李 楠，曹 蕊，脫友才，鄧 云

(1. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051；2. 福建省環(huán)境保護設計院有限公司，福建 福州 350003；3. 四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

冰情的出現(xiàn)會對水庫的運行管理、水資源調(diào)度、工程安全、生態(tài)環(huán)境等造成一系列不利的影響。水庫冰情與庫區(qū)動力和熱力條件密切相關，在入流穩(wěn)定的大型水庫中往往表現(xiàn)出顯著的熱力學特征，即水庫冰蓋的熱力學生消、發(fā)展和庫區(qū)水體的熱力演變相互影響[1]。目前，我國水利水電工程的開發(fā)正逐漸向高海拔寒冷的河源區(qū)推進，而在此區(qū)域修建的水庫必然會面臨冰情問題。因此，開展寒區(qū)水庫冰情研究具有重要的科學意義和工程應用價值。

水庫冰情研究最直接的手段是原型觀測。國外最具有代表性的是前蘇聯(lián)學者于20世紀50至80年代對其境內(nèi)30多座水庫開展的原型觀測，并進行了水庫冰情的演變規(guī)律研究[1]。我國的水庫冰情研究始于20世紀80年代中后期，其中對水庫靜冰壓力與冰溫[2-4]、冰物理特性[5-7]方面的研究較多，且取得了豐富的研究成果。馬喜祥等[8]通過對萬家寨水庫的現(xiàn)場考察并結(jié)合實測冰情資料，對萬家寨水庫的封開河過程進行了描述。脫友才等[9-11]對豐滿水庫壩前冰厚、封開河時間等歷史資料進行整理，通過對豐滿水庫水溫冰情的連續(xù)觀測，初步描述了豐滿水庫年內(nèi)水溫和冰情變化的基本規(guī)律。呂明治等[12]對十三陵、張河灣、西龍池、蒲石河和呼和浩特5座抽水蓄能電站的冰情進行了原型觀測，初步分析了水庫冰情演變過程。郭紅永等[13]對東北某抽水蓄能電站開展了原型觀測，結(jié)合上水庫運行方式，分析了上水庫冰情的形成及動態(tài)。趙海鏡等[14]對呼和浩特抽水蓄能電站原型觀測資料進行分析，總結(jié)了呼和浩特抽水蓄能電站上、下水庫及附近哈拉沁水庫的冰情形成及消長過程。以上的水庫冰情研究均基于傳統(tǒng)的定點測量和目視觀測，往往受到交通、目視距離、觀測角度、天氣狀況等條件的制約，難以充分獲取水庫整體冰情演變情況。

冰雪具有較高的反射率，這與除云以外的多數(shù)其他自然表面有著明顯不同。因此衛(wèi)星遙感非常適合對冰雪的監(jiān)測，可以依據(jù)其反射和放射特性來進行識別[15]，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為水庫冰情研究提供了新的手段。本文基于ENVI 5.1軟件平臺，采用Landsat-7和Landsat-8衛(wèi)星遙感圖像，以吉林市季節(jié)性冰封的豐滿水庫為研究對象，通過對衛(wèi)星遙感圖像的冰情解譯和地表溫度反演，并結(jié)合歷史水溫冰情資料，探究豐滿水庫的整體冰情演變規(guī)律及其與庫區(qū)水體熱力演變的關系。

1 研究區(qū)域

豐滿水庫位于北溫帶季風氣候區(qū)的吉林省吉林市，是第二松花江上的第3個梯級水庫，上游依次建有紅石和白山梯級水庫，下游建有永慶反調(diào)節(jié)水庫（圖1）。豐滿水庫具有多年調(diào)節(jié)性能，壩址控制流域面積4.25 萬km2，最大壩高為91.7 m，正常蓄水位263.5 m，相應庫容88.50 億m3，死水位242.0 m，調(diào)節(jié)庫容達61.64 億 m3。

圖 1 豐滿水庫平面示意Fig. 1 Sketch map of Fengman Reservoir

豐滿電廠自1960年代起對壩前冰厚和封、開河日期進行了長達40余年的觀測記錄，四川大學自2011年起對豐滿水庫水溫冰情進行了觀測?；跉v史資料和觀測數(shù)據(jù)，脫友才等[9-11]總結(jié)了豐滿水庫水溫冰情變化的基本規(guī)律：（1）豐滿水庫具有典型的季節(jié)性冰封水庫水溫分布特征，即春夏季壩前水溫分層顯著，冬季壩前水溫逆溫分布；（2）冬季豐滿電站下泄水溫穩(wěn)定在2.3 ℃左右，下泄熱流量導致壩址下游70 km河道不封凍；（3）豐滿水庫封河、開河時段分別為12月中旬至1月中旬和4月中旬至4月下旬，多年平均歷時133 d；（4）穩(wěn)封期豐滿庫區(qū)冰厚沿程不均勻分布。

2 研究方法

采用Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI傳感器數(shù)據(jù)對水庫冰情進行解譯，采用Landsat-8 TIRS傳感器數(shù)據(jù)對水庫表層溫度進行反演。基于研究目的、排除偶然性、保證周期連續(xù)性，在篩選研究區(qū)域無云或少云的圖像后，選取豐滿水庫2011－2012年結(jié)冰期、2012－2013年結(jié)冰期、2014年開河期和2016年開河期的衛(wèi)星遙感圖像進行冰情解譯；選取2013－2014年冰期及前后的衛(wèi)星遙感圖像進行庫表溫度反演。

冰情解譯的主要步驟為條帶修復、波段疊加、RGB假彩色增強、圖像分類和數(shù)據(jù)提取。Landsat-7衛(wèi)星遙感圖像在進行單波段圖像條帶修復后，對Band 1～Band 5進行疊加；Landsat-8衛(wèi)星遙感圖像對Band 2～Band 6進行疊加。根據(jù)不同波段RGB組合對地物增強的效果經(jīng)驗和嘗試，Landsat-7衛(wèi)星遙感圖像采用Band 4，Band 5，Band 3的 RGB假彩色合成方案；Landsat-8衛(wèi)星遙感圖像采用 Band 5，Band 6，Band 4的RGB假彩色合成方案。之后采用非監(jiān)督分類法的ISODATA分類器進行圖像分類，分類結(jié)果根據(jù)目視解譯以及先驗實地調(diào)查進行定義并子類合并，最終將水庫內(nèi)的地物識別定義成冰和水。圖2為冰情解譯結(jié)果與當日衛(wèi)星遙感照片對比，結(jié)果顯示二者吻合良好。

圖 2 冰情解譯結(jié)果與當日衛(wèi)星遙感照片對比Fig. 2 Comparisons of ice interpretation results and satellite images of Fengman Reservoir

基于輻射傳輸方程法的TIRS地表溫度反演主要步驟為輻射定標、大氣校正、地表比輻射率計算、黑體輻射亮度計算和地表溫度計算。采用ENVI 5.1軟件的輻射定標工具，自動讀取元數(shù)據(jù)文件中的增益以及補償數(shù)據(jù)，對多光譜和熱紅外數(shù)據(jù)依次進行輻射定標；采用FLAASH Atmospheric Correction工具，根據(jù)豐滿地區(qū)緯度和衛(wèi)星遙感圖像拍攝時間選擇合適的MODTRAN大氣模型參數(shù)。為獲取較精確的地表比輻射率數(shù)據(jù)，采用覃志豪等[16]提出的地表比輻射率計算方法，將地表分成水體、自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)，分別對這3種地表類型計算地表比輻射率。在完成黑體輻射亮度計算和地表溫度計算后，將反演結(jié)果與實測水溫進行對比，以驗證該方法的反演精度。結(jié)果（表1）顯示：反演水溫在升溫期（降溫期）均略高于（低于）實測水溫；反演水溫與實測水溫基本相近，絕對誤差在0.4～2.4 ℃，反演效果較為理想。

表 1 庫表實測水溫與反演水溫對比Tab. 1 Comparisons of surface water temperature between observed and retrieval results

3 冰情演變分析

3.1 庫區(qū)結(jié)冰過程

2011－2012年、2012－2013年豐滿水庫結(jié)冰期冰情解譯結(jié)果分別如圖3和圖4所示，表2為豐滿水庫結(jié)冰期冰覆蓋面積統(tǒng)計。豐滿水庫歷史封河時段為12月中旬至1月中旬，從獲得的最早冰情出現(xiàn)和最早完全封凍圖像并結(jié)合歷史冰情數(shù)據(jù)可以推斷，2011－2012年的初冰時間為11月下旬，完全封凍時間為12月下旬，結(jié)冰期歷時約1個月；2012－2013年的初冰時間為11月下旬，完全封凍時間為12月下旬至1月上旬，結(jié)冰期歷時1.0至1.5個月。解譯和統(tǒng)計結(jié)果表明：豐滿水庫結(jié)冰過程以熱力結(jié)冰為主，無顯著的流冰出現(xiàn)；主庫中段（距壩前72～90 km區(qū)域）首先封凍，之后結(jié)冰區(qū)域分別向壩前和庫尾發(fā)展；蛟河支庫和主庫庫尾結(jié)冰較早，壩前最后封凍；這種結(jié)冰規(guī)律，與多欽科[1]所總結(jié)的第三類水庫結(jié)冰順序一致，其產(chǎn)生原因主要來自上游梯級電站泄水影響；穩(wěn)封期冰覆蓋率超過97.0%，除庫尾外均處于封凍狀態(tài)，無清溝或開敞水域；庫尾段由于受上游紅石電站冬季下泄高溫水（2.5 ℃左右）影響，在結(jié)冰后期存在10～20 km的明流段。

圖 3 2011－2012年豐滿水庫結(jié)冰期冰情解譯結(jié)果Fig. 3 Ice interpretation results of Fengman Reservoir during the freeze-up period of 2011-2012

圖 4 2012－2013年豐滿水庫結(jié)冰期冰情解譯結(jié)果Fig. 4 Ice interpretation results of Fengman Reservoir during the freeze-up period of 2012-2013

表 2 豐滿水庫結(jié)冰期冰覆蓋面積統(tǒng)計Tab. 2 Statistics of ice coverage rate of Fengman Reservoir during the freeze-up period

表3為豐滿水庫結(jié)冰期斷面岸冰寬度統(tǒng)計，結(jié)果表明：壩前區(qū)域岸冰較寬但所占斷面寬度的比例較小；庫尾段岸冰較窄但所占斷面寬度的比例較大；結(jié)冰期間岸冰會有一定程度的發(fā)展。冰情解譯結(jié)果也表明，豐滿水庫斷面封凍不是由岸冰增長、合攏導致的，而是岸冰和主流水域結(jié)冰同時發(fā)生、相互連接形成的斷面封凍。

表 3 豐滿水庫結(jié)冰期斷面岸冰寬度統(tǒng)計Tab. 3 Statistics of border ice width of Fengman Reservoir during the freeze-up period

3.2 庫區(qū)開河過程

2014年、2016年豐滿水庫開河期冰情解譯結(jié)果分別如圖5和圖6所示，表4為豐滿水庫開河期冰覆蓋面積統(tǒng)計。隨著春季氣溫、太陽輻射以及入流水溫的升高，豐滿水庫進入開河期，3月下旬庫區(qū)冰覆蓋率依然維持在90%左右，最早的解凍圖像日期為4月中旬。根據(jù)蘇聯(lián)水庫解凍資料統(tǒng)計，水庫不同區(qū)域上冰的消融需要持續(xù)5～20 d[1]，而豐滿水庫歷史開河時段為4月中旬至4月下旬，若將3月中旬作為開河期的起始，則豐滿水庫的開河歷時約1個月。解譯和統(tǒng)計結(jié)果表明：豐滿水庫在穩(wěn)封期庫尾就存在明流段，該段在上游紅石電站下泄影響下流速和水位變動均較大且水溫較高，因此開河期明流段逐漸擴大并向庫區(qū)中段方向推移；蛟河支庫的開河時段為3月下旬至4月上旬；豐滿庫中段開河逐漸向壩前方向進行，部分區(qū)域會出現(xiàn)分段開河的現(xiàn)象，并隨著氣象條件的逐漸升高而擴大和發(fā)展?？傮w來看，豐滿水庫開河過程從庫尾段開始，并不斷發(fā)展到庫區(qū)中段和壩前，開河期冰蓋的熱力融化過程顯著，庫尾段無冰壩出現(xiàn)，表現(xiàn)為文開河。

圖 5 2014年豐滿水庫開河期冰情解譯結(jié)果Fig. 5 Ice interpretation results of Fengman Reservoir during the break-up period of 2014

圖 6 2016年豐滿水庫開河期冰情解譯結(jié)果Fig. 6 Ice interpretation results of Fengman Reservoir during the break-up period of 2016

表 4 豐滿水庫開河期冰覆蓋面積統(tǒng)計Tab. 4 Statistics of ice coverage rate of Fengman Reservoir during the break-up period

4 水庫熱力演變與冰情的關系

4.1 結(jié)冰期庫區(qū)熱力與冰情關系

2013年豐滿水庫表層溫度反演結(jié)果與當日衛(wèi)星遙感照片如圖7所示。2013年10月9日處于降溫期，庫區(qū)尚未結(jié)冰，庫表水溫反演結(jié)果顯示：壩前水溫為15.0～16.0 ℃，蛟河支庫水溫為14.0～15.0 ℃，從距壩址80 km處起，水溫降至13.0 ℃，當日入庫日均水溫為15.4 ℃，入庫水體從庫尾向庫中流進的過程中逐漸失熱，在庫區(qū)中上游區(qū)域下降至最低，該區(qū)域也是每年庫區(qū)最早開始結(jié)冰的區(qū)域。12月28日處于結(jié)冰期，庫區(qū)大部分區(qū)域已結(jié)冰，庫表溫度反演結(jié)果顯示：壩前未封凍區(qū)域庫表水溫為0～2.0 ℃，庫區(qū)表層冰溫為?25.0～?10.0 ℃，由于結(jié)冰期表層冰溫與冰厚正相關，而庫區(qū)中上游段的表層冰溫最低，可以推斷此處冰蓋最厚，該區(qū)域也是結(jié)冰期前水溫最低且結(jié)冰期最早結(jié)冰的區(qū)域，當日入庫日均水溫為2.3 ℃，使得庫尾段水溫高于0 ℃。

圖 7 2013年豐滿水庫表層溫度反演結(jié)果與當日衛(wèi)星遙感照片（單位：℃）Fig. 7 Surface temperature retrieval results and satellite images of Fengman Reservoir of 2013 (unit: ℃)

在結(jié)冰期前，豐滿水庫的庫表熱力分布規(guī)律為自壩前至庫區(qū)中上游區(qū)域水溫沿程降溫，庫尾段則由于較高溫的入流而水溫偏高。結(jié)冰期前的庫表熱力分布直接影響了其結(jié)冰順序，導致出現(xiàn)庫區(qū)中上游區(qū)域和蛟河支庫首先結(jié)冰、壩前最后結(jié)冰、庫尾段不完全封凍的結(jié)冰規(guī)律。

4.2 穩(wěn)封期庫區(qū)熱力與冰情關系

2014年2月23日豐滿水庫立面二維水溫與冰蓋分布如圖8所示，圖中散點為垂線水溫實測點。2月23日處于穩(wěn)封期，當日入庫日均水溫為1.7 ℃，庫尾明流段長度約33 km，其垂向水溫基本同溫，沿程降溫率為0.12 ℃/km；庫區(qū)其余水域全部封凍，除壩前區(qū)域外冰下水溫（冰蓋下1～2 m）較庫尾段下降了約1.0 ℃；冰蓋下各測量斷面的垂向水溫呈現(xiàn)逆溫分布結(jié)構(gòu)，且自庫尾至壩前逆溫分布結(jié)構(gòu)逐漸明顯；2#～5#測量斷面的表層與庫底垂向溫差分別為0.2，2.7，2.0和3.1 ℃；庫區(qū)冰蓋沿程分布不均勻，庫區(qū)中上游區(qū)域最先結(jié)冰，其冰厚最大（3#斷面，平均冰厚77 cm），壩前最后封凍，其冰厚較?。?#斷面，平均冰厚59 cm）。

穩(wěn)封期豐滿庫區(qū)垂向水溫主要呈現(xiàn)逆溫分布結(jié)構(gòu)，壩前水深且蓄熱能力強，其垂向水溫溫差較大；庫尾段水淺且具有一定流速，其垂向水溫為同溫分布；庫區(qū)冰下水溫自庫尾至壩前表現(xiàn)沿程降溫的趨勢，隨著壩前高溫水體的下泄和庫區(qū)低溫水體的流動，壩前區(qū)域水溫會逐漸降低，庫區(qū)整體熱量也會進一步減小；庫區(qū)冰蓋沿程分布不均勻，其厚度分布與結(jié)冰期封凍先后順序正相關。

圖 8 2014年2月23日豐滿水庫立面二維水溫與冰蓋分布Fig. 8 2D vertical water temperature and ice cover distributions of Fengman Reservoir on Feb. 23, 2014

4.3 開河期庫區(qū)熱力與冰情關系

2014年豐滿水庫表層溫度反演結(jié)果與當日衛(wèi)星遙感照片如圖9所示。3月2日處于穩(wěn)封末期，庫尾明流段長度約44 km，庫區(qū)表層溫度反演結(jié)果顯示：壩前至庫中的表層冰溫為?7.0～0 ℃，較2013年12月28日的表層冰溫有所上升，可以推斷此時庫區(qū)冰蓋厚度已經(jīng)減??；壩前表層冰溫最低，為?7.0～?6.0 ℃，而庫尾開河段水溫偏高，當日入庫日均水溫為2.5 ℃。2014年4月19日庫區(qū)已經(jīng)全部開河，庫區(qū)表層水溫反演結(jié)果顯示：庫區(qū)壩前水溫為4.0～5.0 ℃；蛟河支庫水淺，水體升溫較快，水溫為7.0～10.0 ℃；當日入庫日均水溫為6.3 ℃，表層水溫自庫尾至壩前沿程降溫。

圖 9 2014年豐滿水庫表層溫度反演結(jié)果與當日衛(wèi)星遙照片（單位：℃）Fig. 9 Surface temperature retrieval results and satellite images of Fengman Reservoir of 2014 (unit: ℃)

開河初期庫區(qū)水溫分布自庫尾至壩前沿程降低，并出現(xiàn)表層浮力流動現(xiàn)象[11]，隨著時間的推移，冰下水溫沿程分布降低的趨勢更加明顯，在這樣的熱力狀況的影響下，豐滿水庫解凍過程從庫尾開始，并不斷發(fā)展到庫區(qū)中段和壩前。

5 結(jié) 語

豐滿水庫是寒區(qū)大型季節(jié)性冰封水庫，上游梯級電站的修建，使得整個冰期豐滿水庫入流條件穩(wěn)定，庫區(qū)冰情受水體熱力學影響顯著。本文基于ENVI 5.1軟件平臺，對豐滿水庫冰期及前后的Landsat系列衛(wèi)星遙感圖像進行了冰情解譯和庫表溫度反演；結(jié)合解譯成果和歷史水溫冰情資料，探究了豐滿水庫整體冰情演變規(guī)律及其與庫區(qū)水體熱力演變的關系，得出以下結(jié)論：

（1）在封凍期前，豐滿水庫壩前區(qū)域水深且蓄熱量大，入庫低溫水替換至水庫中部，表層水溫自壩前至庫區(qū)中上游區(qū)域呈沿程降溫分布，庫尾段則由于較高溫的入流而水溫偏高。

（2）在結(jié)冰期，豐滿庫表水溫呈庫區(qū)中低、壩前和庫尾高的分布，在此影響下，豐滿水庫結(jié)冰過程從庫區(qū)中段開始，逐漸向壩前和庫尾發(fā)展，壩前最后封凍。

（3）在穩(wěn)封期，豐滿水庫冰蓋下水溫呈垂向逆溫分布，壩前至庫區(qū)中段均處于封凍狀態(tài)，冰蓋厚度沿程不均勻分布，庫尾存在約10～30 km的明流段。

（4）在開河期，豐滿水庫整體蓄熱降低，入庫水溫較高，受表層浮力流動現(xiàn)象和冰水熱交換影響，庫表水溫自庫尾至壩前呈沿程降溫分布，由于庫尾穩(wěn)定的入流條件，水庫以文開河的形式自庫尾向壩前逐漸開河。

掌握不同類型水庫整體和細節(jié)冰情演變規(guī)律是水庫冰情研究的基礎工作，可為數(shù)學模型開發(fā)和驗證提供重要依據(jù)。本文對Landsat系列衛(wèi)星遙感圖像的解譯、反演方法以及對豐滿水庫整體冰情演變規(guī)律的分析，可為今后寒區(qū)水庫冰情研究提供思路和參考。