郭子瑛,廖中平,劉寶康,徐正東,劉 銘

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2. 天水師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院,甘肅 天水 741000)

青藏高原湖泊是全球氣候變化的敏感指示器。處于青藏高原腹地的青海可可西里,由于地勢(shì)極高,氣候干冷,自然環(huán)境惡劣,人類活動(dòng)較少[1],因此湖泊的擴(kuò)張與萎縮可以直接反映出全球氣候變化。對(duì)湖泊的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)也可以直接促進(jìn)青藏高原水循環(huán)及全球水循環(huán)研究。

近年來(lái),許多學(xué)者依靠遙感手段對(duì)難以獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的青藏高原地區(qū)的湖泊進(jìn)行研究。如文獻(xiàn)[2]利用衛(wèi)星影像,對(duì)青藏高原近30年的湖泊變化進(jìn)行清查和跟蹤;文獻(xiàn)[3]提出一種綜合多種水體指數(shù)的青藏高原水體提取方法,從時(shí)空變化趨勢(shì)上分析了青藏高原湖泊面積動(dòng)態(tài)變化;文獻(xiàn)[4]初步探查青藏高原的湖泊數(shù)量、面積及水位變化,研究時(shí)空格局和湖泊變化對(duì)氣候的響應(yīng)?；诖?很多學(xué)者研究探討了青藏高原地區(qū)湖泊變化的影響因素,如文獻(xiàn)[5]從植被覆蓋度和氣候的角度分析了近30年青藏高原湖泊面積變化;文獻(xiàn)[6]認(rèn)為降水量是青藏高原湖泊面積變化的主要驅(qū)動(dòng)因子;文獻(xiàn)[7]分析了可可西里地區(qū)湖泊動(dòng)態(tài)變化主要與氣候變化有關(guān)。在眾多湖泊中,鹽湖的擴(kuò)張也得到很多研究者的關(guān)注。文獻(xiàn)[8]從水量平衡角度分析出鹽湖擴(kuò)張的主要成因是區(qū)域降雨量顯著持續(xù)增加,其次是氣溫升高消融水量增加;文獻(xiàn)[9]指出氣候暖濕化和卓乃湖潰堤是其面積增大的主要原因。

2011年9月卓乃湖發(fā)生潰堤[10-11],導(dǎo)致鹽湖面積迅速擴(kuò)張,鹽湖的擴(kuò)張不僅吞噬周邊的草地植被,并且逐漸融化、軟化流經(jīng)的凍土,對(duì)青藏鐵路和青藏公路的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。自2020年可可西里鹽湖的引流工程[12]完工后,鹽湖面積的急速擴(kuò)張得到有效遏制。但運(yùn)用多源衛(wèi)星資料對(duì)鹽湖進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)與研究仍然是工作重點(diǎn)[13]。

本文以可可西里鹽湖為研究對(duì)象,針對(duì)引流前后的面積變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并從氣候和冰川融水的角度分析其影響因素,以期對(duì)長(zhǎng)江上游的環(huán)境保護(hù)和青藏鐵路、青藏公路的安全保障提供理論依據(jù)[14],為湖泊水體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與研究提供決策支持。

1 研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

可可西里鹽湖又稱68道班鹽湖,位于青海省玉樹(shù)藏族自治州治多縣西部、昆侖山脈南側(cè),可可西里國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)東北部。鹽湖地處可可西里腹地,平均海拔在4400 m以上,為昆侖山南部新生代山間構(gòu)造斷陷盆地中的次一級(jí)封閉洼地。鹽湖西北部自西向東依次為卓乃湖、庫(kù)賽湖、海丁諾爾湖,4個(gè)湖泊均為內(nèi)流湖,原來(lái)相對(duì)封閉且獨(dú)立,降水時(shí)四周河流匯入各自湖區(qū)進(jìn)行蒸發(fā)消耗。自2011年9月卓乃湖發(fā)生潰決后,4個(gè)湖泊建立了水力聯(lián)系[15-16],外泄水自西向東流經(jīng)庫(kù)賽湖和海丁諾爾湖,最后集中匯入鹽湖。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的Landsat數(shù)據(jù)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey, USGS),采集的數(shù)據(jù)為30 m分辨率的Landsat 5和Landsat 7數(shù)據(jù)。高分一號(hào)來(lái)源于中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),采集的數(shù)據(jù)是空間分辨率為16 m的寬幅相機(jī)(WFV)傳感器影像。

2 研究方法

2.1 研究路線

以青海青藏高原腹地中可可西里鹽湖為研究區(qū)域,首先運(yùn)用多源遙感監(jiān)測(cè)手段對(duì)近30年來(lái)鹽湖面積的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),并分析湖泊面積變化規(guī)律和特點(diǎn),建立1990—2021年的年際變化曲線;然后分析湖岸線的歷年變化,建立相關(guān)變化關(guān)系;最后結(jié)合湖泊面積和湖岸線變化,分析鹽湖面積變化的成因,建立影響因素與面積變化的相對(duì)動(dòng)態(tài)關(guān)系并進(jìn)行相關(guān)性分析,為可可西里鹽湖面積的監(jiān)測(cè)提供決策支持。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2.2 水體提取

為更好地突出水體,選取基于歸一化水體指數(shù)(normalized difference water index,NDWI)[17-18]進(jìn)行水體提取,計(jì)算公式為

(1)

式中,ρGreen為綠光波段;ρNIR為近紅外波段。基于式(1)通過(guò)波段組合進(jìn)行水體提取。

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽湖面積動(dòng)態(tài)變化特征

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水體自動(dòng)提取與目視解譯,統(tǒng)計(jì)分析出近30年鹽湖年際面積動(dòng)態(tài)變化,如表1和圖2所示。

表1 不同時(shí)段的面積增長(zhǎng)變化

圖2 1990—2021年鹽湖年際面積變化

由表1和圖2可知,1990—2020年,可可西里鹽湖的面積增大了178.535 km2,變化速率為15.1%,并于2020年達(dá)到216 km2。第1時(shí)段的1990—2011年鹽湖面積總體趨于穩(wěn)定,22年間變化不大。之后由于2011年9月卓乃湖發(fā)生潰決,第2時(shí)段鹽湖面積顯著增大,由2011年的45.2 km2擴(kuò)大至2013年的141.77 km2,3年間面積擴(kuò)張了96.57 km2。第3時(shí)段自2013—2017年鹽湖面積緩慢增長(zhǎng),5年間面積增長(zhǎng)20.048 km2。而第4時(shí)段自2017—2020年,相對(duì)于第3時(shí)段則迅速增長(zhǎng),并且已經(jīng)突破了200 km2,2020年針對(duì)可可西里鹽湖的引流工程完工后,鹽湖面積得到有效控制,并于2021年面積下降為191.145 km2。

3.2 鹽湖湖岸線變化特征

如圖3所示,1990—1995年鹽湖面積有所減小,鹽湖湖岸線在西北方向與西南方向有所縮小;自1995年后,由于鹽湖面積開(kāi)始以不同速率增大,因此鹽湖湖岸線也在發(fā)生變化。其中,2010—2012年湖岸線變化尤為明顯,湖岸線在東南部和西南部顯著向外擴(kuò)張;2012—2015年,在東南部又一次向外擴(kuò)張;2015—2020年,鹽湖的湖岸線開(kāi)始穩(wěn)步擴(kuò)張,而且最大的變化是鹽湖東部由以前伸入湖中央的半島變?yōu)楣聧u。

圖3 1990—2020年鹽湖湖岸線變化

3.3 湖泊面積的變化成因分析

3.3.1 氣候影響因素

根據(jù)青海省氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中五道梁站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計(jì)了1990—2020年五道梁站點(diǎn)的降水量、氣溫和日照時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。

由圖4可知,近30年來(lái)可可西里地區(qū)年平均氣溫呈不斷上升趨勢(shì),以0.03℃/a的速度上升;年平均最高氣溫以0.05℃/a的速度上升,年平均最低氣溫以-0.07℃/a的速度上升,并且自2008年以來(lái),年平均氣溫值都大于多年平均氣溫值。由圖5可知,30年來(lái)可可西里地區(qū)年日照時(shí)長(zhǎng)波動(dòng)較大,1990—2020年以22.71 h/a的速率減少,由1990年的3049.9 h減小到2020年的2346.1 h。而近30年來(lái)降水量總體呈不斷增大趨勢(shì),1990—2020年以不同速率增大,由1990年的247.1 mm到2020年的427.8 mm,尤其是2015年以51.7 mm/a的速率迅速增大,并且于2018年降水量達(dá)到近30年最大值(495.7 mm)。

圖4 1990—2020年氣溫年際變化曲線

圖5 1990—2020年降水-日照時(shí)長(zhǎng)變化曲線

3.3.2 冰川融水影響因素

通過(guò)提取1990、2000、2010—2020年的冰川數(shù)據(jù),并結(jié)合全國(guó)第二次冰川編目[19],分析得出該流域的冰川面積。如圖6所示,自1990—2020年,鹽湖流域的冰川面積增多12.888 km2,并且在研究時(shí)序內(nèi)波動(dòng)幅度較大。

圖6 1990—2020年冰川面積變化曲線

3.3.3 相關(guān)性分析

通過(guò)分析氣候因子和冰川融水與鹽湖面積的相關(guān)性(見(jiàn)表2),可知鹽湖的面積與降水的相關(guān)性為0.405,通過(guò)了0.05顯著性相關(guān)關(guān)系;面積與氣溫的相關(guān)性為0.563,通過(guò)了0.01顯著性相關(guān)關(guān)系;鹽湖的面積與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性為0.08,呈弱相關(guān)關(guān)系;與冰川融水的相關(guān)性為0.299,呈弱相關(guān)關(guān)系。

表2 相關(guān)性分析

4 結(jié) 論

(1)分析得出鹽湖的面積共經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期:緩慢增大(1990—2011年)、急劇增大(2011—2013年)、穩(wěn)定增大(2013—2017年)、快速增大(2017—2020年)。自1990—2020年近30年鹽湖的面積增大了178.535 km2,變化速率為15.1%,并于2020年達(dá)到了216 km2。

(2)自2020年可可西里鹽湖的引流工程完工后,其面積在2021年縮小至191.145 km2,鹽湖面積得到了有效的遏制。

(3)鹽湖湖岸線也有所變化,在1990—1995年,鹽湖湖岸線在西北方向與西南方向有所縮小,自1995年后,鹽湖湖岸線開(kāi)始有所擴(kuò)張,以2012年尤為明顯,在東南部和西南部有著顯著的向外擴(kuò)張,2012年之后,鹽湖湖岸線開(kāi)始穩(wěn)步擴(kuò)張,而且最大的變化是鹽湖東部由以前伸入湖中央的半島變?yōu)楣聧u。

(4)針對(duì)鹽湖擴(kuò)張成因從氣候因子和冰川融水兩方面進(jìn)行分析,得出面積與降水、氣溫呈顯著相關(guān)關(guān)系,與日照時(shí)長(zhǎng)和冰川融水呈弱相關(guān)關(guān)系。

(5)鹽湖面積的迅速擴(kuò)張雖然在2020年之后得到有效控制,但對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)仍然具有重要意義。