戚曉明,楊 蘭,白 夏,汪迎春

(蚌埠學(xué)院應(yīng)用化學(xué)與環(huán)境工程系,安徽 蚌埠 233030)

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基于遙感數(shù)據(jù)的洪澤湖庫容曲線推求

戚曉明,楊 蘭,白 夏,汪迎春

(蚌埠學(xué)院應(yīng)用化學(xué)與環(huán)境工程系,安徽 蚌埠 233030)

基于洪澤湖區(qū)域21景ETM+遙感影像,解譯得到洪澤湖的水面變化時(shí)間序列數(shù)據(jù);結(jié)合三河閘(閘上)實(shí)測水位數(shù)據(jù),推導(dǎo)了洪澤湖水位-水面面積函數(shù)關(guān)系,運(yùn)用積分方法得到洪澤湖庫容曲線,并與現(xiàn)有庫容曲線進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:洪澤湖周邊水域圈圩養(yǎng)殖區(qū)是早期形成的,2000—2015年間圈圩總體上得到一定的控制,但在洪澤湖西岸有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì);水位-水面面積函數(shù)的選取對(duì)低水位水面面積推算有影響,進(jìn)而對(duì)湖泊死庫容計(jì)算產(chǎn)生累計(jì)誤差影響;遙感影像數(shù)據(jù)越豐富、影像之間的湖泊水位差越小,則庫容曲線越準(zhǔn)確。

庫容曲線;遙感影像;水面面積;土地利用變化;洪澤湖

淮河流域是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)和人口密集區(qū),流域內(nèi)濕地類型多樣,包括眾多大型湖泊、縱橫交錯(cuò)的河網(wǎng)和大量人工濕地。近年來,隨著淮河流域中下游地區(qū)人口的增長和經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,湖泊周邊的庫岸修建、聯(lián)圩并圩以及圍湖墾殖等人類活動(dòng)使湖泊調(diào)蓄洪水的能力受到了影響,在一定程度上改變了湖泊原有的水位庫容關(guān)系[1]。水庫庫容曲線是水庫調(diào)度運(yùn)行管理、大壩安全認(rèn)定的重要依據(jù),也是大壩高度、泄洪設(shè)施正常運(yùn)行、正常蓄水位、防洪限制水位的重要依據(jù)[2]。目前,我國庫容曲線的建立多依靠在水庫蓄水前進(jìn)行庫區(qū)地形圖測量,蓄水運(yùn)行后則采用GPS 定位與水深測量相結(jié)合的方式進(jìn)行量測[3],這種實(shí)地地形量測方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力,特別是針對(duì)歷史形成的湖泊,這種方法更受限制。自20世紀(jì)70年代以來, 遙感技術(shù)被廣泛用于洪水淹沒范圍制圖, 水深遙感測量也得到廣泛的關(guān)注[4]。近年來遙感技術(shù)在水利方面的應(yīng)用越來越成熟廣泛[5]。洪澤湖作為淮河流域的重要濕地之一,對(duì)區(qū)域防洪、生態(tài)平衡和穩(wěn)定環(huán)境等具有重要作用[6],而洪澤湖的庫容曲線在評(píng)價(jià)其蓄洪效益和水文過程模擬中不可或缺。1906年和1954年曾對(duì)洪澤湖作了大規(guī)模的水文調(diào)查[7],隨著洪澤湖地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,土地利用變化顯著,有必要復(fù)核洪澤湖的庫容曲線。本文利用洪澤湖區(qū)域多期遙感數(shù)據(jù)和三河閘(閘上)水位資料推求了洪澤湖的庫容曲線。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

洪澤湖是我國五大淡水湖之一,地處淮河流域中下游結(jié)合處的蘇北平原中部偏西,位于江蘇省淮安、宿遷兩市境內(nèi),地理位置在北緯33°06′～33°40′和東徑118°10′～118°52′之間[1],如圖1所示。洪澤湖處于黃淮平原,是淮河流域最大平原水庫,屬于過水性湖泊,水域面積隨水位波動(dòng)較大,平均水深1.5 m,最大水深4.5 m,水位在12.5 m時(shí)水域面積約為1 597 km2, 庫容約30.4億m3;洪澤湖死水位11.11 m(1985國家高程基準(zhǔn)),汛限水位12.31 m,正常蓄水位12.81 m,規(guī)劃蓄水位13.31 m,設(shè)計(jì)洪水位15.81 m。洪澤湖不僅是周邊重要的水源地,也是南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)蓄水庫,具有防洪抗旱、調(diào)水、水產(chǎn)、水運(yùn)等綜合利用功能。

圖1 洪澤湖概況

1.2 湖泊水域面積商榷

洪澤湖屬于過水性湖泊,其河床高度比周邊陸地高出近2 m,在不同的水位高度時(shí)其湖泊水面面積不同。土地利用方式的變化對(duì)洪澤湖濕地產(chǎn)生較大的影響,湖邊的農(nóng)田和灘地被開挖成魚塘,淺水區(qū)由于圍網(wǎng)養(yǎng)殖,天然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地或其他非濕地類型。另外水工建筑物的修建也對(duì)湖區(qū)濕地格局產(chǎn)生影響,如1954年三河建閘使得洪澤湖水位大幅提升,1979—1988年間洪澤湖西岸臨淮鎮(zhèn)大閘口附近養(yǎng)殖池塘或者圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)大量興建[8-9],這些因素使得洪澤湖不同水位條件下的水域面積發(fā)生了一定的變化。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10-17]可知不同水位條件下洪澤湖的水面面積值有一定的差異,這說明復(fù)核不同水位條件下對(duì)應(yīng)的湖泊水面面積是十分必要的。表1是有關(guān)文獻(xiàn)中列出的不同水位對(duì)應(yīng)的湖泊水面面積。

1.3 洪澤湖周邊水域圈圩變化

洪澤湖屬于沖積平原淺水型湖泊，面臨的最嚴(yán)峻問題就是水域圈圩致使湖面萎縮,因此分析洪澤湖區(qū)域的土地利用變化,有助于理解洪澤湖庫容曲線的變化機(jī)理。根據(jù)洪澤湖湖岸特點(diǎn),即湖北、西、南三面屬于天然湖岸,東部為人工大堤,將湖區(qū)分成3個(gè)子區(qū)域,采用人工交互解譯方法計(jì)算洪澤湖水域圈圩面積的變化情況;采用水位12.5 m時(shí)洪澤湖面積1 597.0 km2來計(jì)算水域圈圩所占百分比，結(jié)果如表2所示。圖2為近年來的水域圈圩變化情況,分析可知洪澤湖周邊水域圈圩養(yǎng)殖區(qū)是早期形成的,2000—2015年間圈圩總體上得到一定的控制,但在洪澤湖西岸有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì)。

表1 歷史文獻(xiàn)中的洪澤湖水位面積關(guān)系

表2 洪澤湖周邊水域圈圩變化

圖2 洪澤湖水域圈圩分區(qū)及變化

1.4 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

根據(jù)洪澤湖的地理位置、特點(diǎn)和遙感數(shù)據(jù)的實(shí)用性、可獲取性和季節(jié)性水位變化來確定庫容曲線。選取覆蓋研究區(qū)的21景不同時(shí)相的Landsat ETM+衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(軌道號(hào)120/37),分辨率為30 m,成像質(zhì)量和成像時(shí)的天氣狀況都比較理想。遙感影像的獲取時(shí)間盡量在汛期前,避開汛期(6—8月),以保證相鄰兩幅遙感影像之間的水位差較小,具有良好的可比性。采用ENVI 5.1遙感圖像處理軟件,將各時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,即采用該時(shí)相的ETM+全色波段數(shù)據(jù),采用雙線性內(nèi)插法重采樣使其空間分辨率提高到15 m。選取成像質(zhì)量較好的2000-09-16 ETM+影像作為基準(zhǔn)影像,利用特征顯著的同名控制點(diǎn)和多項(xiàng)式糾正模型進(jìn)行圖像的幾何校正,使得幾何校正和配準(zhǔn)精度控制在0.5個(gè)像元以內(nèi),并將其他遙感影像與該影像進(jìn)行配準(zhǔn)。參考百度地圖上的高分辨率遙感影像和野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和分類,從而滿足洪澤湖水面面積解譯及變化分析的要求。

表3 洪澤湖周邊濕地及水面計(jì)算規(guī)則

2 庫容曲線推求

2.1 技術(shù)路線

a. 水面計(jì)算規(guī)則。洪澤湖周邊濕地可分為人工濕地和天然濕地兩大類,其中人工濕地包括水庫、坑塘地、水田、溝渠、人工運(yùn)河、稻田濕地;天然濕地包括河流、湖泊和濱湖河漫灘等類型。在不同水位條件下洪澤湖周邊區(qū)域的濕地面積是否計(jì)算在湖泊水面面積內(nèi),這對(duì)湖泊庫容的計(jì)算是有影響的。根據(jù)遙感影像的顏色、形狀、結(jié)構(gòu)及其與周邊環(huán)境要素的相關(guān)關(guān)系(圖3)可判斷堤外水體和堤內(nèi)水體是否緊密相連,這和水位、成像季節(jié)有一定的關(guān)系。圖3(a)表明水域和非水體間有明顯的壩體分隔,壩外地域不受湖泊高水位影響;圖3(b)表明水域內(nèi)有水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域,受湖泊水位影響;圖3(c)表明湖堤外圍地勢(shì)低洼(蓄滯洪區(qū))，不同程度受湖泊水位影響;因此,需要分析堤內(nèi)與堤外水體是否緊密相連,在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上檢驗(yàn)分析不同時(shí)相差異導(dǎo)致的濕地變化,從而建立洪澤湖周邊濕地遙感解譯標(biāo)志如表3所示。

圖3 洪澤湖堤外與堤內(nèi)水體關(guān)系

b. 數(shù)據(jù)選取。將研究區(qū)范圍內(nèi)所有時(shí)相ETM+遙感影像收集并按時(shí)間排序,查找與該影像成像時(shí)間對(duì)應(yīng)的三河閘(閘上)水位數(shù)據(jù),篩選影像使得所選取遙感數(shù)據(jù)間水位差比較合理。

c. 水體解譯。對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正和配準(zhǔn);目前,包括監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、單波段閾值、植被指數(shù)、歸一化水體指數(shù)等模型都被成功應(yīng)用到地表水體識(shí)別與提取。由于洪澤湖周圍區(qū)域土地利用變化較突出,城市和水體信息容易混淆,采用徐涵秋[17]改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)能夠很好地區(qū)分城市和水域。考慮水體的波譜特征是在TM2(Band2:0.52～0.60 μm)具有較強(qiáng)的透射性,而在TM5(Band5:1.55～175 μm)處于水的吸收帶內(nèi),對(duì)含水量敏感,因此采用綠光波TM2與短波近紅外波段TM5數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值作為徐涵秋改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)。

d. 水面面積計(jì)算。在ENVI5.1環(huán)境下,對(duì)洪澤湖外區(qū)域，按照表3洪澤湖周邊濕地及水面計(jì)算規(guī)則,采用監(jiān)督分類方法制作掩模,處理掉非洪澤湖水域,然后采用MNDWI提取研究區(qū)水域面積,技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 水面面積計(jì)算技術(shù)路線圖

2.2 水域面積提取

采用三河閘(閘上游,站碼為51002650)2000—2011年實(shí)測日水位數(shù)據(jù),提取洪澤湖典型水域影像如圖5所示,其中圖5(a)(d)是2010年9月12日水位為12.50 m的遙感影像和解譯后的水位面積,該水位是洪澤湖的正常蓄水水位;圖5(b)(e)是2003年7月23日水位為13.72 m的遙感影像和解譯后的水位面積,該水位是研究時(shí)段內(nèi)較高的水位(研究數(shù)據(jù)序列中最高水位是2003年7月14日的13.96 m,但是該日遙感影像有大量云覆蓋);圖5(c)(f)是2001年7月17日水位為10.85 m的遙感影像和解譯后的水位面積,這是研究時(shí)段中較低的水位(研究數(shù)據(jù)序列中最低水位是2001年7月25日的10.54 m,但是該日遙感影像有大量云覆蓋)。洪澤湖不同時(shí)間水面面積和實(shí)測水位的關(guān)系如表4所示。

2.3 湖泊水面面積與水位函數(shù)關(guān)系計(jì)算

推求庫容曲線的前提是要先建立水面面積與水位的函數(shù)關(guān)系,水面面積-水位函數(shù)與根據(jù)多時(shí)相遙感影像解譯得到的水面面積-水位函數(shù)的逼近程度直接決定了洪澤湖庫容計(jì)算的準(zhǔn)確性。從表4的水面面積和水位數(shù)據(jù)關(guān)系分析可知:在水位低于12.2 m時(shí),水面面積-水位之間呈線性關(guān)系;在水位高于12.2 m時(shí)水面面積-水位之間呈現(xiàn)復(fù)雜的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。擬合的水面面積-水位關(guān)系如圖6所示,具體關(guān)系為

式中:F為水面面積,m2;z為水位,m。

由圖6可知，擬合的相關(guān)系數(shù)較大,說明所得到的關(guān)系式能很好反映水面面積與水位之間的關(guān)系。

表4 洪澤湖水面面積和水位的關(guān)系

注:水位是1985國家高程基準(zhǔn)。

圖6 洪澤湖水面面積-水位關(guān)系

2.4 湖泊庫容與水位關(guān)系計(jì)算

根據(jù)洪澤湖水面面積-水位關(guān)系推求庫容的方法通常采用等高距梯形公式法或等高距棱臺(tái)公式法,其中梯形公式法適合庫區(qū)形態(tài)狹長的水庫,棱臺(tái)公式法適合庫區(qū)形態(tài)寬闊的水庫[18-19]。洪澤湖水面寬闊且平坦,因此采用棱臺(tái)計(jì)算公式法推求水位-庫容關(guān)系。根據(jù)擬合方程(1),即可獲取洪澤湖任意水位下的水面面積,再采用相鄰水位的面積推求洪澤湖庫容：

(2)

式中:Vi為水庫某一水位的庫容;Hi為兩相鄰水位的水位差(取Hi=1 cm);Fi為庫區(qū)水面面積;n為總的水位分段數(shù)。經(jīng)計(jì)算，得到洪澤湖庫容曲線如圖7所示。

圖7 洪澤湖庫容曲線

3 推求的庫容曲線分析

3.1 庫容曲線對(duì)比

對(duì)比韓愛民等[7]采用數(shù)字地形高程計(jì)算的洪澤湖庫容曲線與本文成果如表5和圖8所示。由圖8可以看出,基于ETM+遙感影像數(shù)據(jù)推求的庫容曲線與文獻(xiàn)[7]的庫容曲線在線形趨勢(shì)方面非常接近,在低水位庫容擬合方面存在一定的差別,總體上驗(yàn)證了推求的庫容曲線比較科學(xué)合理。

圖8 洪澤湖庫容曲線對(duì)比

3.2 誤差分析

a. 分類面積誤差分析。洪澤湖遙感數(shù)據(jù)中可利用圖幅有限,由于常年水位變化不大,特別是高水位和低水位面積遙感數(shù)據(jù)較少,難于抓住最大與最小水位,水面面積的量算和曲線的配準(zhǔn)誤差等因素都會(huì)對(duì)庫容曲線的推求精度產(chǎn)生影響。為了減少洪澤湖遙感影像監(jiān)督分類處理、提取水域面積時(shí)的誤差,采用ETM+衛(wèi)星圖像資料全色波段數(shù)據(jù)重采樣為15 m×15 m的分辨率數(shù)據(jù),并與實(shí)際野外控制點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行地理位置精校正后,可以使得誤差控制在一個(gè)像元內(nèi),這樣統(tǒng)計(jì)的面積是可靠的,可以滿足湖泊庫容推算要求。

表5 洪澤湖水文特征參數(shù)對(duì)比

b. 水面面積-水位函數(shù)誤差分析。洪澤湖水位總高差為2.87 m,共使用了21景ETM+遙感影像,相鄰兩景遙感影像之間的平均水位差為0.14 m。根據(jù)洪澤湖的水位資料用擬合的多項(xiàng)式反推其相應(yīng)的水面面積,并與遙感影像解譯得到面積對(duì)比進(jìn)行誤差分析,檢驗(yàn)所擬合曲線的精度。水位為11 m以上時(shí),計(jì)算的水面面積絕對(duì)誤差較小;水位較低時(shí)水面面積計(jì)算的誤差較大,比如11 m水位時(shí)對(duì)應(yīng)的水面面積就多了158 km2。

c. 死庫容誤差分析。由于遙感影像沒有捕捉到水位為11 m以下的水面面積,通過水位-水面面積函數(shù)關(guān)系推求的11 m以下的水面面積誤差偏大(表5),11 m以下的庫容推求是誤差的主要來源。通過和洪澤湖地形數(shù)據(jù)推求的庫容曲線對(duì)比分析,在12.5 m以上的庫容普遍比文獻(xiàn)[7]的庫容大(平均偏大5.4%)。洪澤湖水位11 m向下延伸推求的水面面積比DEM算出的水面面積大16%,而這部分庫容對(duì)整體庫容曲線的正確與否很重要。

d. 庫容曲線趨勢(shì)分析。從圖8可知，當(dāng)水位在12.5 m以上時(shí),本文遙感技術(shù)方案推求的庫容曲線與文獻(xiàn)[7]采用DEM推求的庫容曲線趨勢(shì)基本一致,這說明庫容曲線趨勢(shì)的準(zhǔn)確程度取決于遙感數(shù)據(jù)的豐富程度及不同遙感圖像間的水位差。

e. 水深誤差分析。由于南水北調(diào)東線工程調(diào)水線路經(jīng)過洪澤湖,非汛期水位抬高到13.31 m,輸水期平均水位比輸水前提高0.50 m,并維持較高水位[20]。通過表5分析可知,本文方法推求的庫容偏大2.3%,水深也偏大11.8%。文獻(xiàn)[7]的DEM水平分辨率精度不是很高,其推求的水面面積存在一定的誤差,因此其研究結(jié)論只能做參考性對(duì)比分析,更深入的分析需要更高精度的DEM數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

a. 遙感影像越豐富,相鄰兩景遙感影像之間的平均水位差較小,有利于保證庫容曲線的形態(tài)走勢(shì)的正確性。此次共采用美國陸地衛(wèi)星遙感ETM+圖像21幅,對(duì)應(yīng)洪澤湖水位10.85～13.72 m,平均影像間水位差為0.14 m,而洪澤湖正常運(yùn)行水位主要在12.5 m,其間圖像有13幅,完全滿足庫容曲線推求的精度要求。

b. 根據(jù)水位-水面面積關(guān)系推求沒有遙感影像的低水位水面面積的準(zhǔn)確與否對(duì)推求死庫容非常重要,這直接決定了庫容曲線的準(zhǔn)確性。

c. 應(yīng)用ETM+遙感影像數(shù)據(jù),通過監(jiān)督分類解譯洪澤湖水面面積,所推求的庫容曲線精度在12.5 m以上時(shí)是可靠的。在高水位時(shí)洪澤湖庫容比以往的研究偏大,這與其是南水北調(diào)工程的調(diào)蓄水庫,蓄水位上調(diào)至13.31 m,大堤已經(jīng)建成,堤外濕地面積有限有關(guān)。

d. 研究所使用的遙感反演方法主要改進(jìn)是引入洪澤湖周邊濕地及水面計(jì)算規(guī)則,這使得湖區(qū)水面面積計(jì)算更為準(zhǔn)確。

e. 用遙感技術(shù)推求湖泊庫容曲線避免了繁重的庫區(qū)水下地形測量工作,可經(jīng)濟(jì)快捷地推求出庫容曲線。

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Water level-capacity curve of Hongze Lake based on remote sensing data//

QI Xiaoming, YANG Lan,BAI Xia,WANG Yingchun

(DepartmentofChemistryandEnvironmentalEngineering,BengbuCollege,Bengbu233030,China)

Based on a 21 King ETM+ remote sensing image, time series data of water level variation were interpreted. The water level-area function was derived using the measured water level data of the Sanhe Sluice, a new water level-capacity curve of Hongze Lake was obtained with the integral method, and the water level-capacity curve was compared with the existing curve. The results show that the culture area of the captive polder around Hongze Lake was formed early, and the captive polder condition was improved from 2000 to 2015, but shows an aggravation trend in the western part of Hongze Lake. The selection of the water level-area function has an influence on the calculation of the water surface area with a lower water level, resulting in an error in the calculation of the dead storage of the lake. When the remote sensing image data are more abundant, the difference between lake water levels in different images is smaller, and the water level-capacity curve is more accurate.

water level-capacity curve; remote sensing; water surface area; land use change; Hongze Lake

國家自然科學(xué)基金(41001292);安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A267, 113052015KJ04)

戚曉明(1975—),男,副教授,博士,主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail:qixiaoming888@sina.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.013

TP79

A

1006-7647(2017)03-0077-07

2016-05-15 編輯：鄭孝宇)