基于長時(shí)序稠密遙感數(shù)據(jù)分析黃河流域大中型湖庫水域面積動態(tài)變化特征

姜 亮 時(shí)晨燚 李可

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062）

1 概述

黃河是我國第二大河，在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全中具有重要地位。2019年9月18日習(xí)近平總書記主持召開了黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會，將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略[1]。2022年10月30日第十三屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第三十七次會議通過了《中華人民共和國黃河保護(hù)法》，再次強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。黃河流域水資源具有總量不足、年際變化大、空間分布不均等特性，整體水資源短缺、水環(huán)境問題突出、旱澇災(zāi)害頻發(fā)，局部地區(qū)水土流失、水源涵養(yǎng)功能弱化、濕地萎縮，生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展之間矛盾比較突出[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，流域內(nèi)耗水量持續(xù)增加，水資源問題對流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的制約作用更加明顯[3]。

國內(nèi)學(xué)者對黃河流域水資源變化進(jìn)行了研究。如賈昊等[4]、周祖昊等[5]采用水文學(xué)的方法分析黃河徑流量變化，總結(jié)其時(shí)空變化規(guī)律，并對未來變化趨勢進(jìn)行了預(yù)測。ZHU et al.[6]探討了未來氣候變化對黃河流域水資源和極端流量的影響；WANG et al.[7]在水資源承載力框架下研究了水資源、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境在復(fù)合系統(tǒng)中動態(tài)相互作用。

相較于傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測方法，利用光學(xué)遙感對地表水面積進(jìn)行大范圍、長時(shí)序、動態(tài)監(jiān)測具有宏觀、實(shí)時(shí)及低成本等優(yōu)勢[8]。對于大范圍的水體監(jiān)測，張國慶等[9]基于多源遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，總結(jié)了青藏高原湖泊在過去近50年的面積、水位和水量變化等方面的研究進(jìn)展；CAI et al.[10]利用遙感數(shù)據(jù)完成了對長江流域大中型湖泊、水庫面積及庫容的長時(shí)間變化監(jiān)測；ZHANG et al.[11]構(gòu)建了黃河流域以年為尺度的開放水面數(shù)據(jù)集，分析流域內(nèi)永久性和季節(jié)性水體的空間分布與變化趨勢；段水強(qiáng)等[12]選用9景Landsat衛(wèi)星影像對1976—2014年黃河源區(qū)湖泊變化以及與氣候的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，黃河源區(qū)湖泊在研究時(shí)期內(nèi)總體存在穩(wěn)定—萎縮—擴(kuò)張—穩(wěn)定四個階段的變化過程；楊瑤等[13]利用遙感影像研究了黃河干流重點(diǎn)湖庫水體面積及周邊植被變化特征；高吉喜等[14]基于LandSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了2000—2019年黃河流域陸表水域面積動態(tài)變化情況；CAO et al.[15]提出了多指標(biāo)水體提取規(guī)則（MIWER），快速提取了2000—2020年黃河流域地表水體分布范圍；李崇巍等[16]利用GEE云平臺技術(shù)，提取了1986—2019年黃河流域地表水體信息，揭示黃河流域地表水體時(shí)空變化特征，并定量計(jì)算了氣象和非氣象因子對地表水體變化趨勢的影響。當(dāng)前對黃河流域水域面積的研究多基于中高分辨率遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率較高，但時(shí)間分辨率相對較低，而湖庫水域面積在短期內(nèi)可能發(fā)生巨大變化，故利用更高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)有助于進(jìn)一步提高黃河流域水域面積分析的準(zhǔn)確性。

本文利用中分辨率成像光譜儀（MODIS）數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率較高的特點(diǎn)，基于8天的合成數(shù)據(jù)，提取了黃河流域大中型湖庫2000—2020年稠密長時(shí)序水域面積信息，分析了湖庫水域面積月和年際變化規(guī)律及空間分布特征，以期為黃河流域水資源保護(hù)提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

黃河發(fā)源于青藏高原，流經(jīng)9個省（自治區(qū)），全長5464km。黃河流域大部分處于干旱半干旱地區(qū)，以占全國2.2%的徑流量承擔(dān)著全國15%的耕地、12%的人口的供水任務(wù)和7%的國內(nèi)生產(chǎn)總值，已成為我國水資源極其短缺的地區(qū)之一[17]。至2020年，黃河流域已經(jīng)建成了大型、中型水庫224座[18]，這些水庫和現(xiàn)存的約30個大型天然湖泊在黃河流域水資源利用和治理中發(fā)揮著重要作用。黃河流域可劃分為8個二級流域分區(qū)，其中龍羊峽以上、龍羊峽—蘭州、蘭州—頭道拐為上游，頭道拐—龍門、龍門—三門峽、三門峽—花園口及黃河內(nèi)流區(qū)為中游，花園口以下為下游[19]（見圖1）。

圖1 黃河流域大中型湖泊、水庫位置分布圖

2.2 數(shù)據(jù)介紹

本文研究數(shù)據(jù)來源美國國家宇航局（https://ladsweb. modaps. eosdis. nasa. gov/search/）的 MODIS MOD09Q1。MODIS是美國地球觀測系統(tǒng)（Earth Observing System，EOS）搭載的一種傳感器，具有中等空間分辨率、光譜分辨率良好、時(shí)間分辨率較高以及單幅影像覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。其中 MOD09Q1 是MODIS第1、第2波段8天的合成數(shù)據(jù)，陸地3級地表反射率信息，空間分辨率為250m，能減少云對影像的影響。MOD09Q1 具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，能夠很好地監(jiān)測水體動態(tài)變化。數(shù)據(jù)包含覆蓋黃河流域的四景影像（行列號分別為h25v05、h26v05、h27v05、h26v04）2000—2020年可用數(shù)據(jù)共1920景。降水量數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）中黃河流域124個氣象站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)。

2.3 提取方法

對水體識別主要基于水體、土壤、植被等地物在可見光和近紅外波段上的光譜反射差異，常見的水體提取方法有單波段閾值法、譜間關(guān)系法、水體指數(shù)法等[20]。其中單波段閾值法的基本原理是利用水體和其他地物在近紅外或中紅外波段上光譜特征的差異來提取水體信息，閾值的選擇直接影響了水體提取的準(zhǔn)確性[21]。閾值法識別水體的優(yōu)點(diǎn)是簡便迅速，易于實(shí)現(xiàn)，對不同地區(qū)和時(shí)相的影像采用不同的閾值是提高水體判識精度的關(guān)鍵[22]。

本研究對預(yù)處理后的黃河流域MOD09Q1遙感影像進(jìn)行處理，逐影像設(shè)置閾值提取水體，獲得黃河流域各時(shí)期水域信息。

3 黃河流域湖庫面積變化特征

3.1 月際變化分析

基于提取出的水體信息，統(tǒng)計(jì)最大值、最小值和平均值，得到流域內(nèi)水域面積的月際變化情況。

由表1可以看出，在研究時(shí)期內(nèi)，黃河流域大中型湖泊水庫各月的水域面積最大值均大于2000km2，最小值不低于1000km2；年內(nèi)面積平均值在1940km2（2月）到3622km2（10月）之間?；跇?biāo)準(zhǔn)差可以看出，在研究時(shí)期內(nèi)，11月湖庫水域總面積波動最大。

由圖2可得湖泊水庫水域面積平均值月際變化規(guī)律，3—5月為水域面積第一個快速增長時(shí)期；6月較5月下降后繼續(xù)增加，6—10月為第二個增長時(shí)期，在10月達(dá)到最大；10月之后逐漸下降，至次年2月達(dá)到最小值。根據(jù)平均值月際變化規(guī)律可將黃河流域湖泊水庫水域面積分為兩個時(shí)期，平均水域面積均大于2900km2的5—10月為豐水期，小于2900km2的11月至次年4月為枯水期。

圖2 水域面積月際變化

3.2 年際變化分析

在黃河流域湖泊水庫水體面積年最大值時(shí)間序列中，20年內(nèi)最大值為2016年的5233km2，最小值為2000年的3122km2；在年平均值序列中，最大值為2014年的3132km2，最小值為2001年的1913km2。

由圖3可以看出，在2000—2020年黃河流域大中型湖泊水庫水域面積年際最大值、平均值都呈現(xiàn)出增長趨勢。通過長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢擬合分析，20年水域面積年際最大值增加了1426km2，增幅約為40.28%；平均值增加了751km2，增幅約為33.72%。黃河流域大中型水庫湖泊面積逐漸增長，水域最大面積增幅比平均面積增幅更高，見表2。

表2 黃河流域2000—2020年年際水域面積

圖3 水域面積最大值、平均值年際變化

3.3 空間變化特征

2000—2020年黃河流域上、中、下游地區(qū)湖庫水域面積均呈現(xiàn)上升趨勢，見圖4。從趨勢線看，上游地區(qū)水域面積最大值增加了978km2，增幅約為37.96%，對流域湖庫水域總面積增加的貢獻(xiàn)度最大，為68.58%；中游地區(qū)水域面積最大值增加了477km2，增幅約為56.11%，貢獻(xiàn)度次之，為33.45%；下游地區(qū)水域面積最大值增加了15km2，增幅約為6.22%，貢獻(xiàn)度最小，為1.05%。

圖4 上、中、下游水域面積變化趨勢

由圖5可以看出，流域湖庫水域空間分布不均衡，上、中、下游近20年湖庫水域面積平均占比分別為69.27%、25.02%和5.72%。湖庫水域面積總體上從上游到下游逐漸減少，上游的水域面積遠(yuǎn)超于中游和下游。

圖5 上、中、下游水域面積比例變化

4 討 論

3—5月為黃河流域大中型水庫水域面積第一個快速增長時(shí)期，3月進(jìn)入由河段解凍和春季降水形成的桃汛時(shí)期后，降水增多，加之農(nóng)業(yè)灌溉用水的需求增加，水庫蓄水以保證農(nóng)業(yè)用水的需求。在6月由暴雨形成的伏汛時(shí)期來臨前，流域內(nèi)湖庫將進(jìn)行泄水騰出防洪庫容，將水庫水位降至防洪限制水位，為汛期防洪工作做準(zhǔn)備[23]，導(dǎo)致6月水域面積較5月有所下降。6月之后，水域面積持續(xù)增加，并在10月達(dá)到年內(nèi)最大值，結(jié)合黃河流域氣候特征分析，在夏季伏汛和由9—10月長時(shí)間降雨形成的秋汛過程中[24]，降水量的增加是導(dǎo)致大中型湖庫水域面積持續(xù)增加的主要原因，并在湖庫汛期防洪調(diào)度工作的影響下，水域面積在10月達(dá)到最大值。進(jìn)入冬季后，由于流域降水較少以及部分湖泊、水庫水面結(jié)冰，黃河流域湖泊、水庫水域面積開始大幅下降，在次年2月水域面積最小。黃河流域降水主要集中在6—10月，夏季降水量占年降水量的53.8%～60.4%，冬季降水量占年降水量的2.0%～3.7%[25]，年內(nèi)降水量季節(jié)差異極大，造成了流域湖庫水域面積月季差異明顯。

從年際水域面積變化來看，水域面積變化呈現(xiàn)增大趨勢。圖6表明近20年來黃河流域年平均降水量同樣呈現(xiàn)增長趨勢。2000—2020年，黃河流域的大、中型水庫數(shù)量從157座增長至224座，其中大型水庫數(shù)量從21座增長至34座。年末總蓄水量從2003年的288.61億m3增長至2019年的430.80億m3，增幅約為49.27%[18]。平均降水量增加、水庫工程建設(shè)和湖泊生態(tài)保護(hù)等多方面因素，是黃河流域大中型水庫、湖泊年際水域面積增加的主要原因。黃河流域水資源空間分布不均衡，上游大中型湖泊、水庫水域面積遠(yuǎn)大于中下游。黃河源區(qū)扎陵湖、鄂陵湖等湖泊的面積已經(jīng)達(dá)到了1400km2，加上上游烏海湖、烏梁素海等湖泊占據(jù)了黃河大部分的湖泊水域面積[26]，且黃河上游多高山峽谷，適宜大型水利工程建設(shè)，龍羊峽、劉家峽、李家峽、公伯峽等大型水庫均位于黃河上游蘭州以上干流河段；黃河中游占全流域面積的45.7%，支流流量占黃河干流的近44%[27]，干流河段上建設(shè)有三門峽水庫、小浪底水庫，支流河段也有故縣、陸渾、汾河等大型水庫；黃河下游流經(jīng)華北平原，河道寬淺，干流沒有大型水利樞紐，僅有大汶河流域的東平湖、雪野水庫及一些中型水庫。黃河流域湖泊、水庫分布不均衡是造成湖泊、水庫水域面積空間分布差異較大的主要原因。

圖6 黃河流域年平均降水量與湖泊、水庫面積最大值變化

利用MODIS數(shù)據(jù)的黃河流域大中型湖泊、水庫2000—2020年監(jiān)測結(jié)果表明，水域面積呈現(xiàn)增大趨勢，增幅約為40.28%，這與高吉喜等學(xué)者對黃河流域陸表水域面積的監(jiān)測結(jié)果相同[14-16]；上、中、下游湖庫水域面積比例與其上、中、下游陸表水域面積比例相近[14]。

5 結(jié)語

采用MODIS MOD09Q1遙感影像，提取了2000—2020年黃河流域大中型水庫、湖泊水域面積。結(jié)果表明：

從黃河流域湖庫水域面積月際變化情況來看，3—5月為水域面積第一個快速增長時(shí)期；6月較5月下降后繼續(xù)增加，6—10月為第二個增長時(shí)期，在10月達(dá)到最大，10月之后逐漸下降，至次年2月達(dá)最小值。黃河流域大中型湖泊、水庫水域面積近20年來總體呈現(xiàn)明顯增長趨勢，這可能是由水庫水利工程建設(shè)、降水量增加和湖泊生態(tài)保護(hù)等多方面因素共同造成的。

黃河上、中、下流域湖庫水域面積均呈現(xiàn)增長趨勢，其中上游地區(qū)對全流域面積增長的貢獻(xiàn)度最大，中游次之。上游地區(qū)湖庫水域面積約占全流域的70%，下游僅占5%左右，上游水域面積遠(yuǎn)高于中下游。黃河流域湖泊、水庫分布不均衡是造成湖庫水域面積空間分布差異較大的主要原因。

本文為黃河流域主要湖庫水域面積的時(shí)空變化特征研究提供了長時(shí)間、多維度的理論支持。但MODIS數(shù)據(jù)存在著空間分辨率不高、受到天氣影響較大的劣勢，導(dǎo)致可用數(shù)據(jù)量和水體提取的精度都會受到一定的影響。提高方法精度和消除數(shù)據(jù)源的影響，獲得更完善的數(shù)據(jù)，是對大范圍水體提取和監(jiān)測研究的重點(diǎn)。