1979—2017年泊江海...湖泊面积变化及影响因素研究_陈悦.pdf

第4 5卷 第1期2 0 2 3年 2月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n so fO c e a n o l o g ya n dL i m n o l o g yV o l.4 5 1F e b.,2 0 2 31 9 7 92 0 1 7年泊江海子流域桃-阿海子湖泊面积变化及影响因素研究陈 悦1,2,董少刚1,2,王 磊1,2,侯庆秋1,2(1.内蒙古大学 生态与环境学院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 2 1;2.内蒙古自治区 河流与湖泊生态重点实验室,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 2 1)摘 要:本文以桃-阿海子湖泊为研究对象,利用L a n d s a t遥感数据,通过水体指数法提取湖泊1 9 7 92 0 1 7年近4 0a的N DW I水体影像,获取湖泊边界及湖泊面积变化情况,解释并分析了影响湖泊面积变化的气候及人为因素。结果表明:(1)1 9 7 92 0 1 7年桃-阿海子湖泊面积从1 2.8 4k m2下降到2.3 0k m2,减少了8 2%,其中2 0 0 22 0 0 3年是湖泊面积显著变化的拐点。(2)湖泊面积变化整体上划分为三个阶段:相对稳定阶段(1 9 7 91 9 9 9年);萎缩阶段(2 0 0 02 0 1 5年);恢复阶段(2 0 1 52 0 1 7年)。(3)呈暖干化趋势的气候因素是2 0 0 0年之前湖泊面积变化的主要影响因素;水利工程、生态恢复工程及煤矿开采等人类活动,使得湖泊得不到有效的水源补给,是2 0 0 0年之后导致湖泊面积萎缩的主要影响因素;引水工程的实施是2 0 1 5年湖泊面积开始有所恢复的主要原因。关键词:桃-阿海子;湖泊面积;遥感;气候变化;人为因素中图分类号:P 3 4 3.3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 1-1 2 9-0 9D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 1.0 1 8引 言在干旱半干旱地区,内陆湖泊是重要的水资源组成部分。近年来随着气候变化和人类活动的增加,导致内陆湖的数量在不断减少,许多湖泊面积萎缩甚至干涸消失。湖泊作为区域陆地水循环中的一个重要载体,研究湖泊面积随年份的变化情况能反映区域水文过程和水量平衡情况1-3,通过湖泊面积信息能获取区域水资源信息,对区域乃至全球的环境演化有着重要的参考意义。湖泊水量及面积的动态变化主要是由流域内水量收支情况决定的。根据水量平衡原理,当水量收入大于支出,表现在湖泊水量增多,面积扩大;反之则水量减少,面积萎缩。对于干旱半干旱地区,影响湖泊面积变化的原因有很多,如:赵宁等4对1 9 7 32 0 1 3年的红碱淖水域面积变化原因进行了分析,确定了气候及人工筑坝、灌溉耗水和煤炭开采等人为干扰为主要驱动力;F r a n c i s等5、S i n g h等6分别对非洲锡巴伊湖和纳尼塔尔湖的分析得出,降水量和温度等气候因素强烈影响着湖泊面积的变化;夏蔓宏等7通过对呼伦贝尔草原露天煤矿区地下水-湖泊关系研究得出,煤矿开采造成的地下水位持续下降导致了区域湖泊面积的不断萎缩。综上所述,影响干旱半旱区湖泊面积的主要因素为气候因素和人类活动,其中,气候因素包括降水量的变化、气温的变化和蒸发量的变化等;而人类活动类型比较广泛,主要包括拦水坝、水井等水利工程的建设以及煤矿开采、灌溉、居民用水等。鄂尔多斯遗鸥国家级自然保护区位于泊江海子流域,流域内最大的湖泊桃力庙-阿拉善湾海子(以下简称桃-阿海子)是保护区的核心湖泊,也是典型的半干旱区高原内陆湖8。经中国政府申报,国际湿地 基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 5 6 2 0 2 0);内蒙古自治区自然科学基金项目(2 0 1 8M S 0 4 0 0 4);内蒙古自治区科技重大专项项目(Z D Z X 2 0 1 8 0 5 4)第一作者简介:陈 悦(1 9 9 6),女,硕士研究生,主要从事生态水文地质方面研究。E-m a i l:c y u e 2 2 1 51 6 3.c o m*通信作者:董少刚(1 9 7 4),男,博士,副教授,研究方向水文地质。E-m a i l:g r o u n d w a t e r 1 6 3.c o m 收稿日期:2 0 2 0-0 5-2 31 3 0 海 洋 湖 沼 通 报2023年公约执行局于2 0 0 2年1月认定桃-阿海子为全球第1 1 4 8号国际重要湿地9。近年来,桃-阿海子湖泊面积萎缩剧烈,水位不断下降。由于缺水干涸,保护区的鸟群逐渐迁徙减少至完全消失,对湿地生态环境造成了严重的影响。因此为了保护珍贵的遗鸥鸟群及泊江海子流域的生态建设恢复,对时间尺度上桃-阿海子湖泊面积的变化研究可以探寻湖泊萎缩原因,对未来减缓湖泊萎缩、改善湖泊水质及恢复生态功能具有重要的现实意义。目前,学者对泊江海子地区相关的研究主要集中在动植物等生态环境方面,鲜少有人研究桃-阿海子湖泊面积在时间尺度上的动态变化情况。本文选取桃-阿海子1 9 7 92 0 1 7年近4 0a的L a n d s a tM S S/TM/E TM+/O L I遥感数据,利用阈值法提取8期研究区N DW I水体影像,获取湖泊边界及湖泊面积变化情况并对湖泊面积变化影响因素进行分析。以此深入认识在全球气候变化和人类活动共同影响下桃-阿海子内陆湖泊面积动态变化情况,为泊江海子流域水资源的科学合理开发利用提供参考。图1 泊江海子流域地理位置示意图F i g.1 G e o g r a p h i c a l l o c a t i o no f t h eB o j i a n gH a i z i r i v e rb a s i n1 研究区概况泊江海子流域地处内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区以西约4 5.0k m处,地理坐标介于1 0 9 1 4 1 0 9 2 3 E,3 9 4 5 3 9 5 2 N,流域面积约7 4 5k m2(图1)。流域属于半干旱温带高原大陆性气候,太阳辐射强烈,日照丰富,干燥少雨,无霜期短。流域内年均气温5.2,降雨主要集中在78月,年平均降水量为3 9 6.0mm,年平均蒸发量为25 3 4.2mm1 0。泊江海子流域中部为鄂尔多斯遗鸥国家级自然保护区,面积约1 5 6k m2。流域内面积较大的湖泊包括桃力庙-阿拉善湾海子、侯家海子及苏家讫卜海子。其中面积最大的桃-阿海子地处流域和自然保护区的中央,是流域内最大的湖泊;侯家海子和苏家讫卜海子常年水域面积不足1k m2。除以上三大湖泊外,泊江海子流域内还有面积较小的湖泊十余个,湖泊状态稳定性较差,在干旱年份,部分可因过分蒸发而干涸1 1-1 3。鸡沟河和乌尔图河是流域内最大的两条季节性河流,季节性河流枯水季节一般干涸无水,但在丰雨季节,可形成短暂的溪流或洪流,洪流具有历时短、流量较大的特点,两条河流分别从西侧和东侧汇集流入桃-阿海子湖泊1 4。表1 遥感影像数据T a b l e1 R e m o t es e n s i n g i m a g ed a t a日期名称与传感器波段分辨率/m轨道号1 9 7 9.1 0L AN D S A T 3M S S46 01 2 7/3 21 9 9 0.0 8L AN D S A T 5TM73 01 2 7/3 21 9 9 5.0 9L AN D S A T 5TM73 01 2 7/3 22 0 0 0.0 8L AN D S A T 5TM73 01 2 8/3 22 0 0 5.1 1L AN D S A T 7E TM+73 01 2 7/3 22 0 0 9.1 1L AN D S A T 5TM73 01 2 7/3 22 0 1 5.1 0L AN D S A T 8O L I1 13 01 2 7/3 22 0 1 7.1 1L AN D S A T 8O L I1 13 01 2 7/3 22 数据来源与研究方法2.1 数据来源卫星数据来源于L a n d s a t系列数据,由地理空间数据云网站下载获取。根据现有的遥感影像,选取云量较少、数据完整的影像,同时在时间的选取上集中在一年的81 1月,以便获得气候条件相似的数据,具体选取的1 9 7 92 0 1 7年的遥感影像数据见表1。水文地质资料等来源于泊江海子地区相关地质勘察报告以及2 0 1 9年9月课题组的实地调查。野外调查主要包括实地勘测、走访调查及数据记录等,收集分析了研究区地形地貌等地质条件以及水利工程等人类活动分布情况。气象数据来源于中国气象数据网中国地面气候资料年值数据集。1期1 9 7 92 0 1 7年泊江海子流域桃-阿海子湖泊面积变化及影响因素研究1 3 1 2.2 研究方法对获取到的遥感影像进行数据预处理,利用E NV I 5.1软件平台对不同时期的影像做辐射定标并通过水体指数法提取水体信息。水体指数法是可以提取湖泊水体信息的有效方法,在E NV I 5.1平台利用N DW I(N o r m a l i z e dD i f f e r-e n c eW a t e r I n d e x,归一化水指数)对遥感影像特定波段进行归一化处理,从而提取水体信息。N DW I是绿波段与近红外波段之差和绿波段与近红外波段之和的比值1 5-1 7。N DW I=G-N I RG+N I RT(1)式中,G为绿色波段的反射率;N I R为近红外波段的反射率;T为阈值,取0.2,即当所得值大于0.2则显示为水体,当小于0.2则为非水体。将从遥感影像中提取到的水体信息在A R C G I S 1 0.2中计算几何面积并获取湖泊矢量图形,将不同年份八个图层的矢量图形显示在同一个图层中。不同时间段的湖泊面积变化趋势不同,因此提出用湖泊面积变化率来反映不同时间间隔湖泊面积变化的剧烈程度。湖泊面积变化率是指某时期湖泊面积和研究初期湖泊面积之差与时间差和初期湖泊面积之积的比值,能够反映不同时期湖泊面积的动态变化情况4。R=Sb-SaTSa(2)式中,R为研究时期湖泊面积变化率;Sa和Sb分别是研究初期和研究末期的湖泊面积;T为研究时段。3 结果与分析不同年份的遥感影像可以直观看出桃-阿海子湖泊面积的变化情况,图2分别是选取的8个年份的水体遥感影像。从图中可以看出,1 9 7 92 0 0 0年之间湖泊形态没有显著变化,而2 0 0 02 0 0 5年湖泊形态发生明显变化,东半部的桃力庙海子变为湿地甚至完全干涸消失,并且一直持续到2 0 1 7年仍处于几乎干涸状态,西半部的阿拉善湾海子也呈现出一定程度的萎缩趋势。从遥感图像上看2 0 0 5年之后的湖泊面积变化不明显。结合湖泊边界变化情况(图3),湖泊从各个方向都有萎缩趋势,其中1 9 7 92 0 0 0年湖泊边界萎缩范围较小,2 0 0 02 0 0 5年边界变化尤为显著,表现为湖泊面积急剧缩小,2 0 0 52 0 1 7年变化又趋于平缓,并且2 0 1 7年边界相较2 0 1 5年有所扩大。图2 湖泊遥感影像F i g.2 R e m o t es e n s i n g i m a g e so f t h e l a k e1 9 7 92 0 1 7年桃-阿海子湖泊面积呈持续缩小趋势,近4 0a间从1 9 7 9年的1 2.8 4k m2下降到2 0 1 7年的2.3 0k m2,减少了1 0.5 4k m2(表2),湖泊面积缩小了8 2%。其中,1 9 7 92 0 0 0年相对稳定,表现1 3 2 海 洋 湖 沼 通 报2023年图3 桃-阿海子湖泊水域边界变化图F i g.3 B o u n d a r yc h a n g e so f t h eT a o-A h a i z i l a k e为较均匀的下降趋势,2 0a间面积减少了2k m2,年变化率均在1%左右。2 0 0 12 0 1 5年表现为较大程度萎缩趋势,突出表现在2 0 0