气候变化下黄河干流湖库水面与植被动态变化

杨 瑶，王宗敏，杨海波，王 飞，李瑞芬

（郑州大学水利与环境学院，河南 郑州450001）

1 引 言

黄河是中国的母亲河，黄河流域的水资源问题一直是我国的一个核心议题［1］。随着我国国民经济的迅速发展，水资源的过度使用引发了许多水问题，如水资源短缺、干旱、洪涝灾害等［2］。同时黄河含沙量较高，极易造成河槽淤积，情况严重时会在部分河段形成“二级悬河”［3］。面对这些问题，在黄河流域因地制宜开展了大量的水利工程建设，这些水利工程对于黄河流域水资源的合理配置、调水调沙、防洪抗旱等都发挥着重要作用。了解黄河流域沿线湖库水体面积的变化情况，可为黄河流域水库调水调沙工作提供数据参考，为水库的科学调度提供依据［4］。

国内学者对黄河流域水资源变化做了大量的研究。段水强等［5］选用Landsat卫星影像和水位监测以及降水、径流等数据对黄河源区1976—2014年的湖泊变化以及与气候的关联性进行了分析和研究；车向红［6］选用MODIS数据结合多种水体提取方法对青藏高原湖泊面积变化进行了逐年和逐月的分析，得出青藏高原湖泊面积呈现整体扩张趋势的结论；朱大岗等［7］通过研究黄河源区湖泊变化及影响因素指出，气温升高引起冰川加速融化和冻土层变薄，导致湖泊来水增加引起湖泊面积增长；黄玉胜等［8］研究了龙羊峡和刘家峡梯级水库联合调度对水环境的影响。

本文通过研究黄河流域内外共107个气象站点在1980—2014年的降水、气温，揭示黄河流域近35 a的降水与气温时空变化特征；研究黄河干流6个大型湖库的水体面积与周边植被变化特征，并分析水体面积、植被与气象数据的关联性，揭示黄河流域在气候变化背景下的水库水面与植被动态变化特征。

2 数据与方法

2．1 数 据

黄河流域分布着大量的水利工程，选择6个大型湖库为研究区域，包括位于上游的鄂陵湖、扎陵湖、龙羊峡水库和刘家峡水库，中游的小浪底水库，以及下游的东平湖，位置分布如图1所示。

对于大型湖泊库区面积变化和植被变化的研究，有多种遥感卫星数据可以选择。本文主要采用美国陆地卫星（Landsat）系列遥感数据［9］，由于研究的时间区间为1980—2014年，因此主要选用Landsat-5卫星、Landsat-7卫星，Landsat-8卫星的遥感数据来获取各个湖库水面面积信息和植被变化信息。为研究黄河干流大型湖库周围的气候变化特征，本文选取了黄河流域内的73个气象站、流域外的34个气象站在1980—2014年的日降雨数据和日平均气温数据，气象站点的分布如图1所示。

2．2 方 法

水体提取是水体遥感监测的重要组成部分［10］。对于Landsat TM遥感影像来说，水体提取方法是以水体和其他地物在遥感影像不同波段上光谱特征差异为基础，构造水体提取模型区分水体和非水体［11］。本文主要采用了水体指数法和植被指数法，水体指数法是在单波段阈值法和多波段谱间关系法基础上提出来的综合方法［12］，基于水体指数法，徐涵秋全面分析了各个地物的反射特性及水体在绿光波段和中红外波段波谱特征，提出改进的归一化差异水体指数MNDWI的计算方法，公式为

式中：Green代表绿光波段；MIR代表中红外波段。

归一化植被指数法是以植被在红光波段与近红外波段的反射率不同，且植被与水体在这两个波段上的变化趋势不同为基础提出的［13］。归一化植被指数NDVI的计算公式为

式中：Red代表红光波段；NIR代表近红外波段。

通过设置NDVI的阈值可以把水体和植被区分开来。使用此方法对水体周边的植被分析具有较好的效果。

对黄河流域的气象特征统计主要利用ARCGIS空间分析模块的克里金插值方法，对107个气象站点逐月插值，分别计算降水和气温的多年平均值，从而分析黄河流域近35 a来的气温和降水的时空变化特征。

3 结 果

3．1 降水与气温时空变化特征

黄河流域年降水量变化趋势如图2（a）所示，年降水量最低值出现在1997年（347．44 mm），最高值出现在2003年（566．44 mm）。黄河流域年降水量整体上呈现出先下降后上升的变化趋势，线性倾向率分别为-18．15 mm／10 a 与29．98 mm／10 a，总体上呈波动性变化。由5 a滑动平均降水量可以得知，1980—1992年呈波动平衡状态，1992—2001年波动下降趋势相对明显，2001—2007年，有着十分明显的上升趋势，2007—2014年又呈现波动平衡状态。为统计黄河流域每10 a年均降水量的变化情况，选择1985—2014年30 a作为研究对象，统计每10 a的年均降水量，并生成等值线图，分析三个时段年均降水量的变化情况。黄河流域多年平均降水量等值线如图2（b）所示，可以看出，三个时段的多年平均降水量等值线整体呈现西北方先后退至东南方向，又向西北方前进的趋势，其中年降水量为400 mm和600 mm等值线尤为明显。由此表明，在这三个时段，流域的多年平均降水量整体呈现先下降后上升的趋势，这与年降水量的时间序列变化趋势相吻合。

三个时段不同降水量区间所占面积比例的具体变化见表1，由三个时段数据相比较可以得出，年降水量小于200 mm的区间面积先减少了2．64%，后增加了4．33%；年降水量处于200～400 mm的区间面积比例先增加了5．03%，然后又大幅减少了12．44%；年降水量处于400～600 mm的区间面积比例先略微减少了2．66%，又略微增加了2．31%；年降水量处于600～800 mm的区间面积先略微减少了0．57%，又大幅增加了5．29%；年降水量大于800 mm的区域面积比例先略微减少后略微增加，减幅和增幅比例分别为0．14%和0．49%。通过图2（a）计算得到黄河流域三个时期的年降水量的整体平均值分别为437、426、451 mm，表明黄河流域近30 a来的年平均降水量呈现先下降后上升的趋势。

黄河流域1980—2014年平均气温变化趋势如图3（a）所示，最低值出现在 1984 年（6．135 ℃），最高值出现在1998年与2006年，均为8．330℃。黄河流域年平均气温整体上呈波动上升趋势，线性倾向率为0．441℃／10 a，并且年平均气温呈现出明显的阶段性变化。由 5 a滑动平均气温可得，1980—1986年、1991—1997年、2002—2014年年均气温呈波动平衡状态，而 1986—1991年、1997—2002年呈明显上升趋势。把1985—2014年的年平均气温分三个时段，每个时段统计10 a的年平均气温，并生成等值线图，如图3（b）所示。叠加分析三个时段中气温的变化，三个时段的年平均气温等值线整体呈现逐渐向西北方向推进趋势，其中前两个时段中没有出现15℃的等值线。由此表明，在这三个时段，流域的气温整体上呈现上升趋势，与年平均气温的时间序列变化趋势相吻合。

表1 三个时段不同降水量区间所占面积比例

三个时段不同温度区间所占面积比例的具体变化见表2，可以看出，平均气温低于0℃的区域面积比例不断减少；0～5℃区域面积比例先减少后增加，减幅和增幅比例分别为0．73%和0．38%；5～10℃的区域面积比例整体呈不断减少趋势，30 a内减少了7．08%；10～15℃的区域面积比例整体呈不断增加趋势，30 a内增加了9．03%；15℃以上区域只出现在第三个时期，即只有最近10 a存在，区域面积比例增幅为0．85%。通过图3（a）计算得到的黄河流域内三个时段的气温的整体平均值为 6．965、7．646、7．799 ℃，说明黄河流域近30 a来的平均气温呈现不断上升趋势，与气温的时间序列相一致。

表2 三个时段不同温度区间所占面积比例

3．2 湖库水体面积变化特征

本文针对黄河干流上6个大型湖库，分5个研究区域对水体面积变化进行长时间序列的分析，选取的影像集中在6—9月，以确保时段的一致性。各湖库水体面积变化趋势如图4所示。

鄂陵湖与扎陵湖水体面积变化特征的研究，需要考虑周边大量中小型湖泊的影响，两湖泊各向外做2 km的缓冲区域，统计包括缓冲区在内的所有面积大于1万m2的湖面作为鄂陵湖和扎陵湖的水域面积。鄂陵湖水体面积变化如图4（a）所示。1987—2002年总体呈平稳趋势，在620 km2左右变化，2003年和2004年，水域面积突然降低，2003年达到最低，2004—2012年总体呈上升趋势，水域面积持续增加，2012年增至最大面积，面积增幅为12．2%。通过遥感图发现，2003年和2004年，鄂陵湖东南侧有明显的陆化趋势。总体上，鄂陵湖在过去27 a间，呈现四个阶段的变化过程，稳定（1987—1993年）—萎缩（1993—2004年）—扩张（2004—2012年）—下降（2012—2014年）。 2005年之后，鄂陵湖湖面出现明显扩张，主要的扩张位置位于黄河鄂陵湖口处。扎陵湖水体面积变化如图4（a）所示，扎陵湖与鄂陵湖总体变化趋势相似，但存在差异，1987—2003年总体呈平稳下降趋势，2002年降幅增加，到2003年降至最低。2003年水体面积开始回升，2003—2013年整体呈现波动上升趋势，仅在2007年和2011年出现下降趋势，但下降趋势仅持续1 a，2010年开始水域面积出现大幅增长，但增长仅持续1 a，之后又开始大幅下降。

龙羊峡水库水体面积变化如图4（b）所示，总体上，龙羊峡水库在1987—2014年研究时段内扩张趋势明显。1987—1994年，其水体面积呈现大幅持续上升状态，从 1987年的 184．1 km2增至 1994年的261．0 km2，增长率为 41．8%。 1994年水域面积开始出现大幅下降，到 1995年降至最低 204．8 km2，2000—2004年相对比较平稳，2004—2006年间，龙羊峡水库水域面积大幅增加，至2006年增加到358．8 km2，增长率为38%。2006—2008年，水面面积又呈现下降趋势。2008年之后，龙羊峡水库水面面积呈现波动性递增趋势。

以龙羊峡水库的运行时间为界，刘家峡水库分为单库运行和联合运行两个时期。本文主要研究联合运行时期的刘家峡水库水体面积变化情况，如图4（c）所示。刘家峡水库的水体面积变化可分为以下几个阶段：1989—1992年，水域面积总体呈下降趋势，而在1992—1993年间，水域面积很快就恢复至原来的水平113．4 km2；1993—1994 年，水域面积呈现略微下降状态，1995年之后的一段时间，相应数据资料缺失，但1995—2001年总体仍能看出很明显的大幅度下降趋势；2002—2011年其水体面积总体呈现平稳趋势，在100 km2上下波动，但是在2007—2009年间水域面积出现明显的下降状态；2012—2015年水库水域面积呈现明显的先增加后下降的状态。总体上，刘家峡水库水体面积呈现平稳波动性变化，并呈下降趋势。

小浪底水库水体面积变化如图4（d）所示。针对小浪底水库统计水域面积时，选取2002年以来调水调沙前的数据进行研究。通过对2002—2014年小浪底水库水域面积的统计分析发现，小浪底水库的水域面积变化分为几个阶段：2002—2007年，水域面积总体呈波动性变化；2007—2009年，水域面积呈平稳上升趋势，面积由2007 年的 167．2 km2增加到 2009 年的 181．2 km2；在2010年有所减少，2010—2013年小浪底水库水体面积呈现平稳增加趋势；在2014年又骤降至169 km2。

2000年之前，东平湖区域的遥感影像数据不足，部分数据选用其他月份进行代替，1999年由于数据缺失严重，未参与计算。东平湖湖泊面积变化如图4（e）所示，分析发现东平湖的面积变化分为几个阶段：1986—1990年呈大幅波动趋势，1990年水体面积突然增加到29 a来最高水平；1990—1993年呈下降趋势，降至近30 a历史最低，面积仅为46 km2左右；1994年水体面积又恢复至相对较高的水平，1994—2001年，东平湖水体面积呈现波动性变化保持相对稳定；2001—2003年水体面积呈现下降趋势，而在2004年，水域面积很快就恢复至原来的水平；2004—2014年，水库水体面积几乎保持不变，水域面积相对比较平稳。总体来看，2003年之前，东平湖水域面积受气象因素影响较大，产生了较大幅度的变化，2003年之后，受小浪底水库调节的影响，水域面积变化相对平稳。

3．3 湖库周边植被变化特征

选择质量较好的NDVI遥感影像对黄河流域干流的湖库进行植被变化特征分析，由于东平湖的遥感影像质量较差且缺失严重，所以此处仅对剩余的5个湖库进行分析，可以发现5个湖库的NDVI空间分布存在较大差异。

3．3．1 鄂陵湖

鄂陵湖周边NDVI分布如图5（a）所示。

1990—2014年中，每隔4～5 a选取一副质量较好的NDVI影像，对鄂陵湖周边的植被变化进行对比分析。从图中可以明显看出，在2004年，鄂陵湖周边NDVI分布存在一个突变的现象，大部分区域对应NDVI阈值范围减小（为 0．05～0．18，黄色覆盖区域），NDVI指数较大区域（绿色覆盖区域）分布离散且面积比重降低，说明在这一时期鄂陵湖周边植被覆盖区域发生明显的减小现象。但就1990—2014年间的NDVI分布整体情况来看，鄂陵湖缓冲区范围内NDVI空间分布基本一致，植被覆盖呈现较为稳定的发展趋势。

鄂陵湖周边的NDVI均值变化如图5（b）所示。该区域NDVI整体波动较大。在1994—2000年，NDVI均值呈增长趋势，但在2000—2004年，NDVI均值不断下降，这可能与当年降雨量偏低有关。到2005年NDVI均值剧增，到2009年维持稳定，维持一年后又开始下降，于2012年下降至最低，之后开始上升。

3．3．2 扎陵湖

扎陵湖周边NDVI分布如图6（a）所示。

在1990—2014年，NDVI分布总体基本也呈现较为稳定的发展趋势，整体空间分布趋势无较大变化。除了在2004年湖泊南部NDVI分布发生突变减小至0．00～0．10 范围内（黄色覆盖区域）外，自 2004 年后扎陵湖南部 NDVI明显增大，由 0．10～0．20的阈值范围（浅绿色覆盖区域）增大至0．20～0．73的阈值区间（绿色及深绿色覆盖区域），反映出此时期南部区域植被覆盖面积明显增大的现象。

扎陵湖周边的NDVI均值变化如图6（b）所示。扎陵湖缓冲区的NDVI均值变化趋势同鄂陵湖相近，不多做介绍。

3．3．3 龙羊峡水库

龙羊峡水库周边NDVI分布如图 7（a）所示。1987—2014年，龙羊峡水库周边NDVI空间分布存在较为复杂的变化情况，大致可分为两个不同变化时段。1987—2003年，NDVI整体分布呈现多个区域明显减小的现象，尤其是龙羊峡水库东部与东南部；2003年以后NDVI整体呈增大趋势，在水库北部与东南部变化最为明显，大部分地表NDVI阈值范围由原来的-0．07～0．10（黄色覆盖）增大至 0．10～1．00（浅绿色与深绿色覆盖区域），尤其是在2014年植被覆盖面积达到最大。此外，依据图7（a），1993年与2009分别为两个时段内NDVI整体最低的年份，而造成此现象最直接的原因是选取的是5、6月份的NDVI影像，并非植被生长最为茂盛的7、8月份。其次，与相应时期的降雨、气温等也有密不可分的联系。

龙羊峡水库周边NDVI均值变化如图7（b）所示。可以看出，与鄂陵湖和扎陵湖周边的NDVI均值相比，龙羊峡水库周边的NDVI均值整体偏低，说明龙羊峡水库周边的植被覆盖相对薄弱。1987—2002年，NDVI均值呈现大幅度的先下降后上升趋势，1994年下降至28 a最低水平。2002—2014年整体呈波动上升趋势，仅在2002年与2007年出现较大幅度的下降，但很快又恢复到下降前水平。2012年开始出现大幅度增长，到2014年增加至28 a最高水平，增长率达74%。总体来看，龙羊峡水库周边NDVI均值呈波动增长趋势。

3．3．4 刘家峡水库

刘家峡水库周边NDVI分布如图8（a）所示。刘家峡水库周边南部NDVI值明显大于北部，整体植被覆盖情况更好。1990—2013年，该区域NDVI整体分布呈现较为复杂的波动变化。与1990年相比，1992年刘家峡水库周边0．00～0．20阈值范围覆盖区域呈明显扩张态势，NDVI空间分布整体颜色偏黄，NDVI值降低，说明在1990—1992年间植被覆盖呈减小趋势。到1994年，水库周边区域NDVI整体分布恢复到与1990年相近水平。2001年，刘家峡水库水体西南部NDVI值域增大至-0．04～0．00，北部及东北部较之 1994年NDVI明显降低。2004年植被覆盖整体情况非常好，尤其是北部颜色明显加深变为绿色，NDVI整体分布在0．20～0．40之间，植被呈现增加趋势。 在2008年整体区域NDVI又发生降低现象，与2004年相比，北部植被覆盖衰减变化最为严重。到2013年，NDVI整体分布在0．40～0．76范围内（深绿色覆盖区域），表明在此阶段植被覆盖面积增加显著。

刘家峡水库周边NDVI均值变化如图8（b）所示。可以看出NDVI均值在1990—1994年呈现波动性变化状态，1994—2000年呈下降趋势，2000—2004年NDVI均值一开始是保持不变处于稳定状态，之后开始不断增长，到2004年达到14 a来均值最高。但在2005年NDVI均值又突然大幅下降，2005—2012年刘家峡水库NDVI均值呈波动性变化趋势，2012年之后呈现波动性增长趋势，在2013年NDVI均值达到研究时间段内最大值。总体来看，刘家峡水库周边NDVI均值呈现波动性增长趋势。

3．3．5 小浪底水库

小浪底水库周边 NDVI分布如图 9（a）所示。2002—2007年，小浪底水库周边的NDVI阈值整体呈现多个区域明显增加的现象，尤其是小浪底水库西南部与东南部；与2007年相比，小浪底水库西南部阈值在 2010 年从 0．35～0．50 骤降至 0．10～0．35，说明小浪底水库西南部植被覆盖衰减变化最为严重。至2014年小浪底水库周边整体阈值减小，该减小趋势在小浪底水库东部尤为显著，该趋势可能与本年所选7月份遥感影像有关，部分植被还不是很旺盛。

小浪底水库周边NDVI均值变化如图9（b）所示。在2002—2007年，NDVI均值呈现增加趋势，2006—2007年间大幅度增加，增长率达到27．5%，2007年NDVI均值达到研究时段的最大值0．41；2007—2011年不断下降，年下降比率为43．8%；2011—2013年NDVI均值有所增加，2014年均值又下降至接近2002年水平。

3．4 水体面积和植被与气象数据的关联分析

为研究湖库水体面积、植被指数与气象数据的关联性，从6个湖库中选择数据序列长且质量相对较好的湖库作为研究对象，对水体面积、NDVI与气温、降水量进行相关性分析。

3．4．1 水体面积与气象数据的关联分析

黄河上游研究区域有鄂陵湖、扎陵湖、龙羊峡水库、刘家峡水库，为了方便统计和验证，选取一湖一库即鄂陵湖和龙羊峡水库，对水体面积与气象数据的相关性进行分析。鄂陵湖多年水体面积与气温、降水量的关系如图10所示。可以看出，气温、降水两个气象要素与鄂陵湖水体面积的相关性均不高。水体面积与气温的相关系数为0．515，置信度 0．98，略高于与降水的相关系数0．434。这可能与鄂陵湖的地理位置有关，鄂陵湖位于青藏高原，湖面海拔达4 272 m，年降水量少，湖水的主要补给来源于冰川融水，而冰川融化又与气温关系密切，所以相对于降水，气温与水体面积的相关性略高。

与其他5个湖库相比，龙羊峡水库区域的数据资料更多，遥感影像的质量也更高。龙羊峡水库多年水体面积与气温、降水量的相关关系如图11所示。整体来看，水体面积与气温的相关性远高于降水量。龙羊峡水库水体面积与年平均气温相关系数高达0．784，与降水量相关系数仅为0．218，且置信度低于0．95。对比鄂陵湖与龙羊峡水库发现，龙羊峡水库与气温的相关性高于鄂陵湖，但与降水的相关性低于鄂陵湖。为了科学地研究降水对水体面积的影响，根据龙羊峡水库获取影像的具体日期，统计了其前3个月降水量数据，再与龙羊峡水库水体面积变化进行相关性分析，发现两者的相关系数仍然不大，可见气温对龙羊峡水库水体面积的影响远远大于降水。究其原因，一方面龙羊峡水库位于黄河上游，有冰川融水的补给；另一方面鄂陵湖水库处于其上游，上游来水以及水库之间的调度也会影响龙羊峡水库的水体面积。

3．4．2 湖库周边NDVI均值与气象数据的关联分析

本节主要分析NDVI均值与气温、降水量的关系。由于小浪底水库的数据较少，东平湖的数据质量不好，水面之上有很多云层覆盖，不能得到足够多有效的数据，因此主要研究其他4个区域，两湖两库周边NDVI均值与气温的关系如图12所示。可看出刘家峡水库周边NDVI均值与气温的相关性最好，相关系数达到0．581，扎陵湖与龙羊峡次之，相关系数分别为 0．525、0．520，鄂陵湖相关系数为 0．509，4 个湖库拟合置信度均大于0．95。通过对这4个湖库的NDVI均值与降水量进行线性拟合发现其相关系数远小于0．5，且置信度均低于0．95。由此得出，气温变化是影响黄河上游研究区域NDVI的主要气象因素。对比4个湖库的地理位置发现，越往黄河下游年平均气温越高，NDVI均值与气温的相关系数越大，说明湖库周边植被的生长受气温的影响远大于降水。

4 结 论

黄河流域30 a来年平均气温总体呈上升趋势，年降水量呈先下降后增加趋势。1985—2014年的三个时段年平均气温等值线整体呈向上游逐渐移动的趋势，三个时段的年平均气温增加与年平均气温的时间序列变化一致。三个时段的多年平均降水量等值线表现为第一个时期到第二个时期整体向上游方向移动，第二个时期到第三个时期整体向下游方向移动，三个时期的多年平均降水量表现为先减少后增加，与年降水量变化趋势一致。

鄂陵湖的水体面积在过去27 a间，呈现四个阶段的变化过程，稳定（1987—1993年）—萎缩（1993—2004年）—扩张（2004—2012年）—下降（2012—2014年），总体呈平稳增加趋势。扎陵湖与鄂陵湖的水体面积变化过程类似，但是增幅较小；龙羊峡水库水体面积总体呈波动性快速上升趋势；刘家峡水库水体面积总体呈波动性变化，其中1989—2002年呈大幅波动变化，在2002年之后波动性较之前小，近10 a维持平稳波动变化；小浪底水库水体面积从2002年开始，总体呈波动性稳定变化趋势；东平湖在1995年之前水体面积呈现大幅升高和降低情况，1995—2005年呈现小幅波动变化趋势，2005年之后东平湖呈现相对稳定变化趋势。

黄河上游的鄂陵湖和扎陵湖周边的植被总体上呈现波动性增加趋势，NDVI均值和最大值保持相对一致性；龙羊峡水库植被整体较其他研究区域薄弱，但是植被呈现波动性增长趋势；刘家峡水库NDVI均值整体呈波动性变大趋势；小浪底水库周边NDVI均值波动变化较大。

鄂陵湖、龙羊峡水库水体面积与气温的相关性均优于与降水的相关性，气温是影响湖库水体面积的主要气象因素。NDVI与水体面积类似，受气温影响更大，且越靠近下游相关系数越大。黄河上游研究区域年平均气温是影响NDVI均值变化的主要原因。

本研究存在一些不足之处。首先，文章的研究区域仅选择了黄河流域6个湖库，未能全面反映黄河流域的整体情况。其次，本文主要采用了长时间序列的遥感影像数据进行研究，研究的是年际变化，对于年内的水体面积变化和NDVI变化并不能如实的反映。