东洞庭湖和三峡水库水域面积时空变化的相关性

赵运林，徐正刚*，李云梅，孙德勇，檀静，王珊珊

(1.湖南城市学院，湖南 益阳 413000；2.虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023；3.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023；4.南京信息工程大学遥感学院，江苏 南京 210044)

洞庭湖是中国第二大淡水湖[1]，与长江干流直 接通联，能拦蓄流域上游来水，分蓄长江干流洪水，消减干流河段的洪峰流量，缓解长江中游地区洪涝灾害，减轻下游洪水压力，维系地区的洪水蓄泄和泥沙的冲淤平衡[2–3]。由于受泥沙淤积、围湖造田等因素的影响，洞庭湖被分为南洞庭湖、西洞庭湖和东洞庭湖3部分。3个湖体一方面能够相互连通，另一方面由于受各自湖底高程、河流入水量及人类活动等的影响而各自具有不同的特征。不同湖体水面变化特征与整个洞庭湖水面面积变化是否一致值得关注。长江上游三峡工程的建设是近年对洞庭湖影响最为剧烈的人类活动，对洞庭湖水域面积变化产生了深刻的影响。洞庭湖水域面积变化及其与三峡工程相关性研究一直受到国内外学者的关注，袁敏等[4]利用中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectrometer，MODIS)数据研究三峡工程对洞庭湖水面的影响，认为三峡工程建成后洞庭湖水面有减少的趋势。泥沙淤积、东方田鼠暴发等洞庭湖生态环境问题也因为洞庭湖水位的变化而发生改变[5–6]。

遥感技术具有大尺度、可回溯等特点[7–8]。基于遥感技术研究洞庭湖水面或水量的时空变化成为了近年的研究热点[9–14]。龟山哲等[3]、彭定志等[15]和龚伟等[16]均基于MODIS 卫星对洞庭湖区水面变动情况进行了分析。Ding Xianwen 等[17]利用ENVI–ASAR影像分析了2002—2009年洞庭湖水面变化情况，认为洞庭湖枯水期水面较20 世纪90年代有所增加。虽然关于整个洞庭湖水面变化的研究较多[7]，但关于东洞庭湖研究的报道极少。在洞庭湖水域面积变化的已有研究中，通常以3～5年或者1年为研究周期，这不易反映长时间序列的变化情况。考虑到东洞庭湖直接与长江干流相连通，也是江湖水量交换的直接场所，所以本研究中重点关注东洞庭湖，利用MODIS 影像数据分析2002—2012年偶数年份东洞庭湖水域面积的月、季节变化以及水域消落带变化，并与三峡水库水域面积变化进行相关性分析。

1 东洞庭湖概况与研究方法

1.1 东洞庭湖概况

东洞庭湖是“国际湿地公约”收录的由中国政府指定的21个国际重要湿地自然保护区之一。东洞庭湖(N 28°59″～29°38″，E 112°43″～113°15″)位于洞庭湖东北部。洞庭湖水通过东洞庭湖的城陵矶注入长江。东洞庭湖水域面积变化极大，存在明显的洪水期与枯水期。每年4月开始，东洞庭湖水位上涨，7—8月达到最高峰，9月开始下降，进入平水期，12月到翌年3月为枯水期，水位达年内最低。

1.2 水域面积的提取方法

MODIS 遥感影像来源于从NASA 的Earth Observing System Data Gateway (EDG)网站免费下载的空间分辨率为250m 的Terra/MODIS MOD09Q1数据。数据格式为MODIS V005 版本。东洞庭湖与三峡水库各相应年份遥感数据的时间分布见表1。利用EDG 网站提供的免费软件MODIS Reprojection Tool–MRT 4.0，对以上遥感数据分别进行投影转换和研究区提取。

表1 研究所用遥感影像时间分布 Table 1 Date of remote sensing images used in the research in east Dongting Lake and Three Gorges Reservoir

现有的利用卫星遥感数据进行水体信息提取的研究中，针对湖泊水体的提取方法主要有单波段阈值法、植被指数法、水体归一化指数法等[13–14]。这些方法的共同特点是利用1个阈值作为最后区分水体与其他地物的标准。对于少量遥感影像数据而言，这些方法可能会取得较好的效果，但对较长时间序列的影像数据而言，只利用1个阈值可能会造成某些影像数据的提取误差。本研究中利用MODIS传感器的250 m 分辨率影像数据，采用单波段阈值法，以多阈值灵活设置和目视解译为辅进行水体提取，这样能有效地剔除所提取水体中混淆的其他地物信息，提高水域提取准确率，能更真实地反映水体空间分布。在获得各研究年份东洞庭湖各月水域面积的基础上，为进一步明确东洞庭湖水域面积的季节动态，取各季节不同月水域面积的均值作为东洞庭湖该季节的水域面积。分别对东洞庭湖各研究年份不同季节水域边界进行叠加分析，可获得东洞庭湖水域消落带的分布情况。利用ENVI 4.8 与ArcGIS 10.0 软件进行水体解译与空间分析。利用SPSS 18.0 的Pearson 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 东洞庭湖水域面积的月变化和季节变化

2002、2004、2006、2008、2010、2012年东洞庭湖各月水域面积的最大值分别为1 633.93(8月)、1 258.93(8月)、1 469.82 (7月)、1 212.46(11月)、1 253.57(9月)、1 401.11km2(8月)，各年水域面积最大值均超过了1 200km2。除2008年外，东洞庭湖各年水域面积的最大值均出现在7、8、9月，水域面积的变化趋势与洞庭湖区域降水量的变化趋势相同。2002、2006、2010、2012年东洞庭湖水域面积的最小值均出现在1月，水域面积分别为294.64、282.25、267.86、189.47km2，而2004年和2008年东洞庭湖水域面积的最小值均出现在2月，分别为300.00、261.72km2。东洞庭湖水域面积最大值与最小值的差值在2002年最大，达1 339.29km2，在2008年最小，仅为950.74km2(图1)。

图1 2002—2012年偶数年份各月的东洞庭湖水域面积 Fig.1 Monthly-variation of water areas in East Dongting Lake during the period of 2002—2012 in even numbered years

整体而言，2002—2012年偶数年份，东洞庭湖全年的水域面积最小值出现在1、2月，随后逐渐增加，大致在7、8、9月达到最大值，随后降低。

春季东洞庭湖水域面积约为599.17km2，研究期内春季东洞庭湖的水域面积2002年的最大，为763.98km2，2008年的最小，仅为343.40km2，研究期内夏季东洞庭湖水域面积相差不大，平均面积为1 120.71km2，最大面积为1 162.90km2，最小面积为1 030.19km2；研究期内秋季东洞庭湖的水域面积2006年的最小，仅为587.10km2，其他年份约为900km2；研究期内冬季东洞庭湖的水域面积相差不大，平均面积约为326.92km2，是一年中水域面积最小的季节。由图2 可见，东洞庭湖夏季的水域面积最大，春季的次之，冬季的最小。

图2 2002—2012年偶数年份各季节东洞庭湖的水域面积 Fig.2 Seasonal-variation of water areas in east Dongting Lake during the period of 2002—2012 in even numbered years

2.2 东洞庭湖水域消落带的年内变化

图3为2002年至2012年偶数年份东洞庭湖水域消落带的空间分布。2002、2006、2008、2010年春、秋、冬季的水域空间分布形状较为相似，夏季的水域面积较大，且增加的区域主要集中在南部区域；2004年，东洞庭湖夏、秋季水域的空间分布形状相似，春、冬季的水域空间分布形状相似；2012年，东洞庭湖夏季的水域面积最大，春季水域空间分布范围较小。整体而言，东洞庭湖消落带的变化呈相似的季节变化和空间分布：一方面，东洞庭湖春、秋、冬季的水域空间分布形状较为相似；另一方面，东洞庭湖水域消落带主要分布在南部湖区沿岸。

图3 2002—2012年东洞庭湖水域面积的季节消落带空间分布 Fig.3 Seasonal hydro-fluctuation belt of east Dongting Lake from 2002 to 2012

2.3 东洞庭湖与三峡水库水域面积变化的对比分析

图9～14 为2002—2012年偶数年份各月东洞庭湖和三峡水库水域面积的变化情况。2002年，三峡水域年均面积为(17.98±4.06)km2，8月达到最大，为24.63km2，较东洞庭湖水域最大面积的出现时间提前了1个月；4月的面积最小，为12.38km2。三峡水库水域面积全年存在2个峰值(2月和8月)和2个谷值(4月和9月)。东洞庭湖水域面积与三峡水库水域面积的相关性分析结果表明：2002年东洞庭湖水域面积和三峡水库水域面积存在负相关关系，但相关性不显著(r = –0.035, P＞0.05，图9)。2004年，三峡水库水域面积全年波动不大，年均水域面积为(26.59±4.27)km2，6月最大，2月最小。2004年，东洞庭湖水域面积变化和三峡水库水域面积的变化存在一定的相关性，相关系数为0.726( P＜0.05)，但东洞庭湖水域面积的变化幅度比三峡水库水域面积的变化幅度大(图10)。2006年，东洞庭湖水域面积与三峡水库水域面积也呈正相关关系，但相关性不显著(r=0.311，P＞0.05，图11)。2008年，东洞庭湖水域面积变化与三峡水库水域面积变化呈负相关关系，但相关性不显著(r= –0.547, P＞0.05，图12)。2010年和2012年三峡水库水域面积在3月达到最大，在6月最小。东洞庭湖水域面积与三峡水库水域面积的负相关关系均不显著(P＞0.05)。1—3月东洞庭湖和三峡水库水域面积变化趋势相同，存在正相关关系；4—5月二者的变化趋势相反，存在负相关关系； 6—8月的变化趋势再次趋同(图13、14)。

图4 2002年各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积 Fig.4 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2002

图5 2004年各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积 Fig.5 Comparison of water areas between East Dongting lake and Three Gorges Reservoir in 2004

图6 2006年各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积 Fig.6 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2006

图7 2008年各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积 Fig.7 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2008

图8 2010年各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积 Fig.8 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2010

图9 2012年各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积 Fig.9 Comparison of water areas between East Dongting Lake and Three Gorges Reservoir in 2012

虽然除2004年外，研究期间东洞庭湖水域面积与三峡水库水域面积的变化均不存在显著相关性，但是二者之间的关系日趋明显，即在三峡工程放水、蓄水等的调控下，在全年中的某些时间段(洪水期与枯水期)，二者之间可能呈现明显的相关性。由于正相关与负相关的相互掩盖，导致以年为单位进行的相关性分析结果不明显。此外，除2004、2006年东洞庭湖水域面积与三峡水库水域面积呈现正相关关系外，其他年份二者更多地呈负相关关系。东洞庭湖水域面积与三峡水库水域面积的正相关关系反映了区域降雨的一致性，而二者负相关关系则可能反映三峡调控对东洞庭湖的影响。

3 结论与讨论

本研究中发现东洞庭湖水域面积每年从1月开始逐渐增加，在7、8、9月达到峰值，随后开始降低，到12月近似达到全年最低。该变化趋势与整个洞庭湖水面的变化趋势[17]一致。洞庭湖是典型的过水性湖泊，受流域降水和河流入水量的季节变动影响，常呈现典型的“洪水一片、枯水一线”景观。在当前的研究中，洞庭湖被划分为洪水期(4月至10月)和枯水期(11月至翌年3月)。这种区分具有较好的理论意义，但是也可能忽视了农业生产的需求。本研究中关于东洞庭湖水面的月变化和季节变化分析结果，可为农业生产和生物保护提供参考。

洞庭湖水域面积的空间分布研究结果对洞庭湖区的防灾、减灾和农业生产具有指导意义。Jixi Gao 等[18]通过分析洞庭湖水面面积的月变化，建立了洞庭湖洪水灾害指数，Yamei Wang 等[19]利用半量化模型和模糊层次分析方法，绘制了洞庭湖洪水风险分布图，但当前还没有关于洞庭湖季节消落带的相关研究。淹–干交替是洞庭湖湿地大部分区域的典型特征，季节消落带区域对维持洞庭湖湿地生物多样性具有重要作用。本研究中发现东洞庭湖区域的季节消落带主要集中在南部湖区沿岸。该区域是东洞庭湖国家级自然保护区的核心区，具有较高的生物多样性，也是保护的重点区域。虽然东洞庭湖成立了国家级自然保护区，但当前仍然存在杨树、芦苇种植和龙虾养殖等农业生产活动。由于水面状况不稳定，该区域其实并不适宜进行龙虾养殖等活动。三峡工程、退田还湖等重大政策性工程是近年影响洞庭湖水面面积变化的重要因素，较气候变化、泥沙淤积等的影响更加剧烈，更加直接[20]。利用BP 神经网络模拟，发现三峡工程蓄水后对洞庭湖水位的影响剧烈，其中，2009年蓄水使城陵矶水位下降了2.11 m[21]。据邹邵林等[22]的预测，三峡工程建成后洞庭湖洲滩露出时间将增加。本研究中通过分析2002—2012年偶数年份各月东洞庭湖和三峡水库的水域面积变化，发现三峡工程蓄水前三峡水库水域面积和东洞庭湖水域面积的相关性发生了巨大的改变，发生这种改变的原因可能是2003年三峡大坝开始蓄水对下游洞庭湖水域面积及水位产生了重要影响，起到了调节径流的作用[23–24]。冬、夏季三峡水库与东洞庭湖的水域面积变化趋势相同，春、秋季水域面积的变化趋势则相反，因此，冬、夏季不论是三峡水库还是东洞庭湖均主要受自然降水的影响，而三峡工程的调控作用主要体现在春、秋季[25–26]。

本研究结果表明：2002—2012年偶数年份东洞庭湖水域面积的最低值出现在1、2月，随后增加，到7、8、9月达到最大值，随后又降低(个别年份有异常)；从季节变化来看，通常表现为夏季的水域面积最大，春季次之，冬季最小；东洞庭湖的水域消落带主要分布在南部湖区沿岸；三峡工程蓄水前后，三峡水库和东洞庭湖水域面积的相关性发生了改变：三峡水库蓄洪之前，其水域面积与东洞庭湖的水域面积并未出现同步变化的现象，而蓄洪之后，2个水域面积的变化呈现出明显相关性。

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