遙感在小流域水資源監測管理中的應用

林振通

（深圳市水務規劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518109）

1 引言

東江水源工程是為長遠解決水源短缺問題,由深圳市政府投資建設的大型跨流域調水工程,被譽為深圳的“生命線工程”。為加強工程沿線水工建筑物的管理、確保工程安全、緩解水資源減少與用水需求之間矛盾,迫切需要實施有效的水資源管理政策[1]。為了能夠制定有效的和可持續的水資源規劃管理政策,需要了解不斷增長的水需求以及可用水資源的時空變化,這需要可靠的水資源時間序列數據[2,3]。然而,大多數流域的數據記錄非常有限且難以持續監測其流量,不足以進行趨勢分析。

研究表明,衛星圖像是填補水文數據空白的可靠選擇,可以用來生成流域的空間和時間數據[4]。最近的遙感技術提供了準確和高分辨率的空間和時間數據,可以更好地監測氣候變量。因此遙感應用正成為研究未定分水嶺的可行選擇。此外,遙感技術還能通過量化總質量的變化來測量儲水量的變化[5]。在沒有其他類型的物質被自然或人為機制取代的地方,通過重力恢復和氣候實驗研究地表水資源的時空變化更有效,但存在粗糙空間分辨率（1°×1°）和缺乏有關水文過程詳細時空信息的局限性[6]。盡管如此,人們越來越有興趣擴大遙感的使用,以研究小流域內的水文過程和水的可利用性,這與本研究的缺少現場記錄的情況相似。

本研究以東江水源工程為研究對象,利用遙感工具計算流域內儲水量的變化。流域內的湖泊在本研究中被用作儲水變化的指標。通過二維地球電阻率成像技術監測含水層的潛力和數量,通過地理信息系統技術量化流域內的水資源。與大多數復雜的水文模型不同,我們僅使用流域內免費的衛星圖像和蓄水記錄對流域蓄水量的變化進行有效估算。本研究的結果將有助于量化有限地面觀測小流域內水預算的主要組成部分。

2 研究方法

2.1 研究區域

江水源工程自惠州市水口鎮的東江和馬安鎮的西枝江取水,經兩級泵站提升,最終到達深圳市西麗、鐵崗水庫。工程橫跨深惠兩地,穿越惠州2 區6 個鎮22 個村、深圳7 區12 個街道辦26 個村,主干線全長106 km,其中境內輸水干線長54 km,境外輸水干線長52 km。工程主要由東江、西枝江2 個取水口,東江、西枝江、永湖、獺湖、沙灣等5 座泵站以及隧洞（74.3 km）、箱涵（16.6 km）、渡槽（2.48 km）、地下埋管（41.5 km）、倒虹管（0.9512 km）、跨河（路)建筑物、分水建筑物、檢修閘、檢修通道等組成。

2.2 數據集

2.2.1 衛星數據采集與分析

重力恢復和氣候實驗用以研究流域內總蓄水量的變化,陸地衛星7 和8 監測流域內時間序列區域范圍內的湖泊量,并與流域內蓄水量波動進行比較。重力恢復和氣候實驗可精確測量由于重力變化而導致的衛星之間距離的變化來監視地球質量的變化。對重力恢復和氣候實驗所獲得的圖像進行了調整校正,將去條紋濾波器應用于數據處理,以最大程度地減少相關誤差的影響,并采用高斯濾波器來降低300 km 寬窗口內的噪聲。陸地衛星圖像還可以使用形態梯度檢測來計算流域內湖泊面積的變化。由于云覆蓋而導致的偶爾中斷,消除了許多圖像。對所有處理過的圖像進行了分類,并目視檢查了湖泊邊界,湖泊橫向范圍的變化清晰可見。湖泊面積是通過使用不同日期的圖像描繪的多邊形來計算的。此外,使用15 m 分辨率的數字高程模型來確定不同日期的湖泊深度。每當湖泊體積發生變化時,流域內的湖泊表面積也會發生變化。然后,在每個時間段內,將湖泊面積乘以從數字高程模型中獲得的湖泊深度來計算湖泊中的水量。

2.2.2 需水量數據

從當地的水和能源報告中獲得了廢水處理廠的水需求,農業和家庭的水消費,以及水的回收和排放記錄。水和能源報告中包含淡化水的年度消耗量,廢水的年度流入量,年度處理水和年度回用水量,在計算湖泊的水預算時用作輸入變量。

3 結果與分析

3.1 地表水監測

圖1 顯示了使用陸地衛星圖像檢測到的選定日期流域內湖泊的區域變化。2009年底到2010年初,湖泊面積開始增加。在2010年5 月,陸地衛星圖像顯示湖泊面積僅為0.35 km2。之后, 該湖的面積開始迅速增加,2012年9 月達到最高值0.86 km2。此后,湖泊面積開始緩慢減小,2014年7 月減小到0.46 km2。由于掃描線校正器傳感器的故障,陸地衛星07的圖像受到影響,引入了無值數據的條紋,這會影響圖像的質量。盡管缺少值,陸地衛星07 圖像與陸地衛星08 圖像在2013年和2014年湖泊的輪廓一致。

圖1 流域內湖泊的演變圖像

圖1 顯示了2010年～2014年流域內湖泊體積的年度變化。如圖中的曲線下面積所示,湖泊的年平均體積為2.80 Mm3。2010年1 月湖泊體積約為1 Mm3,之后,湖泊體積開始迅速上升并在2012年達到峰值4.5 Mm3。此后,湖泊體積開始驟降,直到2013年達到2 Mm3。直到2014年均相對保持在這一水平僅略有下降。湖泊體積的變化清楚地表明,大量的水流入湖泊,導致流域內湖泊的體積從其初始大小（小于1 Mm3）增加至2 Mm3。

3.2 儲水監測

圖2 顯示了重力恢復和氣候實驗的異常和流域內的蓄水量變化。隨著重力恢復和氣候實驗的異常值持續為負,研究區域內的水存儲量從2008年開始顯著下降。負梯度持續并在2013年達到最低水平-2.7 cm。這種水存儲量的枯竭與流域內湖泊面積的增加同時發生,這可能導致大量水分蒸發,也表明該地區的地下水資源在過去十年中被過度開發。盡管重力恢復和氣候實驗結果顯示,2013年和2014 的年值和月值的損耗率大幅下降,但是,仍需要進一步的趨勢分析來驗證地下水枯竭的總體趨勢。與觀察到的儲水枯竭相一致,城市的用水量在2009年～2015年內增加了100 Mm3。用水量從2005年的161.2 Mm3達到2009年的190.90 Mm3。然后,耗水量急劇增加,在2013年達到293 Mm3的大關。水需求增加的主要因素是城市的擴張以及工農業部門的增長。

圖2 流域內湖泊的年體積變化

3.3 耗水量

圖3 顯示了耗水量的變化。在2005年和2009年,用水量以相對較小的幅度增加,在4年內僅增加30 mm3。然而,2013年,用水量開始飆升并達到300 Mm3。2005年,在160 Mm3消耗的水中, 只有33.7 Mm3在廢水處理廠中再利用。2009年,處理廠從所消耗的190.9 Mm3水中再利用了52.1 Mm3的水。但是, 從2010年開始,廢水的流入并沒有以與用水量相同的速度增加。2019年～2012年消費增加了50%,而廢水流入量僅增加了12%。這意味著廢水流入量的增加小于10 Mm3,而用水量猛增了近100 Mm3。2002年～2008年,廢水流入和廢水處理之間的差異相對較小,2008年觀察到差異增加,2011年觀察到的差異最高為10.53 Mm3。

圖3 重力恢復和氣候實驗的異常和城市的用水量曲線

圖4 淡化水和廢水用量

圖5 湖年平均排水量和水量變化趨勢

2005年,大部分處理過的水被再利用。水的回用主要用于城市的景觀美化。2008年～2009年,盡管處理后的水量增加了,但重復使用的水量卻沒有以相同的速度增加且有更大的減少（5 Mm3）。2009年,處理水和回用水之間的最大差異為7.5 Mm3。2011年,再利用的水迅速增加,并達到與處理水相同的水平。這主要歸因于城市景觀灌溉的增加,以及政府對提高公眾認知的努力。

3.4 流域內湖泊體積與廢水排放的比較

2008年～2009年,處理廠排放到湖中的水從0.5 Mm3增加到4 Mm3。然而,2010年排放量減少了約50%,2011年猛增并達到10.53 Mm3,這種增量可能使含水層中的地下水位飽和。2012年,排放水顯著減少,僅為2.5 Mm3。

根據使用遙感獲得的湖泊年平均體積,湖泊擴張開始于2010年,估計體積為1 Mm3,2011年達到3.17 Mm3,2012年達到4.46 Mm3的峰值,2013年幾乎減少了一半,達到約2 Mm3。

2010年排放水的水位急劇增加,2011年達到10.53 Mm3的最高水位,而2012年湖水量達到峰值4.46 Mm3。排放水的衰退速率和湖泊體積曲線幾乎相同,兩條曲線的峰值大約有1年的滯后期。這表明,從污水處理廠排放的水可能需要1年的時間才能到達地下水位,排放水量減少與湖泊體積減少相關。

流域內的水預算可以通過量化湖泊的體積來計算。流入湖泊的淡化水是湖泊水預算的主要來源。這里值得注意的是,進入湖泊的大部分排放水都是通過蒸發流失的。在估算湖泊體積時,未考慮蒸發損失,僅使用陸地衛星圖像和數字高程模型計算湖泊中儲存的水。因此,可以使用遙感圖像估算湖泊的蒸發,提高水預算的準確性。本研究暫不考慮蒸發量。

2010年,湖泊的體積估計為1 Mm3,此時GRACE 異常的讀數為1.27 cm。然后,體積開始迅速增加,2012年達到最大的GRACE 異常值2.61 cm。在開始恢復之前,2013年～2014年的衛星讀數略有下降。這表明,湖泊的膨脹可能導致水存儲的枯竭。GRACE 異常與湖泊體積變化之間的一致性驗證了這樣的假設,這說明可以將流域內的湖泊視作從通過遙感監控流域內水變化的儲水表。

4 結論

這項研究的主要目的是評估遙感在缺乏地面觀測的小流域水資源管理中的應用。結果表明,東江水源工程范圍內的蓄水量,尤其是地下水,處于過去15年的最低記錄水平。通過對GRACE 讀數的分析,本研究清楚地證明了整個東江水源工程范圍內的地下水消耗增加。用于農業目的的深井抽水是地下水資源減少的主要原因,唯一的解決辦法是實施水資源綜合管理戰略。本研究表明,遙感技術可以有效地用于規劃水資源管理。可以使用遙感技術合理地估算水資源,這也可以補充原位測量,特別是在缺乏地面觀測條件的小流域。此外,廢水處理廠的主要產出與損失,處理過的水大部分被送到流域內的湖泊中,也可以通過遙感監測相關儲水量的變化。總體而言,遙感是監測缺乏地面觀測的小流域內水資源的有效工具,可通過使用衛星圖像監測灌溉和植被健康來印證這一說法。因此,遙感技術應成為全面水資源管理戰略的重要組成部分,以實現高效的水資源管理。