尚博譞, 肖春蕾, 趙丹, 朱振洲, 張高強(qiáng)

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)中心，北京 100083)

0 引言

湖泊是地上地下各生態(tài)要素相互作用的紐帶，作為重要的淡水資源庫(kù)、洪水調(diào)蓄庫(kù)和物種基因庫(kù)，人類(lèi)生產(chǎn)、生活與之息息相關(guān)，在維系流域生態(tài)平衡、滿足生產(chǎn)生活用水、減輕洪澇災(zāi)害和提供豐富水產(chǎn)品等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。中國(guó)國(guó)土幅員遼闊，湖泊數(shù)量眾多、類(lèi)型全面、分布廣泛，據(jù)《中國(guó)湖泊志》[2]記載，1998年我國(guó)境內(nèi)(不包括香港、澳門(mén)與臺(tái)灣地區(qū))共有面積大于1.0 km2的湖泊2 759個(gè)，總面積91 019.6 km2，廣泛分布于東部平原、青藏高原、云貴高原、蒙新高原、東北平原與山地五大湖區(qū)。中國(guó)湖泊的分布，大致以大興安嶺—陰山—賀蘭山—祁連山—昆侖山—唐古拉山—岡底斯山一線為界。此界東南為外流湖區(qū)，湖泊大多直接或間接與海洋相通，成為河流水系的組成部分，屬吞吐性湖泊，以淡水湖為主； 此界西北為內(nèi)流湖區(qū)，湖泊處于封閉或半封閉的內(nèi)陸盆地之中，與海洋隔絕，自成小流域，為盆地水系的尾閭，以咸水湖或鹽湖為主[3]。近幾十年來(lái)，隨著氣候環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)干擾加劇，湖泊不僅在數(shù)量、形態(tài)和分布上發(fā)生了巨大變化，在水量、水質(zhì)和水生生物種群與數(shù)量上的變化也十分明顯。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展及人口不斷增長(zhǎng)，湖泊生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)受到較大的壓力，湖泊生態(tài)環(huán)境面臨的形勢(shì)仍不容樂(lè)觀[4]。因此掌握最新的湖泊分布情況對(duì)于生態(tài)保護(hù)修復(fù)有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。本文以我國(guó)前期湖泊調(diào)查資料為基礎(chǔ)，結(jié)合中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工程”下設(shè)“全國(guó)地球關(guān)鍵帶遙感地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目已取得的階段性成果，分析我國(guó)湖泊近期現(xiàn)狀，并針對(duì)自然與人文因素雙重作用下我國(guó)湖泊面臨的重大問(wèn)題提出相應(yīng)的湖泊保護(hù)與可持續(xù)利用措施，為我國(guó)湖泊的生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供一定的調(diào)查思路和科學(xué)指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)與技術(shù)方法

1.1 區(qū)域劃分

湖泊(自然湖泊)是指陸地上的盆地或洼地積水形成的、有一定水域面積、換水較為緩慢的水體。

中國(guó)地域?qū)拸V，大地貌階梯狀特征明顯，氣候各異，自然環(huán)境區(qū)域分異鮮明，湖泊的形成、演化和資源賦存等諸方面都呈現(xiàn)出與自然環(huán)境相對(duì)應(yīng)的區(qū)域特色。本文研究過(guò)程中，為準(zhǔn)確識(shí)別不同區(qū)域的湖泊分布特征，采取按省(直轄市、自治區(qū))行政區(qū)(本研究不包括香港、澳門(mén)與臺(tái)灣地區(qū))、五大湖區(qū)以及十大流域的劃分方式進(jìn)行各分區(qū)的湖泊統(tǒng)計(jì)分析。其中，五大湖區(qū)按照地理、氣候等特征劃分，包括青藏高原湖區(qū)、蒙新湖區(qū)(也稱西北干旱區(qū)湖區(qū))、云貴高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)和東部平原湖區(qū)[2, 5]； 十大流域按照一級(jí)水系流域劃分，包括西北諸河流域、長(zhǎng)江流域、松花江流域、淮河流域、西南諸河流域、黃河流域、珠江流域、遼河流域、海河流域和東南諸河流域。其中，西北諸河流域基本屬于內(nèi)流區(qū)，在干旱半干旱氣候條件下，湖泊以封閉的咸水湖或鹽湖為主； 其余流域地處亞洲季風(fēng)氣候區(qū)，屬外流區(qū)，以淡水湖為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文主要數(shù)據(jù)以空間分辨率30 m的Landsat8 OLI衛(wèi)星影像為主，該數(shù)據(jù)可在美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測(cè)與科學(xué)中心(https: //earthexplorer.usgs.gov/)獲取，同時(shí)以其他高分辨率衛(wèi)星影像為輔進(jìn)行影像解譯。本研究涉及影像獲取時(shí)間為2017—2018年，部分地區(qū)(如云貴高原)受云層影響較大，影像數(shù)據(jù)時(shí)相推至2016年或2019年。

1.3 遙感解譯

本文主要研究對(duì)象為湖泊水面，通過(guò)eCognition軟件利用多尺度分割及光譜差異分割方法提取水體，將提取結(jié)果劃分為河流、湖泊及人工水面3類(lèi)，根據(jù)影像的紋理特征、光譜特征、形狀、密度、大小、空間分布及色調(diào)等信息建立以面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法的解譯標(biāo)志(表1)。本文主要選擇OLI 5(R)4(G)3(B)波段合成，綜合進(jìn)行遙感解譯。

表1 湖泊水面遙感影像解譯標(biāo)志

在完成解譯基礎(chǔ)上，對(duì)錯(cuò)分或漏分對(duì)象進(jìn)行修正。同時(shí)，針對(duì)受陰影影響而無(wú)法區(qū)分的水體，利用人機(jī)交互分類(lèi)方法進(jìn)行識(shí)別，最終形成2018年全國(guó)湖泊空間分布信息。

2 我國(guó)湖泊分布特征

2.1 湖泊總體分布特征

2.1.1 行政區(qū)湖泊數(shù)量與面積

目前，我國(guó)境內(nèi)(不包括香港、澳門(mén)和臺(tái)灣地區(qū))共有1.0 km2以上的自然湖泊2 780個(gè)，總面積78 727.9 km2，約占全國(guó)國(guó)土面積的0.9%(圖1，表2)。擁有湖泊數(shù)量最多的3個(gè)省份是西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)和黑龍江省，分別占全國(guó)湖泊總數(shù)量的32.9%、12.3%和9.2%。擁有湖泊面積最大的3個(gè)省份是西藏自治區(qū)、青海省和新疆維吾爾自治區(qū)，分別占全國(guó)湖泊總面積的39.7%、17.0%和9.1%。全國(guó)面積前五的湖泊分別是青海湖、鄱陽(yáng)湖、色林錯(cuò)、洞庭湖和呼倫湖，其中青海湖、色林錯(cuò)和呼倫湖為咸水湖，鄱陽(yáng)湖和洞庭湖為淡水湖。

圖1 2018年中國(guó)湖泊分布(審圖號(hào)： GS(2016)1568號(hào))

表2 2018年全國(guó)湖泊數(shù)量與面積統(tǒng)計(jì)

(續(xù)表)

2.1.2 五大湖區(qū)湖泊分布概況

按湖區(qū)劃分，擁有湖泊數(shù)量和面積最多的湖區(qū)是青藏高原湖區(qū)，占全國(guó)湖泊總數(shù)量和總面積的42.0%和56.7%； 其次是東部平原湖區(qū)，占全國(guó)湖泊總數(shù)量和總面積的20.54%和21.73%。五大湖區(qū)的湖泊分布極不均衡，東部平原湖區(qū)和青藏高原湖區(qū)合計(jì)占全國(guó)湖泊總數(shù)量和總面積的62.5%和78.4%，是我國(guó)湖泊分布最為集中的區(qū)域，形成了東西密集分布的兩大湖群。東北、蒙新、云貴等3個(gè)湖區(qū)合計(jì)僅占全國(guó)湖泊總數(shù)量和總面積的37.4%和21.5%； 尤其是云貴湖區(qū)，是全國(guó)諸湖泊分布區(qū)中湖泊數(shù)量最少且面積最小的一個(gè)湖泊分布區(qū)(圖2，表3)。

圖2 不同級(jí)別湖泊面積與數(shù)量

表3 我國(guó)各流域湖泊面積統(tǒng)計(jì)

2.1.3 主要流域湖泊分布概況

按流域劃分，西北諸河流域湖泊面積最大，合計(jì)47 298.3 km2，其中湖泊主要分布在青藏高原地區(qū)。湖泊數(shù)量最多的3個(gè)一級(jí)流域是西北諸河流域(1 252個(gè))、長(zhǎng)江流域(559個(gè))和松花江流域(442個(gè))，分別占全國(guó)湖泊總數(shù)量的45.0%、20.1%和15.9%，然后依次是西南諸河流域(193個(gè))、黃河流域(138個(gè))、淮河流域(79個(gè))、遼河流域(63個(gè))、海河流域(21個(gè))、珠江流域(23個(gè))和東南諸河流域(7個(gè))(圖3)。

圖3 我國(guó)主要流域湖泊分布圖(審圖號(hào)： GS(2016)1568號(hào))

2.2 主要流域湖泊分布特征

2.2.1 黃河流域湖泊分布特征

黃河流域包括青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省份，流域面積79.6×104km2[6]。黃河作為西北和華北典型生態(tài)屏障過(guò)渡帶，具有重要的水源涵養(yǎng)、水體凈化、氣候調(diào)節(jié)和生物棲息等多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[7]?？傮w上看黃河流域自然湖泊分布以上游為主，中下游湖泊零星分布(圖4，表4)。青海省自然湖泊面積最大，達(dá)到1 528.0 km2，其中最大的2個(gè)湖為扎陵湖與鄂陵湖，面積分別為684.0 km2和556.1 km2，占到黃河流域自然湖泊的51.2%。其次是內(nèi)蒙古自治區(qū)，湖泊面積為515.7 km2，其余6省湖泊面積僅有380.5 km2，占黃河流域自然湖泊總面積的15.7%。

圖4 黃河流域湖泊與河流分布

表4 黃河流域湖泊面積與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.2.2 長(zhǎng)江流域湖泊分布特征

長(zhǎng)江流域是我國(guó)人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最為密集的地區(qū)之一，也是重要的糧食生產(chǎn)、漁業(yè)基地，流域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)發(fā)達(dá)，礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較大，城市化水平較高，但也是洪澇、干旱等自然災(zāi)害的多易發(fā)區(qū)[8]。同時(shí)長(zhǎng)江也是我國(guó)第一大河，干流全長(zhǎng)6 300 km，流域總面積達(dá)180×104km2，流經(jīng)11個(gè)省級(jí)行政區(qū)，水資源總量高達(dá)9 755億m3，約占全國(guó)河流徑流總量的36%[9]?？傮w上看長(zhǎng)江流域自然湖泊主要分布在中下游地區(qū)(圖5)，其中江西省自然湖泊面積最大，達(dá)到3 765.9 km2，占長(zhǎng)江流域總面積的25.8%，以鄱陽(yáng)湖為主要湖泊； 自然湖泊面積第二大的是江蘇省，達(dá)到3 137.7 km2，占長(zhǎng)江流域總面積的21.5%，以太湖為主要湖泊； 接下來(lái)依次為湖北省、安徽省、湖南省，面積分別為2 372.0 km2、1 918.8 km2、1 799.2 km2。上述5省的自然湖泊面積達(dá)長(zhǎng)江流域自然湖泊總面積的89.1%(表5)。

圖5 長(zhǎng)江流域湖泊與河流分布

表5 長(zhǎng)江流域湖泊面積與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.2.3 西北諸河流域湖泊分布特征

西北諸河流域包括西北諸外流河、內(nèi)流河和國(guó)際河流，涉及新疆、西藏、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古、河北7個(gè)省(自治區(qū))，國(guó)土面積約336.2×104km2[10]。西北諸河流域湖泊面積47 298.3 km2，數(shù)量1 252個(gè)，空間分布不均(圖6，表6)。

圖6 西北諸河流域湖泊與河流分布

表6 西北諸河流域湖泊面積與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

其中，西三省、自治區(qū)(西藏、青海、新疆)自然湖泊面積占到整個(gè)西北諸河流域湖泊面積的97.6%，以1～10 km2湖泊居多(表6)，多分布于人跡罕至的區(qū)域，人類(lèi)活動(dòng)影響較少，疊加氣候暖濕化、冰川凍土消融等因素，使得西北諸河流域自然湖泊面積保持穩(wěn)定并有穩(wěn)步提升的趨勢(shì)。

3 典型湖泊生態(tài)問(wèn)題分析

3.1 北方干旱半干旱地區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶湖泊萎縮干涸

壩上高原是北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶比較典型的湖泊萎縮區(qū)，該區(qū)域90%以上的湖泊處于萎縮或干涸態(tài)勢(shì)。以壩上高原西部的察汗淖爾流域?yàn)槔?，該流域地表水資源匱乏，開(kāi)采地下水是主要的供水途徑[11]。1980—2020年，察汗淖爾水面面積萎縮近70%。察汗淖爾水面年內(nèi)變化主要受降雨的影響，每年雨季，特別是連續(xù)的大雨之后，水面恢復(fù)，枯水期逐漸萎縮。年際變化受降雨和地下水位的影響，2000—2010年，察汗淖爾流域降水減少，持續(xù)的枯水年對(duì)水面的減小有直接影響； 加之上游地區(qū)建設(shè)水庫(kù)等蓄水工程，減少了地表徑流對(duì)湖淖的補(bǔ)給； 流域內(nèi)大力發(fā)展錯(cuò)季蔬菜，消耗大量的地下水，使得地下水位下降，減少了地下水對(duì)湖淖的補(bǔ)給(圖7)。

3.2 黃河流域人工湖泊建設(shè)

人工湖是指人為挖掘出來(lái)的湖泊，包括景觀湖、平原水庫(kù)(主要指通過(guò)挖掘耕地等形成)。據(jù)本次專(zhuān)題調(diào)查和對(duì)遙感數(shù)據(jù)人機(jī)交互解譯結(jié)果顯示，2018年黃河流域共存在人工湖泊712處，總面積274.8 km2。與2010年相比，人工湖泊數(shù)量、面積分別增加415個(gè)、107.2 km2，處于較快增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)(圖8)。

(a) 1990年黃河流域人工湖泊分布 (b) 2000年黃河流域人工湖泊分布

黃河流域人工湖泊主要側(cè)重于景觀功能，集中分布于銀川平原、山東黃泛平原、渭河和汾河谷地、河套平原及周邊沙漠沙地等區(qū)域。50%以上的大型人工湖泊位于城市建設(shè)區(qū)，其中石嘴山市、銀川市人工湖泊面積占城市規(guī)劃建設(shè)區(qū)比例較大，均為5%左右。1990—2018年，銀川等城市人工湖泊擴(kuò)建顯著(圖9)。從黃河水資源總量約束、地理分帶條件限制、人工湖泊功能適宜性等綜合考慮，黃河流域占用耕地修建人工湖泊問(wèn)題突出，且多為引黃河水入湖，缺乏黃河水資源的總體規(guī)劃，存在一定的粗放性，生態(tài)效益未充分發(fā)揮，加劇了黃河流域全系統(tǒng)水資源供需矛盾。

圖9 1990—2018年銀川市人工湖泊擴(kuò)建衛(wèi)星影像

3.3 長(zhǎng)江源區(qū)湖泊擴(kuò)張

遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2018年長(zhǎng)江源區(qū)面積大于1 km2的湖泊共有87個(gè)，總面積為984.73 km2(圖10)。1990—2018年，長(zhǎng)江源區(qū)內(nèi)大于1 km2湖泊數(shù)量?jī)H增加1個(gè)，但面積由880.89 km2增加至984.73 km2，增幅達(dá)11.8%。其中1990—2000年為緩慢擴(kuò)張期，面積由880.89 km2增加到882.76 km2； 2000—2010年為迅速擴(kuò)張期，面積達(dá)到992.58 km2； 2010—2018年為相對(duì)穩(wěn)定期，面積基本保持不變(表7)。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，湖面擴(kuò)大的趨勢(shì)雖然所有放緩，但可能仍將持續(xù)，這源于氣溫升高導(dǎo)致的冰川加速融化和降水的不斷增加。就目前來(lái)講，它有利于青藏高原農(nóng)作物的生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，同時(shí)使藏區(qū)的冬季變得更加舒適。除此之外，冰川融水補(bǔ)給的河流流量會(huì)有所增加，對(duì)下游的灌溉是重大利好。但另一方面，不斷上漲的湖面已淹沒(méi)部分肥沃的草場(chǎng)，更值得關(guān)注的則是地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。目前自然湖泊水量增大，湖面擴(kuò)張速度明顯，一旦湖水越過(guò)湖盆，將會(huì)“杯滿自溢”，極易造成洪水、泥石流等重大災(zāi)害。

(b) 錯(cuò)達(dá)日瑪水面擴(kuò)張遙感影像

表7 1990—2018年長(zhǎng)江源區(qū)湖泊數(shù)量及面積變化

4 湖泊生態(tài)保護(hù)修復(fù)建議

(1)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶湖泊生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施建議。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶自然條件脆弱，生態(tài)狀況本底較差，水資源短缺。隨著農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)生活用水和生態(tài)用水的矛盾日益突出，地下水超采嚴(yán)重，形成地下水漏斗區(qū)，襲奪了地下水對(duì)湖泊的補(bǔ)給。為恢復(fù)水位，需統(tǒng)籌考慮水資源利用，開(kāi)展河湖生態(tài)本底調(diào)查監(jiān)測(cè)、河湖濕地連通、生態(tài)補(bǔ)水等措施，結(jié)合地下水壓采措施，如改變農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，提升灌溉利用率，建設(shè)節(jié)水高效的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田等，減少對(duì)地下水的開(kāi)采，遏制并逐漸恢復(fù)地下水位，使地下水向河湖濕地補(bǔ)給能力增強(qiáng)，從而緩解湖泊萎縮。

(2)黃河流域人工湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施建議。黃河流域人工湖的主要用途是城市景觀和水資源空間調(diào)控。城市景觀湖多是引河水入湖，總體上偏重于景觀效應(yīng)，未把人工湖用水放在整個(gè)流域來(lái)分析。應(yīng)加強(qiáng)流域整體生態(tài)保護(hù)的水域總體規(guī)劃，貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記“量水而行”的要求，牢固樹(shù)立全流域系統(tǒng)性生態(tài)保護(hù)概念，遵從水循環(huán)和水平衡的自然規(guī)律，科學(xué)編制自然、人工水域建設(shè)和控制總體規(guī)劃，把湖泊的局部生態(tài)效益放在全流域生態(tài)保護(hù)的大局去評(píng)估，避免局部有好處、全局有損害的情形發(fā)生。

研究制定城市生態(tài)景觀水面配置標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)項(xiàng)目的科學(xué)評(píng)估指標(biāo)體系和方法。綜合考慮生態(tài)保護(hù)修復(fù)、耕地保護(hù)、全流域水資源配置和調(diào)控、地下水涵養(yǎng)恢復(fù)等因素，分區(qū)分類(lèi)分級(jí)加強(qiáng)管控，先置科學(xué)論證，合理確定自然和人工水域面積、儲(chǔ)水量和運(yùn)管方式，避免無(wú)序發(fā)展、過(guò)度追求景觀水面擴(kuò)張。

(3)長(zhǎng)江源區(qū)湖泊擴(kuò)張生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施建議。長(zhǎng)江源區(qū)湖泊擴(kuò)張以自然因素為主，人類(lèi)活動(dòng)干擾觸發(fā)為輔，建議加強(qiáng)凍土變化過(guò)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)加強(qiáng)主要河流的水生態(tài)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)，綜合提高源區(qū)整體監(jiān)測(cè)水平。開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化之間的響應(yīng)和反饋機(jī)制研究，定量辨別氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)以及人工干預(yù)生態(tài)管理措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，提升對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變機(jī)理、生態(tài)安全格局及氣候變化影響等關(guān)鍵領(lǐng)域的認(rèn)知水平。以自然恢復(fù)和保育保護(hù)為主，減輕人類(lèi)干擾，提高對(duì)氣候變暖的自適應(yīng)能力，加快建設(shè)以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地，同時(shí)對(duì)可能影響人類(lèi)活動(dòng)的區(qū)域適當(dāng)進(jìn)行人工干預(yù)。開(kāi)展相關(guān)研究，預(yù)測(cè)生態(tài)狀況趨勢(shì)，探索凍土、水生態(tài)變化對(duì)青藏高原湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響，以提出適應(yīng)氣候變化的生態(tài)保護(hù)修復(fù)方案。