2011年以来我国1km2以上湖泊变迁

2021-09-02王占玲赵红莉蒋云钟郭昊淼李向龙

中国农村水利水电 2021年8期

王占玲，曹引，赵红莉，蒋云钟，李杰，郭昊淼，李向龙

（1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，兰州730070；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038；3.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，兰州730070；4.甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州730070；5.北京市北运河管理处，北京101100）

湖泊作为水资源的一种重要载体，在水资源供给、调节气候、保护生物多样性等方面发挥着重要的作用［1-3］，也是环境、气候变化的指示器［4］。中国国土面积广阔，湖泊数量和类型繁多、分布范围广且变化复杂［5］，据第一次全国水利普查的统计结果［6］，全国共有面积大于1.0 km2的湖泊2 865 个，总面积7.80 万km2。但由于全球气候变化和人类活动加剧的影响，部分湖泊出现了不同类型、不同等级的变迁，受到了政府和社会的广泛关注。因此，开展湖泊变迁调查与分析可以摸清湖泊现状，对湖泊的管理和保护具有重要意义。

卫星遥感具有覆盖范围大、周期性重复、数据更新快等优点［7-9］，在湖泊变化分析领域得到广泛应用。Ma 等［10］利用CBERS和Landsat影像完成了1960s-1980s和2005-2006年的中国湖泊制图，发现中国有243个湖泊消失，而在青藏高原及其附近有60 个湖泊诞生。Du 等［11］利用遥感影像和其它辅助数据分析了长江中游湖泊群在20世纪的变化情况，发现湖泊面积减少了58.06%，这主要是由于人类开垦农田所致。马荣华等［12］以2005-2006 的CBERS CCD 和Landsat TM/ETM 遥感数据结合第二次湖泊调查结果，确定了2010年全国1.0 km2以上的自然湖泊的数量以及分布情况，并分析得到近30年的消失/新生/新发现湖泊个数。孙芳蒂等［13］利用MODIS 数据分析了2000-2010年国内的629个湖泊面积，研究发现湖泊总面积呈现增加趋势。段水强［14］利用1976-2015年卫星影像，解译并分析柴达木盆地湖1 km2以上的湖泊；发现该区域湖泊整体上呈现扩张、萎缩、扩张、萎缩4 个阶段的变化过程。Zhang 等［15］研究了1960-2015年中国的湖泊面积变化情况，发现中国湖泊的总面积增加了5 858.06 km2，且空间差异很大。Tao 等［16］研究1980年代中期至2015年中国湖泊的变化，发现中国的湖泊已经随着区域形势的变化而变化，在人口较少的青藏高原地区，湖泊数量相对丰富，而在人口多的东部和北部地区，湖泊数量较为稀少。闫立娟［17］运用GIS 和RS 技术，利用遥感影像将西藏所有湖泊边界矢量化，并以此为基础分析了1973-2017年西藏湖泊面积动态变化，发现研究区湖泊面积整体扩张。李龙等［18］基于2000-2014年Landsat系列遥感影像，分析了中国内流区主要湖泊的地理位置及其面积变化情况，结果显示湖泊总面积在此期间持续增加。

目前，关于不同区域尺度的湖泊研究主要集中于湖泊的数量、面积和分布情况，但分析时间节点还主要停留在2014-2016年；且全国尺度湖泊研究使用的数据大都集中于MODIS等较低分辨率数据，对湖泊变迁类型也没有做具体划分。而受气候变化和人类活动影响显著［19，20］，湖泊将不断发生变迁，呈现出不同程度、不同类型的演变，目前尚缺乏全国尺度上湖泊现状分析。2011年全国第一次水利普查全面摸清了河流湖泊的数量以及分布情况，为国家社会经济可持续发展提供基本国情资料［21-23］。为了弥补全国尺度上湖泊现状和湖泊变迁研究空白，本文以第一次全国水利普查中面积大于1 km2的2 865 个湖泊为研究对象，以GF-1 遥感影像作为基础数据源，利用目视解译与定量评价相结合的方法，分别以2011年与2019年时间节点作为2 865个湖泊变迁类型及数量分析研究的起点和终点，为湖泊变化监测和湖泊水资源管理提供了最新基础数据。

1 数据

1.1 研究区

2011年第一次全国水利普查结果，按照行政区统计，湖泊数量排名前三的行政区分别是西藏自治区、内蒙古自治区和黑龙江省，湖泊数量分别为813个、424个和250个，数量约占全国湖泊总数量的28.4%、14.8%和8.7%。按照水资源一级分区统计，湖泊数量排名前三的流域分别是西北诸河流域（1 086 个）、长江流域（795个）和松花江流域（496个），分别占全国湖泊总数量的37.9%、27.7%和17.3%，然后依次是西南诸河流域（180个）、黄河流域（142 个）、淮河流域（68 个）、辽河流域（61 个）、珠江流域（17个）、海河流域（10个）和东南诸河流域（10个）。

图1 全国第一次水利普查1 km2以上湖泊分布图Fig.1 The distribution of the lakes with an area larger than 1 km2 derived from bulletin of census for water

1.2 数据与预处理

本文采用的数据包括2011年水利普查矢量、GF-1 WFV 遥感影像数据。

（1）湖泊矢量数据是2011年湖泊普查结果中，水域面积大于1 km2的2 865个湖泊矢量数据。

（2）使用的数据主要以空间分辨率为16 m 的GF-1 WFV 多光谱影像数据为主，该影像包括蓝波段（0.45～0.52µm）、绿波段（0.52～0.59 µm）、红波段（0.52～0.59 µm）、近红外波段（0.77～0.89µm）4个波段。首先根据2011年水利普查结果矢量绘制所有湖泊的缓冲区，缓冲区绘制原则是：先对湖泊进行编号，再对每一个湖泊先验矢量进行膨胀，直到膨胀后的矢量面积略等于原始湖泊面积的2 倍；然后根据缓冲区裁剪获取覆盖湖泊缓冲区的2019年所有GF-1正射校正遥感影像。

1.3 水体提取

本次研究中采用基于面向对象方法和双峰阈值法相结合的水体提取方法，该方法可以对研究区内的水体进行快速、高精度的自动提取，提取步骤如下：

首先，根据GF-1 影像的光谱、形状等信息进行面向对象分割；再以分割后的图像为基础，选择用绿波段和近红外波段计算NDWI，NDWI的计算公式如下：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

式中：Green、NIR分别代表GF-1影像的第二波段和第四波段。

最后根据影像内的湖泊水体特征，用双峰阈值法，进行湖泊水体的提取，并转为矢量文件输出。同时，由于个别影像提取效果欠佳，因此需要对提取的结果进行目视校核和手动修正，以保证提取结果的准确性。图2是基于2019年GF-1 WFV影像数据的青海湖（6月12日，水体面积4 447.000 km2）、达则错（1月13日，水体面积为324.402 km2）、镜泊湖（7月7日，水体面积82.773 km2）、东湖（4月17日；水体面积30.489 km2）、白音淖尔（1月13日，水体面积2.429 km2）、腰零泡（7月7日，水体面积为1.054 km2）等6 种不同大小、不同时间、不同地势下的湖泊提取效果图。从图中可以看出，该研究中所采用方法的准确性较高，可以满足后续分析的需要。

图2 基于2019年GF-1数据的不同条件下湖泊的提取效果图Fig.2 The extraction effect of lakes under different conditions based on the 2019 GF-1 data

2 分析方法

本文采用定量评价和目视解译相结合的方法分析2 865 个湖泊的变化情况。首先利用2019年GF-1月尺度时序影像提取2 865 个湖泊水体面积，在保证一个湖泊2019年有效面积次数不能少于3 期的情况下，这样才能避免使用单一时相遥感图像监测的水体面积受到暴雨和干旱等天气因素带来的随机性影响，湖泊面积是当年所获取的所有晴空遥感图像监测面积的中位数；根据2011年和2019年湖泊水体面积定量评估2 865 个湖泊水域变化情况。针对水域明显减少（萎缩）的湖泊，基于2019年月尺度时序GF-1 影像，采用目视解译方法根据湖泊水域范围和湖泊普查矢量，初步确定发生显著变化的湖泊名单，然后以水利部信息中心“河湖遥感平台”作为辅助工具进行湖泊具体变化类型判断，“河湖遥感平台”拥有2019年至今GF-1、GF-2和GF-6 PMS等多种高分辨率遥感影像。

2.1 湖泊变迁基本类型

湖泊变迁遥感调查通常以不同时相的遥感数据为依据，按调查时段的长短，湖泊变迁遥感调查可区分为多年际、年际和季际等类型［24］。

在批量实现湖泊面积提取后，由于影像本身会存在不稳定性，个别影像水体提取效果欠佳，因此需要对提取结果二次校正与核实。在对2 865 个湖泊提取效果目视判断后，分别手动校正湖泊提取结果并核实发生变迁的湖泊名录，在此结果之上可以将湖泊变迁基本类型根据人为因素与自然因素同时存在的情况下分为六类（人为因素导致湖泊会出现萎缩、被不同类型的地物侵占，而自然因素则会导致湖泊面积萎缩甚至干涸），如图3所示。第一类：萎缩［图3（a）、（b）］，这类湖泊全年无水或者湖泊水域明显减少，并且不存在被其他地物侵占或者转变为其他类型；第二类：转为耕地［图3（c）、（d）］，这类湖泊被耕地侵占，转变为水田或者旱地；第三类：转为湿地［图3（e）、（f）］，这类湖泊水深较浅，在特定环境下，长出了湿地植物；第四类：转为养殖地［图3（g）、（h）］；第五类：转变为其他类型［图3（i）、（j）］，例如光伏电厂或被其他类型的建设用地侵占；第六类：面积扩张型湖泊［图3（k）］，这类湖泊的水域面积存在扩张趋势，面积较2011年增加超过10%的湖泊属于扩张型湖泊。其中将第1～5类归为不利变迁，第6类则归为有利变迁。

图3 湖泊主要变迁类型Fig.3 Main change types of lakes

2.2 湖泊变迁划分等级

湖泊变迁的6种类型可以根据转变类型所占湖泊面积的百分比划分轻重等级，湖泊是个复杂而又独特的生态服务系统［25，26］。当水域面积发生10%以下的变化时，肉眼看的并不是太明显；当水域面积变化在10%～40%时，湖泊还具有一定的生态功能；而当水域面积减少40%～70%时，湖泊的实际应用功能就已经大大减弱，可利用空间也很有限；变迁等级在70%～95%之间的湖泊在很大程度上出现萎缩或者已被其他类型地物侵占，基本失去湖泊的生态功能，而变迁等级≥95%的湖泊水域面积可以说完全消失，因此已不具备湖泊的生态功能。因此，根据湖泊变迁的复杂程度将湖泊变迁等级分为：

（1）单一转变类型的等级划分。不同湖泊变迁类型，根据湖泊长期无水面积、被其他地物侵占面积或最小湖泊水域占湖泊总面积的百分比进行湖泊变迁等级划分，具体划分标准见表1。其中“1-萎缩”变迁类型以湖泊长期无水面积占湖泊总面积百分比为划分标准；变迁类型“2～5”以湖泊被其他地物侵占面积占湖泊总面积百分比为划分标准。由于面积扩张型湖泊是在有利的变化范围之内，因此对该类型湖泊不再细分，且此次扩张型湖泊只是对2011年面积在10 km2以上，且在2019年发生扩张的湖泊进行统计。

表1 湖泊变迁类型及划分标准Tab.1 Types of lake changes and classification standards

（2）复合类型的等级划分。复合类型是指湖泊存在不止一种类型的变化，比如湖泊变化类型为“1-轻微萎缩”and“5-其他侵占”，指湖泊水域面积与湖泊普查矢量相比面积有一定程度的减少，同时现有的水域面积被其他地物侵占。再比如湖泊同时被不同类型的地物侵占，每种侵占类型按照不同地物侵占面积占原始湖泊矢量的大小划分等级。需要指出的是统计复合类型时如果湖泊被部分侵占，其余部分水体面积明显减少，即湖泊萎缩，此时萎缩程度划分时不考虑侵占部分面积，以湖泊实际水域面积占湖泊总面积百分比划分。

3 结果和分析

3.1 湖泊变迁类型统计

基于2019年月尺度时序影像和“河湖遥感平台”，利用目视解译确定2019年2 865 个湖泊中发生变迁湖泊名录，将湖泊变迁类型分为单一变迁类型和复合变迁类型（不算入两个单一变迁类型）。

2019年统计结果显示：扩张型湖泊有202 个，全国湖泊发生萎缩以及不同类型演变（不利变迁）的个数多达812 个，约有28.4%的湖泊发生变化，其中单一变迁类型和复合变迁类型湖泊个数分别为746 个和66 个，约占总变迁湖泊总数的91.9%和8.1%。其中，内蒙古自治区在2011年时拥有面积1 km2及以上的湖泊424 个，湖泊水体面积约为4 531 km2，但是在2019年湖泊面积约为4 324 km2，发生变迁的湖泊多达207个，占发生不利变迁湖泊个数的27.7%，是北方发生变迁湖泊最多的省份，湖泊面积减少了207 km2。

3.1.1 单一变迁类型湖泊

单一变迁类型湖泊统计见表2，可以看出单一湖泊变迁类型中以萎缩、耕地侵占和养殖地侵占为主。单一变迁类型（1～5类）746 个湖泊中，有411 个湖泊发生不同程度的萎缩，占比约55.1%，是最主要的单一变迁类型；其次，被耕地和养殖地侵占的湖泊分别有148 个和107 个，占比19.8%和14.3%；受湿地和其他侵占的湖泊数量相对较少，共计80 个，占比10.8%；有202个湖泊的水域面积呈现扩张趋势。

表2 单一变迁类型及个数统计表Tab.2 Statistics of single transition types and numbers

单一变迁类型中发生1-5 类变迁的湖泊中，变迁等级在70%～95%之间的湖泊数量达到132 个，数量分别是80、19、9、18、6，分别占单一变迁总数的10.7%、2.5%、1.2%、2.4%、0.8%；而变迁级别≥95%的湖泊数量总数达到236 个，数量分别为72、86、25、38、15，占比分别为9.7%、11.5%、3.4%、5.1%、2.0%。

3.1.2 复合变迁类型及个数

部分湖泊则会出现同时被两种地物侵占的现象，例如水域面积部分出现萎缩，而另一部分被耕地、养殖地侵占；再或者部分被光伏电厂侵占，而另一部分则被水田、养殖地侵占。复合变迁类型湖泊个数和复合类型见表3，在复合类型中会存在这样一种情况：同时被两种地物侵占，一种轻微侵占/中度侵占，另一种重度侵占/中度侵占，但实际上水域面积被两种地物完全侵占。

从表3中可知：出现复合类型最多的是①“1-1”and“5-4”：已经没有水域，且部分面积已被其他地物侵占；②“1-2”and“2-4”：水域面积出现重度萎缩，又有少量的面积被耕地侵占；③“2-4”and“3-2”：水域面积被耕地轻微侵占，部分被湿地重度侵占；④“3-2”and“4-4”：现有的湖泊面积分别被少量养殖地所和较大面积的湿地所侵占。以上4种复合类型的水体数量分别是6、5、5、4个，总数占复合变迁类型个数的30.3%。

表3 复合变迁类型及个数统计表Tab.3 Type and number of compound transition statistics

总的来说，复合类型变迁主要是指湖泊水域面积以“萎缩+另一种地物侵占”为主，这种类型个数达到27个，占比40.9%。

3.2 湖泊变迁类型空间分布

Arcgis 提供关联EXCEL 表格的功能，因此通过将湖泊变迁统计结果关联到Arcgis 中，可以得到不同变迁类型湖泊分布图（图4）以及有湖泊的各省、市、自治区的湖泊数量和变化统计图（图5）。通过分析可以得到以下结果：

图4 变迁湖泊分布图Fig.4 Distribution of Changing Lakes

（1）从2019年的数据分析中可以看出，中国部分省份湖泊存在明显变迁，变迁类型呈现出不同的空间分布差异：北方地区多以湖泊面积发生干涸、不同程度的萎缩为主；而南方湖泊变迁类型则更多是以不同类型地物的侵占为主。

（2）按照水资源一级区统计：西北、西南诸河流域湖泊不利变迁类型最多的是湖泊面积萎缩，其次是其他侵占，而同时水域面积扩张的湖泊也集中于西北流域；松花江流域和辽河流域的湖泊变迁类型以湖泊面积萎缩为主，其次是养殖地侵占；黄河流域的湖泊演变相对来说较为复杂，除了不存在湿地侵占，其余各种演变类型都有，但是数量都相对较少；而淮河和长江流域湖泊变迁则更多的是以水田、湿地和养殖地侵占为主。

（3）在图5中，柱形图的高度代表该省份湖泊的总数。红色代表不利变迁，黄色代表未发生变迁的湖泊，蓝色是指扩张性湖泊。对存在湖泊的省、市以及自治区进行统计，发生变迁的湖泊主要集中于内蒙古自治区（207个）、黑龙江省（97个）、湖北省（84 个）、吉林省（82 个）以及湖南省（78 个），分别占湖泊总变迁个数的25.5%、11.9%、10.3%、10.1%、9.6%。其中西藏自治区和内蒙古自治区是拥有湖泊数量最多的地区，而湖泊变迁数量前者远不及后者，西藏自治区在2011年的湖泊有813 个，但是在2019年发生变迁的仅有46个，占变迁湖泊总数的5.7%；而在2011年水域面积在10 km2以上的部分湖泊在2019年呈现扩张趋势的数量总数有202 个，单西藏地区有133 个，占有利变迁湖泊个数的65.8%。

图5 各地区湖泊及其变迁统计图Fig.5 Statistics of lakes and their changes in various regions

3.3 湖泊变迁分析

我国湖泊变化的主要驱动因素有两个方面，一方面：年平均气温的持续升高和降雨量的逐年减少会直接影响湖泊水域面积变化；另一方面：人口的快速增长会加剧对土地的需求，人们会填湖造地、围湖造田，也会在湖区周围进行垦殖活动，进行各种养殖业，使得湖泊水量减少，从而造成湖泊面积大幅递减；这些不合理的经济发展模式［27］会占据水资源以及加快它的供给使用。所以针对干涸和严重萎缩的湖泊的驱动因素可能是自然因素和人为因素共同主导；而侵占类是则人为因素主导。综上所述，湖泊变迁是自然因素与人为因素共同作用的结果。

根据水利部发布的《中国水资源公报》，2011年全国年均降水量556.8 mm，比多年平均少9%，来水更为偏不利；2019年全国年均降水量651.3 mm，比多年平均值偏多1.4%，是个平水年。即使在这种来水偏多的情况下，湖泊依旧出现萎缩的情况，实际上湖泊面积减小比我们看到的更为严重。第二、四、五类湖泊变迁类型都是人类活动所导致的，而第一、三类则是人为和气候变化双重响应的结果。因此总的来看，湖泊变迁类型中至少有70%的湖泊是人为因素造成的。