基于长时序稠密遥感数据分析黄河流域大中型湖库水域面积动态变化特征

姜 亮 时晨燚 李可

（湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062）

1 概述

黄河是我国第二大河，在我国社会经济发展和生态安全中具有重要地位。2019年9月18日习近平总书记主持召开了黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，将黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略[1]。2022年10月30日第十三届全国人民代表大会常务委员会第三十七次会议通过了《中华人民共和国黄河保护法》，再次强调要推进黄河流域生态保护和高质量发展。黄河流域水资源具有总量不足、年际变化大、空间分布不均等特性，整体水资源短缺、水环境问题突出、旱涝灾害频发，局部地区水土流失、水源涵养功能弱化、湿地萎缩，生态保护与经济社会发展之间矛盾比较突出[2]。随着经济社会的发展，流域内耗水量持续增加，水资源问题对流域生态保护和高质量发展的制约作用更加明显[3]。

国内学者对黄河流域水资源变化进行了研究。如贾昊等[4]、周祖昊等[5]采用水文学的方法分析黄河径流量变化，总结其时空变化规律，并对未来变化趋势进行了预测。ZHU et al.[6]探讨了未来气候变化对黄河流域水资源和极端流量的影响；WANG et al.[7]在水资源承载力框架下研究了水资源、经济、社会、生态环境在复合系统中动态相互作用。

相较于传统的水资源监测方法，利用光学遥感对地表水面积进行大范围、长时序、动态监测具有宏观、实时及低成本等优势[8]。对于大范围的水体监测，张国庆等[9]基于多源遥感数据监测结果，总结了青藏高原湖泊在过去近50年的面积、水位和水量变化等方面的研究进展；CAI et al.[10]利用遥感数据完成了对长江流域大中型湖泊、水库面积及库容的长时间变化监测；ZHANG et al.[11]构建了黄河流域以年为尺度的开放水面数据集，分析流域内永久性和季节性水体的空间分布与变化趋势；段水强等[12]选用9景Landsat卫星影像对1976—2014年黄河源区湖泊变化以及与气候的关联性进行了研究，结果表明，黄河源区湖泊在研究时期内总体存在稳定—萎缩—扩张—稳定四个阶段的变化过程；杨瑶等[13]利用遥感影像研究了黄河干流重点湖库水体面积及周边植被变化特征；高吉喜等[14]基于LandSat卫星数据分析了2000—2019年黄河流域陆表水域面积动态变化情况；CAO et al.[15]提出了多指标水体提取规则（MIWER），快速提取了2000—2020年黄河流域地表水体分布范围；李崇巍等[16]利用GEE云平台技术，提取了1986—2019年黄河流域地表水体信息，揭示黄河流域地表水体时空变化特征，并定量计算了气象和非气象因子对地表水体变化趋势的影响。当前对黄河流域水域面积的研究多基于中高分辨率遥感数据，空间分辨率较高，但时间分辨率相对较低，而湖库水域面积在短期内可能发生巨大变化，故利用更高时间分辨率的数据有助于进一步提高黄河流域水域面积分析的准确性。

本文利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据时间分辨率较高的特点，基于8天的合成数据，提取了黄河流域大中型湖库2000—2020年稠密长时序水域面积信息，分析了湖库水域面积月和年际变化规律及空间分布特征，以期为黄河流域水资源保护提供参考。

2 数据与方法

2.1 研究区域

黄河发源于青藏高原，流经9个省（自治区），全长5464km。黄河流域大部分处于干旱半干旱地区，以占全国2.2%的径流量承担着全国15%的耕地、12%的人口的供水任务和7%的国内生产总值，已成为我国水资源极其短缺的地区之一[17]。至2020年，黄河流域已经建成了大型、中型水库224座[18]，这些水库和现存的约30个大型天然湖泊在黄河流域水资源利用和治理中发挥着重要作用。黄河流域可划分为8个二级流域分区，其中龙羊峡以上、龙羊峡—兰州、兰州—头道拐为上游，头道拐—龙门、龙门—三门峡、三门峡—花园口及黄河内流区为中游，花园口以下为下游[19]（见图1）。

图1 黄河流域大中型湖泊、水库位置分布图

2.2 数据介绍

本文研究数据来源美国国家宇航局（https://ladsweb. modaps. eosdis. nasa. gov/search/）的 MODIS MOD09Q1。MODIS是美国地球观测系统（Earth Observing System，EOS）搭载的一种传感器，具有中等空间分辨率、光谱分辨率良好、时间分辨率较高以及单幅影像覆盖范围广的特点。其中 MOD09Q1 是MODIS第1、第2波段8天的合成数据，陆地3级地表反射率信息，空间分辨率为250m，能减少云对影像的影响。MOD09Q1 具有高时间分辨率的特点，能够很好地监测水体动态变化。数据包含覆盖黄河流域的四景影像（行列号分别为h25v05、h26v05、h27v05、h26v04）2000—2020年可用数据共1920景。降水量数据来自中国气象数据网（http://data.cma.cn）中黄河流域124个气象站点的降水量数据。

2.3 提取方法

对水体识别主要基于水体、土壤、植被等地物在可见光和近红外波段上的光谱反射差异，常见的水体提取方法有单波段阈值法、谱间关系法、水体指数法等[20]。其中单波段阈值法的基本原理是利用水体和其他地物在近红外或中红外波段上光谱特征的差异来提取水体信息，阈值的选择直接影响了水体提取的准确性[21]。阈值法识别水体的优点是简便迅速，易于实现，对不同地区和时相的影像采用不同的阈值是提高水体判识精度的关键[22]。

本研究对预处理后的黄河流域MOD09Q1遥感影像进行处理，逐影像设置阈值提取水体，获得黄河流域各时期水域信息。

3 黄河流域湖库面积变化特征

3.1 月际变化分析

基于提取出的水体信息，统计最大值、最小值和平均值，得到流域内水域面积的月际变化情况。

由表1可以看出，在研究时期内，黄河流域大中型湖泊水库各月的水域面积最大值均大于2000km2，最小值不低于1000km2；年内面积平均值在1940km2（2月）到3622km2（10月）之间。基于标准差可以看出，在研究时期内，11月湖库水域总面积波动最大。

由图2可得湖泊水库水域面积平均值月际变化规律，3—5月为水域面积第一个快速增长时期；6月较5月下降后继续增加，6—10月为第二个增长时期，在10月达到最大；10月之后逐渐下降，至次年2月达到最小值。根据平均值月际变化规律可将黄河流域湖泊水库水域面积分为两个时期，平均水域面积均大于2900km2的5—10月为丰水期，小于2900km2的11月至次年4月为枯水期。

图2 水域面积月际变化

3.2 年际变化分析

在黄河流域湖泊水库水体面积年最大值时间序列中，20年内最大值为2016年的5233km2，最小值为2000年的3122km2；在年平均值序列中，最大值为2014年的3132km2，最小值为2001年的1913km2。

由图3可以看出，在2000—2020年黄河流域大中型湖泊水库水域面积年际最大值、平均值都呈现出增长趋势。通过长时间序列数据的趋势拟合分析，20年水域面积年际最大值增加了1426km2，增幅约为40.28%；平均值增加了751km2，增幅约为33.72%。黄河流域大中型水库湖泊面积逐渐增长，水域最大面积增幅比平均面积增幅更高，见表2。

表2 黄河流域2000—2020年年际水域面积

图3 水域面积最大值、平均值年际变化

3.3 空间变化特征

2000—2020年黄河流域上、中、下游地区湖库水域面积均呈现上升趋势，见图4。从趋势线看，上游地区水域面积最大值增加了978km2，增幅约为37.96%，对流域湖库水域总面积增加的贡献度最大，为68.58%；中游地区水域面积最大值增加了477km2，增幅约为56.11%，贡献度次之，为33.45%；下游地区水域面积最大值增加了15km2，增幅约为6.22%，贡献度最小，为1.05%。

图4 上、中、下游水域面积变化趋势

由图5可以看出，流域湖库水域空间分布不均衡，上、中、下游近20年湖库水域面积平均占比分别为69.27%、25.02%和5.72%。湖库水域面积总体上从上游到下游逐渐减少，上游的水域面积远超于中游和下游。

图5 上、中、下游水域面积比例变化

4 讨 论

3—5月为黄河流域大中型水库水域面积第一个快速增长时期，3月进入由河段解冻和春季降水形成的桃汛时期后，降水增多，加之农业灌溉用水的需求增加，水库蓄水以保证农业用水的需求。在6月由暴雨形成的伏汛时期来临前，流域内湖库将进行泄水腾出防洪库容，将水库水位降至防洪限制水位，为汛期防洪工作做准备[23]，导致6月水域面积较5月有所下降。6月之后，水域面积持续增加，并在10月达到年内最大值，结合黄河流域气候特征分析，在夏季伏汛和由9—10月长时间降雨形成的秋汛过程中[24]，降水量的增加是导致大中型湖库水域面积持续增加的主要原因，并在湖库汛期防洪调度工作的影响下，水域面积在10月达到最大值。进入冬季后，由于流域降水较少以及部分湖泊、水库水面结冰，黄河流域湖泊、水库水域面积开始大幅下降，在次年2月水域面积最小。黄河流域降水主要集中在6—10月，夏季降水量占年降水量的53.8%～60.4%，冬季降水量占年降水量的2.0%～3.7%[25]，年内降水量季节差异极大，造成了流域湖库水域面积月季差异明显。

从年际水域面积变化来看，水域面积变化呈现增大趋势。图6表明近20年来黄河流域年平均降水量同样呈现增长趋势。2000—2020年，黄河流域的大、中型水库数量从157座增长至224座，其中大型水库数量从21座增长至34座。年末总蓄水量从2003年的288.61亿m3增长至2019年的430.80亿m3，增幅约为49.27%[18]。平均降水量增加、水库工程建设和湖泊生态保护等多方面因素，是黄河流域大中型水库、湖泊年际水域面积增加的主要原因。黄河流域水资源空间分布不均衡，上游大中型湖泊、水库水域面积远大于中下游。黄河源区扎陵湖、鄂陵湖等湖泊的面积已经达到了1400km2，加上上游乌海湖、乌梁素海等湖泊占据了黄河大部分的湖泊水域面积[26]，且黄河上游多高山峡谷，适宜大型水利工程建设，龙羊峡、刘家峡、李家峡、公伯峡等大型水库均位于黄河上游兰州以上干流河段；黄河中游占全流域面积的45.7%，支流流量占黄河干流的近44%[27]，干流河段上建设有三门峡水库、小浪底水库，支流河段也有故县、陆浑、汾河等大型水库；黄河下游流经华北平原，河道宽浅，干流没有大型水利枢纽，仅有大汶河流域的东平湖、雪野水库及一些中型水库。黄河流域湖泊、水库分布不均衡是造成湖泊、水库水域面积空间分布差异较大的主要原因。

图6 黄河流域年平均降水量与湖泊、水库面积最大值变化

利用MODIS数据的黄河流域大中型湖泊、水库2000—2020年监测结果表明，水域面积呈现增大趋势，增幅约为40.28%，这与高吉喜等学者对黄河流域陆表水域面积的监测结果相同[14-16]；上、中、下游湖库水域面积比例与其上、中、下游陆表水域面积比例相近[14]。

5 结语

采用MODIS MOD09Q1遥感影像，提取了2000—2020年黄河流域大中型水库、湖泊水域面积。结果表明：

从黄河流域湖库水域面积月际变化情况来看，3—5月为水域面积第一个快速增长时期；6月较5月下降后继续增加，6—10月为第二个增长时期，在10月达到最大，10月之后逐渐下降，至次年2月达最小值。黄河流域大中型湖泊、水库水域面积近20年来总体呈现明显增长趋势，这可能是由水库水利工程建设、降水量增加和湖泊生态保护等多方面因素共同造成的。

黄河上、中、下流域湖库水域面积均呈现增长趋势，其中上游地区对全流域面积增长的贡献度最大，中游次之。上游地区湖库水域面积约占全流域的70%，下游仅占5%左右，上游水域面积远高于中下游。黄河流域湖泊、水库分布不均衡是造成湖库水域面积空间分布差异较大的主要原因。

本文为黄河流域主要湖库水域面积的时空变化特征研究提供了长时间、多维度的理论支持。但MODIS数据存在着空间分辨率不高、受到天气影响较大的劣势，导致可用数据量和水体提取的精度都会受到一定的影响。提高方法精度和消除数据源的影响，获得更完善的数据，是对大范围水体提取和监测研究的重点。