基于衛(wèi)星遙感的洞庭湖水體面積變化及與水文的相關(guān)性*

黃菊梅，韓沁哲，姚 晟，蔣 帥，黃海波

(1.湖南省岳陽(yáng)市氣象局，湖南 岳陽(yáng) 414000；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410118)

0 引言

洞庭湖位于湖南省北部，長(zhǎng)江荊江河段以南，與長(zhǎng)江干流直接相連，屬典型的吞吐調(diào)蓄性湖泊，水體面積季節(jié)性變化較為明顯。隨著全球氣候變化的加劇和三峽工程階段性蓄水完成和運(yùn)行，洞庭湖區(qū)水文特征以及江湖關(guān)系發(fā)生諸多變化。水體分布面積廣，且常分布于難以通達(dá)的區(qū)域，難以采用常規(guī)測(cè)繪方法測(cè)定其面積及分布格局[1]。因開(kāi)展湖泊濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)工作的迫切需要，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法已成為水體環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段之一[2]。遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、信息更新速度快、周期短、獲取的信息量大以及節(jié)省人力、物力，人為因素的干擾少等特點(diǎn)[3]。王威等[4-5]分析1994—2017年高分辨率Landsat影像，認(rèn)為洞庭湖水體經(jīng)歷了擴(kuò)張—萎縮的變化過(guò)程，同時(shí)洞庭湖1989—2018年水體年平均面積具有較大波動(dòng)，總體處于縮減趨勢(shì)。李景剛等[6]利用2000—2008年MODIS數(shù)據(jù)研究表明，受氣候變化與三峽工程初期運(yùn)行等因素的共同影響，洞庭湖區(qū)水域面積總體上呈現(xiàn)出一定程度的下降趨勢(shì)。

如何將遙感數(shù)據(jù)分析與地面水文數(shù)據(jù)有效結(jié)合，是需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[7]。唐崗[8]構(gòu)建了基于遙感大數(shù)據(jù)的流域洪水預(yù)報(bào)模型，彭定志等[9]建立了基于MODIS和GIS的洪災(zāi)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng),該系統(tǒng)在我國(guó)洪水監(jiān)測(cè)評(píng)估中具有廣闊的應(yīng)用前景，張璐等[10]針對(duì)部分地區(qū)缺乏河流水量實(shí)測(cè)資料的問(wèn)題，提出一種基于Landsat遙感影像的河道水量估算方法。本文通過(guò)對(duì)近年洞庭湖水體衛(wèi)星遙感面積變化及與水文的相關(guān)性研究，掌握洞庭湖水體面積分布現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化，了解三峽工程建成后洞庭湖水體年最大面積的變化趨勢(shì)，為湖區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 資料來(lái)源

本文洞庭湖水體(裸水)遙感監(jiān)測(cè)面積(簡(jiǎn)稱洞庭湖水體面積，下同)來(lái)源于湖南省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用室。水文數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省水文水資源勘測(cè)局，分別用城陵磯、益陽(yáng)、常德水位站水位和流量來(lái)表征岳陽(yáng)市、益陽(yáng)市、常德市的水文狀況。

2 結(jié)果分析

本文收集2006年1月—2020年7月洞庭湖水體面積樣本133個(gè)(表1)，其中2015年7月—2020年7月為包括岳陽(yáng)市轄區(qū)、岳陽(yáng)縣、華容縣、湘陰縣、汩羅市、常德市轄區(qū)、漢壽縣、安鄉(xiāng)縣、益陽(yáng)市轄區(qū)、沅江市、益陽(yáng)縣、南縣等精細(xì)化洞庭湖水體面積樣本49個(gè)。2006年1月—2018年3月期間除2017年7月2日為FY-3MERSI資料外，其余均為EOS-MODIS資料，2018年4月—2020年7月期間為FY-3B/MERSI、FY-3C/VIRR、FY-3D/MERSI、Sentinel-1、GF-3/SAR資料。

表1 2006—2020年樣本個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)年份Tab.1 The corresponding years of the number of samples from 2006 to 2020

2.1 洞庭湖水體面積的變化特征

洞庭湖北有分泄長(zhǎng)江水流的松滋、太平、藕池三口，東、南、西有湘、資、沅、澧四水直接灌注入湖，形成不對(duì)稱的向心水系，素有“洪水一大片，枯水幾條線”之說(shuō)。同時(shí)眾水匯聚湖中，僅有城陵磯一口流出至長(zhǎng)江，因而洪水停蓄時(shí)間長(zhǎng)。

2006年1月—2020年7月洞庭湖水體面積樣本標(biāo)準(zhǔn)差為530.30，最大值為2 490.66 km2，出現(xiàn)在2020年7月22日；最小值為361.00 km2，出現(xiàn)在2011年5月19日。洞庭湖水體面積最大值為最小值的6.9倍，因此，洞庭湖水體面積離散程度較高且變幅大，這也體現(xiàn)了洞庭湖巨大的蓄洪能力。

圖1中，2015年7月—2020年7月49個(gè)樣本均值中，位于東洞庭湖的岳陽(yáng)市水體面積最大，占洞庭湖水體面積的68.62%，其中岳陽(yáng)縣為34.89%，湘陰縣為17.35%，市轄區(qū)為10.55%，汨羅市為5.25%，華容縣為0.58%；位于南洞庭湖的益陽(yáng)市水體面積次之，占洞庭湖水體面積的25.77%，其中沅江市為23.52%，南縣為1.39%，益陽(yáng)縣為0.83%，市轄區(qū)為0.03%；位于西洞庭湖的常德市水體面積最小，占洞庭湖水體面積的5.61%，其中漢壽縣為5.57%，安鄉(xiāng)縣為0.03%，市轄區(qū)為0.01%。因此，岳陽(yáng)縣、沅江市、湘陰縣水體面積合計(jì)占洞庭湖水體面積的75.76%，為洞庭湖水體主要分布縣市。

圖1 洞庭湖各市水體面積變化Fig.1 The changes of the water area in each city of Dongting Lake

岳陽(yáng)縣、沅江市、湘陰縣水體面積與洞庭湖水體面積相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95～0.98，岳陽(yáng)市轄區(qū)、華容縣、汨羅市、漢壽縣、南縣水體面積與洞庭湖水體面積相關(guān)系數(shù)為0.78～0.84，益陽(yáng)縣水體面積與洞庭湖水體面積相關(guān)系數(shù)為0.05。因此，占比越大的縣市，其水體面積與洞庭湖水體面積相關(guān)性越大。

2.2 洞庭湖水體面積與水文的關(guān)系

2010年10月26日，三峽工程首次達(dá)到設(shè)計(jì)水位175 m，標(biāo)志著這一世界最大水利樞紐工程的防洪、發(fā)電、通航、供水等各項(xiàng)功能都可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖2中，2010—2020年洞庭湖水體面積年最大值呈增大趨勢(shì)，達(dá)到0.05顯著性檢驗(yàn)水平，表明最近11 a洞庭湖水體面積年最大值顯著增大。2010—2020年洞庭湖水體面積年最大值與城陵磯年最高水位線性相關(guān)系數(shù)為0.92，表明二者顯著相關(guān)。洞庭湖水體面積年最大值出現(xiàn)時(shí)間與城陵磯年最高水位出現(xiàn)時(shí)間有9 a相差0～10 d。另外，城陵磯年最高水位呈增加趨勢(shì)但不顯著。

圖2 2010—2020年洞庭湖水體面積逐年最大值與城陵磯年最高水位變化Fig.2 Changes of annual maximum water area in Dongting Lake and annual maximum water level in Chenglingji Lake from 2010 to 2020

圖3中，2006年1月—2020年7月洞庭湖水體面積與城陵磯水位線性相關(guān)系數(shù)為0.95，與常德、益陽(yáng)水位線性相關(guān)系數(shù)為0.79、0.83。因此，洞庭湖水體面積與城陵磯水位相關(guān)性最密切。城陵磯水位變幅達(dá)13.96 m，最大值為34.47 m，出現(xiàn)在2020年7月22日，當(dāng)日洞庭湖水體面積最大；最小值為20.51 m，出現(xiàn)在2008年1月1日，當(dāng)日洞庭湖水體面積為497.00 km2。

圖3 洞庭湖水體面積與各市水位變化Fig.3 Changes of water area of Dongting Lake and water level of each city

圖4中，城陵磯流量標(biāo)準(zhǔn)差為6 790.78，最大值為42 200.00 m3·s-1，出現(xiàn)在2017年7月2日；最小值為1 580.00 m3·s-1，出現(xiàn)在2009年12月28日，最大流量為最小流量的26.71倍。因此，城陵磯流量離散程度巨大且變幅極大，充分體現(xiàn)出城陵磯流量受洞庭湖來(lái)水漲落和長(zhǎng)江干流頂托影響的特征。洞庭湖水體面積與城陵磯流量線性相關(guān)系數(shù)為0.86，達(dá)到0.001顯著性檢驗(yàn)水平。

圖4 洞庭湖水體面積與城陵磯流量變化Fig.4 Changes of Dongting Lake Water Area and Chenglingji Discharge

2.3 洞庭湖水體面積與長(zhǎng)江水文模型

宋求明等[11]通過(guò)對(duì)各水文站點(diǎn)的比較分析，得出城陵磯、岳陽(yáng)、鹿角站等靠近洞庭湖入江口的水文站點(diǎn),其面積—水位曲線的擬合相關(guān)性較高。在對(duì)2006年1月—2020年7月133個(gè)洞庭湖水體面積樣本與城陵磯水位進(jìn)行指數(shù)、線性、對(duì)數(shù)、冪以及多項(xiàng)式等曲線擬合后發(fā)現(xiàn)，4階多項(xiàng)式曲線擬合相關(guān)性最優(yōu)，擬合優(yōu)度判定系數(shù)為0.92(圖5)。多項(xiàng)式趨勢(shì)模型為：

圖5 洞庭湖水體面積與城陵磯水位曲線擬合Fig.5 Curve fitting between the water area of Dongting Lake and the water level of Chenglingji

y=0.1635x4-17.812x3+725.44x2-12953x+85751

(1)

采取上述同樣的方法對(duì)洞庭湖水體面積與城陵磯流量進(jìn)行曲線擬合，6階多項(xiàng)式曲線擬合相關(guān)性最優(yōu)，擬合優(yōu)度判定系數(shù)為0.77(圖略)。因此，洞庭湖水體面積與城陵磯水位擬合模型優(yōu)于流量擬合模型。

3 結(jié)論

①洞庭湖水體面積變幅大。岳陽(yáng)縣、沅江市、湘陰縣水體面積合計(jì)占洞庭湖水體面積的75.76%。占比越大的縣市，其水體面積與洞庭湖水體面積相關(guān)性越大。

②2010—2020年洞庭湖水體年最大面積顯著增大且與城陵磯年最高水位顯著相關(guān)。洞庭湖水體面積與城陵磯水位的相關(guān)性高于常德、益陽(yáng)水位。

③城陵磯流量變幅極大，充分體現(xiàn)出城陵磯流量受洞庭湖來(lái)水漲落和長(zhǎng)江干流頂托影響的特征。

④洞庭湖水體面積與城陵磯水位進(jìn)行指數(shù)、線性、對(duì)數(shù)、冪以及多項(xiàng)式等曲線擬合后發(fā)現(xiàn)，4階多項(xiàng)式曲線擬合相關(guān)性最優(yōu)。

⑤洞庭湖水體面積與城陵磯水位擬合模型優(yōu)于流量擬合模型。

4 討論

①2007年7月26日EOS-MODIS資料中，東洞庭湖西北部由于受到云的干擾，水體判識(shí)受到影響，我們采取了改變閾值的方法分步計(jì)算出水體的面積。2012年7月22日EOS-MODIS資料中，因西洞庭有云遮蓋，故利用FY-3監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行結(jié)果對(duì)比矯正。2020年7月21日GF-3/SAR資料中，未能覆蓋常德范圍內(nèi)所有洞庭湖水體，西洞庭湖水體判識(shí)面積可能受此影響偏小。而2020年7月22日10時(shí)FY-3C/VIRR資料中，雖然洞庭湖水體面積較14日16時(shí)增大54.50 km2，但西洞庭湖水體面積減少，主要有兩方面原因：一是西洞庭常德站水位從36.79 m下降到35.15 m，下降了1.64 m，二是常德洞庭湖水體面積主要分布在漢壽縣，22日衛(wèi)星過(guò)境時(shí)漢壽縣有云覆蓋，導(dǎo)致部分水體面積未能較好地判識(shí)。因此，不同的衛(wèi)星/儀器、算法、分辨率以及天氣條件對(duì)洞庭湖水體面積會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

② 2020年7月14日FY-3B/MERSI數(shù)據(jù)中，洞庭湖水體面積243 9.89 km2；14—18日白天，洞庭湖區(qū)以晴熱天氣為主，18日Sentinel/SAR數(shù)據(jù)中，洞庭湖水體面積為232 6.26 km2，減小了113.63 km2；18日夜間—19日白天洞庭湖區(qū)普降暴雨，面雨量達(dá)50 mm以上，20日洞庭湖區(qū)云系較多，大部分縣市出現(xiàn)了小雨，21日受副高控制，洞庭湖區(qū)為晴熱高溫天氣，21日GF-3/SAR數(shù)據(jù)中，洞庭湖水體面積為243 6.16 km2，較18日增加了109.90 km2。因此，洞庭湖區(qū)強(qiáng)降水對(duì)洞庭湖水體面積影響較大。

③洞庭湖是典型的吞吐調(diào)蓄性湖泊，江湖關(guān)系復(fù)雜，洞庭湖水體面積受降水、長(zhǎng)江和四水來(lái)水、三峽水運(yùn)行、天氣條件等的共同影響，既有自然因素，也兼具人為因素。因此，庭湖水體面積處于復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化之中。