王 鶯，閆正龍，高 凡

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1957—2015年紅堿淖湖水域面積時(shí)空變化監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)力分析

王 鶯1，閆正龍2，高 凡3※

（1. 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054； 2. 陜西測(cè)繪地理信息局，西安 710054； 3. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

選取紅堿淖湖泊1957－2015年近60 a合計(jì)15期DRG、DLG、DOM、遙感影像、紙質(zhì)地圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，輔以野外調(diào)繪資料及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，綜合利用RS、GIS、GPS等技術(shù)，采用空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫(kù)、集成管理分析等方法，分析了研究區(qū)近60 a水域面積時(shí)空變化特征及趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合同時(shí)期氣候變化和人類活動(dòng)因素，探討了引起湖泊水域面積時(shí)空變化的主要原因。結(jié)果表明：近60 a研究區(qū)水域面積發(fā)生了顯著變化：1）1957－1976年，水域面積持續(xù)增長(zhǎng)并達(dá)到近60 a極大值，由1957年的37.6 km2增至1976年的55.53 km2，增幅高達(dá)47.69%，以湖泊北側(cè)、南右側(cè)區(qū)域增幅速度相對(duì)較快，其他區(qū)域次之；2）1977－1999年，水域面積整體狀況穩(wěn)定，維持在50 km2左右；3）2000－2015年，水域面積呈逐年萎縮趨勢(shì)，由1999年的50.27 km2減少至2015年的31.05 km2，減幅達(dá)38.23%，除七卜素河附近水域在2005年出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)面積略有增加外，其他區(qū)域均呈現(xiàn)規(guī)律性萎縮趨勢(shì)；總體來看，近60 a間紅堿淖湖泊水域面積演變過程依據(jù)水域面積年間變化率可以劃分為擴(kuò)張期（1957－1976）、穩(wěn)定期（1977－1999）、萎縮期（2000－2015）3個(gè)階段，總體呈現(xiàn)萎縮趨勢(shì)；氣候暖干化趨勢(shì)是影響擴(kuò)張期和穩(wěn)定期湖泊水域面積變化的主要因素，氣候暖干化疊加人類活動(dòng)（上游水利工程修建、煤礦開采、環(huán)湖路面建設(shè)、灌溉耗水等）是造成萎縮期湖泊水域面積變化的關(guān)鍵因素。

遙感；監(jiān)測(cè)；氣候變化；紅堿淖湖泊；時(shí)空變化；人類活動(dòng)

0 引 言

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，對(duì)氣候和環(huán)境變化格外敏感，能記錄不同時(shí)間尺度下氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水文過程的影響，尤其對(duì)于降水較少的內(nèi)陸地區(qū)，是揭示全球氣候變化與區(qū)域響應(yīng)的重要信息載體[1-3]；湖泊也是維系區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要支撐，及時(shí)、準(zhǔn)確獲取湖泊水資源變化信息，對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)（流）域及全球環(huán)境演變具有重要的參考意義[4]。紅堿淖是中國(guó)最大的沙漠淡水湖，全世界最大的遺鷗繁殖與棲息地[5]，其紅堿淖濕地也是國(guó)家重要的濕地自然保護(hù)區(qū)。近年來，隨著該區(qū)域氣候暖干化發(fā)展變化趨勢(shì)[4-13]及人類活動(dòng)的干擾，紅堿淖湖泊水域面積逐漸萎縮、水位下降、水質(zhì)惡化，水生態(tài)功能受損，并嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)安全。因此，開展長(zhǎng)時(shí)間尺度紅堿淖湖泊水域面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及變化分析研究，對(duì)減緩沙漠湖泊的濕地沙化進(jìn)程、保障流域水生態(tài)安全、促進(jìn)水資源的合理開發(fā)、利用與保護(hù)兼具理論與現(xiàn)實(shí)意義。

3S信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為大區(qū)域湖泊水體面積的變化監(jiān)測(cè)提供了有效的技術(shù)手段，利用長(zhǎng)時(shí)期、多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)水域面積變化已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，光學(xué)傳感器時(shí)間分辨率高、成本低，近年來被廣泛用于湖泊水域面積變化的動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在監(jiān)測(cè)手段、提取方法、植被覆蓋變化、水質(zhì)指數(shù)反演等方面取得了一系列成果[4-17]。關(guān)于該領(lǐng)域技術(shù)與方法運(yùn)用于紅堿淖湖泊的研究，如李登科等[5]基于TM、CBERS衛(wèi)星影像從人類活動(dòng)和氣候變化方面對(duì)1957－2005年間紅堿淖水域面積變化進(jìn)行了研究；尹立河等[7]借助于MODIS數(shù)據(jù)反演了2000年后的紅堿淖湖泊面積并進(jìn)行了其變化趨勢(shì)和影響因素的分析；趙寧等[8]基于1973－2013年8期Landsat MSS，TM，ETM+，OLI影像和歸一化植被指數(shù)（NDVI）分析了紅堿淖湖泊近40 a水域面積、水質(zhì)指數(shù)及周邊植被的變化。這些研究為紅堿淖湖泊生態(tài)和經(jīng)濟(jì)功能的恢復(fù)、保護(hù)及利用提供了重要的科學(xué)指導(dǎo)，但由于數(shù)據(jù)來源不一、技術(shù)參差不齊、時(shí)間不連續(xù)且時(shí)間序列普遍較短，加之監(jiān)測(cè)時(shí)相各不相同，導(dǎo)致紅堿淖湖泊水域面積變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析差異較大，缺乏對(duì)整個(gè)流域長(zhǎng)時(shí)間序列的系統(tǒng)性研究與整體分析?；诖?，本文在前人研究基礎(chǔ)上，選取紅堿淖湖泊1957－2015年近60 a合計(jì)15期DRG，DLG，DOM，遙感影像、紙質(zhì)地圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，輔以野外調(diào)繪資料及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，綜合利用RS，GIS，GPS等技術(shù)，采用空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫(kù)、集成管理分析等方法[18-19]，監(jiān)測(cè)并分析研究區(qū)近60 a水域面積時(shí)空變化特征及趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合同時(shí)期氣候變化和人類活動(dòng)因素，探討引起湖泊水域面積時(shí)空變化的主要原因，以期深入認(rèn)識(shí)沙漠湖泊變化規(guī)律，從系統(tǒng)角度掌握紅堿淖湖泊水域面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，為合理開發(fā)利用紅堿淖湖泊周邊及湖區(qū)水資源、保護(hù)并逐步恢復(fù)湖泊生態(tài)功能，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

紅堿淖湖泊（38°59′59′′～39°10′01′′N，109°45′16′′～109°59′58′′E）地處黃土高原與內(nèi)蒙古高原過渡地帶、毛烏素沙漠與鄂爾多斯盆地交匯處，位于陜西省神木縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗交界處。湖面海拔1 200 m，有扎莎克河、壕賴河等7條季節(jié)性河流注入，流域面積約1 500 km2（圖1）。該區(qū)域?qū)冱S河流域內(nèi)陸閉流區(qū)范圍，受溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候影響，干燥多風(fēng)，降雨偏少且年內(nèi)分配不均，年均降雨400 mm左右，湖區(qū)周邊多為固定沙丘和沙蝕丘陵，植被種類為典型沙生植被，植被蓋度30%～50%[9]。該區(qū)域水生生物種類繁多，具有很高的生態(tài)地位[8]。近年來受自然因素和人類活動(dòng)的雙重影響，紅堿淖水域面積持續(xù)萎縮、水位下降，水質(zhì)污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，湖泊水生態(tài)與經(jīng)濟(jì)功能大大削弱，進(jìn)而威脅流域生態(tài)安全。

圖1 研究區(qū)地理位置圖示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

選用西部地區(qū)省級(jí)測(cè)繪資料存儲(chǔ)規(guī)模最大、館藏資料最全、權(quán)威準(zhǔn)確安全可靠的國(guó)家測(cè)繪地理信息局陜西測(cè)繪資料檔案館提供的研究區(qū)時(shí)間跨度為近60 a、涉及該區(qū)域且能滿足使用的15期基礎(chǔ)地理、遙感影像數(shù)據(jù)作為主要信息源，并輔以野外調(diào)繪資料及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源主要包括：1）紙質(zhì)地圖，分別為1957，1965，1976年三期數(shù)據(jù)，比例尺均為1:50 000，1954北京坐標(biāo)系；2）DRG數(shù)據(jù)，1995年獲取1998年生產(chǎn)，比例尺1:50 000，1980西安坐標(biāo)系；3）DLG數(shù)據(jù)，含1:10 000和1:50 000兩種尺度，均為1980西安坐標(biāo)系；其中1:10 000數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性為2001－2015年，1:50 000數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性為2003年；4）DOM成果數(shù)據(jù)，包括2000，2015年2期影像，航攝時(shí)間均為9－10月，為1 m分辨率的IKONOS、1980西安坐標(biāo)系和0.5m分辨率的WorldView、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系；5）遙感影像數(shù)據(jù)，具體包括分辨率均為30 m的1989，1999，2005，2010，2011，2015年6期TM影像和2012，2013年2期HJ-1影像，時(shí)相均為8月底至9月上旬間，以確保每期影像具有相近的氣象水文條件；6）屬性數(shù)據(jù)：主要為野外實(shí)地調(diào)繪資料及與之相關(guān)的屬性信息。以上數(shù)據(jù)影像均經(jīng)過來自國(guó)家測(cè)繪地理信息局陜西測(cè)繪資料檔案館的控制點(diǎn)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的幾何校正處理，質(zhì)量良好，不同數(shù)據(jù)間可滿足研究區(qū)水體信息提取要求的高精度配準(zhǔn)。研究區(qū)采用的數(shù)據(jù)信息集見表1。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)信息集

1.3 研究方法

1.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

本文研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源包括DLG，DRG，DOM，影像、紙質(zhì)地圖等五類基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)和屬性、外業(yè)調(diào)繪資料，數(shù)據(jù)來源不一，數(shù)據(jù)內(nèi)容也復(fù)雜多樣，加之?dāng)?shù)學(xué)基礎(chǔ)各異，因此，如何對(duì)多源、多尺度、多類型、多時(shí)相的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究區(qū)水域面積變化的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)海量基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的精確匹配和變化分析，本文首先確定統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所有數(shù)據(jù)均按照2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)進(jìn)行組織整合處理；其次，紙圖數(shù)據(jù)均按照400 dpi分辨率進(jìn)行掃描，并采用二次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)、糾正及數(shù)字化處理，編輯制作成為coverage格式的水系、地名、交通、居民地等矢量要素?cái)?shù)據(jù)集；第三，多源影像假彩色合成，TM，HJ-1影像的光譜波段波長(zhǎng)除Band1（0.45～0.52，0.43～0.52m）略有差別外，Band2，Band3，Band4，Band5/6波長(zhǎng)均一致，故選取彩色合成圖像地物色彩對(duì)比較為強(qiáng)烈、水面提取效果與實(shí)際最為相符的波段4，3，2進(jìn)行假彩色合成；第四，通過幾何校正配準(zhǔn)、影像鑲嵌處理、圖像信息增強(qiáng)、圖像融合裁切等處理手段，將其制成統(tǒng)一坐標(biāo)體系存儲(chǔ)的GeoTIFF格式的遙感影像圖；同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用分析需求，以點(diǎn)位中誤差、接邊誤差不大于2個(gè)像元、最小圖斑面積為2 700 m2的原則對(duì)多期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理等操作，為后期的水體信息提取、面積計(jì)算及變化監(jiān)測(cè)分析奠定基礎(chǔ)；最后，通過比對(duì)1:10 000 DLG數(shù)據(jù)和1 m，0.5 m分辨率、30 m分辨率影像尋找同名點(diǎn)，收集已知的像控點(diǎn)以及野外踏勘重新布置控制點(diǎn)等多種方式，進(jìn)行多源影像數(shù)據(jù)的野外驗(yàn)證及修正處理，確保研究區(qū)水系信息符合統(tǒng)一坐標(biāo)體系、達(dá)到1:10 000采集精度的水體信息專題圖?；A(chǔ)數(shù)據(jù)處理流程具體見圖2。

圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理流程結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 空間數(shù)據(jù)處理

本研究區(qū)水體信息主要包括河流、湖泊、水庫(kù)、坑塘、灘地、沙灘、沼澤、溝渠等內(nèi)容。其中，紙圖、DRG、DLG等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的水體信息處理較為簡(jiǎn)單，僅需根據(jù)坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換和整合處理后數(shù)據(jù)選取相關(guān)水系圖層內(nèi)容，將其處理成為符合監(jiān)測(cè)分析需要的水體數(shù)據(jù)類型即可；影像數(shù)據(jù)水體信息提取相對(duì)復(fù)雜，提取方法也多種多樣，目前比較成熟的方法主要由單波段閾值法、多波段譜間關(guān)系法、歸一化水體指數(shù)（normalized difference water index，NDWI）法、IHS變換法和改進(jìn)水體指數(shù)法等[13,20-26]。鑒于研究區(qū)域地處黃土高原與毛烏蘇沙漠過渡區(qū)域，地勢(shì)平坦且地物要素類型單一，加之涉及TM、HJ-1兩種影像，通過比較分析后本文采用提取效果較佳的NDWI進(jìn)行水體信息提取，該指數(shù)抑制植被土壤增強(qiáng)水體信息，有利于水體要素信息解譯提取，其計(jì)算公式如下：

NDWI＝(Green?NIR)/(Green+NIR) （1）

式中Green為TM、HJ-1影像中的綠光波段Band2，NIR為TM、HJ-1影像中近紅外波段的Band4。

研究區(qū)整個(gè)水體信息提取以ENVI軟件為主，輔以基礎(chǔ)測(cè)繪成果數(shù)據(jù)修正，首先通過水體樣區(qū)選擇、NDWI計(jì)算、閾值調(diào)整、密度分割、斑塊去除、格式轉(zhuǎn)換、面積計(jì)算、野外踏勘、驗(yàn)證修正等工作流程，通過人機(jī)交互方式，制作完成符合精度要求和統(tǒng)一空間參考的多期水體矢量要素?cái)?shù)據(jù)集；據(jù)統(tǒng)計(jì)，該方法的總體分類精度高達(dá)95.1%；其次，基于ArcGIS平臺(tái)對(duì)多期水體矢量數(shù)據(jù)集進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)不同時(shí)期水域面積的變化信息；最后，基于ArcSDE、圖屬一體化和多源數(shù)據(jù)無縫集成思想[25-27]，分別構(gòu)建基礎(chǔ)地理、遙感影像、水體專題等三大數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域多時(shí)期水體數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一集成管理。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅堿淖湖泊水域面積時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

基于ArcGIS 10平臺(tái)對(duì)12期紅堿淖水域信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)不同時(shí)期的水域面積、年際間變化面積、年度變化率（表2）?？梢钥闯?，近60 a研究區(qū)水域面積發(fā)生了顯著變化，可以分為3個(gè)階段：1）1957－1976年，水域面積持續(xù)增加并達(dá)到近60 a來極大值，由1957年的37.6 km2增至1976年的55.53 km2，19 a間水域面積增加了17.93 km2，增加幅度高達(dá)47.69%；2）1977－1999年，水域面積小幅波動(dòng)，介于50.27～53.94 km2間，年度間面積變化分別為?3.32 km2（1976－1989年）、1.73 km2（1989－1995年）、?3.68 km2（1995－1999年），年度變化率分別為?0.46%（1976－1989年）、0.55%（1989－1995年）、?1.70%（1995－1999年），總變化率為0.80%；3）2000－2015年，水域面積由1999年的50.27 km2減少至2015年的31.05 km2，16 a間水域面積減少了19.22 km2，減少幅度高達(dá)38.23%，該階段年度間面積變化率減少最大為?7.76 km2（1999－2005年），總變化率為?2.70%，湖泊面積總體呈持續(xù)萎縮趨勢(shì)?？傮w看，從1957－2015年，紅堿淖湖泊面積經(jīng)歷了由1957－1976年的增長(zhǎng)期、1977－1999年的相對(duì)穩(wěn)定期以及進(jìn)入2000年后的萎縮期。

表2 1957－2015年研究區(qū)水域面積變化

基于ArcGIS 10平臺(tái)對(duì)12期研究區(qū)遙感影像、矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，分別得到1957－1989年、1995－2010年、2011—2015年紅堿淖湖泊水域面積時(shí)空疊加動(dòng)態(tài)變化圖（圖3）?？梢钥闯觯?）1957－1989年，研究區(qū)水域面積呈持續(xù)擴(kuò)張趨勢(shì)，于1976年達(dá)到極大值為55.53 km2，1976－1989年13 a間面積略有縮小，1989年湖泊水域面積為52.21 km2，減少3.32 km2，變化區(qū)域主要集中在樊家灘、紅堿淖畔、壕賴河附近區(qū)域，其中樊家灘區(qū)域新增區(qū)域最大，紅堿淖畔、壕賴河次之；2）1995－2010年，研究區(qū)水域面積呈顯著減少趨勢(shì)，除七卜素河附近水域在2005年出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)面積略有增加外，其他區(qū)域均呈現(xiàn)規(guī)律性萎縮趨勢(shì)；3）2011－2015年，研究區(qū)水域面積變化規(guī)律類同于1995－2010年間，區(qū)別在于變化幅度略小，4 a間面積減少2.82 km2?？傮w看，近60 a紅堿淖湖泊水域面積經(jīng)歷了由擴(kuò)張—穩(wěn)定—萎縮的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，且自1999年后至今呈現(xiàn)出顯著萎縮態(tài)勢(shì)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的生態(tài)水文惡化信號(hào)，值得引起關(guān)注。

2.2 變化成因及驅(qū)動(dòng)力分析

2.2.1 氣象因素

紅堿淖湖泊區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂颍侵袊?guó)西北荒漠區(qū)典型的內(nèi)陸封閉沙漠湖泊。選取位于該區(qū)域的神木縣城北五里墩神木國(guó)家期限觀察站一級(jí)站1957－2015年年平均氣溫、年平均降水量（圖4）和1977－2013年年平均蒸發(fā)量（圖5）數(shù)據(jù)分析可知，紅堿淖區(qū)域多年平均氣溫8.5 ℃，其中，1957－1996年間年平均氣溫均低于8.9 ℃，1996年后氣溫突破9 ℃，部分年如1998，1999，2006，2010年的年平均氣溫高于10 ℃，總體看，研究區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，增溫速率為0.033 ℃/a；紅堿淖區(qū)域多年平均降水量408.7 mm，除1964，1967，2013年達(dá)650 mm驟然高值外，其余年間均在400 mm左右徘徊，總體看來研究區(qū)年平均降水趨勢(shì)較為平穩(wěn)，呈較小波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)；從獲取的研究區(qū)1977－2013年間年平均蒸發(fā)量數(shù)據(jù)分析可知，2000年前研究區(qū)年平均蒸發(fā)量較為平緩，在1 850 mm附近徘徊，2000年后則呈先降后增、再降的不穩(wěn)定變化趨勢(shì)。由此可以看出，受全球氣候變暖影響，近60 a間紅堿淖湖泊區(qū)域表現(xiàn)出降水量逐年總體減少、氣溫和蒸發(fā)量逐年總體增加的氣候變化特征，呈現(xiàn)出暖干化發(fā)展變化趨勢(shì)狀態(tài)。受降水減少、氣溫升高與蒸發(fā)增加的共同作用，紅堿淖湖泊水域面積變化趨勢(shì)與氣象因子變化趨勢(shì)基本吻合，但相關(guān)性不顯著，因此，氣候變化是引起紅堿淖湖泊水域面積變化、特別是自2000年以來水域面積持續(xù)萎縮的因素之一，但不是關(guān)鍵因素。

圖4 1957－2015年紅堿淖區(qū)域年均降水量、年均氣溫曲線

圖5 1977－2015年紅堿淖區(qū)域年均蒸發(fā)量曲線

2.2.2 人類活動(dòng)因素

1）水利工程阻斷地表水注入湖泊。紅堿淖湖水補(bǔ)給來源由降水、地下滲水以及位于內(nèi)蒙古的扎薩克河、蟒蓋兔河、松道溝河、木獨(dú)石犁河（水量占紅堿淖水量的63%[28]）和陜西的爾林兔河、壕賴河、七卜素河等7條季節(jié)性河流匯流組成，其中7條季節(jié)性河流是其主要補(bǔ)水水源。近年來，伴隨當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各類水利工程的修建一定程度上阻斷了地表水注入湖泊。1997－2004年間，內(nèi)蒙古在扎薩克河、壕賴河修筑了多個(gè)小型水庫(kù)及人工湖[29]；2005年，建成扎薩克水庫(kù)大壩，2006，2008年在營(yíng)盤河、蟒蓋兔河上游修建了兩座水庫(kù)蓄水，阻斷了紅堿淖最大的注水河流扎薩克河、蟒蓋兔河（2012年水量占入湖總流量50%[28,30]）；2009 年，在東葫蘆素河建造地下水庫(kù)，使該河流遭到斷截[31]。以上各類水利工程的修建使紅堿淖入湖地表補(bǔ)水量大幅減少，導(dǎo)致1999年后研究區(qū)水域面積呈持續(xù)萎縮變化趨勢(shì)。

2）礦產(chǎn)資源無序開采對(duì)湖泊水域面積變化的潛在影響。研究區(qū)周邊礦產(chǎn)資源十分豐富，地下開采活動(dòng)頻繁導(dǎo)致地面塌陷、裂縫產(chǎn)生和地下水含水層結(jié)構(gòu)破壞，加之流域內(nèi)距紅堿淖湖泊僅3 km左右、正巨資興建的馬泰壕煤礦和更近距離的正在實(shí)施鉆探的天然氣項(xiàng)目，導(dǎo)致局部地下水流場(chǎng)發(fā)生變化或形成新的暗河，為紅堿淖湖水大量流入采空區(qū)或暗河提供了可能；同時(shí)，該區(qū)域以煤化工為主的工業(yè)化包括周邊洗煤廠、火電廠、焦化廠等存在，導(dǎo)致工業(yè)用水量劇增，但取水來源單一加之地下水頻繁抽采現(xiàn)狀導(dǎo)致湖面水位逐年下降、湖泊水域面積逐年萎縮。

3）環(huán)湖路網(wǎng)建設(shè)破壞湖泊自然生態(tài)景觀。遍布紅堿淖周邊近距離建設(shè)的環(huán)湖混凝土道路、高速公路、省級(jí)公路和地方道路等導(dǎo)致的地下滲水區(qū)域面積減少，無疑造成對(duì)紅堿淖湖泊自然生態(tài)景觀的極大破壞；此外，研究區(qū)周邊的爾林兔鎮(zhèn)是農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)，該區(qū)域的氣候暖干化趨勢(shì)導(dǎo)致全鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)灌溉用水量劇增，從而引起湖泊水域面積減少、湖水水質(zhì)pH值增高，研究區(qū)整體生態(tài)狀況不容樂觀。

湖泊水域變化是湖泊水量收支狀況的綜合反映。紅堿淖湖泊水量收入主要由降水、地表水、地下水補(bǔ)給組成，支出則基本由湖區(qū)蒸發(fā)組成。近60 a間，1957－1999年為湖泊水域面積的擴(kuò)張期和階段穩(wěn)定期，氣候變化是水域面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的主要因素；1999－2015年為湖泊水域面積的萎縮期，氣候變化疊加人類活動(dòng)導(dǎo)致的地表水匯入斷流、地下水大量開采是水域面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因素，該結(jié)論與尹立河[7]、李登科[5]、楊立彬[30]、趙寧[8]、Tao[1]等對(duì)內(nèi)蒙高原內(nèi)陸湖泊的研究結(jié)論一致。

3 結(jié)論與討論

本文選用紅堿淖湖泊時(shí)間跨度為60 a的15期基礎(chǔ)地理、遙感影像數(shù)據(jù)為主要信息源，綜合利用RS、GIS、GPS等信息技術(shù)，監(jiān)測(cè)并分析了近60 a紅堿淖湖泊水域面積的時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素，得出以下結(jié)論：

1）揭示了研究區(qū)1957－2015年近60 a水域面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征和變化趨勢(shì)。近60 a研究區(qū)水域面積發(fā)生了顯著變化，1957－1976年，水域面積持續(xù)增長(zhǎng)并達(dá)到近60 a極大值，由1957年的37.6 km2增至1976年的55.53 km2，增幅高達(dá)47.69%，以湖泊北側(cè)、南右側(cè)區(qū)域增幅速度相對(duì)較快，其他區(qū)域次之；1977－1999年，水域面積整體狀況穩(wěn)定，維持在50 km2左右；2000－2015年，水域面積呈逐年萎縮趨勢(shì)，由1999年的50.27 km2減少至2015年的31.05 km2，減幅達(dá)38.23%，除七卜素河附近水域在2005年出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)面積略有增加外，其他區(qū)域均呈現(xiàn)規(guī)律性萎縮趨勢(shì)；總體看，近60 a間紅堿淖湖泊水域面積演變過程依據(jù)水域面積年間變化率可以劃分為擴(kuò)張期（1957－1976年）、穩(wěn)定期（1977－1999年）、萎縮期（2000－2015年）3個(gè)階段，總體呈萎縮趨勢(shì)。

2）結(jié)合同時(shí)期氣候變化和人類活動(dòng)因素，探討了引起近60 a紅堿淖湖泊水域面積總體萎縮趨勢(shì)的主要原因。結(jié)果表明：受全球氣候變暖影響，近60 a間紅堿淖湖泊區(qū)域表現(xiàn)出降水量逐年總體減少、氣溫和蒸發(fā)量逐年總體增加的氣候變化特征，呈現(xiàn)出暖干化發(fā)展變化趨勢(shì)狀態(tài)。紅堿淖湖泊水域面積變化趨勢(shì)與氣象因子變化趨勢(shì)基本吻合，但相關(guān)性不大，氣候變化是引起紅堿淖湖泊水域面積變化、特別是自2000年以來水域面積持續(xù)萎縮的因素之一，但不是關(guān)鍵因素。氣候暖干化趨勢(shì)是影響擴(kuò)張期和穩(wěn)定期湖泊水域面積變化的主要因素，氣候暖干化疊加人類活動(dòng)（上游水利工程修建、煤礦開采、環(huán)湖路面建設(shè)、灌溉耗水等）是造成萎縮期湖泊水域面積變化的關(guān)鍵因素。因此，政府部門應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃并加強(qiáng)研究區(qū)水資源的統(tǒng)一調(diào)度及恢復(fù)治理，禁止資源無序開采和工程盲目亂建，實(shí)施建立跨省的一體化的水量宏觀調(diào)控機(jī)制，逐步保護(hù)和改善湖泊周邊生態(tài)環(huán)境。

3）通過集成3S及數(shù)據(jù)庫(kù)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)近60 a的DLG，DRG，DOM，影像等海量數(shù)據(jù)的整合建庫(kù)及管理監(jiān)測(cè)，同時(shí)，鑒于研究區(qū)域地處黃土高原與毛烏蘇沙漠過渡區(qū)域，地勢(shì)平坦且地物要素類型單一，加之涉及TM，HJ-1兩種影像，本文運(yùn)用的NDWI水體指數(shù)法可有效抑制植被土壤增強(qiáng)水體信息，適用于該區(qū)域的水體信息提取，為定量、動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)分析湖泊水域面積時(shí)空變化提供有效的技術(shù)手段，其具有的分析速度快捷、宏觀準(zhǔn)確方便、結(jié)果可視直觀等優(yōu)勢(shì)，是研究湖泊水域時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)。

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Monitoring spatio-temporal changes of water area in Hongjiannao Lake from 1957 to 2015 and its driving forces analysis

Wang Ying1, Yan Zhenglong2, Gao Fan3※

(1.,710054,; 2.,,710054,; 3.,,830052,)

The changes of lake water resources record the impacts of climate changes and human activities on the regional hydrological processes in the changing environment. Especially for inland areas with less precipitation, timely and accurate information on changes in lake water resources are recorded. Environmental evolution has an important reference value. With China’s largest desert freshwater lake-Hongjiannao Lake as an example, based on the 3S (RS, GIS, and GPS, which are remote sensing, global position system, geographic information system) technology, lake water surface area change was analyzed, which provided important scientific guidance for the restoration, protection and utilization of ecological and economic functions of Hongjiannao Lake. However, due to the different sources of data, the uneven technology, the discontinuous time series and the generally short time series, as well as the different monitoring phases, the result analysis on the change of water area of Hongjiannao Lake is quite different and systematic study and overall analysis of long time series of the entire river basin are lacking. Fifteen periods of both basic and RS data collected for Hongjiannao Lake, such as DRG, DLG, DOM, remote sensing images, and paper maps, were selected for analysis over a recent 60-year period (from 1957 to 2015), together with field annotation data and relevant attributes. All the data and images above have passed the geometric correction of digital elevation model data from Shaanxi Surveying and Mapping Archives and Geological Information Bureau of State Bureau of Surveying and Mapping, which have good quality. Different data can meet the high-precision registration requirements of water body information extraction in the study area. Among them, NDWI (normalized difference water index) with better extraction effect was used to extract water body information, which could restrain the vegetation soil while enhance the water body information. To analyze characteristics in spatio-temporal variations and identify trends of the change in lake water area over the period, we comprehensively utilized RS and GIS techniques and adopted spatial data processes, extracted and interpreted information, constructed a massive database, and conducted integrated management and analysis. We also explored major causes that triggered spatio-temporal variations of lake water area by combining climate change and anthropogenic factors from the same period. Results indicated that in a recent 60-year period, the area covered by water significantly changed in the study area. During 1957-1976, the water area continuously increased from 37.6 to 55.53 km2, and reached the maximum value over the entire record of study with increased amplitude of 47.69%. The growth rates in northern and southeastern areas of the lake were relatively fast, followed by other regions. During 1977-1999, the overall water area was stable, approximately 50 km2. During 2000-2015, water area showed a decreasing trend year by year, from 50.27 to 31.05 km2with decreased amplitude of 38.23%, and all regions showed this shrinking trend except waters near Qibusu River in 2005, in which the reverse occurred and the water area slightly increased. In general, over the last 60 years, the revolution process of the water area of Hongjiannao Lake could be divided into 3 phases corresponding to the annual variability of water area: expanding period (1957-1976), stabilizing period (1977-1999), and shrinking period (2000-2015), showing an overall shrinking trend. The area of lakes and waters has experienced a dynamic trend of expansion-stabilization-atrophy in the recent 60 years, and has shown a significant atrophy situation since 1999 and a strong signal of ecological and hydrological deterioration, deserving attention. Trends in both warming and drying climate may be the major factors, which affect lake water area variation in both expanding and stabilizing periods, and the superimposition of these trends with anthropogenic effects (i.e. a water conservation project construction in the upper streams, coal mining, pavement construction around the lake, and water consumption for irrigation) may be the essential factor leading to water area variations during the shrinking period.

remote sensing; monitoring; climate changes; Hongjiannao Lake; spatio-temporal changes; human activity

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.036

S126；TP79

A

1002-6819(2018)-02-0265-07

2017-08-31

2017-12-13

地震科技星火計(jì)劃青年項(xiàng)目（XH16056Y）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51409226；51769036）

王 鶯，工程師，主要研究方向?yàn)檫b感監(jiān)測(cè)管理。Email：1989wangying@163.com

高 凡，博士，副教授。主要研究方向?yàn)樗Y源系統(tǒng)工程與河流生態(tài)保護(hù)。Email：gutongfan0202@163.com

王 鶯，閆正龍，高 凡. 1957—2015年紅堿淖湖水域面積時(shí)空變化監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)力分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：265－271. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.036 http://www.tcsae.org

Wang Ying, Yan Zhenglong, Gao Fan. Monitoring spatio-temporal changes of water area in Hongjiannao Lake from 1957 to 2015 and its driving forces analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 265－271. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.036 http://www.tcsae.org