基于Landsat影像的近40年来(19822021年)三峡库区水面面积及其蒸发损失变化*

李祖忠,张旭东,江 聪**,杜 涛,曾 凌

(1:中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 430078) (2:长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局,重庆 400020) (3:长江水利委员会水文局,武汉 430010)

三峡工程是目前世界上最大的水力发电工程,自三峡水库2003年6月蓄水以来,在大坝上游形成一个长达约 600 km的狭长带状河道型水库[1],在抬高上游水位、增加水面面积的同时,亦导致库区水文循环发生较大变化[2]。三峡水库蓄水经历了四个阶段,水位于2003年6月首次从70 m上升到135 m,在2006年10月达到156 m,2008年11月-2009年12月,三峡水库开始试验性阶段蓄水,最高水位达到172.3 m, 2010年10月达到175 m[3-4]。水库于2010年全面运行,水位每年在145～175 m之间周期性波动[5],使上游水面面积发生了重大变化,评估三峡水库水面面积变化及其对库区水文循环要素的影响,对三峡水库科学调度、水资源管理等具有十分重要的意义。

遥感数据具有覆盖分区大、时间跨度长、易获取、低成本等优点,为大范围水面面积估算提供了可能[6-8]。近年来,基于遥感技术对江河湖泊水库等水面或水量的时空变化研究成为热点。郝固状等[9]利用Landsat和高分二号数据对红崖山水库近20年水面面积变化进行驱动力分析,发现红崖山水库近20年的水面面积持续增长,面积变化率高达 42.6%。Huang等[10]选取2000-2009年356幅MODIS影像对洞庭湖进行水面动态监测研究,结果表明,洞庭湖区水面面积变化具有典型的季节性特征,且水面面积近10年显著减少。Feng等[11]利用MODIS数据,结合水文观测数据对鄱阳湖进行了水面面积动态评价,发现水面面积具有显著的季节性和年际变异性,最大水面面积是最小水面面积的14倍,且年均和最小水面面积均呈现出显著的下降趋势。Zhao等[12]运用湖泊温度和蒸发模型(LTEM),对11个湖泊进行了蓄热变化和蒸发量计算,发现该模型的计算结果较传统Penman方程的计算结果更为准确,对湖泊和水库季节性蒸发量的变化的刻画也更加精准。

三峡水库水面面积变化及其对库区水文循环的影响引起了国内学者一定的关注。赵运林等[13]基于MODIS数据对东洞庭湖及三峡水库水面面积变化进行了动态研究,发现蓄水后其水面面积与东洞庭湖水面面积呈现同步变化的趋势。何军等[14]通过通径分析法发现,三峡水库蓄水后,年潜在蒸发量呈增加趋势。然而,现有研究更多关注的是三峡水库蓄水之后水面面积的动态变化[15],而尚未有研究将蓄水前后进行比较研究。为此,本文将利用 Landsat 影像数据,分析1982-2021年三峡水库蓄水前后水面面积的变化以及蒸发损失量的变化,以期更加全面认识三峡水库的水文效应。

1 研究区域与数据

1.1 区域概况

三峡水库地处长江上游河段,其坝址位于湖北省宜昌市三斗坪。三峡水库跨度约 600 km,库区水面平均宽度约为 1.1 km,属于典型的河道型水库[16-17]。三峡坝址多年平均径流量4510亿m3,汛限水位145 m,正常高水位175 m,总库容392亿m3,可调节防洪库容达221.5亿m3。库区属于亚热带湿润季风气候,气候温和湿润,雨热同期[18],年均降水量为1000～1800 mm,年均气温约为17～19℃[19-20]。根据三峡工程初步设计,为了满足长江中下游防洪要求,三峡水库每年6-9月维持汛期防洪限制水位145 m运行,预留防洪库容,以调节可能发生的洪水,并在汛期后10月-次年2月保持正常蓄水位175 m;3-5月泄水清沙、为下游供水,预留防洪库容[21-22]。由于寸滩上游河段受三峡水库蓄水影响相对较小,且回水影响边界也难以准确界定,因此本文选取三峡库区坝前至寸滩段作为研究区,不再考虑长江干流寸滩上游部分河段、嘉陵江以及部分乌江回水区,具体研究区如图1所示。

图1 三峡水库地形及水位、气象站点分布Fig.1 Topography of Three Gorges Reservoir and distribution of water level and meteorological stations

1.2 数据来源

本研究使用的数据主要包括:

1)Landsat影像数据。从美国地质调查局(https://earthexplorer.usgs.gov/) 下载Landsat 5、Landsat 8 系列卫星遥感影像,空间分辨率为30 m。覆盖三峡库区影像条带号为[125,39]、[126,38]、[126,39]、[127,39]、[127,40],共5景。从1982年1月1日到2021年12月31日,筛选云量覆盖低于30%,且无云层遮挡的影像,并将影像划分为蓄水前和蓄水后两个时期,共计296幅(表1)。

表1 三峡库区遥感影像数(单位:幅)Tab.1 Remote sensing images of Three Gorges Reservoir area

2)水位站点数据。本文采用的水位资料为库区干流沿线9个水位站点1982-2021年的逐日数据。

3)气象数据。气象资料为库区干流沿线6个国家基准气象站点日蒸发皿观测资料,从大坝到库尾依次是秭归、巴东、奉节、万州、丰都和沙坪坝,资料系列为1982-2021年。

2 研究方法

在本文中,基于Landsat影像数据提取了三峡库区部分日期的水面面积数据,并通过建立面积与水位之间的关系,对库区面积进行了估算,获得了库区1982-2021年的逐日水面面积。同时,运用棱台模型,结合水面面积和库区水位,对库区月蓄水量的变化进行了计算,通过与水文部门公布月蓄水量变化的比较来进一步验证估算得到的库区水面面积的准确性。最后,结合三峡库区周边实测蒸发资料估算库区的水面蒸发量,并分析其在水库蓄水前后的变化规律。

2.1 水面面积提取

目前,利用光学遥感数据对江河湖泊水库等水面进行水体信息提取的主要方法有基于像元分类的单波段阈值法、多波段法(谱间关系法和水体指数法)和基于目标分类的分类法[23-24]。通过对比分析,本研究选用提取效果较好的归一化水体指数(normalized difference water index,NDWI)法。NDWI是McFeeters[25]基于归一化差异植被指数原理,利用绿光波段和近红外波段构建的。该指数可以最大程度地抑制植被信息,同时削弱土壤、建筑物和阴影的影响,突出水体信息[26-27]。其计算公式如下:

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中,Green为绿光波段,NIR为近红外波段。

本研究中,覆盖库区的影像共有5景,用GIS工具,裁剪出寸滩到三斗坪之间的水库回水区,包括长江干流以及回水范围内支流部分,并将5个分区分别按所在水位站命名为巴东、巫山、万县、忠县和寸滩。计算每个分区影像的NDWI,并结合目视解译法设定合适的阈值提取水体,最后对影像进行重分类,统计水面面积。

2.2 水面面积与水位关系建立

根据卫星影像拍摄时间获取该日的水位数据,建立分区水面面积与分区水位关系曲线。本文采用一元三次多项式对水面面积和水位进行拟合,建立水面面积与水位的函数关系,进而得到库区1982-2021年逐日水面面积。一元三次多项式回归方程构建如下:

S=a0+a1Z+a2Z2+a3Z3

(2)

式中,S为水面面积(km2);a0、a1、a2、a3为回归系数;Z为水位(m)。

2.3 水库蓄水量变化计算

为验证由Landsat影像资料推求的三峡库区水面面积是否合理,将通过水库水面面积与水位计算水库蓄水量变化,并与水文部门公布的蓄水量变化进行对比。本研究假设各河段内水面均匀,水位随时间垂直水面波动,因此,在获取水面面积的基础上,采用棱台模型估算水库蓄水量变化[28-29],公式如下:

(3)

(4)

式中,n为某时段研究范围划分分区数(本文划分5个分区,即巴东、巫山、万县、忠县和寸滩),Vi为某时段第i分区蓄水变化量(万m3);V为某时段研究区蓄水变化总量(万m3);Hi、Hi+1分别为时段初、末水位(m);Si、Si+1分别为时段初、末水面面积(km2)。

2.4 水面蒸发量计算

为了研究三峡库区水面面积变化对水面蒸发损失量的影响,收集了三峡库区沿线6个国家基准气象站点的日蒸发皿蒸发资料,并通过蒸发折算系数转化计算为各气象站的水面蒸发量,计算公式如下:

E=αEp

(5)

式中,E为水面蒸发量(mm);α为蒸发折算系数;Ep为水面蒸发观测值(mm)。

蒸发折算系数采用宜昌蒸发站和重庆蒸发站折算系数[30],各月份的折算系数值见表2。在计算6个气象站点水面蒸发量的基础上,采用反距离权重法由区内或相邻的站点的水面蒸发量计算各分区内的水面蒸发损失量,相加后获取三峡库区总的水面蒸发损失量。

表2 重庆、宜昌站蒸发折算系数Tab.2 Evaporation commutation factor for Chongqing and Yichang stations

3 结果分析

3.1 水面面积与水位关系

图2为三峡水库5个分区蓄水前后水面面积与水位实测点及拟合关系。可以看出,水面面积与水位拟合较好,R2都在0.95以上。基于现有实测逐日水位资料,通过回归方程推求1982-2021年的逐日水面面积。为了进一步分析水面面积提取的合理性与准确性,根据棱台模型计算库区月蓄水量变化(简称棱台模型计算结果),并将其与水文部门公布的三峡水库月蓄水量变化结果(简称水文部门公布结果)进行对比分析(图3)。从图中可以看出棱台模型计算结果与水文部门公布结果基本一致,R2高达0.98,表明结合遥感和实测站点水位资料计算的水面面积是合理的,具有充分的可靠性。

图2 三峡水库水位-面积关系曲线Fig.2 Relationship curve of water level and area of Three Gorges Reservoir

图3 棱台模型计算的月蓄水量变化与水文部门公布的月蓄水量变化对比Fig.3 Comparison between monthly storage changes calculated by the prismatic model and monthly storage changes published by the hydrological department

3.2 水面面积变化特征

在获取分区日水面面积基础上,统计出各分区蓄水前(1982-2002年)、蓄水阶段(2003-2009年)及全面运行后(2010-2021年)3个阶段的多年平均水面面积(表3)。可以看出,靠近大坝的巴东、巫山和万县3个分区水面面积增幅最显著。在水库全面运行阶段,巴东、巫山和万县3个分区水面面积较蓄水前分别增长198.90%、207.93%、136.52%,忠县分区次之,寸滩分区增长最小,仅为26.87%。在蓄水前后3个阶段中,忠县分区水面面积最大,主要在于该分区主河道长,占主干河长的43.39%;万县分区次之,是由于该分区河段称为低山丘陵宽谷区[10],河道变宽,使得该段水面面积较其它3个分区大。巴东分区虽然主河道相对较短,仅占18.98%,但距坝前最近,导致其水面面积在整个研究区内相对增加幅度最大。

表3 三峡库区分区多年平均水面面积Tab.3 Multi-year average water surface area in Three Gorges Reservoir area

图4为三峡水库1982-2021年月平均水面面积。从图中可以看出,三峡水库蓄水前,库区水面面积峰值集中在丰水期(6-9月),谷值集中在枯水期(12月-次年3月);坝前至寸滩库区平均水面面积为372.96 km2,最小月平均面积为262.58 km2(1982年1月),最大月平均面积为578 km2,出现于1998年8月,此时为特大洪水时期,月平均水面面积极值比为2.2。三峡水库蓄水经历了4个阶段:1)2003年6月至2006年9月,这一阶段,三峡水库坝前水位抬升到了135 m,水面面积迅速增加,库区平均水面面积为556.6 km2,较蓄水前增加了49.24%;2)2006年10月-2008年10月,三峡水库开始第二阶段蓄水,水位达到156 m,库区平均水面面积为649.3 km2,较蓄水前增加了74.10%;3)2008年11月-2009年12月,三峡水库开始试验性阶段蓄水,最高水位达到172.3 m,库区平均水面面积为746.25 km2,较蓄水前增加了100.09%;4)水库于2010年全面运行,并在2010年10月水位首次达到设计水位175 m,之后水位每年在145 ～175 m之间周期性波动,库区平均水面面积为761.31 km2,较蓄水前增加了104.13%,最大月平均面积为876.54 km2(2011年11月),最小月平均面积为615.36 km2(2021年6月),月平均水面面积的极值比为1.42,明显小于蓄水前。

图4 三峡水库1982-2021年逐月水面面积Fig.4 Monthly water surface area of Three Gorges Reservoir from 1982 to 2021

从三峡库区多年平均月水面面积月份变化曲线(图5)上看,三峡水库蓄水前,从1月到7月库区水面面积逐步增大,而7-12月,水面面积逐步减少,这与长江上游的来水过程相一致;其中6-10月,库区多年平均水面面积超过400 km2,水面面积最小月份在2月,为277.98 km2,最大月平均水面面积出现在7月,为498.29 km2。三峡水库于2010年进入全面运行阶段后,水面面积在12月至来年6月份期间呈下降趋势,6-8月期间基本保持稳定,9-11月期间由于水库蓄水,库区水面面积快速上升;其中5-8月,库区水面面积低于700 km2,最大、最小水面面积分别出现在11月和6月,分别为872.21、622.44 km2。以上结果表明,三峡水库运行使得三峡库区的水面面积季节性节律发生倒转。

图5 三峡库区多年月平均水面面积Fig.5 Multi-year monthly average water surface area in Three Gorges Reservoir area

2003年,三峡水库开始运行后,其强大的调蓄能力不仅改变了长江中下游的流量和水位,而且还对大坝上游库区原有的水文节律产生了显著影响,使得库区水面面积随着三峡水库的蓄泄调节而变化。图6展示了三峡水库不同季节水面面积的多年变化特征,从季节上看,三峡水库蓄水前,夏季水面面积最大,秋季、春季次之,冬季最小;而三峡水库全面运行后,库区水面面积较蓄水前呈现出截然不同水文节律,冬季水面面积最大,多年平均水面面积为843.81 km2,较蓄水前增加了1.89倍,增加幅度也最大;秋季、春季次之,水面面积分别为818.73、735.28 km2,较蓄水前分别增加了97.17%和1.28倍;夏季水面面积最小,为653.03 km2,较蓄水前仅增加了39.06%。

图6 三峡库区水面面积季节变化Fig.6 Seasonal variation of water surface area in Three Gorges Reservoir area

3.3 水面蒸发变化特征

如图7所示,三峡水库蓄水前,库区水面蒸发损失量与水面面积具有相似的季节性节律,蒸发损失峰值集中出现在6-9月,此时年内温度最高,恰逢汛期,水面面积也达到峰值;谷值出现在12月-次年3月,此时年内温度最低,且处于枯水期,水面面积降到最低。为了进一步分析三峡水库蓄水前后水面蒸发损失量的变化,将计算结果划分成3个阶段,即蓄水前(1982-2002年)、蓄水阶段(2003-2009年)及全面运行后(2010-2021年)。三峡水库蓄水前,库区多年月平均水面蒸发损失量为2236.11万m3,单月最大水面蒸发损失量为7269.21万m3,出现在1990年8月,最小水面蒸发损失量为457.13万m3,出现在1994年1月,极值比为15.9。2003-2009年期间,水库开始阶段性蓄水,多年月平均蒸发损失量为3556.48万m3,较蓄水前增加了59.05%;在这一时期水面面积季节性波动相对较小,蒸发损失量的季节性波动主要受气候条件控制,由于非汛期的水面面积较之前有明显增加,因此这个时期水面蒸发损失显著增加。2010年后,三峡水库开始全面运行,多年月平均蒸发损失量为4707.84万m3,较蓄水前增加了1.11倍;在这一时期水库水面面积虽然在7、8月汛期降到最小,但由于蒸发强度最大,因此蒸发损失量仍然是全年最大。另一方面,三峡水库在汛期的水位处于全年最低,但仍高于蓄水前的同期水位,因此汛期的水面蒸发损失较水库蓄水前仍有明显增加。三峡水库蓄水后,单月蒸发损失量的最大值出现在2018年8月,达到15168.91万m3,远高于蓄水前的月蒸发损失最大值,这一方面归因于水面面积的扩大,而极端高温导致的蒸发强度显著增大也是重要原因。在非汛期,水库维持在较高水位,水面面积虽然达到峰值,但蒸发强度较弱,水面蒸发损失明显低于汛期。总的来说,蓄水后水位比蓄水前水位大幅提升,水面面积增大,蒸发损失量也随之大。

图7 三峡水库1982-2021年逐月水面蒸发量Fig.7 Monthly water surface evaporation of Three Gorges Reservoir from 1982 to 2021

图8给出了三峡库区在不同阶段的多年平均月蒸发损失量。统计结果表明,蓄水前多年平均蒸发损失量为2.68亿m3,蓄水阶段多年平均蒸发损失量为4.27亿m3,较蓄水前增加了59.33%;水库全面运行后多年平均蒸发损失量为5.65亿m3,较蓄水前增加1.11倍,约占三峡坝址多年平均径流量的1.25‰,调节库容的2.55%。由图可知,从月份分配情况看,三个阶段,蒸发损失量变化趋势一致,即水面蒸发损失量1-8月呈现显著上升趋势,9-12月呈显著下降趋势;水面蒸发损失量都于8月达到峰值,分别为5355.19、6613.59、9012.63万m3;蓄水前最小蒸发损失量出现在1月,为559.04万m3,蓄水阶段和全面运行后两个阶段最小蒸发损失量都出现在2月,蒸发损失量分别为1494.39万、2411.29万m3。

图8 三峡库区多年月平均水面蒸发量Fig.8 Multi-year average monthly evaporation in the Three Gorges reservoir area

水库全面运行后,春季(3-5月)蒸发损失量为1.26亿m3,较蓄水前增加了1.4倍,其占全年总蒸发损失的比重也由蓄水前的19.55%增加至22.28%;夏季(6-8月)蒸发损失量为2.11亿m3,较蓄水前增加了61.14%,其占全年总蒸发损失的比重却由蓄水前的48.80%减少至37.32%;秋季(9-11月)蒸发损失量为1.49亿m3,较蓄水前增加了1.23倍,其占全年总蒸发损失的比重也由蓄水前的24.80%增加至26.29%;冬季(当年12月-次年2月)蒸发损失量为0.80亿m3,较蓄水前增加了3.34倍,其占全年总蒸发损失的比重也由蓄水前的6.85%增加至14.11%。以上结果表明,三峡库区水面蒸发损失量虽然随水面面积扩张呈现出显著的增加趋势,但其整体季节性节律并未发生改变。

4 结论

本文收集了三峡水库1982-2021年多时相Landsat 系列遥感数据,采用归一化水体指数法提取三峡水库坝前至寸滩水面面积,并建立与实测水位的关系,在此基础上计算三峡库区逐日水面面积,并结合潜在蒸发资料,推求了三峡水库水面蒸发损失量。主要结论如下:

1)水位与遥感影像提取的水面面积拟合较好,确定性系数R2都在0.95以上;且通过水位和面积计算得到库区月蓄水量变化,与水文部门公布的结果基本一致,R2高达0.98,表明结合遥感和实测站点水位资料计算的水面面积是合理的,具有充分的可靠性。

2)三峡水库全面运行后,坝前至寸滩库区平均水面面积由蓄水前的372.96 km2增加到761.31 km2,较蓄水前增加了1.04倍;从月份变化上看,蓄水前1-7月,库区水面面积逐步增大,而7-12月,水面面积逐步减少,其中6-10月库区平均水面面积超过400 km2。三峡水库全面运行后,水面面积在1-6月期间呈下降趋势,6-12月期间水面面积呈波动上升趋势,其中5-8月库区平均水面面积低于700 km2。

3)蓄水前三峡库区多年平均水面蒸发损失量为2.68亿m3,蓄水阶段多年平均蒸发损失量为4.27亿m3,较蓄水前增加了59.33%;水库全面运行后多年平均蒸发损失量为5.65亿m3,较蓄水前增加1.11倍,约占三峡坝址多年平均径流量的1.25‰,约占三峡水库调节库容的2.55%。库区水面蒸发损失量的季节性节律较蓄水前并未发生显著变化,春季蒸发损失量为1.26亿m3,较蓄水前增加了1.4倍;夏季仍是蒸发损失最大的季节,其蒸发损失量为2.11亿m3,但增长幅度最小,较蓄水前仅增加了61.14%,其占全年总蒸发损失的比重由蓄水前的48.80%减少至37.32%;秋季蒸发损失量为1.49亿m3,较蓄水前增加了1.23倍;而冬季水面面积虽然最大,但其蒸发损失量仍然最小,为0.80亿m3,较蓄水前增加了3.34倍,其占全年总蒸发损失的比重也由蓄水前的6.85%增加至14.11%。