基于RS和GIS的湘江長沙段水域風險評估方法研究

葉幫玲， 楊 波， 曾 揚， 司云瑞， 胡 可， 唐 濤， 李永剛， 李景保， 于丹丹

(1.湖南師范大學 GIS研究中心、地理空間大數據挖掘與應用省重點實驗室、資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081； 2.湖南省水利廳, 湖南 長沙 410007)

1 研究背景

水資源是人類的生命之源，人的生活和生產離不開水。由于人類對水資源的過度開發導致了一系列的環境問題。樊慶鋅等[1]基于水環境功能區劃，采用灰色關聯度法將其分成4個區域，并使用模糊綜合評價法進行水環境質量評價。孫樹青等[2]應用2000年的水質監測資料,對湘江干流主要斷面進行了水環境健康風險評價。

常規的水質監測主要是人工監測，但是人工監測只能了解監測斷面，對于整體水質狀況則難以同步獲得[3-4]。遙感反演技術的出現，給水質的監測評價提供了新的機遇與選擇[5-6]。胡耀躲等[7]闡述了用GOCI數據對懸浮物和葉綠素a濃度反演的研究現狀。在風險評估方面Maskrey[8]提出自然災害風險是危險性與易損性的代數和。劉引鴿等[9]依據模糊理論建立了河流水質風險評價模型并對渭河干流陜西段河流水質污染進行風險評價，認為渭河主干河流中下游水質污染風險較大，上游風險相對較小。武暕等[10]利用主成分分析法及相關分析對入海河流的典型重金屬等進行風險評估,得出入海河流攜帶的污染物濃度要高于近岸海域。劉珍等[11]結合陜西省水資源、人口和社會經濟數據采用函數評價方法對陜西省水資源的脆弱性進行評價，結果表明陜西省水資源脆弱性的空間差異較大。封麗等[12]、嚴清等[13]分別對抗生素和醫藥活性物質等在水域中的分布及其生態風險評估進行了研究。在2018年3月第十三屆全國人民代表大會審議的國務院機構改革方案中批準組建應急管理部，這說明我國對于突發事故等問題的日益重視，在水域方面進行相應的風險評估顯得尤為重要。目前將遙感(RS)與地理信息系統(GIS)技術綜合應用于水域風險評估中的研究較少，利用RS和GIS技術能夠增加風險評估的方法。研究結果對于湘江長沙段建立相應的風險防治機制、風險應對機制和風險治理機制具有十分重要的意義。

本文以湘江長沙段為例，利用遙感技術對湘江水質狀況進行了反演，再引入自然災害風險中的危險性及易損性相關知識，對水域風險評估方法進行了研究。

2 研究區域概況及數據源

2.1 研究區概況

湘江是長江流域洞庭湖水系中最大的一條河流，也是長江的第二大支流，徑流量占長江徑流量的7.5%。湘江發源于廣西壯族自治區興安縣白石鄉的石梯，河源為海洋河，北流至興安縣分水塘與靈渠匯合稱湘江。湘江在湖南境內的長度達670 km,流域面積85 382 km2，年平均流量為2 365 m3/s,3月上旬至7月上旬一般為汛期,汛期徑流量約占全年徑流量的74%；12月至次年1月一般為枯水季節,占全年徑流量的7%。本文以湘江長沙段為研究區，南起暮云鎮，北至湘江航電樞紐，全長約55 km。

2.2 數據源

2.2.1 遙感數據 使用的遙感數據為Landsat7及Landsat8影像，數據從美國地質調查局網站(https://glovis.usgs.gov/)下載，影像的獲取時間及條帶號等相關信息如表1所示。在Landsat7影像中需要兩幅影像才能覆蓋研究區，而在Landsat8中恰好能夠完全覆蓋研究區。在下載影像過程中除去部分研究區域被云覆蓋或者與實測數據時間相差較遠的影像，共下載了2016年6個期9景影像(其中Landsat7有6景Landsat8有3景)。

表1 研究所用Landsat遙感影像數據

2.2.2 實測數據 實測數據為2016年的長沙段斷面水文水質監測數據，本文選取5種水質參數作為評價指標，包括五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、氨氮(NH3—N)、高錳酸鹽指數(CODMn)和溶解氧(DO),數據由湖南省水利廳提供，該數據共有7個斷面13個測點，斷面名稱分別為暮云、猴子石、長沙、岳華、馬廠、丁字、丁字渡口，獲取時間分別為2016年3月9日、5月4日、6月6日、7月6日、11月9日、12月7日。

2.2.3 基礎地理數據 本文利用相關災害風險評估知識，使用危險性及易損性概念，并將其引入到風險評估體系中。危險性表示在給定地區可能發生的危險因素。易損性是指在給定危險地區存在的任何財產由于潛在的危險因素而造成的傷害和損失程度。

對于湘江長沙段來說，危險性因素包括：部分沿江道路、橋梁、風險點等。其中沿江道路為離江邊較近且發生事故時對水質有影響的道路；風險點數據包括生活排水口、工業排水口以及位于湘江邊具有一定風險的油庫和碼頭港口等，在2015年底長沙市對生活排水口完成了截污改造工程，所以將風險點分為一、二級污染源，一級污染源為工業等排水口，二級污染源為生活排污口；易損性包括自來水廠取水口以及湘江長沙段的不同水功能區(包括景觀娛樂用水區、飲用水源區、過渡區)。上述基礎地理數據來自于實地采集或由湖南省水利廳提供，湘江長沙段基礎地理數據分布如圖1所示。

3 研究方法

本文通過水質參數的遙感反演以及風險評估相關的技術方法，對湘江長沙段水域進行風險評估研究。湘江長沙段水域風險評估技術流程如圖2所示。

由圖2可知，通過水質監測數據與相應的Landsat遙感影像像元值建立不同的水質參數反演模型，對模型優選之后應用到遙感影像反演獲取不同的水質數據，通過疊加分析得到綜合水質圖，再與由基礎地理數據進行空間分析得到的風險度圖相結合，最終得出湘江長沙段水域風險評估圖。

3.1 數據預處理

對獲取的9景遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、影像鑲嵌、圖像增強和研究區裁剪等預處理。本研究采用輻亮度法和黑暗像元法進行了相關遙感影像的輻射定標和大氣校正處理。幾何校正以地形圖為參考對遙感影像進行幾何精校正，通過校正處理后，保證校正誤差小于1個像元。

3.2 水質參數遙感反演方法

目前水質遙感反演模型的構建主要有3種方法，分別是分析方法、經驗方法和半經驗方法[14]。分析方法以輻射傳輸模型為基礎，通過遙感反射率得到水體中吸收系數和后向反射系數的比值，并結合水體中各相應組分的相關參數，進而反演不同水質參數的濃度[15]；經驗方法是通過建立遙感數據與地面監測的水質參數值之間的統計關系來反演水質參數值[16]；半經驗方法是將已知的水質參數光譜特征與統計分析模型(或其它數學模型,如線性光譜分解模型)相結合,選擇最佳的波段或波段組合作為相關變量估算水質參數值的方法,具有一定的物理意義[15]。本文采用半經驗方法對5種水質參數進行反演。顧清[17]在水質反演的研究中，給出了61種波段組合方式，通過波段之間的加減乘除混合運算，基本囊括了以往研究得出的水質遙感反演最佳的組合形式。本文使用這61種波段組合方式從中找出了最優模型的波段組合。

3.2.1 模型的建立 根據以上的波段組合方式，分別與各評價因子濃度的實測值進行相關性分析。從實測數據中隨機選取一部分數據作為反演數據集，其余的作為驗證數據集，本文選取的反演數據集為暮云-2、猴子石-2、長沙-1、長沙-2、岳華-2、馬廠-3、丁字-2、丁字渡口-2，驗證數據集為猴子石-1、猴子石-3、長沙-3、岳華-1、岳華-3，其中斷面后的數字表示在某一斷面自左向右監測點的順序。通過SPSS軟件求實測數據與各波段組合方式得到影像相應處像元值之間的Pearson相關系數，并從中選取Pearson相關系數最大的波段組合進行建模(注：Pearson是度量兩個參數之間的相關程度，其值介于-1到1之間，絕對值越大相關程度越高)。其中2016年3月的最大Pearson相關系數如表2所示。

由表2可知，2016年3月Pearson相關系數的絕對值在0.6左右及以上，說明不同波段組合與相應的水質參數具有一定的相關性。利用office軟件對各評價因子進行建模，分別建立指數模型、線性模型、對數模型、多項式模型、冪函數模型并進行比較，從中選取R2系數最大的模型為最優模型，對湘江水質進行反演。其中2016年3月的水質參數反演模型如表3所示。

表2 2016年3月最大Pearson相關系數

注：表中b1、b2、b3、b4分別表示遙感影像的第1、2、3、4波段即藍、綠、紅、近紅外波段。

3.2.2 模型的檢驗 將所得到的模型分別應用到Landsat影像中，得到各時期各水質反演圖。采用相地誤差作為模型檢驗的標準，即:

(1)

式中：pi為第i個測點的相對誤差;ni為第i個測點的實測濃度,mg/L;mi為第i個測點的估算濃度,mg/L。

表3 2016年3月水質參數反演模型

根據研究資料，在湖泊中反演的精度若在30%以內，則認為反演的效果較為理想。本文中由于實測數據與影像數據有數日的間隔，且河流流動性較與湖泊大，出現部分數據的精度較低但都在可控范圍之內。水質參數遙感反演模型精度分析見表4。

表4 水質參數遙感反演模型精度分析

4 結果分析

4.1 水域風險評價指標分析

4.1.1 綜合水質現狀分析 通過遙感反演，每個時期共5種水質參數，故6個時期共反演出30幅水質參數圖。通過ArcGIS軟件對反演后的圖像進行疊置分析，并通過自然間斷點分類法得到湘江長沙段綜合水質圖，如圖3所示。由于各評價指標存在量綱和數量級上的差異，不同的量綱和數量級不便于分析，為了解決這一問題，對各評價指標利用公式(2)進行歸一化處理，使得取值范圍在[0,1]之間。

(2)

式中：Xi、X*分別為數據歸一化前后的數值；Xmax、Xmin分別為樣本數據中的最大值、最小值。

由圖3可知，湘江長沙段上、中游的水質狀況優于下游地區，這與上游部分工業企業搬往下游周邊地區以及瀏陽河和撈刀河的匯入有一定關系。

4.1.2 危險性、易損性分析 利用ArcGIS軟件對危險性及易損性所包含的基礎數據做初步的預處理后，依據各基礎數據的重要程度使用層次分析法計算各個圖層相應的權重。湘江長沙段危險性、脆弱性圖層各要素權重如表5、6所示。

表5 危險性圖層各要素權重

表6 易損性圖層各要素權重

注：暮云水源區表示長沙暮云-傅家洲飲用水源區，望城水源區表示望城飲用水源區，開福過渡區表示望城開福過渡區，景觀娛樂區表示傅家洲-月亮島景觀娛樂用水區。

根據Maskrey[8]的研究，將危險性與易損性的代數和表示為風險度。利用柵格計算將危險性以及易損性圖層進行疊置，得到湘江長沙段風險度圖，如圖4所示。為了便于將風險度數據與綜合水質圖進行對比分析，應消除量綱與數量級上的差異，使用公式(2)進行歸一化處理。

由圖4可以看出，由于湘江長沙段中、下游脆弱性圖層中景觀娛樂區和危險性圖層中各要素分布較少，而使得風險度偏低。其他區域風險點、沿江道路和水廠取水口等分布相對較多則風險度偏高。

圖1 湘江長沙段基礎地理數據分布圖

4.2 水域風險評估分析

本文研究湘江長沙段水域風險，因此將危險性和易損性疊置之后的圖層與湘江長沙段的綜合水質現狀作為水域風險的評價指標。使用公式(2)對數據進行歸一化處理，再利用ArcGIS軟件將歸一化處理后的圖層進行疊置分析得到湘江長沙段的水域風險圖(使用自然間斷點分級法對不同的風險區進行分級)，如圖5所示。

根據所求得的湘江長沙段水域風險評估數據，從不同風險區與各風險源以及各風險區之間數量關系進行分析。風險區與風險點和水源區及其水質關聯較大；總體來說湘江長沙段主要處于中等風險區及低風險區。

4.2.1 風險程度與風險源關系的分析 鑒于飲用水源區對水質要求較高，一旦水質稍微變差，就會影響到整個區域，所以景觀娛樂區和過渡區相比飲用水源區的權重較低，因此大部分的景觀娛樂區與過渡區的風險程度都低于飲用水源區。

圖2 湘江長沙段水域風險評估技術流程圖

圖3 2016年湘江長沙段綜合水質圖圖4湘江長沙段風險度圖圖5 2016年湘江長沙段水域風險評估圖

在撈刀河和瀏陽河入湘江處風險程度較高，原因在于這兩處有污水處理廠以及一些生活排污口，且根據綜合水質現狀圖可知此處的水質狀況中等偏下，導致風險程度相對于其他地方較高。在一級污染源中長沙新港位于沙河上游的2～3 km處，在該港口地區上游有兩個混凝土公司，下游有中石化和霞凝港，為一級污染源的集聚區，所以長沙新港及附近水域的風險程度高于其周邊地區。在湘江航電樞紐的上游3 km左右處有一個丁字油庫，油庫為一級污染源，且丁字油庫的上游不遠處有一個丁字灣，所以該處發生風險的程度較高。在月亮島以及馮家洲靠近河西一側，因為水道狹窄，污染物容易在此處沉積，且這兩處存在一定數量的二級污染源涵閘等，導致風險程度略微偏高。在湘江長沙庫區段的上游部分區域，同樣因為存在一些化工公司以及沙場等，且結合綜合水質現狀圖，靠近河岸的區域由于水體流速小等原因導致污染物的沉積，以至于水質狀況不是很理想，綜合相關因素相應區域的風險程度也相對較高。

4.2.2 風險區域數量統計分析 通過對各級風險區的統計分析，可求得不同風險區所占的面積及其在總面積中的比例。湘江長沙段各級風險區數據見表7。

表7 湘江長沙段各級風險區數據

由表7可知，中等風險區面積為25.91 km2，所占比例達到45.86%，結合上述湘江長沙段風險評估圖(圖5)，中等風險區主要分布于水功能區中的飲用水源區以及過渡區和景觀娛樂用水區中橋梁所處的位置，而飲用水源區在水功能區中所占比例較大；高風險區的面積為4.32 km2，所占比例為7.65%，結合風險評估圖可以看出高風險區主要分布于湘江的兩岸，并且位于風險源較密集的區域，這是由于在風險源密集的區域各風險權重產生疊加效應，導致在疊加區域的風險度高于周邊區域；較高風險區面積為9.24 km2，所占比例為16.35%，由風險評估圖可知，較高風險區主要位于湘江的兩側以及水功能區中的飲用水源區橋梁所處位置。湘江兩側主要是處于風險源分布區域，與高風險區不同的是，其位于風險源稀疏區域，即各風險源的緩沖區未重疊部分。橋梁部分則是由于橋梁的風險權重與飲用水源區較高的風險權重疊加，導致疊加的區域的風險度較高；較低風險區和低風險區面積為17.03 km2，所占比例達到30.14%，該區域主要位于水功能區中的過渡區以及景觀娛樂用水區。

在風險源較為密集的地方應盡量減少風險源的數量，對于水質較差的區域(例如撈刀河和瀏陽河在湘江的入口處)，應加強對污水處理廠的排水質量的控制，工廠以及油庫等地應該加強工人的防范意識，對于湘江長沙段應建立相應的風險防治機制、風險應對機制和風險治理機制。對于不同的區域建立相應的機制，能夠更加有效地應對風險。

5 結論與討論

通過遙感技術利用5種實測水質參數數據和Landsat影像對湘江長沙段進行水質反演，結合災害風險的危險性及易損性相關概念利用ArcGIS軟件進行空間分析得到風險評估圖，研究結論如下：

(1)總體上湘江長沙段水質狀況良好，部分水質較差的區域主要分布在下游，即撈刀河、瀏陽河以及匯入湘江處和長沙新港、丁字油庫附近，在一定程度上也體現在風險評估圖中。

(2)湘江長沙段大部分區域主要為較低風險區和低風險區，其他風險區主要分布于下游及湘江兩側，這主要由于下游工廠及港口較多，湘江中上游高風險區則由于大多數風險點分布于兩側。

(3)傳統的水域風險通過危險性、脆弱性等相關數據進行評估，而通過遙感技術為水域風險評估引入水質狀況數據因子，使得在風險評估中對于影響因子的考慮更為全面。

由于實測數據為歷史數據，并非根據遙感影像時期而專門獲取的數據，所以遙感影像和實測數據具有一定的時間間隔以及水質參數的數量較少而存在一定的局限性。在以后的研究中，如果使用同一天同一時段實測數據與遙感影像可以提高反演的精度，同時增加水質參數的數量更能反映出水質的綜合狀況。