白洋淀流域河流干涸断流遥感监测

孟斌，郅晓沙，王晨, 殷守敬，周亚明，赵乾

(生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094)

中国水资源相对不足，水资源时空分布不均衡，水资源短缺已经成为区域社会经济发展的制约因素[1-3]。地表河流径流是水资源的重要组成部分，随着河流生态流量减小，部分河段出现了干涸断流情况，引起地下水水位降低、水容量减少，威胁水生态安全[4-5]。河流干涸断流监测的传统手段是依靠国控断面定期开展流量监测，根据河水流量的多少判断监测断面点处河段是否出现河流干涸断流现象，该种监测方法仅能获取监测点位的情况，无法获取整个河段的干涸断流状况。随着中国民用卫星遥感技术的飞速发展，高分辨率的遥感影像数据具有空间分辨率高、重访周期短以及监测成本低等特点，为开展宏观大尺度的河流干涸断流等水生态环境监测提供可能，为地表河流水体信息提取、水生态环境监管提供了重要技术手段[6-7]。

白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊湿地，是雄安新区水生态环境建设与保护的重要屏障，但该地区水资源匮乏，湿地面积萎缩，甚至出现干淀等环境问题[8-9]。白洋淀流域河流径流汇集是白洋淀水源补给的重要来源，因此开展该流域河流干涸断流的监测工作能够全面掌握地表河流径流水资源状况及空间分布，为改善流域水环境质量状况提供服务。现分别利用2018年春季(枯水期)、夏季(丰水期)高空间分辨率遥感影像，通过目视解译的方法获取白洋淀流域河流干涸断流空间分布及严重程度，准确获取白洋淀流域河流的干涸断流空间分布及其季度变化情况，以期为白洋淀流域水生态环境监管，维持河湖生态用水需求提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀流域主要包括河北省中部平原地区以及北京市和山西省大同市的部分区域，平原区地处太行山东麓，流域面积31 200 km2，研究区地理区位见图1。流域大部分地区属暖温带季风气候区，降水具有明显的季节性，80%的降水集中于夏季，汇入白洋淀的河流主要有潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白沟引河等。白洋淀作为华北最大的浅湖湿地,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区降雨量、上游工农业生产及生产生活用水量的影响[10-11]。

图1 研究区地理区位图

1.2 数据源

河流干涸断流监测所用遥感影像主要包括北京二号、高分一号、高分二号、资源三号等国产高分辨率卫星影像数据，数据源信息见表1。根据影像无大范围噪声、斑点、坏线等以及云量小于10%的标准进行筛选，累计选出2018年春季(3—5月累计成像影像数据)及2018年夏季(6—8月累计成像影像数据)超过160个有效影像，春季、夏季白洋淀流域影像覆盖率分别为83.3%和86.7%。监测河流矢量数据采用1∶25万国家基础地理信息系统数据库，包括集水面积大于1 000 km2、主干河道长度大于500 km的1～6级河流，河流等级综合考虑汇水面积、河流重要性及河网密度等因素，监测范围的河流共计55条，总长度约3 100 km。研究区范围确定参考1∶25万国家基础地理信息系统数据库区县级行政边界，研究区监测范围与实际流域边界会有局部差异。

表1 遥感影像数据源

1.3 数据处理

遥感影像预处理包括几何校正、正射校正、图像配准、影像融合等过程。几何校正是通过数学模型来改正和消除遥感影像成像时物镜畸变、大气折光、地形起伏等因素导致的原始图像上各地物的几何位置、形状等特征产生的变形；正射校正将对由地形、相机几何特性以及与传感器相关的误差所造成的几何畸变进行校正处理；图像配准是将正射校正过的多光谱影像参照校正后的全色影像进行图像匹配校正，保证全色和多光谱影像的几何位置、形状等特征相匹配；遥感影像融合是将校正好的低空间分辨率的多光谱图像与高空间分辨率的单波段图像重采样生成一幅高分辨率的多光谱图像[12]。完成预处理的遥感影像既提高了多光谱影像空间分辨率，又保留其光谱特性，能够更加准确地识别河流水体信息。

对研究区范围内监测河流矢量数据进行人工修正、补充。从1∶25万国家基础地理信息系统数据库河道矢量数据中提取研究区范围内的1～6级河流矢量数据，基于遥感影像对河道矢量数据进行修正，将河道矢量数据空间位置不准确以及部分缺失的河道矢量数据进行修正、补充。此外基础地理数据具有一定的时效性，一定时间段内部分河流因人工修建水利设施及河道的变化，需要对人为因素产生的河道偏离基于遥感影像进行修正，最终确保监测范围内河道空间数据准确无误。

1.4 河道干涸断流解译方法

目前遥感解译的方法主要包括人工目视解译及计算机自动解译，其中目视解译操作方法简单、精度较高。河流干涸断流遥感识别过程中会遇到部分河流水面宽度较窄的情况，同时遥感解译过程中需要参照参考资料及历史影像数据，综合考虑计算机自动解译方法不适用，最终确定采用人工目视解译作为河流干涸断流遥感解译的主要方法。综合考虑河流水体在不同波段组合条件下的纹理、色调、形态等特征，构建干涸河道和通水河道遥感识别解译标志，同时计算影像数据的归一化水体指数(normalized difference water index，NDWI)用来辅助判断河流通水与断流情况。在解译标志基础上，结合归一化水体指数进行干涸河道和通水河道的判读，遥感解译标志见图2。

图2 河流干涸断流遥感解译标志

开展河流干涸断流识别的数据源主要是4波段的可见光影像数据，根据影像计算归一化水体指数，该指数是Mcfeeters在1996年提出的，是基于绿波段与近红外波段的归一化比值指数。NDWI一般用来提取影像中的水体信息效果较好，研究区域1～6级河流主要分布在城镇以外的农村地区，因此参考NDWI辅助判断河流干涸断流及通水情况具有较好的效果[13]。基于影像数据计算归一化水体指数，根据单波段阈值法确定阈值为0.1作为河道干涸及通水情况的判断临界值，阈值小于0.1为干涸断流河道，阈值大于等于0.1为通水体河道的辅助判断依据，归一化水体指数(NDWI)影像见图3。

图3 研究区NDWI影像

2 结果与分析

2.1 河流干涸断流遥感监测结果

2.1.1 2018年春季(枯水期)白洋淀流域河流干涸断流遥感监测

遥感监测结果表明，白洋淀流域河流2018年春季纳入监测的55条河流中有50条河流存在干涸断流现象，占河流总数的90.9%；干涸河道长度为1 169.84 km，占全部监测河道总长度的38.6%，干涸河道空间分布详见图4。唐河、大沙河、慈河3条河流干涸河道长度均超过90 km，其中，唐河干涸河道最长，长度为135.13 km，干涸河道长度见图5(按干涸长度从大到小排序，只展示了排名靠前的河流)；大东河、新开河、华山河、泽水河、环山渠5条河流的干涸比达100%，影像覆盖河段全线处于干涸断流状态；白洋淀流域范围主要包括河北省的保定、石家庄、廊坊、张家口，北京以及山西大同部分地区，其中保定、石家庄和大同3个城市的干涸河道长度均超过100 km，保定干涸河道最长，长度为785.22 km。

图4 2018年春季(枯水期)河流干涸断流空间分布

图5 2018年春季(枯水期)干涸断流主要河流

2.1.2 2018年夏季(丰水期)白洋淀流域河流干涸断流遥感监测

白洋淀流域2018年夏季纳入监测的55条河流中有48条河流存在干涸断流现象，占监测河流总数的87.3%；干涸河道长度为1 071.06 km，占全部监测河道总长度的37.6%，干涸河道空间分布情况见图6。有8条河流河道干涸长度超过40 km，其中唐河干涸河道最长，长度为157.63 km，河道干涸长度见图7(按干涸长度从大到小排序，只展示了排名靠前的河流)；华山河、泽水河、赵北河、大西干渠、易水灌区二干渠、环山渠6条河道的干涸比达100%，影像覆盖河段全线处于干涸断流状态。白洋淀流域所在的保定、大同和石家庄3个城市的干涸河道长度均超过100 km，其中保定干涸河道最长，长度为702.54 km；大同、石家庄和张家口三市河道干涸比均超过50%，其中大同市河道干涸比最高，干涸比达到71.8%。

图6 2018年夏季(丰水期)河流干涸断流空间分布

2.2 河流干涸断流时空变化分析

2.2.1 白洋淀流域河流干涸断流情况比较严重

白洋淀上游流域2018年春季、夏季河流干涸断流长度均在1 100 km左右，夏季干涸河道长度比春季减少了98.78 km，干涸断流情况略有改善。将两季的监测结果进行空间叠置分析，获取干涸断流季度变化结果，空间叠置分析结果只考虑两个季度都有有效影像覆盖的河流，保证动态监测结果的科学合理性。分析结果表明，两个季度常年干涸断流的河道有785.66 km，占监测河道的26.77%，间歇性干涸断流(监测时间范围内河流部分季度出现干涸断流现象)河流长度近400 km，占监测河道的13.62%。上述结果表明白洋淀流域河流干涸断流情况比较严重。具体2018年春季、夏季河流干涸断流情况见图8和图9。

图8 2018年春/夏河流干涸断流对比

图9 2018年春/夏河流干涸断流长度及比例

2.2.2 唐河、大沙河、慈河等河流常年干涸断流情况

唐河、大沙河、慈河等10条河流干涸断流长度超过30 km，其中唐河干涸长度为120.39 km，占监测河流长度的36.9%。大沙河、慈河的干涸长度均超过50 km，唐河、大沙河受王快水库、口头山水库拦截蓄水影响，慈河及下游的潴龙河受横山岭水库影响，漕河上游受龙门水库影响，因水库拦蓄洪水，水库下游河流水源补给大幅减少，伴随地区气候变化，流域降水量逐渐减少以及生产生活用水量急剧增加导致上述河流径流量锐减，水资源减少严重的河段导致水资源枯竭，监测期内部分河道出现常年干涸断流情况。

2.2.3 保定市河流干涸断流情况

白洋淀流域监测河流两个季度都有有效影像覆盖的河段为2 935.35 km，其中保定市为2 111.83 km，占监测河流长度的71.94%。监测结果表明，常年干涸断流的河流主要分布在河北省保定市、石家庄市以及山西省大同市，其中保定市常年干涸的河道长度为535.54 km，干涸断流河道长度占保定市河流的25.36%，占全部常年干涸断流的河流68.16%，石家庄市和大同市常年干涸断流河流超过100 km，各城市河流干涸断流情况见图10。保定市河流干涸断流情况较严重，因此白洋淀流域水生态环境治理的重点应该在保定市，只有彻底改善保定市地表河流的生态基流，才能从源头上改善白洋淀的入淀水量少的问题。

图10 白洋淀流域各地级市河流干涸断流长度及比例

3 讨论

(1)白洋淀流域河流干涸断流严重的主要原因包括气候条件变化、水库修建拦截以及工农业生产生活用水增长等因素。首先，白洋淀流域气温持续上升，降水持续下降，预示未来气候将向干热化方向发展[14]，这种气候变化趋势会导致白洋淀流域河流雨水汇集量减少；其次，20世纪60年代以来，白洋淀上游王快、横山岭、西大洋、龙门和安各庄等5座大型水库和瀑河中型水库的修建，基本拦截了上游来水，用于工农业及生活用水[15]，导致水库下游河流水源补给大幅下降；同时近几十年上游区域工农业生产发展迅速，人民生活水平不断提升，对地表水及地下水的需求不断增加，地下水位降低又引起地表河流径流的下渗流失，加重了地表河流水量的减少。

(2)河湖水系连通性对水生态环境质量状况的好坏具有重要作用[16]，近些年来为缓解白洋淀流域水环境质量状况，针对白洋淀开展了多次大规模的调水工程措施[11]，同时白洋淀上游水库也定期向下游河流补水，改善下游河流水生态环境质量状况，调水后地表水径流状况有所改善，但是根据2018年春、夏两个季度的地表河流干涸断流监测结果来看，河流干涸断流问题比较严重，要根据流域各行政区的水资源状况和用水需求量制定严格的水资源规划及利用管理制度，节约水资源的同时提高水资源利用效率。白洋淀上游河流作为白洋淀水源补给的重要来源，流域河流干涸断流情况整体严重，建议建立流域河流湖泊水资源状况动态遥感监测机制，充分利用卫星遥感成本低、范围广、信息量大、监测周期短等优势，定期开展白洋淀流域河流干涸断流遥感监测工作，发挥遥感技术优势，掌握河流干涸断流的空间分布，监测成果能为开展跨流域调水方案的编制提供依据，也能够对调水工程实施后流域水生态环境质量改善情况开展评价。

4 结论

利用高分辨率遥感影像研究了白洋淀流域河流干涸断流情况，通过对2018年春、夏两季的干涸断流监测结果进行对比分析，得到以下结论。

(1)白洋淀流域河流干涸断流情况严重，根据2018年春季和夏季的监测结果，白洋淀流域河流夏季干涸断流长度比春季减少了98.78 km，夏季略有改善，但是河流干涸断流比例变化不大，均在38%左右，河流干涸断流问题严重，干涸断流河段最低生态需水量无法保证。上游河流水量不足，严重影响地表河流入淀水量，不利于白洋淀的水源补给更新，加剧了白洋淀流域水生态环境问题的严峻性。

(2)唐河、大沙河、慈河常年干涸断流情况严重，其中唐河干涸长度最长为120.39 km，大沙河、慈河干涸长度均超过50 km，大石河、唐河间歇性干涸河段超过40 km，需要对上述河流开展进一步调查，准确查找河流干涸断流的人为因素和自然因素，为开展流域水生态环境保护修复提供支撑。

(3)保定市在2018年春季及夏季监测范围内常年干涸河道最长，干涸长度达到535.54 km，占保定市监测河道长度的25.37%，占常年干涸河道总长度的68.16%，保定市辖区范围内河流干涸断流问题严重，是白洋淀流域开展水生态环境治理改善的重点区域。

(4)白洋淀上游河流干涸断流问题比较严重。建议制定严格的流域水资源规划及利用管理制度，同时建立流域地表水环境状况遥感动态监测机制，开展白洋淀流域河流干涸断流动态监测机制，为跨流域调水工程和白洋淀流域水生态环境改善提供支撑。