青藏高原湖泊遙感信息提取及湖面動態變化趨勢研究

閆立娟,齊 文

1)中國地質科學院,北京 100037;2)中國地質科學院礦產資源研究所,北京 100037;3)國土資源部鹽湖資源與環境研究重點實驗室,北京 100037

青藏高原幅員遼闊,湖泊分布密集,面積1 km2以上的有 1125個,總面積 41045.7 km2(閆立娟等,2010;鄭喜玉等,2002;王蘇民等,1998;姜加虎等,2004;朱大崗等,2007),約占我國湖泊總面積的50%,該區的湖泊以鹽湖和咸水湖為主。鹽湖作為一種寶貴的綜合性自然資源,賦存有石鹽、芒硝、天然堿等普通鹽類資源,亦有鉀鹽、鎂鹽、硝酸(鉀)鹽和硼鹽、鋰鹽及銣(Rb)、銫(Cs)、鈾(U)、釷(Th)等特種鹽湖資源(鄭綿平等,1989;鄭喜玉等,2002)。同時,還發育有重要經濟價值與科學意義的嗜鹽藻、鹽鹵蟲、螺旋藻等特異生物資源(鄭綿平,1999)。圖 1為青藏高原從 ETM(1999—2002年)影像中提取的面積大于200 km2的所有湖泊分布圖。

1 青藏高原地理特征及湖泊概況

1.1 地形地貌、地表水系和氣候

1.1.1 西藏

西藏高原,為青藏高原的主體,面積 120多萬平方公里,平均海拔高程4000 m以上,是世界上海拔最高、分布范圍最大、隆起時間最晚的巨大高原,素有“世界屋脊”的美稱,號稱“世界第三極”。

西藏高原地表水系縱橫交錯,十分發育。根據地表水系的流向和最終歸宿,可分為藏北高原內流地表水系分布區、藏南河谷山地內外流地表水系分布區和藏東高山峽谷外流地表水系分布區。

西藏高原地勢高,緯度偏低,地形復雜,氣候多變,具有顯著的高原氣候特征。自西北而東南,隨著高原地勢的逐漸降低,氣候亦由西北部的寒冷干旱-半干旱高原季風氣候區,逐漸向東南部過渡為溫暖半干旱-半濕潤高原季風氣候區。根據西藏地形地貌、水熱狀況和植被分布等自然環境的特征,西藏劃為三個主要氣候區:藏北寒冷的干旱-半干旱高原季風氣候區、藏南寒冷-溫暖的半干旱高山峽谷季風氣候區和藏東溫暖半濕潤的高山季風氣候區(鄭喜玉等,2002)。

1.1.2 青海

青海高原,是青藏高原的組成部分,面積72.12×104km2,幅員遼闊,地勢高亢。青海地勢西高東低,呈梯形降低。平均海拔 3000 m,昆侖山的布喀達坂峰最高6860 m,民和縣下川口最低1600 m,高低相差5260 m。

青海高原地表水系十分發育,是黃河、長江和瀾滄江的發源地。根據地表水系的流向和最終歸宿,而分為柴達木盆地內流地表水系分布區,可可西里高原內、外流地表水系分布區和東南部河谷外流地表水系分布區。

青海高原深居歐亞大陸腹地,海拔高、地形復雜,多風沙、少降水、蒸發量大,日照時間長,太陽輻射強烈,具有明顯的大陸性高原氣候。總觀全省,大致可劃分為柴達木盆地冬寒夏涼干旱氣候區、可可西里高原高寒半干旱氣候區和河湟谷地溫涼半干旱氣候區(鄭喜玉等,2002)。

1.2 湖泊成因和補給

青藏高原湖泊成因類型復雜多樣,但大多發育在一些和山脈平行的山間盆地或巨型谷地之中,其中大中型的湖泊如納木錯、色林錯、瑪旁雍錯等都是由構造作用形成,湖盆陡峭,湖水較深,且湖泊的分布與經向緯向構造帶相吻合,只有一些中、小型湖泊分布在崇山峻嶺的峽谷區,屬冰川湖或堰塞湖類型。湖泊深居高原腹地,以內陸湖為主,多是內陸河流的尾閭和匯水中心,但在黃河、雅魯藏布江、長江水系的河源區,由于晚近地質時期河流溯源侵蝕與切割,仍有少數外流淡水湖存在,如黃河上游的扎陵湖、鄂陵湖。

由于氣候嚴寒而干旱,冬季湖泊冰封期較長,降水稀少,冰雪融水是湖泊補給的主要形式,湖泊水情雖有季節變化,但水位變幅普遍較小,年內一般不超過50 cm;在強烈的蒸發作用下,湖水入不敷出,干化現象顯著,往往在濱岸區殘留有多級古湖岸砂堤(王蘇民等,1998)。

2 青藏高原湖泊信息提取

2.1 數據來源

為了反映不同時期鹽湖的分布和狀態,綜合考慮影像分辨率、時間跨度等因素,最后選擇Landsat的MSS、TM、ETM三期遙感影像提取青藏高原湖泊信息。

Landsat遙感影像資料來自美國地質調查局(USGS,2009)。其中覆蓋青藏高原的遙感影像MSS 141景,TM、ETM各130景。

本文所用的 MSS影像的時間跨度為 1972—1977年;TM影像的時間跨度為1987—1994年;ETM影像的時間跨度為1999—2002年。

2.2 湖泊空間數據的提取

在本文研究過程中,首先選擇使用了 ENVI軟件,對所有影像進行彩色合成,導出帶有地理信息的Geotif文件。其中ETM和TM選用5、4、3波段進行假彩色合成,MSS影像選用4、3、2波段進行假彩色合成,水體在合成后的影像中均表現為藍黑色。

然后把Geotif文件加載到ArcGIS中,建立鹽湖空間數據。投影坐標系選用 Asia_Lambert_ Conformal_Conic,中央經線為 110°,雙標準緯線為 25°和 47°。

湖泊名稱以1:10萬地形圖為主,參考其它出版物(鄭綿平等,1989;王蘇民等,1998;鄭喜玉等,2002)。

2.3 青藏高原湖泊分布及統計

通過 MSS、TM、ETM 遙感影像分析,青海和西藏三個時期湖泊數量統計信息如表 1。其中從ETM影像中提取的面積大于0.5 km2的青海和西藏湖泊數分別為368和1166,面積大于1 km2的湖泊數分別為274和896,面積大于10 km2的湖泊數分別為92和293,面積大于50 km2的湖泊數分別為38和113,面積大于100 km2的湖泊數分別為23和54。圖1為青藏高原面積大于200 km2的所有湖泊分布。

3 湖泊水面動態變化分析

湖泊是研究水循環的一個關鍵因子,其水位與水量變化是氣候、環境等多種因素影響的結果(劉新等,2008;時興合等,2005;魏顯虎等,2005;王麗紅等,2008;Bianbaciren et al.,2009)。因此,湖泊水面動態變化對湖區的氣候和環境有重要的指示意義。

青藏高原大部分地區環境惡劣,交通條件差,常規的監測手段難以開展工作;而且傳統觀測站存在站點分布不均、時空分辨率低、儀器自身的影響等不足。遙感能應用探測儀器,不與目標物直接接觸,通過記錄目標的電磁波特性,揭示出物體的特征性質及其變化,能快速、宏觀地獲得研究區域的數據。充分應用衛星遙感技術的優勢,可使青藏高原湖泊動態變化研究躍上了一個新的臺階。

本文僅在進行湖面動態變化趨勢方面,選擇了面積較大、在時間上有代表性的湖泊,結合已有的觀測資料和研究成果進行綜合分析。

3.1 西藏

表2為西藏自治區所有湖泊、面積大于0.5 km2、面積大于1 km2、面積大于10 km2、面積大于50 km2、面積大于100 km2的湖泊在MSS、TM、ETM三個時期的總面積。圖2為不同條件下按面積統計的柱狀圖。從 70年代到 2000年左右,西藏自治區的湖泊面積持續擴張。從 70年代到 90年代,湖泊總面積增長較快,其中面積大于 100 km2的大湖對總面積增長做出的貢獻最大,其增長面積約占總增長面積的54%。從90年代到2000年左右,湖泊面積也有較大幅度的增長,但面積 100 km2以上的湖泊擴張速度明顯下降,其增長面積約占湖泊總增長面積的37.88%。

表1 青藏高原湖泊統計信息Table 1 Statistical data of lakes in Tibetan Plateau

表2 西藏自治區湖泊按面積統計信息(單位:km2)Table 2 Statistical data of lakes in Tibet counted by area (unit:km2)

圖2 西藏自治區湖泊按面積統計柱狀圖(單位:km2)Fig.2 Histogram of lakes in Tibet counted by area(unit:km2)

3.2 青海

表3為青海省所有湖泊、面積大于0.5 km2、面積大于1 km2、面積大于10 km2、面積大于50 km2、面積大于100 km2的湖泊在MSS、TM、ETM三個時期的總面積。根據統計數據,從 70年代到 90年代,青海省的湖泊總面積增加了1512.01 km2,擴張率為12.66%。從90年代到2000年左右,湖泊總面積略有減少,基本上保持穩定,尤其是面積大于50 km2的湖泊總面積基本保持不變(圖3)。

4 代表性湖泊水面動態變化分析

為了更清楚的了解青藏高原湖泊在時間和空間上的變化特點,除了對三期遙感數據進行湖泊面積統計分析外,筆者還在青藏高原選擇了具有代表性的湖泊一一分析了其湖面變化情況,總結了湖泊動態變化趨勢,并按照湖面變化類型對該區湖泊重新進行了分區。

圖3 青海湖泊按面積統計柱狀圖(單位:km2)Fig.3 Histog ram of lakes in Qinghai counted by area(unit:km2)

為了使選取的湖泊有足夠的代表性,在西藏選取了面積大于50 km2的所有湖泊,共113個;在青海選取了面積大于20 km2的所有湖泊,共70個。

4.1 西藏湖泊動態變化分析

西藏所選取的113個湖泊在該地區分布均勻。在ArcGIS中單獨選出這113個湖泊,并為其加上屬性字段“變化類型”,逐個分析每個湖泊三個時期的變化情況,當面積變化量在-0.5%～0.5%時,為穩定型;大于 0.5%時為擴張型;小于-0.5%時,為萎縮型。但由于受季節等因素的影響,在具體判斷湖泊湖面的變化類型時,根據以上指標,結合時間和現有研究成果進行判斷。如圖 4所示,為西藏湖泊變化類型分布圖,其中擴張型湖泊為74個,主要分布于西藏的北部和東部;穩定性湖泊為27個,萎縮型湖泊為12個,穩定型和萎縮型湖泊主要分布在藏南地區。

下面結合野外長期觀測數據,重點分析扎布耶和班戈湖的湖面變化。

4.1.1 扎布耶

扎布耶鹽湖位于阿里地區仲巴縣,海拔4421 m,距拉薩1050 km,湖面分為南北兩部分,現代湖面面積 167.28 km2。

表3 青海省湖泊按面積統計信息(單位:km2)Table 3 Statistical data of lakes in Qinghai counted by area (unit:km2)

圖4 西藏自治區湖泊面積變化類型分布圖Fig.4 Distribution of lakes counted by area change in Tibet

圖5a,b,c為扎布耶鹽湖在1976年11月16日的MSS遙感影像、1989年10月22日的TM遙感影像和2000年10月28日的ETM遙感影像。通過三圖對比,從1989年到2000年,扎布耶南湖面積稍有擴大。圖6為扎布耶鹽湖三期空間數據的對比圖。從表4中數據可知,三期遙感數據均在10月底和11月中上旬,能排除季節性降水的影響,能真實的反應湖面的波動情況,從1976年到1989年,湖面面積擴張了7.11%;從1989年到2000年,湖面面積擴張了10.73%。圖7為中國地質科學院鹽湖中心扎布耶長期觀測站從 1991年至 2008年的水位觀測數據,從圖中可知,扎布耶鹽湖水位在不同時間內有波動,但總體呈上升的趨勢,與遙感提取數據分析結果相符。

4.1.2 班戈湖

班戈湖,藏北羌塘高原南部內陸鹽湖。位于西藏那曲地區班戈縣,南距色巴鄉政府駐地約3.0 km,海拔4520 m。湖水的pH值8.5～8.7,礦化度68.5～169.3 g/L,化學類型屬碳酸鹽型,主要的鹽類沉積物為芒硝和硼砂。

圖 8為班戈湖三期遙感影像對比數據,其中底圖為1999年9月19日班戈湖的ETM遙感影像,白線和綠線所示范圍分別為1990年6月30日和1977年2月28日TM和MSS所示的湖岸邊界。由表5所示的屬性數據可知,從1977年到1990年,班戈湖湖面面積明顯擴大;從 1990年到 1999年湖面面積繼續呈增長的趨勢,但增長幅度明顯下降。圖 9為班戈湖近50年來的湖面變化曲線(趙希濤等,2011),從70年代到2000年左右,湖面呈上升的趨勢,與遙感影像提取數據相一致。

4.2 青海

青海省的70個代表性湖泊(圖10),湖面擴張的有29個,萎縮的為31個,保持穩定的為10個。擴張區和萎縮區呈明顯的帶狀分布,萎縮區主要分布在青海省北部,擴張區主要分布在青海省南部。

以青海湖為例,該湖位于青海省東北部,是中國最大的內陸湖泊,也是中國第一大微咸水湖。由祁連山的大通山、日月山與青海南山之間的斷層陷落形成。最深處達38 m,湖水面積4380.88 km2,湖面海拔3196 m。湖區屬高寒半干旱氣候,年平均氣溫1.2,℃雨量偏少,雨熱同季,干濕季分明。青海湖水補給來源主要為河流,其次是湖底的泉水和降水。湖周大小河流有70余條,呈明顯的不對稱分布。湖北岸、西北岸和西南岸河流多,流域面積大,支流多;湖東南岸和南岸河流少,流域面積少。從20世紀70年代到2000年,青海湖水位持續下降,湖面萎縮(Zheng et al.,2004;沈芳等,2003;時興合等,2005;武慧智等,2007)。

圖5 扎布耶MSS(a,1976.11.16)、TM(b,1989.10.22)和ETM(c,2000.10.28)遙感影像Fig.5 ETM (a,2000.10.28),TM(b,1989.10.22)and MSS(c,1976.11.16)images of the Chabyer salt lake

圖6 扎布耶鹽湖三期對比數據Fig.6 Three-period comparative data of the Chabyer salt lake

圖7 扎布耶北湖水位變化曲線Fig.7 Lake level fluctuation of the Chabyer salt lake

圖8 班戈湖三期遙感數據對比Fig.8 Three-period comparative data of the Bangor Co

圖11 為青海在2000年、1995年和1977年湖面面積的對比圖。從 1977年到 1995年,湖面面積減少了113.68 km2;從1995年到2000年湖面面積繼續減小。從1977(枯水期)年到2000(豐水期)年,湖面呈現持續萎縮的趨勢。圖12為青海湖從1956年到2001年湖面的波動曲線(藍華云等,2003),水位在個別時間段內有所波動,但整體呈下降的趨勢。三期遙感解譯數據與該曲線走向一致。

5 青藏高原湖泊湖面變化類型分區

通過對從MSS、TM、ETM三期遙感影像中提取的青藏高原湖泊的統計和分析,根據湖面變化類型,對青藏高原湖泊進行了區域劃分。西藏西部地區湖泊呈現萎縮和穩定的趨勢,而東南地區則呈現穩定擴張的趨勢;青海北部湖泊湖面面積萎縮,南部湖泊穩定擴張。因此,青藏高原湖泊根據其從70年代到 2000年的湖面變化情況,可分為穩定萎縮、穩定擴張和萎縮三個區,如圖13所示。

表4 扎布耶湖面變化數據Table 4 Lake-level change data of the Chabyer salt lake

表5 班戈湖湖面變化數據Table 5 Lake-level change data of the Bangkog Co

圖9 班戈湖近50年來的湖面變化曲線(趙希濤等,2011)Fig.9 Curves of denivellation of the Bangkog Co over the past 50 years (ZHAO Xi-tao et al.,2011)

圖10 青海省湖泊面積變化類型分布圖Fig.10 The distribution of lakes counted by area change in Qinghai

表6 青海湖湖面變化數據Table 6 Lake-level change data of the Qinghai lake

圖11 青海湖三期遙感數據對比和局部放大圖Fig.11 Three-period comparative data and local amplification of the Qinghai lake

圖12 青海湖近年水位波動(1959—1995據沙陀壽資料,1995—2000據下社站資料)(藍華云等,2003)Fig.12 Water level fluctuation of the Qinghai Lake in recent years (data of 1959-1995 after Sha Tuoshou;data of 1995-2000 after the Xiashe Station)(after LAN Hua-yun et al.,2003)

6 結論與討論

從70年代的MSS、90年代的TM和2000年左右ETM遙感影像中提取出青藏高原湖泊信息,通過對這些數據的分析,可得到如下結論:

1)從70年代到90年代,到2000年左右青藏高原的湖泊數量有所增加,尤其是從 70年代到 90年代,湖泊數量增幅較大,各個面積范圍內的湖泊均有增加。

2)西藏湖泊從70年代到90年代,到2000年左右,湖泊總面積不斷擴大,且增幅較大。青海湖泊從70年代到 90年代,湖泊面積擴大;從 90年代到2000年左右湖泊總面積略有縮小,基本保持穩定。

圖13 青藏高原湖泊變化類型分布圖Fig.13 Distribution of lakes counted by area changes in Tibetan Plateau

3)根據湖泊面積變化情況,本文將青藏高原湖泊分為三個動態變化區:西藏西南部為穩定萎縮區,青海北部為萎縮區,西藏東北部大部分地區和青海南部為穩定擴張區。

從70年代到2000年左右的30余年中,青藏高原的多數湖泊面積變化較大,主要是部分湖泊面積縮小或擴大;少數湖泊解體或歸并;有的已干涸湖泊又重新匯水,有的湖泊則接近干涸。其變化主要受氣候因素的影響。20世紀后半葉,青藏高原氣候變化的總趨勢是:氣溫普遍呈升溫趨勢;高原西部、南部和中部年降水量普遍增加,高原東部和青海年降水量則普遍減少;高原冬、春季降水呈增加的趨勢,汛期降水則呈微弱增加的趨勢(賴祖銘,1998;朱大崗等,2007)。在上述30余年中,青海大部分湖泊呈現萎縮的趨勢。

致謝:本文所用的 1:10萬地形圖由中國地質科學院礦產資源研究所鄭綿平院士提供,湖泊的部分矢量化工作由中國地質大學的王少華和王志新完成,在此一并致謝。