1973—2019年長江新城水域面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測與分析研究

吳 波，周 峰，李 朋，楊青雄，劉 力，張 雅

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

湖泊作為重要的城市水體，在抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、改善湖區(qū)氣候、維持生態(tài)平衡、提高環(huán)境質(zhì)量等方面都承擔(dān)著重要的功能[1-2]。武漢被稱為“百湖之市，水上濱城”，而武湖又是長江新城中最大的地表水體，充分認(rèn)識(shí)并利用湖泊的天然功能，對(duì)改善武漢城市及其周邊地區(qū)的自然地理環(huán)境其意義之重要是不言而喻的[2-3]。然而，“圍湖造田”、“圍湖養(yǎng)殖”、“圍垸防水”等運(yùn)動(dòng)以及城市化熱潮使得武漢湖泊景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。不僅湖泊的面積及數(shù)量銳減，湖泊功能萎縮，生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，而且影響了湖泊調(diào)蓄功能，導(dǎo)致近年來武漢市內(nèi)澇頻發(fā)[1,4-5]。因此，研究湖泊歷史時(shí)期以來的動(dòng)態(tài)變化特征及原因，對(duì)改善湖泊生態(tài)環(huán)境和城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

傳統(tǒng)的湖泊調(diào)查方法采用實(shí)地調(diào)查、采樣和實(shí)驗(yàn)室分析等手段，該類方法具有精度高、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)查多在點(diǎn)上進(jìn)行，并不能全面反映湖泊生態(tài)環(huán)境的總體時(shí)空變化，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，難以開展大范圍、長時(shí)效的實(shí)時(shí)監(jiān)測[6]。遙感技術(shù)能夠大范圍、低成本、及時(shí)快速地監(jiān)測地表環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，適用于長時(shí)間序列的湖泊水體信息提取和湖泊動(dòng)態(tài)變化研究，是長久監(jiān)測湖泊水體的重要手段[7-8]。已有部分學(xué)者應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)一些重點(diǎn)湖泊開展長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測[9-16]，但是對(duì)于武漢市湖泊長時(shí)間序列的監(jiān)測及其影響因素研究仍然較少，且多集中在中心城區(qū)[5]，已無法滿足現(xiàn)今武漢城市發(fā)展的需求。

本次研究以《長江新城多要素城市地質(zhì)調(diào)查二期》項(xiàng)目為依托，基于LandSat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)1973—2019年長江新城規(guī)劃區(qū)域內(nèi)水域數(shù)據(jù)進(jìn)行多期次的監(jiān)測分析，并結(jié)合相應(yīng)的氣象資料、人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)，分析水域面積變化及其影響因素，為長江新城地質(zhì)生態(tài)資源開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于武漢市北部諶家磯—武湖—陽邏區(qū)塊，行政區(qū)劃主要隸屬于黃陂區(qū)、新洲區(qū)。其范圍東至倒水河，西至灄水河，南至長江北岸，北至國道G318，面積約550 km2(圖1)。研究區(qū)地形平坦開闊，地貌單元主要為沖湖積平原、沖積堆積平原、剝蝕堆積平原和剝蝕丘陵。地勢(shì)起伏小，海拔高程一般在16～70 m。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，具有常年雨量充沛、熱量充足、四季分明的特點(diǎn)。年平均氣溫16.3 ℃，夏季平均氣溫28 ℃,冬季平均氣溫2～3 ℃。年降雨量約1 100～1 500 mm，雨季多在5—9月，枯季常在12月—次年3月[5，17-18]。武湖位于研究區(qū)中部，是研究區(qū)最主要的地表水系，其歷史最大面積達(dá)237.0 km2，20世紀(jì)50年代初為121.2 km2，60年代后期減為55.2 km2，經(jīng)過多次圍墾后現(xiàn)有面積21.2 km2，平均容積5 915 m3，匯水面積約750 km2，2007年被世界自然基金會(huì)列為長江水生生物保護(hù)與可持續(xù)利用示范湖泊之一，2011年經(jīng)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)成立“武湖黃顙魚國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)”，2020年入選《武漢市第一批地名文化遺產(chǎn)保護(hù)名錄》[19]。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

本次研究選擇了1973—2019年間共12期覆蓋研究區(qū)的LandSat影像數(shù)據(jù)，其中1975年之前影像采用LandSat-1數(shù)據(jù)；1975—1983年間影像采用LandSat-3數(shù)據(jù)；1984—2008年間影像采用LandSat-5數(shù)據(jù)；2009—2019年間影像采用LandSat-8數(shù)據(jù)。12期影像數(shù)據(jù)平均間隔約為4年，為了保證數(shù)據(jù)的可比性，盡可能選擇每年10—12月間的遙感數(shù)據(jù)，且時(shí)相接近，影像數(shù)據(jù)具體信息如表1所示。運(yùn)用ENVI軟件，對(duì)影像進(jìn)行了幾何精校正、圖像裁剪和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。

表1 長江新城遙感影像信息

2.2 水體信息提取

本次研究運(yùn)用歸一化水體指數(shù)(NDWI)和面向?qū)ο髨D像分類的方法提取研究區(qū)水域信息，提取過程主要分為三個(gè)步驟。

(1)通過波段運(yùn)算得到NDWI數(shù)據(jù),以增強(qiáng)水體與非水體之間的反差，其計(jì)算公式為[20-21]：

式中：ρGreen為綠波段的反射率；ρNIR為近紅外波段的反射率。對(duì)于LandSat-1和LandSat-3，分別代表波段1和波段3；對(duì)于LandSat-5分別代表波段2和波段4；對(duì)于LandSat-8分別代表波段3和波段5[5]。

(2)設(shè)計(jì)合理的閾值，采用面向?qū)ο髨D像分類的方法對(duì)NDWI數(shù)據(jù)進(jìn)行分割與合并，完成對(duì)水體信息的提取，轉(zhuǎn)換為矢量文件輸出。

(3)在ArcGIS中，對(duì)提取的矢量結(jié)果進(jìn)行目視校核和修改，確定水體的大小和空間形態(tài)，添加周長、面積等屬性數(shù)據(jù)，生成水體矢量圖層?？紤]到LandSat-1和LandSat-3遙感數(shù)據(jù)分辨率較低，為了最為準(zhǔn)確地獲取研究區(qū)水域面積信息，避免因源數(shù)據(jù)分辨率差異而導(dǎo)致提取的矢量結(jié)果的偏差，本次研究僅對(duì)面積>0.025 km2(含坑塘和水庫，不包括河流水面)的水域進(jìn)行了提取。

2.3 水體變化指標(biāo)計(jì)算

為了更準(zhǔn)確地分析研究區(qū)水體在不同時(shí)期的相對(duì)變化情況，本文利用ArcGIS的空間分析和統(tǒng)計(jì)分析功能，計(jì)算水體變化總幅度、水體年變化幅度和水體變化指數(shù)，來定量分析區(qū)內(nèi)水體面積變化趨勢(shì)和相對(duì)強(qiáng)度[22]。

(1)水體變化總幅度表達(dá)式為：

L1=Ub-Ua

式中：L1為研究時(shí)段內(nèi)水體變化總幅度，L1>0表示水體面積增加，反之，則減少；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末的水體面積。

(2)水體年變化幅度表達(dá)式為：

L2=(Ub-Ua)/T

式中：L2為研究時(shí)段內(nèi)水體年變化幅度；T為研究時(shí)段間隔年數(shù)。

(3)水體變化指數(shù)表達(dá)式為：

C=100×L2/Ua

式中：C為研究時(shí)段內(nèi)水體變化指數(shù)；L2為研究時(shí)段內(nèi)水體年變化幅度；Ua為研究期初的水體面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 水域面積變化特征

利用前述的水體信息提取和水體變化指標(biāo)計(jì)算方法，可以得到研究區(qū)1973—2019年間12個(gè)時(shí)期的水域面積分布圖(圖2)和水體變化的相關(guān)指標(biāo)(表2，圖3-圖4)。由解譯和計(jì)算結(jié)果可以看出，1973—2019年長江新城區(qū)內(nèi)的水域面積總體呈減少趨勢(shì)，其變化大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：

圖2 長江新城水域面積逐年變化情況

圖3 長江新城1973—2019年水域面積

圖4 長江新城1973—2019年水域面積變化特征

表2 長江新城水域面積變化幅度和變化指數(shù)

(1)1973—1988年間，區(qū)內(nèi)水域面積由1973年的69.53 km2快速萎縮至1979年的39.01 km2，年均減少5.09 km2。隨后水域面積逐漸恢復(fù)，至1988年達(dá)到67.42 km2，總面積基本恢復(fù)至1973年水平，但水域碎片化程度增加。

(2)1988—2008年間，水域面積持續(xù)萎縮，從1988年的67.42 km2減少到2008年的47.26 km2，20年間減少了20.16 km2，年均減少1.08 km2，萎縮了29.9%。其中，武湖的面積由40.75 km2萎縮到28.12 km2，萎縮了31%。

(3)2008—2019年間，區(qū)內(nèi)水域面積基本穩(wěn)定在50 km2，略有波動(dòng)。

3.2 水域面積變化影響因素分析

通過查閱相關(guān)歷史資料，將區(qū)內(nèi)水域面積的變化情況與武漢市的年降水量、年蒸發(fā)量、戶籍人口和生產(chǎn)總值(GDP)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[23]，從而對(duì)區(qū)內(nèi)的水域面積變化進(jìn)行影響因素分析。

3.2.1氣候變化對(duì)長江新城水域面積變化的影響分析

氣候變化是地表水面積變化不可忽視的影響因素。一方面，降水是地表水最直接的水量補(bǔ)給來源，對(duì)地表水的演化至關(guān)重要。另一方面，蒸發(fā)作用的強(qiáng)弱也對(duì)地表水量產(chǎn)生重要影響，蒸發(fā)作用增強(qiáng)、蒸發(fā)量升高會(huì)致使地表水量的減少[5]。圖5和圖6分別為長江新城水域面積與武漢市年降水量及年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出：1973—1988年，武漢市年降水量變化幅度明顯大于年蒸發(fā)量，且與長江新城水域面積的變化呈明顯的正相關(guān)；1988年之后，二者相關(guān)性明顯減弱，部分年份降水量的增加，使得區(qū)內(nèi)水域面積有所增加(如1998年、2013年)，但部分年份出現(xiàn)了降水量增加，而水域面積減少(如1993年)或者降水量減少，而水域面積增大(如2017年)的現(xiàn)象，說明1988年以后氣候變化因素已不再是影響長江新城水域面積的唯一因素。

圖5 長江新城水域面積和武漢市年降水量變化趨勢(shì)圖

圖6 長江新城水域面積和武漢市年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)圖

3.2.2人類活動(dòng)對(duì)長江新城水域面積的影響分析

人口的顯著增加，尤其是工農(nóng)業(yè)發(fā)展以及房地產(chǎn)建設(shè)等人類活動(dòng)將會(huì)使得湖泊水域面積顯著減少[5]。本次研究選擇戶籍人口、地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)作為人類活動(dòng)的主要表征，分別對(duì)1973—2019年間長江新城水域面積變化與武漢市戶籍人口、地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)的關(guān)系進(jìn)行制圖，結(jié)果如圖7和圖8所示。1973—1988年間，長江新城水域面積快速萎縮后迅速恢復(fù)，而武漢市戶籍人口和GDP均呈緩慢增長趨勢(shì)，因此，期間的長江新城水域面積變化與人類活動(dòng)因素相關(guān)性并不顯著，人類活動(dòng)影響主要表現(xiàn)為圍湖造田、圍湖養(yǎng)殖造成了區(qū)內(nèi)水體碎片化加劇；1988—2008年，長江新城水域面積持續(xù)萎縮，而武漢市戶籍人口和GDP呈持續(xù)增長趨勢(shì)，且GDP增速自1988年開始有明顯提高，二者呈較為明顯的負(fù)相關(guān)。

圖7 長江新城水域面積和武漢市戶藉人口變化趨勢(shì)圖

圖8 長江新城水域面積和武漢市GDP變化趨勢(shì)圖

3.2.3相關(guān)性分析

前述資料表明，長江新城水域面積變化在不同時(shí)期受不同因素的影響，通過相關(guān)性分析，可以更好地了解水域面積變化與不同因素之間的相關(guān)性情況(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大，表明變量之間的線性相關(guān)程度越高)[24]。由表3相關(guān)性分析結(jié)果可知，1973—1988年間，長江新城水域面積變化與年降水量呈強(qiáng)相關(guān)，與武漢市戶籍人口和地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)呈弱相關(guān)，說明其主要受氣候因素影響，人類活動(dòng)影響較?。?988—2008年間，長江新城水域面積變化與年降水量和年蒸發(fā)量呈弱相關(guān)，與武漢市戶籍人口及武漢市地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)呈強(qiáng)相關(guān)，說明其主要受人類活動(dòng)影響；2008—2019年間，長江新城水域面積與武漢市年蒸發(fā)量及地區(qū)生產(chǎn)總值呈強(qiáng)相關(guān)，與年降水量、戶籍人口呈一般相關(guān)，說明人類活動(dòng)影響有所減弱。

表3 長江新城水域面積與影響因素之間的相關(guān)性分析

4 結(jié)論

本文在充分收集長江新城歷史遙感影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)1973—2019年間長江新城區(qū)內(nèi)水域進(jìn)行了12期次的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，總結(jié)了其演化趨勢(shì)，并對(duì)變化影響因素進(jìn)行了討論和相關(guān)性分析，主要結(jié)論如下：

(1)1973—1988年，長江新城的水域面積由69.53 km2快速萎縮至39.01 km2后逐漸恢復(fù)至67.42 km2，該變化主要受氣候因素(降水量、蒸發(fā)量等)影響，人類活動(dòng)影響主要表現(xiàn)為圍湖造田、圍湖養(yǎng)殖等行為，其導(dǎo)致區(qū)內(nèi)水體碎片化加??；

(2)1988—2008年，長江新城的水域面積持續(xù)萎縮，從1988年的67.42 km2減少到2008年的47.26 km2，萎縮了29.9%。該變化與武漢市戶籍人口及地區(qū)生產(chǎn)總值均呈強(qiáng)相關(guān)，與年降水量、年蒸發(fā)量等氣候指標(biāo)呈弱相關(guān)，說明該階段水域面積萎縮主要受人類活動(dòng)影響；

(3)2008—2019年，長江新城的水域面積穩(wěn)定在50 km2左右，人類活動(dòng)影響減弱，主要原因是政府加強(qiáng)立法和湖泊管理體系的完善。2002年隨著《武漢市湖泊保護(hù)條例》(2010年進(jìn)行了修改)的出臺(tái)實(shí)施，從法律和制度層面約束了人工填湖行為，有力地制止了武漢市的填湖活動(dòng)。

在長江新城總體規(guī)劃中，武湖作為城市水庫對(duì)長江新城的生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用，在長江新城的建設(shè)開發(fā)過程中，需要政府相關(guān)部門和城市居民在法律和制度的框架下，結(jié)合武湖的自然條件、空間展布等特點(diǎn)，從湖泊發(fā)展規(guī)劃角度做好武湖的中長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。通過開展城市湖泊主題公園、風(fēng)景區(qū)和湖泊生態(tài)保護(hù)區(qū)的建設(shè)，促進(jìn)武湖資源開發(fā)和長江新城建設(shè)相互協(xié)調(diào)發(fā)展。