2001年至2018年?yáng)|紅海子泊水域面積變化分析

全宇 鄭玉峰 奇奕軒

摘要：由遙感監(jiān)測(cè)資料可知，2001—2006年期間，東紅海子水體面積浮動(dòng)較大，整體上漸趨萎縮。在2010年以后，水體面積迅速擴(kuò)張，并趨于穩(wěn)定。東紅海子水體在2007—2009年間處于干涸狀態(tài)，河床完全裸露。監(jiān)測(cè)到的最小水體面積為2006年的0.7平方公里，最大水體面積出現(xiàn)在2018年。為4.46平方千米，較2001年增幅比例達(dá)280%之多。

關(guān)鍵詞：高分一號(hào)衛(wèi)星;遙感監(jiān)測(cè);氣候變化;東紅海子濕地;時(shí)空變化;人類(lèi)活動(dòng)

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，對(duì)氣候和環(huán)境變化特別敏感，記錄了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)不同時(shí)間尺度的區(qū)域水文過(guò)程的影響。 特別是對(duì)于降水量較少的內(nèi)陸地區(qū)，它是揭示全球氣候變化和區(qū)域響應(yīng)的重要信息載體[1-3];湖泊也是維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要支撐[4]。在2001年至2018年期間，隨著該地區(qū)氣候變暖和干燥的發(fā)展趨勢(shì)[6-9]和人類(lèi)活動(dòng)，東紅海子湖泊水域面積歷經(jīng)萎縮、干涸與面積突升，重新成為中國(guó)北方重要的遺鷗繁育基地。從2009年開(kāi)始，湖體面積開(kāi)始顯著增加。在提取方法，植被覆蓋變化，水質(zhì)指數(shù)反演等方面取得了一系列成果[5]，但對(duì)東紅海子水體的研究卻很少。而近年來(lái)，在地方政府的重視下，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境明顯改善，湖體面積出現(xiàn)連續(xù)增加趨勢(shì)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇了2001-2018年?yáng)|紅海子湖的氣象資料和遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用了3S技術(shù)。同時(shí)結(jié)合氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)因素，探討東紅海子湖水域時(shí)空變化特征及主要成因。為了合理開(kāi)發(fā)利用東紅海子湖和湖區(qū)周邊的水資源，保護(hù)并逐步恢復(fù)湖泊的生態(tài)功能，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1研究領(lǐng)域概述，數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

研究區(qū)概況

東紅海子湖泊（39°32′29″—39°34′11″N，109°47'36″—109°49'20″E）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗北部。原為黃河支流烏蘭木倫河流域湖泊，受溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候影響，干燥多風(fēng)，年降雨量少，分布不均。

本文遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站存儲(chǔ)的 Landsat4-5 MSS傳感器、 Landsat7 ETM傳感器、 Landsat8 OIL傳感器以及高分一號(hào)衛(wèi)星 WFV傳感器數(shù)據(jù)，包括2001-2015分辨率為30米的15景圖像以及分辨率均為16米2016年至2018年3景影像。均選取從8月到9月數(shù)據(jù)，以確保每景圖像具有相似的氣象和水文條件。

研究方法

研究區(qū)目標(biāo)提取水體信息較為單一，為湖泊與湖泊退化干涸后形成的坑塘、沼澤等。從遙感圖像中提取水體特征的方法很多，包括基于近紅外波段的單波段閾值提取方法，歸一化植被指數(shù)（NDVI）和歸一化水體指數(shù)（NDWI）[10]。東紅海子湖體面積波動(dòng)劇烈，在潰縮至干涸的過(guò)程中部分年份的水深過(guò)低、水質(zhì)渾濁，指數(shù)或波段閾值提取效果較差，采用目視解譯方式手動(dòng)勾畫(huà)，在2010年以后湖體面積顯著增加， 水體信息在光譜曲線(xiàn)上特征明顯，選取NDVI法與 NDWI法提取邊界均有不錯(cuò)的效果。 研究區(qū)地處鄂爾多斯高原東部，南鄰毛烏素沙地，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，周邊地貌類(lèi)型以半荒漠化草原為主，經(jīng)過(guò)比較分析，本文采用NDWI進(jìn)行水體面積信息提取，以消除湖內(nèi)水生植物對(duì)面積信息的影響。計(jì)算公式如下：NDWI=（Green?NIR）/（Green+NIR）[10]。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與計(jì)算在ENVI5.3.1下進(jìn)行，分別做輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、NDWI指數(shù)計(jì)算工作，圖像拉伸后處理結(jié)果導(dǎo)入 ArcGIS10.0中重分類(lèi)制圖。數(shù)據(jù)處理流程結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

2.2.1 平均氣溫變化趨勢(shì)

2001—2018年，伊金霍洛旗年平均氣溫呈現(xiàn)顯著升高的趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.39℃/年。年平均氣溫最低值出現(xiàn)在2012年，為6.5℃，最高值出現(xiàn)在2013年和2017年，為8.2℃，較常年平均氣溫偏多17%。2013以后，年平均氣溫均在高位運(yùn)行，2016年與2018年降水頻繁，平均氣溫較低。

2.2.2降水量變化趨勢(shì)

2001—2018年期間，伊金霍洛旗年降水量在波動(dòng)中呈現(xiàn)略增加趨勢(shì)。年降水量最大值出現(xiàn)在2016年，為596.6毫米，最小值出現(xiàn)在2000年，為206.4毫米。最大年降水量和最小年降水量差值達(dá)390.2毫米。

人類(lèi)活動(dòng)因素

（1）城市發(fā)展阻止了向湖泊注入河流與地表水。東紅海子位于康巴什烏蘭木倫河南岸，伊金霍洛旗阿萊蓬溪鎮(zhèn)以東，湖泊供水源頭是烏蘭木倫河和伊金霍洛旗境內(nèi)的苗湛河降水，地下滲流與匯合，近年來(lái)受城市快速發(fā)展影響，周邊建筑林立，大量土地硬化，破壞了湖泊的自然生態(tài)景觀(guān)，包括連接烏蘭木倫河的原有地表徑流大量被阻斷。此外，東漢海子周?chē)幕炷恋缆?，鐵路，公路，省道和局部道路引起的地下滲水面積減少。無(wú)疑對(duì)東紅海湖的自然生態(tài)景觀(guān)造成了極大的破壞。2001—2009年間湖水面積變化是湖泊水資源預(yù)算的綜合反映。

（2）2010年起，人類(lèi)活動(dòng)因素成為改善東紅海子濕地面積變化的積極因素。東紅海子緊鄰康巴什與伊金霍洛旗主城區(qū)，是重要的城市生態(tài)、氣候調(diào)節(jié)濕地。在鄂爾多斯市政府的高度重視下，引導(dǎo)附近企業(yè)采礦過(guò)程中產(chǎn)生的疏干水、城市過(guò)濾后的中水經(jīng)檢測(cè)達(dá)標(biāo)后，注入東紅海子濕地，湖區(qū)面積開(kāi)始顯著增加[11]。目前，東紅海子濕地已成為鄂爾多斯市境內(nèi)重要的戴勝、遺鷗等候鳥(niǎo)棲息繁殖保護(hù)地。

3 結(jié)論與討論

本文選取東紅海子湖18年遙感圖像數(shù)據(jù)作為主要信息來(lái)源，全面利用3S技術(shù)。對(duì)東紅海子湖近18年來(lái)水域的時(shí)空變化和驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，得出以下結(jié)論：

（1）揭示2001年至2018年研究區(qū)水域的時(shí)空動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)。研究區(qū)的水域發(fā)生了顯著變化。2010-2018年，水域面積在人為因素影響下開(kāi)始顯著上升，并達(dá)到歷史最大值;總體而言，過(guò)去18年?yáng)|紅海子湖水域的演變可以基于水域的年變化率。劃分為萎縮期（2001-2006年）、干涸期（2007-2009）、增長(zhǎng)期（2010-2014年）、穩(wěn)定期（2015-2018）4個(gè)階段，總體呈擴(kuò)張趨勢(shì)。

（2）結(jié)合同期氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)因素，探討了東洪海子湖18年來(lái)水域整體萎縮的主要原因。結(jié)果表明：受全球氣候變暖影響，2001年—2012年，東紅海湖區(qū)的降水量逐漸減少，氣溫逐漸增加，顯示了氣候向暖干發(fā)展的趨勢(shì)。2001年至2009年期間，東紅海子湖水域變化趨勢(shì)與氣象因子趨勢(shì)基本一致。但相關(guān)性不大，氣候變化是導(dǎo)致東紅海子湖水域萎縮的原因之一，但不是唯一的影響因素。原有地表徑流切斷，煤炭開(kāi)采，湖泊周邊建筑道路建設(shè)，灌溉用水等是造成萎縮期湖泊水域變化的關(guān)鍵因素。

（3）鄂爾多斯高原地域廣闊，湖泊星羅棋布在庫(kù)布齊沙漠與毛烏素沙地間，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱，受氣候變化與人為活動(dòng)影響巨大，湖泊面積潰縮至干涸，湖灘與水體鹽堿化加重，原有水生動(dòng)植物絕跡，候鳥(niǎo)不在逗留繁衍。人為注水后，濕地生態(tài)環(huán)境得以迅速改善，現(xiàn)紅海子濕地已成為重要的遺鷗與戴勝棲息地。衛(wèi)星遙感水體信息提取為湖泊水域和區(qū)域時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)定量分析提供了有效的技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tao S L， Fang J Y， Zhao X， et al. Rapid loss of lakes on the? Mongolian Plateau[J]. PNAS， 2015， 112（7）： 2281-2286.

[2]馬榮華，楊桂山，段洪濤，等.中國(guó)湖泊的數(shù)量、面積與空間分布[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2011，41（3）：394-401.

[3]Zhang G Q， Xie H J， Kang S C， et al. Monitoring lake level? changes on the Tibetan Plateau using ICES at altimetry data? （2003-2009）[J]. Remote Sensing of Environment， 2011，? 115： 1733-1742.

[4]施曄，段海妮.水生態(tài)文明視角下的云南高原湖泊管理對(duì)策研究[J].人民珠江.

[5]李登科，何慧娟，劉安麟.人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)紅堿淖植被覆蓋變化的影響[J].中國(guó)沙漠，2010，30（4）：831-836.

[6]王鶯 閆正龍 高凡，1957—2015年紅堿淖湖水域面積時(shí)空變化監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)力分析[J]，2018，2.

[7]尹立河，張茂省，董佳秋. 基于遙感的毛烏蘇沙地紅堿淖面積變化趨勢(shì)及其影響因素分析[J].地質(zhì)通報(bào)，2008，27（8）：1151-1156.

[8]王蘇民，竇鴻身.中國(guó)湖泊志[M].北京：科學(xué)出版社，1998：325-326，339-340.

[9]王海波，馬明國(guó).基于遙感的湖泊水域動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24（5）：674.-684. [10] 許靜 陳興偉 陳文惠，基于波譜特征的水體信息提取方法研究，福建省第十二屆水利水電青年學(xué)術(shù)交流會(huì)，2008-12-01.

[10]賈振榮.伊金霍洛奇水上工作站.伊金霍洛旗持續(xù)開(kāi)展東紅海子水域水質(zhì)治理工作.伊金霍洛旗人民政府網(wǎng).2018-5.