沈乌灌域近30 a天然湖泊面积动态变化及驱动分析

史庆晓，李为萍，史海滨，冯 梁，郝云凤，刘晓东

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.巴彦淖尔市农牧业科学研究院，内蒙古 巴彦淖尔 015400)

0 引 言

湖泊是陆地上的洼地或盆地经过长时间积水形成的陆表水域[1]。陆表水对于陆地上的生命来说是必不可少的，它可以改善生态环境，调节区域内小范围的气候[2]。研究区沈乌灌域地处内蒙古河套灌区最西部，东北部与乌兰布和沙漠接壤，降雨少而不均，日照长，夏季高温且干燥多风，灌域内补水主要依靠黄河水补给，生态环境极其脆弱。因其特殊的地理位置、地形地貌以及气候特征，沈乌灌域内由于历史上黄河改道及沙漠间的丘间洼地经四周沙丘渗流聚集，形成了众多的沙成湖和河成湖[3]，当地人又把这些湖泊称之为“淖尔”，此类湖泊受环境、人为活动的影响较大。

近年来，已有部分学者对内蒙古地区湖泊做了很多研究，常学礼等[4]运用遥感技术对科尔沁沙地湖泊面积进行监测与分析，结果表明湖泊面积呈先增大后减小的变化趋势，主要是受降雨量的影响。LIU HY等[5]对内蒙古高原的湖泊进行了研究，结果表明半干旱地区的湖泊普遍存在萎缩甚至干枯的现象，此现象与内蒙古气候的变化有密切关系。由于内蒙古特殊的环境条件以及全球变暖的趋势，当地湖泊主要呈现萎缩，盐碱化等现象[6-9]。很多学者针对位于内蒙古河套灌区的乌梁素海的水质进行了长期定位监测与分析[10-12]。目前，以沈乌灌域内八大天然湖泊面积为研究对象，进行长时间序列监测与分析的仍然较少且目前尚未有一个统一、科学的数据来表示沈乌灌域内湖泊面积的历史变化规律，随着引黄指标的减少，因此亟须采用科学的手段与分析方法，对其进行长时间序列的变化监测，进而准确描述其时空变化特征,以便对其进行适量黄河水补给，以达到节水的目的。

相较于以往的监测方法，遥感技术弥补了传统方法上实地考察困难、资料不易连续等的不足之处，具有监测范围大、迅速获取信息、信息量大和实时动态监测等优点[2]。近些年来，为了准确提取水体,国内外学者提出了归一化水体指数(NDWI)[13],改进的归一化差异水体指数MNDWI[14]、增强型水体指数(EWI)[15]。丁凤等[16]提出一种更加快速精准的新型水体指数NWI，NWI加强了水体与其他背景的反差使得提取效果更加精准。研究表明，采用NWI指数结合阈值法提取结果更为准确。

因此，本文以沈乌灌域为研究区，选用精度较高的新型水体指数NWI，对1988-2018年近30 a沈乌灌域内八大天然湖泊面积进行遥感提取，并结合磴口县气象站提供的气象资料、乌兰布和灌域管理局提供的沈乌灌域的生态补水、总引水量和秋浇水量资料等进一步分析其变化的驱动因素，揭示其历史演变过程，本研究对保护沈乌灌域内生态环境、适量取用黄河水兼具理论意义及应用价值。

1 研究区概况

河套灌区是亚洲最大的一首制灌区和全国三个特大型灌区之一，位于内蒙古自治区。河套灌区自西往东由乌兰布和灌域、解放闸灌域、永济灌域、义长灌域、乌拉特灌域组成(见图1)。本文研究区沈乌灌域隶属乌兰布和灌域一部分，位于河套灌区最西部。乌兰布和灌域共有沈乌口和大滩分干渠两个黄河水引水口，其中沈乌灌域是由沈乌口引水，沈乌灌域包含一干渠灌域和东风分干渠灌域两大区域，其中一干渠灌域又分成一干渠直属、建设一分干灌域、建设二分干灌域、建设三分干灌域和建设四分干灌域。沈乌灌域地势从东南向西北倾斜，平均海拔约1 050 m，灌域内灌溉面积约58 110 hm2，2014年沈乌灌域被选为内蒙古黄河干流水权盟市间转让试点。

图1 沈乌灌域位置图Fig.1 Location map of Shenwu irrigation area

沈乌灌域属于温带大陆性干旱气候，昼夜温差较大，日照时间长，蒸发强，降水少，气候干燥多风。灌域内多年平均降雨量仅为144 mm，多年平均蒸发量为2 455 mm。灌域内补水主要依靠黄河水补给，生态环境极其脆弱，因此灌域内湖泊对于维持其生态环境尤为重要。

本文考虑沈乌灌域内的天然水域、天然水域的利用类型以及灌域中天然水域所处的地理位置等影响因素，选取灌域内八大天然湖泊为主要研究对象，分别为:冬青湖、砖照井海子、金马湖、天鹅湖、镜湖、纳林湖(西湖)、一分场海子、古月辰湖，八大天然湖泊概况见表1。

表1 沈乌灌域天然湖泊概况Tab.1 Overview of natural lakes in Shenwu irrigation area

2 数据源及数据处理方法

2.1 数据来源

因河套灌区每年5月份进入夏灌，10月底-11月中旬进行秋浇，同时夏秋季研究区内水域周围芦苇生长旺盛，会影响水体表面积的提取精度。因此选择研究区每年3-4月份云层覆盖率低且条带质量良好的遥感影像。本文选取了1988-2018近30年的遥感数据，1988-2010年、2014-2018年分别采用陆地卫星Landsat(TM、ETM+、OLI)系列遥感数据，数据下载地址为自美国地质勘探局官网(USGS)(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)和地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。2011-2013年采用的环境减灾卫星数据从中国资源卫星应用中心(http:∥www.cresda.com/CN/)下载，其中由于云层过厚等原因，本研究缺少1989-1991年与2006年的遥感数据，具体遥感数据类型见表2。

表2 遥感数据类型Tab.2 Remote sensing data type

本文所用气象数据由磴口县气象局提供，沈乌灌域的生态补水量、引水量、秋浇水量等数据由乌兰布和灌域管理局提供。

2.2 数据处理方法

本文运用ENVI5.3对原始影像进行融合、波段组合以得到较高空间分辨率的图像，再对原始影像进行一系列预处理(辐射定标[17]、几何校正、大气校正、图像裁剪、波段运算等)，其中波段运算采用NWI新型水体指数结合阈值法对水体边界进行提取，新型水体指数公式为：

(1)

式中：Band1、Band4、Band5、Band7分别代表TM/ETM+影像的第1、4、5、7波段的亮度值；C为常数。又因水域边缘常有新生的芦苇等植物影响水域边界的提取，因此将处理后的影像结合融合后的影像导入ArcGIS10.6中，再结合人工目视解译的方法对水域进一步精确提取水体边界并计算水体面积。

本文运用Origin 2017绘图，运用ArcGIS 10.6进行图像处理。

3 研究结果与分析

沈乌灌域内近30 a来八大天然湖泊的面积动态变化如图2所示。

从图2中可以看出一分场海子跟冬青湖在30 a间均呈直线式扩张趋势。一分场海子30 a间面积平均值为1.47 km2，1988-2001年一分场海子面积均小于1.47 km2。30 a来由1988年的0.70 km2增大到2018年的1.86 km2，增幅高达1.66，1988年为一分场海子面积最小值0.70 km2，在2017年达到峰值1.96 km2。冬青湖近30a内的平均面积为2.51 km2，1988-2000年冬青湖面积均小于2.51 km2，30 a来冬青湖由1988年的1.56 km2扩张到2018年的2.79 km2，增幅为0.78，冬青湖面积1992年为最小值1.24 km2，在2013年达到最大值3.13 km2。

金马湖、纳林湖、镜湖、古月辰湖、砖照井海子和天鹅湖均经历了持续扩张-波动式萎缩-波动式扩张3个阶段。①持续扩张阶段:天鹅湖、砖照井海子、金马湖、古月辰湖的持续扩张阶段均为1988-1997年，湖泊面积分别由1988年的0.73、2.73、1.45、0.29 km2扩张到2.75、3.45、1.46、0.45 km2，增幅分别为2.79、0.26、0.004、0.53。纳林湖和镜湖的持续扩张阶段则是1988-1996年，湖泊面积由1988年的3.73、0.46 km2分别增加到4.38、0.69 km2，增幅为0.17、0.50。②波动式萎缩阶段：砖照井海子和天鹅湖的波动式萎缩阶段均是在1997-2004年，8 a间从3.45、2.75 km2减小到2.92、1.46 km2，减幅分别为0.15、0.47。纳林湖波动式萎缩阶段(1996-2001)，由1996年的4.38 km2减小到2001年的4.10 km2，6 a间减幅为0.06。金马湖的波动式扩张阶段(1997-2001)，5 a间金马湖面积由1997年的1.46 km2减小到2001年的1.09 km2，减幅为0.25。1996-2004年为镜湖的波动式扩张阶段，镜湖面积由0.69 km2减小到近30 a来的最低值0.26 km2，减幅高达0.62。1997-2007年为古月辰湖的波动式萎缩阶段，10 a间面积由0.45 km2减小到近30 a来的最小值0.22 km2，减幅为0.52。③波动式扩张阶段：金马湖与纳林湖的波动式扩张阶段为2001-2018年，湖泊面积分别由2001年的1.09、4.10 km2扩张到1.47、4.27 km2，增幅为0.35、0.04。古月辰湖的波动式扩张阶段发生在2007-2018年，12 a间由0.22 km2增加到0.80 km2，增幅高达2.71。镜湖、砖照井海子和天鹅湖的波动式扩张阶段为2004-2018年，3个湖泊的面积分别由2004年的0.26、2.92、1.46 km2增加到2018年的0.58、3.98、1.48 km2，增幅分别为1.23、0.36、0.01，其中天鹅湖在2017年达到峰值(2.84 km2)，翌年减小为1.48 km2，减幅高达0.48。

图2 近30 a来天然湖泊面积动态变化图Fig.2 Dynamic changes of nearly 30a natural lake area

因沈乌灌域特殊的地理位置跟气候条件，属于没有灌溉就没有农业的地区，加之是内蒙古黄河干流水权盟市间转让试点，其生态环境更受重视，因此近年来灌域内湖泊面积均呈良好的趋势发展。一分场海子跟冬青湖面积均呈直线式扩张的趋势，冬青湖最靠近乌兰布和沙漠地区相对受气候影响较大，但由于冬青湖每年都有专门的生态补水维持湖泊面积故冬青湖的面积呈持续扩张趋势。虽然一分场海子没有专门的生态补水补给，但一分场海子位于建设二分干与一干渠中上游，每年的总引水、秋浇水等侧渗补给较多，故一分场海子面积呈现持续扩张趋势。金马湖、纳林湖、镜湖、古月辰湖、砖照井海子和天鹅湖均经历了持续扩张阶段-波动式萎缩阶段-波动式扩张阶段，每个湖泊3个阶段的时间并不完全一致，但前后相差年份比较接近。金马湖跟纳林湖主要以发展旅游业为主，故金马湖与纳林湖的面积受气候因素、人为活动影响较大，两个湖泊虽年际间波动较大，但是实际波动幅度很小，近30 a来面积较为稳定。镜湖与古月辰湖面积基数较小，其扩张或萎缩的幅度较大，但近30 a来面积最小值与最大值相差仅0.43、0.69 km2，波动并不是很大。砖照井海子是研究区八大天然湖泊的面积第二大湖泊，近30 a来扩张较为明显。天鹅湖年际间波动较为剧烈，其中2017年面积达到峰值而翌年又大幅度减小，在融合后的卫片中可以清晰地看到2017年较其他年份天鹅湖的西北部干涸处逐渐演变为盐碱地，天鹅湖本身是退水形成的一个湖泊，水深较浅，地处乌兰布和境内易受气候影响，2017年蒸降比较大且2018年春季没有分凌期补水，造成天鹅湖严重萎缩。天鹅湖所消失的部分左右两侧为沙地，沙漠地区较农田温度更高且天鹅湖是八个天然湖泊中离渠道最远的湖泊，减少水体的周围又没有农田，所以给天鹅湖的侧渗也少，故天鹅湖面积2017年后减小较为明显。

4 驱动因子分析

4.1 气象因素对近30 a沈乌灌域天然湖泊面积的影响

因本文提取的是沈乌灌域每年春季的天然湖泊面积，每年的气象数据对翌年湖泊面积影响更大，因此在分析水域面积时间变化特征时，均对应使用的前一年的气象数据，见图3，图4。

图3 年降雨量、蒸发量变化图Fig.3 Annual rainfall and chartevaporation change chart

图4 年平均气温、风速变化图Fig.4 Annual average temperature and wind speed change chart

对磴口气象站提供的气象数据分析可知，年平均气温的年际间变化间接影响蒸发量，研究区近30 a年平均气温呈上升的趋势，平均每10 a温度升高0.5 ℃。年蒸发量由磴口站气象数据可知，30 a来(1987-2017年)灌域的蒸发量变动幅度较小，30 a平均蒸发量为2 486.95 mm。1987-1999年平均蒸发量为2 381.06 mm，2000年代、2010年代平均蒸发量分别为2 652.01、2 452.68 mm。而30 a来降雨量整体趋势是下降的，1987-2017年平均降雨量为145.40 mm。1987-1999降雨量平均为150.37 mm，2000年、2010年平均降雨量为143.38、139.85 mm。

由图4知，年平均风速呈下降趋势，30 a平均风速为10.63 m/s，1987-1999年、2000年代、2010年代平均风速分别为11.48、10.80、9.60 m/s，风速的增大虽然会加快湖泊内水体的蒸发但同时由于强劲的风力导致灌域内风蚀坑增多。

4.2 人类活动对沈乌灌域近年来天然湖泊面积空间变化特征驱动因子分析

沈乌灌域从沈乌引水口引黄河水，每年4月底-6月进行春夏灌，7月-9月进行秋灌，10月底-11月中旬进行秋浇。近10 a来研究区秋浇引水量及总引水量见表3所示。

表3 沈乌灌域近年来引水量 万m3

由表3可知，沈乌灌域内2009-2017年全年引水量年际间略有起伏，但基本保持稳定。2009-2017年秋浇水量总体呈下降趋势，但年际间波动较为剧烈。总引水量与秋浇水量均是根据灌域内湖泊面积的变化进行相应调整的，表明沈乌灌域内总引水量和秋浇水量对维持湖泊面积有重要的贡献。

从2008年开始，河套灌区开始有规模、有计划的利用分凌分洪水、灌溉退水等对沈乌灌域内水域进行生态补水，近年来具体生态补水量见表4。

表4 沈乌灌域近年来生态补水量 万m3

由表4可知，沈乌灌域自2009年开始，生态补水量总体上维持在2 000 万m3左右，其中2013年补水量过大(5 142 万m3)，主要是因为2012年降雨量较大(219.5 mm)，2013年降雨量少，生态补水量加大。2016年降雨量较大(224.2 mm)，生态补水量降低为559 万m3。沈乌灌域内生态补水是针对一些面积较大、比较重要的湖泊补水且生态补水量是综合气候以及灌域内湖泊面积的变化而进行相应补给的。沈乌灌域内2016年的耕地面积比2012年增加了0.648 万hm2，耕地面积增幅为12.8%[18]，耕地面积的增加意味着灌溉水量随之增加。但2012-2016年间水域面积不减反增，是因为灌域内每年对面积较大的水域都有生态水的补给，同时每年都会根据湖泊面积的变化从沈乌口进行相应的总引水和秋浇水的补给，因此湖泊旁的地下水埋深变化微弱，生态环境良好。表明沈乌灌域内耕地面积的增加对灌域内春季天然湖泊面积的变化有一定的影响。

5 结 论

本文选取1988-2018年的Landsat(TM、ETM+、OLI)、HJ-1A/B卫星影像数据来分析沈乌灌域30 a来八大天然湖泊的面积变化，同时结合气象数据、人为活动等资料对湖泊面积进行驱动因子分析得出以下结论：

(1)揭示出沈乌灌域1988-2018年近30a来沈乌灌域内八大天然湖泊面积随时间的演变过程：近30 a来一分场海子和冬青湖面积均呈直线式扩张趋势，分别由1988年的0.70、1.56 km2扩张到2018年的1.86、2.79 km2，增幅分别为1.66、0.78。金马湖、纳林湖、镜湖、古月辰湖、砖照井海子和天鹅湖则均经历了3个阶段:持续扩张阶段-波动式萎缩阶段-波动式扩张阶段。①持续扩张阶段：天鹅湖、砖照井海子、金马湖、古月辰湖持续扩张阶段均为1988-1997年，10 a间增幅分别为2.79、0.26、0.004、0.53。纳林湖和镜湖持续扩张阶段为1988-1996年，9 a间增幅为0.17、0.50。②波动式萎缩阶段：砖照井海子和天鹅湖8 a间(1997-2004)，减幅为0.15、0.47。纳林湖6 a间(1996-2001)，减幅为0.06。金马湖5 a间(1997-2001)，减幅为0.25。镜湖在9 a间(1996-2004)减幅则为0.62。古月辰湖在11a间(1997-2007)减幅为0.52。③波动式扩张阶段：金马湖与纳林湖此阶段在18 a间(2001-2018)增幅分别为0.35、0.04。古月辰湖在12 a间(2007-2018)，增幅高达2.71。镜湖、砖照井海子、天鹅湖的波动式扩张阶段均在2004-2018年，15 a间增幅分别为1.23、0.36、0.01。

(2)结合气象数据与人为活动等资料，探讨了水域面积与气候变化(蒸发、降雨、气温、平均风速)和人为活动(生态补水、引水量、秋浇水量、耕地面积)的关系。结果显示，气候的变化对湖泊面积变化有重要的贡献，而人为活动则是根据气候等因素对湖泊面积产生的变化从而对湖泊进行相应的黄河水补给，因此沈乌灌域内湖泊面积的变化是人为活动和气候因素的综合影响。