近40 年高郵湖水體面積變化監(jiān)測與時(shí)空分析

王晨，錢鑫，謝宏全

（1.地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京 210007；2.江蘇華東地質(zhì)環(huán)境工程有限公司，江蘇南京 210007；3.江蘇江之南環(huán)境科技有限公司，江蘇無錫 214432；4.江蘇海洋大學(xué)海洋技術(shù)與測繪學(xué)院，江蘇連云港 222005）

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是淡水生態(tài)系統(tǒng)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(fā)展對全球氣候有顯著影響，是人類生產(chǎn)生活中不可缺少的寶貴資源[1]。近年來，氣候變化加劇，水環(huán)境惡化以及水資源枯竭等狀況，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題[2-3]。

很多學(xué)者開始利用光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)分別獲取湖泊的面積變化和水位變化，進(jìn)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(shù)據(jù)和ICESat 數(shù)據(jù)，對中國最大的10 個(gè)湖泊的面積、水位和體積變化進(jìn)行了研究，并選擇了3 個(gè)代表性湖泊，利用流域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)對其變化的原因進(jìn)行了分析。朱長明[6]利用Landsat、CBERS 衛(wèi)星遙感影像得到的面積和ICESat 測高衛(wèi)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(shù)據(jù)和湖區(qū)生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)用水等人類活動(dòng)用水?dāng)?shù)據(jù)分析了博斯騰湖近40 年來的變化原因。岳輝等[7]利用Landsat 數(shù)據(jù)提取湖泊面積，并基于ICESat和Hydroweb 數(shù)據(jù)提取水位，將兩者結(jié)合得到了1975—2015 年太湖的水體積變化，研究發(fā)現(xiàn)入湖水量的增加、年降雨量和年蒸發(fā)量的變化及政府“退地還湖”政策是太湖發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的主要原因。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

高郵湖（32°42'N—33°10'N，119°06'E—119°25'E）地處江蘇省揚(yáng)州市、淮河下游地區(qū)，是淮河水入江的必經(jīng)之路[8]，湖泊表面水體面積達(dá)到760.67 km2。地勢大多為水鄉(xiāng)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(fā)量為890 mm。主要災(zāi)害性天氣為洪水、大風(fēng)和雷擊[10]。

1.2 數(shù)據(jù)源

1.2.1 Landsat 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

本文所用的Landsat 遙感數(shù)據(jù)為1985—2020 年的Landsat 5～Landsat 8，所有需要使用到的影像數(shù)據(jù)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(fèi)的很大一部分的時(shí)間。

1.2.2 降水與氣溫?cái)?shù)據(jù)

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

1.3 研究方法

本文主要從湖泊水體面積以及湖泊的動(dòng)態(tài)變化率等方面，對湖泊的變化情況進(jìn)行分析。在某一時(shí)間段內(nèi)湖泊的面積發(fā)生變化，這一情況稱之為湖泊的動(dòng)態(tài)變化率。其表達(dá)式為[11]：

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)湖泊面積變化情況；Sa、Sb分別為湖泊起始面積和結(jié)束時(shí)的面積；T為研究范圍內(nèi)的時(shí)間總長。

當(dāng)K值大于0 時(shí)，表示湖泊面積正處于不斷增加的階段當(dāng)中，湖泊處于K值小于0 時(shí)，則表示水處于減少的動(dòng)態(tài)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(jù)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(gè)年份里的最大水體面積進(jìn)行對比，查看其面積的變化情況和分析湖泊動(dòng)態(tài)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(dòng)狀態(tài)，在1985—1990 年、1995—2005 年和2015—2020 年間水體面積處于增長狀態(tài)，而在1990—1995 年和2005—2015 年間水體面積處于減小狀態(tài)，在1995 年減少至最低狀態(tài)，面積減少了32.730 3 km2。在37 年內(nèi)水體面積總體處于減少狀態(tài)，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(tǒng)計(jì)

高郵湖37 年內(nèi)水體面積動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)變化率

在1984—2020 年的37 年里，高郵湖的水體面積演變強(qiáng)度指數(shù)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(qiáng)度大于0，說明這幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)湖泊處于擴(kuò)張狀態(tài)。而1999—2003 年的湖泊演變強(qiáng)度指數(shù)最大，表明在1999—2003年之間，年際最大水體面積擴(kuò)張的最快。而在1984—1988 年、2009—2013 年時(shí)間段內(nèi)，湖泊演變指數(shù)小于0，說明湖泊水體在這期間一直處于減少的狀態(tài)。因?yàn)檠葑冎笖?shù)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(nèi)，湖泊演變強(qiáng)度有正有負(fù)，表明湖泊面積一直處于擴(kuò)張和萎縮的動(dòng)態(tài)變化中。

3 湖泊水體面積演變機(jī)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(guān)性，是探究湖泊表面水體面積變化的良好指標(biāo)。因此，統(tǒng)計(jì)1988—2015 年高郵湖研究區(qū)域周邊的測站點(diǎn)的年平均降水量和平均氣溫作為研究區(qū)降水和氣溫的指標(biāo)，分析高郵湖水體面積變化與降水和氣溫的相關(guān)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(xù)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(xù)增長，與此同時(shí)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(qū)多年平均氣溫與高郵湖水體面積變化趨勢呈負(fù)相關(guān)。

年均氣溫與湖泊面積變化相關(guān)性分析如圖3所示。由圖3 可知：經(jīng)過Pearson 相關(guān)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(guān)，相關(guān)系數(shù)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(guān)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(dá)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(xiàn)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(xiàn)上升趨勢，水體面積增長速率為0.47 km2/年。總體上，研究區(qū)內(nèi)降水量呈現(xiàn)微弱減少趨勢，遞減速率為4.5 mm/年，水體面積整體也呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率為0.19 km2/年。由此可知，研究區(qū)多年平均氣溫與高郵湖水面面積變化趨勢呈正相關(guān)。

降水量與湖泊面積變化相關(guān)性分析如圖4 所示。由圖4 可知：1988—2015 年研究區(qū)內(nèi)年均降水量波動(dòng)幅度較大，根據(jù)Pearson 相關(guān)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(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.118。

圖4 降水量與湖泊面積變化相關(guān)性分析

3.2 圍網(wǎng)養(yǎng)殖變化對湖泊水體面積的影響分析

近年來，由于圍網(wǎng)養(yǎng)殖的興起，隨著養(yǎng)殖區(qū)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(xù)出現(xiàn)了零散的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)，尤其是2000 年之后增長的速度飛快。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，因湖區(qū)北部養(yǎng)殖區(qū)域的猛然增長，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致種群數(shù)量的快速減少。因此通過對圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積與水體面積的相關(guān)性分析，以此來分析人類活動(dòng)對湖泊演變的影響。

通過分析影像數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2000—2015 年圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積變化情況，如表1 所示，并對圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積與水體面積變化情況做相關(guān)性分析，得出水體面積與圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積的相關(guān)性結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 水體面積與圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積的相關(guān)性

由表1 可知，在2000—2015 年期間圍網(wǎng)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(wǎng)面積增長到了最大為199 km2。其中，在2000—2009 年間圍網(wǎng)養(yǎng)殖的增長率也達(dá)到了最大，為15.56 km2/年，而在2009—2015 年間圍網(wǎng)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(wǎng)養(yǎng)殖的面積有所減少，但在整體上，圍網(wǎng)面積仍然處于增長狀態(tài)。

通過圖5 可知：圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)面積與水體面積的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.810，達(dá)到0.05 顯著水平。因此，圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積與水體面積呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.810。因此，人類活動(dòng)同樣是造成湖泊演變的影響因素之一。

4 結(jié)論

本文利用遙感云計(jì)算平臺(tái)對高郵湖水體進(jìn)行識(shí)別提取，并對高郵湖進(jìn)行時(shí)空變化分析以及從自然因素和人類活動(dòng)等方面分析對湖泊演變的影響。研究結(jié)論如下：基于水體面積的時(shí)空變化分析可知，在1984—2020 年內(nèi)高郵湖水體面積處于減少狀態(tài)，湖泊動(dòng)態(tài)變化率為-0.008；通過分析氣溫、降水和圍網(wǎng)養(yǎng)殖與水體面積的相關(guān)性，得到相關(guān)系數(shù)分別為0.485 8、0.118 和0.810，圍網(wǎng)養(yǎng)殖對湖泊演變的影響最大，依據(jù)當(dāng)?shù)卣邽樗h(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。