近20年黃河流域陸表水域面積時(shí)空變化特征研究

高吉喜，王永財(cái)，侯 鵬，萬(wàn)華偉，張文國(guó)

（生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

1 研究背景

黃河是中華民族的母親河，也是我國(guó)第二長(zhǎng)河。黃河流域在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位，2019年黃河流域涉及的地級(jí)行政區(qū)人口總量為3.24億，占全國(guó)人口的23.3%，2018年的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）為19.4 萬(wàn)億元，占全國(guó)GDP的比重為21.55%[1]。作為我國(guó)主要的能源基地，黃河流域煤炭資源占全國(guó)的70%，石油儲(chǔ)量占50%。2019年9月18日黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記的講話(huà)中把黃河流域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展同京津冀協(xié)同發(fā)展、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、粵港澳大灣區(qū)建設(shè)、長(zhǎng)三角一體化發(fā)展一樣，上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略[2]，進(jìn)一步說(shuō)明了黃河流域在國(guó)家安全中的重要地位。黃河流域以其占全國(guó)2.2%的徑流量，承擔(dān)著占全國(guó)15%的耕地和12%人口的供水任務(wù)[3-4]。在氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響下，黃河流域水資源的供需矛盾更加突出，已成為我國(guó)水資源極其短缺的地區(qū)之一[5-6]，并在未來(lái)仍將繼續(xù)面臨水資源嚴(yán)重短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[7-8]。在此背景下，堅(jiān)持黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，對(duì)黃河水資源綜合開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)提出了更高的要求。為此，快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)黃河流域陸表水域分布和時(shí)空變化，對(duì)黃河流域水域水資源管理、生態(tài)保護(hù)政策的制定等有著重要的意義。

遙感技術(shù)是目前水資源調(diào)查常用的技術(shù)手段之一，具有覆蓋面廣、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，為大范圍水體變化監(jiān)測(cè)提供了全新的技術(shù)手段，光學(xué)遙感、微波雷達(dá)等技術(shù)的不斷完善，遙感數(shù)據(jù)水體提取算法日趨完善[9-10]。同時(shí)，基于地理大數(shù)據(jù)平臺(tái)在水體中的應(yīng)用日益廣泛[11-12]，使得遙感在水體變化、洪水淹沒(méi)監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[13-23]。本文利用遙感技術(shù)，分析2000—2019年黃河流域陸表水域分布變化，以期為黃河流域水資源保護(hù)與利用的決策提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況、資料與方法

2.1 研究區(qū)概況黃河流域包括青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省份，全長(zhǎng)5464 km，流域面積79.6萬(wàn)km2，其中上游36.5萬(wàn)km2，中游40.8萬(wàn)km2，下游2.3萬(wàn)km2。黃河上游是指從河源到內(nèi)蒙古自治區(qū)托克托縣河口鎮(zhèn)以上的黃河河段，主要位于青藏高原、寧蒙河套地區(qū)，但在提及上游陸地面積時(shí)，通常還包含鄂爾多斯地表內(nèi)流區(qū)。為此，黃河上游區(qū)域覆蓋青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)。黃河中游是指從河口鎮(zhèn)到河南鄭州花園口的河段，包括陜西省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、河南省。黃河下游指黃河干流自花園口到進(jìn)入渤海的區(qū)域，包括河南省、山東省，如圖1所示。黃河流域水資源二級(jí)分區(qū)總共8個(gè)，包括龍羊峽以上、龍羊峽至蘭州、蘭州至河口鎮(zhèn)、河口鎮(zhèn)至龍門(mén)、龍門(mén)至三門(mén)峽、三門(mén)峽至花園口、花園口以下、內(nèi)流區(qū)，如圖1所示。

圖1 黃河流域主要水系及河段分布

2.2 研究資料與方法為獲取研究區(qū)近20年水體信息，本文使用了研究區(qū)2000—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat5、Landsat7、Landsat8的表面反射率Tier 1產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以在谷歌地球引擎（Google Earth Engine，GEE）上進(jìn)行查詢(xún)、可視化和分析。通過(guò)使用Landsat 5、Landsat7和Landsat8 表面反射代碼（LarSRC）校正了大氣散射和氣溶膠吸收，包括云、陰影和每個(gè)像素的飽和度，獲得了黃河流域2000—2019年共45 424景影像。水體提取具體過(guò)程如下。

首先，通過(guò)SRTM高程數(shù)據(jù)計(jì)算流域相對(duì)高程，具體計(jì)算方法可參考Donchyts等[24]的計(jì)算方法。基于Landsat表面反射率數(shù)據(jù)計(jì)算植被指數(shù)、水體指數(shù)、干裸指數(shù)，具體各個(gè)指數(shù)的計(jì)算方法如下：

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)；MNDWI為改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)；AWEI為自動(dòng)水體提取指數(shù)；DBSI為干裸指數(shù)；ρblue為藍(lán)波段；ρgreen為綠波段；ρNIR為近紅外波；ρred為紅波段；ρSWIR為短波紅外波段；ρSWIR1為短波紅外波段1；ρSWIR2為短波紅外波段2。

其次，基于遙感水體指數(shù)、流域相對(duì)高程Hand根據(jù)閾值提取水體，并結(jié)合植被指數(shù)、干裸指數(shù)過(guò)濾非水體。

最后，利用每年每期水體數(shù)據(jù)構(gòu)建水淹頻度（一年中某一地點(diǎn)被水淹沒(méi)的次數(shù)占有效觀測(cè)次數(shù)的比例），為了分析不同年份水域面積動(dòng)態(tài)變化，利用62.0%的閾值提取水域分布，相當(dāng)于一年62.0%時(shí)間淹水的范圍。經(jīng)過(guò)抽樣和人工目視與每年多期遙感影像比對(duì)，提取水體分布與影像中水體分布一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域陸表水域面積空間分布及變化特征流域陸表水域空間面積分布分析表明，2014—2019年期間，黃河流域的陸表水域面積平均為6705.84 km2。從不同河段來(lái)看，河口鎮(zhèn)以上的上游地區(qū)陸表水域面積平均為4046.03 km2，約占整個(gè)流域陸表水域面積的比例為60.3%；龍羊峽以上黃河源區(qū)的陸表水域面積平均為2572.20 km2，約占整個(gè)流域陸表水域面積的比例為38.4%；河口鎮(zhèn)至花園口的中游地區(qū)陸表水域面積平均為1965.38 km2，約占整個(gè)流域陸表水域面積的比例為29.3%；花園口以下的下游地區(qū)陸表水域面積平均為694.44 km2，約占整個(gè)流域陸表水域面積的比例為10.4%。從不同省份來(lái)看，青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的比例最大，四川省的比例最??；青海省的陸表水域面積平均為2701.63 km2，占流域陸表水域面積的比例為40.3%；內(nèi)蒙古自治區(qū)的陸表水域面積平均為1137.47 km2，占整個(gè)流域陸表水域面積的比例為17.0%；四川省的陸表水域面積平均為52 km2，占流域陸表水域面積的比例為0.8%。2000—2019年間，黃河流域的陸表水域面積總體呈增加趨勢(shì)、約為103 km2/a，2015年之后，陸表水域面積增加趨勢(shì)更加明顯，如圖2所示。

圖2 黃河流域2000—2019年水域面積變化

從流域陸表水域面積變化來(lái)看，2019年，陸表水域面積為7532.06 km2，比2000年增加了約2475.68 km2，增加的面積相當(dāng)于半個(gè)青海湖面積，增幅約為49.0%。從不同河段來(lái)看，上游地區(qū)的陸表水域面積每年增加約54 km2，近20年間陸表水域面積共增加約1181.50 km2、增加幅度為34.7%，對(duì)流域的陸表水域面積增加貢獻(xiàn)度為47.7%；中游地區(qū)的陸表水域面積每年增加約44 km2，近20年間陸表水域面積共增加1058.50 km2，對(duì)流域的陸表水域面積增加貢獻(xiàn)度為42.7%；下游地區(qū)的陸表水域面積每年增加約7.5 km2，近20年間陸表水域面積共增加約235.68 km2，對(duì)流域的陸表水域面積增加貢獻(xiàn)度為9.6%。從不同省份來(lái)看，陸表水域面積增加最大的省份是青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，增幅最大的是山西??；青海省的陸表水域面積增加約619.80 km2，對(duì)流域的陸表水域面積增加貢獻(xiàn)度為25.7%；內(nèi)蒙古自治區(qū)的陸表水域面積增加580.63 km2，對(duì)流域的陸表水域面積增加貢獻(xiàn)度為24.1%；山西省的陸表水域面積增加幅度為108.28%，對(duì)流域的陸表水域面積增加貢獻(xiàn)度為11.3%。如表1所示。

表1 黃河流域陸表水域面積變化及對(duì)流域水域面積變化的貢獻(xiàn)度

圖3 2019年相比2000年湖庫(kù)水域面積變化

圖4 黃河源區(qū)水域面積與年降水變化關(guān)系

3.2 流域內(nèi)主要湖庫(kù)水域面積變化特征與2000年相比，2019年水域面積大于1 km2的湖庫(kù)中有217個(gè)發(fā)生了顯著變化，空間分布如圖3所示。其中，水域面積擴(kuò)大的有115個(gè)，位于上游的66個(gè)、中游的40個(gè)、下游的9個(gè)；水域面積縮小的有45個(gè)，位于上游的26個(gè)、中游的16個(gè)、下游的3個(gè)；新增加的湖庫(kù)有57個(gè)，位于上游的24個(gè)、中游的31個(gè)、下游的2個(gè)。

上游地區(qū)的湖庫(kù)多數(shù)是高原湖泊，特點(diǎn)是面積小、數(shù)量多，兩個(gè)面積較大湖泊為扎陵湖和鄂陵湖。龍羊峽以上的黃河源區(qū)超過(guò)1 km2的湖庫(kù)中，面積發(fā)生變化的有46個(gè)，其中面積擴(kuò)大的湖庫(kù)有45個(gè)，這種變化與降水變化趨勢(shì)基本一致，如圖4所示。龍羊峽-龍門(mén)鎮(zhèn)的干旱半干旱區(qū)河段的面積大于1 km2湖庫(kù)中，水域面積縮小的有33個(gè)；中游內(nèi)流區(qū)是鄂爾多斯高原鹽湖的聚集區(qū)，面積大于1 km2的32個(gè)湖庫(kù)中，面積縮小的有8個(gè)。通過(guò)對(duì)內(nèi)流區(qū)重點(diǎn)53個(gè)湖泊進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有35個(gè)存在不同程度的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，無(wú)序的開(kāi)發(fā)活動(dòng)和水開(kāi)采可能加劇區(qū)域水資源緊張程度。2000—2019年間，下游地區(qū)的湖庫(kù)水面積增加以人工水庫(kù)、水塘為主，大于1 km2的新增加和面積擴(kuò)大的人工水域有11個(gè)。

作為源頭區(qū)的重要湖泊，近20年間扎陵湖和鄂陵湖水域面積增加80 km2，入湖徑流量增加是扎陵湖、鄂陵湖水面擴(kuò)大的主要原因。紅堿淖濕地作為重要的沙漠淡水湖和遺鷗繁殖棲息地，近20年間濕地面積總體在下降，2000—2015年間減少約34%。同時(shí)鄂爾多斯?jié)竦孛娣e也在減少，減少約85%。初步分析表明，導(dǎo)致濕地面積下降的主要原因有氣候持續(xù)暖干、周邊水庫(kù)建設(shè)和煤礦開(kāi)采共同導(dǎo)致的補(bǔ)給河流被截?cái)啵叵滤畬釉獾狡茐腫25-28]，2015年采取補(bǔ)水措施之后紅堿淖濕地和鄂爾多斯?jié)竦厮蛎娣e逐年增加。作為國(guó)家南水北調(diào)東線(xiàn)工程重要樞紐，東平湖水域面積在2014年以前先增后減，2015年之后水域面積持續(xù)增加，2019年的水域面積增加了2.4 km2。如圖5所示。

圖5 黃河流域典型湖庫(kù)水域面積變化

3.3 流域內(nèi)主要子流域的變化特征作為黃河生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)注區(qū)域，渭河和汾河子流域的水文特征和水環(huán)境特征在近20年間均發(fā)生了很大變化。在渭河流域，2000—2019年，渭河流域陸表水域面積擴(kuò)大了113.17 km2，增幅約為139.9%，約有62.3%區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度呈明顯增加趨勢(shì)。根據(jù)水文統(tǒng)計(jì)年鑒資料，渭河流域華縣水文監(jiān)測(cè)站的含沙量連續(xù)多年下降，下降幅度達(dá)到67.1%。在汾河流域，2000—2019年，汾河流域陸表水域面積擴(kuò)大了55.75 km2、增幅約152.4%，約有69.7%區(qū)域植被覆蓋度呈明顯增加趨勢(shì)。根據(jù)水文統(tǒng)計(jì)年鑒，流域內(nèi)河津站水文監(jiān)測(cè)的含沙量連續(xù)多年下降、下降幅度達(dá)到65.0%。參見(jiàn)圖6、圖7和圖8。

圖6 2000—2019年渭河流域水域面積和含沙量變化

圖7 2000—2019年汾河流域水域面積和含沙量變化

圖8 2000—2019年渭河和汾河流域植被覆蓋度變化

4 主要結(jié)論

本文基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取了2000—2019年黃河流域陸表水域分布，開(kāi)展了陸表水域面積的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，以期為黃河流域水資源保護(hù)與利用的決策提供依據(jù)，對(duì)于了解全球變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的影響具有重要意義。

（1）流域陸表水域空間分布不均衡，空間分布主要集中在上游。近5年，黃河流域陸表水域平均面積為6705.84 km2。作為黃河流域水源涵養(yǎng)區(qū)和干流源頭區(qū)，上游陸表水域面積約為4046.03 km2，占黃河流域陸表水域總面積的60.3%；作為黃河流域重要水土保持區(qū)，中游地區(qū)陸表水域面積約為1965.38 km2，占黃河流域陸表水域總面積的29.3%。下游地區(qū)陸表水域面積約為694.44 km2，占黃河流域陸表水域總面積的10.4%。從不同省份來(lái)看，黃河流域陸表水域面積的比例，青海省最大、內(nèi)蒙古次之、四川省最小。

（2）近20年流域陸表水域面積呈動(dòng)態(tài)增加趨勢(shì)。2019年流域陸表水域總面積為7532.06 km2，比2000年增加了2475.68 km2，增幅為49.0%。其中，上游黃河源區(qū)湖庫(kù)面積整體在擴(kuò)大，中上游干旱半干旱區(qū)部分湖泊面積在萎縮，下游人工庫(kù)塘在擴(kuò)大。2000—2019年期間，上游地區(qū)對(duì)流域陸表水域總面積增加貢獻(xiàn)度達(dá)到47.7%，中游地區(qū)貢獻(xiàn)度為42.7%，下游地區(qū)貢獻(xiàn)度為9.6%。從省域來(lái)看，青海省的流域陸表水域面積增加最大，增加約619.80 km2，對(duì)流域陸表水域總面積增加的貢獻(xiàn)度為25.7%。

（3）2000—2019年期間，渭河和汾河流域的陸表水域面積分別擴(kuò)大了113.17 km2和55.75 km2，增幅約為139.9%和152.4%。近年來(lái)，渭河和汾河流域有60.0%以上地區(qū)的植被覆蓋度呈現(xiàn)出明顯的改善，導(dǎo)致含沙量持續(xù)下降，下降幅度分別為67.1%和65.0%。