云南普者黑濕地流域水域面積變化及其影響因素

毛轉梅，劉 青，彭爾瑞*，陳勁松，吳培軍

(1.云南農業大學 水利學院，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201)

水體動態監測是當今資源與環境變化研究的一個熱點與重點，利用遙感技術的快速、周期性特點，在遙感影像上獲得水體范圍或其他特征信息是很有效的手段。目前已有許多學者基于多源衛星數據，利用RS和GIS技術對研究區水體進行了監測和分析，如趙澍等[1]對呼倫湖水域面積進行了長時序的動態變化研究并分析了氣候因素的影響。馬艷敏等[2]對吉林省西部主要水體分布面積變化及影響因子做了研究。Wang等[3]針對洞庭湖的變化分析提出了一種新的方法。王鶯等[4]對紅堿湖近60年湖水面積動態變化及驅動因子進行了分析。萬華偉等[5]利用低空間分辨率MODIS數據，采用水體指數提取了2000～2013年呼倫湖水域面積，同時也開展了水域面積與水位、氣候等相關影響因素的研究。Zhang等[6]從氣候和人類活動2個方面對中國湖泊變化進行了分析。Jin等[7]利用遙感數據對咸海流域的變化及氣候與人類的影響做了研究。管玉瑩等[8]研究了高郵湖自然水域的30年變化和影響因素。與傳統水體監測方式相比，遙感技術具有宏觀、綜合、動態和快速的特點，可迅速、精確地提取湖泊信息，由此可進行長時間序列動態變化監測，節省大量的人力、物力和時間。

普者黑流域是典型的喀斯特巖溶湖泊濕地生態系統和典型的水體旅游濕地公園，近幾年國內學者對普者黑地區的研究主要集中在生態功能區劃[9]、土地利用和景觀格局變化[10]、流域氮磷輸出與景觀特征指數的定量關系[11]、濕地不同類型沉積物污染程度[12]、生態脆弱性時空演變過程、突變特征評價[13]、湖濱帶景觀格局對普者黑巖溶湖泊濕地水質的影響[14]等方面。學者們在普者黑流域水體動態變化方面的研究甚少，由于巖溶區的水體與植被重疊的區域較多及湖泊的破碎度大的特點，使得對于該地區的水體提取存在一定難度。本研究以普者黑典型巖溶區為研究對象，目的在于探討流域水體長序列水域面積動態變化與主要影響因素之間的關系，收集普者黑流域1998～2019年Landsat系列衛星TM、OLI影像以及相關氣候、植被、經濟數據，在遙感(RS)、地理信息系統(GIS)技術支持下，通過影像分析和新型水體指數法提取普者黑流域1998、2005、2014、2019年的水域面積來分析該地的動態變化，利用統計學分析方法，探尋其動態變化的因素。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

如圖1所示，普者黑流域是指普者黑濕地公園及公園附近的水源，濕地公園上游的2個中型和1個小型水庫：設計庫容為5370萬m3的紅旗水庫和1450萬m3的丁家石橋水庫、360萬m3的增產水庫和年平均容水量4950萬m3的八道哨河為濕地公園的水源補給，水流通過普者黑省級自然保護區后流入濕地公園，經清水河南盤江，最終匯入珠江。

圖1 研究區遙感影像示意圖

1.2 數據來源

來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)的數據有普者黑遙感影像為Landsat系列衛星影像(TM、OLI)，影像空間分辨率為30 m；植被NDVI影像為MODIS中國合成產品(MODND1M中國500M NDVI月合成產品)；DEM數字高程數據選擇了SRTMDEM 90M類型數據。普者黑流域矢量邊界數據是運用ArcGIS10.5水文分析模塊并以谷歌地球為參照圖共同得到的。來源于資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn)有氣溫和降水數據。來源于丘北年鑒的數據有普者黑歷史氣候極端資料和社會經濟數據。流域水域面積動態變化是受到一系列因子相互作用的復雜過程，按照普者黑流域地區的自然人文特點，選擇降水量、氣溫、植被和經濟4個因子進行相關性分析。

1.3 數據分析

遙感影像經過ENVI軟件進行影像裁剪、波段合成預處理，影像投影均采用WGS84坐標系，通過水體指數法、均值法處理數據且用Excel 2003、Origin 8.0軟件對數據整理、統計與分析。

2 研究方法

2.1 歸一化水體指數法

歸一化水體指數[15](Normalized Difference Water Index，NDWI)，其原理是應用波段間比值來進行分類，具有與植被區分度高、歸一化等特點，是當前適用性最好的水體指數法。NDWI定義為：

(1)

式(1)中：Green為綠波段，NIR為近紅外波段。

在Landsat8 OLI影像中，綠波段、近紅外波段分別對應3波段和6波段；雖然NDWI能夠較準確地抑制植被反射信息，但對居民地等反射信息的抑制效果有待提升。

2.2 改進的陰影水體指數(ESWI)

劉雙童等[16]基于陰影水體指數SWI模型，得到了ESWI決策樹法，這種方法是基于GF-2遙感影像的藍波、綠波和近紅外波段在水體表面反射率上顯現的不同特征，根據單波段閾值法與增強陰影水體指數法相結合的方法提出來的。其計算公式如下。

(2)

式(2)中：B1為藍波段；B2為綠波段；B4為近紅外波段。

2.3 新型水體指數(NEWI)

NEWI水體指數是利用Landsat遙感影像數據，針對巖溶地區普者黑流域水體信息提取易受地類陰影的影響特點，為了增強水體與地類陰影的差異，對歸一化水體指數和改進的陰影水體指數進行數學關系計算，經過重復試驗構建了一種新型混合水體指數。其計算公式如下。

(3)

式(3)中：NDWI為歸一化水體指數；ESWI為改進的陰影水體指數。

2.4 相關分析法

采用相關分析法研究水域面積與各驅動因子間相關性，通過年尺度的水域面積與相應的氣溫與降雨等的相關系數來反映不同因子與水域面積的相關程度，其計算公式如下。

(4)

式(4)中：n為總年數；i為年序號。相關系數取值范圍在[-1，1]之間，其絕對值越大，說明水域變化與氣候因子的相關性越高；反之，則說明兩者的相關性越低[17]。|Rxy|<0.3為弱相關，0.3<|Rxy|<0.5為低顯著相關，0.5<|Rxy|<0.8為顯著相關，0.8<|Rxy|<1為極顯著相關。

2.5 湖泊動態度變化

應用湖泊動態度分析長時間尺度湖泊面積變化特征，該指標可以反映區域某一時段湖泊面積(數量)變化的速率，能夠將湖泊資源變化的劇烈程度定量化。

計算公式如下:

(5)

式(5)中：K為某一時段內湖泊變化動態度，即湖泊面積(或數量)的年均變化率；Ua、Ub分別為研究期初、期末的湖泊面積(或數量)；T為研究時間段長。

3 普者黑流域水體面積的年際變化特征

考慮到普者黑流域不同時節植被對水域面積的影響，本文數據選擇13期枯水期影像(10月至次年2月)，此時普者黑水域受植被的干擾少，水域面積穩定，流域水域面積以矢量邊界為準，主要包括湖泊、河流、水庫和坑塘。通過ENVI5.3軟件對Landsat影像的處理，以1998、2005、2014、2019年的水域面積為分界點以分析其變化。

由圖2可知，1998～2019年普者黑水域面積小幅度增加2.37 km2，水域面積動態度為0.02%。其中1998～2002年小幅度增加11.92 km2，水域面積動態度為0.39%，水域面積保持增長階段；2002～2010年大幅度減小63.12 km2，水域面積動態度為-1.13%，保持減少階段；2010～2019年幅度增加53.57 km2，水域面積動態度為0.96%，變化為增長階段，此階段普者黑水域面積增加的面積比上一階段的減少階段小但水域面積縮小有減速的趨勢。

圖2 普者黑流域水域面積變化

總體來看，普者黑流域水域面積整體動態度呈現正增長的趨勢，從1998～2019年，流域水域面積先后經歷了由退縮再到擴張的過程。普者黑流域水域面積最小年份出現在2009年558 km2和2010年557.82 km2，其原因為2009～2011年連續3年云南省旱情嚴重，省內除2個站旱情相對較輕外，其余123站均存在干旱，其中118站出現重旱以上等級干旱，107站達到了特別干旱等級，被確定為“60年一遇的特大干旱”；加之丁家石橋水庫于2009～2011年為建設施工期且2012年該水庫下閘蓄水。

圖3是1998～2019年代表年份普者黑水域面積分布圖，普者黑水域的中部湖泊部分是變化幅度較大的地區，水域地區的水庫面積處于平穩狀態，普者黑流域水域面積總體上呈波動增加的趨勢變化。

圖3 代表年份的普者黑水域面積分布

4 普者黑流域水域面積變化的影響因素分析

普者黑流域水域面積的變化是受自然因素和人為因素相互作用、共同影響的結果。自然因素如氣溫、降水和植被水源涵養等；人為因素主要包括工程建設、水庫的調蓄、河道整治和人類活動對生態環境的影響等。

4.1 氣象因素

普者黑流域的氣象因素選取降水和氣溫為主要驅動力，從普者黑流域年均降雨、氣溫變化可知(圖4)，1998～2015年普者黑流域年均降雨量為下降趨勢且在2011年達到最小值(702.46 mm)；1998～2015年普者黑流域氣溫年均值為增長趨勢且2010年達到最大值(17.64 ℃)。2008～2010年氣溫持續增長幅度較大且2010年達到最高值，降雨從2008～2009年持續減少，2009～2010年出現小幅度的上升后2010～2011年呈下降趨勢且最小值出現在2011年，此階段表現為降雨異常偏少、氣溫異常偏高。據資料統計，2009年7月1日，云南省平均降雨量為512.4 mm，比多年平均值(721.5 mm)偏少209.1 mm，偏少了30%，打破了有氣象觀測記錄以來同期平均降雨量的最少紀錄，平均最高氣溫為23.8 ℃，比多年平均(22.1 ℃)偏高1.7 ℃，打破了有氣象觀測記錄以來同期平均最高氣溫記錄。Pearson相關性分析顯示：氣溫、降雨與研究區水域面積變化無明顯相關性(R2=-0.108、-0.0821)。

4.2 植被因素

通過統計2000～2018年雨季和旱季時期的普者黑植被NDVI的平均值，得到普者黑流域的植被NDVI的變化趨勢。從圖6、圖7可以看出：2000～2018年旱季和雨季普者黑植被NDVI變化趨勢大體為增長趨勢，2000～2014年旱季NDVI增加幅度為0.248，雨季NDVI增加幅度為0.121，此階段為上升趨勢；2014～2018年旱季NDVI減少0.163，雨季NDVI減少0.096，此階段為下降趨勢。整體上看，旱雨季植被NDVI均呈先上升后降低的單峰型趨勢，其原因可能為普者黑流域中型水庫丁家石橋水庫和紅旗水庫分別于2011～2012年和2012～2014年施工，施工期疊加和庫區裸露導致植被覆蓋降低；以及2009～2010年云南省出現的極端干旱天氣導致流域范圍內降雨較往年有所下降使氣候呈現出暖干趨勢，兩大因素的存在造成了植被覆蓋出現先上升后降低的趨勢。Pearson相關性分析顯示旱季、雨季、年際3個階段的植被NDVI與研究區水域面積變化在0.05的水平上沒有明顯的相關性(R2=-0.096、-0.067、-0.088)。

圖4 普者黑流域年均降水、氣溫因子的變化

圖5 普者黑流域面積與降水、氣溫的相關性

圖6 普者黑流域雨旱季NDVI的變化

4.3 人類活動影響

水庫和堤防的修建改變了流域水文過程，截斷了下游湖泊的補給水源，湖泊因得不到充足的水源而缺水，出現萎縮和干涸現象。普者黑濕地公園上游河道清水河上游響水河段流域西高東低，屬珠江流域西江水系清水江一級支流清水河的一級支流，由西向東流經丘北縣響水、大勒哨、下勒哨、保山營、八道哨、小矣堵，流經國家濕地公園后注入清水河，河道平均坡降1.20%，清水河上游響水河段上游區，地表植被覆蓋率一般，水土流失嚴重，經調查流域內土壤侵蝕模數500 t/km2·a。

圖7 普者黑流域面積與NDVI的相關性

4.4 經濟因素

以矣堵、八道哨、馬頭山、普者黑村、馬者龍5個普者黑景區附近村委會的人均年收入為代表，分析2010～2015年間普者黑流域人均年收入的變化來反映該地區的社會經濟變化趨勢(圖8)。2010～2015年，5個村委會的人均年收入都呈上升趨勢。導致經濟快速發展的原因一方面是普者黑景區為云南省文山州著名的旅游景點，該景區開發于1992年，2008年晉級為國家4A級風景旅游區，2010年修建完成景觀大道，與普炭高速公路接通，景區面積擴張到了300多km2，水域面積占景區觀賞面積中的大多數，其水域景點的開發和商業化的綜合進展，帶動了附近村民的經濟發展；另一方面是由于當地的農業耕作以水田為主的農耕方式促進了經濟發展。Pearson相關性分析顯示，水域面積變化與社會經濟在0.05水平上顯著相關(R2=0.883)。

5 結論

(1)1998年以來，普者黑流域水域面積總體上呈波動增加趨勢，湖泊部分的變化最為明顯，水庫面積相對穩定。

(2)1998～2018年研究區水域面積變化可分為較明顯的3個階段，小幅度上升階段(1998～2002年)，劇烈減小階段(2002～2010年)，逐步上升階段(2010～2019年)，水域面積動態度分別為0.39%、-1.13%、0.96%，至2010年普者黑流域水域面積最小，與1998年相比減少。

圖8 普者黑流域附近地區人均年收入變化

(3)1998～2018年普者黑流域氣象因素和植被因素對水域面積變化影響較小。當地政府對普者黑附近水系的河道整治、水庫的修復、該地的旅游業的發展、景區模式的不斷擴大和當地農耕以水田為主的方式等人為因素是研究區水域面積變化的主要原因。