在運(yùn)水利工程人類活動風(fēng)險遙感監(jiān)測與評價方法

摘 要：以國產(chǎn)高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)，開展在運(yùn)水利工程管理和保護(hù)范圍內(nèi)及下游行洪通道人類活動遙感監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，辨析人類活動與工程防洪安全的交互影響關(guān)系，提出在運(yùn)水利工程人類活動風(fēng)險評價方法和模型，并以河口村水庫為例開展應(yīng)用示范。監(jiān)測結(jié)果表明：河口村水庫管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動較少，下游沁河管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動較多；工程竣工驗收后，水庫管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動減少，下游沁河管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動增加；汛期前后，水庫管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動沒有明顯變化，但下游沁河管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動受強(qiáng)降雨影響，占用面積發(fā)生變化。經(jīng)計算，水庫管理和保護(hù)范圍內(nèi)平均人類活動干擾指數(shù)為１７．６，沁河管理和保護(hù)范圍內(nèi)平均人類活動干擾指數(shù)為６７．２２；工程竣工驗收后，水庫管理和保護(hù)范圍內(nèi)干擾指數(shù)明顯減小，沁河管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動干擾指數(shù)微幅增大；汛期前后，河口村水庫管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動干擾指數(shù)保持不變，沁河管理和保護(hù)范圍內(nèi)人類活動干擾指數(shù)有一定起伏。應(yīng)用示范表明遙感技術(shù)能夠有效地監(jiān)測在運(yùn)水利工程人類活動風(fēng)險源情況，能夠定量評估人類活動風(fēng)險源對水利工程防洪的影響。

關(guān)鍵詞：水利工程；人類活動；遙感；監(jiān)測與評價

中圖分類號：ＴＶ６９７．１；ＴＰ７９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０１２

引用格式：康芮，王曉梅，張博羽，等．在運(yùn)水利工程人類活動風(fēng)險遙感監(jiān)測與評價方法［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（８）：６５－７０．

０ 引言

我國洪澇災(zāi)害頻發(fā)，水利工程在防洪減災(zāi)方面發(fā)揮了重要作用。２０２１ 年汛期大中型水庫投入攔洪運(yùn)用共４ ３４７ 座次，攔蓄調(diào)洪、錯峰排澇，最大程度減少了災(zāi)害損失［１］ 。因此，加強(qiáng)水利工程風(fēng)險管控，保證工程安全正常運(yùn)行具有重要意義。

目前，水利工程運(yùn)行期風(fēng)險管控主要采用人工巡查和地面儀器監(jiān)測構(gòu)（建）筑物穩(wěn)定性、金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)活動和運(yùn)行管理規(guī)范性、自然災(zāi)害情況［２－３］ 。除此之外，工程周邊未經(jīng)許可的人類活動也會影響水利工程正常運(yùn)行，如：在水利工程管理范圍內(nèi)新建、改建、擴(kuò)建建筑物，在下游河道內(nèi)傾倒垃圾、渣土，會影響河道過水?dāng)嗝娴拿娣e和粗糙度，從而影響河道的過流能力，導(dǎo)致水利工程防洪能力改變。遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、獲取信息快、時空分辨率高等特點(diǎn)，可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測水利工程及下游行洪通道人類活動。吳時強(qiáng)等［４］ 、翁浩軒［５］ 、陳珺等［６］ 、楊惠雯［７］ 、王曉燕［８］ 、梁瑞陽［９］ 、金子嵩［１０］ 通過建立物理模型或水動力模型，分別分析了跨河橋梁、建筑物、碼頭、河道采砂、植被、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、攔河閘對河道行洪的影響；Ｌóｐｅｚ 等［１１］ 對矩形渠道中的剛性和柔性圓棒進(jìn)行淹沒實驗，結(jié)果表明水流阻力隨植被密度增大而增大；Ｌｅｅ 等［１２］ 采用隱式積分的方法模擬了漁網(wǎng)養(yǎng)殖對行洪能力的影響。

本文圍繞水利工程風(fēng)險管控需求，利用國產(chǎn)高分辨率遙感影像，構(gòu)建在運(yùn)水利工程人類活動風(fēng)險遙感監(jiān)測與評價體系，以河口村水庫為例進(jìn)行示范應(yīng)用，對該方法的可靠性進(jìn)行驗證。

１ 數(shù)據(jù)與方法

通過遙感影像提取水利工程及下游行洪通道人類活動數(shù)據(jù)，判斷人類活動是否符合《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國水庫大壩安全管理條例》《中華人民共和國河道管理條例》的相關(guān)規(guī)定，利用人類活動干擾指數(shù)模型分析評估人類活動造成的防洪風(fēng)險。

１．１ 研究區(qū)概況

河口村水庫位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，是控制沁河洪水、徑流的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。水庫工程規(guī)模為大（２）型，于２００８ 年６ 月１２ 日開工建設(shè)，２０１７ 年１０月通過河南省水利廳組織的竣工驗收。水庫壩址以下，沁河淹沒區(qū)涉及河南省濟(jì)源市五龍口鎮(zhèn)、梨林鎮(zhèn)與焦作市沁陽市、溫縣、武陟縣、博愛縣。

２０２１ 年７—１０ 月，受西太平洋副熱帶高壓和冷空氣等天氣系統(tǒng)的共同影響，河口村水庫大壩以上流域出現(xiàn)了特大暴雨，為保障水庫自身及上下游防洪安全，水庫進(jìn)行了長時間持續(xù)高水位大泄量運(yùn)用［１３］ 。

本文研究區(qū)為河口村水庫和工程下游沁河（金灘橋至丹河匯入沁河處）管理范圍、保護(hù)范圍，總面積為５ ５５７．７９ ｈｍ２。其中：水庫管理范圍７２３．０４ ｈｍ２，保護(hù)范圍１５９．１８ ｈｍ２；沁河管理范圍４ １９６．４１ ｈｍ２，保護(hù)范圍４７９．１６ ｈｍ２。

１．２ 遙感數(shù)據(jù)

本研究所用遙感數(shù)據(jù)包括２０１５ 年４ 月以及２０２１年５ 月至２０２２ 年５ 月共１４ 期遙感影像。數(shù)據(jù)源以高分一號、高分六號２ ｍ 全色／８ ｍ 多光譜影像為主，高分二號、高分七號０．８ ｍ 全色／３．２ ｍ 多光譜影像為補(bǔ)充。高分一號衛(wèi)星于２０１３ 年成功發(fā)射，是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)國家科技重大專項的首發(fā)衛(wèi)星，可獲取２ ｍ 分辨率全色影像和８ ｍ／１６ ｍ 分辨率多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外４ 個波段）；高分二號衛(wèi)星于２０１４ 年成功發(fā)射，是我國自主研制的首顆空間分辨率高于１ ｍ 的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，可獲?。埃?ｍ 全色影像和３．２ ｍ 多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外４ 個波段）；高分六號衛(wèi)星于２０１８ 年成功發(fā)射，是一顆低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星，也是中國首顆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測的高分衛(wèi)星，可獲?。?ｍ 全色影像、８ ｍ 多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外４個波段）和１６ ｍ 多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外、紅邊、深藍(lán)等８ 個波段）；高分七號衛(wèi)星于２０１９ 年成功發(fā)射，是我國首顆民用亞米級光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星，可獲?。埃?ｍ 全色影像和３．２ ｍ 多光譜影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外４ 個波段）［１４］ 。影像經(jīng)過大氣校正、正射校正、幾何配準(zhǔn)、影像融合、影像裁剪等處理。

１．３ 研究方法

１．３．１ 人類活動遙感監(jiān)測

１）監(jiān)測范圍。選取水利工程及下游行洪通道開展在運(yùn)水利工程人類活動風(fēng)險遙感監(jiān)測與評價。為便于分析不同區(qū)域人類活動對防洪的影響，將其劃分為管理范圍和保護(hù)范圍。水利工程管理范圍為設(shè)計洪水位線或土地征用線以內(nèi)區(qū)域；有堤防河道管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地、行洪區(qū)和堤防及護(hù)堤地；無堤防河道管理范圍為歷史最高洪水位或者設(shè)計洪水位范圍內(nèi)的水域、沙洲、灘地和行洪區(qū)。保護(hù)范圍為管理范圍向外延伸一定距離的區(qū)域。管理范圍和保護(hù)范圍以水利工程及河道劃界成果為準(zhǔn)。

２）分類標(biāo)準(zhǔn)?！吨腥A人民共和國防洪法》《中華人民共和國水庫大壩安全管理條例》《中華人民共和國河道管理條例》《水利水電工程（水庫、水閘）運(yùn)行危險源辨識與風(fēng)險評價導(dǎo)則》等明確規(guī)定了水利工程及下游行洪通道內(nèi)禁止或有一定限制條件的人類活動，包括修建建筑物與構(gòu)筑物、傾倒垃圾與渣土、種植林木和高稈作物、圍湖造地、修建跨河工程、采砂、取土、挖筑魚塘等。