袁 敏，李忠武＊＊，謝更新，梁 婕，趙新娜，姜燕松，彭也茹，張 艷

(1:湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

(2:湖南大學(xué)環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程，其建設(shè)對(duì)生態(tài)及環(huán)境影響的利弊問(wèn)題，從建設(shè)之初到建成后一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和爭(zhēng)議點(diǎn)[1].三峽工程于1994年開(kāi)工建設(shè)，2003年6月下閘，到2006年汛后已蓄水至156 m，2009年建設(shè)完成，正常蓄水位175 m.隨著三峽工程階段性蓄水的運(yùn)行，長(zhǎng)江中下游的江湖關(guān)系更加復(fù)雜，包括水文、泥沙、生態(tài)以及環(huán)境等方面在內(nèi)的大量科學(xué)問(wèn)題有待進(jìn)一步探討.

郭小虎等[2]從分流分沙方面分析了三峽工程運(yùn)行后對(duì)長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系造成的影響;李倩[3]開(kāi)展了三峽工程背景下洞庭湖水質(zhì)評(píng)價(jià)、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及其對(duì)濕地植物生長(zhǎng)等生態(tài)環(huán)境研究.洞庭湖是長(zhǎng)江中下游地區(qū)不可替代的防洪屏障，湖泊水面作為重要的水情信息，其在三峽工程建成前后的變化特征研究，對(duì)于湖泊的可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)江中下游水量平衡有著重要意義[4].賴錫軍等[5]運(yùn)用耦合水動(dòng)力模型證明了三峽蓄水對(duì)洞庭湖水情產(chǎn)生重要影響，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和河流動(dòng)力學(xué)Saint Venant 方程組模擬和預(yù)測(cè)，區(qū)分出三峽的影響分量，并認(rèn)為三峽蓄水對(duì)洞庭湖水位產(chǎn)生了較大影響.彭定志等[4，6]分別提取洞庭湖、鄱陽(yáng)湖的水面面積，并結(jié)合實(shí)測(cè)水位建立二者的定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了水面面積的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).這些研究成果為三峽工程建設(shè)對(duì)洞庭湖水位、水面的影響研究奠定了基礎(chǔ)，但以上研究沒(méi)有綜合考慮三峽工程建設(shè)導(dǎo)致的上游來(lái)水來(lái)沙變化對(duì)下游河道和湖泊演變的長(zhǎng)期效應(yīng)，同時(shí)在進(jìn)行水面面積和水位的統(tǒng)計(jì)分析中，樣本數(shù)量偏少使其代表性并不十分充足，精確性有待提高.因此，在三峽工程建設(shè)及氣候變化等因素的共同作用下，洞庭湖水域面積的變化規(guī)律情況及其與水位變化的關(guān)系有待進(jìn)一步開(kāi)展研究.

常規(guī)的湖泊監(jiān)測(cè)不僅受到人力財(cái)力的限制，在時(shí)間和空間上亦很難實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊水體全面、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè).遙感技術(shù)廣闊的空間范圍及獲取的高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)使得其在大尺度研究上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).在眾多的遙感數(shù)據(jù)源中，中分辨率成像光譜儀(MODIS)具有高時(shí)間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，每1 ～2 d 獲取全球觀測(cè)資料1 次，擁有Terra 和Aqua 兩顆衛(wèi)星在數(shù)據(jù)采集時(shí)間上形成互補(bǔ).在MODIS 影像中，在可見(jiàn)光紅光范圍(0.62 ～0.67 μm)水體相對(duì)其它地物反射率較高，而在近紅外波段范圍(0.841 ～0.876 μm)水體反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于植被、土壤等.研究表明，MODIS 影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品可有效地用于湖區(qū)植被監(jiān)測(cè)、水文遙測(cè)等，也可用于描述湖區(qū)表面生物物理性質(zhì)和過(guò)程[4，6-7].本研究利用2000-2010年洞庭湖MODIS 影像數(shù)據(jù)，分別提取11年同時(shí)期遙感影像水面面積數(shù)據(jù)，將水面面積與城陵磯水位數(shù)據(jù)結(jié)合，尋求三峽工程建設(shè)背景下洞庭湖水面面積的年內(nèi)變化規(guī)律及年際變化規(guī)律.研究結(jié)果可為進(jìn)一步探討長(zhǎng)江中下游復(fù)雜的水文情勢(shì)和洞庭湖流域生態(tài)安全提供參考.

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域概況

洞庭湖(28°30' ～30°20'N，110°40' ～113°10'E)是我國(guó)五大淡水湖之一，位于長(zhǎng)江荊江南岸，跨湘、鄂兩省，主要由東洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖組成.北有松滋、太平、藕池、調(diào)弦(1958年已堵塞)四口(以下簡(jiǎn)稱“三口”)引長(zhǎng)江水來(lái)匯，南面和西面有湘江、資水、沅江、澧水(以下簡(jiǎn)稱“四水”)注入，湖水經(jīng)城陵磯排入長(zhǎng)江，因此洞庭湖成為長(zhǎng)江中下游既能夠容納四水也可以吞吐長(zhǎng)江的通江湖泊.洞庭湖對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)緩解洪澇災(zāi)害、維系水沙平衡等具有不可替代的作用，既是長(zhǎng)江中下游水域生態(tài)平衡的重要功能區(qū)，同時(shí)也是具有國(guó)際意義的珍稀候鳥(niǎo)越冬棲息地.豐水時(shí)期湖泊蓄水量約為85×108m3，但枯水期僅為7×108m3，不到豐水期的1/10，且近年來(lái)有連續(xù)減少的趨勢(shì).

1.2 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究中的數(shù)據(jù)預(yù)處理分為3 個(gè)步驟:

1)運(yùn)用遙感軟件ENVI 4.4 和MRT(MODIS Reproject Tools)對(duì)MODIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)域裁剪、投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，使影像數(shù)據(jù)成為集中反映研究區(qū)概況和具有坐標(biāo)統(tǒng)一、范圍一致的完整性的研究數(shù)據(jù)集.MOD13Q1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要提供16 d 的植被指數(shù)影像數(shù)據(jù)，包含歸一化植被指數(shù)(NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)，空間分辨率為250 m，均來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的GSFC 衛(wèi)星網(wǎng)站(http://modis.gsfc.nasa.gov).

2)采用最大合成法(maximum value composite，MVC)預(yù)處理NDVI 數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為2000-2010年，每年共有23 期影像.

3)基于經(jīng)過(guò)MVC 處理后的數(shù)據(jù)集仍然存在較大的噪聲影響和殘差，在TIMESAT 3.1 軟件[8-9]支持下，采用Savitzky-Golay 濾波法進(jìn)一步對(duì)NDVI 影像數(shù)據(jù)分析和重構(gòu)，經(jīng)對(duì)比可以有效地解決噪聲影響和突變部分，提高時(shí)序數(shù)據(jù)的濾波效果及質(zhì)量.

1.3 洞庭湖水面的提取

目前利用遙感信息提取水體信息的方法通常有單波段法和多波段法，另外還有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的算法及基于地理信息系統(tǒng)(GIS)及水力演進(jìn)模型法[10].在對(duì)目前解譯水體遙感信息方法進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，本研究采用李景剛等提出的單波段閾值法和多源信息相結(jié)合的方法，該方法很好地消除了山體和云的陰影，也能夠把水體和水生植物及其它地物區(qū)分開(kāi)來(lái)，獲得的水體提取效果最佳(圖1).

圖1 基于MOD13Q1 提取的洞庭湖各季節(jié)水面面積對(duì)比Fig.1 Comparison of the surface water area in different seasons by MOD13Q1 in Lake Dongting

洞庭湖區(qū)存在較大面積的楊樹(shù)林、蘆葦，水生植物和水體泥沙含量也將影響研究區(qū)水域范圍的提取，本研究在李景剛等[11]研究的基礎(chǔ)上，采用通過(guò)確定NDVI(公式(1))和紅外波段DN 值兩個(gè)閾值的方法提取水面.根據(jù)目視判讀變換閾值，若0 ＜NDVI≤0.1，則為水體;若紅外波段的DN ＜1000，則同樣也判定其為水體.將提取的水體信息結(jié)合ArcGIS 9.2 軟件進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)空間分析，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得出水面面積.

NDVI 采用非線性拉伸的方式增強(qiáng)了NIR 和R 的反射率對(duì)比度.一般情況下，NDVI 為負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等;為0 表示有巖石或裸土等;為正值表示植被覆蓋，且覆蓋度越大比值越高.在近紅外區(qū)，水體的反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于植被、土壤等，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可用來(lái)區(qū)分水陸邊界.

式中，NDVI 為歸一化植被指數(shù);NIR 為近紅外波段地表反射值;R 為紅光波段地表反射值.

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽工程建成前后洞庭湖水面面積變化特征

總的來(lái)說(shuō)，近年來(lái)洞庭湖水面面積總體上表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢(shì)(圖2)，其中在2000-2010年間，水面面積的變化在376.89 ～2557.94 km2之間.考慮到三峽工程于2003年6月1日下閘蓄水，因此本文將研究時(shí)間分為2000-2003(6月前)年、2003(6月后)至 2010年兩個(gè)時(shí)間段.

圖2 表明洞庭湖水面面積以每23 期(即1年)遙感影像圖為一個(gè)變化周期，其中2000-2003年周期的振幅明顯高于2004-2010年周期，并且尤其高于2004-2007年周期，且波谷值相近.近年來(lái)洞庭湖水面面積的峰值大約出現(xiàn)在2002、2003年的7、8月份，達(dá)到2557.94 km2，而在枯水期，最小面積甚至不足500 km2.在第二個(gè)時(shí)間段的7年(2004-2010年)間，水面面積最大值正常情況下均不超過(guò)2000 km2.彭佩欽等[12]從洞庭湖灘地出露天數(shù)和面積的角度，認(rèn)為三峽工程建成后所有高程的灘地出露天數(shù)總體上將逐漸增加，灘地出露天數(shù)的增加將使得洞庭湖低水位面積天數(shù)相應(yīng)增加，這與本研究的結(jié)果一致.

2000-2010年洞庭湖城陵磯水位與水面面積曲線趨勢(shì)整體上保持一致，但又并非嚴(yán)格一致，說(shuō)明兩者之間具有一定的相關(guān)性，但也存在影響兩者關(guān)系的因子.水面面積曲線在2008年末出現(xiàn)一個(gè)波峰，高于近年同時(shí)期的面積，水位也處于異常極端的狀態(tài).從氣候的角度來(lái)看，影響湖泊水面面積變化的主要?dú)夂蛞蛩厥墙邓?，流域?nèi)的極端降水在一定程度上影響入湖水量，從而導(dǎo)致極端水面面積的情況;洞庭湖近10年來(lái)春季和秋季降水量較以往有所減少，而夏季和冬季有所增加[13].三峽水庫(kù)多年來(lái)階段性蓄水時(shí)期處于降雨量減少的9月，二者相互作用使洞庭湖區(qū)水量補(bǔ)給減少，水面縮減.自2003年以來(lái)，“三口”平均徑流量減少約126.8×108m3，補(bǔ)給水量的減少使入湖水量銳減，從而加劇了洞庭湖水面面積近年來(lái)的縮減.

圖2 2000-2010年洞庭湖水面面積和城陵磯水文站水位變化Fig.2 Variation of the surface water area of Lake Dongting and water level of Chenglingji hydrological station from 2000 to 2010

從年度內(nèi)變化來(lái)看，洞庭湖水面呈現(xiàn)規(guī)律性的漲落，具有明顯的季節(jié)性特征，一年中的不同時(shí)期(平水期、豐水期、枯水期)湖泊水面的輪廓形態(tài)各異(圖1).通過(guò)對(duì)洞庭湖多年水面面積和水位數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，一般每年4月上旬水位開(kāi)始上漲，水面面積也隨著擴(kuò)大，5-6月進(jìn)入汛期，7-9月出現(xiàn)年最高水位，10月中旬湖水逐漸退落，到次年1-2月出現(xiàn)年最低水位，同時(shí)湖泊水面面積達(dá)到最小.

圖3 洞庭湖豐水期/枯水期水面面積比值Fig.3 The ratio of high water season to low water season of water surface area in Lake Dongting

各年洞庭湖豐水期水面面積與枯水期水面面積的比值越大，說(shuō)明水面面積在一年中變化的范圍和跨度越大，可對(duì)比反映出湖面年際變化的穩(wěn)定性(圖3).可以看出，2002年豐水期和枯水期的水面面積相差近5倍，最能體現(xiàn)“漲水是湖、落水為洲”的特點(diǎn)，整體趨勢(shì)線的走向朝下.三峽水庫(kù)蓄水的前幾年(2004-2006年)枯水期的水面面積略高于近幾年(2007-2010年)，2005年長(zhǎng)江上游泄洪和洞庭湖流域普降暴雨使得枯水期出現(xiàn)短暫的極端高值，造成比值偏低;三峽水庫(kù)蓄水前(2000-2003年)和蓄水后的近幾年(2007-2010年)，枯水期水面面積趨于相對(duì)穩(wěn)定，比值變小，由此可見(jiàn)豐水期面積在逐漸減小.

在長(zhǎng)江與洞庭湖復(fù)雜的“江湖關(guān)系”系統(tǒng)中，“三口”作為連接長(zhǎng)江與洞庭湖的紐帶，由于三峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用而帶來(lái)的長(zhǎng)江中下游水沙變化，必然引起洞庭湖區(qū)水位、水面面積作出響應(yīng).據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，1999-2002年“三口”年平均徑流量為625.3×108m3(表1)，自2003年三峽工程初運(yùn)行后，其年平均徑流量整體上有所下降，其中，2006特枯年減少到182.5×108m3;同時(shí)期內(nèi)，三峽水庫(kù)蓄水前(2000-2002年)洞庭湖年均水面面積為935.84 km2，蓄水后(2003-2005年)年均水面面積減少至880.11 km2，“三口”年均徑流量最小的2006年，水面面積也達(dá)到多年平均值的最小值，僅為619.61 km2，蓄水后的近幾年(2007-2010年)年均水面面積略有增加，與“三口”年均徑流量小幅度增量表現(xiàn)出一致性，2010年已增加至862.66 km2.由此可見(jiàn)，三峽水庫(kù)運(yùn)行期間對(duì)“三口”的年均徑流量的控制，直接影響入湖水量而成為年際水面面積波動(dòng)的重要因素.

表1 荊江三口多年平均徑流量(×108m3)變化[17]Tab.1 Variation of annual runoff amount in three outlets

據(jù)三峽水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，每年的5-6月為汛前騰空庫(kù)容時(shí)期，需要下泄水量以達(dá)到汛限水位.從2003-2010年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，這一時(shí)期洞庭湖水面面積均有不同程度的增加，其中以2006年增加最多[7]，達(dá) 698.45 km2，同時(shí)“三口”入湖徑流增加 3.23×108m3[14].在容易發(fā)生較大洪水的7-8月，三峽水庫(kù)通過(guò)攔蓄洪水、穩(wěn)定泄洪、錯(cuò)開(kāi)洪峰，從而發(fā)揮防洪效益.2010年發(fā)生的特大洪水期間，三峽水庫(kù)實(shí)行調(diào)洪調(diào)度，總攔洪超過(guò)230×108m3，減少了入湖洪量，水面面積約為1800 km2，相比往年同期稍有增加，由此可見(jiàn)，洞庭湖水面面積對(duì)三峽水庫(kù)攔洪蓄峰過(guò)程存在一定程度的響應(yīng).水面面積監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，三峽水庫(kù)運(yùn)行后的幾年，夏末秋初時(shí)節(jié)水面面積均有下降或提前縮小的趨勢(shì)，而根據(jù)三峽水庫(kù)調(diào)度方案，9-11月適逢三峽水庫(kù)蓄水階段，這一時(shí)期水庫(kù)水位將升至175 m，下泄流量減少，“三口”入湖徑流減少.每年的12月至次年4月，三峽水庫(kù)實(shí)行補(bǔ)水調(diào)度，即降低水位、增泄流量從而調(diào)節(jié)長(zhǎng)江中下游河道的水量.李景保等[14]的研究表明，在此期間，“三口”入湖徑流量在平水年、枯水年和豐水年有不同程度的增加，但影響期內(nèi)城陵磯徑流量在平水年和豐水年均為減少而枯水年略有增加.根據(jù)水面面積的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2006年水面面積達(dá)811.58 km2，而同期2004年(平水年)和2010年(豐水年)水面面積分別為426.96 km2和498.38 km2，相比三峽工程蓄水前的水面面積，表明三峽補(bǔ)水調(diào)度對(duì)于枯水年的洞庭湖面積調(diào)節(jié)作用相對(duì)明顯.由此可見(jiàn)，三峽水庫(kù)調(diào)度在一年中的預(yù)泄、調(diào)洪、蓄水、補(bǔ)水4 個(gè)時(shí)段對(duì)洞庭湖水面面積的影響，是其水面面積年內(nèi)變化的重要因素之一.

綜上分析，三峽工程自2003年6月運(yùn)行后，平均水位(圖4)和水面面積均有不同程度的下降，表明三峽工程對(duì)進(jìn)入洞庭湖的下泄水具有一定控制性作用，這對(duì)于洞庭湖防汛減災(zāi)工作和洞庭湖區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)具有顯著影響[15];2003-2010年秋季降水的減少和三峽工程試運(yùn)行期間階段性蓄水的共同作用下，洞庭湖區(qū)夏秋季連旱的程度加重，洲灘出露天數(shù)增加，將影響洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成一定的影響[7].

2.2 三峽工程建設(shè)前后水面面積變化的影響因素分析

圖4 平水期、豐水期和枯水期的平均水位Fig.4 The average water level in the tap water season，high water season and low water season

表2 洞庭湖流域季節(jié)降水量均值[11]Tab.2 The average seasonal precipitation in Lake Dongting

2.2.1 降水 流域內(nèi)降水是湖泊水量補(bǔ)給的主要途徑之一，某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的強(qiáng)降雨可能使湖泊水面面積突增而帶來(lái)水位升高、洪水等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，降水少的季節(jié)也可能引起入湖河道干涸、洲灘出露天數(shù)延長(zhǎng)等現(xiàn)象.三峽工程建成對(duì)氣候的影響受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注.普遍認(rèn)為，在全球氣候變化的背景下，三峽工程對(duì)氣候的影響微不足道，自1990s 以來(lái)，整個(gè)西南地區(qū)、長(zhǎng)江流域的降水都呈減少趨勢(shì)[16]，三峽工程建成之前降雨就已經(jīng)偏少.洞庭湖流域?qū)俚湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，是長(zhǎng)江流域氣候變化極為顯著的區(qū)域，根據(jù)2000-2010年間的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，洞庭湖流域最大年降水量是2002年，達(dá)到1836.6 mm，其余年份穩(wěn)定在1300 mm 左右.從季節(jié)上看，冬季年平均降水量最少而夏季最多，春、秋季降水量處于二者之間，與洞庭湖區(qū)枯水期、豐水期以及平水期的劃分較為一致，由此可見(jiàn)，降水對(duì)洞庭湖水面面積的影響是顯而易見(jiàn)的;當(dāng)前的研究普遍將一年的5-9月劃分為洞庭湖的豐水期，12月至次年2月劃為枯水期，春季(3-5月)和秋季(9-11月)同為洞庭湖平水期.從總體上看，春季多年平均降水量略高于秋季(表 2)[11]，并且自 2003年開(kāi)始三峽水庫(kù)夏末秋初的蓄水，入湖水量減少，降水、三峽水庫(kù)的雙重作用造成平水期水域的波動(dòng)，與遙感監(jiān)測(cè)的洞庭湖水面面積結(jié)果一致(圖2)，表明洞庭湖流域降水可能是影響湖水面積的主要?dú)夂蛞?

2.2.2 徑流 洞庭湖主要接受來(lái)自“三口”、“四水”的水源補(bǔ)給，從三峽水庫(kù)蓄水前與蓄水后年平均徑流量比較來(lái)看(表1)，三口由625.3×108m3減少到498.5×108m3，降幅為20.3%;四水的年平均入湖水量由1815×108m3縮減到 1516×108m3，降幅為 16.5%[17].1999-2002年，“三口”和“四水”全年入湖總水量約為2813×108m3，而三峽工程運(yùn)行初期(即2003-2008年)，全年入湖水量減少了約 20% ，為 2304× 108m3[17].作為洞庭湖主要的來(lái)水通道，“三口”、“四水”發(fā)揮了重要的補(bǔ)給作用，徑流會(huì)由于自然或外力的原因減小，湖水再經(jīng)由城陵磯流入長(zhǎng)江.在城陵磯出口流量基本穩(wěn)定的情況下，入湖水量的減少必然引起湖面面積縮減，這使得江河徑流成為水面面積變化的動(dòng)力因素之一.

2.2.3 人類活動(dòng) 特定的自然環(huán)境和劇烈的人類活動(dòng)，使洞庭湖成為我國(guó)洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一.1950s-1970s 的人工圍墾，使得湖面面積明顯縮小，到21 世紀(jì)初(2003年)洞庭湖共減少了近1700 km2的面積，這嚴(yán)重影響了洞庭湖的調(diào)蓄能力;“98 洪災(zāi)”后的退田還湖工程，在展開(kāi)綜合治理的3年內(nèi)，湖面面積擴(kuò)大554 km2;2004年完成的河湖疏浚工程，對(duì)四水以及洞庭湖的洪道進(jìn)行疏挖，增加湖泊容積3.47×108m3，約占洞庭湖總?cè)莘e的2%[18]，部分湖區(qū)湖泊敞水區(qū)域加大.

三峽工程對(duì)洞庭湖水位的影響，首先是通過(guò)改變長(zhǎng)江水情而產(chǎn)生作用的.洞庭湖城陵磯的水位分別在2003年6月、2006年10月和2009年11月達(dá)到同時(shí)期水位的波谷期(圖2)，這主要與三峽工程2003年開(kāi)始的階段性蓄水有關(guān).三峽工程從開(kāi)始蓄水時(shí)135 m 的水位到2009年已成功蓄水至175 m，在蓄水期內(nèi)城陵磯水位平均下降1.32 m[5].洞庭湖接納的長(zhǎng)江三口分流來(lái)水減少，斷流時(shí)間延長(zhǎng)，加之2006 和2009年出現(xiàn)罕見(jiàn)的旱災(zāi)，加劇了洞庭湖水位的下降.三峽水庫(kù)蓄水初期，泥沙沉積匯集，庫(kù)區(qū)泥沙淤積顯著增加[19]，由于庫(kù)區(qū)對(duì)泥沙的攔截，入湖泥沙明顯較蓄水前少，從根本上延緩了洞庭湖區(qū)泥沙淤積的速率，但湖區(qū)原本含沙量很大，因此在短時(shí)間內(nèi)仍處于淤積狀態(tài)，湖底緩慢地抬高，洲灘淤積增長(zhǎng)，將使得洞庭湖的水面面積仍在逐漸縮小.

表3 擬合公式Tab.3 The table of fitting formulas

2.3 三峽工程建設(shè)前后洞庭湖水面面積與城陵磯水位的相關(guān)性研究

考慮到城陵磯水文監(jiān)測(cè)站處于洞庭湖出口附近，且與長(zhǎng)江連接，更能實(shí)時(shí)反映洞庭湖水位的變化，因而面積-水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系更加明顯.因此，本研究主要以城陵磯水文監(jiān)測(cè)站為典型斷面，來(lái)探討洞庭湖水面面積和水位之間的相關(guān)性.

洞庭湖水面面積同水位的趨勢(shì)線具有較為緊密的聯(lián)系(圖2).為進(jìn)一步研究二者間的相關(guān)性，將2000-2010年間的水位數(shù)據(jù)與水面面積數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，同時(shí)考慮到三峽工程于2003年開(kāi)始運(yùn)行，因此將研究數(shù)據(jù)分成2000-2003年、2003-2010年(以下簡(jiǎn)稱時(shí)間段a 和時(shí)間段b)兩個(gè)時(shí)間段分別擬合.圖5 反映了二次曲線、對(duì)數(shù)模型和指數(shù)模型3 種模型的擬合結(jié)果(表3).根據(jù)擬合結(jié)果，二次曲線能較好地描述時(shí)間段a 內(nèi)洞庭湖水面面積與水位的相互關(guān)系，確定性系數(shù)最高，達(dá)到0.975(公式(2))，對(duì)數(shù)擬合和指數(shù)擬合次之，并且在同一種擬合模型中，時(shí)間段a 的確定性系數(shù)高于時(shí)間段b.

式中，Y 為湖面面積;x 為城陵磯水位.

圖5 水面面積-水位的二次多項(xiàng)式擬合(a，d)、對(duì)數(shù)擬合(b，e)、指數(shù)擬合曲線(c，f)Fig.5 The two polynomial fitting(a，d)，logarithmic function fitting(b，e)and exponential fitting curve(c，f)between surface water area and water level

城陵磯水位與水面面積有著良好的二次曲線關(guān)系(圖5)，可通過(guò)監(jiān)測(cè)水位實(shí)現(xiàn)對(duì)洞庭湖洪澇期水面面積的預(yù)測(cè)，以彌補(bǔ)天氣狀況差時(shí)遙感監(jiān)測(cè)的不足[4].洞庭湖多年平均水位為25.07 m，最高水位為2012年7月23日的33.08 m(城陵磯)，原因是受強(qiáng)降雨影響，沅江出現(xiàn)洪峰，加上三峽水庫(kù)不斷加大泄洪量，造成洞庭湖水位全面上漲.一般情況下，洞庭湖流域進(jìn)入汛期的時(shí)間是4月份，湖泊水位開(kāi)始抬升，到7、8月份水位達(dá)到最高，此時(shí)洞庭湖也達(dá)到一年中的豐水期，隨后由于長(zhǎng)江汛期和三峽水庫(kù)蓄水的影響，水位開(kāi)始在9、10月提前或者正常穩(wěn)定下降，直到次年1、2月水位降至最低.這個(gè)變化過(guò)程長(zhǎng)期而相對(duì)緩慢，因而能保持水位與水面面積較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而強(qiáng)降雨、三峽泄水等突發(fā)性事件引起的洞庭湖水位上升，導(dǎo)致水陸界限模糊，是影響遙感水體解譯精度下降的重要原因，因此，水位高度突變可能是影響擬合效果的一個(gè)因素.

此外，水位和水面面積的擬合系數(shù)受湖底高程的影響，西洞庭湖湖底高程大于南洞庭湖，東洞庭湖相對(duì)平緩(圖6)，因此西洞庭湖區(qū)水位下降得最快，南洞庭湖次之，湖底高程差異必然影響兩者間的定量關(guān)系[20].相關(guān)研究認(rèn)為，在水沙進(jìn)入湖區(qū)導(dǎo)致湖底淤高的歷史時(shí)期，洞庭湖區(qū)一直處于緩慢的沉降之中，構(gòu)造沉降導(dǎo)致高程降低、水位與地面高差增大，且沉降運(yùn)動(dòng)具有東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱的規(guī)律[21-22].

圖6 洞庭湖湖底高程Fig.6 The elevation of Lake Dongting

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)MODIS 16 d 最大值合成的植被指數(shù)影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品集MOD13Q1 濾波、裁剪、投影等處理，提取了2000年1月至2010年12月期間洞庭湖水面面積，結(jié)合同時(shí)期城陵磯水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，在三峽工程建設(shè)背景下對(duì)其進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究.研究結(jié)果表明:

1)在三峽工程建設(shè)背景下，洞庭湖水面面積在2003年三峽工程開(kāi)始蓄水后整體上呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)，三峽工程2003、2008、2009年夏末秋初的蓄水行為對(duì)洞庭湖水面面積的變化起到直接影響，是加劇夏秋連旱的重要因素之一.

2)在降水、徑流以及人類活動(dòng)的共同驅(qū)動(dòng)下，洞庭湖水面面積變化呈現(xiàn)季節(jié)性特征，年際變化特點(diǎn)與降水、徑流均表現(xiàn)出一致相關(guān)性.

3)洞庭湖水面面積與水位在變化趨勢(shì)上表現(xiàn)出一定相關(guān)性，擬合結(jié)果顯示，二次曲線擬合能較好地描述水面面積與城陵磯水位的關(guān)系，擬合方程為Y=16.142x2-664.504x+7482.751.根據(jù)擬合方程，采用水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估算洞庭湖水面面積，能彌補(bǔ)天氣狀況不佳時(shí)遙感監(jiān)測(cè)的不足.但是由于洞庭湖面積較大，單個(gè)水位監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)對(duì)水面面積的描述可能不盡完善，這是后續(xù)工作中需要重視的方面.

三峽工程的運(yùn)行加劇了長(zhǎng)江中下游水文情勢(shì)的復(fù)雜性，對(duì)洞庭湖水域面積的影響不容忽視，加上近年來(lái)全球氣候的劇烈變化、河流改道等人類活動(dòng)影響，使得互相作用的因子更為繁多和復(fù)雜，因此，洞庭湖水面面積變化的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)諸多影響因子的關(guān)注.

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