1974—2020年駱馬湖自然水域面積變化及其影響因素

許 康，鮑雅蘭，王冬梅，石曉峰

（1.江蘇省測繪工程院，江蘇南京210013；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211100；3.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京210017）

1 概 述

湖泊是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，湖泊及其流域生態(tài)環(huán)境是動植物生存繁衍的重要場所，也是人類賴以生存的物質(zhì)資源［1］。湖泊動態(tài)變化影響著區(qū)域環(huán)境發(fā)展，準(zhǔn)確獲取湖泊的變化信息對認(rèn)識水循環(huán)的時(shí)空變化過程、水資源的合理開發(fā)和利用保護(hù)具有重要意義。江蘇省境內(nèi)河湖眾多，水網(wǎng)密布，河湖的合理開發(fā)利用對全省的建設(shè)具有里程碑意義。然而隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動對湖泊的干擾日益增強(qiáng)，圍墾造田、圍湖養(yǎng)殖、岸線開發(fā)侵占等使得湖泊面積萎縮，湖泊生態(tài)環(huán)境也受到影響。相對于實(shí)地調(diào)查和傳統(tǒng)監(jiān)測手段，遙感技術(shù)具有周期性、大范圍、同步監(jiān)測的特點(diǎn)，已成為大區(qū)域湖泊水體變化監(jiān)測的重要技術(shù)手段之一。萬瑋等［2］基于不同時(shí)相遙感數(shù)據(jù)對太湖近15 年的面積變化進(jìn)行了分析；高士佩等［3］結(jié)合水利普查數(shù)據(jù)、1∶10 000水系數(shù)據(jù)，利用0.3 m 航片獲取了全省八大類別水域面積；管玉瑩等［4］以8 期Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源提取了1988—2015 年高郵湖自然水域及其圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)信息，并分析了其面積變化特征及影響因素；徐娜等［5］利用3期Landsat TM/ETM+和HJ-CCD 影像分析了2000—2010 年江蘇省湖泊水域面積變化及驅(qū)動力。

駱馬湖是江蘇境內(nèi)第四大淡水湖，也是淮河流域沂沭泗下游重要的防洪調(diào)蓄湖泊。作為國家南水北調(diào)東線主要的輸入廊道，駱馬湖發(fā)揮著防澇、供水、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、調(diào)節(jié)氣候等功能。然而，長期以來，由于圍墾種植、圈圩養(yǎng)殖、無序采砂、侵占水域等行為，造成了駱馬湖庫容萎縮、生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞、水環(huán)境發(fā)生變化。駱馬湖是“退圩還湖”重點(diǎn)整治湖泊之一［6-7］，但關(guān)于湖泊全域面積、形態(tài)等方面的資料還比較欠缺。為了準(zhǔn)確掌握湖泊變化規(guī)律，本文以1974—2020年覆蓋駱馬湖的多源衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，分析湖泊自然水域面積近50年來的變化，并結(jié)合自然因素和社會因素分析導(dǎo)致其變化的原因，為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供科學(xué)支撐。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

駱馬湖地處江蘇省北部區(qū)域，地跨宿遷和徐州2市。駱馬湖南北長約20 km，東西寬約16 km［8］，湖泊面積僅次于太湖、洪澤湖和高郵湖，是江蘇境內(nèi)第四大淡水湖。其位于淮河流域沂沭泗水系下游，匯集了沂河和中運(yùn)河來水，水位落差大并且水體交換次數(shù)多，是典型的過水性湖泊。駱馬湖湖區(qū)屬亞熱帶暖溫帶過渡地區(qū)，溫帶季風(fēng)氣候尤為顯著，四季分明。由于受季風(fēng)氣候影響，該區(qū)年際間與年內(nèi)季際間雨量分布不均，降雨季節(jié)變化顯著，冬季雨水稀少，夏季雨水集中。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用的影像數(shù)據(jù)主要包括美國“鎖眼”偵察衛(wèi)星（Keyhole，簡稱KH）和Landsat 系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。由于湖泊有枯水期和豐水期，不同時(shí)期湖泊面積存在差異，因此為避免由于時(shí)相差異引起的偽變化，本文盡量選擇平水期同月份影像或相近月份影像。平水期主要是天氣狀況適于遙感成像的4—6月及9—11月。Landsat衛(wèi)星系列由美國地質(zhì)勘探局（United Sates Geological Survey，USGS）處理成正射產(chǎn)品并發(fā)布，從1972 年7 月以來，近50 年時(shí)間里已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了Lansat 1 到Landsat 9 系列衛(wèi)星，積累了豐富的遙感存檔數(shù)據(jù)。本文采用的主要是無云層覆蓋的Landsat5 TM、Landsat7 ETM +和Landsat8 OLI 影像，成像時(shí)間分別為1985 年10 月8 日、1989年10 月3 日、1994 年10 月1 日、2000 年10 月10 日、2005年10月31日、2010年10月29日、2015年10月27 日和2020 年10 月24 日。KeyHole 衛(wèi)星系列是以軍事偵察為目的衛(wèi)星，美國政府分別于1995 年和2002 年對外公開了KH-1/2/3/4/4A/4B/5/6、KH-7/9的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。本文采用的是KH-9（Hexagon）影像，其空間分辨率約為6 m，由于數(shù)據(jù)有限，缺少10月份的影像，因此選用了1974年4月的影像。

氣象數(shù)據(jù)、社會人文數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒，選用宿遷市1974—2020年的年均降水量、年均氣溫?cái)?shù)據(jù)和漁業(yè)產(chǎn)值信息來分析影響駱馬湖自然水域面積變化的相關(guān)因素。

3 研究方法

3.1 邊界提取方法

為了分析駱馬湖自然水域的變化，本研究分別對湖泊邊界和圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)邊界進(jìn)行提取，其中湖泊內(nèi)島嶼和圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)不計(jì)入湖泊自然水域面積。雖然湖泊邊界在豐水期和枯水期變動很大，但是由于采用的遙感數(shù)據(jù)基本為平水期相同月份影像，因此湖泊面積的季節(jié)性變化不予考慮。

在對多期遙感影像進(jìn)行精確校正的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行湖泊水體提取。對于Corona 影像首先進(jìn)行影像增強(qiáng)然后采用閾值分割方法獲取初始水體信息。對于Landsat系列影像，利用歸一化差異水體指數(shù)NDWI（normalized difference water index）進(jìn)行水體信息粗提取，NDWI計(jì)算公式如下：

其中，IGREEN、INIR分別為綠光波段和近紅外波段。

然后以人機(jī)交互解譯方式，在ArcGIS軟件中提取湖泊矢量邊界，并通過目視解譯和閾值法生成圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)和自然水域的矢量圖層數(shù)據(jù)。其中，人工圍養(yǎng)區(qū)雖然與自然湖面的光譜信息較相似，但由于其具有比較整齊的圍欄，在影像上形成了一定規(guī)則的紋理，因此可以圍欄為界區(qū)分圍養(yǎng)區(qū)和自然水域。

3.2 自然水域面積變化分析方法

本研究使用年變化率和變化強(qiáng)度指數(shù)［9］作為衡量駱馬湖自然水域擴(kuò)張或者萎縮的狀態(tài)和強(qiáng)度的指標(biāo)，其計(jì)算公式分別為

式中：B為某一時(shí)段內(nèi)湖泊的年變化率，如果B＞0，說明在該時(shí)段內(nèi)自然水域?yàn)閿U(kuò)張趨勢，B＜0則表示湖泊自然水域呈萎縮趨勢；S0和S1分別為湖泊某一時(shí)段初期和末期的自然水域面積；T為某一時(shí)段的間隔年數(shù)。

式中：μ為自然水域面積變化強(qiáng)度指數(shù)；ΔSa為某一時(shí)段內(nèi)自然水域的變化面積；ΔTa為時(shí)間跨度；S為自然水域的總面積（本研究選取1974年數(shù)據(jù)）。

4 結(jié)果與分析

4.1 自然水域時(shí)空變化特征

通過對9期影像提取的駱馬湖自然水域信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)不同時(shí)期的自然水域面積、面積變化量、年際變化率、變化強(qiáng)度如表1 所示?？梢钥闯?，1974—2020年間駱馬湖的自然水域面積在207~292 km2范圍之間變化，其中1974 年最大，2015年最小。近50年來研究區(qū)自然水域面積發(fā)生了明顯變化，大致可以分為3 個(gè)階段：（1）1974—1989 年，湖面變化不大，年變化率僅為-0.06%（1974—1985 年）和-0.01%（1985—1989 年），15 年間自然水域面積只有小幅波動，共減少了1.91 km2；（2）1989—2015年，自然水域持續(xù)萎縮，由1989年的290.30 km2減少到2015 年的207.47 km2，25 年間共減少了82.83 km2，減少幅度超過28%。該階段中2005至2010年間自然水域萎縮速率最大，5年間面積共減少30.05 km2，年變化率為-2.42%，變化強(qiáng)度為-2.06；（3）2015—2020 年，自然水域部分恢復(fù)，面積增加了14.13 km2?？傮w看來，從1974—2020 年，駱馬湖自然水域面積經(jīng)歷了1974—1989 年的相對穩(wěn)定期、1989—2015年的持續(xù)萎縮期到2015—2020年的部分恢復(fù)期。

表1 1974—2020年研究區(qū)自然水域變化情況

基于ArcGIS 平臺對9 期矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，分別得到1974—1989年、1989—1999年、1994—2005 年、2005—2015 年、2015—2020 年駱馬湖自然水域時(shí)空疊加變化圖（圖2）。從圖2 可以看出：（1）1974—1989 年，駱馬湖面積變化較小，通過3 期面積對比分析，僅在湖泊北部存在小部分萎縮，基本處于重合狀態(tài)；（2）1989—2005年，自然水域有明顯萎縮趨勢，從1994年開始湖泊西部的自然水域面積持續(xù)減少，與此同時(shí)湖泊北部的自然水域面積也明顯減少；（3）2005—2015 年，自然水域進(jìn)一步萎縮，其中2010 年湖泊北部、西部自然水域持續(xù)減少的同時(shí)，東部自然水域面積也開始減少，到2015 年湖泊東北部和西部明顯萎縮，自然水域變化已經(jīng)擴(kuò)大至湖泊內(nèi)部，自然水域面積縮減至最小狀態(tài)，相對而言，湖泊南部變化較??；（4）2015—2020 年，湖泊西部和東北部的自然水域部分得到了恢復(fù)，駱馬湖自然水域面積有了小幅增加。

圖2 1974—2020年研究區(qū)自然水域面積疊加變化情況

4.2 變化成因及驅(qū)動力分析

4.2.1 氣象因素

區(qū)域的自然條件因素會對水循環(huán)造成一定的作用，其中降水量和蒸散發(fā)量更是湖泊變化的潛在影響因素。本文統(tǒng)計(jì)研究區(qū)所處的宿遷市近50 年來的年平均溫度和年平均降水量。如圖3 所示，1970—2020 年研究區(qū)多年平均氣溫為15 ℃，其中2017 年最高為16.1 ℃，2011 年最低為13.8 ℃，總體呈現(xiàn)上升趨勢并且高于全國平均水平。受季風(fēng)氣候的影響，宿遷市降水豐富但不均勻，是駱馬湖最直接的補(bǔ)給來源。如圖3所示，近50年來研究區(qū)內(nèi)年均降水量波動明顯，多年平均降水量為70 mm，其中1970—2000年研究區(qū)年平均降水趨勢較為平穩(wěn)，呈較小波動變化態(tài)勢；2000—2020年間研究區(qū)年平均降水波動增大，其中2001年達(dá)到140.09 mm，2004年僅為44.82 mm。然而如圖4所示，根據(jù)Pearson相關(guān)性分析表明，年均降水量和年均氣溫與駱馬湖自然水域面積無明顯相關(guān)性。

圖3 1970—2020年研究區(qū)年均氣溫和降水量變化

圖4 自然水域面積與年均氣溫和降水量的相關(guān)性

4.2.2 人類活動因素

人類活動亦是影響湖泊演變節(jié)點(diǎn)的重要因素，而研究區(qū)域處于南水北調(diào)的關(guān)鍵地段，使其擁有較大的社會價(jià)值。駱馬湖的開發(fā)利用形式主要有圍墾種植、漁業(yè)養(yǎng)殖等，而其中又以漁業(yè)資源開發(fā)最為廣泛，因此選擇養(yǎng)殖區(qū)變化作為人類活動的主要因素進(jìn)行分析。對9 期遙感影像進(jìn)行解譯可以發(fā)現(xiàn)，1974—1989 年研究區(qū)未見明顯的圍養(yǎng)區(qū)，而從1994 年開始，湖泊西部出現(xiàn)明顯的養(yǎng)殖區(qū)，并由湖區(qū)西部、東北部向湖泊中心不斷擴(kuò)張，養(yǎng)殖面積逐年遞增，直至2015 年以后才有所下降。如圖5 所示，其中以1994—1999 年、2005—2010 年2 個(gè)階段的增長速率最快，分別達(dá)到了3.658 和6.288 km2/a。如圖6 所示，經(jīng)Pearson 相關(guān)系數(shù)分析，研究區(qū)內(nèi)圍湖養(yǎng)殖面積與自然水域面積呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 1974—2020年研究區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖面積變化

圖6 自然水域面積與養(yǎng)殖面積的相關(guān)性

4.3 討 論

根據(jù)以上分析，與氣溫變化和降水所帶來的影響相比，人類活動是其自然水域面積減少的主要驅(qū)動因素，與高郵湖、洪澤湖類似。究其原因，主要是經(jīng)過湖泊治理和水利建設(shè)，駱馬湖已為受人工控制的大型平原水庫型湖泊，而且本文研究對象為自然湖面而不是整體水域，因此，自然水域面積變化趨勢與氣象因子變化趨勢的相關(guān)性并不明顯。而除了防洪、灌溉等功能外，駱馬湖另外一大功能是漁業(yè)資源開發(fā)。在駱馬湖建成蓄水庫以后至20 世紀(jì)80年代中期，駱馬湖主要采用天然捕獲方式獲取漁業(yè)資源，漁業(yè)產(chǎn)量全部由捕撈產(chǎn)量構(gòu)成；80 年代后期開始，各地大力推廣人工養(yǎng)殖，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，漁業(yè)養(yǎng)殖在駱馬湖興起并迅猛發(fā)展，形成了以圍網(wǎng)、網(wǎng)箱、圈圩為主的湖泊漁業(yè)養(yǎng)殖模式。因此，自1989年開始駱馬湖自然水域持續(xù)萎縮。江蘇省自2017 年以來先后出臺了《江蘇省“兩減六治三提升”專項(xiàng)行動實(shí)施方案》《江蘇省生態(tài)河湖行動計(jì)劃》等一系列政策文件，并針對駱馬湖開展了養(yǎng)殖專項(xiàng)整治工作，這應(yīng)該也是2020年自然水域面積較2015年有所增加的原因。

5 結(jié) 論

本文選用駱馬湖時(shí)間跨度47 年的9 期多源遙感影像為主要信息源，綜合利用RS 和GIS 技術(shù)，監(jiān)測并分析了近50 年駱馬湖自然水域面積的時(shí)空變化及驅(qū)動因素，得出以下結(jié)論：

（1）近50年來研究區(qū)自然水域面積發(fā)生了前期基本穩(wěn)定、中期持續(xù)縮小、近期部分恢復(fù)的階段性變化趨勢。1974—1989 年，湖面變化較小，面積相對穩(wěn)定；1989—2015 年自然水域持續(xù)萎縮，其中2005—2010 年間自然水域面積的年變化率最大；2015—2020年，自然水域部分恢復(fù)。

（2）與氣溫和降水量變化所帶來的影響相比，人類活動特別是圍湖養(yǎng)殖是駱馬湖自然水域變化的主要原因，1989—2015 年圍湖養(yǎng)殖面積持續(xù)增加，特別是湖區(qū)西部和東北部養(yǎng)殖集中，占用自然湖面，使得自然水域持續(xù)萎縮。

（3）隨著養(yǎng)殖專項(xiàng)整治工作的開展，近年來駱馬湖的湖面部分恢復(fù)，與2015 年相比，2020 年自然水域面積有所增加。