東洞庭湖和三峽水庫水域面積時空變化的相關(guān)性

趙運林，徐正剛*，李云梅，孫德勇，檀靜，王珊珊

(1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；4.南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044)

洞庭湖是中國第二大淡水湖[1]，與長江干流直 接通聯(lián)，能攔蓄流域上游來水，分蓄長江干流洪水，消減干流河段的洪峰流量，緩解長江中游地區(qū)洪澇災(zāi)害，減輕下游洪水壓力，維系地區(qū)的洪水蓄泄和泥沙的沖淤平衡[2–3]。由于受泥沙淤積、圍湖造田等因素的影響，洞庭湖被分為南洞庭湖、西洞庭湖和東洞庭湖3部分。3個湖體一方面能夠相互連通，另一方面由于受各自湖底高程、河流入水量及人類活動等的影響而各自具有不同的特征。不同湖體水面變化特征與整個洞庭湖水面面積變化是否一致值得關(guān)注。長江上游三峽工程的建設(shè)是近年對洞庭湖影響最為劇烈的人類活動，對洞庭湖水域面積變化產(chǎn)生了深刻的影響。洞庭湖水域面積變化及其與三峽工程相關(guān)性研究一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，袁敏等[4]利用中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectrometer，MODIS)數(shù)據(jù)研究三峽工程對洞庭湖水面的影響，認(rèn)為三峽工程建成后洞庭湖水面有減少的趨勢。泥沙淤積、東方田鼠暴發(fā)等洞庭湖生態(tài)環(huán)境問題也因為洞庭湖水位的變化而發(fā)生改變[5–6]。

遙感技術(shù)具有大尺度、可回溯等特點[7–8]?；谶b感技術(shù)研究洞庭湖水面或水量的時空變化成為了近年的研究熱點[9–14]。龜山哲等[3]、彭定志等[15]和龔偉等[16]均基于MODIS 衛(wèi)星對洞庭湖區(qū)水面變動情況進行了分析。Ding Xianwen 等[17]利用ENVI–ASAR影像分析了2002—2009年洞庭湖水面變化情況，認(rèn)為洞庭湖枯水期水面較20 世紀(jì)90年代有所增加。雖然關(guān)于整個洞庭湖水面變化的研究較多[7]，但關(guān)于東洞庭湖研究的報道極少。在洞庭湖水域面積變化的已有研究中，通常以3～5年或者1年為研究周期，這不易反映長時間序列的變化情況。考慮到東洞庭湖直接與長江干流相連通，也是江湖水量交換的直接場所，所以本研究中重點關(guān)注東洞庭湖，利用MODIS 影像數(shù)據(jù)分析2002—2012年偶數(shù)年份東洞庭湖水域面積的月、季節(jié)變化以及水域消落帶變化，并與三峽水庫水域面積變化進行相關(guān)性分析。

1 東洞庭湖概況與研究方法

1.1 東洞庭湖概況

東洞庭湖是“國際濕地公約”收錄的由中國政府指定的21個國際重要濕地自然保護區(qū)之一。東洞庭湖(N 28°59″～29°38″，E 112°43″～113°15″)位于洞庭湖東北部。洞庭湖水通過東洞庭湖的城陵磯注入長江。東洞庭湖水域面積變化極大，存在明顯的洪水期與枯水期。每年4月開始，東洞庭湖水位上漲，7—8月達到最高峰，9月開始下降，進入平水期，12月到翌年3月為枯水期，水位達年內(nèi)最低。

1.2 水域面積的提取方法

MODIS 遙感影像來源于從NASA 的Earth Observing System Data Gateway (EDG)網(wǎng)站免費下載的空間分辨率為250m 的Terra/MODIS MOD09Q1數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為MODIS V005 版本。東洞庭湖與三峽水庫各相應(yīng)年份遙感數(shù)據(jù)的時間分布見表1。利用EDG 網(wǎng)站提供的免費軟件MODIS Reprojection Tool–MRT 4.0，對以上遙感數(shù)據(jù)分別進行投影轉(zhuǎn)換和研究區(qū)提取。

表1 研究所用遙感影像時間分布 Table 1 Date of remote sensing images used in the research in east Dongting Lake and Three Gorges Reservoir

現(xiàn)有的利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行水體信息提取的研究中，針對湖泊水體的提取方法主要有單波段閾值法、植被指數(shù)法、水體歸一化指數(shù)法等[13–14]。這些方法的共同特點是利用1個閾值作為最后區(qū)分水體與其他地物的標(biāo)準(zhǔn)。對于少量遙感影像數(shù)據(jù)而言，這些方法可能會取得較好的效果，但對較長時間序列的影像數(shù)據(jù)而言，只利用1個閾值可能會造成某些影像數(shù)據(jù)的提取誤差。本研究中利用MODIS傳感器的250 m 分辨率影像數(shù)據(jù)，采用單波段閾值法，以多閾值靈活設(shè)置和目視解譯為輔進行水體提取，這樣能有效地剔除所提取水體中混淆的其他地物信息，提高水域提取準(zhǔn)確率，能更真實地反映水體空間分布。在獲得各研究年份東洞庭湖各月水域面積的基礎(chǔ)上，為進一步明確東洞庭湖水域面積的季節(jié)動態(tài)，取各季節(jié)不同月水域面積的均值作為東洞庭湖該季節(jié)的水域面積。分別對東洞庭湖各研究年份不同季節(jié)水域邊界進行疊加分析，可獲得東洞庭湖水域消落帶的分布情況。利用ENVI 4.8 與ArcGIS 10.0 軟件進行水體解譯與空間分析。利用SPSS 18.0 的Pearson 進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 東洞庭湖水域面積的月變化和季節(jié)變化

2002、2004、2006、2008、2010、2012年東洞庭湖各月水域面積的最大值分別為1 633.93(8月)、1 258.93(8月)、1 469.82 (7月)、1 212.46(11月)、1 253.57(9月)、1 401.11km2(8月)，各年水域面積最大值均超過了1 200km2。除2008年外，東洞庭湖各年水域面積的最大值均出現(xiàn)在7、8、9月，水域面積的變化趨勢與洞庭湖區(qū)域降水量的變化趨勢相同。2002、2006、2010、2012年東洞庭湖水域面積的最小值均出現(xiàn)在1月，水域面積分別為294.64、282.25、267.86、189.47km2，而2004年和2008年東洞庭湖水域面積的最小值均出現(xiàn)在2月，分別為300.00、261.72km2。東洞庭湖水域面積最大值與最小值的差值在2002年最大，達1 339.29km2，在2008年最小，僅為950.74km2(圖1)。

圖1 2002—2012年偶數(shù)年份各月的東洞庭湖水域面積 Fig.1 Monthly-variation of water areas in East Dongting Lake during the period of 2002—2012 in even numbered years

整體而言，2002—2012年偶數(shù)年份，東洞庭湖全年的水域面積最小值出現(xiàn)在1、2月，隨后逐漸增加，大致在7、8、9月達到最大值，隨后降低。

春季東洞庭湖水域面積約為599.17km2，研究期內(nèi)春季東洞庭湖的水域面積2002年的最大，為763.98km2，2008年的最小，僅為343.40km2，研究期內(nèi)夏季東洞庭湖水域面積相差不大，平均面積為1 120.71km2，最大面積為1 162.90km2，最小面積為1 030.19km2；研究期內(nèi)秋季東洞庭湖的水域面積2006年的最小，僅為587.10km2，其他年份約為900km2；研究期內(nèi)冬季東洞庭湖的水域面積相差不大，平均面積約為326.92km2，是一年中水域面積最小的季節(jié)。由圖2 可見，東洞庭湖夏季的水域面積最大，春季的次之，冬季的最小。

圖2 2002—2012年偶數(shù)年份各季節(jié)東洞庭湖的水域面積 Fig.2 Seasonal-variation of water areas in east Dongting Lake during the period of 2002—2012 in even numbered years

2.2 東洞庭湖水域消落帶的年內(nèi)變化

圖3為2002年至2012年偶數(shù)年份東洞庭湖水域消落帶的空間分布。2002、2006、2008、2010年春、秋、冬季的水域空間分布形狀較為相似，夏季的水域面積較大，且增加的區(qū)域主要集中在南部區(qū)域；2004年，東洞庭湖夏、秋季水域的空間分布形狀相似，春、冬季的水域空間分布形狀相似；2012年，東洞庭湖夏季的水域面積最大，春季水域空間分布范圍較小。整體而言，東洞庭湖消落帶的變化呈相似的季節(jié)變化和空間分布：一方面，東洞庭湖春、秋、冬季的水域空間分布形狀較為相似；另一方面，東洞庭湖水域消落帶主要分布在南部湖區(qū)沿岸。

圖3 2002—2012年東洞庭湖水域面積的季節(jié)消落帶空間分布 Fig.3 Seasonal hydro-fluctuation belt of east Dongting Lake from 2002 to 2012

2.3 東洞庭湖與三峽水庫水域面積變化的對比分析

圖9～14 為2002—2012年偶數(shù)年份各月東洞庭湖和三峽水庫水域面積的變化情況。2002年，三峽水域年均面積為(17.98±4.06)km2，8月達到最大，為24.63km2，較東洞庭湖水域最大面積的出現(xiàn)時間提前了1個月；4月的面積最小，為12.38km2。三峽水庫水域面積全年存在2個峰值(2月和8月)和2個谷值(4月和9月)。東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的相關(guān)性分析結(jié)果表明：2002年東洞庭湖水域面積和三峽水庫水域面積存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(r = –0.035, P＞0.05，圖9)。2004年，三峽水庫水域面積全年波動不大，年均水域面積為(26.59±4.27)km2，6月最大，2月最小。2004年，東洞庭湖水域面積變化和三峽水庫水域面積的變化存在一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.726( P＜0.05)，但東洞庭湖水域面積的變化幅度比三峽水庫水域面積的變化幅度大(圖10)。2006年，東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積也呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(r=0.311，P＞0.05，圖11)。2008年，東洞庭湖水域面積變化與三峽水庫水域面積變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(r= –0.547, P＞0.05，圖12)。2010年和2012年三峽水庫水域面積在3月達到最大，在6月最小。東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的負(fù)相關(guān)關(guān)系均不顯著(P＞0.05)。1—3月東洞庭湖和三峽水庫水域面積變化趨勢相同，存在正相關(guān)關(guān)系；4—5月二者的變化趨勢相反，存在負(fù)相關(guān)關(guān)系； 6—8月的變化趨勢再次趨同(圖13、14)。

圖4 2002年各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積 Fig.4 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2002

圖5 2004年各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積 Fig.5 Comparison of water areas between East Dongting lake and Three Gorges Reservoir in 2004

圖6 2006年各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積 Fig.6 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2006

圖7 2008年各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積 Fig.7 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2008

圖8 2010年各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積 Fig.8 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2010

圖9 2012年各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積 Fig.9 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2012

雖然除2004年外，研究期間東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的變化均不存在顯著相關(guān)性，但是二者之間的關(guān)系日趨明顯，即在三峽工程放水、蓄水等的調(diào)控下，在全年中的某些時間段(洪水期與枯水期)，二者之間可能呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。由于正相關(guān)與負(fù)相關(guān)的相互掩蓋，導(dǎo)致以年為單位進行的相關(guān)性分析結(jié)果不明顯。此外，除2004、2006年東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系外，其他年份二者更多地呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的正相關(guān)關(guān)系反映了區(qū)域降雨的一致性，而二者負(fù)相關(guān)關(guān)系則可能反映三峽調(diào)控對東洞庭湖的影響。

3 結(jié)論與討論

本研究中發(fā)現(xiàn)東洞庭湖水域面積每年從1月開始逐漸增加，在7、8、9月達到峰值，隨后開始降低，到12月近似達到全年最低。該變化趨勢與整個洞庭湖水面的變化趨勢[17]一致。洞庭湖是典型的過水性湖泊，受流域降水和河流入水量的季節(jié)變動影響，常呈現(xiàn)典型的“洪水一片、枯水一線”景觀。在當(dāng)前的研究中，洞庭湖被劃分為洪水期(4月至10月)和枯水期(11月至翌年3月)。這種區(qū)分具有較好的理論意義，但是也可能忽視了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。本研究中關(guān)于東洞庭湖水面的月變化和季節(jié)變化分析結(jié)果，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生物保護提供參考。

洞庭湖水域面積的空間分布研究結(jié)果對洞庭湖區(qū)的防災(zāi)、減災(zāi)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。Jixi Gao 等[18]通過分析洞庭湖水面面積的月變化，建立了洞庭湖洪水災(zāi)害指數(shù)，Yamei Wang 等[19]利用半量化模型和模糊層次分析方法，繪制了洞庭湖洪水風(fēng)險分布圖，但當(dāng)前還沒有關(guān)于洞庭湖季節(jié)消落帶的相關(guān)研究。淹–干交替是洞庭湖濕地大部分區(qū)域的典型特征，季節(jié)消落帶區(qū)域?qū)S持洞庭湖濕地生物多樣性具有重要作用。本研究中發(fā)現(xiàn)東洞庭湖區(qū)域的季節(jié)消落帶主要集中在南部湖區(qū)沿岸。該區(qū)域是東洞庭湖國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)，具有較高的生物多樣性，也是保護的重點區(qū)域。雖然東洞庭湖成立了國家級自然保護區(qū)，但當(dāng)前仍然存在楊樹、蘆葦種植和龍蝦養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。由于水面狀況不穩(wěn)定，該區(qū)域其實并不適宜進行龍蝦養(yǎng)殖等活動。三峽工程、退田還湖等重大政策性工程是近年影響洞庭湖水面面積變化的重要因素，較氣候變化、泥沙淤積等的影響更加劇烈，更加直接[20]。利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，發(fā)現(xiàn)三峽工程蓄水后對洞庭湖水位的影響劇烈，其中，2009年蓄水使城陵磯水位下降了2.11 m[21]。據(jù)鄒邵林等[22]的預(yù)測，三峽工程建成后洞庭湖洲灘露出時間將增加。本研究中通過分析2002—2012年偶數(shù)年份各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積變化，發(fā)現(xiàn)三峽工程蓄水前三峽水庫水域面積和東洞庭湖水域面積的相關(guān)性發(fā)生了巨大的改變，發(fā)生這種改變的原因可能是2003年三峽大壩開始蓄水對下游洞庭湖水域面積及水位產(chǎn)生了重要影響，起到了調(diào)節(jié)徑流的作用[23–24]。冬、夏季三峽水庫與東洞庭湖的水域面積變化趨勢相同，春、秋季水域面積的變化趨勢則相反，因此，冬、夏季不論是三峽水庫還是東洞庭湖均主要受自然降水的影響，而三峽工程的調(diào)控作用主要體現(xiàn)在春、秋季[25–26]。

本研究結(jié)果表明：2002—2012年偶數(shù)年份東洞庭湖水域面積的最低值出現(xiàn)在1、2月，隨后增加，到7、8、9月達到最大值，隨后又降低(個別年份有異常)；從季節(jié)變化來看，通常表現(xiàn)為夏季的水域面積最大，春季次之，冬季最??；東洞庭湖的水域消落帶主要分布在南部湖區(qū)沿岸；三峽工程蓄水前后，三峽水庫和東洞庭湖水域面積的相關(guān)性發(fā)生了改變：三峽水庫蓄洪之前，其水域面積與東洞庭湖的水域面積并未出現(xiàn)同步變化的現(xiàn)象，而蓄洪之后，2個水域面積的變化呈現(xiàn)出明顯相關(guān)性。

[1] 田偉國，彭嘉棟，沈軍，等．基于MODIS 影像序列的三峽截流前后洞庭湖面積變化序列分析[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012(16)：9141–9145．

[2] 杜濤，熊立華，易放輝，等．基于MODIS 數(shù)據(jù)的洞庭湖水體面積與多站點水位相關(guān)關(guān)系研究[J]．長江流域資源與環(huán)境，2012(6)：756–765．

[3] 龜山哲，張繼群，王勤學(xué)，等．應(yīng)用Terra/MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算洞庭湖蓄水量的變化[J]．地理學(xué)報，2004(1)：88–94．

[4] 袁敏．基于遙感技術(shù)的三峽工程建設(shè)對洞庭湖水面面積的影響研究[D]．湖南大學(xué)，2013．

[5] 鄒邵林，郭聰，劉新平．環(huán)境演變及三峽工程對洞庭湖區(qū)東方田鼠種群影響的評估[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(5)：585–588．

[6] 李倩，曾光明，黃國和，等．三峽工程對洞庭湖水力梯度及其濕地植物生長的影響[J]．安全與環(huán)境學(xué)報，2005，5(1)：12–15．

[7] 楊忠恩，駱劍承，徐鵬煒．利用NOAA－AVHRR 資料提取水體信息的初步研究[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，1995(1)：25–29．

[8] 趙書河，馮學(xué)智，都金康．中巴資源一號衛(wèi)星水體信息提取方法研究[J]．南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003(1)：106–112．

[9] Huang S，LI J，Xu M．Water surface variations monitoring and flood hazard analysis in Dongting Lake area using long-term Terra/MODIS data time series[J]. Natural Hazards，2012，62(1)：93–100．

[10] 高俊峰，張琛，姜加虎，等．洞庭湖的沖淤變化和空間分布[J]．地理學(xué)報，2001(3)：269–277．

[11] 彭佩欽，童成立，仇少君．洞庭湖洲灘地年淹水天數(shù)和面積變化[J]．長江流域資源與環(huán)境，2007(5)：685–689．

[12] 王紅娟，姜加虎，黃群．基于知識的洞庭湖濕地遙感分類方法[J]．長江流域資源與環(huán)境，2008(3)：370–373．

[13] 易波琳，李曉斌，梅金華．洞庭湖面積容積與水位關(guān)系及調(diào)蓄能力評估[J]．湖南地質(zhì)，2000(4)：267–270．

[14] 劉世奇，段煉中，余元君．洞庭湖水患災(zāi)害分析及其治理策略[J]．人民長江，2009(14)：76–78．

[15] 彭定志，徐高洪，胡彩虹．基于 MODIS 的洞庭湖面積變化對洪水位的影響[J]．人民長江，2004，35(4)：14–16．

[16] 龔偉，楊大文，錢群．基于 MODIS 數(shù)據(jù)的洞庭湖水面面積估算方法[J]．人民長江，2009， 40(14)：40–44．

[17] Ding X，Li X．Monitoring of the water-area variations of Lake Dongting in China with ENVISAT ASAR images[J] ． International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2011，13(6)：894–901．

[18] Gao Jixi，Nickum James E，Pan Yingzi．An assessment of flood hazard vulnerability in the Dongting Lake Region of China[J]．Lakes & Reservoirs：Research & Management，2007，12(1)：27–34．

[19] Wang Yamei，Li Zhongwu，Tang Zhenghong，et al．A GIS-based spatial multicriteria approach for flood risk assessment in the Dongting Lake Region，Hunan，Central China[J]．Water Resources Management，2011，25(13)：3465–3484．

[20] Zhang J，Xu K，Yang Y，et al．Measuring water storage fluctuations in Lake Dongting，China，by Topex/Poseidon satellite altimetry[J]．Environmental Monitoring and Assessment，2006，115(1/3)：23–37．

[21] 黃群，孫占東，姜加虎．三峽水庫運行對洞庭湖水位影響分析[J]．湖泊科學(xué)，2011，23(3)：424–428．

[22] 鄒邵林，劉曉清．三峽工程對洞庭湖區(qū)灘地出露天數(shù)的影響[J]．長江流域資源與環(huán)境，2000，9(2)：254–259．

[23] Sutton A．The Three Gorges project on the Yangtze River in China[J]．Geography，2004，89(2)：111–126．

[24] Yin H，Liu G，Pi J，et al．On the river-lake relationship of the middle Yangtze reaches[J]．Geomorphology，2007，85(3)：197–207．

[25] Chang J，Li J，Lu D，et al．The hydrological effect between Jingjiang River and Dongting lake during the initial period of Three Gorges Project operation[J]. Journal of Geographical Sciences，2010，20(5)：771–786．

[26] Xu K，MIlliman J D．Seasonal variations of sediment discharge from the Yangtze River before and after impoundment of the Three Gorges Dam[J]. Geomor- phology，2009，104(3)：276–283．