近40年可魯克湖-托素湖面積變化及影響因素分析

劉曉雪,溫忠輝,束龍倉,魯程鵬,劉 波,賀懷振

近40年可魯克湖-托素湖面積變化及影響因素分析

劉曉雪1,2,溫忠輝1,2,束龍倉1,2,魯程鵬1,2,劉 波1,2,賀懷振1,2

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

以位于青海省德令哈市境內的可魯克湖-托素湖為研究對象,利用美國地質調查局自1973年-2013年的多年遙感影像,運用目視解譯和改進的歸一化差異水體指數方法提取可魯克湖和托素湖的面積值,分析其變化特征,結合德令哈市的降水、氣溫、蒸發、徑流、農業灌溉耗水資料,對影響湖泊面積變化的因素進行初步探討。結果表明,可魯克湖的面積大致保持不變,托素湖的面積自1973年以來呈現先減小又增大的趨勢,降水量呈增加趨勢,可以認為湖泊面積變化受降水的影響較小,可魯克湖的面積主要受蒸發、氣溫和上游巴音河徑流量的影響,但其影響存在明顯的滯后性。上游農業耗水量是間接影響托素湖面積變化的主要因素,氣溫的變化通過影響蒸發量和上游冰雪融水間接影響托素湖的面積。

可魯克湖;托素湖;面積變化;遙感分析;影響因素

近年來由于城市化進程加劇,全球氣候變化,使得大量內陸湖泊面積發生急劇變化[1]。內陸湖泊是干旱、半干旱地區水資源的重要組成部分,由于氣候變暖和人類不合理的開發利用,導致若干內陸湖泊瀕臨絕境,甚至消亡。伴隨著湖泊水位下降和湖面積的減小,致使湖濱地區的大量沼澤與森林死亡,沙漠化嚴重,魚類生長環境日益惡化,給當地居民生活和生產造成了嚴重影響。由于干旱地區生態平衡比較脆弱,一旦遭受破壞很難恢復[2]。因此,研究干旱、半干旱地區的內陸湖泊演變與成因,是一項非常有意義的工作。

可魯克湖和托素湖是位于青海省德令哈市的“情人湖”,這兩個湖泊一度被認為是柴達木盆地上的一個美麗的神話,它們一大一小,一咸一淡,靠一條小小的淡水河緊緊相連。長期以來,咸水湖沒有侵蝕淡水湖,淡水湖沒有稀釋咸水湖。可魯克湖接受上游巴音河和大氣降水補給,通過蒸散發和向托素湖排泄。托素湖主要接受可魯克湖和大氣降水補給,通過蒸散發排泄。上游巴音河流域人類活動將直接影響地表水對可魯克湖的補給量,可魯克湖補給水量的變化會直接影響可魯克湖和托素湖的水位差,導致可魯克湖的鹽分無法向托素湖排泄,可魯克湖將會有咸化的風險。因此,研究可魯克湖和托素湖的面積變化及其影響因素對德令哈地區的生態保護和水資源合理配置具有十分重要的意義。

隨著遙感技術的應用日漸成熟,國內外利用遙感影像提取水體的研究很多,提取方法也很成熟[3]。筆者通過對遙感影像的分析,研究青海省境內的可魯克湖、托素湖40年以來面積演變及其成因。筆者以可魯克湖、托素湖為研究對象,利用遙感和GIS技術提取1973年至2012年的湖泊面積值,在此基礎上分析湖泊面積變化趨勢,并分析其影響因素,為德令哈地區的生態保護和水資源合理配置提供參考依據。

1 研究區概況

可魯克湖、托素湖位于青海省柴達木盆地東北部,2000年5月由青海省政府批準建立可魯克湖-托素湖省級自然保護區,距德令哈市42 km。保護區所在區域是青海省,尤其是柴達木盆地的重要濕地區和生物多樣性聚集地,也是德令哈市的生態屏障,兼顧著柴達木盆地東北部荒漠、半荒漠地帶的氣候調節作用,對于維持區域的生態系統平衡、調節區域氣候、提供淡水資源都具有十分重要的意義。

近年來,由于受到上游人類活動、氣候變化等因素的影響,可魯克湖、托素湖面積發生變化,尤其是作為巴音河尾閭的托素湖的兩座小島已在2001年合為一體(圖1),同時德令哈地區的生態環境也遭到了較為嚴重的破壞,然而2003年以來,托素湖的面積又有增加的趨勢。因此,研究可魯克湖、托素湖的面積變化以及影響因素具有非常重要的意義。

圖1 可魯克湖、托素湖遙感影像

2 數據來源和研究方法

遙感是一門20世紀發展起來的新興綜合學科,具有宏觀、綜合、動態、快速的特點,為地球資源調查與開發、國土整治、環境監測的研究開辟了一種新的探測手段和方法,尤其是近年來利用美國、法國、俄羅斯等先進國家衛星獲取的高分辨率遙感數據[4],為進行詳細的資源調查及分析,提供了良好的技術支撐。筆者利用美國自1972年發射的陸地衛星1到陸地衛星5以及陸地衛星7所獲取的遙感影像,空間分辨率為30m(RBV和MSS傳感器的空間分辨率為80m)。Landsat陸地衛星在波段的設計上,充分考慮了水、植物、土壤、巖石等不同地物在波段反射率敏感度上的差異,無論在空間分辨率和水體的提取上都具有明顯的優越性。數據可由美國地質調查局網站免費下載。

2.1 遙感數據來源

本文收集的數據來源于美國地質調查局發布的1973年、1976年、1977年研究區MSS數據;1987年、1988年、1990年、1995年研究區TM5數據;1999年到2013年研究區ETM+數據。其余水文氣象資料來源于《蓄集峽水庫環境影響評價》項目所提供的資料。研究試圖通過以上數據處理分析得出可魯克湖、托素湖40年來面積變化,并初步分析湖泊面積變化與巴音河河川徑流量、降水量、蒸發量、灌溉耗水量等因素的關系,其主要研究目標是分析湖泊面積變化,選取其他影像對湖泊面積進行校正對本文沒有意義,所以不需選取其他高精度的遙感影像對計算得出的湖泊面積進行校正。

2.2 湖泊面積提取方法

2.2.1 遙感影像預處理

除去對遙感影像的常規處理,如幾何校正、輻射校正、去云處理之外,由于Landsat-7 ETM+機載掃描行校正器(SLC)故障導致2003年5月31日之后獲取的圖像出現了數據條帶丟失,嚴重影響了ETM遙感影像的使用,筆者利用ENVI4.5 TM6去條帶工具進行條帶去除,條帶去除后,該數據可以很好地應用于湖泊面積的提取(圖2)。

圖2 去條帶前后2003年研究區ETM+遙感影像

2.2.2 湖泊水體的提取方法

國內外諸多學者對水體信息的提取進行過廣泛的研究,早在1985年Jupp等[5]就通過分析影像的直方圖,在TM7波段設定閾值進行水體信息提取的嘗試;Barton等[6]利用AVHRR影像數據1、2波段的比值對水體信息進行了提取;楊存建等[7]利用TM圖像中的第二波段與第三波段之和大于第四波段與第五波段之和的特征有效地提取了研究區的水體信息;Mc Feeter[8]發現歸一化水體指數(NDWI= (TM2-TM4)/(TM2+TM4))可以抑制土壤和植被信息,進而利用該指數提取了水體信息;徐涵秋等[9]認為NDWI指數難以抑制建筑物信息,并在此基礎上提出了改進后的歸一化差異水體指數(MNDWI=(TM2-TM5)/(TM2+TM5)),同時提出在部分城區建筑區域輔助MNDWI＞k(k為閾值)來提取水體信息。

盡管不同的研究者所使用的遙感影像有所區別,但總體來看,利用Landsat TM/ETM提取水體的方法大致可以分為單波段閾值法和多波段譜間關系法：①單波段法主要在水體信息提取研究早期使用,該方法主要通過對水體信息敏感的波段設定一定的閾值提取水體信息,但這種方法容易使水體與非水體之間的過渡區被忽略,無法提取細小水體[10];②多波段法根據水體在多個波段反映的不同光譜特征,通過不同波段之間的運算從圖像上突出水體信息,再根據水體的閾值范圍來設置上、下限從而提取水體。

筆者以1990年8月的TM5影像為例進行面積提取,結果見圖3。可以看到,單波段法(圖3(b))和1、2波段比值法(圖3(c))對周圍地物的抑制作用并不明顯,經過對比分析,選取多波段法中改進的歸一化差異水體指數(TM2-TM5)/(TM2+TM5)＞k(k為閾值)(圖3(e))來提取湖泊水體,針對研究區具體情況,TM5影像選取k=0,ETM+影像選取k=0.2,得到湖泊水體提取結果并計算面積。對于MSS影像,劉建國[11]、熊波等[12]分別利用比值法和監督分類的方法提取湖泊信息,但MSS影像空間分辨率較低,誤提對最終結果影響較大,綜合考慮到方法以及精度方面的問題,采用人工目視解譯的方法,目視判讀像元數不少于3個的湖泊邊界,判讀誤差不超過一個像元,準確提取湖泊信息。

圖3 不同方法提取水體比較

3 湖泊面積變化趨勢及其影響因素分析

3.1 湖泊面積變化趨勢分析

根據上文描述提取湖泊邊界并計算湖泊面積,計算結果如圖4所示。

圖4 可魯克湖、托素湖面積變化曲線

在圖4中可以看出,1973年以來,可魯克湖面積大致穩定,面積減小但不明顯。托素湖面積變化大致可以分為兩個時期,急劇萎縮期和面積恢復期。從1973年到2001年托素湖面積由160.1 km2萎縮到132.3km2,而在2013年其面積又恢復到144.6km2。

3.2 湖泊面積變化影響因素分析

3.2.1 大氣降水

巴音河流域內建有5處雨量站,分別為澤令溝水文站、德令哈水文站、德令哈氣象站、戈壁水文站和懷頭他拉站,其中德令哈水文站和德令哈氣象站有1956—2009年共51年的觀測資料;澤令溝水文站有1959—1991年共32年的降水資料;戈壁站有1958—1963年共6年的降水資料;懷頭他拉站僅有1985年1年的觀測資料。

根據本文所需資料系列長度,選取德令哈氣象站的雨量資料進行分析。湖泊所在區德令哈盆地是典型的高原大陸性氣候,氣候干旱,降水稀少,蒸發強烈。多年平均降水量190mm左右,是多年平均蒸發量的1/10。根據德令哈氣象站的資料(圖5)看,降水量一直存在增加的趨勢,近40年來托素湖面積呈現先減小后增加的趨勢,據此可推斷當地降水量的變化不是湖泊面積變化的主要因素。

圖5 降水量歷年變化情況

3.2.2 巴音河河川徑流量

利用德令哈水文站的天然徑流資料系列,對水文站40年的徑流資料進行分析,巴音河天然徑流量系列沒有明顯的上升或者下降的趨勢,說明巴音河徑流量是平穩的。通過不同年代徑流量(圖6)對比結果表明,20世紀70年代、80年代為豐水期,90年代為枯水期,2000年以后又進入1個豐水期。取獲取遙感影像的對應月份、前1個月、前2個月直至前1年的巴音河實測流量和可魯克湖面積進行相關性分析,取相關系數較大的前3個月份,可魯克湖的面積與遙感影像對應月份前7個月、前8個月、前1年的巴音河徑流量相關系數分別為0.655、0.660、0.714,可魯克湖面積與遙感影像對應月份前1年的巴音河實測流量相關系數最大。因此,可魯克湖面積大小受巴音河德令哈站的徑流量影響顯著,但巴音河站實測徑流量對可魯克湖水量的補給存在顯著地滯后效應。

圖6 巴音河年平均徑流量變化過程線

表1為所取遙感影像對應月份的巴音河實測流量。從表1可以看到,1973年以來,所取遙感影像對應月份巴音河實測流量值變化不大,只有在2005年出現了較大變化,可能是由于上游來水量的突然增大或一場大的降雨所導致,而可魯克湖的遙感影像在2006年出現了較大的波動,面積增長2.1 km2。結合以上分析,河川徑流量對湖泊面積的影響存在明顯的滯后性,巴音河上一年的徑流量是影響可魯克湖面積變化的主要因素之一。

表1 巴音河德令哈站遙感影像對應月份實測流量變化

3.2.3 氣溫和水面蒸發

湖泊所在區域深居內陸,遠離海洋,又有高山阻隔,海洋潮濕氣流不易到達,降水稀少,蒸發強烈,常年處于西伯利亞-蒙古高壓控制下,風力強勁,利于水分蒸發的進行。由于缺乏湖面直接蒸發記錄,本文采用流域內德令哈氣象站的資料(圖7),資料時限長,代表性好,兩湖的蒸發量可以根據德令哈氣象站的資料進行計算。可以看到,1973年以來,蒸發呈現下降的趨勢,取遙感影像對應月份、前1個月、前2個月直至前1年的蒸發量和可魯克湖面積進行相關性分析,取相關系數較大的前3個月份,可魯克湖的面積與遙感影像對應月份前2個月、前3個月、前4個月的蒸發量相關系數分別為-0.073、-0.465、-0.276,可魯克湖面積與遙感影像對應月份前3個月的蒸發量相關系數最大。因此,可魯克湖的面積大小與前3個月的水面蒸發相關關系最顯著,湖泊面積對蒸發量的響應也具有滯后性,滯后時間為3個月。

圖7 可魯克湖、托素湖年蒸發量、氣溫、風速變化曲線

氣溫變化通過影響湖面蒸發和湖區上游固態水(包括積雪、冰川)的儲量及暖季融冰(雪)量來間接影響湖泊面積。1973年以來,氣溫呈現增加的趨勢(圖7)。取遙感影像對應月份、前1個月、前2個月直至前1年的月平均氣溫和可魯克湖面積進行相關性分析,取相關系數較大的前3個月份,可魯克湖的面積與遙感影像對應月份前2個月、前3個月、前4個月的氣溫相關系數分別為-0.304、-0.537、-0.448,可魯克湖面積與遙感影像對應月份前3個月的氣溫相關系數最大。因此,可魯克湖的面積大小與前3個月的氣溫相關關系最顯著,湖泊面積對氣溫的響應也具有滯后性,滯后時間為3個月。

影響水面蒸發的因素有很多,例如氣溫、太陽輻射、風速、飽和差、氣壓等[13],在圖7中,年平均氣溫呈現上升的趨勢,而年平均蒸發量呈現下降的趨勢,主要是受上述因素的綜合影響,蒸發量減小的主要原因為：①自1973年以來研究區的降水量呈增加的趨勢,可能會導致空氣濕度增加,飽和水汽壓差減小;②研究區的風速呈現減小的趨勢(圖7),風速的減小減慢了空氣流通,勢必會引起蒸發量的減小;③另外,植被覆蓋率的變化也會影響局地氣候的改變[14]。

綜合以上分析,氣溫和蒸發對可魯克湖面積的影響具有滯后性,滯后時間為3個月。

3.2.4 灌溉耗水量

耗水量是流域內最重要也是最難以統計的水量,德令哈盆地用水主要消耗于農業灌溉用水,生活和工業耗水量只占耗水總量的5%左右。德令哈市農業發展可大致分為3個階段：①1954—1990年開始大規模的灌區建設,主要種植小麥、青稞、蠶豆、豌豆、馬鈴薯、油菜、蔬菜、藥材等。限于當地的地質條件,加上水利設施不配套、大水漫灌等原因,造成了水資源的極大浪費。②1991—2003年期間,德令哈農場、巴音河農場、尕海農場、懷頭他拉農場以及各鄉鎮相繼完成了農業綜合開發項目,改建了大部分的干支渠,為農業節水打下了堅實的基礎。③2003年至今,農業節水設施的進一步完善以及灌區作物種植的進一步合理化,使得農業節水獲得了一定成果。德令哈盆地的農業灌溉耗水量將直接影響地表水向可魯克湖的排泄量,而可魯克湖在滿足自身生態需水的基礎上才會向托素湖排泄,因此在本文研究時段內,選取2006年海西州農業灌溉耗水量資料,與德令哈市農業灌溉用水量進行倍比放大,得到2000—2007年德令哈市灌溉耗水量變化情況(圖8),對可魯克湖面積、托素湖面積與灌溉耗水量進行相關性分析,得到托素湖面積和灌溉耗水量相關系數為-0.848,通過0.05置信度檢驗,因此灌溉耗水量是影響托素湖面積的重要因素之一;可魯克湖面積和灌溉耗水量相關系數為-0.041。在一定的范圍內,上游灌溉用水的變化并不會對可魯克湖的面積造成顯著影響。

圖8 2000年以來德令哈市農業灌溉耗水量變化過程線

3.2.5 其他影響因素分析

托素湖由可魯克湖通過連通河補給,主要通過蒸發排泄,當托素湖從可魯克湖得到的補給量小于湖泊水面的蒸發量時,托素湖面積就會減小。可魯克湖水位是決定托素湖補給量的主要因素。可魯克湖和托素湖之間的連通河缺少實測資料,但是托素湖水分收支項較為簡單,其接受可魯克湖的補給量和蒸發量的差值是影響其面積的主要因素。而氣溫、空氣相對濕度等通過影響湖面蒸發和湖區上游固態水(包括積雪、冰川)的儲量及暖季融冰(雪)量來間接影響湖泊面積。選取1973—2009年平均氣溫和空氣相對濕度序列(圖9),經相關分析,得到托素湖面積與年平均氣溫呈負相關,相關因子為-0.656,通過0.01置信度檢驗,因此,氣溫是影響托素湖面積變化的主要因素;而相對濕度與托素湖面積的相關系數為-0.204,因此,相對濕度的變化并不會對托素湖的面積變化造成顯著影響。

圖9 空氣相對濕度隨時間變化曲線

4 結 論

根據上述研究,1973—2013年40年間,可魯克湖的面積下降并不明顯,而托素湖面積發生了較大變化,這一變化對德令哈地區的生態環境造成了較為嚴重的影響。湖泊面積變化是年平均氣溫、蒸發、巴音河徑流量、灌溉耗水量共同作用的結果,研究得出主要結論如下。

a.1973年以來,可魯克湖面積大致穩定,面積萎縮但不明顯。托素湖面積變化大致可以分為兩個時期：急劇萎縮期和面積恢復期。從1973—2001年,托素湖面積由160.1 km2萎縮到132.3 km2,而2013年其面積又恢復到144.6 km2。托素湖作為巴音河的尾閭,對上游水量變化響應劇烈,表現為面積變化也較為劇烈。

b.可魯克湖面積變化對巴音河德令哈站徑流量、氣溫和蒸發的響應存在滯后性,可魯克湖面積變化對巴音河德令哈站的徑流量滯后時間為1年,而對氣溫、蒸發的響應滯后時間為3個月。托素湖的面積變化主要受到氣溫、上游農業灌溉耗水量的影響。

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Analysis of surface area changes of Keluke and Tuosu lakes over past 40 years and influencing factors

LIU Xiaoxue1,2,WEN Zhonghui1,2,SHU Longcang1,2,LU Chengpeng1,2,LIU Bo1,2,HE Huaizhen1,2
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The surface area changes of Keluke and Tuosu lakes in Delingha City,Qinghai Province were studied. By use of the visual interpretation and modified normalized difference water index method,the values of the surface areas of Keluke and Tuosu lakes were extracted from remote sensing images of years from 1973 to 2013 issued by the U.S.Geological Survey,and the characteristics of the surface area changes were analyzed.Combined with data of precipitation,air temperature,evaporation,runoff,and agricultural irrigation water consumption in Delingha City,the factors influencing the surface area changes of the two lakes were analyzed.The results show that the surface area of Keluke Lake remained almost steady over the past 40 years,the surface area of Tuosu Lake decreased initially but has increased since 1973,and precipitation over the study areas had an increasing trend.It was concluded that the precipitation had an insignificant impact on the surface area changes of the lakes.The surface area of Keluke Lake was mainly influenced by evaporation,air temperature,and runoff upstream of the Bayin River,and there was an obvious time lag between the surface area change and the influencing factors.The agricultural water consumption upstream was the key factor indirectly influencing the surface area of Tuosu Lake, and the air temperature,which affected evaporation and the upstream snowmelt runoff,indirectly influenced the surface area of Tuosu Lake.

Keluke Lake;Tuosu Lake;area change;remote sensing analysis;influencing factors

TV211.1

A

1004-6933(2014)01-0028-06

201305-17 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.006

國家自然科學基金(41172203,41201029);高等學校博士學科點專項科研基金(20120094120019);中國博士后科學基金(2013M540410);中央高校基本科研業務費專項(河海大學2012B00314)

劉曉雪(1989—),女,碩士研究生,研究方向為生態水文與水環境保護。E-mail：804831828@qq.com

溫忠輝,副教授。E-mail：wenzh2812@sina.com