白洋淀流域河流干涸斷流遙感監(jiān)測(cè)

孟斌，郅曉沙，王晨, 殷守敬，周亞明，趙乾

(生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心, 北京 100094)

中國(guó)水資源相對(duì)不足，水資源時(shí)空分布不均衡，水資源短缺已經(jīng)成為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素[1-3]。地表河流徑流是水資源的重要組成部分，隨著河流生態(tài)流量減小，部分河段出現(xiàn)了干涸斷流情況，引起地下水水位降低、水容量減少，威脅水生態(tài)安全[4-5]。河流干涸斷流監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)手段是依靠國(guó)控?cái)嗝娑ㄆ陂_(kāi)展流量監(jiān)測(cè)，根據(jù)河水流量的多少判斷監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)處河段是否出現(xiàn)河流干涸斷流現(xiàn)象，該種監(jiān)測(cè)方法僅能獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的情況，無(wú)法獲取整個(gè)河段的干涸斷流狀況。隨著中國(guó)民用衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)具有空間分辨率高、重訪周期短以及監(jiān)測(cè)成本低等特點(diǎn)，為開(kāi)展宏觀大尺度的河流干涸斷流等水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供可能，為地表河流水體信息提取、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供了重要技術(shù)手段[6-7]。

白洋淀是華北平原最大的淡水湖泊濕地，是雄安新區(qū)水生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)的重要屏障，但該地區(qū)水資源匱乏，濕地面積萎縮，甚至出現(xiàn)干淀等環(huán)境問(wèn)題[8-9]。白洋淀流域河流徑流匯集是白洋淀水源補(bǔ)給的重要來(lái)源，因此開(kāi)展該流域河流干涸斷流的監(jiān)測(cè)工作能夠全面掌握地表河流徑流水資源狀況及空間分布，為改善流域水環(huán)境質(zhì)量狀況提供服務(wù)?，F(xiàn)分別利用2018年春季(枯水期)、夏季(豐水期)高空間分辨率遙感影像，通過(guò)目視解譯的方法獲取白洋淀流域河流干涸斷流空間分布及嚴(yán)重程度，準(zhǔn)確獲取白洋淀流域河流的干涸斷流空間分布及其季度變化情況，以期為白洋淀流域水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管，維持河湖生態(tài)用水需求提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀流域主要包括河北省中部平原地區(qū)以及北京市和山西省大同市的部分區(qū)域，平原區(qū)地處太行山東麓，流域面積31 200 km2，研究區(qū)地理區(qū)位見(jiàn)圖1。流域大部分地區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水具有明顯的季節(jié)性，80%的降水集中于夏季，匯入白洋淀的河流主要有潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河等。白洋淀作為華北最大的淺湖濕地,入淀水量主要受南、西、北三面呈扇形分布的河流入淀水量和淀區(qū)降雨量、上游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生產(chǎn)生活用水量的影響[10-11]。

圖1 研究區(qū)地理區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)源

河流干涸斷流監(jiān)測(cè)所用遙感影像主要包括北京二號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)、資源三號(hào)等國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源信息見(jiàn)表1。根據(jù)影像無(wú)大范圍噪聲、斑點(diǎn)、壞線等以及云量小于10%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，累計(jì)選出2018年春季(3—5月累計(jì)成像影像數(shù)據(jù))及2018年夏季(6—8月累計(jì)成像影像數(shù)據(jù))超過(guò)160個(gè)有效影像，春季、夏季白洋淀流域影像覆蓋率分別為83.3%和86.7%。監(jiān)測(cè)河流矢量數(shù)據(jù)采用1∶25萬(wàn)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括集水面積大于1 000 km2、主干河道長(zhǎng)度大于500 km的1～6級(jí)河流，河流等級(jí)綜合考慮匯水面積、河流重要性及河網(wǎng)密度等因素，監(jiān)測(cè)范圍的河流共計(jì)55條，總長(zhǎng)度約3 100 km。研究區(qū)范圍確定參考1∶25萬(wàn)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)區(qū)縣級(jí)行政邊界，研究區(qū)監(jiān)測(cè)范圍與實(shí)際流域邊界會(huì)有局部差異。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)源

1.3 數(shù)據(jù)處理

遙感影像預(yù)處理包括幾何校正、正射校正、圖像配準(zhǔn)、影像融合等過(guò)程。幾何校正是通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)改正和消除遙感影像成像時(shí)物鏡畸變、大氣折光、地形起伏等因素導(dǎo)致的原始圖像上各地物的幾何位置、形狀等特征產(chǎn)生的變形；正射校正將對(duì)由地形、相機(jī)幾何特性以及與傳感器相關(guān)的誤差所造成的幾何畸變進(jìn)行校正處理；圖像配準(zhǔn)是將正射校正過(guò)的多光譜影像參照校正后的全色影像進(jìn)行圖像匹配校正，保證全色和多光譜影像的幾何位置、形狀等特征相匹配；遙感影像融合是將校正好的低空間分辨率的多光譜圖像與高空間分辨率的單波段圖像重采樣生成一幅高分辨率的多光譜圖像[12]。完成預(yù)處理的遙感影像既提高了多光譜影像空間分辨率，又保留其光譜特性，能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別河流水體信息。

對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)河流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修正、補(bǔ)充。從1∶25萬(wàn)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)河道矢量數(shù)據(jù)中提取研究區(qū)范圍內(nèi)的1～6級(jí)河流矢量數(shù)據(jù)，基于遙感影像對(duì)河道矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，將河道矢量數(shù)據(jù)空間位置不準(zhǔn)確以及部分缺失的河道矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、補(bǔ)充。此外基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)具有一定的時(shí)效性，一定時(shí)間段內(nèi)部分河流因人工修建水利設(shè)施及河道的變化，需要對(duì)人為因素產(chǎn)生的河道偏離基于遙感影像進(jìn)行修正，最終確保監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)河道空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

1.4 河道干涸斷流解譯方法

目前遙感解譯的方法主要包括人工目視解譯及計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯，其中目視解譯操作方法簡(jiǎn)單、精度較高。河流干涸斷流遙感識(shí)別過(guò)程中會(huì)遇到部分河流水面寬度較窄的情況，同時(shí)遙感解譯過(guò)程中需要參照參考資料及歷史影像數(shù)據(jù)，綜合考慮計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯方法不適用，最終確定采用人工目視解譯作為河流干涸斷流遙感解譯的主要方法。綜合考慮河流水體在不同波段組合條件下的紋理、色調(diào)、形態(tài)等特征，構(gòu)建干涸河道和通水河道遙感識(shí)別解譯標(biāo)志，同時(shí)計(jì)算影像數(shù)據(jù)的歸一化水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)用來(lái)輔助判斷河流通水與斷流情況。在解譯標(biāo)志基礎(chǔ)上，結(jié)合歸一化水體指數(shù)進(jìn)行干涸河道和通水河道的判讀，遙感解譯標(biāo)志見(jiàn)圖2。

圖2 河流干涸斷流遙感解譯標(biāo)志

開(kāi)展河流干涸斷流識(shí)別的數(shù)據(jù)源主要是4波段的可見(jiàn)光影像數(shù)據(jù)，根據(jù)影像計(jì)算歸一化水體指數(shù)，該指數(shù)是Mcfeeters在1996年提出的，是基于綠波段與近紅外波段的歸一化比值指數(shù)。NDWI一般用來(lái)提取影像中的水體信息效果較好，研究區(qū)域1～6級(jí)河流主要分布在城鎮(zhèn)以外的農(nóng)村地區(qū)，因此參考NDWI輔助判斷河流干涸斷流及通水情況具有較好的效果[13]?；谟跋駭?shù)據(jù)計(jì)算歸一化水體指數(shù)，根據(jù)單波段閾值法確定閾值為0.1作為河道干涸及通水情況的判斷臨界值，閾值小于0.1為干涸斷流河道，閾值大于等于0.1為通水體河道的輔助判斷依據(jù)，歸一化水體指數(shù)(NDWI)影像見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)NDWI影像

2 結(jié)果與分析

2.1 河流干涸斷流遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1.1 2018年春季(枯水期)白洋淀流域河流干涸斷流遙感監(jiān)測(cè)

遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，白洋淀流域河流2018年春季納入監(jiān)測(cè)的55條河流中有50條河流存在干涸斷流現(xiàn)象，占河流總數(shù)的90.9%；干涸河道長(zhǎng)度為1 169.84 km，占全部監(jiān)測(cè)河道總長(zhǎng)度的38.6%，干涸河道空間分布詳見(jiàn)圖4。唐河、大沙河、慈河3條河流干涸河道長(zhǎng)度均超過(guò)90 km，其中，唐河干涸河道最長(zhǎng)，長(zhǎng)度為135.13 km，干涸河道長(zhǎng)度見(jiàn)圖5(按干涸長(zhǎng)度從大到小排序，只展示了排名靠前的河流)；大東河、新開(kāi)河、華山河、澤水河、環(huán)山渠5條河流的干涸比達(dá)100%，影像覆蓋河段全線處于干涸斷流狀態(tài)；白洋淀流域范圍主要包括河北省的保定、石家莊、廊坊、張家口，北京以及山西大同部分地區(qū)，其中保定、石家莊和大同3個(gè)城市的干涸河道長(zhǎng)度均超過(guò)100 km，保定干涸河道最長(zhǎng)，長(zhǎng)度為785.22 km。

圖4 2018年春季(枯水期)河流干涸斷流空間分布

圖5 2018年春季(枯水期)干涸斷流主要河流

2.1.2 2018年夏季(豐水期)白洋淀流域河流干涸斷流遙感監(jiān)測(cè)

白洋淀流域2018年夏季納入監(jiān)測(cè)的55條河流中有48條河流存在干涸斷流現(xiàn)象，占監(jiān)測(cè)河流總數(shù)的87.3%；干涸河道長(zhǎng)度為1 071.06 km，占全部監(jiān)測(cè)河道總長(zhǎng)度的37.6%，干涸河道空間分布情況見(jiàn)圖6。有8條河流河道干涸長(zhǎng)度超過(guò)40 km，其中唐河干涸河道最長(zhǎng)，長(zhǎng)度為157.63 km，河道干涸長(zhǎng)度見(jiàn)圖7(按干涸長(zhǎng)度從大到小排序，只展示了排名靠前的河流)；華山河、澤水河、趙北河、大西干渠、易水灌區(qū)二干渠、環(huán)山渠6條河道的干涸比達(dá)100%，影像覆蓋河段全線處于干涸斷流狀態(tài)。白洋淀流域所在的保定、大同和石家莊3個(gè)城市的干涸河道長(zhǎng)度均超過(guò)100 km，其中保定干涸河道最長(zhǎng)，長(zhǎng)度為702.54 km；大同、石家莊和張家口三市河道干涸比均超過(guò)50%，其中大同市河道干涸比最高，干涸比達(dá)到71.8%。

圖6 2018年夏季(豐水期)河流干涸斷流空間分布

2.2 河流干涸斷流時(shí)空變化分析

2.2.1 白洋淀流域河流干涸斷流情況比較嚴(yán)重

白洋淀上游流域2018年春季、夏季河流干涸斷流長(zhǎng)度均在1 100 km左右，夏季干涸河道長(zhǎng)度比春季減少了98.78 km，干涸斷流情況略有改善。將兩季的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間疊置分析，獲取干涸斷流季度變化結(jié)果，空間疊置分析結(jié)果只考慮兩個(gè)季度都有有效影像覆蓋的河流，保證動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的科學(xué)合理性。分析結(jié)果表明，兩個(gè)季度常年干涸斷流的河道有785.66 km，占監(jiān)測(cè)河道的26.77%，間歇性干涸斷流(監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)河流部分季度出現(xiàn)干涸斷流現(xiàn)象)河流長(zhǎng)度近400 km，占監(jiān)測(cè)河道的13.62%。上述結(jié)果表明白洋淀流域河流干涸斷流情況比較嚴(yán)重。具體2018年春季、夏季河流干涸斷流情況見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 2018年春/夏河流干涸斷流對(duì)比

圖9 2018年春/夏河流干涸斷流長(zhǎng)度及比例

2.2.2 唐河、大沙河、慈河等河流常年干涸斷流情況

唐河、大沙河、慈河等10條河流干涸斷流長(zhǎng)度超過(guò)30 km，其中唐河干涸長(zhǎng)度為120.39 km，占監(jiān)測(cè)河流長(zhǎng)度的36.9%。大沙河、慈河的干涸長(zhǎng)度均超過(guò)50 km，唐河、大沙河受王快水庫(kù)、口頭山水庫(kù)攔截蓄水影響，慈河及下游的潴龍河受橫山嶺水庫(kù)影響，漕河上游受龍門水庫(kù)影響，因水庫(kù)攔蓄洪水，水庫(kù)下游河流水源補(bǔ)給大幅減少，伴隨地區(qū)氣候變化，流域降水量逐漸減少以及生產(chǎn)生活用水量急劇增加導(dǎo)致上述河流徑流量銳減，水資源減少嚴(yán)重的河段導(dǎo)致水資源枯竭，監(jiān)測(cè)期內(nèi)部分河道出現(xiàn)常年干涸斷流情況。

2.2.3 保定市河流干涸斷流情況

白洋淀流域監(jiān)測(cè)河流兩個(gè)季度都有有效影像覆蓋的河段為2 935.35 km，其中保定市為2 111.83 km，占監(jiān)測(cè)河流長(zhǎng)度的71.94%。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，常年干涸斷流的河流主要分布在河北省保定市、石家莊市以及山西省大同市，其中保定市常年干涸的河道長(zhǎng)度為535.54 km，干涸斷流河道長(zhǎng)度占保定市河流的25.36%，占全部常年干涸斷流的河流68.16%，石家莊市和大同市常年干涸斷流河流超過(guò)100 km，各城市河流干涸斷流情況見(jiàn)圖10。保定市河流干涸斷流情況較嚴(yán)重，因此白洋淀流域水生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)應(yīng)該在保定市，只有徹底改善保定市地表河流的生態(tài)基流，才能從源頭上改善白洋淀的入淀水量少的問(wèn)題。

圖10 白洋淀流域各地級(jí)市河流干涸斷流長(zhǎng)度及比例

3 討論

(1)白洋淀流域河流干涸斷流嚴(yán)重的主要原因包括氣候條件變化、水庫(kù)修建攔截以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水增長(zhǎng)等因素。首先，白洋淀流域氣溫持續(xù)上升，降水持續(xù)下降，預(yù)示未來(lái)氣候?qū)⑾蚋蔁峄较虬l(fā)展[14]，這種氣候變化趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致白洋淀流域河流雨水匯集量減少；其次，20世紀(jì)60年代以來(lái)，白洋淀上游王快、橫山嶺、西大洋、龍門和安各莊等5座大型水庫(kù)和瀑河中型水庫(kù)的修建，基本攔截了上游來(lái)水，用于工農(nóng)業(yè)及生活用水[15]，導(dǎo)致水庫(kù)下游河流水源補(bǔ)給大幅下降；同時(shí)近幾十年上游區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，人民生活水平不斷提升，對(duì)地表水及地下水的需求不斷增加，地下水位降低又引起地表河流徑流的下滲流失，加重了地表河流水量的減少。

(2)河湖水系連通性對(duì)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的好壞具有重要作用[16]，近些年來(lái)為緩解白洋淀流域水環(huán)境質(zhì)量狀況，針對(duì)白洋淀開(kāi)展了多次大規(guī)模的調(diào)水工程措施[11]，同時(shí)白洋淀上游水庫(kù)也定期向下游河流補(bǔ)水，改善下游河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，調(diào)水后地表水徑流狀況有所改善，但是根據(jù)2018年春、夏兩個(gè)季度的地表河流干涸斷流監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，河流干涸斷流問(wèn)題比較嚴(yán)重，要根據(jù)流域各行政區(qū)的水資源狀況和用水需求量制定嚴(yán)格的水資源規(guī)劃及利用管理制度，節(jié)約水資源的同時(shí)提高水資源利用效率。白洋淀上游河流作為白洋淀水源補(bǔ)給的重要來(lái)源，流域河流干涸斷流情況整體嚴(yán)重，建議建立流域河流湖泊水資源狀況動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)機(jī)制，充分利用衛(wèi)星遙感成本低、范圍廣、信息量大、監(jiān)測(cè)周期短等優(yōu)勢(shì)，定期開(kāi)展白洋淀流域河流干涸斷流遙感監(jiān)測(cè)工作，發(fā)揮遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)，掌握河流干涸斷流的空間分布，監(jiān)測(cè)成果能為開(kāi)展跨流域調(diào)水方案的編制提供依據(jù)，也能夠?qū)φ{(diào)水工程實(shí)施后流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善情況開(kāi)展評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

利用高分辨率遙感影像研究了白洋淀流域河流干涸斷流情況，通過(guò)對(duì)2018年春、夏兩季的干涸斷流監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

(1)白洋淀流域河流干涸斷流情況嚴(yán)重，根據(jù)2018年春季和夏季的監(jiān)測(cè)結(jié)果，白洋淀流域河流夏季干涸斷流長(zhǎng)度比春季減少了98.78 km，夏季略有改善，但是河流干涸斷流比例變化不大，均在38%左右，河流干涸斷流問(wèn)題嚴(yán)重，干涸斷流河段最低生態(tài)需水量無(wú)法保證。上游河流水量不足，嚴(yán)重影響地表河流入淀水量，不利于白洋淀的水源補(bǔ)給更新，加劇了白洋淀流域水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)峻性。

(2)唐河、大沙河、慈河常年干涸斷流情況嚴(yán)重，其中唐河干涸長(zhǎng)度最長(zhǎng)為120.39 km，大沙河、慈河干涸長(zhǎng)度均超過(guò)50 km，大石河、唐河間歇性干涸河段超過(guò)40 km，需要對(duì)上述河流開(kāi)展進(jìn)一步調(diào)查，準(zhǔn)確查找河流干涸斷流的人為因素和自然因素，為開(kāi)展流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)提供支撐。

(3)保定市在2018年春季及夏季監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)常年干涸河道最長(zhǎng)，干涸長(zhǎng)度達(dá)到535.54 km，占保定市監(jiān)測(cè)河道長(zhǎng)度的25.37%，占常年干涸河道總長(zhǎng)度的68.16%，保定市轄區(qū)范圍內(nèi)河流干涸斷流問(wèn)題嚴(yán)重，是白洋淀流域開(kāi)展水生態(tài)環(huán)境治理改善的重點(diǎn)區(qū)域。

(4)白洋淀上游河流干涸斷流問(wèn)題比較嚴(yán)重。建議制定嚴(yán)格的流域水資源規(guī)劃及利用管理制度，同時(shí)建立流域地表水環(huán)境狀況遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制，開(kāi)展白洋淀流域河流干涸斷流動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制，為跨流域調(diào)水工程和白洋淀流域水生態(tài)環(huán)境改善提供支撐。