近40 年高邮湖水体面积变化监测与时空分析

王晨，钱鑫，谢宏全

（1.地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏南京 210007；2.江苏华东地质环境工程有限公司，江苏南京 210007；3.江苏江之南环境科技有限公司，江苏无锡 214432；4.江苏海洋大学海洋技术与测绘学院，江苏连云港 222005）

湖泊生态系统是淡水生态系统的重要组成部分，在自然界中扮演着重要的角色，其形成和发展对全球气候有显著影响，是人类生产生活中不可缺少的宝贵资源[1]。近年来，气候变化加剧，水环境恶化以及水资源枯竭等状况，是实现可持续发展亟待解决的问题[2-3]。

很多学者开始利用光学遥感影像数据和卫星测高数据分别获取湖泊的面积变化和水位变化，进而使用水量平衡模型来估算湖泊水量变化[4]。如张国庆[5]利用Landsat 数据和ICESat 数据，对中国最大的10 个湖泊的面积、水位和体积变化进行了研究，并选择了3 个代表性湖泊，利用流域内的气象数据对其变化的原因进行了分析。朱长明[6]利用Landsat、CBERS 卫星遥感影像得到的面积和ICESat 测高卫星得到的水位估算了1972—2010 年博斯腾湖的水量变化，并利用流域的气象站数据和湖区生产、生活用水和生态用水等人类活动用水数据分析了博斯腾湖近40 年来的变化原因。岳辉等[7]利用Landsat 数据提取湖泊面积，并基于ICESat和Hydroweb 数据提取水位，将两者结合得到了1975—2015 年太湖的水体积变化，研究发现入湖水量的增加、年降雨量和年蒸发量的变化及政府“退地还湖”政策是太湖发生动态变化的主要原因。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

高邮湖（32°42'N—33°10'N，119°06'E—119°25'E）地处江苏省扬州市、淮河下游地区，是淮河水入江的必经之路[8]，湖泊表面水体面积达到760.67 km2。地势大多为水乡平原，海拔平均在15～20 m 之间。高邮湖年均水位为5 m，正常情况下容量为4.6×108m3[9]。高邮湖的地理位置属于亚热带，气候适宜，降水充足。年平均气温14.7 ℃。一年之中降水量最大的月份是6 月、7 月，年均降水量为1 029 mm，年均蒸发量为890 mm。主要灾害性天气为洪水、大风和雷击[10]。

1.2 数据源

1.2.1 Landsat 卫星影像数据

本文所用的Landsat 遥感数据为1985—2020 年的Landsat 5～Landsat 8，所有需要使用到的影像数据都可以通过GEE 直接获取而来并且可以直接处理，由此省去获取并下载影像所耗费的很大一部分的时间。

1.2.2 降水与气温数据

本文所需气象数据是在中国气象数据网（http://data.cma.cn）上申请下载高邮湖周边气象观测站1988—2015 年所监测的气象数据。

1.3 研究方法

本文主要从湖泊水体面积以及湖泊的动态变化率等方面，对湖泊的变化情况进行分析。在某一时间段内湖泊的面积发生变化，这一情况称之为湖泊的动态变化率。其表达式为[11]：

式中：K为研究时段内湖泊面积变化情况；Sa、Sb分别为湖泊起始面积和结束时的面积；T为研究范围内的时间总长。

当K值大于0 时，表示湖泊面积正处于不断增加的阶段当中，湖泊处于K值小于0 时，则表示水处于减少的动态变化中；K的绝对值越大，表示湖泊面积变化越剧烈。

2 高邮湖水体面积变化分析

根据本次研究所确定的湖泊研究范围，通过GEE提取的水体面积，对各个年份里的最大水体面积进行对比，查看其面积的变化情况和分析湖泊动态变化情况。

高邮湖1984—2020 年水体面积变化情况如图1 所示，高邮湖水体面积上处于先增后减再增的波动状态，在1985—1990 年、1995—2005 年和2015—2020 年间水体面积处于增长状态，而在1990—1995 年和2005—2015 年间水体面积处于减小状态，在1995 年减少至最低状态，面积减少了32.730 3 km2。在37 年内水体面积总体处于减少状态，减少了2.000 7 km2。

图1 1984—2020 年高邮湖年际最大水体面积变化统计

高邮湖37 年内水体面积动态变化率如图2 所示。

图2 1984—2020 年高邮湖年际最大水体面积动态变化率

在1984—2020 年的37 年里，高邮湖的水体面积演变强度指数为-0.008，说明湖泊的年际最大水体面积整体在萎缩。在1989—1993 年、1994—1998 年、1999—2003 年、2004—2008 年、2014—2020 年的湖泊演变强度大于0，说明这几个时间段内湖泊处于扩张状态。而1999—2003 年的湖泊演变强度指数最大，表明在1999—2003年之间，年际最大水体面积扩张的最快。而在1984—1988 年、2009—2013 年时间段内，湖泊演变指数小于0，说明湖泊水体在这期间一直处于减少的状态。因为演变指数的绝对值越大，表明湖泊变化越剧烈。因此，1984—1988 年湖泊水体面积萎缩速度比2009—2013 年慢。在1984—2020 年的全序列内，湖泊演变强度有正有负，表明湖泊面积一直处于扩张和萎缩的动态变化中。

3 湖泊水体面积演变机制分析

3.1 气候变化对湖泊面积的影响分析

湖泊表面水体面积对气候变化较为敏感，分析湖泊表面水体面积变化与气候变化的相关性，是探究湖泊表面水体面积变化的良好指标。因此，统计1988—2015 年高邮湖研究区域周边的测站点的年平均降水量和平均气温作为研究区降水和气温的指标，分析高邮湖水体面积变化与降水和气温的相关性。

3.1.1 气温变化对湖泊面积的影响

在1988—2015 年这27 年间的平均气温为15.3 ℃，最高均温为16.6 ℃，最低均温是14.5 ℃，期间气温整体处于上升趋势。其中，1988—1998 年这10 年间气温按照0.127 ℃/年的变化幅度持续增长，而水体面积则呈0.086 km2/年的速率在减少。1998—2003 年年均气温变化按照-0.1 ℃/年速率下降，而水体面积则按照年均6.743 km2/年的速率在增长；而在2003—2015 年这17 年间，气温则按照0.058 ℃/年的变化幅度持续增长，与此同时水体面积则也在按照2.041 km2/年的速率在减少。由此可知，研究区多年平均气温与高邮湖水体面积变化趋势呈负相关。

年均气温与湖泊面积变化相关性分析如图3所示。由图3 可知：经过Pearson 相关性分析，年均气温变化情况与水体面积变化情况在0.05 水平上显著相关，相关系数为0.485 8。因此，气温的变化是湖泊演变的影响因素之一。

图3 年均气温与湖泊面积变化相关性分析

3.1.2 降水量变化对湖泊面积的影响分析

在1988—2015 年这27 年里，高邮湖年均降水的年平均值为1 007.9 mm。其中，年均最大降水量达到1 823.9 mm，最小的是684.1 mm。在1988—2001 年期间，年均降水量按照16.4 mm/年的速率在减少，水体面积在1988—2001 年期间呈现下降升趋势，下降速率为0.31 km2/年。在2002—2015 年期间，年均降水量按照4.4 mm/年的速率在增长，在这期间，水体面积呈现上升趋势，水体面积增长速率为0.47 km2/年。总体上，研究区内降水量呈现微弱减少趋势，递减速率为4.5 mm/年，水体面积整体也呈现下降趋势，下降速率为0.19 km2/年。由此可知，研究区多年平均气温与高邮湖水面面积变化趋势呈正相关。

降水量与湖泊面积变化相关性分析如图4 所示。由图4 可知：1988—2015 年研究区内年均降水量波动幅度较大，根据Pearson 相关性分析显示，年均降水量变化情况与湖泊水体面积在0.05 水平显著相关，相关系数为0.118。

图4 降水量与湖泊面积变化相关性分析

3.2 围网养殖变化对湖泊水体面积的影响分析

近年来，由于围网养殖的兴起，随着养殖区面积的不断增长，湖泊水体面积在逐渐减少。从1988 年开始，高邮湖也陆续出现了零散的围网养殖区，尤其是2000 年之后增长的速度飞快。据有关数据统计，因湖区北部养殖区域的猛然增长，生态系统遭到严重损害，导致种群数量的快速减少。因此通过对围网养殖面积与水体面积的相关性分析，以此来分析人类活动对湖泊演变的影响。

通过分析影像数据，统计2000—2015 年围网养殖面积变化情况，如表1 所示，并对围网养殖面积与水体面积变化情况做相关性分析，得出水体面积与围网养殖区面积的相关性结果，如图5 所示。

图5 水体面积与围网养殖区面积的相关性

由表1 可知，在2000—2015 年期间围网面积由原来的45 km2上升到了131 km2，增长率为5.73 km2/年，在2011 年围网面积增长到了最大为199 km2。其中，在2000—2009 年间围网养殖的增长率也达到了最大，为15.56 km2/年，而在2009—2015 年间围网面积有所下降，面积按照9.00 km2/年的速率在减小。虽然在2009—2015 年间围网养殖的面积有所减少，但在整体上，围网面积仍然处于增长状态。

通过图5 可知：围网养殖区面积与水体面积的Pearson 相关系数为0.810，达到0.05 显著水平。因此，围网养殖面积与水体面积呈负相关，相关系数为0.810。因此，人类活动同样是造成湖泊演变的影响因素之一。

4 结论

本文利用遥感云计算平台对高邮湖水体进行识别提取，并对高邮湖进行时空变化分析以及从自然因素和人类活动等方面分析对湖泊演变的影响。研究结论如下：基于水体面积的时空变化分析可知，在1984—2020 年内高邮湖水体面积处于减少状态，湖泊动态变化率为-0.008；通过分析气温、降水和围网养殖与水体面积的相关性，得到相关系数分别为0.485 8、0.118 和0.810，围网养殖对湖泊演变的影响最大，依据当地政策为水环境保护提供依据。