長時間序列下鄱陽湖汛期水體面積變化特征及驅動因素分析

田碧青, 吳常雪, 穆興民,2, 高 鵬,2, 趙廣舉,2, 尹殿勝

(1.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中水淮河規劃設計研究有限公司, 合肥 230601)

鄱陽湖作為中國最大淡水湖泊，它具有季節性、過水性及吞吐型特征，同時對調節長江水位、涵養水源、改善當地氣候和維護周圍地區生態平衡等具有重要作用[1]。作為吞吐型通江湖泊，鄱陽湖水體面積季節變化顯著。近幾十年受入湖徑流調控、長江上游三峽蓄水及人類活動影響，鄱陽湖流域出現洪水調蓄功能下降、汛期洪澇頻繁、枯水期干旱頻率增大、生態環境退化等問題，致使鄱陽湖的水文節律被打亂，給鄱陽湖區民生、生態、經濟等方面帶來嚴重的負面影響[2-3]。

水體面積大小及其變化是表征湖泊功能的重要指標。對鄱陽湖水體面積年際變化與入湖泥沙徑流關系及其對水環境及生態研究已開展大量研究，鄱陽湖湖泊水體形態主要針對旱期研究，羅蔚等[4]通過Mann-Kendall等檢驗方法，分析了鄱陽湖流域干旱的時空演變特征，結果表明：鄱陽湖流域"旱澇"和"澇旱"轉換越來越頻繁，掌握長時間序列下鄱陽湖汛期水體面積變化特征對未來鄱陽湖治理保護有重要意義。因此，本文基于1977—2017年汛期鄱陽湖湖泊水體面積數據、出入湖徑流量數據與鄱陽湖流域土地利用變化數據資料，分析鄱陽湖汛期水體面積變化及其驅動因素，辨析自然因素和人類活動對鄱陽湖汛期水體面積變化的影響，以期為鄱陽湖流域生態治理提供科學依據。

1 研究區概況

鄱陽湖位于江西省北部長江中游南岸，北緯28°22′—29°45′，東經115°47′—116°45′，流域總面積162 225 km2。作為典型通江湖泊，鄱陽湖湖泊全年來水主要依靠贛江、撫河、信江、饒河、修水5大河流的入湖徑流，以及長江自湖口倒灌入湖的頂托作用[5]，“五河”徑流量匯入鄱陽湖經湖口流入長江。流域內降水時空分布不均，入湖徑流量季節性十分顯著，4—9月的入湖徑流量占全年75%，尤其夏季主汛期入湖徑流占50%以上[6]，同時受湖口長江干流洪水頂托作用影響，湖泊每年6月末—7月初逐漸進入汛期，湖泊維持高水位，整個湖區為湖泊水域；10月開始進入旱期，“五河”入湖水量下降，長江頂托作用削弱，鄱陽湖進入旱期，湖水面積縮小，大片濕地裸露，形成濕地草場的湖泊景象，自古有“洪水一片，枯水一線”的說法形容其鄱陽湖水體面積旱汛差異[7]。

2 數據與方法

2.1 資料與數據

湖泊面積通過對Landsat系列衛星對研究區內拍攝的低云遙感影像處理提取1977—2017年每年6月、7月、8月以及9月的鄱陽湖水體面積均值，衛星數據源于Landsat-1—3MSS衛星、Landsat-4—5TM衛星、Landsat-7 ETM+衛星以及Landsat-8 OLI衛星的多光譜數據，由于部分圖像缺失，最后篩選出除1980年、1982年、1985年、1994年、2009年以外1977—2018年共134期多光譜衛星影像圖各年汛期的遙感影像，取水體面積并求出各年汛期平均面積。

水文數據來自鄱陽湖流域的主要控制水文站：贛江外洲站、撫河李家渡站、修河萬家埠站、信河梅港站、饒河渡峰坑站、湖口站，各水文站1977—2017年7—9月的實測月徑流量數據。各水文站情況見表1。

表1 研究區控制水文站分布情況

土地利用數據利用全國土地利用調查1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共6期土地利用數據提取研究區土地利用變化，數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心構建的全國土地利用數據庫。土地利用分類系統采用兩級分類體系，其中一級土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地及未利用地6類，二級土地利用為25種地物類型。

2.2 研究方法

采取多波段像元值比較方法對Landsat衛星圖片進行水體信息提取從而計算汛期湖泊水體面積[8-9]。對1977—2017年各年汛期鄱陽湖水體平均面積數據進行趨勢分析總結其變化特征，并判斷鄱陽湖汛期湖泊面積變化是否存在突變點，如果存在，結合水文數據的趨勢及突變分析與土地利用變化分析解釋其突變原因。趨勢分析采用Mann-Kendall趨勢分析法，突變分析采用Mann-Kendall突變檢測法。

流域內水文數據是以鄱陽湖湖區月均出入湖徑流量差值表示汛期凈出湖月均徑流量，通過7—9月“五河”各站汛期徑流量月值，得出流域內汛期月均入湖徑流量，同樣求出湖口站汛期月均出湖徑流量；由湖口站的出湖汛期月均徑流量減去“五河”汛期月均徑流量得到汛期湖區出入湖徑流量差值，對其進行水文分析。

流域內土地利用數據通過GIS軟件對土地利用矢量數據通過重分類進行柵格化處理獲取。將二級土地利用類型合并為一級土地利用類型，并重新賦值:1農地、2林地、3草地、4城鄉工建用地、5未利用土地[10]。通過獲取的1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年鄱陽湖流域土地利用變化數據，生成主要土地利用類型的變化表。利用動態度單一土地利用表現土地利用變化程度及特征，評價人類活動對湖泊汛期水體面積變化的影響[11]。單一土地利用動態度公式[12]：

式中：K為單一土地利用類型動態度；Ua為研究初期某種土地利用類型的用地面積；Ub為研究末期某種土地利用類型的用地面積；T為研究時段。

3 結果與分析

3.1 汛期水體面積特征及變化趨勢

汛期鄱陽湖水體面積年際變化差異顯著，20世紀90年代期間變異程度最大(表2)。鄱陽湖汛期水體面積年際變化過程見圖1，2007—2017年汛期湖水面積平均2 989.1 km2，最大為1998年的4 662.05 km2；最小為2011年的2 109.73 km2。

表2 鄱陽湖1977-2017年汛期水體平均面積

圖1 1977-2017年汛期湖泊平均面積變化

根據Mann-Kendall趨勢分析，檢驗統計量Z值為-1.60，通過了90%的顯著性檢驗，說明1977—2017年鄱陽湖汛期湖泊平均面積呈縮小趨勢，Mann-Kendall突變檢驗結果表明，UF和UB曲線在2005年出現交點，汛期湖泊水體面積可能在2005年發生了突變(圖2)，利用Pettitt突變檢驗對2005年這個可能突變點進一步驗證，Pettitt檢驗結果表明，2005年是汛期湖泊水體面積的突變點(圖3)。UF趨勢線表明湖泊汛期水體面積在2005年之前經歷了1977—1982年減小、1983—1986年增長、1987—1996年減小、1997—2004年增長的小幅波動變化但都不顯著，在2005年后持續減小且UF曲線接近0.05顯著水平線，表明較2005年之前鄱陽湖汛期水體面積較之前變化下降趨勢顯著。

圖2 汛期湖泊平均面積Mann-Kendall突變檢驗

圖3 鄱陽湖汛期湖泊平均面積Pettitt突變檢驗

3.2 汛期湖區凈出湖徑流量均值變化及其對湖泊水體面積的影響

1977—2017年鄱陽湖汛期月均凈出湖徑流量呈顯著增長趨勢，期間平均值為2 047.9 m3/s；1998年最大(5 339.9 m3/s)；1979年最小(-362.9 m3/s)(圖4)。汛期鄱陽湖凈出湖徑流量變化年際差異顯著，20世紀80年代變異程度最大(表3)。

圖4 1977-2017年期間汛期月均凈出湖徑流量差值變化

表3 鄱陽湖1977-2017年汛期凈出湖徑流量

汛期凈出湖徑流量Mann-Kendall趨勢分析結果，檢驗統計量Z值為2.24，通過了95%的顯著性檢驗。汛期月均凈出湖徑流量與湖泊水體面積相關性分析表明兩者呈顯著負相關(r=-0.58，0.01水平顯著)。Mann-Kendall突變檢驗結果顯示分別在1990年、2003年、2006年、2010年、2012年UF和UB曲線出現交點，表明可能發生突變(圖5)。利用Pettitt突變檢驗對1990年、2003年、2006年、2010年、2012年這5個可能突變點進一步驗證(圖6)。Pettitt檢驗結果表明，凈出江徑流量在1990年發生突變。UF曲線顯示月均汛期凈出湖徑流量在1990年之前主要呈小幅減少趨勢，在1990年后汛期月均凈出湖徑流量開始增大，在20世紀90年代末期—21世紀00年代增加趨勢十分顯著(通過0.05顯著性檢驗)，2005年后增加趨勢不再顯著但仍保持增加狀態至2017年。

圖5 汛期月均凈出湖徑流量Mann-Kendall突變檢驗

圖6 鄱陽湖汛期出入湖徑流量差值Pettitt突變檢驗

汛期月均凈出湖徑流量與湖泊水體面積相關性分析表明兩者呈顯著負相關(r=-0.58，0.01水平顯著)，表明1977—2017年，鄱陽湖汛期湖區凈出湖徑流量的逐年顯著增加，是影響汛期湖泊水體面積下降的原因之一。90年代末受幾次全流域性大洪水影響1990—1999年汛期月均凈出湖徑流量增加[13]。

每年7—8月長江進入主汛期，對鄱陽湖出湖徑流的頂托作用增強導致使鄱陽湖流域洪水滯留，水體面積增長，9月長江頂托作用削弱，湖區洪水自湖口泄入長江，增加汛期月均凈出湖徑流量。因自2003年起長江上游三峽工程開始逐漸實施蓄水工程，工程落實后于每年8月下旬開始蓄水調度，造成長江下游汛期末水量減少，鄱陽湖湖口段長江對鄱陽湖湖區的頂托作用削弱，所以自21世紀00年代汛期月均凈出湖徑流量較之前顯著增加[14-19]。自2003年后，湖口年均倒灌現象較三峽工程實施前呈總體減弱趨勢，頻頻出現湖水提前匯入長江的現象，鄱陽湖湖區汛期提前結束，是造成汛期水體面積在2005年后下降趨勢顯著原因之一。且已有研究結果顯示，鄱陽湖入湖年徑流量變化趨勢具有明顯的年代差異，21世紀00年代是入湖徑流量的偏少期，這也對2005年后湖泊水體面積下降產生了一定程度的影響[20]。

3.3 鄱陽湖土地利用變化特征及其與湖泊水體面積響應

通過對鄱陽湖流域6個時期的土地利用變化數據統計分析，歸納出鄱陽湖流域1980—2015年鄱陽湖流域土地利用變化總體特征(表4，圖7)：鄱陽湖流域土地利用類型除水體以外，以林地、耕地為主，多年保持占流域面積的80%以上，草地次之，城鎮與未利用土地占比最少。1980—2015年35 a中，耕地總體呈減小趨勢，動態度為-0.34%；林地總體變化幅度不大，略呈減少趨勢，動態度0.15%；草地總體呈下降趨勢，動態度-0.21%；城鄉工建用地總體呈上升趨勢，動態度1.36%；未利用土地總體呈下降趨勢，動態度-1.52%。1980—2015年鄱陽湖流域土地利用結構中，變化幅度最大的是未利用土地減少與城鄉工建用地增加，未利用土地由1 163 km2下降至543 km2，城鄉工建用地由2 501 km2上升至3 694 km2；其余土地利用面積有增有減，但其總體變化幅度不大，各時期變化幅度不同，自2015年后湖區各土地利用類型變化趨于穩定，且城鄉工建用地出現了首次下降，沼澤地、裸土地面積出現了首次增長。

表4 1980-2015年鄱陽湖流域土地利用變化

圖7 鄱陽湖流域1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年土地利用分布

由圖7可見，主要是城鄉工建用地面積增長、未利用土地面積減少對鄱陽湖汛期湖泊水體面積變化產生影響。在19世紀90年代之后城鎮化規模更大，速度更快。城鎮化加速發展下流域內城鄉工建用地面積增大，城鄉工建用地面積增加，濕地等未利用土地類型面積減少，導致流域內產水量增加，洪澇災害發生頻率增加，致使90年代末湖泊水體面積呈增長趨勢[13，21-23]。1998年后國家實施“退田還湖”政策，使流域內農田面積減少，濕地等未利用土地面積顯著增加。另外90年代末流域內在水土流失嚴重的區域，開展了大面積的植樹造林，該區的林地面積在21世紀后增加；并自2012年起，江西政府開始實施沿鄱陽湖生態移民政策，對湖區核心保護區內禁止圍湖造地，使得流域濕地水涵養功能得到改善，生態環境得到保護，洪水發生頻率下降，湖區洪澇災害情況得到改善，汛期平均水體面積縮小[23-25]。

4 結 論

(1) 鄱陽湖汛期水體面積在1977—2017年呈減少趨勢(Z值=-1.60，通過90%顯著性檢驗)，鄱陽湖汛期水體面積在2005年發生突變，2005年后汛期水體減小速率增大。

(2) 受長江上游汛期提前蓄水影響，湖口長江頂托作用削弱，導致汛期凈出湖徑流量呈顯著增加趨勢(Z值=2.24，通過95%顯著性檢驗)，并在1990年發生突變，1990年后顯著增加，是汛期湖泊水體面積減小的主要驅動因素之一。

(3) 1980—2015年流域內土地利用結構變化主要集中在城鄉工建用地面積增加(動態度1.36)、沼澤地面積減少(動態度-1.52)，導致流域內生態蓄水能力下降，洪澇災害發生頻率增大，影響90年代末汛期水體平均面積增大。

(4) 鄱陽湖汛期湖泊水體面積變化主要受長江上游三峽工程汛末提前蓄水與流域內城鎮化加速發展影響，“退田還湖”與生態移民政策有利于改善汛期湖區洪水發生頻率。