東洞庭湖水域面積變化與三峽水庫水域面積變化的關系,水文學論文

東洞庭湖水域面積變化與三峽水庫水域面積變化的關系,水文學論文洞庭湖是中國第二大淡水湖，與長江干流直接通聯，能攔蓄流域上游來水，分蓄長江干流洪水，消減干流河段的洪峰流量，緩解長江中游地區(qū)洪澇災禍，減輕下游洪水壓力，維系地區(qū)的洪水蓄泄和泥沙的沖淤平衡。由于受泥沙淤積、圍湖造田等因素的影響，洞庭湖被分為南洞庭湖、西洞庭湖和東洞庭湖3部分。3個湖體一方面能夠互相連通，另一方面由于受各自湖底高程、河流入水量及人類活動等的影響而各自具有不同的特征。不同湖體水面變化特征與整個洞庭湖水面面積變化能否一致值得關注。長江上游三峽工程的建設是近年對洞庭湖影響最為劇烈的人類活動，對洞庭湖水域面積變化產生了深入的影響。洞庭湖水域面積變化及其與三峽工程相關性研究一直遭到國內外學者的關注，袁敏等利用中分辨率成像光譜儀(moderateresolutionimagingspectrometer，MODIS)數據研究三峽工程對洞庭湖水面的影響，以為三峽工程建成后洞庭湖水面有減少的趨勢。泥沙淤積、東方田鼠爆發(fā)等洞庭湖生態(tài)環(huán)境問題也由于洞庭湖水位的變化而發(fā)生改變。遙感技術具有大尺度、可回溯等特點?；谶b感技術研究洞庭湖水面或水量的時空變化成為了近年的研究熱門。龜山哲等、彭定志等和龔偉等均基于MODIS衛(wèi)星對洞庭湖區(qū)水面變動情況進行了分析。DingXianwen等利用ENVIASAR影像分析了20022018年洞庭湖水面變化情況，以為洞庭湖枯水期水面較20世紀90年代有所增加。固然關于整個洞庭湖水面變化的研究較多，但關于東洞庭湖研究的報道極少。在洞庭湖水域面積變化的已有研究中，通常以3~5年或者1年為研究周期，這不易反映長時間序列的變化情況?？紤]到東洞庭湖直接與長江干流相連通，也是江湖水量交換的直接場所，所以本研究中重點關注東洞庭湖，利用MODIS影像數據分析20022020年偶數年份東洞庭湖水域面積的月、季節(jié)變化以及水域消落帶變化，并與三峽水庫水域面積變化進行相關性分析。1、東洞庭湖大概情況與研究方式方法1.1東洞庭湖大概情況東洞庭湖是國際濕地公約收錄的由中國指定的21個國際重要濕地自然保衛(wèi)區(qū)之一。東洞庭湖(N2859~2938，E11243~11315)位于洞庭湖東北部。洞庭湖水通過東洞庭湖的城陵磯注入長江。東洞庭湖水域面積變化極大，存在明顯的洪水期與枯水期。每年4月開場，東洞庭湖水位上漲，78月到達最高峰，9月開場下降，進入平水期，12月到翌年3月為枯水期，水位達年內最低。1.2水域面積的提取方式方法MODIS遙感影像來源于從NASA的EarthObservingSystemDataGateway(EDG)網站的空間分辨率為250m的Terra/MODISMOD09Q1數據。數據格式為MODISV005版本。東洞庭湖與三峽水庫各相應年份遙感數據的時間分布見表1。利用EDG網站提供的免費軟件MODISReprojectionToolMRT4.0，對以上遙感數據分別進行投影轉換和研究區(qū)提取。現有的利用衛(wèi)星遙感數據進行水體信息提取的研究中，針對湖泊水體的提取方式方法主要有單波段閾值法、植被指數法、水體歸一化指數法等。這些方式方法的共同特點是利用1個閾值作為最后區(qū)分水體與其他地物的標準。對于少量遙感影像數據而言，這些方式方法可能會獲得較好的效果，但對較長時間序列的影像數據而言，只利用1個閾值可能會造成某些影像數據的提取誤差。本研究中利用MODIS傳感器的250m分辨率影像數據，采用單波段閾值法，以多閾值靈敏設置和目視解譯為輔進行水體提取，這樣能有效地剔除所提取水體中混淆的其他地物信息，提高水域提取準確率，能更真實地反映水體空間分布。在獲得各研究年份東洞庭湖各月水域面積的基礎上，為進一步明確東洞庭湖水域面積的季節(jié)動態(tài)，取各季節(jié)不同月水域面積的均值作為東洞庭湖該季節(jié)的水域面積。分別對東洞庭湖各研究年份不同季節(jié)水域邊界進行疊加分析，可獲得東洞庭湖水域消落帶的分布情況。利用ENVI4.8與ArcGIS10.0軟件進行水體解譯與空間分析。利用SPSS18.0的Pearson進行相關性分析。2、結果與分析2.1東洞庭湖水域面積的月變化和季節(jié)變化2002、2004、2006、2008、2018、2020年東洞庭湖各月水域面積的最大值分別為1633.93(8月)、1258.93(8月)、1469.82(7月)、1212.46(11月)、1253.57(9月)、1401.11km2(8月)，各年水域面積最大值均超過了1200km2。除2008年外，東洞庭湖各年水域面積的最大值均出如今7、8、9月，水域面積的變化趨勢與洞庭湖區(qū)域降水量的變化趨勢一樣。2002、2006、2018、2020年東洞庭湖水域面積的最小值均出如今1月，水域面積分別為294.64、282.25、267.86、189.47km2，而2004年和2008年東洞庭湖水域面積的最小值均出如今2月，分別為300.00、261.72km2。東洞庭湖水域面積最大值與最小值的差值在2002年最大，達1339.29km2，在2008年最小，僅為950.74km2(圖1)。整體而言，20022020年偶數年份，東洞庭湖全年的水域面積最小值出如今1、2月，隨后逐步增加，大致在7、8、9月到達最大值，隨后降低。春季東洞庭湖水域面積約為599.17km2，研究期內春季東洞庭湖的水域面積2002年的最大，為763.98km2，2008年的最小，僅為343.40km2，研究期內夏季東洞庭湖水域面積相差不大，平均面積為1120.71km2，最大面積為1162.90km2，最小面積為1030.19km2；研究期內秋季東洞庭湖的水域面積2006年的最小，僅為587.10km2，其他年份約為900km2；研究期內冬季東洞庭湖的水域面積相差不大，平均面積約為326.92km2，是一年中水域面積最小的季節(jié)。由圖2可見，東洞庭湖夏季的水域面積最大，春季的次之，冬季的最小。2.2東洞庭湖水域消落帶的年內變化圖3為2002年至2020年偶數年份東洞庭湖水域消落帶的空間分布。2002、2006、2008、2018年春、秋、冬季的水域空間分布形狀較為類似，夏季的水域面積較大，且增加的區(qū)域主要集中在南部區(qū)域；2004年，東洞庭湖夏、秋季水域的空間分布形狀類似，春、冬季的水域空間分布形狀類似；2020年，東洞庭湖夏季的水域面積最大，春季水域空間分布范圍較小。整體而言，東洞庭湖消落帶的變化呈類似的季節(jié)變化和空間分布：一方面，東洞庭湖春、秋、冬季的水域空間分布形狀較為類似；另一方面，東洞庭湖水域消落帶主要分布在南部湖區(qū)沿岸?！緢D3略】2.3東洞庭湖與三峽水庫水域面積變化的比照分析圖9～14為20022020年偶數年份各月東洞庭湖和三峽水庫水域面積的變化情況。2002年，三峽水域年均面積為(17.984.06)km2，8月到達最大，為24.63km2，較東洞庭湖水域最大面積的出現時間提早了1個月；4月的面積最小，為12.38km2。三峽水庫水域面積全年存在2個峰值(2月和8月)和2個谷值(4月和9月)。東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的相關性分析結果表示清楚：2002年東洞庭湖水域面積和三峽水庫水域面積存在負相關關系，但相關性不顯著(r=0.035,P0.05，圖9)。2004年，三峽水庫水域面積全年波動不大，年均水域面積為(26.594.27)km2，6月最大，2月最小。2004年，東洞庭湖水域面積變化和三峽水庫水域面積的變化存在一定的相關性，相關系數為0.726(P0.05)，但東洞庭湖水域面積的變化幅度比三峽水庫水域面積的變化幅度大(圖10)。2006年，東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積也呈正相關關系，但相關性不顯著(r=0.311，P0.05，圖11)。2008年，東洞庭湖水域面積變化與三峽水庫水域面積變化呈負相關關系，但相關性不顯著(r=0.547,P0.05，圖12)。2018年和2020年三峽水庫水域面積在3月到達最大，在6月最小。東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的負相關關系均不顯著(P0.05)。13月東洞庭湖和三峽水庫水域面積變化趨勢一樣，存在正相關關系；45月二者的變化趨勢相反，存在負相關關系；68月的變化趨勢再次趨同(圖13、14)。固然除2004年外，研究期間東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的變化均不存在顯著相關性，但是二者之間的關系日趨明顯，即在三峽工程放水、蓄水等的調控下，在全年中的某些時間段(洪水期與枯水期)，二者之間可能呈現明顯的相關性。由于正相關與負相關的互相掩蓋，導致以年為單位進行的相關性分析結果不明顯。除此之外，除2004、2006年東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積呈現正相關關系外，其他年份二者更多地呈負相關關系。東洞庭湖水域面積與三峽水庫水域面積的正相關關系反映了區(qū)域降雨的一致性，而二者負相關關系則可能反映三峽調控對東洞庭湖的影響。3、結論與討論本研究中發(fā)現東洞庭湖水域面積每年從1月開場逐步增加，在7、8、9月到達峰值，隨后開場降低，到12月近似到達全年最低。該變化趨勢與整個洞庭湖水面的變化趨勢一致。洞庭湖是典型的過水性湖泊，受流域降水和河流入水量的季節(jié)變動影響，常呈現典型的洪水一片、枯水一線景觀。在當下的研究中，洞庭湖被劃分為洪水期(4月至10月)和枯水期(11月至翌年3月)。這種區(qū)分具有較好的理論意義，但是可以能忽視了農業(yè)生產的需求。本研究中關于東洞庭湖水面的月變化和季節(jié)變化分析結果，可為農業(yè)生產和生物保衛(wèi)提供參考。洞庭湖水域面積的空間分布研究結果對洞庭湖區(qū)的防災、減災和農業(yè)生產具有指導意義。JixiGao等通過分析洞庭湖水面面積的月變化，建立了洞庭湖洪水災禍指數，YameiWang等利用半量化模型和模糊層次分析方式方法，繪制了洞庭湖洪水風險分布圖，但當下還沒有關于洞庭湖季節(jié)消落帶的相關研究。淹干交替是洞庭湖濕地大部分區(qū)域的典型特征，季節(jié)消落帶區(qū)域對維持洞庭湖濕地生物多樣性具有重要作用。本研究中發(fā)現東洞庭湖區(qū)域的季節(jié)消落帶主要集中在南部湖區(qū)沿岸。該區(qū)域是東洞庭湖國家級自然保衛(wèi)區(qū)的核心區(qū)，具有較高的生物多樣性，也是保衛(wèi)的重點區(qū)域。固然東洞庭湖成立了國家級自然保衛(wèi)區(qū)，但當下仍然存在楊樹、蘆葦種植和龍蝦養(yǎng)殖等農業(yè)生產活動。由于水面狀況不穩(wěn)定，該區(qū)域其實并不適宜進行龍蝦養(yǎng)殖等活動。三峽工程、退田還湖等重大政策性工程是近年影響洞庭湖水面面積變化的重要因素，較氣候變化、泥沙淤積等的影響愈加劇烈，愈加直接。利用BP神經網絡模擬，發(fā)現三峽工程蓄水后對洞庭湖水位的影響劇烈，華而不實，2018年蓄水使城陵磯水位下降了2.11m。據鄒邵林等的預測，三峽工程建成后洞庭湖洲灘露出時間將增加。本研究中通過分析20022020年偶數年份各月東洞庭湖和三峽水庫的水域面積變化，發(fā)現三峽工程蓄水前三峽水庫水域面積和東洞庭湖水域面積的相關性發(fā)生了宏大的改變，發(fā)生這種改變的原因可能是2003年三峽大壩開場蓄水對下游洞庭湖水域面積及水位產生了重要影響，起到了調節(jié)徑流的作用。冬、夏季三峽水庫與東洞庭湖的水域面積變化趨勢一樣，春、秋季水域面積的變化趨勢則相反，因而，冬、夏季不管是三峽水庫還是東洞庭湖均主要受自然降水的影響，而三峽工程的調控作用主要具體表現出在春、秋季。本研究結果表示清楚：20022020年偶數年份東洞庭湖水域面積的最低值出如今1、2月，隨后增加，到7、8、