基于時間序列遙感的2020年黃河三角洲濕地補水效果監測

黃玉芳 婁廣艷 葛雷 黃翀 周子俊

摘 要：2020年汛期在防御大洪水實戰演練期間進行的黃河三角洲濕地生態補水，生態補水量創歷史最高，三角洲濕地首次實現漫灘式補水。基于Sentinel-1與Sentinel-2時間序列衛星遙感影像，評估了2020年三角洲生態補水前中后期濕地動態變化與補水效果。結果表明：生態補水期間清水溝、刁口河流路濕地水體淹沒頻率較高，大多為0.6～0.8，清水溝流路濕地水面面積由補水前的70 km2擴大到100 km2，刁口河流路濕地水面面積由補水前的不足0.1 km2擴大到5.25 km2，淹沒頻率的提高和水面面積的擴大改善了濕地的水分條件，滿足了植被生長期的水分要求;研究區濕地地表水分指數均值由補水前的下降趨勢轉為上升趨勢，補水期間與補水后地表水分指數明顯高于補水前，有利于濕地植物群落的正向演替和濕地生態功能的維持，展現出生態補水對濕地生態恢復的正向作用。

關鍵詞：生態補水;時間序列遙感;地表水分指數;黃河三角洲

中圖分類號：TV882.1;P343.5 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.017

引用格式：黃玉芳，婁廣艷，葛雷，等.基于時間序列遙感的2020年黃河三角洲濕地補水效果監測[J].人民黃河，2021，43（7）：89-93.

Abstract： The amount of the wetland ecological water supplement in the Yellow Riverdelta during the flood season of 2020 was the highest in history and the delta wetland realized flooding-type water supplement for the first time. Based on Sentinel-1 and Sentinel-2 time series images， this paper monitored and evaluated the dynamic changes and water supplement effects of delta wetland before and after ecological water supplement in 2020， which provided technical support for the ecological regulation of the Yellow River and the ecological restoration of delta wetland. The results show that the submerged frequency of the wetlands of Qingshuigou and Diaokou flow paths is higher during the ecological supplement period， mostly between 0.6 and 0.8. The water surface area of Qingshuigou flow path is expanded from 70 km2 to 100 km2 and the water surface area of Diaokou flow path is expanded from less than 0.1 km2 to 5.25 km2. The increase of submerged frequency and the expansion of water surface area have improved the water condition of the wetland and met with the water requirement of vegetation growth period. The mean value of land surface water index （LSWI） of wetland in the study area has changed from a downward trend to an upward trend. The land surface water index during and after water replenishment is significantly higher than that before water supplement， which is beneficial to the positive succession of wetland plant communities and the maintenance of wetland ecological functions and shows a positive effect of ecological water supplement on wetland ecological restoration.

Key words： ecological water supplement; time series remote sensing; land surface water index; Yellow River delta

濕地是黃河三角洲生物多樣性最為豐富的區域，是珍稀瀕危保護物種的重要棲息地，是黃河三角洲最具保護價值的生態系統。隨著經濟和社會的高速發展，石油開采、農業開墾和水產養殖等人類活動對黃河三角洲濕地造成了嚴重破壞[1-2]，加之受黃河來水來沙減少、海水入侵和風暴潮等影響，黃河三角洲濕地出現面積大幅度萎縮、生物多樣性受損和植被逆向演替等眾多生態問題[3]。淡水水源補給是影響三角洲濕地演變的關鍵因素[4]，是黃河三角洲濕地保護與恢復的關鍵[5-6]。為遏制黃河三角洲濕地生態環境不斷惡化的趨勢，黃河水利委員會先后開始了黃河水量統一調度、調水調沙及生態調度、三角洲生態補水等實踐，對三角洲濕地生態系統保護與修復起到了促進作用[7-12]。

據統計，2008—2019年，累計向黃河三角洲淡水濕地恢復區補水4.64億m3，其中向清水溝流路（現行流路）濕地補水2.20億m3、向刁口河流路（黃河故道）濕地補水2.44億m3。2020年汛期在防御大洪水實戰演練期間進行的黃河三角洲濕地生態補水，生態補水量創歷史最高，防御大洪水實戰演練期間共補水1.32億m3。同時，黃河利津站發生近30 a來最大流量4 580 m3/s，三角洲濕地首次實現漫灘式補水。筆者基于Sentinel-1與Sentinel-2時間序列衛星遙感影像，提取并計算三角洲濕地補水區域水體淹沒頻率、水面面積和地表水分指數（LSWI），對三角洲濕地生態補水效果進行動態評估。

1 數據與研究方法

黃河三角洲位于山東省東北部黃河入海口處，北臨渤海、東臨萊州灣。現代黃河三角洲為以漁洼為頂點，北起挑河口、南至宋春榮溝，面積約2 400 km2的扇形地帶。黃河最近一次較大的人工改道事件發生在1976年，原北向刁口河流路被廢棄，改道東南經清水溝流路入海。1996年施行人工改道，原流路廢棄，黃河改由清8汊斷面東北向入海，形成黃河當前入海口。為保護黃河三角洲淡水濕地生態系統，黃河三角洲自然保護區管理部門分別于2003年、2006年在自然保護區內設立了3 333.33、6 666.67 hm2濕地恢復區并開展引黃生態修復工作。2009年，以刁口河流路過水為契機，在三角洲保護區北部劃定了1 333.33 hm2濕地恢復區。2011年，在清水溝流路北側劃定了666.67 hm2濕地恢復區。目前，三角洲保護區共有濕地恢復區1.2萬hm2。三角洲自然保護區和淡水濕地恢復區范圍見圖1。本文研究范圍為2020年生態補水區域，分為刁口河流路濕地補水區和清水溝流路濕地補水區兩部分，其中刁口河流路濕地補水區位于黃河故道，清水溝流路濕地補水區位于黃河現行流路。

1.1 數據來源與處理

（1）Sentinel-1數據及預處理。采用2020年6月1日至2020年10月31日的Sentinel-1合成孔徑雷達（SAR）影像，分析補水后水體淹沒頻率、水面面積動態變化情況。Sentinel-1是歐洲航天局哥白尼計劃（Copernicus Programme）中的對地觀測衛星，載有C波段合成孔徑雷達，由1A和1B雙星組成。本研究所用Sentinel-1 SAR數據來源于歐洲航天局網站（https：//scihub.copernicus.eu/），數據獲取模式為干涉寬幅模式（IW），產品類型為Level-1級地距影像（GRD），其空間分辨率為5 m×20 m，時間分辨率為6 d。數據預處理主要包括多視距處理、大氣校正、斑點濾波以及幾何校正，采用歐洲航天局提供的SNAP軟件中的Sentinel-1 Toolbox（S1TBX）工具實現。為去除雷達成像時的斑點噪聲，選取Refined Lee算法對圖像進行濾波處理，并將后向散射系數進行轉分貝處理，轉化方法為

式中：DN為圖像像素灰度值;σDB為后向散射系數。

（2）Sentinel-2、Landsat 8數據及預處理。采用2020年6月1日至2020年10月31日所有可獲得的Sentinel-2光學影像，輔以Landsat 8影像，提取地表水分指數（LSWI），并分析其隨時間的變化特征。Sentinel-2是歐洲航天局哥白尼計劃中哨兵系列衛星的光學衛星，包括2A與2B雙星，衛星攜帶了MSI多光譜成像儀，包含13個光譜波段，具有60、20、10 m共3種空間分辨率。本研究用到的Sentinel-2數據從歐洲航天局網站下載，該數據為經過正射校正和亞像元級幾何精校正后的L1C大氣表觀反射率產品，利用歐洲航天局提供的Sen2cor插件對Sentinel-2影像進行輻射定標與大氣校正。

1.2 研究方法

（1）基于Sentinel-1時間序列影像的地表水淹沒頻率分析。基于Sentinel-1時間序列影像，提取、計算研究區內的水體淹沒頻率、水面面積，并分析其變化特征。水體淹沒頻率為一個像素在一段時間內被識別為水體的次數與影像總期數的比值，反映該像素的水分情況，水體淹沒頻率計算公式為

FW=NwaterNobservation

式中：FW為水體淹沒頻率，為0～1之間的值;Nwater為某一像素在一段時間內被確定為水體的次數;Nobservation為一段時間內Sentinel-1總的觀測次數。

（2）基于Sentinel-2與Landsat 8時間序列影像的地表水分指數變化分析。地表水分指數包含對土壤濕度和植被水分敏感的短波紅外波段反射率，可以用于土壤濕度變化的監測，濕度越大，LSWI值越大，LSWI計算公式為

式中：ρnir為近紅外波段的地表反射率;ρswir1為短波紅外波段的地表反射率。

2 結果與分析

水作為濕地的控制因子，是濕地恢復的關鍵因素。適宜的水量補給并保證地表徑流不斷更新水體，對濕地水生植物群落的正向演替、增強濕地生態功能具有明顯促進作用[10]。對2020年大洪水期間黃河三角洲生態補水前中后期濕地補水區的水體淹沒頻率、水面面積和地表水分指數進行監測，評估2020年大洪水期間生態補水對濕地的影響。

2.1 水體淹沒頻率與水面面積動態變化

（1）水體淹沒頻率變化。刁口河、清水溝流路濕地補水區水體淹沒頻率分布見圖2，其中白色邊框內為補水區范圍。濕地補水區不同水體淹沒頻率對應的面積見表1。刁口河流路水體淹沒頻率主要集中在0.6～0.8，淹沒頻率為0.6～0.8的面積為2.60 km2，占補水區總面積的16.74%。清水溝流路濕地補水區水體淹沒頻率為0.6～0.8的面積為41.88 km2，淹沒頻率為0.8～1.0的面積為30.96 km2，蘆葦沼澤水體淹沒頻率大多大于0.8。

（2）水面面積動態變化。濕地補水區6月至10月水面面積變化曲線見圖3。2020年6月5日至20日，刁口河流路濕地補水區水面面積不足0.1 km2。刁口河流路2020年6月29日開始生態補水，7月14號補水結束。補水開始后，濕地補水區水面面積增大，7月15日濕地補水區水面面積增大到0.77 km2。8月、9月對刁口河流路進行了汛期第二次生態補水，8月29日水面面積達到4.65 km2，隨后水面面積增長速率降低，9月28日水面面積達5.25 km2。10月初，濕地補水區水面面積開始下降，10月18日降至1.18 km2。

6月5日至6月20日，清水溝流路濕地補水區水面面積保持在70 km2左右。清水溝流路濕地于2020年6月27日開始生態補水，補水區水面面積增大，7月15日補水區水面面積增大到74.54 km2，8月29日水面面積達100 km2。9月初，補水區水面面積開始下降，至10月23日水面面積減至79.23 km2。

黃河三角洲濕地補水的實施，有效改善了濕地退化的狀況，濕地植被恢復呈正向演替趨勢，沼澤、草甸和灌叢等生態斑塊面積增大，為鳥類提供了豐富的食物、庇護場所和繁殖地，遷徙、繁殖鳥類數量增多[13-14]。通過補水工程調控濕地水位和水面面積，退化的淡水濕地生態系統逐漸恢復，水鳥多樣性明顯提高，尤其是提高了鸻鷸類、雁鴨類和鸛類的豐富度[15]。刁口河流路通過在補水期內蓄水，使濕地生長的白茅-獐茅群落、蘆葦草甸、蘆葦-鹽生雜草甸等植被類型轉變為蘆葦沼澤或有向蘆葦沼澤演替的趨勢，遏制了刁口河流路濕地生態退化的趨勢[7]。在濕地補水的影響下，蘆葦面積明顯增大，棲息地質量提升區域面積逐步擴大，維護了水鳥等動植物的生境，基本實現了生態補水的目的[16]。

水面面積的增大和水體淹沒頻率的提高，可以改善濕地的水分條件，促進濕地植被的正向演替、蘆葦生長以及鳥類棲息地的修復。2020年黃河防御大洪水實戰演練期間的生態補水，使清水溝流路濕地水面面積由補水前的70 km2擴大為100 km2，到10月仍維持了79.23 km2的水面面積，有利于濕地植物群落的正向演替和濕地生態功能的維持，達到了預期的生態補水目的。

2.2 地表水分指數動態變化

濕地實施生態補水后，補水區域土壤水分顯著增加，土壤鹽分含量降低，土壤養分含量增加，為濕地的生態恢復提供了適宜的生境條件[6]。地表水分指數（LSWI）可以表征土壤濕度變化情況，因此采用地表水分指數對補水效果進行動態評估。

（1）刁口河流路濕地補水區LSWI隨時間的變化。刁口河流路濕地補水區LSWI均值6月至10月變化情況見圖4。可以看出，2020年6月5日至20日，刁口河流路濕地補水區LSWI均值呈下降趨勢;7月至9月刁口河流路濕地補水區LSWI均值明顯增大，原因是黃河三角洲刁口河流路于2020年6月29日開始生態補水，黃河水的補給使得濕地生態系統水分得以補充，LSWI均值隨之上升;10月刁口河流路濕地補水區LSWI均值呈下降趨勢，但仍高于補水前的水平。刁口河流路濕地補水區LSWI均值的變化展現出生態補水對濕地保護區生態系統的改善作用。

（2）清水溝流路濕地補水區LSWI隨時間的變化。清水溝流路濕地補水區LSWI均值6月至10月變化情況見圖5。可以看出，2020年6月5日至20日，清水溝流路濕地補水區LSWI均值呈下降趨勢;6月下旬至9月底，清水溝流路濕地補水區LSWI均值增大明顯，原因是黃河三角洲現行清水溝流路于2020年6月27日開始生態補水，黃河水的補給使得濕地生態系統水分得以補充，LSWI均值隨之上升;10月LSWI均值呈下降趨勢，但仍高于補水前的水平。

把土壤鹽分控制在植物耐鹽閾值范圍內可以提升退化濕地生態自我修復能力，是濕地生態修復與恢復的關鍵因素之一[3]。大量淡水的輸入對濕地土壤交換性鹽基離子具有明顯洗脫作用[11]，向黃河三角洲退化濕地進行淡水資源補給，對降低鹽堿濕地的鹽度效果顯著[17]。黃河三角洲濕地生態補水后，濕地土壤含鹽量較補水前降低[7]。淡水補充還可以改變濕地土壤碳氮含量，隨著恢復年限的增加，補水恢復區濕地土壤有機碳、全氮含量逐漸上升[17]，有效提升了土壤養分，對提高濕地生態系統的生產力、維持濕地生態系統的功能具有重要作用。生態補水工程的實施改善了水鹽條件，濕地的植被和生物得到一定程度恢復[18]。

刁口河流路濕地補水區和清水溝流路濕地補水區地表水分指數變化情況表明，在生態補水前濕地的地表水分指數較低且呈下降趨勢，不利于濕地生態修復和維持;生態補水后，濕地地表水分指數顯著增大，說明生態補水有效提高了濕地土壤含水率，濕地補水效果明顯。

3 討 論

長期實施生態補水，特別是大流量、高脈沖的補水過程，可以顯著增加濕地生態系統服務價值[16，19]。從三角洲生態需水來看，三角洲生態需水2.8億～4.2億m3/a，適宜生態需水量為3.5億m3/a，濕潤年份適宜生態補水量為2.8億m3/a，3月至10月采用適宜生態需水量補水可使保護區的主導生態功得到較好發揮[20]。劉曉燕等[21]指出，4月至5月補水量最好達總補水量的三分之一。照此估算，2020年為濕潤年份，適宜補水量為2.8億m3，6月至10月補水量宜占2.8億m3的三分之二，即1.9億m3。因此，2020年大洪水期間的1.32億m3補水量雖然為近年來最大補水量，但與該時段適宜補水量1.9億m3仍有差距。在黃河水資源量短缺的情況下，如何實現更高效的生態補水，是今后需要持續研究的課題。從補水時間上來看，黃河三角洲蘆葦發芽的關鍵期是4月至6月，蘆葦生長關鍵期為7月至10月[20]，2020年生態補水時間為蘆葦生長關鍵期，滿足了蘆葦生長期的需水要求，補水時間較為適宜。

本次研究發現，地表水分指數作為指示因子比水面面積能更為靈敏地反映出濕地的水分狀態。例如，2020年6月5日至20日，清水溝流路濕地補水區水面面積穩定保持在70 km2左右，但同期地表水分指數呈下降趨勢，刁口河流路濕地地表水分指數和水面面積也呈現了同樣的趨勢，說明地表水分指數可以更為靈敏地反映濕地的水分狀態。地表水分指數可以用于土壤濕度變化的監測。土壤含水率是濕地恢復的關鍵因素，土壤含水率的提高促進了濕地植被的生長、演替，在一定程度上改善了土壤結構[22]。淡水沼澤蘆葦、鹽化草甸蘆葦和咸水沼澤蘆葦生長適宜的土壤水分（體積含水率）下限分別為25.7%、32.0%、34.0%，最低土壤水分（體積含水率）下限分別為21.5%、25.1%、27.1%[23]。因此，在三角洲濕地生態補水效果監測和評估中，可將地表水分指數作為指示因子，并同步進行土壤含水率監測，建立地表水分指數和土壤含水率的響應關系，動態監測濕地植被需水的時空過程，在土壤水分達到植被需水的低限點時及時提示生態補水需求，使三角洲濕地生態補水和濕地生態系統保護更加科學高效。

4 結 語

通過對2020年大洪水期間黃河三角洲生態補水前中后期濕地恢復區的水體淹沒頻率、水面面積和地表水分指數的監測和分析，動態評估了2020年大洪水期間生態補水對濕地的影響，得出以下結論：生態補水期間，清水溝和刁口河流路濕地水體淹沒頻率較高，大多介于0.6～0.8之間，刁口河、清水溝流路濕地水體淹沒頻率為0.6～0.8的面積分別為2.60、41.88 km2;生態補水前，清水溝、刁口河流路濕地水面面積都較小，隨著濕地補水的進行，補水區內原本為非水面的區域逐漸被水淹沒，保護區內蘆葦沼澤長勢變好，生態補水結束后一段時間（至9月、10月），水面面積逐步下降，但濕地水面面積仍大于生態補水前的;生態補水前，清水溝、刁口河流路濕地地表水分指數均值都呈下降趨勢，隨著濕地補水的開展，黃河水的補給使得濕地生態系統水分得以補充，地表水分指數均值隨之增大，生態補水結束后一段時間（至9月、10月），地表水分指數緩慢下降，黃河三角洲生態補水前中后期LSWI均值的變化，展現出生態補水對濕地保護區生態恢復的正向作用。

參考文獻：

[1] 孔祥倫，李云龍，韓美，等.1990年以來3個時期黃河三角洲天然濕地的分布及其變化的驅動因素研究[J].濕地科學，2020，18（5）：603-612.

[2] 洪佳，盧曉寧，王玲玲.1973—2013年黃河三角洲濕地景觀演變驅動力[J].生態學報，2016，36（4）：924-935.

[3] 孫志高，牟曉杰.黃河三角洲濕地保護與恢復的現狀、問題與建議[J].濕地科學，2011，9（2）：107-115.

[4] 栗云召，于君寶，韓廣軒，等.黃河三角洲自然濕地動態演變及其驅動因子[J].生態學雜志，2011，30（7）：1535-1541.

[5] CUI B，YANG Q， YANG Z，et al. Evaluating the Ecological Performance of Wetland Restoration in the Yellow River Delta， China[J]. Ecological Engineering，2009，35（7）：1090-1103.

[6] 楊薇，裴俊，李曉曉，等.黃河三角洲退化濕地生態修復效果的系統評估及對策[J].北京師范大學學報（自然科學版），2018，54（1）：98-103.

[7] 劉青勇，王愛芹，張娜，等.基于調水調沙的黃河三角洲濕地生態修復技術[J].中國農村水利水電，2016（2）：60-63.

[8] 柏建坤，臧震宇，馮建祥，等.黃河三角洲蘆葦濕地生態修復效果評價研究[J].濕地科學與管理，2016，12（3）：17-22.

[9] 黃翀，劉高煥，傅新，等.黃河三角洲刁口河流路濕地恢復遙感監測與評價[J].地理科學進展，2012，31（5）：570-576.

[10] 唐娜，崔保山，趙欣勝.黃河三角洲蘆葦濕地的恢復[J].生態學報，2006，26（8）：2616-2624.

[11] 韓玲，白軍紅，葉曉飛，等.淡水恢復對黃河口鹽沼濕地土壤水鹽信息的影響[J].北京師范大學學報（自然科學版），2018，54（1）：42-47.

[12] 宋創業，胡慧霞，黃歡，等.黃河三角洲人工恢復蘆葦濕地生態系統健康評價[J].生態學報，2016，36（9）：2705-2714.

[13] 朱書玉，王偉華，王玉珍，等.黃河三角洲自然保護區濕地恢復與生物多樣性保護[J].北京林業大學學報，2011，33（增刊2）：1-5.

[14] 王瑞玲，連煜，黃錦輝，等.黃河三角洲濕地補水生態效益評價[J].人民黃河，2011，33（2）：78-81.

[15] 袁秀，孫燕燕，王計平，等.基于水鳥棲息地恢復的黃河三角洲水資源綜合利用策略[J].資源科學，2020，42（1）：104-114.

[16] 裴俊，楊薇，王文燕.淡水恢復工程對黃河三角洲濕地生態系統服務的影響[J].北京師范大學學報（自然科學版），2018，54（1）：104-112.

[17] 董凱凱，王惠，楊麗原，等.人工恢復黃河三角洲濕地土壤碳氮含量變化特征[J].生態學報，2011，31（16）：4778-4782.

[18] YANG Wei， LI Xiaoxiao， SUN Tao， et al. Habitat Heterogeneity Affects the Efficacy of Ecological Restoration by Freshwater Releases in a Recovering Freshwater Coastal Wetland in Chinas Yellow River Delta[J]. Ecological Engineering， 2017， 104： 1-12.

[19] YANG Wei， SUN Tao， YANG Zhifeng. Does the Implementation of Environmental Flows Improve Wetland Ecosystem Services and Biodiversity？ A Literature Review[J]. Restoration Ecology， 2016， 24（6）： 731-742.

[20] 連煜，王新功，黃翀，等.基于生態水文學的黃河口濕地生態需水評價[J].地理學報，2008，63（5）：424-434.

[21] 劉曉燕，連煜，可素娟.黃河河口生態需水分析[J].水利學報，2009，40（8）：956-961，968.

[22] 鄭明喜，解伏菊，侯傳美.黃河三角洲退化濕地植被與土壤的恢復研究[J].氣象與環境學報，2012，28（1）：11-16.

[23] 謝濤，楊志峰.黃河三角洲蘆葦濕地土壤水分安全閾值[J].水科學進展，2009，20（5）：683-688.

【責任編輯 呂艷梅】