云南普者黑濕地流域水域面積變化及其影響因素

毛轉(zhuǎn)梅，劉 青，彭爾瑞*，陳勁松，吳培軍

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

水體動態(tài)監(jiān)測是當(dāng)今資源與環(huán)境變化研究的一個熱點與重點，利用遙感技術(shù)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(xué)者基于多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)水體進(jìn)行了監(jiān)測和分析，如趙澍等[1]對呼倫湖水域面積進(jìn)行了長時序的動態(tài)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(tài)變化及驅(qū)動因子進(jìn)行了分析。萬華偉等[5]利用低空間分辨率MODIS數(shù)據(jù)，采用水體指數(shù)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(guān)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(jìn)行了分析。Jin等[7]利用遙感數(shù)據(jù)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(tǒng)水體監(jiān)測方式相比，遙感技術(shù)具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速的特點，可迅速、精確地提取湖泊信息，由此可進(jìn)行長時間序列動態(tài)變化監(jiān)測，節(jié)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(tài)系統(tǒng)和典型的水體旅游濕地公園，近幾年國內(nèi)學(xué)者對普者黑地區(qū)的研究主要集中在生態(tài)功能區(qū)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(shù)的定量關(guān)系[11]、濕地不同類型沉積物污染程度[12]、生態(tài)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(zhì)的影響[14]等方面。學(xué)者們在普者黑流域水體動態(tài)變化方面的研究甚少，由于巖溶區(qū)的水體與植被重疊的區(qū)域較多及湖泊的破碎度大的特點，使得對于該地區(qū)的水體提取存在一定難度。本研究以普者黑典型巖溶區(qū)為研究對象，目的在于探討流域水體長序列水域面積動態(tài)變化與主要影響因素之間的關(guān)系，收集普者黑流域1998～2019年Landsat系列衛(wèi)星TM、OLI影像以及相關(guān)氣候、植被、經(jīng)濟數(shù)據(jù)，在遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)支持下，通過影像分析和新型水體指數(shù)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(tài)變化，利用統(tǒng)計學(xué)分析方法，探尋其動態(tài)變化的因素。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)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(shè)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(chǎn)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(qū)后流入濕地公園，經(jīng)清水河南盤江，最終匯入珠江。

圖1 研究區(qū)遙感影像示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)的數(shù)據(jù)有普者黑遙感影像為Landsat系列衛(wèi)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(chǎn)品(MODND1M中國500M NDVI月合成產(chǎn)品)；DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)選擇了SRTMDEM 90M類型數(shù)據(jù)。普者黑流域矢量邊界數(shù)據(jù)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(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn)有氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。來源于丘北年鑒的數(shù)據(jù)有普者黑歷史氣候極端資料和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。流域水域面積動態(tài)變化是受到一系列因子相互作用的復(fù)雜過程，按照普者黑流域地區(qū)的自然人文特點，選擇降水量、氣溫、植被和經(jīng)濟4個因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

遙感影像經(jīng)過ENVI軟件進(jìn)行影像裁剪、波段合成預(yù)處理，影像投影均采用WGS84坐標(biāo)系，通過水體指數(shù)法、均值法處理數(shù)據(jù)且用Excel 2003、Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計與分析。

2 研究方法

2.1 歸一化水體指數(shù)法

歸一化水體指數(shù)[15](Normalized Difference Water Index，NDWI)，其原理是應(yīng)用波段間比值來進(jìn)行分類，具有與植被區(qū)分度高、歸一化等特點，是當(dāng)前適用性最好的水體指數(shù)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(yīng)3波段和6波段；雖然NDWI能夠較準(zhǔn)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(jìn)的陰影水體指數(shù)(ESWI)

劉雙童等[16]基于陰影水體指數(shù)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(lán)波、綠波和近紅外波段在水體表面反射率上顯現(xiàn)的不同特征，根據(jù)單波段閾值法與增強陰影水體指數(shù)法相結(jié)合的方法提出來的。其計算公式如下。

(2)

式(2)中：B1為藍(lán)波段；B2為綠波段；B4為近紅外波段。

2.3 新型水體指數(shù)(NEWI)

NEWI水體指數(shù)是利用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，針對巖溶地區(qū)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(shù)和改進(jìn)的陰影水體指數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)系計算，經(jīng)過重復(fù)試驗構(gòu)建了一種新型混合水體指數(shù)。其計算公式如下。

(3)

式(3)中：NDWI為歸一化水體指數(shù)；ESWI為改進(jìn)的陰影水體指數(shù)。

2.4 相關(guān)分析法

采用相關(guān)分析法研究水域面積與各驅(qū)動因子間相關(guān)性，通過年尺度的水域面積與相應(yīng)的氣溫與降雨等的相關(guān)系數(shù)來反映不同因子與水域面積的相關(guān)程度，其計算公式如下。

(4)

式(4)中：n為總年數(shù)；i為年序號。相關(guān)系數(shù)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(guān)性越高；反之，則說明兩者的相關(guān)性越低[17]。|Rxy|<0.3為弱相關(guān)，0.3<|Rxy|<0.5為低顯著相關(guān)，0.5<|Rxy|<0.8為顯著相關(guān)，0.8<|Rxy|<1為極顯著相關(guān)。

2.5 湖泊動態(tài)度變化

應(yīng)用湖泊動態(tài)度分析長時間尺度湖泊面積變化特征，該指標(biāo)可以反映區(qū)域某一時段湖泊面積(數(shù)量)變化的速率，能夠?qū)⒑促Y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(nèi)湖泊變化動態(tài)度，即湖泊面積(或數(shù)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(shù)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(jié)植被對水域面積的影響，本文數(shù)據(jù)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(wěn)定，流域水域面積以矢量邊界為準(zhǔn)，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(tài)度為0.02%。其中1998～2002年小幅度增加11.92 km2，水域面積動態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)度呈現(xiàn)正增長的趨勢，從1998～2019年，流域水域面積先后經(jīng)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(xiàn)在2009年558 km2和2010年557.82 km2，其原因為2009～2011年連續(xù)3年云南省旱情嚴(yán)重，省內(nèi)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(xiàn)重旱以上等級干旱，107站達(dá)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(shè)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(qū)，水域地區(qū)的水庫面積處于平穩(wěn)狀態(tài)，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(jié)果。自然因素如氣溫、降水和植被水源涵養(yǎng)等；人為因素主要包括工程建設(shè)、水庫的調(diào)蓄、河道整治和人類活動對生態(tài)環(huán)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(qū)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(dá)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(dá)到最大值(17.64 ℃)。2008～2010年氣溫持續(xù)增長幅度較大且2010年達(dá)到最高值，降雨從2008～2009年持續(xù)減少，2009～2010年出現(xiàn)小幅度的上升后2010～2011年呈下降趨勢且最小值出現(xiàn)在2011年，此階段表現(xiàn)為降雨異常偏少、氣溫異常偏高。據(jù)資料統(tǒng)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(jì)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(guān)性分析顯示：氣溫、降雨與研究區(qū)水域面積變化無明顯相關(guān)性(R2=-0.108、-0.0821)。

4.2 植被因素

通過統(tǒng)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(qū)裸露導(dǎo)致植被覆蓋降低；以及2009～2010年云南省出現(xiàn)的極端干旱天氣導(dǎo)致流域范圍內(nèi)降雨較往年有所下降使氣候呈現(xiàn)出暖干趨勢，兩大因素的存在造成了植被覆蓋出現(xiàn)先上升后降低的趨勢。Pearson相關(guān)性分析顯示旱季、雨季、年際3個階段的植被NDVI與研究區(qū)水域面積變化在0.05的水平上沒有明顯的相關(guān)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(guān)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(xiàn)萎縮和干涸現(xiàn)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(jīng)丘北縣響水、大勒哨、下勒哨、保山營、八道哨、小矣堵，流經(jīng)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(qū)，地表植被覆蓋率一般，水土流失嚴(yán)重，經(jīng)調(diào)查流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)500 t/km2·a。

圖7 普者黑流域面積與NDVI的相關(guān)性

4.4 經(jīng)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(qū)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(qū)的社會經(jīng)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(dǎo)致經(jīng)濟快速發(fā)展的原因一方面是普者黑景區(qū)為云南省文山州著名的旅游景點，該景區(qū)開發(fā)于1992年，2008年晉級為國家4A級風(fēng)景旅游區(qū)，2010年修建完成景觀大道，與普炭高速公路接通，景區(qū)面積擴張到了300多km2，水域面積占景區(qū)觀賞面積中的大多數(shù)，其水域景點的開發(fā)和商業(yè)化的綜合進(jìn)展，帶動了附近村民的經(jīng)濟發(fā)展；另一方面是由于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)耕作以水田為主的農(nóng)耕方式促進(jìn)了經(jīng)濟發(fā)展。Pearson相關(guān)性分析顯示，水域面積變化與社會經(jīng)濟在0.05水平上顯著相關(guān)(R2=0.883)。

5 結(jié)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(wěn)定。

(2)1998～2018年研究區(qū)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(tài)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(qū)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(dāng)?shù)卣畬ζ照吆诟浇档暮拥勒?、水庫的修?fù)、該地的旅游業(yè)的發(fā)展、景區(qū)模式的不斷擴大和當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕以水田為主的方式等人為因素是研究區(qū)水域面積變化的主要原因。