白洋淀流域河流干涸斷流遙感監測

孟斌，郅曉沙，王晨, 殷守敬，周亞明，趙乾

(生態環境部衛星環境應用中心, 北京 100094)

中國水資源相對不足，水資源時空分布不均衡，水資源短缺已經成為區域社會經濟發展的制約因素[1-3]。地表河流徑流是水資源的重要組成部分，隨著河流生態流量減小，部分河段出現了干涸斷流情況，引起地下水水位降低、水容量減少，威脅水生態安全[4-5]。河流干涸斷流監測的傳統手段是依靠國控斷面定期開展流量監測，根據河水流量的多少判斷監測斷面點處河段是否出現河流干涸斷流現象，該種監測方法僅能獲取監測點位的情況，無法獲取整個河段的干涸斷流狀況。隨著中國民用衛星遙感技術的飛速發展，高分辨率的遙感影像數據具有空間分辨率高、重訪周期短以及監測成本低等特點，為開展宏觀大尺度的河流干涸斷流等水生態環境監測提供可能，為地表河流水體信息提取、水生態環境監管提供了重要技術手段[6-7]。

白洋淀是華北平原最大的淡水湖泊濕地，是雄安新區水生態環境建設與保護的重要屏障，但該地區水資源匱乏，濕地面積萎縮，甚至出現干淀等環境問題[8-9]。白洋淀流域河流徑流匯集是白洋淀水源補給的重要來源，因此開展該流域河流干涸斷流的監測工作能夠全面掌握地表河流徑流水資源狀況及空間分布，為改善流域水環境質量狀況提供服務。現分別利用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重程度，準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環境監管，維持河湖生態用水需求提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白洋淀流域主要包括河北省中部平原地區以及北京市和山西省大同市的部分區域，平原區地處太行山東麓，流域面積31 200 km2，研究區地理區位見圖1。流域大部分地區屬暖溫帶季風氣候區，降水具有明顯的季節性，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降雨量、上游工農業生產及生產生活用水量的影響[10-11]。

圖1 研究區地理區位圖

1.2 數據源

河流干涸斷流監測所用遙感影像主要包括北京二號、高分一號、高分二號、資源三號等國產高分辨率衛星影像數據，數據源信息見表1。根據影像無大范圍噪聲、斑點、壞線等以及云量小于10%的標準進行篩選，累計選出2018年春季(3—5月累計成像影像數據)及2018年夏季(6—8月累計成像影像數據)超過160個有效影像，春季、夏季白洋淀流域影像覆蓋率分別為83.3%和86.7%。監測河流矢量數據采用1∶25萬國家基礎地理信息系統數據庫，包括集水面積大于1 000 km2、主干河道長度大于500 km的1～6級河流，河流等級綜合考慮匯水面積、河流重要性及河網密度等因素，監測范圍的河流共計55條，總長度約3 100 km。研究區范圍確定參考1∶25萬國家基礎地理信息系統數據庫區縣級行政邊界，研究區監測范圍與實際流域邊界會有局部差異。

表1 遙感影像數據源

1.3 數據處理

遙感影像預處理包括幾何校正、正射校正、圖像配準、影像融合等過程。幾何校正是通過數學模型來改正和消除遙感影像成像時物鏡畸變、大氣折光、地形起伏等因素導致的原始圖像上各地物的幾何位置、形狀等特征產生的變形；正射校正將對由地形、相機幾何特性以及與傳感器相關的誤差所造成的幾何畸變進行校正處理；圖像配準是將正射校正過的多光譜影像參照校正后的全色影像進行圖像匹配校正，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，能夠更加準確地識別河流水體信息。

對研究區范圍內監測河流矢量數據進行人工修正、補充。從1∶25萬國家基礎地理信息系統數據庫河道矢量數據中提取研究區范圍內的1～6級河流矢量數據，基于遙感影像對河道矢量數據進行修正，將河道矢量數據空間位置不準確以及部分缺失的河道矢量數據進行修正、補充。此外基礎地理數據具有一定的時效性，一定時間段內部分河流因人工修建水利設施及河道的變化，需要對人為因素產生的河道偏離基于遙感影像進行修正，最終確保監測范圍內河道空間數據準確無誤。

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算機自動解譯，其中目視解譯操作方法簡單、精度較高。河流干涸斷流遙感識別過程中會遇到部分河流水面寬度較窄的情況，同時遙感解譯過程中需要參照參考資料及歷史影像數據，綜合考慮計算機自動解譯方法不適用，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、形態等特征，構建干涸河道和通水河道遙感識別解譯標志，同時計算影像數據的歸一化水體指數(normalized difference water index，NDWI)用來輔助判斷河流通水與斷流情況。在解譯標志基礎上，結合歸一化水體指數進行干涸河道和通水河道的判讀，遙感解譯標志見圖2。

圖2 河流干涸斷流遙感解譯標志

開展河流干涸斷流識別的數據源主要是4波段的可見光影像數據，根據影像計算歸一化水體指數，該指數是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。NDWI一般用來提取影像中的水體信息效果較好，研究區域1～6級河流主要分布在城鎮以外的農村地區，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]。基于影像數據計算歸一化水體指數，根據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，歸一化水體指數(NDWI)影像見圖3。

圖3 研究區NDWI影像

2 結果與分析

2.1 河流干涸斷流遙感監測結果

2.1.1 2018年春季(枯水期)白洋淀流域河流干涸斷流遙感監測

遙感監測結果表明，白洋淀流域河流2018年春季納入監測的55條河流中有50條河流存在干涸斷流現象，占河流總數的90.9%；干涸河道長度為1 169.84 km，占全部監測河道總長度的38.6%，干涸河道空間分布詳見圖4。唐河、大沙河、慈河3條河流干涸河道長度均超過90 km，其中，唐河干涸河道最長，長度為135.13 km，干涸河道長度見圖5(按干涸長度從大到小排序，只展示了排名靠前的河流)；大東河、新開河、華山河、澤水河、環山渠5條河流的干涸比達100%，影像覆蓋河段全線處于干涸斷流狀態；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，其中保定、石家莊和大同3個城市的干涸河道長度均超過100 km，保定干涸河道最長，長度為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測

白洋淀流域2018年夏季納入監測的55條河流中有48條河流存在干涸斷流現象，占監測河流總數的87.3%；干涸河道長度為1 071.06 km，占全部監測河道總長度的37.6%，干涸河道空間分布情況見圖6。有8條河流河道干涸長度超過40 km，其中唐河干涸河道最長，長度為157.63 km，河道干涸長度見圖7(按干涸長度從大到小排序，只展示了排名靠前的河流)；華山河、澤水河、趙北河、大西干渠、易水灌區二干渠、環山渠6條河道的干涸比達100%，影像覆蓋河段全線處于干涸斷流狀態。白洋淀流域所在的保定、大同和石家莊3個城市的干涸河道長度均超過100 km，其中保定干涸河道最長，長度為702.54 km；大同、石家莊和張家口三市河道干涸比均超過50%，其中大同市河道干涸比最高，干涸比達到71.8%。

圖6 2018年夏季(豐水期)河流干涸斷流空間分布

2.2 河流干涸斷流時空變化分析

2.2.1 白洋淀流域河流干涸斷流情況比較嚴重

白洋淀上游流域2018年春季、夏季河流干涸斷流長度均在1 100 km左右，夏季干涸河道長度比春季減少了98.78 km，干涸斷流情況略有改善。將兩季的監測結果進行空間疊置分析，獲取干涸斷流季度變化結果，空間疊置分析結果只考慮兩個季度都有有效影像覆蓋的河流，保證動態監測結果的科學合理性。分析結果表明，兩個季度常年干涸斷流的河道有785.66 km，占監測河道的26.77%，間歇性干涸斷流(監測時間范圍內河流部分季度出現干涸斷流現象)河流長度近400 km，占監測河道的13.62%。上述結果表明白洋淀流域河流干涸斷流情況比較嚴重。具體2018年春季、夏季河流干涸斷流情況見圖8和圖9。

圖8 2018年春/夏河流干涸斷流對比

圖9 2018年春/夏河流干涸斷流長度及比例

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

2.2.3 保定市河流干涸斷流情況

白洋淀流域監測河流兩個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，占監測河流長度的71.94%。監測結果表明，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度為535.54 km，干涸斷流河道長度占保定市河流的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100 km，各城市河流干涸斷流情況見圖10。保定市河流干涸斷流情況較嚴重，因此白洋淀流域水生態環境治理的重點應該在保定市，只有徹底改善保定市地表河流的生態基流，才能從源頭上改善白洋淀的入淀水量少的問題。

圖10 白洋淀流域各地級市河流干涸斷流長度及比例

3 討論

(1)白洋淀流域河流干涸斷流嚴重的主要原因包括氣候條件變化、水庫修建攔截以及工農業生產生活用水增長等因素。首先，白洋淀流域氣溫持續上升，降水持續下降，預示未來氣候將向干熱化方向發展[14]，這種氣候變化趨勢會導致白洋淀流域河流雨水匯集量減少；其次，20世紀60年代以來，白洋淀上游王快、橫山嶺、西大洋、龍門和安各莊等5座大型水庫和瀑河中型水庫的修建，基本攔截了上游來水，用于工農業及生活用水[15]，導致水庫下游河流水源補給大幅下降；同時近幾十年上游區域工農業生產發展迅速，人民生活水平不斷提升，對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)河湖水系連通性對水生態環境質量狀況的好壞具有重要作用[16]，近些年來為緩解白洋淀流域水環境質量狀況，針對白洋淀開展了多次大規模的調水工程措施[11]，同時白洋淀上游水庫也定期向下游河流補水，改善下游河流水生態環境質量狀況，調水后地表水徑流狀況有所改善，但是根據2018年春、夏兩個季度的地表河流干涸斷流監測結果來看，河流干涸斷流問題比較嚴重，要根據流域各行政區的水資源狀況和用水需求量制定嚴格的水資源規劃及利用管理制度，節約水資源的同時提高水資源利用效率。白洋淀上游河流作為白洋淀水源補給的重要來源，流域河流干涸斷流情況整體嚴重，建議建立流域河流湖泊水資源狀況動態遙感監測機制，充分利用衛星遙感成本低、范圍廣、信息量大、監測周期短等優勢，定期開展白洋淀流域河流干涸斷流遙感監測工作，發揮遙感技術優勢，掌握河流干涸斷流的空間分布，監測成果能為開展跨流域調水方案的編制提供依據，也能夠對調水工程實施后流域水生態環境質量改善情況開展評價。

4 結論

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，通過對2018年春、夏兩季的干涸斷流監測結果進行對比分析，得到以下結論。

(1)白洋淀流域河流干涸斷流情況嚴重，根據2018年春季和夏季的監測結果，白洋淀流域河流夏季干涸斷流長度比春季減少了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，河流干涸斷流問題嚴重，干涸斷流河段最低生態需水量無法保證。上游河流水量不足，嚴重影響地表河流入淀水量，不利于白洋淀的水源補給更新，加劇了白洋淀流域水生態環境問題的嚴峻性。

(2)唐河、大沙河、慈河常年干涸斷流情況嚴重，其中唐河干涸長度最長為120.39 km，大沙河、慈河干涸長度均超過50 km，大石河、唐河間歇性干涸河段超過40 km，需要對上述河流開展進一步調查，準確查找河流干涸斷流的人為因素和自然因素，為開展流域水生態環境保護修復提供支撐。

(3)保定市在2018年春季及夏季監測范圍內常年干涸河道最長，干涸長度達到535.54 km，占保定市監測河道長度的25.37%，占常年干涸河道總長度的68.16%，保定市轄區范圍內河流干涸斷流問題嚴重，是白洋淀流域開展水生態環境治理改善的重點區域。

(4)白洋淀上游河流干涸斷流問題比較嚴重。建議制定嚴格的流域水資源規劃及利用管理制度，同時建立流域地表水環境狀況遙感動態監測機制，開展白洋淀流域河流干涸斷流動態監測機制，為跨流域調水工程和白洋淀流域水生態環境改善提供支撐。