1985—2018年查干湖時空變化及其對降水變化響應(yīng)分析

方鶴楠，何 真，陳 茜，夏 天

（地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室/華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079）

0 引言

湖泊是全球生態(tài)環(huán)境中的基本要素和寶貴資源。作為大量生態(tài)環(huán)境信息的載體，湖泊長時間參與龐大的生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)，對局部小氣候起到不可忽視的平衡與調(diào)節(jié)作用［1-3］。同時，氣候變化作為湖泊問題的重要驅(qū)動因素，在長時間尺度和區(qū)域空間尺度上對全球湖泊面積變化影響顯著［4-5］。近幾十年來，人類活動與氣候變化使全球湖泊面臨著水面萎縮、水質(zhì)惡化、湖濱植被退化、旱澇急轉(zhuǎn)、濕地生態(tài)環(huán)境退化等一系列問題［6-11］，其中，湖泊水體空間格局上的擴張與收縮變化直接影響著周邊生態(tài)環(huán)境演化和資源利用情況［12-16］，因此氣候變化影響下的湖泊時空格局研究具有非常重要的意義。

隨著遙感技術(shù)不斷革新與發(fā)展，遙感監(jiān)測成為湖泊水體提取與面積變化研究的重要手段，其中，水體指數(shù)模型是水體識別與提取領(lǐng)域使用最廣泛的研究方法，近30 年不斷被國內(nèi)外學(xué)者運用并優(yōu)化改進(jìn)，以適應(yīng)不同地理環(huán)境下的湖泊等水域的變化研究。自1996 年McFeeters［17］首次提出歸一化水體指數(shù)法NDWI（Normalized Difference Water Index），并成功提取了美國中西部內(nèi)布拉斯加州西部地區(qū)的水體信息，NDWI 被廣泛用于湖泊等水域面積變化研究。淡永利等［18］通過NDWI提取了2000—2010 年武漢市中心城區(qū)湖泊景觀，并就其變化特征進(jìn)行分析與預(yù)測；陳思源等［19］采用NDWI 對喀斯特地區(qū)不同地貌類型的水資源進(jìn)行分析，并探究其相互定量關(guān)系。徐涵秋［20］在NDWI 的基礎(chǔ)上改良得出改進(jìn)型歸一化差值水體指數(shù)MNDWI（Modified NDWI），并成功提取了福建省福州市水體，相對抑制了土壤和建筑物的干擾，減少了誤提現(xiàn)象，取得了良好實驗效果。NDWI指數(shù)提取水體的算法得到了國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)可。降水作為湖泊水量的重要補給方式，是國內(nèi)外湖泊水域研究的重要方向。文雄飛等［21］結(jié)合同期逐月平均降水量在對洪湖水體面積變化的探討中提出，洪湖水體面積自1973年起呈下降趨勢，并與年降水量、汛期降水量都有極大相關(guān)性；閆政新等［22］對1991—2014 年伊塞克湖湖泊面積進(jìn)行監(jiān)測并得出，1991—1998年其面積總體減小5.3 km2，而在1998— 2014 年增大7.3 km2，并發(fā)現(xiàn)其變化與氣溫和降水存在明顯正相關(guān)關(guān)系。查干湖作為吉林省最大的天然湖泊，其寶貴的淡水資源及重要生態(tài)服務(wù)價值對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，同時，查干湖通過發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)和相關(guān)加工型產(chǎn)業(yè)使該地區(qū)經(jīng)濟得到穩(wěn)定增長。目前，關(guān)于查干湖的已有研究重點集中在生態(tài)環(huán)境變化與保護(hù)、水環(huán)境演變特征、補給水量對水質(zhì)的影響、可持續(xù)發(fā)展對策等方面［23-27］，對于查干湖水體面積與時空格局變化的研究甚少，針對查干湖相關(guān)水情信息和長時間尺度的動態(tài)監(jiān)測研究十分匱乏，導(dǎo)致查干湖周邊景觀環(huán)境保護(hù)缺乏具體方向、相關(guān)產(chǎn)業(yè)排污治理措施缺乏理論支持，難以做到對查干湖區(qū)域進(jìn)行合理開發(fā)和有效保護(hù)相結(jié)合。

文章基于Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，采用能夠很好抑制植被等地物信息并能突出水體信息的NDWI 歸一化水體指數(shù)法進(jìn)行查干湖水體識別與提取，實現(xiàn)該區(qū)域長時間序列的動態(tài)監(jiān)測，探討1985—2018年查干湖水域的時空格局變化趨勢。同時，在此基礎(chǔ)上探討水域面積變化與氣候變化的相互關(guān)系，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和整治方向提供合理的決策支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

查干湖（123°58′E～124°34′E、45°09′N～45°30′N）位于吉林省霍林河末端，其主要水域處于吉林省西北部的前郭爾羅斯蒙古族自治縣境內(nèi)，西鄰乾安縣，北接大安市。查干湖區(qū)除查干湖主湖區(qū)外，還包括新廟泡、辛甸泡、庫里泡等附屬水域（圖1）。在新廟泡與查干湖之間由人工渠貫通并控制水位，查干湖泄水入庫里泡后進(jìn)入嫩江。查干湖的湖底海拔126 m，水深4 m，湖周長104.5 km，最大蓄水量4.15億m3，東西長38 km，南北寬14 km，是全國十大淡水湖之一。查干湖區(qū)域總體地形較平坦，地勢從東南向東北遞減，西南略低。該區(qū)域地貌類型可依據(jù)其成因和形態(tài)特征劃分為沖積湖積平原與河谷沖積平原，分別分布于湖區(qū)周低洼處與霍林河河谷。

圖1查干湖及附屬水域地區(qū)土地覆蓋類別圖Fig.1 Land cover map of Chagan lake and its subsidiary waters

查干湖位于霍林河末端與嫩江的交匯處，屬霍林河的堰塞湖泊。20 世紀(jì)70年代，由于上游霍林河、洮兒河等修建水利設(shè)施以及區(qū)域干旱的影響，導(dǎo)致查干湖水域面積急劇縮減，查干湖水域面積最小時期僅剩約80 km2左右，生態(tài)環(huán)境極為惡劣。為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，當(dāng)?shù)卣?976年9月開始修建了全長53.85 km的“引松入湖”工程，使查干湖的水域面積不斷增加，生態(tài)環(huán)境得到極大改善。1984年工程完工開始引水，查干湖的主要水源為松花江水（通過“引松入湖”工程自流水和前郭灌區(qū)排水），2007年“引松入湖”工程已停止向查干湖進(jìn)行引水。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)介紹

該文選用了Landsat衛(wèi)星影像，1985—2018年每隔5年選取1景影像，其中1985—2010 年選用Landsat 5/TM遙感影像數(shù)據(jù)，2015年和2018年選用Landsat 8/OLI 遙感影像數(shù)據(jù)。這些影像的時間分別為1985年8月7日、1990年5月17日、1995年9月20日、2000 年10月3日、2005年10月17 日、2010 年9月13 日、2015 年10 月29日 和2018年4 月28日。為了使不同年份水域面積比較更精準(zhǔn)，影像數(shù)據(jù)均選自查干湖流域平水期月份前后。個別年份數(shù)據(jù)由于影像不全、云層干擾等影響難以進(jìn)行水體提取，因而選擇其他月份。此外，研究所用查干湖區(qū)的降水量數(shù)據(jù)由前郭氣象站提供，用以探究水體面積變化與降水因素的相關(guān)關(guān)系。

1.2.2 水體時空變化及影響分析

該文結(jié)合查干湖周圍建設(shè)用地占地較少的實際情況，選取能夠有效抑制植被、土壤和農(nóng)田信息的NDWI水體指數(shù)法進(jìn)行水體提取，該指數(shù)能夠較好地增強水體信息，同時抑制非水體信息。NDWI［17］被應(yīng)用到多種水體識別與水資源環(huán)境的研究中，公式為：

式（1）中，Green為綠色波段波長，NIR為近紅外波段波長，分別對應(yīng)Landsat 4—5中的2、4 波段和Landsat 8中的3、5波段。

通過遙感影像識別1985—2018年查干湖水域面積，并進(jìn)行水域時空變化分析。該文采用ArcGIS空間分析方法，對查干湖每隔5年的水體進(jìn)行時空格局變化分析，研究查干湖水體面積增加的時空變化過程。同時，對水域面積與氣候變化進(jìn)行相關(guān)性分析，考慮降水和“引松入湖”工程期間的引水量對于水域面積的影響，研究蓄水量增減對水域時空格局變化的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 查干湖面積變化特征

研究按照一定閾值進(jìn)行NDWI 運算，識別出1985—2018 年8景影像數(shù)據(jù)的查干湖水體，并通過ArcGIS處理將最大連片水體確定為查干湖水域，得出每個代表時間點的水體面積數(shù)值。結(jié)果顯示，查干湖的水體面積變化總體呈波浪形變化（圖2），水體面積在2000 年和2010 年兩次出現(xiàn)變化拐點。具體變化可以分為3個階段：第1階段，1985—2000 年為查干湖水體面積迅速增長期，15年間共增長95.87 km2，其中，1985—1990年湖泊水域面積增幅明顯，增長了52.6 km2，占整個水域面積的16.7%；經(jīng)過5年平穩(wěn)增長后，查干湖水體面積于1995年又開始迅速增長，到2000 年共增長39.7 km2，水域總面積358.87 km2，達(dá)到了近35年來的峰值。第2 階段，2000—2010年為查干湖水體面積縮減期，僅10年時間縮減了67.01 km2，是整個研究時段內(nèi)水體面積唯一下降階段，且下降幅度較大。第3階段，2010—2018年查干湖水體面積重新恢復(fù)上升趨勢，8年間共增長46.63 km2，近幾年出現(xiàn)了小幅下降，但還是維持在一個較高的水平，水域面積為331.23 km2。整體來看，查干湖水體面積在1985—2018 年間變動幅度明顯，整體上呈增長態(tài)勢，前期增加明顯，后期總體在300 km2上下浮動。

2.2 查干湖時空格局變化過程

圖2 1985—2018年查干湖湖區(qū)水體面積變化趨勢Fig.2 Change trend of water area in Chagan lake from 1985 to 2018

圖3 1985—2018年查干湖區(qū)域水體增減變化情況Fig.3 Change of Chagan lake area from 1985 to 2018

為研究查干湖水體面積的時空變化格局，該文通過ArcGIS中的Raster Calculate 模塊對自1985年以來每隔5年的查干湖水體進(jìn)行空間對比分析，進(jìn)一步探討查干湖及其附屬水域1985—2018 年水體時空格局變化過程（圖3）。從查干湖水體的具體變化趨勢來看，每一個階段的變化各有特點。下面詳細(xì)介紹查干湖的增減變化情況：（1）1985—1990年，查干湖區(qū)域整體呈現(xiàn)新增趨勢，查干湖附屬水體辛甸泡在這個階段初具雛形，也是水體擴張的主要部分，其次在新廟泡與庫里泡的南部出現(xiàn)明顯的新增水體，在查干湖水體西部出現(xiàn)少量的破碎水體減少的情況。（2）1990—2005年，查干區(qū)域的水域面積增加呈較穩(wěn)定的趨勢，雖然有少量的新增和較少水域的情況發(fā)生，但主要為查干湖周圍水泡的少量增加變化，特別是在查干湖區(qū)域的東南部新廟泡附近是水域增減的主要變化區(qū)域。（3）2005—2010年，查干湖區(qū)域出現(xiàn)明顯的減少變化，特別是查干湖主體部分和辛甸泡附近出現(xiàn)了不同程度的水域減少情況。（4）2010—2015年，查干湖區(qū)域水域面積減少的現(xiàn)象出現(xiàn)緩解，辛甸泡重新恢復(fù)了水域面積。（5）2015—2018年，查干湖區(qū)域的水域面積變化相對平緩，查干湖主體周圍的辛甸泡出現(xiàn)少量水域減少、新廟泡和庫里泡少量面積增加外，整個湖區(qū)變化不明顯。綜上所述，查干湖區(qū)域的水體面積增幅最大的區(qū)域均集中在查干湖西南部和辛甸泡的部分破碎型水域，而減幅最大的區(qū)域多集中于查干湖東部水域和新廟泡。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，作為查干湖周邊的附屬水體與毗連湖泊，辛甸泡、新廟泡和庫里泡在30多年內(nèi)的水體變化基本決定著查干湖總體水域的時空格局變化大方向。由于附屬水體水深較淺，受自然環(huán)境因素影響明顯，水體邊緣變化幅度大，很容易出現(xiàn)水體干涸或與主水體連片的情況，其中，辛甸泡是查干湖區(qū)水體變化幅度最大的水域，其西北部存在大量破碎型小水域，在查干湖水體增減變化上發(fā)揮重要作用。辛甸泡在1985年之前水域范圍較小，1985年后該區(qū)域大范圍增加，成為3個附屬毗連水體中水域面積最大的區(qū)域，1990 年后面積增減變化保持相對穩(wěn)定，直到2005年該區(qū)域開始與西北部破碎水體相分離，水域面積大幅度縮減，2010 年后重新相連。然而，新廟泡通過川頭渠道與查干湖相連，對查干湖總體時空格局變化有著階段性影響。1985—2000年水體變化幅度大，變化區(qū)域主要集中于水域南部與東北部，且年際水體增加與減少部分基本吻合，說明該區(qū)域水情環(huán)境不穩(wěn)定，易受自然環(huán)境因素影響。新廟泡在2000 年后水體變化基本趨于穩(wěn)定，只有南部水域一直有著微小的邊緣性新增趨勢。庫里泡位于查干湖東北方向4 km處，是3個附屬水體中最易發(fā)生格局變化的水域。與辛甸泡、新廟泡相比，庫里泡水域面積最小且距查干湖主水體距離最遠(yuǎn)，基本在每一個研究時段都有著與上一時段相反的水體面積變化，變化水域多集中于北部，形態(tài)較破碎。

2.3 降雨量與查干湖面積關(guān)系分析

降雨量是查干湖區(qū)域最直接的補給水源方式，該文將進(jìn)一步探討降雨量與查干湖面積變化的關(guān)系。近35年來，查干湖區(qū)域的水體面積變化表明該區(qū)域的水儲量并不穩(wěn)定，但整體水域面積呈擴張趨勢。該文采用1985—2018年第3季度（7—9 月）查干湖流域的累積降雨量數(shù)據(jù)和同時期的水體面積數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖4）。結(jié)果顯示，研究區(qū)第3季度降雨量和水體面積大體上呈現(xiàn)一定相關(guān)關(guān)系。1985—1995年查干湖水域面積與降水量呈相反的趨勢，水域面積由最初約270 km2升至320 km2，而降雨量從最初的400 mm降至150 mm；隨后1995—2018年兩者變化的趨勢基本一致，呈現(xiàn)出先增加再減少后又增加的趨勢變化，水域面積基本維持在300～350 km2的范圍，降雨量雖然較1995年有所提高，但增幅并不明顯。從水體面積和第3季度降水量來看，1995年為重要轉(zhuǎn)折點，至20 世紀(jì)70年代湖面開始縮小，最后接近干涸后，當(dāng)?shù)卣疄楦纳坪喘h(huán)境，開始了“引松入湖”（將松花江水引入查干湖）工程，查干湖前期水域增加主要靠引水工程，而后期隨著水位回升、查干湖生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，自然降雨變化趨勢與查干湖水域面積趨于一致，但有些滯后。為進(jìn)一步明確“引松入湖”工程（1984—2007年）對查干湖水體面積變化的影響程度，以及自然降水與查干湖水域的關(guān)系，進(jìn)一步研究查干湖區(qū)域蓄水量、區(qū)域新增降雨和引水工程供給3 個方面相互作用關(guān)系。

圖4 1985—2018年查干湖水體面積與第三季度降雨量變化Fig.4 Change of Chagan Lake area and rainfall in the third quarter from 1985 to 2018

該文估算了1985—2018年查干湖區(qū)域蓄水量、蓄水量凈變化、受降水影響新增水量和引水工程需水量4 方面數(shù)據(jù)，結(jié)合年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，其中，查干湖平均水深按2.5 m 估算，平均年水面蒸散發(fā)量按923.2 mm估算［27］。查干湖蓄水量是平均水深與湖面面積的乘積；蓄水量凈變化值采用5年變化值；受降水影響新增水量是累積降水量與湖面面積的乘積（不同階段累積降水量是遙感影像所在月份之前5年之和）；引水工程需水量是蓄水量凈變化值與受降水影響新增水量的差值與5年累積受蒸散發(fā)量影響的消耗水量之和。結(jié)果表明（圖5），查干湖蓄水量凈變化值在1985—2018年呈波動變化態(tài)勢，可以分為3個主要變化階段。第一階段為1985—2000年，期間查干湖蓄水量凈變化值均為正值。其中，1990—1995年凈增長值變化呈下降態(tài)勢，結(jié)合累積降水量和引水工程需水量的總體變化情況來看，累積降水量與上一個5年數(shù)據(jù)相比減少較多，但引水工程需水量變化不大，說明該時段湖泊蓄水量的凈變化值下降受引水工程和降水因素共同影響，因引水工程蓄水量增長趨勢較緩，蓄水量凈變化值下降幅度明顯，所以引水工程在此階段對查干湖蓄水量的影響起主導(dǎo)作用。1995—2000年增長態(tài)勢迅速回升，在累積降水量幾乎不變的情況下，湖泊蓄水量凈變化值隨著引水工程需水量的增加而明顯提高，同樣說明引水工程對查干湖蓄水量變化影響顯著。第二階段為2000—2010年，期間查干湖蓄水量凈變化值均為負(fù)值。2000—2005年湖泊蓄水量凈變化值達(dá)到最低點，較上一時期共減少了1.892億m3，期間累積降水量變化與上一時段基本持平，引水工程需水量降幅明顯，說明累積降水量對蓄水量凈變化值的影響不大，引水工程的作用逐漸開始減弱。隨后2005年湖泊蓄水量開始緩慢回升，引水工程需水量保持下降趨勢，說明該時段降水因素影響逐漸顯現(xiàn)。第三階段為2010—2018年，期間查干湖蓄水量凈變化值波動幅度較大，前期呈現(xiàn)顯著回升態(tài)勢，于2015年達(dá)到新的高點，蓄水量凈變化值較上一時期增加了1.845億m3，基本與2000年的變化水平持平，隨后又出現(xiàn)較大幅度的下降，這與該時段累積降水量變化趨勢十分相近，說明查干湖區(qū)域恢復(fù)生態(tài)功能，雖然沒有了引水工程的補給影響，自然降水仍然能夠維持該區(qū)域的水量平衡。總體來看，1985—2010 年查干湖蓄水量變化與引水工程需水量變化趨勢基本一致，引水工程在建成初期發(fā)揮非常重要的作用，在此期間降水因素對蓄水量凈變化的影響不大，隨著后期引水工程的作用減弱，2010 年后查干湖蓄水量凈變化值主要受降水因素的影響。

圖5查干湖1985—2018年蓄水量凈變化、累積降水量和引水工程需水量變化Fig.5 Net change of water storage，accumulated precipitation and water demand of diversion project of Chagan Lake from 1985 to 2018

3 結(jié)論與討論

該文基于1985—2018年吉林省查干湖區(qū)域8景Landsat 遙感影像，采用歸一化水體指數(shù)法（NDWI）識別并提取查干湖水體信息，通過地理空間分析方法研究查干湖過去近35年的時空格局變化過程，并分析氣候變化和“引松入湖”工程對查干湖區(qū)域水域面積的影響，得出以下幾方面結(jié)論。

（1）查干湖區(qū)域水體面積1985—2018年整體呈波浪式上升趨勢，該地區(qū)1990年后水域面積維持在300 km2左右，其中在2000 年和2010 年出現(xiàn)拐點?？臻g上，該地區(qū)變化區(qū)域主要集中在周邊3個水域（北部辛甸泡、東部新廟泡和東北部庫里泡），周邊小型破碎水體階段性的干涸或與湖泊相接，新增水域主要出現(xiàn)在辛甸泡，增幅十分明顯，而新廟泡和庫里泡出現(xiàn)小面積的頻繁增減變化。

（2）查干湖區(qū)域的降水量總體呈下降趨勢，通過分析發(fā)現(xiàn)查干湖區(qū)域水體面積受到自然降水和“引松入湖”工程的影響顯著，其中，1985—2010 年受“引松入湖”工程影響，查干湖水域得到較好恢復(fù)，而2005年后，隨著入湖工程補給減弱，自然降水成為影響查干湖水體面積主要因素，直接影響查干湖區(qū)域的水域面積。

（3）查干湖區(qū)域水體受自然降水和“引松入湖”工程的影響，在湖水接近干涸時只能依靠引水工程恢復(fù)生態(tài)功能，隨后自然降水成為該地區(qū)水域面積的主要調(diào)節(jié)因素。引水工程在恢復(fù)查干湖區(qū)域生態(tài)功能中起決定性作用，后期水域面積的變化直接與自然降雨量具有較強的正相關(guān)關(guān)系。

“引松入湖”工程在完成初期較好地恢復(fù)了查干湖區(qū)域的水域面積和生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了工程的初衷?！耙扇牒惫こ毯笃谥两?，查干湖區(qū)域的水體面積變化與降水量呈較明顯的正比例關(guān)系。近年來，隨著查干湖區(qū)域恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能，該區(qū)域的水域面積主要受自然降水影響，特別是毗鄰查干湖主體的3個附屬水域受降水因素影響顯著，隨著降雨量的增減，其周邊小型破碎水體出現(xiàn)不同程度的相接或干涸。未來查干湖區(qū)域的水域?qū)⒅饕揽孔匀唤涤赀M(jìn)行補給，辛甸泡、新廟泡和庫里泡3個附屬水域的大小盈枯變化是查干湖時空格局的指示器，查干湖水域面積的增減也將主要表現(xiàn)在這3個水體區(qū)域。因此，氣候變化和查干湖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境將直接決定未來該地區(qū)的水域面積變化?；诖耍楦珊^(qū)域需要進(jìn)一步加強生態(tài)環(huán)境保護(hù)，維持該地區(qū)的生態(tài)平衡，圍繞保護(hù)水資源生態(tài)治理與防護(hù)，加強相關(guān)保護(hù)政策實施力度，合理安排依賴這些水域的養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)，實現(xiàn)查干湖區(qū)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的共同發(fā)展。