云南普者黑湿地流域水域面积变化及其影响因素

2021-05-24毛转梅彭尔瑞陈劲松吴培军

江西农业学报 2021年5期

毛转梅，刘青，彭尔瑞*，陈劲松，吴培军

(1.云南农业大学水利学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201)

水体动态监测是当今资源与环境变化研究的一个热点与重点，利用遥感技术的快速、周期性特点，在遥感影像上获得水体范围或其他特征信息是很有效的手段。目前已有许多学者基于多源卫星数据，利用RS和GIS技术对研究区水体进行了监测和分析，如赵澍等[1]对呼伦湖水域面积进行了长时序的动态变化研究并分析了气候因素的影响。马艳敏等[2]对吉林省西部主要水体分布面积变化及影响因子做了研究。Wang等[3]针对洞庭湖的变化分析提出了一种新的方法。王莺等[4]对红碱湖近60年湖水面积动态变化及驱动因子进行了分析。万华伟等[5]利用低空间分辨率MODIS数据，采用水体指数提取了2000～2013年呼伦湖水域面积，同时也开展了水域面积与水位、气候等相关影响因素的研究。Zhang等[6]从气候和人类活动2个方面对中国湖泊变化进行了分析。Jin等[7]利用遥感数据对咸海流域的变化及气候与人类的影响做了研究。管玉莹等[8]研究了高邮湖自然水域的30年变化和影响因素。与传统水体监测方式相比，遥感技术具有宏观、综合、动态和快速的特点，可迅速、精确地提取湖泊信息，由此可进行长时间序列动态变化监测，节省大量的人力、物力和时间。

普者黑流域是典型的喀斯特岩溶湖泊湿地生态系统和典型的水体旅游湿地公园，近几年国内学者对普者黑地区的研究主要集中在生态功能区划[9]、土地利用和景观格局变化[10]、流域氮磷输出与景观特征指数的定量关系[11]、湿地不同类型沉积物污染程度[12]、生态脆弱性时空演变过程、突变特征评价[13]、湖滨带景观格局对普者黑岩溶湖泊湿地水质的影响[14]等方面。学者们在普者黑流域水体动态变化方面的研究甚少，由于岩溶区的水体与植被重叠的区域较多及湖泊的破碎度大的特点，使得对于该地区的水体提取存在一定难度。本研究以普者黑典型岩溶区为研究对象，目的在于探讨流域水体长序列水域面积动态变化与主要影响因素之间的关系，收集普者黑流域1998～2019年Landsat系列卫星TM、OLI影像以及相关气候、植被、经济数据，在遥感(RS)、地理信息系统(GIS)技术支持下，通过影像分析和新型水体指数法提取普者黑流域1998、2005、2014、2019年的水域面积来分析该地的动态变化，利用统计学分析方法，探寻其动态变化的因素。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

如图1所示，普者黑流域是指普者黑湿地公园及公园附近的水源，湿地公园上游的2个中型和1个小型水库：设计库容为5370万m3的红旗水库和1450万m3的丁家石桥水库、360万m3的增产水库和年平均容水量4950万m3的八道哨河为湿地公园的水源补给，水流通过普者黑省级自然保护区后流入湿地公园，经清水河南盘江，最终汇入珠江。

图1 研究区遥感影像示意图

1.2 数据来源

来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)的数据有普者黑遥感影像为Landsat系列卫星影像(TM、OLI)，影像空间分辨率为30 m；植被NDVI影像为MODIS中国合成产品(MODND1M中国500M NDVI月合成产品)；DEM数字高程数据选择了SRTMDEM 90M类型数据。普者黑流域矢量边界数据是运用ArcGIS10.5水文分析模块并以谷歌地球为参照图共同得到的。来源于资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn)有气温和降水数据。来源于丘北年鉴的数据有普者黑历史气候极端资料和社会经济数据。流域水域面积动态变化是受到一系列因子相互作用的复杂过程，按照普者黑流域地区的自然人文特点，选择降水量、气温、植被和经济4个因子进行相关性分析。

1.3 数据分析

遥感影像经过ENVI软件进行影像裁剪、波段合成预处理，影像投影均采用WGS84坐标系，通过水体指数法、均值法处理数据且用Excel 2003、Origin 8.0软件对数据整理、统计与分析。

2 研究方法

2.1 归一化水体指数法

归一化水体指数[15](Normalized Difference Water Index，NDWI)，其原理是应用波段间比值来进行分类，具有与植被区分度高、归一化等特点，是当前适用性最好的水体指数法。NDWI定义为：

(1)

式(1)中：Green为绿波段，NIR为近红外波段。

在Landsat8 OLI影像中，绿波段、近红外波段分别对应3波段和6波段；虽然NDWI能够较准确地抑制植被反射信息，但对居民地等反射信息的抑制效果有待提升。

2.2 改进的阴影水体指数(ESWI)

刘双童等[16]基于阴影水体指数SWI模型，得到了ESWI决策树法，这种方法是基于GF-2遥感影像的蓝波、绿波和近红外波段在水体表面反射率上显现的不同特征，根据单波段阈值法与增强阴影水体指数法相结合的方法提出来的。其计算公式如下。

(2)

式(2)中：B1为蓝波段；B2为绿波段；B4为近红外波段。

2.3 新型水体指数(NEWI)

NEWI水体指数是利用Landsat遥感影像数据，针对岩溶地区普者黑流域水体信息提取易受地类阴影的影响特点，为了增强水体与地类阴影的差异，对归一化水体指数和改进的阴影水体指数进行数学关系计算，经过重复试验构建了一种新型混合水体指数。其计算公式如下。

(3)

式(3)中：NDWI为归一化水体指数；ESWI为改进的阴影水体指数。

2.4 相关分析法

采用相关分析法研究水域面积与各驱动因子间相关性，通过年尺度的水域面积与相应的气温与降雨等的相关系数来反映不同因子与水域面积的相关程度，其计算公式如下。

(4)

式(4)中：n为总年数；i为年序号。相关系数取值范围在[-1，1]之间，其绝对值越大，说明水域变化与气候因子的相关性越高；反之，则说明两者的相关性越低[17]。|Rxy|<0.3为弱相关，0.3<|Rxy|<0.5为低显著相关，0.5<|Rxy|<0.8为显著相关，0.8<|Rxy|<1为极显著相关。

2.5 湖泊动态度变化

应用湖泊动态度分析长时间尺度湖泊面积变化特征，该指标可以反映区域某一时段湖泊面积(数量)变化的速率，能够将湖泊资源变化的剧烈程度定量化。

计算公式如下:

(5)

式(5)中：K为某一时段内湖泊变化动态度，即湖泊面积(或数量)的年均变化率；Ua、Ub分别为研究期初、期末的湖泊面积(或数量)；T为研究时间段长。

3 普者黑流域水体面积的年际变化特征

考虑到普者黑流域不同时节植被对水域面积的影响，本文数据选择13期枯水期影像(10月至次年2月)，此时普者黑水域受植被的干扰少，水域面积稳定，流域水域面积以矢量边界为准，主要包括湖泊、河流、水库和坑塘。通过ENVI5.3软件对Landsat影像的处理，以1998、2005、2014、2019年的水域面积为分界点以分析其变化。

由图2可知，1998～2019年普者黑水域面积小幅度增加2.37 km2，水域面积动态度为0.02%。其中1998～2002年小幅度增加11.92 km2，水域面积动态度为0.39%，水域面积保持增长阶段；2002～2010年大幅度减小63.12 km2，水域面积动态度为-1.13%，保持减少阶段；2010～2019年幅度增加53.57 km2，水域面积动态度为0.96%，变化为增长阶段，此阶段普者黑水域面积增加的面积比上一阶段的减少阶段小但水域面积缩小有减速的趋势。

图2 普者黑流域水域面积变化

总体来看，普者黑流域水域面积整体动态度呈现正增长的趋势，从1998～2019年，流域水域面积先后经历了由退缩再到扩张的过程。普者黑流域水域面积最小年份出现在2009年558 km2和2010年557.82 km2，其原因为2009～2011年连续3年云南省旱情严重，省内除2个站旱情相对较轻外，其余123站均存在干旱，其中118站出现重旱以上等级干旱，107站达到了特别干旱等级，被确定为“60年一遇的特大干旱”；加之丁家石桥水库于2009～2011年为建设施工期且2012年该水库下闸蓄水。

图3是1998～2019年代表年份普者黑水域面积分布图，普者黑水域的中部湖泊部分是变化幅度较大的地区，水域地区的水库面积处于平稳状态，普者黑流域水域面积总体上呈波动增加的趋势变化。

图3 代表年份的普者黑水域面积分布

4 普者黑流域水域面积变化的影响因素分析

普者黑流域水域面积的变化是受自然因素和人为因素相互作用、共同影响的结果。自然因素如气温、降水和植被水源涵养等；人为因素主要包括工程建设、水库的调蓄、河道整治和人类活动对生态环境的影响等。

4.1 气象因素

普者黑流域的气象因素选取降水和气温为主要驱动力，从普者黑流域年均降雨、气温变化可知(图4)，1998～2015年普者黑流域年均降雨量为下降趋势且在2011年达到最小值(702.46 mm)；1998～2015年普者黑流域气温年均值为增长趋势且2010年达到最大值(17.64 ℃)。2008～2010年气温持续增长幅度较大且2010年达到最高值，降雨从2008～2009年持续减少，2009～2010年出现小幅度的上升后2010～2011年呈下降趋势且最小值出现在2011年，此阶段表现为降雨异常偏少、气温异常偏高。据资料统计，2009年7月1日，云南省平均降雨量为512.4 mm，比多年平均值(721.5 mm)偏少209.1 mm，偏少了30%，打破了有气象观测记录以来同期平均降雨量的最少纪录，平均最高气温为23.8 ℃，比多年平均(22.1 ℃)偏高1.7 ℃，打破了有气象观测记录以来同期平均最高气温记录。Pearson相关性分析显示：气温、降雨与研究区水域面积变化无明显相关性(R2=-0.108、-0.0821)。

4.2 植被因素

通过统计2000～2018年雨季和旱季时期的普者黑植被NDVI的平均值，得到普者黑流域的植被NDVI的变化趋势。从图6、图7可以看出：2000～2018年旱季和雨季普者黑植被NDVI变化趋势大体为增长趋势，2000～2014年旱季NDVI增加幅度为0.248，雨季NDVI增加幅度为0.121，此阶段为上升趋势；2014～2018年旱季NDVI减少0.163，雨季NDVI减少0.096，此阶段为下降趋势。整体上看，旱雨季植被NDVI均呈先上升后降低的单峰型趋势，其原因可能为普者黑流域中型水库丁家石桥水库和红旗水库分别于2011～2012年和2012～2014年施工，施工期叠加和库区裸露导致植被覆盖降低；以及2009～2010年云南省出现的极端干旱天气导致流域范围内降雨较往年有所下降使气候呈现出暖干趋势，两大因素的存在造成了植被覆盖出现先上升后降低的趋势。Pearson相关性分析显示旱季、雨季、年际3个阶段的植被NDVI与研究区水域面积变化在0.05的水平上没有明显的相关性(R2=-0.096、-0.067、-0.088)。

图4 普者黑流域年均降水、气温因子的变化

图5 普者黑流域面积与降水、气温的相关性

图6 普者黑流域雨旱季NDVI的变化

4.3 人类活动影响

水库和堤防的修建改变了流域水文过程，截断了下游湖泊的补给水源，湖泊因得不到充足的水源而缺水，出现萎缩和干涸现象。普者黑湿地公园上游河道清水河上游响水河段流域西高东低，属珠江流域西江水系清水江一级支流清水河的一级支流，由西向东流经丘北县响水、大勒哨、下勒哨、保山营、八道哨、小矣堵，流经国家湿地公园后注入清水河，河道平均坡降1.20%，清水河上游响水河段上游区，地表植被覆盖率一般，水土流失严重，经调查流域内土壤侵蚀模数500 t/km2·a。

图7 普者黑流域面积与NDVI的相关性

4.4 经济因素

以矣堵、八道哨、马头山、普者黑村、马者龙5个普者黑景区附近村委会的人均年收入为代表，分析2010～2015年间普者黑流域人均年收入的变化来反映该地区的社会经济变化趋势(图8)。2010～2015年，5个村委会的人均年收入都呈上升趋势。导致经济快速发展的原因一方面是普者黑景区为云南省文山州著名的旅游景点，该景区开发于1992年，2008年晋级为国家4A级风景旅游区，2010年修建完成景观大道，与普炭高速公路接通，景区面积扩张到了300多km2，水域面积占景区观赏面积中的大多数，其水域景点的开发和商业化的综合进展，带动了附近村民的经济发展；另一方面是由于当地的农业耕作以水田为主的农耕方式促进了经济发展。Pearson相关性分析显示，水域面积变化与社会经济在0.05水平上显著相关(R2=0.883)。

5 结论

(1)1998年以来，普者黑流域水域面积总体上呈波动增加趋势，湖泊部分的变化最为明显，水库面积相对稳定。

(2)1998～2018年研究区水域面积变化可分为较明显的3个阶段，小幅度上升阶段(1998～2002年)，剧烈减小阶段(2002～2010年)，逐步上升阶段(2010～2019年)，水域面积动态度分别为0.39%、-1.13%、0.96%，至2010年普者黑流域水域面积最小，与1998年相比减少。