1980年以来5个时期汤逊湖湿地变化及驱动因素分析

刘 力， 李 朋,2， 胡元平， 张 雅,2， 李琳静， 陶 良， 朱晛亭， 潘龙克

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.古生物与地质环境演化湖北省重点实验室,湖北 武汉 430205；3.武汉市测绘研究院,湖北 武汉 430022)

湿地被誉为“地球之肾”,与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统，是地球上水陆相互作用形成的特殊自然综合体，是各种能流、物流和信息流的交换场所[1]。湿地在涵养水源、净化水质、蓄洪防旱、调节气候、维护生物多样性和提供生产、生活资源等方面发挥着重要作用[2-3]。近年来,有关湿地面积变化或时空分布差异的研究备受关注,周婷等[4]从地理学时空视角分析了中国大陆31个省(市、自治区)湿地2003—2013年的空间格局及其关联性；范韦莹等[5]利用2005、2010和2017年的土地利用数据,采用形态学空间格局分析方法研究了神农架大九湖湿地空间形态演变特征；王志成等[6]从遥感影像中提取胶州湾周边地区1987—2017年的土地利用变化信息，分析了该区潮滩湿地时空特征及演变成因；王铁良等[7]利用1985—2017年33景Landsat遥感影像,定量分析了辽河口滨海湿地海岸线的时空变化特征。遥感技术与GIS技术是湿地宏观研究中数据获取与量化分析的重要手段[8-9],具有观测范围广、信息量大、获取信息快、可比性强等特点。

汤逊湖曾是武汉市最大的原生生态湖[10],随着城市的开发建设与经济社会的发展,特别是1996年以来汤逊湖周边产业园与开发区的建设,对湖泊的侵占速度愈来愈快,这些侵占行为不可避免地对湖泊的生态环境产生负面影响。开展汤逊湖湿地变化及驱动因素分析,了解汤逊湖湿地1980年以来土地利用格局及其变化状况,可为制订汤逊湖湿地保护方案和改善汤逊湖区域人居环境提供科学依据和决策支持,更好地服务于武汉市国际湿地城市建设。

1 研究区概况

汤逊湖位于武汉市东南部,跨越江夏区、洪山区和东湖新技术开发区,水域面积47.62 km2,岸线长度122.8 km,平均水深2.32 m。以江夏大道为界,汤逊湖被分为东侧内湖和西侧外湖(图1)。汤逊湖属于汤逊湖水系,该水系以汤逊湖、南湖、野芷湖、青菱湖等为主要承载水体,通过青菱河、巡司河与长江连接,属于典型的平原型水网结构。平水期、枯水期时水系汇水经由陈家山闸、海口闸和解放闸外排,丰水期启动泵站泄洪排入长江[11]。

汤逊湖流域属于北亚热带湿润季风气候区,雨量充沛,四季分明,日照时间长,气候条件适宜居住。地貌属鄂东南丘陵经江汉平原东缘向大别山南麓低山丘陵过渡类型，地形属于残丘型河湖冲积平原,地势平坦低洼。汤逊湖湖泊功能为调蓄、景观娱乐和生态调节,水功能区划为开发利用区,水质管理目标为Ⅲ类标准。长期以来,由于拦湖筑汊、管理无序、开发过度、保护不力等因素的叠加,导致出现水体污染、环境恶化、功能退化等突出问题[12]。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究采用美国陆地卫星Landsat3 MSS、Landsat5 TM、Landsat8 OLI影像数据,均下载于https://earthexplorer.usgs.gov/(美国地质调查局官网)。1980、1990、2000、2009和2019年影像含云量较低(云量<5%)且日期相近,避免因季节不同而导致雨季和非雨季存在植被类型及生长情况、水田作物收割情况、灌排水情况和水体水位的差异,提高了数据的准确性和有效性。1998、2016和2020年洪水年分别选择洪水期和枯水期含云量较低的影像(表1)。

表1 遥感影像参数表Table 1 Remote sensing image parameters table

2.2 研究方法

在使用遥感影像之前,先进行图像的配准。由于不同来源的遥感数据的轨道、成像时间、成像机理、平台、观测角度等不同,几何特征差异很大，因此需要改进原始影像的几何变形,生成一幅满足图形表达要求或者地图投影要求的新图像[13]。本研究主要结合基于对象的思想以及机器学习算法[14]提取汤逊湖湖泊范围。

(1) 基于对象的遥感影像分割。对象是指原始影像经过分割得到的由相同或者相似的光谱、形状、纹理和结构等特征的像元集合体所构成的多边形单元。本课题基于多尺度分割方法,综合考虑遥感影像的波段权重、形状因子、光滑度、紧致度、分割尺度等因素,实现对象生成。对象生成后,通过定义对象的特征为对象的分类和目标信息的提取提供基础。对象的特征主要包括光谱特征、形状特征、纹理特征和拓扑关系等。

(2) 提取方法。支持向量机(Support Vector Machines,SVM)是20世纪90年代发展起来的一种建立在统计学习理论基础之上的机器学习方法,逐渐成为机器学习领域中的研究热点。其基本思想是求得一个最优超平面,通过此超平面将两类数据进行正确地分类,使得两类数据样本点到此超平面的最小距离之和达到一个最大值[15]。

(3) 建立解译标志。结合湿地分类体系和汤逊湖湿地实际情况，将研究区分为湖泊湿地、人工湿地和沼泽湿地3种地类(表2)。对于5期多光谱遥感影像,使用Envi软件进行大气校正和图像裁剪,并进行图像拉伸和锐化；然后使用支持向量机法对影像数据进行监督分类,采用Majority分析对分类结果进行小斑块处理,通过目视解译法对错分及漏分处进行重新分类；最后采用ArcGIS 10.2制图并提取地类信息,计算湿地面积、地类动态度及转移矩阵[16]。

表2 汤逊湖湿地分类表Table 2 Classification table of Tangxun Lake wetland

3 结果与讨论

3.1 湿地面积时空变化

汤逊湖地区的湿地主要为人工湿地、湖泊湿地和沼泽湿地。人工湿地经历了先增加后减少的变化过程(表3、图2)，由1980年的1.96 km2增加到2000年的17.55 km2,而后又减少为2019年的6.88 km2。1980—2000年主要因围湖建库活动减少，使人工湿地面积不断增加；而2000—2019年因城市化速度加快,人工湿地或被占用为建设用地，或被转化为湖泊湿地,导致人工湿地面积不断减少。湖泊湿地面积经历了先减少后增加的变化过程,由1980年的46.65 km2减少到2000年的37.54 km2,而后又增加到2019年的42.08 km2。1980—2000年由于东湖新技术开发区、藏龙岛产业园、庙山开发区等大规模开发建设使得湖泊湿地面积不断减少；而2000年以后,武汉市更加重视汤逊湖自然生态系统保护，先后修建了汤逊湖湿地公园、当代运动公园、谭鑫培湿地公园等，使环汤逊湖区域的湿地自然环境得到一定程度的改善，尤其是2002年颁布的《武汉市湖泊条例》及陆续开展的各类综合治理工程在很大程度上促进了汤逊湖生态的恢复。沼泽湿地面积经历了整体减少的变化过程，由1998年的7.95 km2减少到2000年的4.62 km2，而后又减少到2019年的1.93 km2。汤逊湖目前已很难找到原生湖岸,大部分湖岸已被硬化，同时随着环汤逊湖区域工业园区的扩建及人口的不断增多,工业和生活污水排放量也增多,致使湖水水质恶化,打破了汤逊湖局部生态系统的平衡,沼泽湿地明显减少。

表3 汤逊湖不同年份湿地面积统计表Table 3 Wetland area statistics of Tangxun Lake in different years

图2 汤逊湖不同年份湿地面积变化图Fig.2 Wetland area change map of Tangxun Lake in different years

3.2 周围土地利用类型变化

汤逊湖地区湿地面积与周围土地利用面积变化情况见表4和图3。汤逊湖地区居民地在1980—2019年呈现逐年增长趋势,2000年达到7.98 km2,2019年达到93.43 km2,尤其在2000—2009年为大幅增长。事实上,2000年后随着武汉市城镇化速度加快，汤逊湖地区受到中心城区推力及自身吸引力的影响，逐渐由典型的郊区演变为重要城市建设区，造成建设用地逐年增加，尤其是2000—2009年增长更为明显。汤逊湖地区湿地面积总体为减少趋势,但在1980—2000年较稳定,各湿地类型之间互相转化，2000年后湿地面积为大幅减少趋势,主要受人工湿地面积大量减少的影响。植被覆盖区包含了林地和草地,同样因汤逊湖地区城市化建设影响而逐年减少。其他用地类型主要为裸地,其面积也呈逐年减少趋势,尤其在2000—2009年为大幅减少。

图3 汤逊湖湿地及土地利用类型面积变化图Fig.3 Changes of wetland and land use types in Tangxun Lake

表4 汤逊湖湿地及土地利用类型面积统计表Table 4 Statistics of wetland area and land use type area in Tangxun Lake

3.3 洪水期与枯水期湿地类型对比

汤逊湖洪水期与枯水期湿地类型面积变化情况见表5和图4，相比枯水期,人工湿地在洪水期减少,湖泊湿地在洪水期相应增加。

表5 汤逊湖洪水期与枯水期湿地面积统计表Table 5 Statistical table of wetland area of Tangxun Lake in flood seasons and dry seasons

图4 汤逊湖洪水期与枯水期湿地面积变化图Fig.4 Changes of wetland area of Tangxun Lake in flood seasons and dry seasons

3.4 驱动因素分析

3.4.1自然因素

武汉市于1998、2016和2020年发生了三次大洪水。根据收集上述三个洪水年的月平均降雨量(表6),发现2016年降雨量最为丰富(1 816.1 mm),其次为1998年(1 729.2 mm)和2020年(1 722.0 mm)。从单个月份来看，7月份的降雨量最大(图5)。

表6 武汉市三次洪水年月平均降雨量统计表Table 6 Monthly average rainfall table of three floods in Wuhan City

图5 武汉市三次洪水年月平均降雨量直方图Fig.5 The monthly average rainfall histogram of three floods in Wuhan City

为探讨洪水期降雨量与湿地面积的变化关系,本文分析了降雨量及各类湿地面积的Pearson相关性，结果(表7)表明汤逊湖湖泊湿地面积与降雨量之间存在弱的负相关关系,这主要是由于降雨量增加会导致人为圈闭的人工湿地与湖泊水域连成一片而形成更广阔的湖泊水域,人工湿地面积因此减少。

表7 汤逊湖湿地面积与洪水期降雨量的Pearson相关性统计表Table 7 Pearson correlation between wetland area and precipitation during flood seasons in Tangxun Lake

3.4.2人类活动因素

武汉市湿地多分布于相对低洼地带,其分布格局主要受干流河道及平原内部起伏的微地貌控制。近年来,随着人口剧增、城市扩展、盲目开垦土地及经济社会的发展,天然湿地尤其是湖泊湿地面积大幅度减少,湿地保护已成为武汉城市规划建设的一项重要课题[18]。

(1) 人口因素。城市存在的基本条件就是一定数量的人口聚集。人在促进城市发展的同时，也给湿地生态环境带来一定影响。从武汉市总人口增长曲线(图6)来看,从1980年至今,武汉市总人口增长具四个阶段：①1980—1989年,人口增长较快,年平均增长率为2%；②1990—1999年,人口增幅有所回落,年平均增长率为1.1%；③2000—2010年,人口增幅明显提高，2000—2005年平均增长率为1.55%,2006—2010年平均增长率4.17%,尤其是2006—2007年、2008—2009年增长率达到7.5%；④2011—2019年,2011年常住人口总数突破1 000万,人口增幅有所放缓，年平均增长率为1.42%。从人口增长过程来看，2000年以来人口增长加快，与汤逊湖湿地面积开始减少的趋势相符合。

图6 武汉市总人口增长曲线图(据参考文献[17])Fig.6 Growth curve of Wuhan population

(2) 土地利用因素。改革开放以前,汤逊湖及周边是重要的农业生产区,水产养殖是临汤逊湖地区的主要经济发展方式，湖泊面积总体较稳定。随着经济社会的发展、交通条件的改善和消费观念的改变,汤逊湖地区开始建设不同级别的开发区，极大地改变了原有土地利用状况，促使“向湖泊要土地”，导致湖泊面积不断减少。特别是2010年以后，开发区建设进入快速发展期，土地利用类型大幅变化，与2009—2019年汤逊湖湿地面积加快减少的趋势相符合。

(3) 工程活动因素。汤逊湖地区自1990年开启了房地产建设的浪潮[19],各类住宅、写字楼、别墅等主要沿湖岸和主干道分布。与此同时，汤逊湖大桥和江夏大道建成后，分割了内湖与外湖水体,后续修建的大量水上道路设施使得汤逊湖水体进一步被人为分割。造成的结果是，汤逊湖已很难找到原生的湖岸,大部分湖岸都被硬化,汤逊湖面积的自然恢复几无可能，工程建设活动人为固化了汤逊湖的边界。

4 结论

(1) 应用Landsat卫星影像数据解析了五个不同年份(1980、1990、2000、2009、2019年)汤逊湖湿地的湿地类型和土地利用情况，发现汤逊湖主要分为人工湿地、湖泊湿地和沼泽湿地三种湿地类型，其周边土地利用情况以居民地、湿地、植被覆盖区和其他用地类型为主。

(2) 1980—2000年，汤逊湖人工湿地、湖泊湿地、沼泽湿地的面积分别为增加、减少、减少；2000—2019年，汤逊湖人工湿地、湖泊湿地、沼泽湿地的面积分别为减少、增加、减少；汤逊湖湿地面积整体为1980—2000年基本稳定，2000—2019年加速减少。汤逊湖在洪水期和枯水期的湿地类型比较单一，人工湿地、湖泊湿地的面积在洪水期分别为减少和增加。

(3) 引起汤逊湖湿地格局变迁的因素主要为降雨和人口增长、土地利用类型改变、工程活动等人类活动。

致谢：感谢湖北省地质调查院李定远、刘成新等教授级高级工程师在论文撰写过程中提出的宝贵建议！