2001年至2018年東紅海子泊水域面積變化分析

全宇 鄭玉峰 奇奕軒

摘要：由遙感監測資料可知，2001—2006年期間，東紅海子水體面積浮動較大，整體上漸趨萎縮。在2010年以后，水體面積迅速擴張，并趨于穩定。東紅海子水體在2007—2009年間處于干涸狀態，河床完全裸露。監測到的最小水體面積為2006年的0.7平方公里，最大水體面積出現在2018年。為4.46平方千米，較2001年增幅比例達280%之多。

關鍵詞：高分一號衛星;遙感監測;氣候變化;東紅海子濕地;時空變化;人類活動

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，對氣候和環境變化特別敏感，記錄了氣候變化和人類活動對不同時間尺度的區域水文過程的影響。 特別是對于降水量較少的內陸地區，它是揭示全球氣候變化和區域響應的重要信息載體[1-3];湖泊也是維護區域生態系統的重要支撐[4]。在2001年至2018年期間，隨著該地區氣候變暖和干燥的發展趨勢[6-9]和人類活動，東紅海子湖泊水域面積歷經萎縮、干涸與面積突升，重新成為中國北方重要的遺鷗繁育基地。從2009年開始，湖體面積開始顯著增加。在提取方法，植被覆蓋變化，水質指數反演等方面取得了一系列成果[5]，但對東紅海子水體的研究卻很少。而近年來，在地方政府的重視下，該區域生態環境明顯改善，湖體面積出現連續增加趨勢。本文在前人研究的基礎上，選擇了2001-2018年東紅海子湖的氣象資料和遙感影像數據，綜合運用了3S技術。同時結合氣候變化和人類活動因素，探討東紅海子湖水域時空變化特征及主要成因。為了合理開發利用東紅海子湖和湖區周邊的水資源，保護并逐步恢復湖泊的生態功能，為促進經濟和社會可持續發展提供決策依據。

1研究領域概述，數據來源和研究方法

研究區概況

東紅海子湖泊（39°32′29″—39°34′11″N，109°47'36″—109°49'20″E）位于內蒙古自治區伊金霍洛旗北部。原為黃河支流烏蘭木倫河流域湖泊，受溫帶半干旱大陸性季風氣候影響，干燥多風，年降雨量少，分布不均。

本文遙感影像數據來源于地理空間數據云網站存儲的 Landsat4-5 MSS傳感器、 Landsat7 ETM傳感器、 Landsat8 OIL傳感器以及高分一號衛星 WFV傳感器數據，包括2001-2015分辨率為30米的15景圖像以及分辨率均為16米2016年至2018年3景影像。均選取從8月到9月數據，以確保每景圖像具有相似的氣象和水文條件。

研究方法

研究區目標提取水體信息較為單一，為湖泊與湖泊退化干涸后形成的坑塘、沼澤等。從遙感圖像中提取水體特征的方法很多，包括基于近紅外波段的單波段閾值提取方法，歸一化植被指數（NDVI）和歸一化水體指數（NDWI）[10]。東紅海子湖體面積波動劇烈，在潰縮至干涸的過程中部分年份的水深過低、水質渾濁，指數或波段閾值提取效果較差，采用目視解譯方式手動勾畫，在2010年以后湖體面積顯著增加， 水體信息在光譜曲線上特征明顯，選取NDVI法與 NDWI法提取邊界均有不錯的效果。 研究區地處鄂爾多斯高原東部，南鄰毛烏素沙地，地勢平坦開闊，周邊地貌類型以半荒漠化草原為主，經過比較分析，本文采用NDWI進行水體面積信息提取，以消除湖內水生植物對面積信息的影響。計算公式如下：NDWI=（Green?NIR）/（Green+NIR）[10]。遙感數據預處理與計算在ENVI5.3.1下進行，分別做輻射定標、大氣校正、正射校正、NDWI指數計算工作，圖像拉伸后處理結果導入 ArcGIS10.0中重分類制圖。數據處理流程結構圖見圖1。

2.2.1 平均氣溫變化趨勢

2001—2018年，伊金霍洛旗年平均氣溫呈現顯著升高的趨勢，增長率為0.39℃/年。年平均氣溫最低值出現在2012年，為6.5℃，最高值出現在2013年和2017年，為8.2℃，較常年平均氣溫偏多17%。2013以后，年平均氣溫均在高位運行，2016年與2018年降水頻繁，平均氣溫較低。

2.2.2降水量變化趨勢

2001—2018年期間，伊金霍洛旗年降水量在波動中呈現略增加趨勢。年降水量最大值出現在2016年，為596.6毫米，最小值出現在2000年，為206.4毫米。最大年降水量和最小年降水量差值達390.2毫米。

人類活動因素

（1）城市發展阻止了向湖泊注入河流與地表水。東紅海子位于康巴什烏蘭木倫河南岸，伊金霍洛旗阿萊蓬溪鎮以東，湖泊供水源頭是烏蘭木倫河和伊金霍洛旗境內的苗湛河降水，地下滲流與匯合，近年來受城市快速發展影響，周邊建筑林立，大量土地硬化，破壞了湖泊的自然生態景觀，包括連接烏蘭木倫河的原有地表徑流大量被阻斷。此外，東漢海子周圍的混凝土道路，鐵路，公路，省道和局部道路引起的地下滲水面積減少。無疑對東紅海湖的自然生態景觀造成了極大的破壞。2001—2009年間湖水面積變化是湖泊水資源預算的綜合反映。

（2）2010年起，人類活動因素成為改善東紅海子濕地面積變化的積極因素。東紅海子緊鄰康巴什與伊金霍洛旗主城區，是重要的城市生態、氣候調節濕地。在鄂爾多斯市政府的高度重視下，引導附近企業采礦過程中產生的疏干水、城市過濾后的中水經檢測達標后，注入東紅海子濕地，湖區面積開始顯著增加[11]。目前，東紅海子濕地已成為鄂爾多斯市境內重要的戴勝、遺鷗等候鳥棲息繁殖保護地。

3 結論與討論

本文選取東紅海子湖18年遙感圖像數據作為主要信息來源，全面利用3S技術。對東紅海子湖近18年來水域的時空變化和驅動因素進行了監測和分析，得出以下結論：

（1）揭示2001年至2018年研究區水域的時空動態和趨勢。研究區的水域發生了顯著變化。2010-2018年，水域面積在人為因素影響下開始顯著上升，并達到歷史最大值;總體而言，過去18年東紅海子湖水域的演變可以基于水域的年變化率。劃分為萎縮期（2001-2006年）、干涸期（2007-2009）、增長期（2010-2014年）、穩定期（2015-2018）4個階段，總體呈擴張趨勢。

（2）結合同期氣候變化和人類活動因素，探討了東洪海子湖18年來水域整體萎縮的主要原因。結果表明：受全球氣候變暖影響，2001年—2012年，東紅海湖區的降水量逐漸減少，氣溫逐漸增加，顯示了氣候向暖干發展的趨勢。2001年至2009年期間，東紅海子湖水域變化趨勢與氣象因子趨勢基本一致。但相關性不大，氣候變化是導致東紅海子湖水域萎縮的原因之一，但不是唯一的影響因素。原有地表徑流切斷，煤炭開采，湖泊周邊建筑道路建設，灌溉用水等是造成萎縮期湖泊水域變化的關鍵因素。

（3）鄂爾多斯高原地域廣闊，湖泊星羅棋布在庫布齊沙漠與毛烏素沙地間，當地生態環境脆弱，受氣候變化與人為活動影響巨大，湖泊面積潰縮至干涸，湖灘與水體鹽堿化加重，原有水生動植物絕跡，候鳥不在逗留繁衍。人為注水后，濕地生態環境得以迅速改善，現紅海子濕地已成為重要的遺鷗與戴勝棲息地。衛星遙感水體信息提取為湖泊水域和區域時空變化的動態監測和系統定量分析提供了有效的技術手段。

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