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        長(zhǎng)時(shí)間序列下鄱陽(yáng)湖汛期水體面積變化特征及驅(qū)動(dòng)因素分析

        2021-06-17 11:15:26田碧青吳常雪穆興民趙廣舉尹殿勝
        水土保持研究 2021年4期
        關(guān)鍵詞:鄱陽(yáng)湖徑流量湖泊

        田碧青, 吳常雪, 穆興民,2, 高 鵬,2, 趙廣舉,2, 尹殿勝

        (1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司, 合肥 230601)

        鄱陽(yáng)湖作為中國(guó)最大淡水湖泊,它具有季節(jié)性、過(guò)水性及吞吐型特征,同時(shí)對(duì)調(diào)節(jié)長(zhǎng)江水位、涵養(yǎng)水源、改善當(dāng)?shù)貧夂蚝途S護(hù)周圍地區(qū)生態(tài)平衡等具有重要作用[1]。作為吞吐型通江湖泊,鄱陽(yáng)湖水體面積季節(jié)變化顯著。近幾十年受入湖徑流調(diào)控、長(zhǎng)江上游三峽蓄水及人類活動(dòng)影響,鄱陽(yáng)湖流域出現(xiàn)洪水調(diào)蓄功能下降、汛期洪澇頻繁、枯水期干旱頻率增大、生態(tài)環(huán)境退化等問(wèn)題,致使鄱陽(yáng)湖的水文節(jié)律被打亂,給鄱陽(yáng)湖區(qū)民生、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響[2-3]。

        水體面積大小及其變化是表征湖泊功能的重要指標(biāo)。對(duì)鄱陽(yáng)湖水體面積年際變化與入湖泥沙徑流關(guān)系及其對(duì)水環(huán)境及生態(tài)研究已開展大量研究,鄱陽(yáng)湖湖泊水體形態(tài)主要針對(duì)旱期研究,羅蔚等[4]通過(guò)Mann-Kendall等檢驗(yàn)方法,分析了鄱陽(yáng)湖流域干旱的時(shí)空演變特征,結(jié)果表明:鄱陽(yáng)湖流域"旱澇"和"澇旱"轉(zhuǎn)換越來(lái)越頻繁,掌握長(zhǎng)時(shí)間序列下鄱陽(yáng)湖汛期水體面積變化特征對(duì)未來(lái)鄱陽(yáng)湖治理保護(hù)有重要意義。因此,本文基于1977—2017年汛期鄱陽(yáng)湖湖泊水體面積數(shù)據(jù)、出入湖徑流量數(shù)據(jù)與鄱陽(yáng)湖流域土地利用變化數(shù)據(jù)資料,分析鄱陽(yáng)湖汛期水體面積變化及其驅(qū)動(dòng)因素,辨析自然因素和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽(yáng)湖汛期水體面積變化的影響,以期為鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        鄱陽(yáng)湖位于江西省北部長(zhǎng)江中游南岸,北緯28°22′—29°45′,東經(jīng)115°47′—116°45′,流域總面積162 225 km2。作為典型通江湖泊,鄱陽(yáng)湖湖泊全年來(lái)水主要依靠贛江、撫河、信江、饒河、修水5大河流的入湖徑流,以及長(zhǎng)江自湖口倒灌入湖的頂托作用[5],“五河”徑流量匯入鄱陽(yáng)湖經(jīng)湖口流入長(zhǎng)江。流域內(nèi)降水時(shí)空分布不均,入湖徑流量季節(jié)性十分顯著,4—9月的入湖徑流量占全年75%,尤其夏季主汛期入湖徑流占50%以上[6],同時(shí)受湖口長(zhǎng)江干流洪水頂托作用影響,湖泊每年6月末—7月初逐漸進(jìn)入汛期,湖泊維持高水位,整個(gè)湖區(qū)為湖泊水域;10月開始進(jìn)入旱期,“五河”入湖水量下降,長(zhǎng)江頂托作用削弱,鄱陽(yáng)湖進(jìn)入旱期,湖水面積縮小,大片濕地裸露,形成濕地草場(chǎng)的湖泊景象,自古有“洪水一片,枯水一線”的說(shuō)法形容其鄱陽(yáng)湖水體面積旱汛差異[7]。

        2 數(shù)據(jù)與方法

        2.1 資料與數(shù)據(jù)

        湖泊面積通過(guò)對(duì)Landsat系列衛(wèi)星對(duì)研究區(qū)內(nèi)拍攝的低云遙感影像處理提取1977—2017年每年6月、7月、8月以及9月的鄱陽(yáng)湖水體面積均值,衛(wèi)星數(shù)據(jù)源于Landsat-1—3MSS衛(wèi)星、Landsat-4—5TM衛(wèi)星、Landsat-7 ETM+衛(wèi)星以及Landsat-8 OLI衛(wèi)星的多光譜數(shù)據(jù),由于部分圖像缺失,最后篩選出除1980年、1982年、1985年、1994年、2009年以外1977—2018年共134期多光譜衛(wèi)星影像圖各年汛期的遙感影像,取水體面積并求出各年汛期平均面積。

        水文數(shù)據(jù)來(lái)自鄱陽(yáng)湖流域的主要控制水文站:贛江外洲站、撫河李家渡站、修河萬(wàn)家埠站、信河梅港站、饒河渡峰坑站、湖口站,各水文站1977—2017年7—9月的實(shí)測(cè)月徑流量數(shù)據(jù)。各水文站情況見表1。

        表1 研究區(qū)控制水文站分布情況

        土地利用數(shù)據(jù)利用全國(guó)土地利用調(diào)查1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共6期土地利用數(shù)據(jù)提取研究區(qū)土地利用變化,數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心構(gòu)建的全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)。土地利用分類系統(tǒng)采用兩級(jí)分類體系,其中一級(jí)土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地及未利用地6類,二級(jí)土地利用為25種地物類型。

        2.2 研究方法

        采取多波段像元值比較方法對(duì)Landsat衛(wèi)星圖片進(jìn)行水體信息提取從而計(jì)算汛期湖泊水體面積[8-9]。對(duì)1977—2017年各年汛期鄱陽(yáng)湖水體平均面積數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析總結(jié)其變化特征,并判斷鄱陽(yáng)湖汛期湖泊面積變化是否存在突變點(diǎn),如果存在,結(jié)合水文數(shù)據(jù)的趨勢(shì)及突變分析與土地利用變化分析解釋其突變?cè)?。趨?shì)分析采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法,突變分析采用Mann-Kendall突變檢測(cè)法。

        流域內(nèi)水文數(shù)據(jù)是以鄱陽(yáng)湖湖區(qū)月均出入湖徑流量差值表示汛期凈出湖月均徑流量,通過(guò)7—9月“五河”各站汛期徑流量月值,得出流域內(nèi)汛期月均入湖徑流量,同樣求出湖口站汛期月均出湖徑流量;由湖口站的出湖汛期月均徑流量減去“五河”汛期月均徑流量得到汛期湖區(qū)出入湖徑流量差值,對(duì)其進(jìn)行水文分析。

        流域內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)GIS軟件對(duì)土地利用矢量數(shù)據(jù)通過(guò)重分類進(jìn)行柵格化處理獲取。將二級(jí)土地利用類型合并為一級(jí)土地利用類型,并重新賦值:1農(nóng)地、2林地、3草地、4城鄉(xiāng)工建用地、5未利用土地[10]。通過(guò)獲取的1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年鄱陽(yáng)湖流域土地利用變化數(shù)據(jù),生成主要土地利用類型的變化表。利用動(dòng)態(tài)度單一土地利用表現(xiàn)土地利用變化程度及特征,評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)湖泊汛期水體面積變化的影響[11]。單一土地利用動(dòng)態(tài)度公式[12]:

        式中:K為單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度;Ua為研究初期某種土地利用類型的用地面積;Ub為研究末期某種土地利用類型的用地面積;T為研究時(shí)段。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 汛期水體面積特征及變化趨勢(shì)

        汛期鄱陽(yáng)湖水體面積年際變化差異顯著,20世紀(jì)90年代期間變異程度最大(表2)。鄱陽(yáng)湖汛期水體面積年際變化過(guò)程見圖1,2007—2017年汛期湖水面積平均2 989.1 km2,最大為1998年的4 662.05 km2;最小為2011年的2 109.73 km2。

        表2 鄱陽(yáng)湖1977-2017年汛期水體平均面積

        圖1 1977-2017年汛期湖泊平均面積變化

        根據(jù)Mann-Kendall趨勢(shì)分析,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值為-1.60,通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明1977—2017年鄱陽(yáng)湖汛期湖泊平均面積呈縮小趨勢(shì),Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果表明,UF和UB曲線在2005年出現(xiàn)交點(diǎn),汛期湖泊水體面積可能在2005年發(fā)生了突變(圖2),利用Pettitt突變檢驗(yàn)對(duì)2005年這個(gè)可能突變點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證,Pettitt檢驗(yàn)結(jié)果表明,2005年是汛期湖泊水體面積的突變點(diǎn)(圖3)。UF趨勢(shì)線表明湖泊汛期水體面積在2005年之前經(jīng)歷了1977—1982年減小、1983—1986年增長(zhǎng)、1987—1996年減小、1997—2004年增長(zhǎng)的小幅波動(dòng)變化但都不顯著,在2005年后持續(xù)減小且UF曲線接近0.05顯著水平線,表明較2005年之前鄱陽(yáng)湖汛期水體面積較之前變化下降趨勢(shì)顯著。

        圖2 汛期湖泊平均面積Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

        圖3 鄱陽(yáng)湖汛期湖泊平均面積Pettitt突變檢驗(yàn)

        3.2 汛期湖區(qū)凈出湖徑流量均值變化及其對(duì)湖泊水體面積的影響

        1977—2017年鄱陽(yáng)湖汛期月均凈出湖徑流量呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),期間平均值為2 047.9 m3/s;1998年最大(5 339.9 m3/s);1979年最小(-362.9 m3/s)(圖4)。汛期鄱陽(yáng)湖凈出湖徑流量變化年際差異顯著,20世紀(jì)80年代變異程度最大(表3)。

        圖4 1977-2017年期間汛期月均凈出湖徑流量差值變化

        表3 鄱陽(yáng)湖1977-2017年汛期凈出湖徑流量

        汛期凈出湖徑流量Mann-Kendall趨勢(shì)分析結(jié)果,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值為2.24,通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。汛期月均凈出湖徑流量與湖泊水體面積相關(guān)性分析表明兩者呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.58,0.01水平顯著)。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示分別在1990年、2003年、2006年、2010年、2012年UF和UB曲線出現(xiàn)交點(diǎn),表明可能發(fā)生突變(圖5)。利用Pettitt突變檢驗(yàn)對(duì)1990年、2003年、2006年、2010年、2012年這5個(gè)可能突變點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證(圖6)。Pettitt檢驗(yàn)結(jié)果表明,凈出江徑流量在1990年發(fā)生突變。UF曲線顯示月均汛期凈出湖徑流量在1990年之前主要呈小幅減少趨勢(shì),在1990年后汛期月均凈出湖徑流量開始增大,在20世紀(jì)90年代末期—21世紀(jì)00年代增加趨勢(shì)十分顯著(通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)),2005年后增加趨勢(shì)不再顯著但仍保持增加狀態(tài)至2017年。

        圖5 汛期月均凈出湖徑流量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

        圖6 鄱陽(yáng)湖汛期出入湖徑流量差值Pettitt突變檢驗(yàn)

        汛期月均凈出湖徑流量與湖泊水體面積相關(guān)性分析表明兩者呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.58,0.01水平顯著),表明1977—2017年,鄱陽(yáng)湖汛期湖區(qū)凈出湖徑流量的逐年顯著增加,是影響汛期湖泊水體面積下降的原因之一。90年代末受幾次全流域性大洪水影響1990—1999年汛期月均凈出湖徑流量增加[13]。

        每年7—8月長(zhǎng)江進(jìn)入主汛期,對(duì)鄱陽(yáng)湖出湖徑流的頂托作用增強(qiáng)導(dǎo)致使鄱陽(yáng)湖流域洪水滯留,水體面積增長(zhǎng),9月長(zhǎng)江頂托作用削弱,湖區(qū)洪水自湖口泄入長(zhǎng)江,增加汛期月均凈出湖徑流量。因自2003年起長(zhǎng)江上游三峽工程開始逐漸實(shí)施蓄水工程,工程落實(shí)后于每年8月下旬開始蓄水調(diào)度,造成長(zhǎng)江下游汛期末水量減少,鄱陽(yáng)湖湖口段長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)的頂托作用削弱,所以自21世紀(jì)00年代汛期月均凈出湖徑流量較之前顯著增加[14-19]。自2003年后,湖口年均倒灌現(xiàn)象較三峽工程實(shí)施前呈總體減弱趨勢(shì),頻頻出現(xiàn)湖水提前匯入長(zhǎng)江的現(xiàn)象,鄱陽(yáng)湖湖區(qū)汛期提前結(jié)束,是造成汛期水體面積在2005年后下降趨勢(shì)顯著原因之一。且已有研究結(jié)果顯示,鄱陽(yáng)湖入湖年徑流量變化趨勢(shì)具有明顯的年代差異,21世紀(jì)00年代是入湖徑流量的偏少期,這也對(duì)2005年后湖泊水體面積下降產(chǎn)生了一定程度的影響[20]。

        3.3 鄱陽(yáng)湖土地利用變化特征及其與湖泊水體面積響應(yīng)

        通過(guò)對(duì)鄱陽(yáng)湖流域6個(gè)時(shí)期的土地利用變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,歸納出鄱陽(yáng)湖流域1980—2015年鄱陽(yáng)湖流域土地利用變化總體特征(表4,圖7):鄱陽(yáng)湖流域土地利用類型除水體以外,以林地、耕地為主,多年保持占流域面積的80%以上,草地次之,城鎮(zhèn)與未利用土地占比最少。1980—2015年35 a中,耕地總體呈減小趨勢(shì),動(dòng)態(tài)度為-0.34%;林地總體變化幅度不大,略呈減少趨勢(shì),動(dòng)態(tài)度0.15%;草地總體呈下降趨勢(shì),動(dòng)態(tài)度-0.21%;城鄉(xiāng)工建用地總體呈上升趨勢(shì),動(dòng)態(tài)度1.36%;未利用土地總體呈下降趨勢(shì),動(dòng)態(tài)度-1.52%。1980—2015年鄱陽(yáng)湖流域土地利用結(jié)構(gòu)中,變化幅度最大的是未利用土地減少與城鄉(xiāng)工建用地增加,未利用土地由1 163 km2下降至543 km2,城鄉(xiāng)工建用地由2 501 km2上升至3 694 km2;其余土地利用面積有增有減,但其總體變化幅度不大,各時(shí)期變化幅度不同,自2015年后湖區(qū)各土地利用類型變化趨于穩(wěn)定,且城鄉(xiāng)工建用地出現(xiàn)了首次下降,沼澤地、裸土地面積出現(xiàn)了首次增長(zhǎng)。

        表4 1980-2015年鄱陽(yáng)湖流域土地利用變化

        圖7 鄱陽(yáng)湖流域1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年土地利用分布

        由圖7可見,主要是城鄉(xiāng)工建用地面積增長(zhǎng)、未利用土地面積減少對(duì)鄱陽(yáng)湖汛期湖泊水體面積變化產(chǎn)生影響。在19世紀(jì)90年代之后城鎮(zhèn)化規(guī)模更大,速度更快。城鎮(zhèn)化加速發(fā)展下流域內(nèi)城鄉(xiāng)工建用地面積增大,城鄉(xiāng)工建用地面積增加,濕地等未利用土地類型面積減少,導(dǎo)致流域內(nèi)產(chǎn)水量增加,洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率增加,致使90年代末湖泊水體面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[13,21-23]。1998年后國(guó)家實(shí)施“退田還湖”政策,使流域內(nèi)農(nóng)田面積減少,濕地等未利用土地面積顯著增加。另外90年代末流域內(nèi)在水土流失嚴(yán)重的區(qū)域,開展了大面積的植樹造林,該區(qū)的林地面積在21世紀(jì)后增加;并自2012年起,江西政府開始實(shí)施沿鄱陽(yáng)湖生態(tài)移民政策,對(duì)湖區(qū)核心保護(hù)區(qū)內(nèi)禁止圍湖造地,使得流域濕地水涵養(yǎng)功能得到改善,生態(tài)環(huán)境得到保護(hù),洪水發(fā)生頻率下降,湖區(qū)洪澇災(zāi)害情況得到改善,汛期平均水體面積縮小[23-25]。

        4 結(jié) 論

        (1) 鄱陽(yáng)湖汛期水體面積在1977—2017年呈減少趨勢(shì)(Z值=-1.60,通過(guò)90%顯著性檢驗(yàn)),鄱陽(yáng)湖汛期水體面積在2005年發(fā)生突變,2005年后汛期水體減小速率增大。

        (2) 受長(zhǎng)江上游汛期提前蓄水影響,湖口長(zhǎng)江頂托作用削弱,導(dǎo)致汛期凈出湖徑流量呈顯著增加趨勢(shì)(Z值=2.24,通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)),并在1990年發(fā)生突變,1990年后顯著增加,是汛期湖泊水體面積減小的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。

        (3) 1980—2015年流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化主要集中在城鄉(xiāng)工建用地面積增加(動(dòng)態(tài)度1.36)、沼澤地面積減少(動(dòng)態(tài)度-1.52),導(dǎo)致流域內(nèi)生態(tài)蓄水能力下降,洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率增大,影響90年代末汛期水體平均面積增大。

        (4) 鄱陽(yáng)湖汛期湖泊水體面積變化主要受長(zhǎng)江上游三峽工程汛末提前蓄水與流域內(nèi)城鎮(zhèn)化加速發(fā)展影響,“退田還湖”與生態(tài)移民政策有利于改善汛期湖區(qū)洪水發(fā)生頻率。

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