基于多源遙感數據的涔天河水庫環境及社會經濟監測

郭 偉，蔣 瑜，包志軒

（湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

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

基于遙感技術手段對水電站庫區環境監測研究，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 數據對1992—2007 年三峽工程庫區環境變化進行了全面的監測，并提出了相應區域生態環境保護措施；Shumba 等[2]利用遙感數據，監測卡里巴水庫的水位變化，并結合遙感數據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的GIS 數據庫；李靜等[4]基于遙感數據，從土地利用類型變化方面對梯級開發水電的區域生態系統影響進行動態監測，并從大壩樞紐區和整個庫區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1998—2003 年植被覆蓋度動態變化進行監測與分析，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，缺乏將生態環境作為社會、自然等綜合體來研究水電工程對生態環境的影響?！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測并分析水利工程對當地的生態、經濟社會影響，針對這一問題，本課題基于遙感技術的優勢，以涔天河水庫為例，提出一種水庫動態監測的新方法，并從庫區水體動態變化、庫區生態環境狀況、社會經濟影響三個方面建立一套監測指標體系，通過監測結果能分析研究區域在長時間序列的區域性變化情況，為智慧水利提供數據支撐，為水務管理部門提供決策參考。

1 研究區概況

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經濟社會可持續發展意義十分重大。涔天河水庫擴建工程為瀟水流域開發的第一個梯級，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 監測體系建立

對水庫的監測主要涉及生態環境和社會經濟兩個方面的內容。采用多源遙感數據對各個指標進行監測，然后對涔天河水庫的生態環境影響和社會經濟變化情況進行綜合評價。具體流程如圖1 所示。

圖1 水庫監測技術流程

2.2 生態環境影響監測

2.2.1 水域面積變化監測

本文利用JRC Monthly Water History 數據集水庫庫區水域面積進行監測。為提高水域數據的可靠性，對月度數據的像元進行判斷，若1 年中有7 個以上月份為水體的像素定義為水體，融合成水域年度數據對2012—2021 年涔天河水庫水域面積進行時序變化監測。

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。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?！皻w一化”差值植被指數無疑是應用最廣泛的植被指數，它與植物生物量、葉面積指數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選擇的是IBI 建筑指數，但在區域環境中，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IBI 和土壤指數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 陸地表面溫度數據（MOD11A2），選擇LST 波段尺度轉換之后進行計算：

式中 C——尺度系數；

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。RSEI 指數越高，表示其生態質量越好，反之則越差。其計算表達式為：

2.3 社會經濟變化監測

本文選取的2013—2021 年夜間燈光數據是以江華縣為研究區域，對燈光數據進行連續性校正后，提取燈光指數總和及燈光增長率進行統計和研究，分析水庫擴建前后當地經濟變化情況。統計方法如式（9）:

式中 A——礦區遙感監測區域燈光指數總和；

n——像元數量，xi為第i 個像元的DN 值。

礦區夜間燈光指數增長率計算公式如下：

式中 i、j——年份，i 大于j；

Li、Lj——第i、j 年水庫遙感監測區域校正處理后的平均燈光指數影像；

r——j 到i 年間燈光指數增長率。

3 結果與分析

3.1 庫區水體監測

從JRC Monthly Water History 地表水數據集提取2012—2021 年涔天河庫區水域數據，從而得到年度的水域面積。通過統計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，該數據能反映一定的水庫實際情況，為水庫管理、監測提供參考。

3.2 遙感生態環境指數分析

3.2.1 指標統計

表2 統計了2014 年、2017 年、2021 年的4 個指標和遙感生態指數（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 指數呈現出上升趨勢，生態環境質量逐年提高。

表2 各年份4 個指標與RSEI 值統計表

3.2.2 RSEI 分級統計分析

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

表3 江華縣各年份RSEI 值分布統計圖

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

3.2.3 RSEI 變化檢測

在RSEI 指數分成5 個等級的基礎上，對江華縣各個年份的生態環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，說明生態環境沒有發生劇烈變化。2014—2017 年68.71%面積的生態環境質量未發生變化，生態環境變差的區域面積占比僅為4.15%，生態環境質量提升區域面積占比達到27.14%；2017—2021 年有近50%的區域生態環境質量未發生變化，并且該時間段內生態環境質量變差的區域面積占比僅為1.4%，而生態環境質量提升的區域面積高達48.8%。

表4 RSEI 變化檢測表

圖2 江華縣生態環境變化檢測圖

由圖2 可知，2014—2017 年生態環境變差主要分布在江華縣西部和北部的鄉鎮，其中沱江鎮和涔天河鎮最為明顯，同時，水庫兩岸生態環境質量也出現了變差的現象，但在2017—2021 年間，這些變差的區域得到明顯改善，水庫兩岸的生態環境質量得到了提升。

3.3 經濟社會變化監測

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濟活動的信息，且燈光數據和GDP 關系有很強的相關性，夜間燈光指數能一定程度反映地區社會經濟的發展[8]。對VIIRS 夜間燈光數據進行去噪、連續性校正后，取得2012—2021 年江華縣年度平均夜間燈光數據影像，并統計江華縣夜間燈光數據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 夜間燈光數據統計表

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 年燈光總值又出現小幅度上升，達到19.304%。原因是2016 年水庫主體建成并完成發電，2020 年移民通過驗收，燈光值指數增長較快。

3.3.2 移民安置工程監測

通過2014 年、2021 年兩期高分辨影像對水庫移民的東田鎮和水口鎮進行的解譯，同時統計建筑面積（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2014 年建筑面積為0.45 km2，2021 年新增建筑面積0.59 km2；水口鎮新增建筑面積1.03 km2。

表6 移民點建筑面積統計表 km

圖4 移民點動態監測圖

4 結 論

本文利用遙感技術的優勢，通過多源遙感數據對涔天河水庫近10 年的水域面積、生態環境質量和社會經濟狀況進行近動態變化監測分析，從遙感的角度反映了涔天河水庫擴建工程前后的變化，以及對周邊生態環境質量的影響情況，監測結果表明：

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的蓄水變化情況。

2）江華縣生態環境質量監測RSEI 指數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兩岸的生態環境造成了一定影響，但工程竣工后生態環境得到了及時的改善。

3）近10 年江華縣夜間燈光指數總值從2012 年的447.975 增長到2021 年的2 684.109，上升幅度明顯，移民后水口鎮和東田鎮變化明顯，東田鎮2014—2021 年新增建筑面積為0.59 km2；水口鎮新增建筑面積為1.03 km2，社會經濟發展顯著。

4）涔天河庫區多源遙感數據處理結果和監測指標能夠反映出水利工程建設前后的生態、社會經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據支撐。