近40 年高郵湖水體面積變化監測與時空分析

王晨，錢鑫，謝宏全

（1.地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇南京 210007；2.江蘇華東地質環境工程有限公司，江蘇南京 210007；3.江蘇江之南環境科技有限公司，江蘇無錫 214432；4.江蘇海洋大學海洋技術與測繪學院，江蘇連云港 222005）

湖泊生態系統是淡水生態系統的重要組成部分，在自然界中扮演著重要的角色，其形成和發展對全球氣候有顯著影響，是人類生產生活中不可缺少的寶貴資源[1]。近年來，氣候變化加劇，水環境惡化以及水資源枯竭等狀況，是實現可持續發展亟待解決的問題[2-3]。

很多學者開始利用光學遙感影像數據和衛星測高數據分別獲取湖泊的面積變化和水位變化，進而使用水量平衡模型來估算湖泊水量變化[4]。如張國慶[5]利用Landsat 數據和ICESat 數據，對中國最大的10 個湖泊的面積、水位和體積變化進行了研究，并選擇了3 個代表性湖泊，利用流域內的氣象數據對其變化的原因進行了分析。朱長明[6]利用Landsat、CBERS 衛星遙感影像得到的面積和ICESat 測高衛星得到的水位估算了1972—2010 年博斯騰湖的水量變化，并利用流域的氣象站數據和湖區生產、生活用水和生態用水等人類活動用水數據分析了博斯騰湖近40 年來的變化原因。岳輝等[7]利用Landsat 數據提取湖泊面積，并基于ICESat和Hydroweb 數據提取水位，將兩者結合得到了1975—2015 年太湖的水體積變化，研究發現入湖水量的增加、年降雨量和年蒸發量的變化及政府“退地還湖”政策是太湖發生動態變化的主要原因。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

高郵湖（32°42'N—33°10'N，119°06'E—119°25'E）地處江蘇省揚州市、淮河下游地區，是淮河水入江的必經之路[8]，湖泊表面水體面積達到760.67 km2。地勢大多為水鄉平原，海拔平均在15～20 m 之間。高郵湖年均水位為5 m，正常情況下容量為4.6×108m3[9]。高郵湖的地理位置屬于亞熱帶，氣候適宜，降水充足。年平均氣溫14.7 ℃。一年之中降水量最大的月份是6 月、7 月，年均降水量為1 029 mm，年均蒸發量為890 mm。主要災害性天氣為洪水、大風和雷擊[10]。

1.2 數據源

1.2.1 Landsat 衛星影像數據

本文所用的Landsat 遙感數據為1985—2020 年的Landsat 5～Landsat 8，所有需要使用到的影像數據都可以通過GEE 直接獲取而來并且可以直接處理，由此省去獲取并下載影像所耗費的很大一部分的時間。

1.2.2 降水與氣溫數據

本文所需氣象數據是在中國氣象數據網（http://data.cma.cn）上申請下載高郵湖周邊氣象觀測站1988—2015 年所監測的氣象數據。

1.3 研究方法

本文主要從湖泊水體面積以及湖泊的動態變化率等方面，對湖泊的變化情況進行分析。在某一時間段內湖泊的面積發生變化，這一情況稱之為湖泊的動態變化率。其表達式為[11]：

式中：K為研究時段內湖泊面積變化情況；Sa、Sb分別為湖泊起始面積和結束時的面積；T為研究范圍內的時間總長。

當K值大于0 時，表示湖泊面積正處于不斷增加的階段當中，湖泊處于K值小于0 時，則表示水處于減少的動態變化中；K的絕對值越大，表示湖泊面積變化越劇烈。

2 高郵湖水體面積變化分析

根據本次研究所確定的湖泊研究范圍，通過GEE提取的水體面積，對各個年份里的最大水體面積進行對比，查看其面積的變化情況和分析湖泊動態變化情況。

高郵湖1984—2020 年水體面積變化情況如圖1 所示，高郵湖水體面積上處于先增后減再增的波動狀態，在1985—1990 年、1995—2005 年和2015—2020 年間水體面積處于增長狀態，而在1990—1995 年和2005—2015 年間水體面積處于減小狀態，在1995 年減少至最低狀態，面積減少了32.730 3 km2。在37 年內水體面積總體處于減少狀態，減少了2.000 7 km2。

圖1 1984—2020 年高郵湖年際最大水體面積變化統計

高郵湖37 年內水體面積動態變化率如圖2 所示。

圖2 1984—2020 年高郵湖年際最大水體面積動態變化率

在1984—2020 年的37 年里，高郵湖的水體面積演變強度指數為-0.008，說明湖泊的年際最大水體面積整體在萎縮。在1989—1993 年、1994—1998 年、1999—2003 年、2004—2008 年、2014—2020 年的湖泊演變強度大于0，說明這幾個時間段內湖泊處于擴張狀態。而1999—2003 年的湖泊演變強度指數最大，表明在1999—2003年之間，年際最大水體面積擴張的最快。而在1984—1988 年、2009—2013 年時間段內，湖泊演變指數小于0，說明湖泊水體在這期間一直處于減少的狀態。因為演變指數的絕對值越大，表明湖泊變化越劇烈。因此，1984—1988 年湖泊水體面積萎縮速度比2009—2013 年慢。在1984—2020 年的全序列內，湖泊演變強度有正有負，表明湖泊面積一直處于擴張和萎縮的動態變化中。

3 湖泊水體面積演變機制分析

3.1 氣候變化對湖泊面積的影響分析

湖泊表面水體面積對氣候變化較為敏感，分析湖泊表面水體面積變化與氣候變化的相關性，是探究湖泊表面水體面積變化的良好指標。因此，統計1988—2015 年高郵湖研究區域周邊的測站點的年平均降水量和平均氣溫作為研究區降水和氣溫的指標，分析高郵湖水體面積變化與降水和氣溫的相關性。

3.1.1 氣溫變化對湖泊面積的影響

在1988—2015 年這27 年間的平均氣溫為15.3 ℃，最高均溫為16.6 ℃，最低均溫是14.5 ℃，期間氣溫整體處于上升趨勢。其中，1988—1998 年這10 年間氣溫按照0.127 ℃/年的變化幅度持續增長，而水體面積則呈0.086 km2/年的速率在減少。1998—2003 年年均氣溫變化按照-0.1 ℃/年速率下降，而水體面積則按照年均6.743 km2/年的速率在增長；而在2003—2015 年這17 年間，氣溫則按照0.058 ℃/年的變化幅度持續增長，與此同時水體面積則也在按照2.041 km2/年的速率在減少。由此可知，研究區多年平均氣溫與高郵湖水體面積變化趨勢呈負相關。

年均氣溫與湖泊面積變化相關性分析如圖3所示。由圖3 可知：經過Pearson 相關性分析，年均氣溫變化情況與水體面積變化情況在0.05 水平上顯著相關，相關系數為0.485 8。因此，氣溫的變化是湖泊演變的影響因素之一。

圖3 年均氣溫與湖泊面積變化相關性分析

3.1.2 降水量變化對湖泊面積的影響分析

在1988—2015 年這27 年里，高郵湖年均降水的年平均值為1 007.9 mm。其中，年均最大降水量達到1 823.9 mm，最小的是684.1 mm。在1988—2001 年期間，年均降水量按照16.4 mm/年的速率在減少，水體面積在1988—2001 年期間呈現下降升趨勢，下降速率為0.31 km2/年。在2002—2015 年期間，年均降水量按照4.4 mm/年的速率在增長，在這期間，水體面積呈現上升趨勢，水體面積增長速率為0.47 km2/年。總體上，研究區內降水量呈現微弱減少趨勢，遞減速率為4.5 mm/年，水體面積整體也呈現下降趨勢，下降速率為0.19 km2/年。由此可知，研究區多年平均氣溫與高郵湖水面面積變化趨勢呈正相關。

降水量與湖泊面積變化相關性分析如圖4 所示。由圖4 可知：1988—2015 年研究區內年均降水量波動幅度較大，根據Pearson 相關性分析顯示，年均降水量變化情況與湖泊水體面積在0.05 水平顯著相關，相關系數為0.118。

圖4 降水量與湖泊面積變化相關性分析

3.2 圍網養殖變化對湖泊水體面積的影響分析

近年來，由于圍網養殖的興起，隨著養殖區面積的不斷增長，湖泊水體面積在逐漸減少。從1988 年開始，高郵湖也陸續出現了零散的圍網養殖區，尤其是2000 年之后增長的速度飛快。據有關數據統計，因湖區北部養殖區域的猛然增長，生態系統遭到嚴重損害，導致種群數量的快速減少。因此通過對圍網養殖面積與水體面積的相關性分析，以此來分析人類活動對湖泊演變的影響。

通過分析影像數據，統計2000—2015 年圍網養殖面積變化情況，如表1 所示，并對圍網養殖面積與水體面積變化情況做相關性分析，得出水體面積與圍網養殖區面積的相關性結果，如圖5 所示。

圖5 水體面積與圍網養殖區面積的相關性

由表1 可知，在2000—2015 年期間圍網面積由原來的45 km2上升到了131 km2，增長率為5.73 km2/年，在2011 年圍網面積增長到了最大為199 km2。其中，在2000—2009 年間圍網養殖的增長率也達到了最大，為15.56 km2/年，而在2009—2015 年間圍網面積有所下降，面積按照9.00 km2/年的速率在減小。雖然在2009—2015 年間圍網養殖的面積有所減少，但在整體上，圍網面積仍然處于增長狀態。

通過圖5 可知：圍網養殖區面積與水體面積的Pearson 相關系數為0.810，達到0.05 顯著水平。因此，圍網養殖面積與水體面積呈負相關，相關系數為0.810。因此，人類活動同樣是造成湖泊演變的影響因素之一。

4 結論

本文利用遙感云計算平臺對高郵湖水體進行識別提取，并對高郵湖進行時空變化分析以及從自然因素和人類活動等方面分析對湖泊演變的影響。研究結論如下：基于水體面積的時空變化分析可知，在1984—2020 年內高郵湖水體面積處于減少狀態，湖泊動態變化率為-0.008；通過分析氣溫、降水和圍網養殖與水體面積的相關性，得到相關系數分別為0.485 8、0.118 和0.810，圍網養殖對湖泊演變的影響最大，依據當地政策為水環境保護提供依據。