史慶曉，李為萍，史海濱，馮 梁，郝云鳳，劉曉東

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015400)

0 引 言

湖泊是陸地上的洼地或盆地經(jīng)過長時間積水形成的陸表水域[1]。陸表水對于陸地上的生命來說是必不可少的，它可以改善生態(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)小范圍的氣候[2]。研究區(qū)沈烏灌域地處內(nèi)蒙古河套灌區(qū)最西部，東北部與烏蘭布和沙漠接壤，降雨少而不均，日照長，夏季高溫且干燥多風，灌域內(nèi)補水主要依靠黃河水補給，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。因其特殊的地理位置、地形地貌以及氣候特征，沈烏灌域內(nèi)由于歷史上黃河改道及沙漠間的丘間洼地經(jīng)四周沙丘滲流聚集，形成了眾多的沙成湖和河成湖[3]，當?shù)厝擞职堰@些湖泊稱之為“淖爾”，此類湖泊受環(huán)境、人為活動的影響較大。

近年來，已有部分學者對內(nèi)蒙古地區(qū)湖泊做了很多研究，常學禮等[4]運用遙感技術對科爾沁沙地湖泊面積進行監(jiān)測與分析，結果表明湖泊面積呈先增大后減小的變化趨勢，主要是受降雨量的影響。LIU HY等[5]對內(nèi)蒙古高原的湖泊進行了研究，結果表明半干旱地區(qū)的湖泊普遍存在萎縮甚至干枯的現(xiàn)象，此現(xiàn)象與內(nèi)蒙古氣候的變化有密切關系。由于內(nèi)蒙古特殊的環(huán)境條件以及全球變暖的趨勢，當?shù)睾粗饕尸F(xiàn)萎縮，鹽堿化等現(xiàn)象[6-9]。很多學者針對位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的烏梁素海的水質(zhì)進行了長期定位監(jiān)測與分析[10-12]。目前，以沈烏灌域內(nèi)八大天然湖泊面積為研究對象，進行長時間序列監(jiān)測與分析的仍然較少且目前尚未有一個統(tǒng)一、科學的數(shù)據(jù)來表示沈烏灌域內(nèi)湖泊面積的歷史變化規(guī)律，隨著引黃指標的減少，因此亟須采用科學的手段與分析方法，對其進行長時間序列的變化監(jiān)測，進而準確描述其時空變化特征,以便對其進行適量黃河水補給，以達到節(jié)水的目的。

相較于以往的監(jiān)測方法，遙感技術彌補了傳統(tǒng)方法上實地考察困難、資料不易連續(xù)等的不足之處，具有監(jiān)測范圍大、迅速獲取信息、信息量大和實時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點[2]。近些年來，為了準確提取水體,國內(nèi)外學者提出了歸一化水體指數(shù)(NDWI)[13],改進的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI[14]、增強型水體指數(shù)(EWI)[15]。丁鳳等[16]提出一種更加快速精準的新型水體指數(shù)NWI，NWI加強了水體與其他背景的反差使得提取效果更加精準。研究表明，采用NWI指數(shù)結合閾值法提取結果更為準確。

因此，本文以沈烏灌域為研究區(qū)，選用精度較高的新型水體指數(shù)NWI，對1988-2018年近30 a沈烏灌域內(nèi)八大天然湖泊面積進行遙感提取，并結合磴口縣氣象站提供的氣象資料、烏蘭布和灌域管理局提供的沈烏灌域的生態(tài)補水、總引水量和秋澆水量資料等進一步分析其變化的驅(qū)動因素，揭示其歷史演變過程，本研究對保護沈烏灌域內(nèi)生態(tài)環(huán)境、適量取用黃河水兼具理論意義及應用價值。

1 研究區(qū)概況

河套灌區(qū)是亞洲最大的一首制灌區(qū)和全國三個特大型灌區(qū)之一，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)。河套灌區(qū)自西往東由烏蘭布和灌域、解放閘灌域、永濟灌域、義長灌域、烏拉特灌域組成(見圖1)。本文研究區(qū)沈烏灌域隸屬烏蘭布和灌域一部分，位于河套灌區(qū)最西部。烏蘭布和灌域共有沈烏口和大灘分干渠兩個黃河水引水口，其中沈烏灌域是由沈烏口引水，沈烏灌域包含一干渠灌域和東風分干渠灌域兩大區(qū)域，其中一干渠灌域又分成一干渠直屬、建設一分干灌域、建設二分干灌域、建設三分干灌域和建設四分干灌域。沈烏灌域地勢從東南向西北傾斜，平均海拔約1 050 m，灌域內(nèi)灌溉面積約58 110 hm2，2014年沈烏灌域被選為內(nèi)蒙古黃河干流水權盟市間轉讓試點。

圖1 沈烏灌域位置圖Fig.1 Location map of Shenwu irrigation area

沈烏灌域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂?，晝夜溫差較大，日照時間長，蒸發(fā)強，降水少，氣候干燥多風。灌域內(nèi)多年平均降雨量僅為144 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 455 mm。灌域內(nèi)補水主要依靠黃河水補給，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，因此灌域內(nèi)湖泊對于維持其生態(tài)環(huán)境尤為重要。

本文考慮沈烏灌域內(nèi)的天然水域、天然水域的利用類型以及灌域中天然水域所處的地理位置等影響因素，選取灌域內(nèi)八大天然湖泊為主要研究對象，分別為:冬青湖、磚照井海子、金馬湖、天鵝湖、鏡湖、納林湖(西湖)、一分場海子、古月辰湖，八大天然湖泊概況見表1。

表1 沈烏灌域天然湖泊概況Tab.1 Overview of natural lakes in Shenwu irrigation area

2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

因河套灌區(qū)每年5月份進入夏灌，10月底-11月中旬進行秋澆，同時夏秋季研究區(qū)內(nèi)水域周圍蘆葦生長旺盛，會影響水體表面積的提取精度。因此選擇研究區(qū)每年3-4月份云層覆蓋率低且條帶質(zhì)量良好的遙感影像。本文選取了1988-2018近30年的遙感數(shù)據(jù)，1988-2010年、2014-2018年分別采用陸地衛(wèi)星Landsat(TM、ETM+、OLI)系列遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載地址為自美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)(USGS)(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)和地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。2011-2013年采用的環(huán)境減災衛(wèi)星數(shù)據(jù)從中國資源衛(wèi)星應用中心(http:∥www.cresda.com/CN/)下載，其中由于云層過厚等原因，本研究缺少1989-1991年與2006年的遙感數(shù)據(jù)，具體遙感數(shù)據(jù)類型見表2。

表2 遙感數(shù)據(jù)類型Tab.2 Remote sensing data type

本文所用氣象數(shù)據(jù)由磴口縣氣象局提供，沈烏灌域的生態(tài)補水量、引水量、秋澆水量等數(shù)據(jù)由烏蘭布和灌域管理局提供。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文運用ENVI5.3對原始影像進行融合、波段組合以得到較高空間分辨率的圖像，再對原始影像進行一系列預處理(輻射定標[17]、幾何校正、大氣校正、圖像裁剪、波段運算等)，其中波段運算采用NWI新型水體指數(shù)結合閾值法對水體邊界進行提取，新型水體指數(shù)公式為：

(1)

式中：Band1、Band4、Band5、Band7分別代表TM/ETM+影像的第1、4、5、7波段的亮度值；C為常數(shù)。又因水域邊緣常有新生的蘆葦?shù)戎参镉绊懰蜻吔绲奶崛?，因此將處理后的影像結合融合后的影像導入ArcGIS10.6中，再結合人工目視解譯的方法對水域進一步精確提取水體邊界并計算水體面積。

本文運用Origin 2017繪圖，運用ArcGIS 10.6進行圖像處理。

3 研究結果與分析

沈烏灌域內(nèi)近30 a來八大天然湖泊的面積動態(tài)變化如圖2所示。

從圖2中可以看出一分場海子跟冬青湖在30 a間均呈直線式擴張趨勢。一分場海子30 a間面積平均值為1.47 km2，1988-2001年一分場海子面積均小于1.47 km2。30 a來由1988年的0.70 km2增大到2018年的1.86 km2，增幅高達1.66，1988年為一分場海子面積最小值0.70 km2，在2017年達到峰值1.96 km2。冬青湖近30a內(nèi)的平均面積為2.51 km2，1988-2000年冬青湖面積均小于2.51 km2，30 a來冬青湖由1988年的1.56 km2擴張到2018年的2.79 km2，增幅為0.78，冬青湖面積1992年為最小值1.24 km2，在2013年達到最大值3.13 km2。

金馬湖、納林湖、鏡湖、古月辰湖、磚照井海子和天鵝湖均經(jīng)歷了持續(xù)擴張-波動式萎縮-波動式擴張3個階段。①持續(xù)擴張階段:天鵝湖、磚照井海子、金馬湖、古月辰湖的持續(xù)擴張階段均為1988-1997年，湖泊面積分別由1988年的0.73、2.73、1.45、0.29 km2擴張到2.75、3.45、1.46、0.45 km2，增幅分別為2.79、0.26、0.004、0.53。納林湖和鏡湖的持續(xù)擴張階段則是1988-1996年，湖泊面積由1988年的3.73、0.46 km2分別增加到4.38、0.69 km2，增幅為0.17、0.50。②波動式萎縮階段：磚照井海子和天鵝湖的波動式萎縮階段均是在1997-2004年，8 a間從3.45、2.75 km2減小到2.92、1.46 km2，減幅分別為0.15、0.47。納林湖波動式萎縮階段(1996-2001)，由1996年的4.38 km2減小到2001年的4.10 km2，6 a間減幅為0.06。金馬湖的波動式擴張階段(1997-2001)，5 a間金馬湖面積由1997年的1.46 km2減小到2001年的1.09 km2，減幅為0.25。1996-2004年為鏡湖的波動式擴張階段，鏡湖面積由0.69 km2減小到近30 a來的最低值0.26 km2，減幅高達0.62。1997-2007年為古月辰湖的波動式萎縮階段，10 a間面積由0.45 km2減小到近30 a來的最小值0.22 km2，減幅為0.52。③波動式擴張階段：金馬湖與納林湖的波動式擴張階段為2001-2018年，湖泊面積分別由2001年的1.09、4.10 km2擴張到1.47、4.27 km2，增幅為0.35、0.04。古月辰湖的波動式擴張階段發(fā)生在2007-2018年，12 a間由0.22 km2增加到0.80 km2，增幅高達2.71。鏡湖、磚照井海子和天鵝湖的波動式擴張階段為2004-2018年，3個湖泊的面積分別由2004年的0.26、2.92、1.46 km2增加到2018年的0.58、3.98、1.48 km2，增幅分別為1.23、0.36、0.01，其中天鵝湖在2017年達到峰值(2.84 km2)，翌年減小為1.48 km2，減幅高達0.48。

圖2 近30 a來天然湖泊面積動態(tài)變化圖Fig.2 Dynamic changes of nearly 30a natural lake area

因沈烏灌域特殊的地理位置跟氣候條件，屬于沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的地區(qū)，加之是內(nèi)蒙古黃河干流水權盟市間轉讓試點，其生態(tài)環(huán)境更受重視，因此近年來灌域內(nèi)湖泊面積均呈良好的趨勢發(fā)展。一分場海子跟冬青湖面積均呈直線式擴張的趨勢，冬青湖最靠近烏蘭布和沙漠地區(qū)相對受氣候影響較大，但由于冬青湖每年都有專門的生態(tài)補水維持湖泊面積故冬青湖的面積呈持續(xù)擴張趨勢。雖然一分場海子沒有專門的生態(tài)補水補給，但一分場海子位于建設二分干與一干渠中上游，每年的總引水、秋澆水等側滲補給較多，故一分場海子面積呈現(xiàn)持續(xù)擴張趨勢。金馬湖、納林湖、鏡湖、古月辰湖、磚照井海子和天鵝湖均經(jīng)歷了持續(xù)擴張階段-波動式萎縮階段-波動式擴張階段，每個湖泊3個階段的時間并不完全一致，但前后相差年份比較接近。金馬湖跟納林湖主要以發(fā)展旅游業(yè)為主，故金馬湖與納林湖的面積受氣候因素、人為活動影響較大，兩個湖泊雖年際間波動較大，但是實際波動幅度很小，近30 a來面積較為穩(wěn)定。鏡湖與古月辰湖面積基數(shù)較小，其擴張或萎縮的幅度較大，但近30 a來面積最小值與最大值相差僅0.43、0.69 km2，波動并不是很大。磚照井海子是研究區(qū)八大天然湖泊的面積第二大湖泊，近30 a來擴張較為明顯。天鵝湖年際間波動較為劇烈，其中2017年面積達到峰值而翌年又大幅度減小，在融合后的衛(wèi)片中可以清晰地看到2017年較其他年份天鵝湖的西北部干涸處逐漸演變?yōu)辂}堿地，天鵝湖本身是退水形成的一個湖泊，水深較淺，地處烏蘭布和境內(nèi)易受氣候影響，2017年蒸降比較大且2018年春季沒有分凌期補水，造成天鵝湖嚴重萎縮。天鵝湖所消失的部分左右兩側為沙地，沙漠地區(qū)較農(nóng)田溫度更高且天鵝湖是八個天然湖泊中離渠道最遠的湖泊，減少水體的周圍又沒有農(nóng)田，所以給天鵝湖的側滲也少，故天鵝湖面積2017年后減小較為明顯。

4 驅(qū)動因子分析

4.1 氣象因素對近30 a沈烏灌域天然湖泊面積的影響

因本文提取的是沈烏灌域每年春季的天然湖泊面積，每年的氣象數(shù)據(jù)對翌年湖泊面積影響更大，因此在分析水域面積時間變化特征時，均對應使用的前一年的氣象數(shù)據(jù)，見圖3，圖4。

圖3 年降雨量、蒸發(fā)量變化圖Fig.3 Annual rainfall and chartevaporation change chart

圖4 年平均氣溫、風速變化圖Fig.4 Annual average temperature and wind speed change chart

對磴口氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)分析可知，年平均氣溫的年際間變化間接影響蒸發(fā)量，研究區(qū)近30 a年平均氣溫呈上升的趨勢，平均每10 a溫度升高0.5 ℃。年蒸發(fā)量由磴口站氣象數(shù)據(jù)可知，30 a來(1987-2017年)灌域的蒸發(fā)量變動幅度較小，30 a平均蒸發(fā)量為2 486.95 mm。1987-1999年平均蒸發(fā)量為2 381.06 mm，2000年代、2010年代平均蒸發(fā)量分別為2 652.01、2 452.68 mm。而30 a來降雨量整體趨勢是下降的，1987-2017年平均降雨量為145.40 mm。1987-1999降雨量平均為150.37 mm，2000年、2010年平均降雨量為143.38、139.85 mm。

由圖4知，年平均風速呈下降趨勢，30 a平均風速為10.63 m/s，1987-1999年、2000年代、2010年代平均風速分別為11.48、10.80、9.60 m/s，風速的增大雖然會加快湖泊內(nèi)水體的蒸發(fā)但同時由于強勁的風力導致灌域內(nèi)風蝕坑增多。

4.2 人類活動對沈烏灌域近年來天然湖泊面積空間變化特征驅(qū)動因子分析

沈烏灌域從沈烏引水口引黃河水，每年4月底-6月進行春夏灌，7月-9月進行秋灌，10月底-11月中旬進行秋澆。近10 a來研究區(qū)秋澆引水量及總引水量見表3所示。

表3 沈烏灌域近年來引水量 萬m3

由表3可知，沈烏灌域內(nèi)2009-2017年全年引水量年際間略有起伏，但基本保持穩(wěn)定。2009-2017年秋澆水量總體呈下降趨勢，但年際間波動較為劇烈?？傄颗c秋澆水量均是根據(jù)灌域內(nèi)湖泊面積的變化進行相應調(diào)整的，表明沈烏灌域內(nèi)總引水量和秋澆水量對維持湖泊面積有重要的貢獻。

從2008年開始，河套灌區(qū)開始有規(guī)模、有計劃的利用分凌分洪水、灌溉退水等對沈烏灌域內(nèi)水域進行生態(tài)補水，近年來具體生態(tài)補水量見表4。

表4 沈烏灌域近年來生態(tài)補水量 萬m3

由表4可知，沈烏灌域自2009年開始，生態(tài)補水量總體上維持在2 000 萬m3左右，其中2013年補水量過大(5 142 萬m3)，主要是因為2012年降雨量較大(219.5 mm)，2013年降雨量少，生態(tài)補水量加大。2016年降雨量較大(224.2 mm)，生態(tài)補水量降低為559 萬m3。沈烏灌域內(nèi)生態(tài)補水是針對一些面積較大、比較重要的湖泊補水且生態(tài)補水量是綜合氣候以及灌域內(nèi)湖泊面積的變化而進行相應補給的。沈烏灌域內(nèi)2016年的耕地面積比2012年增加了0.648 萬hm2，耕地面積增幅為12.8%[18]，耕地面積的增加意味著灌溉水量隨之增加。但2012-2016年間水域面積不減反增，是因為灌域內(nèi)每年對面積較大的水域都有生態(tài)水的補給，同時每年都會根據(jù)湖泊面積的變化從沈烏口進行相應的總引水和秋澆水的補給，因此湖泊旁的地下水埋深變化微弱，生態(tài)環(huán)境良好。表明沈烏灌域內(nèi)耕地面積的增加對灌域內(nèi)春季天然湖泊面積的變化有一定的影響。

5 結 論

本文選取1988-2018年的Landsat(TM、ETM+、OLI)、HJ-1A/B衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來分析沈烏灌域30 a來八大天然湖泊的面積變化，同時結合氣象數(shù)據(jù)、人為活動等資料對湖泊面積進行驅(qū)動因子分析得出以下結論：

(1)揭示出沈烏灌域1988-2018年近30a來沈烏灌域內(nèi)八大天然湖泊面積隨時間的演變過程：近30 a來一分場海子和冬青湖面積均呈直線式擴張趨勢，分別由1988年的0.70、1.56 km2擴張到2018年的1.86、2.79 km2，增幅分別為1.66、0.78。金馬湖、納林湖、鏡湖、古月辰湖、磚照井海子和天鵝湖則均經(jīng)歷了3個階段:持續(xù)擴張階段-波動式萎縮階段-波動式擴張階段。①持續(xù)擴張階段：天鵝湖、磚照井海子、金馬湖、古月辰湖持續(xù)擴張階段均為1988-1997年，10 a間增幅分別為2.79、0.26、0.004、0.53。納林湖和鏡湖持續(xù)擴張階段為1988-1996年，9 a間增幅為0.17、0.50。②波動式萎縮階段：磚照井海子和天鵝湖8 a間(1997-2004)，減幅為0.15、0.47。納林湖6 a間(1996-2001)，減幅為0.06。金馬湖5 a間(1997-2001)，減幅為0.25。鏡湖在9 a間(1996-2004)減幅則為0.62。古月辰湖在11a間(1997-2007)減幅為0.52。③波動式擴張階段：金馬湖與納林湖此階段在18 a間(2001-2018)增幅分別為0.35、0.04。古月辰湖在12 a間(2007-2018)，增幅高達2.71。鏡湖、磚照井海子、天鵝湖的波動式擴張階段均在2004-2018年，15 a間增幅分別為1.23、0.36、0.01。

(2)結合氣象數(shù)據(jù)與人為活動等資料，探討了水域面積與氣候變化(蒸發(fā)、降雨、氣溫、平均風速)和人為活動(生態(tài)補水、引水量、秋澆水量、耕地面積)的關系。結果顯示，氣候的變化對湖泊面積變化有重要的貢獻，而人為活動則是根據(jù)氣候等因素對湖泊面積產(chǎn)生的變化從而對湖泊進行相應的黃河水補給，因此沈烏灌域內(nèi)湖泊面積的變化是人為活動和氣候因素的綜合影響。