方面進(jìn)行了分析；吳柏清等[5]基于遙感與GIS 技術(shù)，對(duì)水電站庫區(qū)1998—2003 年植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，并表明，植被覆蓋度變化與人類活動(dòng)、自然因素密切相關(guān)。

盡管遙感技術(shù)在水電站庫區(qū)研究有了一定的應(yīng)用，但都是基于特定的專題，如土地利用，植被變化，水文要素等，缺乏將生態(tài)環(huán)境作為社會(huì)、自然等綜合體來研究水電工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響?！笆奈濉逼陂g，國(guó)家加大對(duì)水利的投資建設(shè)，如何對(duì)眾多的水利工程項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)并分析水利工程對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響，針對(duì)這一問題，本課題基于遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以涔天河水庫為例，提出一種水庫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的新方法，并從庫區(qū)水體動(dòng)態(tài)變化、庫區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響三個(gè)方面建立一套監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果能分析研究區(qū)域在長(zhǎng)時(shí)間序列的區(qū)域性變化情況，為智慧水利提供數(shù)據(jù)支撐，為水務(wù)管理部門提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

涔天河水庫擴(kuò)建工程為國(guó)家172 項(xiàng)重大水利工程之一，湖南省“十二五”期間水利建設(shè)“一號(hào)工程”，該工程對(duì)湖南省湘江流域水資源綜合利用、促進(jìn)永州市乃至湘江中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展意義十分重大。涔天河水庫擴(kuò)建工程為瀟水流域開發(fā)的第一個(gè)梯級(jí)，位于湖南省江華瑤族自治縣境內(nèi)，壩址下距江華縣城12 km。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)體系建立

對(duì)水庫的監(jiān)測(cè)主要涉及生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面的內(nèi)容。采用多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后對(duì)涔天河水庫的生態(tài)環(huán)境影響和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。具體流程如圖1 所示。

圖1 水庫監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

2.2 生態(tài)環(huán)境影響監(jiān)測(cè)

2.2.1 水域面積變化監(jiān)測(cè)

本文利用JRC Monthly Water History 數(shù)據(jù)集水庫庫區(qū)水域面積進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為提高水域數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)月度數(shù)據(jù)的像元進(jìn)行判斷，若1 年中有7 個(gè)以上月份為水體的像素定義為水體，融合成水域年度數(shù)據(jù)對(duì)2012—2021 年涔天河水庫水域面積進(jìn)行時(shí)序變化監(jiān)測(cè)。

2.2.2 RSEI 指標(biāo)

1）濕度指標(biāo)。由于其中的濕度分量與植被和土壤的濕度緊密相關(guān)，因此本研究的濕度指標(biāo)以濕度分量WET 來代表，其表達(dá)式為：

式中ρ8、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為L(zhǎng)andsat8 影像中Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2 波段的反射率；Ci為相應(yīng)的比例系數(shù)。對(duì)于Landsat8 影像，C1=0.1511、C2=0.1973、C3=0.3283、C4=0.3407、C5=-0.7177、C6=-0.4559。

2）綠度指標(biāo)?！皻w一化”差值植被指數(shù)無疑是應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)，它與植物生物量、葉面積指數(shù)以及植被覆蓋度都有密切的關(guān)系，因此，選用NDVI 來代表綠度指標(biāo)，公式為：

3）干度指標(biāo)。代表干度指標(biāo)的建筑指數(shù)選擇的是IBI 建筑指數(shù)，但在區(qū)域環(huán)境中，還有相當(dāng)一部分的裸土，它們同樣造成地表的“干化”，因此，干度指標(biāo)（NDBSI）可由二者合成，即由建筑指數(shù)IBI 和土壤指數(shù)SI 合成，其公式為:

式中 IBI 與SI 的計(jì)算公式如下:

4） 溫度指標(biāo)。MODIS 陸地表面溫度數(shù)據(jù)（MOD11A2），選擇LST 波段尺度轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行計(jì)算：

式中 C——尺度系數(shù)；

ρlst——MOD11A2 的溫度波段。

5）主成分分析。將掩膜并“歸一化”后的指標(biāo)進(jìn)行融合，并對(duì)其進(jìn)行主成分分析[6～7]。取結(jié)果的第一個(gè)分量（PC1），再用1 減去PC1 得到初始值RSEI0。最后，“歸一化”計(jì)算RSEI 指數(shù)。RSEI 指數(shù)越高，表示其生態(tài)質(zhì)量越好，反之則越差。其計(jì)算表達(dá)式為：

2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化監(jiān)測(cè)

本文選取的2013—2021 年夜間燈光數(shù)據(jù)是以江華縣為研究區(qū)域，對(duì)燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性校正后，提取燈光指數(shù)總和及燈光增長(zhǎng)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和研究，分析水庫擴(kuò)建前后當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)變化情況。統(tǒng)計(jì)方法如式（9）:

式中 A——礦區(qū)遙感監(jiān)測(cè)區(qū)域燈光指數(shù)總和；

n——像元數(shù)量，xi為第i 個(gè)像元的DN 值。

礦區(qū)夜間燈光指數(shù)增長(zhǎng)率計(jì)算公式如下：

式中 i、j——年份，i 大于j；

Li、Lj——第i、j 年水庫遙感監(jiān)測(cè)區(qū)域校正處理后的平均燈光指數(shù)影像；

r——j 到i 年間燈光指數(shù)增長(zhǎng)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 庫區(qū)水體監(jiān)測(cè)

從JRC Monthly Water History 地表水?dāng)?shù)據(jù)集提取2012—2021 年涔天河庫區(qū)水域數(shù)據(jù)，從而得到年度的水域面積。通過統(tǒng)計(jì)2012—2021 年水域面積（表1）可知，水庫在2012 年年度平均水域面積最低，為2.33 km2。2012—2016 年水域面積總體呈上漲趨勢(shì)，2016 年水域面積達(dá)5.28 km2，2016—2019 年水域面積變化明顯，2019 年達(dá)到最高值，為20.41 km2。2019—2021 年水域面積逐年減少，2021 年水域面積為18.21 km2。

表1 2012—2021 年水域面積統(tǒng)計(jì) km2

涔天河水庫擴(kuò)建工程前期導(dǎo)流洞工程于2012 年開工，2013 年11 月主體工程開工，2014 年10 月導(dǎo)流洞通水，2016 年12 月導(dǎo)流洞下閘蓄水，2017 年底主體工程全面建成、電站投產(chǎn)發(fā)電，2018 年8 月通過正常蓄水位蓄水階段驗(yàn)收。本文提取的2012—2021 年水域面積變化情況與實(shí)際情況相符合，該數(shù)據(jù)能反映一定的水庫實(shí)際情況，為水庫管理、監(jiān)測(cè)提供參考。

3.2 遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)分析

3.2.1 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 統(tǒng)計(jì)了2014 年、2017 年、2021 年的4 個(gè)指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù)（簡(jiǎn)稱RSEI）的最小值、最大值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差。由表可以看出，江華縣RSEI 均值在近9 年間變化幅度不大，但總體上呈上升趨勢(shì)。由2014 年的0.566 到2017 年的0.626，上升了10.60%；由2017 年的0.626 到2021 年的0.704，上升了12.46%。由此可知近9 年間，江華縣的RSEI 指數(shù)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐年提高。

表2 各年份4 個(gè)指標(biāo)與RSEI 值統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 RSEI 分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析

將各個(gè)年份的RSEI 指數(shù)重新分類成5 個(gè)等級(jí)，分別代表差、較差、中、良、優(yōu)5 個(gè)生態(tài)環(huán)境等級(jí)，并對(duì)各個(gè)等級(jí)的面積、比重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3），從而對(duì)江華縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。

表3 江華縣各年份RSEI 值分布統(tǒng)計(jì)圖

2014 年、2017 年、2021 年的RSEI 指數(shù)在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的面積少，占比均不足1%，而其他等級(jí)分布有明顯的差異，2014 年和2017 年生態(tài)環(huán)境等級(jí)以中、良兩個(gè)為主，2021 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)的面積為1 331.404 km2，占比達(dá)到41.4%，進(jìn)一步說明2021 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最高，且在近9 年時(shí)間內(nèi)江華縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在逐步提高。

3.2.3 RSEI 變化檢測(cè)

在RSEI 指數(shù)分成5 個(gè)等級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)江華縣各個(gè)年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行差值變化檢測(cè)分析，同時(shí)對(duì)變化的面積和比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表4 和圖2。由圖表可知級(jí)差絕對(duì)值為3、4 的面積趨近于零，說明生態(tài)環(huán)境沒有發(fā)生劇烈變化。2014—2017 年68.71%面積的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生變化，生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域面積占比僅為4.15%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升區(qū)域面積占比達(dá)到27.14%；2017—2021 年有近50%的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生變化，并且該時(shí)間段內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積占比僅為1.4%，而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升的區(qū)域面積高達(dá)48.8%。

表4 RSEI 變化檢測(cè)表

圖2 江華縣生態(tài)環(huán)境變化檢測(cè)圖

由圖2 可知，2014—2017 年生態(tài)環(huán)境變差主要分布在江華縣西部和北部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中沱江鎮(zhèn)和涔天河鎮(zhèn)最為明顯，同時(shí)，水庫兩岸生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也出現(xiàn)了變差的現(xiàn)象，但在2017—2021 年間，這些變差的區(qū)域得到明顯改善，水庫兩岸的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了提升。

3.3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化監(jiān)測(cè)

3.3.1 夜間燈光反演

夜光遙感技術(shù)能夠大范圍地獲取人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的信息，且燈光數(shù)據(jù)和GDP 關(guān)系有很強(qiáng)的相關(guān)性，夜間燈光指數(shù)能一定程度反映地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[8]。對(duì)VIIRS 夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、連續(xù)性校正后，取得2012—2021 年江華縣年度平均夜間燈光數(shù)據(jù)影像，并統(tǒng)計(jì)江華縣夜間燈光數(shù)據(jù)總值和夜間燈光增長(zhǎng)率，繪制夜間燈光時(shí)序變化圖，如表5、圖3。

表5 夜間燈光數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 夜間燈光影像

2012—2021 年，江華縣夜間燈光總值逐年增加。2016—2017 年燈光總值增長(zhǎng)率達(dá)到133.923%，2019到2020 年燈光總值又出現(xiàn)小幅度上升，達(dá)到19.304%。原因是2016 年水庫主體建成并完成發(fā)電，2020 年移民通過驗(yàn)收，燈光值指數(shù)增長(zhǎng)較快。

3.3.2 移民安置工程監(jiān)測(cè)

通過2014 年、2021 年兩期高分辨影像對(duì)水庫移民的東田鎮(zhèn)和水口鎮(zhèn)進(jìn)行的解譯，同時(shí)統(tǒng)計(jì)建筑面積（見表6、圖4），表明在水庫擴(kuò)建工程完成后，移民點(diǎn)建筑面積明顯增加，東田鎮(zhèn)2014 年建筑面積為0.45 km2，2021 年新增建筑面積0.59 km2；水口鎮(zhèn)新增建筑面積1.03 km2。

表6 移民點(diǎn)建筑面積統(tǒng)計(jì)表 km

圖4 移民點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)圖

4 結(jié) 論

本文利用遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)涔天河水庫近10 年的水域面積、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況進(jìn)行近動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)分析，從遙感的角度反映了涔天河水庫擴(kuò)建工程前后的變化，以及對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

1）2012—2016 年，涔天河水庫水域面積變化不明顯，在2016 年水庫導(dǎo)流洞下閘蓄水后，庫區(qū)水域面積逐年增加，2018 年8 月正常蓄水位達(dá)標(biāo)驗(yàn)收后，2019 年水域面積達(dá)到最大，為20.41 km2。監(jiān)測(cè)的結(jié)果與水庫擴(kuò)建工程實(shí)際相符合，說明遙感手段能有效反映庫區(qū)的蓄水變化情況。

2）江華縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)RSEI 指數(shù)2014—2017 年上升了10.60%；2017—2021 年上升了12.46%，短期內(nèi)水庫擴(kuò)建工程對(duì)庫區(qū)兩岸的生態(tài)環(huán)境造成了一定影響，但工程竣工后生態(tài)環(huán)境得到了及時(shí)的改善。

3）近10 年江華縣夜間燈光指數(shù)總值從2012 年的447.975 增長(zhǎng)到2021 年的2 684.109，上升幅度明顯，移民后水口鎮(zhèn)和東田鎮(zhèn)變化明顯，東田鎮(zhèn)2014—2021 年新增建筑面積為0.59 km2；水口鎮(zhèn)新增建筑面積為1.03 km2，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展顯著。

4）涔天河庫區(qū)多源遙感數(shù)據(jù)處理結(jié)果和監(jiān)測(cè)指標(biāo)能夠反映出水利工程建設(shè)前后的生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各方面的變化情況，為智慧水利提供了新的技術(shù)手段，為水利部門決策提供數(shù)據(jù)支撐。