基于多源遥感数据的涔天河水库环境及社会经济监测

郭 伟，蒋 瑜，包志轩

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

水库是拦洪蓄水和调节水流的重要水利工程建筑物，修建水库有利于水资源的充分开发利用。但兴建水库同时不可避免对水库周边生态环境产生影响。因此，有必要对水库变化进行长时序的动态监测。一般来说，水库变化以直接的水文观测为主，但这种传统方法耗时耗力，难以准确表达区域性实时变化，不能满足对水库水质长期、大面积、动态的监测要求，遥感技术具有信息量大、观测范围广、精度高等独特优势，为大型水利工程项目监测提供新技术、新方法和新手段。

基于遥感技术手段对水电站库区环境监测研究，国内外已开展一系列研究。如吴炳方等[1]采用SPOT-5和Landsat 5 TM 数据对1992—2007 年三峡工程库区环境变化进行了全面的监测，并提出了相应区域生态环境保护措施；Shumba 等[2]利用遥感数据，监测卡里巴水库的水位变化，并结合遥感数据分析影响水位变化的自然与人为因素；Li 等[3]结合遥感技术，研究了大坝对湄公河三角洲的土地利用类型、土地面积、地貌等方面的影响，并建立了1 个新的、全面的湄公河流域大坝和灌溉系统的GIS 数据库；李静等[4]基于遥感数据，从土地利用类型变化方面对梯级开发水电的区域生态系统影响进行动态监测，并从大坝枢纽区和整个库区两个方面进行了分析；吴柏清等[5]基于遥感与GIS 技术，对水电站库区1998—2003 年植被覆盖度动态变化进行监测与分析，并表明，植被覆盖度变化与人类活动、自然因素密切相关。

尽管遥感技术在水电站库区研究有了一定的应用，但都是基于特定的专题，如土地利用，植被变化，水文要素等，缺乏将生态环境作为社会、自然等综合体来研究水电工程对生态环境的影响。“十四五”期间，国家加大对水利的投资建设，如何对众多的水利工程项目进行监测并分析水利工程对当地的生态、经济社会影响，针对这一问题，本课题基于遥感技术的优势，以涔天河水库为例，提出一种水库动态监测的新方法，并从库区水体动态变化、库区生态环境状况、社会经济影响三个方面建立一套监测指标体系，通过监测结果能分析研究区域在长时间序列的区域性变化情况，为智慧水利提供数据支撑，为水务管理部门提供决策参考。

1 研究区概况

涔天河水库扩建工程为国家172 项重大水利工程之一，湖南省“十二五”期间水利建设“一号工程”，该工程对湖南省湘江流域水资源综合利用、促进永州市乃至湘江中下游地区经济社会可持续发展意义十分重大。涔天河水库扩建工程为潇水流域开发的第一个梯级，位于湖南省江华瑶族自治县境内，坝址下距江华县城12 km。

2 研究方法

2.1 监测体系建立

对水库的监测主要涉及生态环境和社会经济两个方面的内容。采用多源遥感数据对各个指标进行监测，然后对涔天河水库的生态环境影响和社会经济变化情况进行综合评价。具体流程如图1 所示。

图1 水库监测技术流程

2.2 生态环境影响监测

2.2.1 水域面积变化监测

本文利用JRC Monthly Water History 数据集水库库区水域面积进行监测。为提高水域数据的可靠性，对月度数据的像元进行判断，若1 年中有7 个以上月份为水体的像素定义为水体，融合成水域年度数据对2012—2021 年涔天河水库水域面积进行时序变化监测。

2.2.2 RSEI 指标

1）湿度指标。由于其中的湿度分量与植被和土壤的湿度紧密相关，因此本研究的湿度指标以湿度分量WET 来代表，其表达式为：

式中ρ8、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分别为Landsat8 影像中Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2 波段的反射率；Ci为相应的比例系数。对于Landsat8 影像，C1=0.1511、C2=0.1973、C3=0.3283、C4=0.3407、C5=-0.7177、C6=-0.4559。

2）绿度指标。“归一化”差值植被指数无疑是应用最广泛的植被指数，它与植物生物量、叶面积指数以及植被覆盖度都有密切的关系，因此，选用NDVI 来代表绿度指标，公式为：

3）干度指标。代表干度指标的建筑指数选择的是IBI 建筑指数，但在区域环境中，还有相当一部分的裸土，它们同样造成地表的“干化”，因此，干度指标（NDBSI）可由二者合成，即由建筑指数IBI 和土壤指数SI 合成，其公式为:

式中 IBI 与SI 的计算公式如下:

4） 温度指标。MODIS 陆地表面温度数据（MOD11A2），选择LST 波段尺度转换之后进行计算：

式中 C——尺度系数；

ρlst——MOD11A2 的温度波段。

5）主成分分析。将掩膜并“归一化”后的指标进行融合，并对其进行主成分分析[6～7]。取结果的第一个分量（PC1），再用1 减去PC1 得到初始值RSEI0。最后，“归一化”计算RSEI 指数。RSEI 指数越高，表示其生态质量越好，反之则越差。其计算表达式为：

2.3 社会经济变化监测

本文选取的2013—2021 年夜间灯光数据是以江华县为研究区域，对灯光数据进行连续性校正后，提取灯光指数总和及灯光增长率进行统计和研究，分析水库扩建前后当地经济变化情况。统计方法如式（9）:

式中 A——矿区遥感监测区域灯光指数总和；

n——像元数量，xi为第i 个像元的DN 值。

矿区夜间灯光指数增长率计算公式如下：

式中 i、j——年份，i 大于j；

Li、Lj——第i、j 年水库遥感监测区域校正处理后的平均灯光指数影像；

r——j 到i 年间灯光指数增长率。

3 结果与分析

3.1 库区水体监测

从JRC Monthly Water History 地表水数据集提取2012—2021 年涔天河库区水域数据，从而得到年度的水域面积。通过统计2012—2021 年水域面积（表1）可知，水库在2012 年年度平均水域面积最低，为2.33 km2。2012—2016 年水域面积总体呈上涨趋势，2016 年水域面积达5.28 km2，2016—2019 年水域面积变化明显，2019 年达到最高值，为20.41 km2。2019—2021 年水域面积逐年减少，2021 年水域面积为18.21 km2。

表1 2012—2021 年水域面积统计 km2

涔天河水库扩建工程前期导流洞工程于2012 年开工，2013 年11 月主体工程开工，2014 年10 月导流洞通水，2016 年12 月导流洞下闸蓄水，2017 年底主体工程全面建成、电站投产发电，2018 年8 月通过正常蓄水位蓄水阶段验收。本文提取的2012—2021 年水域面积变化情况与实际情况相符合，该数据能反映一定的水库实际情况，为水库管理、监测提供参考。

3.2 遥感生态环境指数分析

3.2.1 指标统计

表2 统计了2014 年、2017 年、2021 年的4 个指标和遥感生态指数（简称RSEI）的最小值、最大值、均值、标准差。由表可以看出，江华县RSEI 均值在近9 年间变化幅度不大，但总体上呈上升趋势。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 年间，江华县的RSEI 指数呈现出上升趋势，生态环境质量逐年提高。

表2 各年份4 个指标与RSEI 值统计表

3.2.2 RSEI 分级统计分析

将各个年份的RSEI 指数重新分类成5 个等级，分别代表差、较差、中、良、优5 个生态环境等级，并对各个等级的面积、比重进行统计（表3），从而对江华县的生态环境质量进行定量的评价。

表3 江华县各年份RSEI 值分布统计图

2014 年、2017 年、2021 年的RSEI 指数在生态环境质量差的面积少，占比均不足1%，而其他等级分布有明显的差异，2014 年和2017 年生态环境等级以中、良两个为主，2021 年生态环境质量为优的面积为1 331.404 km2，占比达到41.4%，进一步说明2021 年生态环境质量最高，且在近9 年时间内江华县生态环境质量在逐步提高。

3.2.3 RSEI 变化检测

在RSEI 指数分成5 个等级的基础上，对江华县各个年份的生态环境质量进行差值变化检测分析，同时对变化的面积和比例进行统计如表4 和图2。由图表可知级差绝对值为3、4 的面积趋近于零，说明生态环境没有发生剧烈变化。2014—2017 年68.71%面积的生态环境质量未发生变化，生态环境变差的区域面积占比仅为4.15%，生态环境质量提升区域面积占比达到27.14%；2017—2021 年有近50%的区域生态环境质量未发生变化，并且该时间段内生态环境质量变差的区域面积占比仅为1.4%，而生态环境质量提升的区域面积高达48.8%。

表4 RSEI 变化检测表

图2 江华县生态环境变化检测图

由图2 可知，2014—2017 年生态环境变差主要分布在江华县西部和北部的乡镇，其中沱江镇和涔天河镇最为明显，同时，水库两岸生态环境质量也出现了变差的现象，但在2017—2021 年间，这些变差的区域得到明显改善，水库两岸的生态环境质量得到了提升。

3.3 经济社会变化监测

3.3.1 夜间灯光反演

夜光遥感技术能够大范围地获取人类社会经济活动的信息，且灯光数据和GDP 关系有很强的相关性，夜间灯光指数能一定程度反映地区社会经济的发展[8]。对VIIRS 夜间灯光数据进行去噪、连续性校正后，取得2012—2021 年江华县年度平均夜间灯光数据影像，并统计江华县夜间灯光数据总值和夜间灯光增长率，绘制夜间灯光时序变化图，如表5、图3。

表5 夜间灯光数据统计表

图3 夜间灯光影像

2012—2021 年，江华县夜间灯光总值逐年增加。2016—2017 年灯光总值增长率达到133.923%，2019到2020 年灯光总值又出现小幅度上升，达到19.304%。原因是2016 年水库主体建成并完成发电，2020 年移民通过验收，灯光值指数增长较快。

3.3.2 移民安置工程监测

通过2014 年、2021 年两期高分辨影像对水库移民的东田镇和水口镇进行的解译，同时统计建筑面积（见表6、图4），表明在水库扩建工程完成后，移民点建筑面积明显增加，东田镇2014 年建筑面积为0.45 km2，2021 年新增建筑面积0.59 km2；水口镇新增建筑面积1.03 km2。

表6 移民点建筑面积统计表 km

图4 移民点动态监测图

4 结 论

本文利用遥感技术的优势，通过多源遥感数据对涔天河水库近10 年的水域面积、生态环境质量和社会经济状况进行近动态变化监测分析，从遥感的角度反映了涔天河水库扩建工程前后的变化，以及对周边生态环境质量的影响情况，监测结果表明：

1）2012—2016 年，涔天河水库水域面积变化不明显，在2016 年水库导流洞下闸蓄水后，库区水域面积逐年增加，2018 年8 月正常蓄水位达标验收后，2019 年水域面积达到最大，为20.41 km2。监测的结果与水库扩建工程实际相符合，说明遥感手段能有效反映库区的蓄水变化情况。

2）江华县生态环境质量监测RSEI 指数2014—2017 年上升了10.60%；2017—2021 年上升了12.46%，短期内水库扩建工程对库区两岸的生态环境造成了一定影响，但工程竣工后生态环境得到了及时的改善。

3）近10 年江华县夜间灯光指数总值从2012 年的447.975 增长到2021 年的2 684.109，上升幅度明显，移民后水口镇和东田镇变化明显，东田镇2014—2021 年新增建筑面积为0.59 km2；水口镇新增建筑面积为1.03 km2，社会经济发展显著。

4）涔天河库区多源遥感数据处理结果和监测指标能够反映出水利工程建设前后的生态、社会经济等各方面的变化情况，为智慧水利提供了新的技术手段，为水利部门决策提供数据支撑。