郭 偉，蔣 瑜，包志軒

（湖南省水利水電勘測設計規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

水庫是攔洪蓄水和調節(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。但興建水庫同時不可避免對水庫周邊生態(tài)環(huán)境產生影響。因此，有必要對水庫變化進行長時序的動態(tài)監(jiān)測。一般來說，水庫變化以直接的水文觀測為主，但這種傳統(tǒng)方法耗時耗力，難以準確表達區(qū)域性實時變化，不能滿足對水庫水質長期、大面積、動態(tài)的監(jiān)測要求，遙感技術具有信息量大、觀測范圍廣、精度高等獨特優(yōu)勢，為大型水利工程項目監(jiān)測提供新技術、新方法和新手段。

基于遙感技術手段對水電站庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測研究，國內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1992—2007 年三峽工程庫區(qū)環(huán)境變化進行了全面的監(jiān)測，并提出了相應區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護措施；Shumba 等[2]利用遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測卡里巴水庫的水位變化，并結合遙感數(shù)據(jù)分析影響水位變化的自然與人為因素；Li 等[3]結合遙感技術，研究了大壩對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梯級開發(fā)水電的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響進行動態(tài)監(jiān)測，并從大壩樞紐區(qū)和整個庫區(qū)兩個方面進行了分析；吳柏清等[5]基于遙感與GIS 技術，對水電站庫區(qū)1998—2003 年植被覆蓋度動態(tài)變化進行監(jiān)測與分析，并表明，植被覆蓋度變化與人類活動、自然因素密切相關。

盡管遙感技術在水電站庫區(qū)研究有了一定的應用，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、自然等綜合體來研究水電工程對生態(tài)環(huán)境的影響?！笆奈濉逼陂g，國家加大對水利的投資建設，如何對眾多的水利工程項目進行監(jiān)測并分析水利工程對當?shù)氐纳鷳B(tài)、經(jīng)濟社會影響，針對這一問題，本課題基于遙感技術的優(yōu)勢，以涔天河水庫為例，提出一種水庫動態(tài)監(jiān)測的新方法，并從庫區(qū)水體動態(tài)變化、庫區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況、社會經(jīng)濟影響三個方面建立一套監(jiān)測指標體系，通過監(jiān)測結果能分析研究區(qū)域在長時間序列的區(qū)域性變化情況，為智慧水利提供數(shù)據(jù)支撐，為水務管理部門提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

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

2 研究方法

2.1 監(jiān)測體系建立

對水庫的監(jiān)測主要涉及生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟兩個方面的內容。采用多源遙感數(shù)據(jù)對各個指標進行監(jiān)測，然后對涔天河水庫的生態(tài)環(huán)境影響和社會經(jīng)濟變化情況進行綜合評價。具體流程如圖1 所示。

圖1 水庫監(jiān)測技術流程

2.2 生態(tài)環(huán)境影響監(jiān)測

2.2.1 水域面積變化監(jiān)測

本文利用JRC Monthly Water History 數(shù)據(jù)集水庫庫區(qū)水域面積進行監(jiān)測。為提高水域數(shù)據(jù)的可靠性，對月度數(shù)據(jù)的像元進行判斷，若1 年中有7 個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2012—2021 年涔天河水庫水域面積進行時序變化監(jiān)測。

2.2.2 RSEI 指標

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

式中ρ8、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為Landsat8 影像中Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2 波段的反射率；Ci為相應的比例系數(shù)。對于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。“歸一化”差值植被指數(shù)無疑是應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系，因此，選用NDVI 來代表綠度指標，公式為：

3）干度指標。代表干度指標的建筑指數(shù)選擇的是IBI 建筑指數(shù)，但在區(qū)域環(huán)境中，還有相當一部分的裸土，它們同樣造成地表的“干化”，因此，干度指標（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 的計算公式如下:

4） 溫度指標。MODIS 陸地表面溫度數(shù)據(jù)（MOD11A2），選擇LST 波段尺度轉換之后進行計算：

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”后的指標進行融合，并對其進行主成分分析[6～7]。取結果的第一個分量（PC1），再用1 減去PC1 得到初始值RSEI0。最后，“歸一化”計算RSEI 指數(shù)。RSEI 指數(shù)越高，表示其生態(tài)質量越好，反之則越差。其計算表達式為：

2.3 社會經(jīng)濟變化監(jiān)測

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，對燈光數(shù)據(jù)進行連續(xù)性校正后，提取燈光指數(shù)總和及燈光增長率進行統(tǒng)計和研究，分析水庫擴建前后當?shù)亟?jīng)濟變化情況。統(tǒng)計方法如式（9）:

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

n——像元數(shù)量，xi為第i 個像元的DN 值。

礦區(qū)夜間燈光指數(shù)增長率計算公式如下：

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)增長率。

3 結果與分析

3.1 庫區(qū)水體監(jiān)測

從JRC Monthly Water History 地表水數(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，2016 年水域面積達5.28 km2，2016—2019 年水域面積變化明顯，2019 年達到最高值，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 km2

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

3.2 遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)分析

3.2.1 指標統(tǒng)計

表2 統(tǒng)計了2014 年、2017 年、2021 年的4 個指標和遙感生態(tài)指數(shù)（簡稱RSEI）的最小值、最大值、均值、標準差。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。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，生態(tài)環(huán)境質量逐年提高。

表2 各年份4 個指標與RSEI 值統(tǒng)計表

3.2.2 RSEI 分級統(tǒng)計分析

將各個年份的RSEI 指數(shù)重新分類成5 個等級，分別代表差、較差、中、良、優(yōu)5 個生態(tài)環(huán)境等級，并對各個等級的面積、比重進行統(tǒng)計（表3），從而對江華縣的生態(tài)環(huán)境質量進行定量的評價。

表3 江華縣各年份RSEI 值分布統(tǒng)計圖

2014 年、2017 年、2021 年的RSEI 指數(shù)在生態(tài)環(huán)境質量差的面積少，占比均不足1%，而其他等級分布有明顯的差異，2014 年和2017 年生態(tài)環(huán)境等級以中、良兩個為主，2021 年生態(tài)環(huán)境質量為優(yōu)的面積為1 331.404 km2，占比達到41.4%，進一步說明2021 年生態(tài)環(huán)境質量最高，且在近9 年時間內江華縣生態(tài)環(huán)境質量在逐步提高。

3.2.3 RSEI 變化檢測

在RSEI 指數(shù)分成5 個等級的基礎上，對江華縣各個年份的生態(tài)環(huán)境質量進行差值變化檢測分析，同時對變化的面積和比例進行統(tǒng)計如表4 和圖2。由圖表可知級差絕對值為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)境質量提升區(qū)域面積占比達到27.14%；2017—2021 年有近50%的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量未發(fā)生變化，并且該時間段內生態(tài)環(huán)境質量變差的區(qū)域面積占比僅為1.4%，而生態(tài)環(huán)境質量提升的區(qū)域面積高達48.8%。

表4 RSEI 變化檢測表

圖2 江華縣生態(tài)環(huán)境變化檢測圖

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，水庫兩岸生態(tài)環(huán)境質量也出現(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)境質量得到了提升。

3.3 經(jīng)濟社會變化監(jiān)測

3.3.1 夜間燈光反演

夜光遙感技術能夠大范圍地獲取人類社會經(jīng)濟活動的信息，且燈光數(shù)據(jù)和GDP 關系有很強的相關性，夜間燈光指數(shù)能一定程度反映地區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展[8]。對VIIRS 夜間燈光數(shù)據(jù)進行去噪、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)計江華縣夜間燈光數(shù)據(jù)總值和夜間燈光增長率，繪制夜間燈光時序變化圖，如表5、圖3。

表5 夜間燈光數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

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 年燈光總值增長率達到133.923%，2019到2020 年燈光總值又出現(xiàn)小幅度上升，達到19.304%。原因是2016 年水庫主體建成并完成發(fā)電，2020 年移民通過驗收，燈光值指數(shù)增長較快。

3.3.2 移民安置工程監(jiān)測

通過2014 年、2021 年兩期高分辨影像對水庫移民的東田鎮(zhèn)和水口鎮(zhèn)進行的解譯，同時統(tǒng)計建筑面積（見表6、圖4），表明在水庫擴建工程完成后，移民點建筑面積明顯增加，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 移民點建筑面積統(tǒng)計表 km

圖4 移民點動態(tài)監(jiān)測圖

4 結 論

本文利用遙感技術的優(yōu)勢，通過多源遙感數(shù)據(jù)對涔天河水庫近10 年的水域面積、生態(tài)環(huán)境質量和社會經(jīng)濟狀況進行近動態(tài)變化監(jiān)測分析，從遙感的角度反映了涔天河水庫擴建工程前后的變化，以及對周邊生態(tài)環(huán)境質量的影響情況，監(jiān)測結果表明：

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 月正常蓄水位達標驗收后，2019 年水域面積達到最大，為20.41 km2。監(jiān)測的結果與水庫擴建工程實際相符合，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)境質量監(jiān)測RSEI 指數(shù)2014—2017 年上升了10.60%；2017—2021 年上升了12.46%，短期內水庫擴建工程對庫區(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，社會經(jīng)濟發(fā)展顯著。

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