1. 标题
Ÿ Long-term (2002-2017) Impacts of Danjiangkou dam on Thermal Regime of Downstream Han River (China) using Landsat Thermal Infrared Imagery
Ÿ 基于Landsat热红外影像的丹江口大坝对下游汉江热状况的影响
2. 成果信息
· Zhao Jiayang, Li Hui, Cai Xiaobin et al. Long-term (2002-2017) Impacts of Danjiangkou dam on Thermal Regimes of Downstream Han River (China) using Landsat Thermal Infrared Imagery. Journal of Hydrology. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2020.125135
· 该研究由国家自然科学基金(41201429, 41871019, 41672355)以及中国地质调查项目(DD20190263)资助。
3. 成果团队成员
· 赵嘉旸，硕士研究生，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，主要研究方向为GIS/RS地学应用。联系邮箱：zjymark@cug.edu.cn。
· 李辉（通讯作者），博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，副教授，主要研究方向为GIS/RS地学应用(地学信息提取、流域过程模拟、地貌与新构造)。联系邮箱：leelmars@gmail.com。
· 蔡晓斌，博士，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，副研究员。
· 陈芳，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，博士。
· 王伦澈，博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，教授。
· 余德清，博士，湖南省自然资源厅洞庭湖区生态环境遥感重点实验室，教授级高工。
· 李长安，博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，教授。
4. 成果介绍
河流水温是河流的重要物理指标之一，对河流的物理、化学以及生物过程产生显著影响。大坝蓄水形成的水库使得水深加大，由于不同层位的水体受到的太阳辐射不同，导致水库出现表层热，底层冷的水温垂直分层现象，大坝排放的深层低温水会对下游河流水温产生显著的冷却效应。本研究以丹江口大坝为研究对象，收集158景2002-2017年Landsat系列热红外遥感影像，利用辐射传输模型法定量反演大坝上下游水面温度，研究了16年来丹江口大坝对下游汉江河流水温的影响，分析了2013年大坝加高后的“热效应”，并讨论了河流水温变化的生态后果。
水表温度反演结果表明，丹江口大坝运行对下游汉江水温产生了季节性的影响：春季下游河道水温明显低于水库温度；夏天这种水温差异达到峰值；秋季水温差异减小，虽然依旧显著；冬季水温差异基本消失（图1）。
图1. Landsat热红外遥感影像反演2016年四季水体表面温度图
a. 春季（4月16日；b. 夏季（6月27日）；c. 秋季（10月17日）；d. 冬季（12月4日）
水温纵剖面表明，夏季大坝下游河流水温较上游水库的降幅可达10°C；春季和秋季可达3-4°C；冬季则不明显（图2）。春、夏季的河道水温降低将对下游汉江四大家鱼的产卵与生长产生不良影响。
图2. 2016年不同季节大坝上下游水体表面温度沿程纵剖面
长时序温度反演结果表明，丹江口大坝对下游河流水温影响存在显著的季节性周期和年际间变化。夏季水温差异最为显著，冬季最为微弱，春、秋两季则存在中等程度的差异。大坝对下游水温影响的年际间变化亦十分显著。在大坝加高之前（2002-2014）夏季水温差异总体在6°C上下波动，而在大坝加高后（2015-2017）水温差异则提高至约10°C；年平均水温差异也由加高前的2°C左右提高加高后的至4°C左右（图3）。
图3. 水温差异与年均水温差异变化曲线图
（F、M、A、N分别指2月、5月、8月、11月，红色虚线为大坝加高的时间界线）
大坝加高前后上下游月均温度差异表明，大坝加高加剧了对下游河流的冷却效应，延长了冷却持续时间。大坝显著冷却效应（水温差异>5°C）的时间由加高前的2个月（6月至7月）延长至4个月（5月至8月），且加高后6至8月的平均水温差异超过了8°C（图4）。春夏季正是汉江四大家鱼产卵和生长季节，河道水温的降低将推迟四大家鱼繁殖时间及改变产卵场地。
图4. 2002-2014及2015-2017年间月均水温差异
大坝对下游河流水温的季节影响主要取决于水库水温垂直分层特征。由于太阳辐射的季节性变化，深水水库会出现季节性的水温垂直分层现象。丹江口水库是一座位于亚热带地区的深水水库，在春季，较强的太阳辐射会使水库表层水体温度升高，漂浮在较冷的水体上，导致分层的开始；随着夏季太阳辐射的增强，表层水体被强烈加热，深层水体仍保持较冷状态，分层现象加剧；秋季，由于太阳辐射减弱，表层水体逐渐冷却，而深层水温变化较小而相对温暖，由于热量的对流传导，分层现象开始减弱，并可能在冬季消失。因此，大坝排放的深层水会使得下游河流热状况发生季节性变化。本研究中，最明显的热变化发生在夏季，春季和秋季其次，冬季不太明显，这与深水水库季节性水温垂直分层特征一致。
大坝对下游河流的热影响与水库水位密切相关。水位提高会减弱表层与深层水体之间的热量交换，导致水温垂直分层现象加剧，这是大坝加高后水温差异升高的原因之一。图5展示了各月水温差异与水位的关系。两者在水温分层现象显著的5-8月呈现正相关性；而在水温分层现象微弱甚至不存在的其他月份中，点位分布离散，两者的相关性较低，表明水位的影响并不明显。
另外，水库热惯量还受出、入库的流量及温度影响。丹江口水库受河流补给，不同季节汇入水库的水体水温存在季节差异，在图1的春、秋、冬季影像中，丹江汇入水库的水温明显较低，可能导致库区水温发生变化。除此之外，南水北调中线工程从水库表层取水，同时大坝通过底层进行排水，使得库区水体的分层现象更为复杂。
图5. 各月水温差异与水库水温的相关性分析结果
丹江口大坝下游河流水温的变化会对水生生态系统产生显著影响，以四大家鱼为例，其产卵时间为5月下旬至8月初，正好处于大坝对下游冷却效应最为强烈的时段内，且冷水的排放会导致河流水温低于产卵所需的最低水温，大坝的加高会进一步加剧该不良影响，导致四大家鱼的产卵场地受到威胁。
本研究利用2009-2012年水文站实测水温数据对反演水面温度进行精度验证（图6）。从图中可以看出绝大部分散点的分布十分接近1:1线，两组数据的相关系数R2为0.97，RMSE值为1.14°C，表明反演精度较高，与前人研究得到的精度结果一致。
图6. Landsat反演水温与实测水温对比验证结果
主要结论：
（1）大坝对下游河流水温影响表现出季节性周期和年际间变化。在夏季，大坝对下游河流产生强烈的冷却效应，平均水温差异高达6.01°C；春、秋季造成中等程度的冷却效应，平均水温差异分别为2.76°C以及1.23°C。2002-2014年的年均水温差异为1.52至2.97°C，2015-2017年的年均水温差异为3.14至3.82°C；
（2）大坝的加高加剧了对下游河流的冷却效应，并延长了冷却效应持续时间。月均水温差异的峰值由加高前的5.56°C提高至8.85°C，且存在显著水温差异（>5°C）的持续时间由加高前的2个月（6-7月）延长至加高后的4个月（5-8月）；
（3）借助2009-2012年的实测水温数据对Landsat热红外遥感数据反演水温进行精度评估，证明利用Landsat遥感影像进行水温反演精度较高，使得分析大坝下游河流水温的长期影响以及重建历史时期的水温时空分布情况成为可能。
