基于GEE的三峽蓄水對(duì)重慶地表水和植被影響研究

賴佩玉， 黃 靜， 韓旭軍， 馬明國

(西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，重慶 400715)

0 引言

三峽工程是目前世界上最大的水利樞紐工程，具有強(qiáng)大的防洪、發(fā)電和航運(yùn)效益。三峽庫區(qū)地處四川盆地與長(zhǎng)江中下游平原的結(jié)合部，屬于氣候敏感區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)過渡區(qū)，而其氣候環(huán)境直接受三峽蓄水的影響。此外，三峽水庫于2003年首次蓄水，至2012年工程竣工驗(yàn)收啟動(dòng)，期間蓄水也直接影響著整個(gè)長(zhǎng)江流域的水循環(huán)過程[1]。因此，研究三峽蓄水對(duì)周邊氣候和生態(tài)系統(tǒng)的影響對(duì)維護(hù)生態(tài)安全具有重要意義。

自動(dòng)工以來，三峽大壩帶來的氣候影響就備受學(xué)者關(guān)注。相當(dāng)一部分學(xué)者分析了庫區(qū)近幾十年以來氣象因子的時(shí)空變化特征以確定三峽建設(shè)和蓄水的影響。例如，陳鮮艷等[2]分析了庫區(qū)氣象站的氣溫，發(fā)現(xiàn)三峽蓄水對(duì)庫區(qū)冬季產(chǎn)生增溫效應(yīng), 夏季有弱降溫效應(yīng), 但總體以增溫為主； 王圓圓等[3]研究發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)年平均氣溫在1997年后明顯上升，但在2003年庫區(qū)蓄水后無明顯變化趨勢(shì)。有關(guān)該地區(qū)降雨的研究還發(fā)現(xiàn)，蓄水對(duì)整個(gè)庫區(qū)的年降水量無明顯影響[4-5]，但庫區(qū)連年陰雨頻次有微弱的減少趨勢(shì)[6]。另一部分研究關(guān)注蓄水對(duì)庫區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來的影響，其中對(duì)植被的影響是研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)自21世紀(jì)以來，庫區(qū)植被的綠度和覆蓋度都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[7-9]； 蓄水過程中庫區(qū)的蒸散發(fā)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[1]； 冬小麥的氣候生產(chǎn)潛力增大[10]等。對(duì)植被所受影響原因的探索發(fā)現(xiàn)，大壩的修建、庫區(qū)水位的上升以及劇烈的人為活動(dòng)都有一定作用。同時(shí)，也有相當(dāng)一部分研究關(guān)注三峽土地利用的變化及其帶來的影響。目前較為一致的觀點(diǎn)認(rèn)為，在大壩建設(shè)時(shí)期(2002年以前)，庫區(qū)土地覆蓋以農(nóng)田為主，且有一定擴(kuò)張趨勢(shì)，而在三峽蓄水階段(2003—2012年),建設(shè)用地和草地的比例大幅增加，農(nóng)田面積比例降低[11-14]。此外，三峽蓄水帶來的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也在多個(gè)研究中被提及，如李強(qiáng)等[15]分析了1980—2007年三峽庫區(qū)的洪澇特征，發(fā)現(xiàn)年均洪澇強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，但區(qū)域性洪澇較為頻繁，以及三峽庫區(qū)土壤侵蝕狀況呈降低趨勢(shì)[16]等。從研究區(qū)范圍來看，多數(shù)研究以三峽庫區(qū)為研究區(qū)，而關(guān)注長(zhǎng)江上下游的研究較少，這其中部分研究關(guān)注蓄水過程對(duì)長(zhǎng)江中下游徑流以及湖泊水量的影響，如三峽蓄水減少了洞庭湖上游20.45%的來水量，且枯水期提前[17-18]； 蓄水同樣使得漢江平原地下水位下降約0.35 m等[19]。

三峽建設(shè)和蓄水影響著周邊地區(qū)的生態(tài)水文，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響已經(jīng)在氣象、植被、土地利用以及災(zāi)害等多個(gè)方面被評(píng)估。而地表水作為地球水資源的重要組成部分，受三峽工程的影響程度還不清楚，也少有研究關(guān)注地表水在長(zhǎng)江上游的變化。此外，上述研究常受限于長(zhǎng)時(shí)間歷史數(shù)據(jù)的獲取，未能完全比較蓄水前后的動(dòng)態(tài)變化。因此，本研究利用多源數(shù)據(jù)對(duì)比分析了1990—2019年蓄水前(1990—2002年)、中(2003—2012年)、后(2013—2019年)3個(gè)階段地表水的變化情況，以明確三峽蓄水給重慶地區(qū)地表水帶來的影響，為該地區(qū)乃至整個(gè)長(zhǎng)江流域水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本研究以重慶市作為研究區(qū)，其地表覆蓋情況如圖1所示。重慶市位于四川盆地與長(zhǎng)江中下游平原的過渡地帶，地跨E105°11′～110°11′，N28°10′～32°13′，為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均降水量為1 119.86 mm，年均氣溫為17.02 ℃。

圖1 重慶地表覆蓋(2015年歐洲航天局CCI土地覆蓋數(shù)據(jù))及三峽庫區(qū)位置示意圖Fig.1 Land cover of Chongqing in 2015 (data from ESA CCI) and the location of Three Gorges Reservoir in Chongqing

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究使用了包括遙感、氣象站點(diǎn)觀測(cè)以及模型模擬在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)，分析了三峽蓄水前中后3個(gè)時(shí)段內(nèi)地表水、植被以及氣象要素的變化情況，使用到的主要數(shù)據(jù)集如表1所示。其中，地表水和植被的數(shù)據(jù)處理及分析在地理云平臺(tái)GEE(Google Earth Engine)上完成。GEE是由Google提供的對(duì)大量全球尺度地球科學(xué)資料(尤其是衛(wèi)星數(shù)據(jù))進(jìn)行在線分析的平臺(tái)[14]，其高度集成的數(shù)據(jù)集和強(qiáng)大的計(jì)算能力為本研究提供了支撐。所有數(shù)據(jù)在時(shí)間尺度上統(tǒng)一到年。需要說明的是，高分辨率全球地表水時(shí)間序列數(shù)據(jù)集將水體分為季節(jié)性地表水和常年地表水，其定義取決于觀測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水出現(xiàn)的頻率，1 a內(nèi)所有觀測(cè)時(shí)相均為水體的像元是常年地表水，而有時(shí)為水體，有時(shí)無水的是季節(jié)性地表水。例如，一個(gè)湖泊在某一年中因?yàn)楦珊刀娣e縮小，則湖面收縮后仍為水體的部分才是常年地表水。

表1 本研究用到的數(shù)據(jù)集及其屬性Tab.1 Summary of data used in this study and their attributes

2 研究方法

Mann-Kendall檢驗(yàn)方法是一種基于非參數(shù)秩的時(shí)間序列趨勢(shì)估計(jì)方法[23-24]，是有效的時(shí)間序列變化檢測(cè)工具。其原理及計(jì)算方法如下： 首先，在時(shí)間序列為隨機(jī)的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量，即

(1)

式中：UF1=0;E(SK)和Var(SK)分別為SK的均值和方差，且x1,x2,…,xn互相獨(dú)立時(shí)，它們具有相同連續(xù)分布?？梢杂上率酵扑愠?，即

(2)

(3)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列X的順序(x1,x2,…，xn)計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若UFi>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。

再按時(shí)間序列X的逆序(xn,xn-1,…，x1)重復(fù)上述過程，并且令UBK=UFK(K=n,n-1, …,1)，UB1=0。

一般情況取顯著性水平α=0.05，則臨界值U0.05= ±1.96。將UFK和UBK這2個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96這2條直線繪在一張圖上。若UFK和UBK的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFK和UBK這2條曲線出現(xiàn)交叉，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 三峽蓄水前后地表水動(dòng)態(tài)變化

基于地表水?dāng)?shù)據(jù)集，本研究統(tǒng)計(jì)了1990—2019年近30 a來重慶市常年地表水的面積(permanent surface water area，PWA)，其變化情況如圖2所示。

圖2 重慶市1990—2019年P(guān)WA時(shí)間序列Fig.2 Time series of PWA in Chongqing between 1990 and 2019

PWA在該地區(qū)出現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(shì)，其最大值為2017年的752.22 km2，最小值出為1990年的109.04 km2，平均值為468.65 km2。從蓄水的分段過程來看，蓄水前(1990—2002年)PWA的年際波動(dòng)較大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，該階段PWA平均值為238.36 km2; 三峽蓄水過程中(2003—2012年)，PWA呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，大約以18.32 km2/a的速度增加。而2012年以后，PWA先表現(xiàn)為一個(gè)劇烈的增加，之后基本上保持在750 km2這一較高水平。PWA在該地區(qū)的變化主要表現(xiàn)為蓄水期間的大幅增加、蓄水前的較大波動(dòng)和蓄水后的較小波動(dòng)，這突出了三峽蓄水對(duì)重慶市地表水的影響。對(duì)PWA在該地區(qū)的時(shí)間序列做Mann-Kendall突變檢驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示，可以看到，多數(shù)年份的UF和UB值都大于0，表明PWA呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。1990—2002年UF值一直在臨界值上限波動(dòng)，自2003年開始，超過上限臨界值，表明PWA增加的趨勢(shì)在0.05條件下顯著。而UF和UB的交點(diǎn)出現(xiàn)在2007—2008年之間，這表明PWA增加的趨勢(shì)于2007年發(fā)生了轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。

圖3 1990—2019年P(guān)WA的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Mann-Kendall test of PWA between 1990 and 2019

PWA自2003年開始具有顯著增加的趨勢(shì)，其在2003年增加了321.06 km2，這一劇烈增加表現(xiàn)出了重慶地區(qū)地表水對(duì)三峽蓄水的響應(yīng)，之后，隨著蓄水高度的增加，PWA波動(dòng)上升。2007年的突變也與蓄水狀態(tài)有關(guān)，三峽大壩自2003年蓄水至135 m之后于2006年9月長(zhǎng)江水位提高到156 m，水位的提高可能導(dǎo)致了2007年的突變，這一滯后是因?yàn)槌Ｄ甑乇硭挠^測(cè)是以年為尺度的。PWA在2003年的顯著增加、2007年的突變以及蓄水過程中的增加趨勢(shì)均說明了其動(dòng)態(tài)變化深受三峽蓄水的影響。而PWA在2002年的下跌與地表水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化有關(guān)，本研究使用到的地表水?dāng)?shù)據(jù)集將地表水分為季節(jié)性地表水和常年地表水，PWA在2002年下跌的同時(shí)觀測(cè)到季節(jié)性地表水面積(seasonal surface water area，SWA)在該地區(qū)的增加，而總的地表水面積在2002年呈現(xiàn)輕微的上升，并無明顯波動(dòng)(圖4)，所以PWA在2002年的下跌是由于常年地表水向季節(jié)性地表水的轉(zhuǎn)化。

圖4 2002年重慶市地表水狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況Fig.4 Changes and transition of surface water in Chongqing in 2002

為明確新增常年地表水的空間分布，本研究進(jìn)行了三峽蓄水前后2個(gè)年份(2002年和2013年)的PWA空間變化檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 重慶市2002—2013年新增常年地表水的空間分布Fig.5 New permanent surface water from 2002 to 2013 in Chongqing

從圖5中可以看到，從2002—2013年，重慶市新增的常年地表水主要分布在河流沿岸，且以長(zhǎng)江為主，小部分分布在其支流沿岸，也有部分水庫有著較大面積的地表水增加，如位于長(zhǎng)壽的獅子灘水庫。獅子灘水電站建成于1957年，是我國第一個(gè)五年計(jì)劃第一批水電站中最大的工程建設(shè)項(xiàng)目，以此形成的水面于1992年開發(fā)為旅游景區(qū)長(zhǎng)壽湖，成為西南最大的人工湖。該湖泊在2002—2013年間增加了13.32 km2，占其總面積的20.3%。此外，值得注意的是，長(zhǎng)江沿岸的常年地表水增加在其中段較為密集，而兩邊相對(duì)稀疏。河流以及湖泊在2002—2013年期間面積的增加反映了重慶市地表水對(duì)三峽蓄水的強(qiáng)烈響應(yīng)。這也從另一方面見證了人類活動(dòng)，尤其是水利工程對(duì)地表水總量和分布的巨大影響。

3.2 蓄水前后植被的動(dòng)態(tài)變化

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)已被證明對(duì)植被生長(zhǎng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)極為有效[25]。研究區(qū)內(nèi)平均NDVI值在1990—2019年呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)(圖6)，其平均NDVI值為0.379，最大值出現(xiàn)在2018年的0.409，最小值為0.345，出現(xiàn)在1992年。NDVI值自1990—2019年共增長(zhǎng)了18.55%。雖然NDVI和PWA的趨勢(shì)在研究時(shí)段內(nèi)類似，都對(duì)3個(gè)階段有不同響應(yīng)，但在3個(gè)階段內(nèi)的響應(yīng)模式不同。在蓄水之前，重慶地區(qū)的NDVI值呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，主要的波動(dòng)出現(xiàn)在1992年和2000年左右的低谷。NDVI值在2002—2003年大幅度增加，在2003—2012年這一蓄水階段基本保持在0.385左右。2013年蓄水恒定后，NDVI值也有一個(gè)較大幅度的抬升，之后的第三階段保持在0.405左右的較高水平。總體來說，NDVI值呈現(xiàn)出3個(gè)平臺(tái)期，在蓄水前有輕微的上升趨勢(shì)，而在后2個(gè)階段趨于穩(wěn)定。

圖6 重慶市1990—2019年NDVI時(shí)間序列Fig.6 Time series of NDVI in Chongqing between 1990 and 2019

空間上，NDVI值在1990—2019年的分布如圖7所示，研究區(qū)西北部和東南部主要呈現(xiàn)NDVI值增加的趨勢(shì)，其中在西北部增勢(shì)最為明顯，部分地區(qū)的增長(zhǎng)幅度超過0.1。而研究區(qū)東北部和中部主要呈現(xiàn)NDVI值減少趨勢(shì)，最大減少幅度達(dá)到0.08。已有研究表明該地區(qū)植被生長(zhǎng)狀態(tài)的改善受益于重慶地區(qū)實(shí)施的退耕還林還草工程[26]，該工程在重慶地區(qū)分為3個(gè)階段執(zhí)行，第一階段開始于2000年，結(jié)束于2014年，第三階段開始于2014年，第二階段在這2階段中交叉進(jìn)行。這3個(gè)階段的實(shí)施使得NDVI值在2000—2002年和2013—2014年呈現(xiàn)較大幅度的增加。在工程初期，低幼林生長(zhǎng)較快，對(duì)NDVI貢獻(xiàn)明顯，隨著林分的成熟，NDVI值趨于穩(wěn)定[27]。此外，針對(duì)該地區(qū)植被狀態(tài)的改善，本研究還探索了其與PWA之間的關(guān)系。結(jié)果表明，PWA與NDVI在1990—2019年期間呈較高的相關(guān)性(圖8)，其相關(guān)系數(shù)R=0.93。這表明NDVI的這種平臺(tái)式變化可能受蓄水初期PWA增加帶來的植被可利用水分增加影響，這促進(jìn)了植被的生長(zhǎng)，隨著水分增長(zhǎng)，其對(duì)植被生長(zhǎng)的影響達(dá)到飽和，進(jìn)而呈現(xiàn)平臺(tái)期。

圖7 重慶市1999—2019年NDVI空間變化分布Fig.7 Spatial distribution of NDVI changes in Chongqing from 1999 to 2019

圖8 重慶市NDVI與PWA的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Correlation between NDVI and PWA in Chongqing

3.3 蓄水前后氣溫和降雨動(dòng)態(tài)變化

重慶市的氣溫在1990—2019年呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng)(圖9)。其平均氣溫為17.02 ℃，最大值為2004年的18.00 ℃，最小值為2017年的15.89 ℃。氣溫的變化并沒有體現(xiàn)大壩蓄水的影響，這可能是因?yàn)樾钏畬?duì)周邊環(huán)境氣候調(diào)節(jié)是有限的，一般來說這個(gè)范圍在大壩周圍20 km左右[5]。降雨同樣呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)(圖10)，其平均值為1 119.86 mm，最大值為2004年的1 479.55 mm，最小值為2012年的864.28 mm。降雨的變化同樣沒有反映三峽蓄水的影響?？偟膩碚f，氣象因子在該地區(qū)的變化都呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，而對(duì)蓄水過程并無明顯響應(yīng)，這與已有研究結(jié)論一致[3-5]。

圖9 重慶市1990—2019氣溫時(shí)間序列Fig.9 Time series of air temperature in Chongqing between 1990 to 2019

圖10 重慶市1990—2019年降雨量時(shí)間序列Fig.10 Time series of precipitation in Chongqing between 1990 and 2019

總之，重慶市地表水及其相關(guān)變量在三峽蓄水前中后3個(gè)階段中表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)變化，其中地表水和植被都表現(xiàn)出3個(gè)階段性的響應(yīng)。PWA在蓄水期間的增加以及蓄水前后的相對(duì)穩(wěn)定說明了三峽蓄水對(duì)重慶市地表水資源的增加有一定貢獻(xiàn)。NDVI的變化受PWA增加和該地區(qū)退耕還林還草等生態(tài)工程的共同影響，表現(xiàn)為蓄水前的小幅度增加以及蓄水中后期的臺(tái)階式增加。而氣溫和降雨都在該地區(qū)表現(xiàn)出持續(xù)的波動(dòng)，沒有對(duì)三峽蓄水過程產(chǎn)生明顯響應(yīng)。

4 結(jié)論

本研究利用長(zhǎng)時(shí)間序列的多源數(shù)據(jù)，分析了重慶市地表水、植被及相關(guān)氣象變量在三峽蓄水前(1990—2002年)、中(2003—2012年)后(2013—2019年)3個(gè)階段的變化。結(jié)果表明：

1)地表水、植被以及氣象要素在1990—2019年都表現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)模式不同。常年地表水和植被都在蓄水過程中表現(xiàn)出和蓄水前后不同的變化模式，體現(xiàn)了三峽蓄水帶來的影響，而溫度和降雨對(duì)蓄水過程無明顯響應(yīng)，表現(xiàn)出持續(xù)的波動(dòng)。

2)常年地表水面積在蓄水過程中以18.32 km2/a的速度增加，而在蓄水前后無明顯趨勢(shì)，新增的常年地表水主要分布在長(zhǎng)江及其支流沿岸，且集中在長(zhǎng)江重慶段的中部，少數(shù)的地表水面積增加出現(xiàn)在湖泊和水庫等水域，如長(zhǎng)壽湖在蓄水期間增加了超過其面積的20.3%。

3)NDVI在3個(gè)階段表現(xiàn)為臺(tái)階式增長(zhǎng)(共增長(zhǎng)18.55%)，這一變化為地表水資源增加和生態(tài)修復(fù)工程的共同作用。