婁 徑, 解華明, 王 俊

((1.安徽省經(jīng)濟(jì)研究院，安徽 合肥 230001; 2.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601)

皖江地區(qū)湖泊水域面積變化遙感監(jiān)測

婁 徑1, 解華明2, 王 俊1

((1.安徽省經(jīng)濟(jì)研究院，安徽 合肥 230001; 2.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601)

湖泊水域萎縮將會導(dǎo)致湖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能退化，改變湖泊生態(tài)環(huán)境與水域類型結(jié)構(gòu)，使水生生物量及其種類構(gòu)成發(fā)生變化，引起湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化。利用從1989—2012年之間共7個(gè)年份的遙感影像，提取皖江流域8個(gè)主要湖泊各年份的豐水期水域面積,計(jì)算各湖泊水域面積年變化信息，探討各種人類社會經(jīng)濟(jì)活動對湖泊水域面積變化的影響程序。

湖泊面積變化;遙感監(jiān)測;人類活動

內(nèi)陸湖泊是氣候變化、環(huán)境變異的指示器，其形成與消失、擴(kuò)張與收縮及其引起的生態(tài)環(huán)境的演化過程都是全球或區(qū)域氣候變化、人類活動共同作用的結(jié)果[1]。湖泊水域萎縮, 將會導(dǎo)致湖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能退化，改變湖泊生態(tài)環(huán)境與水域類型結(jié)構(gòu)，使水生生物量及其種類構(gòu)成發(fā)生變化，引起湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化。

在氣候濕潤的長江流域，湖泊水域面積近幾十年發(fā)生了較大變化[2-3]。太湖流域主要湖泊的水域面積自20世紀(jì)70 年代一直處于萎縮狀態(tài)，并且水域面積變化大的湖泊圍墾強(qiáng)度也高[4]；長江中游江漢平原自20世紀(jì)50年代初—70年代初,湖泊面積和數(shù)量大幅度減少，70年代初至2000年減少速度明顯減慢，這些情況剛好與該地區(qū)圍湖造田運(yùn)動的強(qiáng)度相吻合[5-9]。

本文利用從1989—2012年之間共7個(gè)年份的遙感影像，提取皖江流域8個(gè)主要湖泊各年份的豐水期水域面積，計(jì)算各湖泊水域面積年變化信息。探討各種人類社會經(jīng)濟(jì)活動對皖江湖泊水域面積變化的影響，以期更深入地了解和認(rèn)識人類活動因素與湖泊水域動態(tài)變化之間的響應(yīng)關(guān)系，對城市湖泊資源的合理開發(fā)、利用和保護(hù)具有重要意義。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

皖江地區(qū)主要湖泊是長江中下游湖泊濕地重點(diǎn)分布區(qū)之一，主要由華陽河湖群及菜子湖群組成，華陽河湖群由相互通連的龍感湖、黃大湖、泊湖等湖泊組成，菜子湖群包括菜子湖、白蕩湖、楓沙湖、陳瑤湖。其中龍感湖是國家級自然保護(hù)區(qū)，其它幾個(gè)湖泊屬于省級水禽自然保護(hù)區(qū)。皖江地區(qū)主要湖泊濕地面積占安徽省湖泊濕地面積的1/3，處于暖溫帶向亞熱帶的過渡地帶，是南北候鳥遷徙的重要通道，尤其是鶴類、鸛類和雁鴨類的重要遷徙停歇地[10]。這些湖泊在調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、濕地科研與觀光旅游等方面具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。皖江湖泊群地跨宿松縣、太湖縣、望江縣、懷寧縣、東至縣、桐城市、樅陽縣和安慶市轄區(qū)。

隨著該地區(qū)的人口增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶來自然和人為的破壞，湖泊面積逐年減少，湖體日益萎縮，影響湖泊調(diào)節(jié)洪水的能力，給該地區(qū)漁業(yè)養(yǎng)殖、候鳥遷徙造成了湖泊生態(tài)環(huán)境與生物資源破壞。

本文選擇龍感湖、黃大湖、泊湖、武昌湖、菜子湖、破罡湖、白蕩湖和升金湖8個(gè)較大湖泊作為研究目標(biāo)，如圖1所示。

1.2 遙感數(shù)據(jù)獲取

由于對湖泊的野外考察和定點(diǎn)觀測范圍有限，大范圍、全面深入的湖泊面積變化研究只能通過遙感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。研究所采用的美國陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)TM傳感器和ETM+傳感器，以及中國的環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)CCD傳感器數(shù)據(jù)，分辨率都為30 m。盡量選擇豐水期(長江流域豐水期為5—10月)的無云影像。如果在豐水期可以獲取多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的無云數(shù)據(jù)，則選擇湖泊面積最大月份的影像。因?yàn)楦鱾€(gè)湖泊所處氣候條件基本一致，所以各湖泊最大水面積時(shí)間也是基本一致的。

圖1 皖江沿江主要湖泊地理位置Fig.1 Major lakes location along Wanjiang River

表1 遙感數(shù)據(jù)獲取情況

1.3 水體提取方法

利用歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)進(jìn)行水體信息的提取[11]。NDWI根據(jù)不同地類在不同波段中的波譜特點(diǎn)，利用比值計(jì)算快速提取水體信息。其公式如下：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中:Green代表綠光波段，NIR代表近紅外波段。

由于水體的反射從可見光到中紅外波段逐漸減弱，在近紅外和中紅外波長范圍內(nèi)吸收性最強(qiáng)，幾乎無反射，因此用可見光波段和近紅外波段的反差構(gòu)成NDWI可以突出影像中的水體信息。由于植被在近紅外波段的反射率一般最強(qiáng)，因此采用綠光波段與近紅外波段的比值可以最大程度地抑制植被的信息，從而達(dá)到突出水體信息的目的。

2 湖泊面積變化分析

通過遙感影像的水體面積信息提取，得到如表2所示的各時(shí)期皖江地區(qū)主要湖泊面積，利用表2生成1989—2012年皖江地區(qū)主要湖泊面積變化趨勢圖(圖2)。

2.1 湖泊面積變化總特征

從表2和圖2可以看出，1989—2012年間皖江地區(qū)湖泊水域面積出現(xiàn)明顯萎縮,8大湖泊水體總面積由1 401.75 km2下降到1 129.91 km2,共減少271.84 km2,減少幅度達(dá)19.4%。

在不同時(shí)期，湖泊水域面積萎縮程度也不同。從1989年—1995年，皖江地區(qū)湖泊水域面積變化較大，達(dá)到153.77 km2。除了菜子湖和白蕩湖面積基本未發(fā)生變化之外，其余湖泊面積萎縮比例基本相同。

而從1995年—2000年之間，湖泊水域面積基本未發(fā)生變化，通過遙感影像得到水域總面積甚至還增加了58 km2，其主要原因應(yīng)該是這兩個(gè)年份氣候條件差異造成的，特別是1998年長江流域的特大洪水，對皖江地區(qū)湖泊影響較大。

從2000年開始一直到2009年，各湖泊水域面積都持續(xù)減小，地區(qū)湖泊總面積也不斷減小，共減少了375.70 km2，減少幅度達(dá)到了28.77%；在這一時(shí)期湖泊面積萎縮中，各湖泊萎縮面積比例差異較大，在時(shí)間上也不同步，但它們所處的水文和氣候條件基本一致，這反應(yīng)了它們在這一輪萎縮中受到人為因素影響較大。

表2 1989—2012年皖江地區(qū)主要湖泊面積

圖2 1989—2012年皖江地區(qū)主要湖泊面積變化趨勢圖Fig.2 Area variation trend chart of major lakes in Wanjiang region from 1989 to 2012

從2009年—2012年，各湖泊水域面積都出現(xiàn)了不同程度地增加，湖泊總面積也恢復(fù)到2007年的水平，

但與90年代和2000年初，面積還是有較大幅度地減小。2012年相對于1989年，皖江地區(qū)湖泊總面積減小了271.84 km2，減小幅度為19.39%。

從上述分析可以看出, 皖江地區(qū)湖泊水域面積總體的變化趨勢是減少的, 但在不同時(shí)期也會出現(xiàn)不同的變化特征。

2.2 各湖泊面積變化特征

(1) 龍感湖、黃大湖和泊湖面積變化特征。龍感湖、黃大湖、泊湖同屬華陽河湖群，且相互通連，所以它們的面積變化趨勢也相似。這三個(gè)湖泊面積都在150 km2以上，是皖江省級濕地自然保護(hù)區(qū)的最重要組成部分，因此它們面積變化對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)意義。

在1989—2012年間龍感湖面積一直在萎縮，從339.66 km2萎縮到只有212.70 km2，面積減小了37.38%，達(dá)到1/3強(qiáng)。其黃大湖和泊湖與龍感湖情況基本類似，分別萎縮了54.17 km2、45.96 km2，占到了總面積的18.27%和22.9%。

從圖3、圖4中可以清楚地看出龍感湖面積萎縮的規(guī)律，在湖泊北部水較淺的地區(qū)，水面逐漸消失和被陸地分割，逐漸變成了眾多不連續(xù)的小水體。

圖3 1989—2012年龍感湖面積變化圖譜Fig.3 Area variation maps of Longgan lake area from 1989 to 2012

圖4 1989—2012年龍感湖面積變化矢量圖Fig.4 Vector diagram of Longgan lake area from 1989 to 2012

(2) 升金湖、菜子湖面積變化特征。升金湖和菜子湖也是皖江地區(qū)較大的湖泊，面積都在100 km2以上，其中升金湖是國家級自然保護(hù)區(qū)，是永久性淡水湖泊濕地。從表2中可以看出，升金湖各個(gè)時(shí)間段總面積變化都較小，都不超過10%。這與升金湖地區(qū)很早就被劃為自然保護(hù)區(qū)(1997年國務(wù)院批準(zhǔn)建立“安徽省升金湖國家級自然保護(hù)區(qū)”)，并對該地區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)分不開的。菜子湖從1989—2012年之間面積變化也不大，各個(gè)時(shí)間段總面積基本未發(fā)生變化。這主要原因應(yīng)該為菜子湖相對于其它幾個(gè)湖泊，水體深度較大；且菜子湖周邊主要為山地和丘陵，周邊植被生態(tài)環(huán)境良好，流土流失較小。

(3) 武昌湖、破罡湖和白蕩湖面積變化特征。從1989—2012年之間，武昌湖、破罡湖和白蕩湖水域面積一直在緩慢萎縮，雖然出現(xiàn)了個(gè)別年份水面面積增加的現(xiàn)象，但水域面積一直呈減少趨勢。在這23年間，武昌湖、破罡湖和白蕩湖分別了萎縮32.08 km2、15.04 km2、11.09 km2，占比29.71%、25.08%和22.92%。

3 湖泊面積變化的影響因素分析

影響皖江地區(qū)湖泊面積變化有自然因素，也有人類活動因素，但主要還是人為因素造成的。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[12-16]。

(1) 圍湖造田。圍墾是湖泊水域急劇減少的主要原因。圍墾多發(fā)生在水體淺、湖岸平坦、灘涂沼澤多的湖泊地區(qū)。皖江地區(qū)湖泊湖水都很淺，易于圍墾，湖區(qū)大規(guī)模圍墾始于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)80年代規(guī)模減小，并有部分圍墾地退田還湖，湖泊面積暫時(shí)有所恢復(fù)，但很容易沼澤化導(dǎo)致水域消失。近年由于土地開發(fā)復(fù)墾活動，部分淺水區(qū)的湖泊水面被開發(fā)成了農(nóng)田。

(2) 泥沙淤積。安慶沿江湖泊所在水系發(fā)源于大別山區(qū)，山區(qū)的濫伐森林和毀林開荒導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境急劇惡化，水土流失嚴(yán)重，直接導(dǎo)致湖泊泥沙的淤積和湖床的抬高，泥沙淤積加劇了湖泊水體面積萎縮和沼澤化進(jìn)程。

(3) 湖泊沼澤化。由于自然和人為原因，皖江地區(qū)湖泊植物種類發(fā)生更替，一些沉水植物大幅度減少，浮水植物和挺水植物群落發(fā)展較快，在收割利用情況下，挺水植物和浮葉植物的殘留量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉水植物，加速了湖泊沼澤化，促進(jìn)了湖泊淤積的進(jìn)程。

4 結(jié)論

(1) 在1989—2012年間皖江地區(qū)湖泊水域面積出現(xiàn)明顯萎縮,總的減少幅度達(dá)19.4%。在不同時(shí)期，湖泊水域面積萎縮程度也不同。從1989年—1995年皖江地區(qū)湖泊水域面積萎縮較大，從1995年—2000年各湖泊水域面積變化較小，從2000年—2009年各湖泊水域面積都持續(xù)減小。

(2) 從2000年—2009年這一時(shí)期湖泊面積萎縮中，各湖泊萎縮面積比例差異較大，在時(shí)間上也不同步，反應(yīng)了它們在這一輪萎縮中受到人為因素影響較大。

(3) 龍感湖、黃大湖和泊湖面積萎縮非常大，分別達(dá)到了37.38%、18.27%和22.9%；而升金湖、菜子湖面積變化較小，都不超過10%。武昌湖、破罡湖和白蕩湖水域面積一直在緩慢萎縮。

(4) 皖江地區(qū)湖泊面積變化的人為因素主要是圍湖造田、泥沙淤積和湖泊沼澤化。

[1] 楊世倫.我國三大淡水湖泊面積的演變趨勢[J].自然雜志,1991(8):598-599.

[2] Kameyama S,Zhang J,Wang Q,et al.An approach to estimate the water level and volume of Dongting Lake using Terra/MODIS data[J].ACTA GEOGRAPHICA SINICA-CHINESE EDITION,2004,59(1):88-94.

[3] 魏顯虎,杜耘,Yasunori NAKA YAMA,等. 基于RS/GIS的四湖地區(qū)湖泊水域百年變遷研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2005(3):293-297.

[4] 楊英寶,江南,殷立瓊,等.東太湖湖泊面積及網(wǎng)圍養(yǎng)殖動態(tài)變化的遙感監(jiān)測[J].湖泊科學(xué),2005,17(2):133-138.

[5] 張毅,孔祥德,鄧宏兵,等.近百年湖北省湖泊演變特征研究[J].濕地科學(xué),2010,8(1):15-20.

[6] Sener E,Davraz A,Sener S.Investigation of Aksehir and Eber Lakes (SW Turkey) Coastline Change with Multitemporal Satellite Images[J].Water Resources Management,2010,24(4):727-745.

[7] 范亞民,何華春,崔云霞,等.淮河中下游洪澤湖水域動態(tài)變化研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2010,19(12):1397-1403.

[8] Huang S,Li J,Xu M.Water surface variations monitoring and flood hazard analysis in Dongting Lake area using long-term Terra/MODIS data time series[J].Natural Hazards,2012,62(1):93-100.

[9] 姜加虎,黃群.洞庭湖近幾十年來湖盆變化及沖淤特征[J].湖泊科學(xué),2004,16(3):209-214.

[10] 周葆華,操璟璟,朱文中.安慶沿江湖泊濕地自然保護(hù)區(qū)生物多樣性及保護(hù)對策[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(26):11467-11469.

[11] 徐涵秋.利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體信息的研究[J]. 遙感學(xué)報(bào),2005(5):589-595.

[12] 金寶石,周葆華.安慶沿江湖泊近20年水域多時(shí)相動態(tài)演變[J].國土資源遙感, 2008(3):74-77.

[13] 盧松,陸林,凌善金,等.湖區(qū)農(nóng)戶對濕地資源和環(huán)境的感知研究——以安徽省安慶沿江湖群為例[J].地理科學(xué),2003,23(6):762-768.

[14] 金寶石.安慶沿江濕地自然保護(hù)區(qū)水系分布與特征研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2008,24(7):445-449.

[15] 王奇,詹賢達(dá),王會.我國糧食安全與水環(huán)境安全之間的關(guān)系初探——基于糧食產(chǎn)量與化肥施用的定量關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2013(1):81-86.

[16] 尚敏,呂偉.農(nóng)業(yè)水循環(huán)與水環(huán)境遙感應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2016(2):223-225.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Study on Lakes Area Variations in Wanjiang Region UsingRemote Sensing Monitoring

LOU Jing1, XIE Huaming2, WANG Jun1

(1.AnhuiEconomicResearchInstitute,Hefei,Anhui230001; 2.EnvironmentEngineeringDepartment,AnhuiJiangzhuUniversity,Hefei,Anhui230601)

The decrease of lake area will cause the change of lake ecological environment and water type structure, leading to the change of the aquatic biomass and species composition. consequently the ecosystem of the lake district functionally degrades. The main objective of this study was to explore the impact of human activities on lake area variations in the humid area. Based on LANDSAT TM images for the period from 1989 to 2012，this paper extracted annual water area of 8 major lakes during flood period in Wanjiang region，calculated the annual water area change information of each lake，and discussed the influence that kinds of human social and economic activities change the water area of lakes.

Lake area variations; Remote sensing monitoring; Human activities

2016-04-28;改回日期:2016-05-19

婁徑(1972-)，男，副研究員,地理學(xué)專業(yè),研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境區(qū)劃與管理。E-mail：lj3979@163.com

P343.3

A

1671-1211(2016)05-0792-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.028

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160914.1400.002.html 數(shù)字出版日期:2016-09-14 14:00