達(dá)布遜湖面積變化及其影響因素研究

田華 魏超 寧世雄 田柳新

摘 要：湖泊是維持生態(tài)平衡的重要元素，湖泊面積的擴(kuò)展與收縮及其引起的生態(tài)環(huán)境問題能反映出全球的氣候特征。達(dá)布遜湖位于柴達(dá)木盆地南緣，格爾木市所轄，是盆地內(nèi)最大的咸水湖。本文以1987—2017年Landsat數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法對(duì)達(dá)布遜湖的湖水面積進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：近30年湖泊面積整體呈減小趨勢(shì)。通過對(duì)自然因素與人文因素進(jìn)行分析可知，溫度變化和人類活動(dòng)的加劇是導(dǎo)致湖泊面積減少的重要因素。此外，鹽湖集團(tuán)采鹵量的增加也是影響湖泊面積變化的一個(gè)重要原因。

關(guān)鍵詞：達(dá)布遜湖;湖泊面積;改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）

中圖分類號(hào)：P343.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）29-0089-03

Abstract： Lakes are an important element in maintaining ecological balance. The expansion and contraction of lake areas and the ecological problems caused by them can reflect the global climate characteristics. Located on the southern edge of the Qaidam Basin， Dabson Lake is under the jurisdiction of Golmud City and is the largest saltwater lake in the basin. Based on the Landsat data from 1987 to 2017， this paper used the improved normalized differential water index method to calculate the lake area of Lake Dabson. The results showed that the lake area decreased as a whole in the past 30 years. Through the analysis of natural and human factors， it could be seen that temperature changes and the intensification of human activities were the important factors leading to the reduction of Lake area. In addition， the increase of brine production in Saline Lake group was also an important reason for the change of Lake area.

Keywords： Dabson Lake;area of lake;improved normalized difference water index

湖泊不僅是水循環(huán)的關(guān)鍵因子，也是生態(tài)環(huán)境的重要因素。湖泊水域面積的變化是其所在流域水量平衡的綜合結(jié)果，對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化具有高度敏感性[1]。達(dá)布遜湖位于察爾汗鹽湖區(qū)中南部，格爾木河流域，隸屬柴達(dá)木盆地，氣候干旱，是我國(guó)西北干旱區(qū)的一個(gè)重要組成部分。這里既是氣候變化主要區(qū)域，又是生態(tài)環(huán)境易破壞地帶。位于寒冷和干旱環(huán)境下的湖泊對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化較其他地區(qū)更加敏感，湖泊變化及其驅(qū)動(dòng)因素的研究受到關(guān)注[2]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、綜合性、宏觀、快速的特點(diǎn)，能經(jīng)濟(jì)、高效、快速地獲得相應(yīng)地物的信息[3]，既可以揭示湖泊面積變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律，又能進(jìn)一步探究氣候?qū)崟r(shí)變化及人類活動(dòng)與湖泊動(dòng)態(tài)變化之間的相互關(guān)系。

基于譜間關(guān)系產(chǎn)生的波段比值法，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用遙感數(shù)據(jù)提取湖泊水體信息過程中廣泛應(yīng)用的方法[4]。Mcfeeters[5]利用歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）抑制土壤和植被的信息提取水體。我國(guó)學(xué)者徐涵秋[6]在歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）提出的基礎(chǔ)上，利用中紅外波段代替紅外波段，提出了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MNDWI除了與NDWI一樣，可用于植被區(qū)水體提取外，還可以準(zhǔn)確地提取城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的水體。Borro[7]等利用TM和ETM影像，采用歸一化差異植被指數(shù)NDVI提取南美洲巴拉那河流域的湖泊，通過多景影像數(shù)據(jù)的疊加分析，探討湖泊的動(dòng)態(tài)變化，降低了水體邊界提取的不確定性。盧娜[1]以MODIS遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用MNDWI對(duì)柴達(dá)木盆地主要湖泊的面積進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：除東臺(tái)吉乃爾湖面積呈下降趨勢(shì)外，其他湖泊面積均呈上升趨勢(shì)。通過進(jìn)一步分析得出，氣溫升高和降雨量增加是導(dǎo)致湖泊面積擴(kuò)大的主要因素。

1 研究區(qū)概況

達(dá)布遜湖位于柴達(dá)木盆地南緣，地理坐標(biāo)為94.9°—95.3°E，36.8°—37.04°N，屬格爾木河流域，是察爾汗鹽湖區(qū)最大的咸水湖，如圖1所示。達(dá)布遜湖處于西北干旱地區(qū)，氣候條件屬于西北干旱氣候。該湖為尾閭湖，天然狀態(tài)下補(bǔ)給來源主要為地表河流匯入和地下水補(bǔ)給。格爾木河是其地表水補(bǔ)給的唯一來源，是柴達(dá)木盆地的第二大河流，屬內(nèi)陸水系。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文選取1987—2017年在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站上下載的Landsat4-5TM以及Landsat8OLI遙感衛(wèi)星影像，共31景無云或少云（云量少于5%）的圖像數(shù)據(jù)，每年選取1景，成像時(shí)間為湖水干旱期（7—10月）。時(shí)間選取的原因是為了避免冰雪融化產(chǎn)生的影響，同時(shí)也減少溫度變化對(duì)湖水面積變化帶來的影響。

2.2 研究方法

采取4個(gè)步驟進(jìn)行水體提取并計(jì)算達(dá)布遜湖水面積：①數(shù)據(jù)預(yù)處理;②圖像嵌融;③計(jì)算MNDWI;④移除孤立水體，在ArcGIS中提取湖泊影像并進(jìn)行圖像剪裁，最后計(jì)算得出達(dá)布遜湖水面積。MNDWI的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中，[Green]、[MIR]分別表示綠色波段和中紅外波段的反射率。具體到影像數(shù)據(jù)，[Green]對(duì)應(yīng)TM影像的波段2（0.52～0.60μm）和OLI影像的波段3（0.53～0.59μm）;MIR對(duì)應(yīng)TM影像的波段5（1.55～1.75μm）和OLI影像的波段6（1.57～1.65μm）。水體的MNDWI值通常為正，非水體地物的MNDWI值通常為負(fù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 達(dá)布遜湖面積

在GIS中統(tǒng)計(jì)1987—2017年達(dá)布遜湖面積變化，如圖2所示。以2002和2011年為界，達(dá)布遜湖面積變化總體上經(jīng)歷了三個(gè)階段。第1階段：1987—2002年，整體湖水面積呈下降趨勢(shì)，16年間共下降了133.483km2;第2階段：2002—2011年，整體湖水面積呈上升趨勢(shì)，10年間共增加了266.35km2;第3階段：2011—2017年，湖水面積呈下降趨勢(shì)。

3.2 影響因素分析

3.2.1 自然因素。自然因素主要包括降雨和溫度。

3.2.1.1 降雨。受水文氣象及水文地質(zhì)條件的制約，格爾木河流域降雨量主要集中在山區(qū)，達(dá)布遜湖所在位置多年平均降水量?jī)H為40mm，對(duì)湖泊補(bǔ)給基本可以忽略。

3.2.1.2 溫度。氣溫是影響湖水面積變化的另一要素。氣溫升高，山區(qū)冰雪融水加快，格爾木河補(bǔ)給量加大。通過對(duì)格爾木氣象站1987—2017年年均溫度變化的分析，得出達(dá)布遜湖面積變化與氣溫變化之間的關(guān)系，如圖3所示。從圖3可以看出，達(dá)布遜湖面積變化與溫度變化有較好的一致性，湖面積較大的年份對(duì)應(yīng)著溫度高的年份。例如，2006年年均溫度7.09℃，湖面積256.59km2;2009年年均溫度5.425℃，湖面積232.92km2。2010年年均溫度僅有6.75℃，較2006年溫度較低，但湖泊面積卻有439.48km2，造成這一現(xiàn)象的原因是2010年格爾木市發(fā)生了特大洪水。

3.2.2 人文因素。人文因素主要是人類開采。青海鹽湖工業(yè)集團(tuán)采鹵量的加大是導(dǎo)達(dá)布遜湖面積萎縮的重要原因。青海鹽湖工業(yè)集團(tuán)位于中國(guó)最大的干涸內(nèi)陸鹽湖——察爾汗鹽湖，坐落于青海省格爾木市北部，為中國(guó)最大的鉀肥工業(yè)基地。而達(dá)布遜湖是青海鹽湖集團(tuán)工業(yè)的主要采鹵區(qū)。1991年，開采達(dá)布遜湖水作為補(bǔ)充，真正意義上的“規(guī)模效應(yīng)”開發(fā)始于1997年后，達(dá)布遜湖水已向西退縮了5km以上，降落漏斗面積已超過500km2，區(qū)域水位普遍下降2～3m。2005年，鹵水開采量0.6×108m3/a，未解決供鹵不足，鹽湖集團(tuán)直接抽取達(dá)布遜湖湖水，加之上游水資源補(bǔ)給不足，使湖水面積逐漸縮減。

4 結(jié)論

利用1987—2017年長(zhǎng)時(shí)間序列Landsat遙感數(shù)據(jù)對(duì)達(dá)布遜湖面積變化進(jìn)行研究，并結(jié)合氣象條件、人文因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①1987—2002年達(dá)布遜湖面積呈下降趨勢(shì);2003—2011年湖水面積呈上升趨勢(shì);2012—2017年湖水面積呈下降趨勢(shì)。

②格爾木河流域近年溫度變化是導(dǎo)致湖泊面積下降的主要因素之一。

③青鉀鹽湖工業(yè)集團(tuán)的大量采鹵也是影響湖泊面積變化的主要因素之一。

參考文獻(xiàn)：

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[7] Borro M，Morandeira N，Salvia M，et al. Mapping Shallow Lakes in Lagre South American floodplain： a Frequency Approach on Multitemporal Landsat TM/ETM Date[J].Journal of Hydrology，2014（512）：39-52.