基于卫星遥感的洞庭湖水体面积变化及与水文的相关性*

黄菊梅，韩沁哲，姚 晟，蒋 帅，黄海波

(1.湖南省岳阳市气象局，湖南 岳阳 414000；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118)

0 引言

洞庭湖位于湖南省北部，长江荆江河段以南，与长江干流直接相连，属典型的吞吐调蓄性湖泊，水体面积季节性变化较为明显。随着全球气候变化的加剧和三峡工程阶段性蓄水完成和运行，洞庭湖区水文特征以及江湖关系发生诸多变化。水体分布面积广，且常分布于难以通达的区域，难以采用常规测绘方法测定其面积及分布格局[1]。因开展湖泊湿地生态环境监测与保护工作的迫切需要，利用卫星遥感监测方法已成为水体环境监测的重要手段之一[2]。遥感技术具有监测范围广、信息更新速度快、周期短、获取的信息量大以及节省人力、物力，人为因素的干扰少等特点[3]。王威等[4-5]分析1994—2017年高分辨率Landsat影像，认为洞庭湖水体经历了扩张—萎缩的变化过程，同时洞庭湖1989—2018年水体年平均面积具有较大波动，总体处于缩减趋势。李景刚等[6]利用2000—2008年MODIS数据研究表明，受气候变化与三峡工程初期运行等因素的共同影响，洞庭湖区水域面积总体上呈现出一定程度的下降趋势。

如何将遥感数据分析与地面水文数据有效结合，是需要关注的重点问题[7]。唐岗[8]构建了基于遥感大数据的流域洪水预报模型，彭定志等[9]建立了基于MODIS和GIS的洪灾监测评估系统,该系统在我国洪水监测评估中具有广阔的应用前景，张璐等[10]针对部分地区缺乏河流水量实测资料的问题，提出一种基于Landsat遥感影像的河道水量估算方法。本文通过对近年洞庭湖水体卫星遥感面积变化及与水文的相关性研究，掌握洞庭湖水体面积分布现状及动态变化，了解三峡工程建成后洞庭湖水体年最大面积的变化趋势，为湖区防灾减灾和生态环境保护等方面提供重要的科学依据。

1 资料来源

本文洞庭湖水体(裸水)遥感监测面积(简称洞庭湖水体面积，下同)来源于湖南省生态气象和卫星遥感中心、国家卫星气象中心遥感应用室。水文数据来源于湖南省水文水资源勘测局，分别用城陵矶、益阳、常德水位站水位和流量来表征岳阳市、益阳市、常德市的水文状况。

2 结果分析

本文收集2006年1月—2020年7月洞庭湖水体面积样本133个(表1)，其中2015年7月—2020年7月为包括岳阳市辖区、岳阳县、华容县、湘阴县、汩罗市、常德市辖区、汉寿县、安乡县、益阳市辖区、沅江市、益阳县、南县等精细化洞庭湖水体面积样本49个。2006年1月—2018年3月期间除2017年7月2日为FY-3MERSI资料外，其余均为EOS-MODIS资料，2018年4月—2020年7月期间为FY-3B/MERSI、FY-3C/VIRR、FY-3D/MERSI、Sentinel-1、GF-3/SAR资料。

表1 2006—2020年样本个数对应年份Tab.1 The corresponding years of the number of samples from 2006 to 2020

2.1 洞庭湖水体面积的变化特征

洞庭湖北有分泄长江水流的松滋、太平、藕池三口，东、南、西有湘、资、沅、澧四水直接灌注入湖，形成不对称的向心水系，素有“洪水一大片，枯水几条线”之说。同时众水汇聚湖中，仅有城陵矶一口流出至长江，因而洪水停蓄时间长。

2006年1月—2020年7月洞庭湖水体面积样本标准差为530.30，最大值为2 490.66 km2，出现在2020年7月22日；最小值为361.00 km2，出现在2011年5月19日。洞庭湖水体面积最大值为最小值的6.9倍，因此，洞庭湖水体面积离散程度较高且变幅大，这也体现了洞庭湖巨大的蓄洪能力。

图1中，2015年7月—2020年7月49个样本均值中，位于东洞庭湖的岳阳市水体面积最大，占洞庭湖水体面积的68.62%，其中岳阳县为34.89%，湘阴县为17.35%，市辖区为10.55%，汨罗市为5.25%，华容县为0.58%；位于南洞庭湖的益阳市水体面积次之，占洞庭湖水体面积的25.77%，其中沅江市为23.52%，南县为1.39%，益阳县为0.83%，市辖区为0.03%；位于西洞庭湖的常德市水体面积最小，占洞庭湖水体面积的5.61%，其中汉寿县为5.57%，安乡县为0.03%，市辖区为0.01%。因此，岳阳县、沅江市、湘阴县水体面积合计占洞庭湖水体面积的75.76%，为洞庭湖水体主要分布县市。

图1 洞庭湖各市水体面积变化Fig.1 The changes of the water area in each city of Dongting Lake

岳阳县、沅江市、湘阴县水体面积与洞庭湖水体面积相关系数达0.95～0.98，岳阳市辖区、华容县、汨罗市、汉寿县、南县水体面积与洞庭湖水体面积相关系数为0.78～0.84，益阳县水体面积与洞庭湖水体面积相关系数为0.05。因此，占比越大的县市，其水体面积与洞庭湖水体面积相关性越大。

2.2 洞庭湖水体面积与水文的关系

2010年10月26日，三峡工程首次达到设计水位175 m，标志着这一世界最大水利枢纽工程的防洪、发电、通航、供水等各项功能都可达到设计要求。图2中，2010—2020年洞庭湖水体面积年最大值呈增大趋势，达到0.05显著性检验水平，表明最近11 a洞庭湖水体面积年最大值显著增大。2010—2020年洞庭湖水体面积年最大值与城陵矶年最高水位线性相关系数为0.92，表明二者显著相关。洞庭湖水体面积年最大值出现时间与城陵矶年最高水位出现时间有9 a相差0～10 d。另外，城陵矶年最高水位呈增加趋势但不显著。

图2 2010—2020年洞庭湖水体面积逐年最大值与城陵矶年最高水位变化Fig.2 Changes of annual maximum water area in Dongting Lake and annual maximum water level in Chenglingji Lake from 2010 to 2020

图3中，2006年1月—2020年7月洞庭湖水体面积与城陵矶水位线性相关系数为0.95，与常德、益阳水位线性相关系数为0.79、0.83。因此，洞庭湖水体面积与城陵矶水位相关性最密切。城陵矶水位变幅达13.96 m，最大值为34.47 m，出现在2020年7月22日，当日洞庭湖水体面积最大；最小值为20.51 m，出现在2008年1月1日，当日洞庭湖水体面积为497.00 km2。

图3 洞庭湖水体面积与各市水位变化Fig.3 Changes of water area of Dongting Lake and water level of each city

图4中，城陵矶流量标准差为6 790.78，最大值为42 200.00 m3·s-1，出现在2017年7月2日；最小值为1 580.00 m3·s-1，出现在2009年12月28日，最大流量为最小流量的26.71倍。因此，城陵矶流量离散程度巨大且变幅极大，充分体现出城陵矶流量受洞庭湖来水涨落和长江干流顶托影响的特征。洞庭湖水体面积与城陵矶流量线性相关系数为0.86，达到0.001显著性检验水平。

图4 洞庭湖水体面积与城陵矶流量变化Fig.4 Changes of Dongting Lake Water Area and Chenglingji Discharge

2.3 洞庭湖水体面积与长江水文模型

宋求明等[11]通过对各水文站点的比较分析，得出城陵矶、岳阳、鹿角站等靠近洞庭湖入江口的水文站点,其面积—水位曲线的拟合相关性较高。在对2006年1月—2020年7月133个洞庭湖水体面积样本与城陵矶水位进行指数、线性、对数、幂以及多项式等曲线拟合后发现，4阶多项式曲线拟合相关性最优，拟合优度判定系数为0.92(图5)。多项式趋势模型为：

图5 洞庭湖水体面积与城陵矶水位曲线拟合Fig.5 Curve fitting between the water area of Dongting Lake and the water level of Chenglingji

y=0.1635x4-17.812x3+725.44x2-12953x+85751

(1)

采取上述同样的方法对洞庭湖水体面积与城陵矶流量进行曲线拟合，6阶多项式曲线拟合相关性最优，拟合优度判定系数为0.77(图略)。因此，洞庭湖水体面积与城陵矶水位拟合模型优于流量拟合模型。

3 结论

①洞庭湖水体面积变幅大。岳阳县、沅江市、湘阴县水体面积合计占洞庭湖水体面积的75.76%。占比越大的县市，其水体面积与洞庭湖水体面积相关性越大。

②2010—2020年洞庭湖水体年最大面积显著增大且与城陵矶年最高水位显著相关。洞庭湖水体面积与城陵矶水位的相关性高于常德、益阳水位。

③城陵矶流量变幅极大，充分体现出城陵矶流量受洞庭湖来水涨落和长江干流顶托影响的特征。

④洞庭湖水体面积与城陵矶水位进行指数、线性、对数、幂以及多项式等曲线拟合后发现，4阶多项式曲线拟合相关性最优。

⑤洞庭湖水体面积与城陵矶水位拟合模型优于流量拟合模型。

4 讨论

①2007年7月26日EOS-MODIS资料中，东洞庭湖西北部由于受到云的干扰，水体判识受到影响，我们采取了改变阈值的方法分步计算出水体的面积。2012年7月22日EOS-MODIS资料中，因西洞庭有云遮盖，故利用FY-3监测结果进行结果对比矫正。2020年7月21日GF-3/SAR资料中，未能覆盖常德范围内所有洞庭湖水体，西洞庭湖水体判识面积可能受此影响偏小。而2020年7月22日10时FY-3C/VIRR资料中，虽然洞庭湖水体面积较14日16时增大54.50 km2，但西洞庭湖水体面积减少，主要有两方面原因：一是西洞庭常德站水位从36.79 m下降到35.15 m，下降了1.64 m，二是常德洞庭湖水体面积主要分布在汉寿县，22日卫星过境时汉寿县有云覆盖，导致部分水体面积未能较好地判识。因此，不同的卫星/仪器、算法、分辨率以及天气条件对洞庭湖水体面积会产生一定的影响。

② 2020年7月14日FY-3B/MERSI数据中，洞庭湖水体面积243 9.89 km2；14—18日白天，洞庭湖区以晴热天气为主，18日Sentinel/SAR数据中，洞庭湖水体面积为232 6.26 km2，减小了113.63 km2；18日夜间—19日白天洞庭湖区普降暴雨，面雨量达50 mm以上，20日洞庭湖区云系较多，大部分县市出现了小雨，21日受副高控制，洞庭湖区为晴热高温天气，21日GF-3/SAR数据中，洞庭湖水体面积为243 6.16 km2，较18日增加了109.90 km2。因此，洞庭湖区强降水对洞庭湖水体面积影响较大。

③洞庭湖是典型的吞吐调蓄性湖泊，江湖关系复杂，洞庭湖水体面积受降水、长江和四水来水、三峡水运行、天气条件等的共同影响，既有自然因素，也兼具人为因素。因此，庭湖水体面积处于复杂动态变化之中。