鄱陽(yáng)湖近五十年變遷遙感監(jiān)測(cè)與分析

文|朱鶴 黃詩(shī)峰 楊昆 楊永民 李蓉

水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心/中國(guó)水利水電科學(xué)研究院

一、引言

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)第一大淡水湖，位于江西省，面積3960km2。鄱陽(yáng)湖是長(zhǎng)江干流重要的調(diào)蓄性湖泊，在長(zhǎng)江流域中發(fā)揮著調(diào)蓄洪水和保護(hù)生物多樣性等特殊功能，對(duì)維系區(qū)域和國(guó)家生態(tài)安全具有重要作用。20世紀(jì)50至80年代，鄱陽(yáng)湖受自然變化和人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用影響，呈現(xiàn)出湖泊岸線萎縮、容積減少、環(huán)湖城鎮(zhèn)和耕地侵占湖泊、洪水頻發(fā)、水生態(tài)破壞和水環(huán)境惡化等問(wèn)題。1998年大洪水之后，湖區(qū)開(kāi)展了大范圍的 “雙退” 和 “單退” 工程, 使湖區(qū)在汛期的蓄水面積擴(kuò)大。隨著湖泊治理相關(guān)舉措的實(shí)施，情況得到穩(wěn)步改善。2003年后三峽水庫(kù)的建成蓄水，調(diào)節(jié)江河水泥，對(duì)兩湖地區(qū)水文、形態(tài)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一定影響。[1-2]研究近五十年來(lái)鄱陽(yáng)湖水體、圍墾、岸線萎縮至退耕還湖等一系列變化觀測(cè)，能夠?yàn)檑蛾?yáng)湖流域治理和合理開(kāi)發(fā)利用決策提供參考。

遙感技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離探測(cè)地物，具備對(duì)湖泊形態(tài)、水文、生態(tài)、環(huán)境、人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用等特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、可實(shí)現(xiàn)湖泊特征演變規(guī)律的分析。20世紀(jì)至今，衛(wèi)星遙感技術(shù)突飛猛進(jìn)，能提供多種光譜載荷、多種時(shí)空分辨率組合的數(shù)據(jù)源，從多角度、多時(shí)空尺度為湖泊監(jiān)測(cè)提供有效支撐。

本文基于遙感技術(shù)，查明近五十年環(huán)湖圍墾、岸線萎縮至退耕還湖等一系列變化，認(rèn)清鄱陽(yáng)湖的近五十年演變特征，深入了解鄱陽(yáng)湖近五十年變遷，分析鄱陽(yáng)湖演變特征、原因和趨勢(shì)，指導(dǎo)未來(lái)鄱陽(yáng)湖治理和合理開(kāi)發(fā)利用，特別支撐三峽工程運(yùn)行后調(diào)整治湖思路。

二、數(shù)據(jù)源

本次研究使用的數(shù)據(jù)源包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)包括 1967 年美國(guó)鎖眼偵查衛(wèi)星（KH-8）影像以及20 世紀(jì)70 年代以來(lái)的陸地衛(wèi)星（Landsat）以及我國(guó)高分一號(hào)衛(wèi)星，水文資料采用湖口站數(shù)據(jù)。

遙感影像：參考湖口站水位，盡量保證影像日期對(duì)應(yīng)水位變化不大，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始至2010年，每10年收集1期遙感影像，2013后收集多期高分系列遙感衛(wèi)星影像，2016-2017年每月收集1期高分一號(hào)遙感影像。具體包括1967年KH-8影像1期，1977年Landsat-2 MSS影像1期，1988年、1995年、2000年Landsat-5 TM影像各1期，2013年高分一號(hào)遙感影像1期，2016至2018年每月1期高分一號(hào)遙感影像。

水文數(shù)據(jù)：針對(duì)遙感影像日期，收集同日湖口站監(jiān)測(cè)水位數(shù)據(jù)，計(jì)算每日平均水位數(shù)據(jù)。

輔助資料：收集20世紀(jì)50年代鄱陽(yáng)湖圩垸、蓄洪區(qū)分布圖作為參考資料，輔助重點(diǎn)變化區(qū)域監(jiān)測(cè)工作。

三、研究方法

圍繞鄱陽(yáng)湖近五十年演變特征、原因和趨勢(shì)分析的目標(biāo)，基于近五十年遙感影像，對(duì)鄱陽(yáng)湖近五十年湖區(qū)變化進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，將同水位下相鄰時(shí)間兩期遙感監(jiān)測(cè)的湖面范圍做疊加對(duì)比分析，展布變化區(qū)域分布、統(tǒng)計(jì)變化面積，分析變化規(guī)律和原因。對(duì)鄱陽(yáng)湖重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)域進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比前后湖區(qū)邊界，確定近五十年來(lái)的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)域，結(jié)合歷史圩垸、蓄滯洪區(qū)分布等基礎(chǔ)信息，提取近五十年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)域變化。

1.水體范圍遙感提取

針對(duì)不同影像條件（光譜、時(shí)間、空間分辨率，影像質(zhì)量等）采用水體范圍提取方法，以波段閾值、水體指數(shù)[3]、面向?qū)ο蠓指罘椒橹?，再輔以人工修正。由于1967年美國(guó)鎖眼衛(wèi)星所拍攝的影像為全色影像，且對(duì)水體敏感性不高，因而采用單波段閾值法，配合人工編輯來(lái)提取。

2.水位-面積關(guān)系變化分析

基于2016-2017年每月監(jiān)測(cè)水位與水面面積數(shù)據(jù)，構(gòu)建近兩年水位-面積關(guān)系曲線。將20世紀(jì)70年代至2013年每期遙感監(jiān)測(cè)面積匹配同日水位，與近兩年水位-面積關(guān)系曲線對(duì)比，分析近五十年來(lái)同水位下鄱陽(yáng)湖水面面積變化。[4-5]

3.同水位下鄱陽(yáng)湖近五十年變化遙感監(jiān)測(cè)

通過(guò)同水位下相鄰時(shí)間兩期遙感監(jiān)測(cè)的湖區(qū)范圍做疊加對(duì)比分析，展布變化區(qū)域分布、統(tǒng)計(jì)變化面積，分析變化規(guī)律和原因。

將變化較大區(qū)域作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)，展布變化區(qū)域分布、統(tǒng)計(jì)變化面積，進(jìn)一步人工判別變化區(qū)域土地利用類(lèi)型，結(jié)合20世紀(jì)50年代鄱陽(yáng)湖圩垸、蓄洪區(qū)分布圖和政策，分析變化原因。依次完成所有歷史時(shí)刻變化區(qū)域分析工作，建立完整的近五十年鄱陽(yáng)湖重點(diǎn)變化區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)序列。

四、鄱陽(yáng)湖近五十年水體范圍變化情況

根據(jù)前述遙感水體提取方法，收集1967-2018年近五十年來(lái)的遙感影像，選擇同水位范圍（湖口水文站監(jiān)測(cè)同日水位相差不超過(guò)0.55m）的遙感影像，對(duì)鄱陽(yáng)湖水體范圍變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖1、圖2是鄱陽(yáng)湖近五十年同水位下水體范圍變化和水面面積變化情況，1977-1995年鄱陽(yáng)湖水面面積持續(xù)減少，由3705.31km2減少至3369.15km2，將近20年間共計(jì)減少336.16km2。1988年大洪水后，鄱陽(yáng)湖開(kāi)展了大范圍的“雙退”和“單退”工程使水面面積明顯擴(kuò)大，至2000年，水面面積增長(zhǎng)至3666.71km2。2003年后三峽水庫(kù)建成蓄水，鄱陽(yáng)湖水面面積再次下降，直至2013年后穩(wěn)定在3425km2左右?？傮w來(lái)看，20世紀(jì)90年代前水面持續(xù)萎縮，2000年有所恢復(fù)，之后持續(xù)繼續(xù)萎縮，直至2013年開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

圖1 鄱陽(yáng)湖近五十年同水位下水體范圍變化情況

圖2 鄱陽(yáng)湖近40年同水位下水面面積變化圖

五、鄱陽(yáng)湖近五十年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)變化情況

近五十年來(lái)，鄱陽(yáng)湖周邊的永修縣、新建縣、都昌縣、波陽(yáng)縣以及余干縣存在多個(gè)水面范圍變化較大的區(qū)域，經(jīng)初步判讀，均存在不同程度的人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用。以5個(gè)重點(diǎn)變化區(qū)域?yàn)殛P(guān)注對(duì)象，本次選擇同水位范圍對(duì)應(yīng)的遙感影像，進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。遙感影像采集時(shí)間為1967年、1977年、1988年、1995年、2000年、2013年、2016年、2018年，對(duì)應(yīng)湖口水位均在16 m左右(相差不超過(guò)0.55m)，與前文中近五十年鄱陽(yáng)湖湖區(qū)變化遙感監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)水位范圍一致。圖3是鄱陽(yáng)湖重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)分布圖，顯示了鄱陽(yáng)湖五十年變化程度較大的開(kāi)發(fā)利用區(qū)域。

圖3 鄱陽(yáng)湖重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)

1.都昌縣湖圩

圖4是都昌縣湖岸圩垸歷年變化圖,都昌縣湖岸圩垸于20世紀(jì)70至80年代間出現(xiàn)筑壩、圍湖耕地現(xiàn)象。1967-1977年期間均為水體，1988年開(kāi)始出現(xiàn)筑壩和耕地，1995年至今均為耕地。

圖4 都昌縣湖岸圩垸歷年變化圖

2.波陽(yáng)縣湖圩

圖5是波陽(yáng)縣湖岸圩垸歷年變化圖，波陽(yáng)縣湖岸圩垸于1967-1988年期間均為荒地，1995-2000年變?yōu)樗w，2000年后出現(xiàn)圍湖耕地現(xiàn)象，2013年至今均為耕地。

圖5 波陽(yáng)縣湖岸圩垸歷年變化圖

3.余干縣康山蓄洪區(qū)圩垸

圖6是余干縣康山蓄洪區(qū)歷年變化圖，余干縣康山蓄洪區(qū)于1995-2000年期間出現(xiàn)筑壩、圍湖耕地現(xiàn)象。1967-1995年期間均為水體，2000年至今變?yōu)楦亍?/p>

圖6 余干縣康山蓄洪區(qū)歷年變化圖

4.新建縣黃湖蓄洪區(qū)

圖7是新建縣黃湖蓄洪區(qū)歷年變化圖，新建縣黃湖蓄洪區(qū)于1995-2000年期間出現(xiàn)圍湖耕地現(xiàn)象。1967-1988年期間均為水體，1995年變?yōu)樗w，2000年至今變?yōu)楦亍?/p>

圖7 新建縣黃湖蓄洪區(qū)歷年變化圖

5.永修縣斜方洲塘蓄洪區(qū)

圖8是永修縣斜方洲塘蓄洪區(qū)歷年變化圖，永修縣斜方洲塘蓄洪區(qū)于1960年至今出現(xiàn)圍湖耕地現(xiàn)象。1967-1995年期間均為耕地，2000年變?yōu)樗w，2013年變?yōu)楦兀?016年變?yōu)樗w，2018再轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蜑┑亍?/p>

圖8 永修縣斜方洲塘蓄洪區(qū)歷年變化圖

六、結(jié)論

據(jù)鄱陽(yáng)湖近五十年來(lái)水體變化遙感監(jiān)測(cè)與分析，20世紀(jì)90年代前湖泊水面呈現(xiàn)萎縮趨勢(shì)，2000年湖面有所恢復(fù)，之后繼續(xù)萎縮。湖面變化現(xiàn)象受人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)影響明顯。其中，開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)以20世紀(jì)60到80年代最強(qiáng)，之后強(qiáng)度有所下降，1998年后開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)得到抑制，湖面范圍有所恢復(fù)，之后局部地區(qū)略有開(kāi)發(fā)，但開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度不高。

1）20世紀(jì)60到80年代，湖面范圍持續(xù)萎縮，人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用情況較強(qiáng)，集中在都昌、波陽(yáng)、余干縣，在湖區(qū)周邊出現(xiàn)許多修筑攔水壩、攔水養(yǎng)殖等人為侵占湖泊的情況。

2）20世紀(jì)80到90年代，圍湖現(xiàn)象依然存在，在湖邊各縣區(qū)均出現(xiàn)不同程度的圍湖活動(dòng)，湖邊攔水區(qū)也逐步形成穩(wěn)定的耕作區(qū)，90年代中期，開(kāi)發(fā)活動(dòng)延伸至蓄洪區(qū)，有侵占蓄洪區(qū)的現(xiàn)象。

3）20世紀(jì)90年代后期，特別是1998年后，“退垸還湖”政策實(shí)施效果明顯，圍湖情況得到抑制，至2000年湖面范圍全面恢復(fù)。

4）2000年至今，局部地區(qū)又有圍湖跡象，但圍湖區(qū)域不多，范圍也較小。