達布遜湖面積變化及其影響因素研究

田華 魏超 寧世雄 田柳新

摘 要：湖泊是維持生態平衡的重要元素，湖泊面積的擴展與收縮及其引起的生態環境問題能反映出全球的氣候特征。達布遜湖位于柴達木盆地南緣，格爾木市所轄，是盆地內最大的咸水湖。本文以1987—2017年Landsat數據為基礎，采用改進的歸一化差異水體指數法對達布遜湖的湖水面積進行計算。結果表明：近30年湖泊面積整體呈減小趨勢。通過對自然因素與人文因素進行分析可知，溫度變化和人類活動的加劇是導致湖泊面積減少的重要因素。此外，鹽湖集團采鹵量的增加也是影響湖泊面積變化的一個重要原因。

關鍵詞：達布遜湖;湖泊面積;改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）

中圖分類號：P343.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0089-03

Abstract： Lakes are an important element in maintaining ecological balance. The expansion and contraction of lake areas and the ecological problems caused by them can reflect the global climate characteristics. Located on the southern edge of the Qaidam Basin， Dabson Lake is under the jurisdiction of Golmud City and is the largest saltwater lake in the basin. Based on the Landsat data from 1987 to 2017， this paper used the improved normalized differential water index method to calculate the lake area of Lake Dabson. The results showed that the lake area decreased as a whole in the past 30 years. Through the analysis of natural and human factors， it could be seen that temperature changes and the intensification of human activities were the important factors leading to the reduction of Lake area. In addition， the increase of brine production in Saline Lake group was also an important reason for the change of Lake area.

Keywords： Dabson Lake;area of lake;improved normalized difference water index

湖泊不僅是水循環的關鍵因子，也是生態環境的重要因素。湖泊水域面積的變化是其所在流域水量平衡的綜合結果，對人類活動和氣候變化具有高度敏感性[1]。達布遜湖位于察爾汗鹽湖區中南部，格爾木河流域，隸屬柴達木盆地，氣候干旱，是我國西北干旱區的一個重要組成部分。這里既是氣候變化主要區域，又是生態環境易破壞地帶。位于寒冷和干旱環境下的湖泊對人類活動和氣候變化較其他地區更加敏感，湖泊變化及其驅動因素的研究受到關注[2]。隨著遙感技術的發展，利用遙感數據實時性、綜合性、宏觀、快速的特點，能經濟、高效、快速地獲得相應地物的信息[3]，既可以揭示湖泊面積變化的動態規律，又能進一步探究氣候實時變化及人類活動與湖泊動態變化之間的相互關系。

基于譜間關系產生的波段比值法，是國內外學者在利用遙感數據提取湖泊水體信息過程中廣泛應用的方法[4]。Mcfeeters[5]利用歸一化差異水體指數（NDWI）抑制土壤和植被的信息提取水體。我國學者徐涵秋[6]在歸一化差異水體指數（NDWI）提出的基礎上，利用中紅外波段代替紅外波段，提出了改進的歸一化差異水體指數MNDWI，試驗發現MNDWI除了與NDWI一樣，可用于植被區水體提取外，還可以準確地提取城鎮范圍內的水體。Borro[7]等利用TM和ETM影像，采用歸一化差異植被指數NDVI提取南美洲巴拉那河流域的湖泊，通過多景影像數據的疊加分析，探討湖泊的動態變化，降低了水體邊界提取的不確定性。盧娜[1]以MODIS遙感數據為基礎，采用MNDWI對柴達木盆地主要湖泊的面積進行了研究。結果表明：除東臺吉乃爾湖面積呈下降趨勢外，其他湖泊面積均呈上升趨勢。通過進一步分析得出，氣溫升高和降雨量增加是導致湖泊面積擴大的主要因素。

1 研究區概況

達布遜湖位于柴達木盆地南緣，地理坐標為94.9°—95.3°E，36.8°—37.04°N，屬格爾木河流域，是察爾汗鹽湖區最大的咸水湖，如圖1所示。達布遜湖處于西北干旱地區，氣候條件屬于西北干旱氣候。該湖為尾閭湖，天然狀態下補給來源主要為地表河流匯入和地下水補給。格爾木河是其地表水補給的唯一來源，是柴達木盆地的第二大河流，屬內陸水系。

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

本文選取1987—2017年在地理空間數據云網站上下載的Landsat4-5TM以及Landsat8OLI遙感衛星影像，共31景無云或少云（云量少于5%）的圖像數據，每年選取1景，成像時間為湖水干旱期（7—10月）。時間選取的原因是為了避免冰雪融化產生的影響，同時也減少溫度變化對湖水面積變化帶來的影響。

2.2 研究方法

采取4個步驟進行水體提取并計算達布遜湖水面積：①數據預處理;②圖像嵌融;③計算MNDWI;④移除孤立水體，在ArcGIS中提取湖泊影像并進行圖像剪裁，最后計算得出達布遜湖水面積。MNDWI的計算公式如式（1）所示：

式中，[Green]、[MIR]分別表示綠色波段和中紅外波段的反射率。具體到影像數據，[Green]對應TM影像的波段2（0.52～0.60μm）和OLI影像的波段3（0.53～0.59μm）;MIR對應TM影像的波段5（1.55～1.75μm）和OLI影像的波段6（1.57～1.65μm）。水體的MNDWI值通常為正，非水體地物的MNDWI值通常為負。

3 結果與分析

3.1 達布遜湖面積

在GIS中統計1987—2017年達布遜湖面積變化，如圖2所示。以2002和2011年為界，達布遜湖面積變化總體上經歷了三個階段。第1階段：1987—2002年，整體湖水面積呈下降趨勢，16年間共下降了133.483km2;第2階段：2002—2011年，整體湖水面積呈上升趨勢，10年間共增加了266.35km2;第3階段：2011—2017年，湖水面積呈下降趨勢。

3.2 影響因素分析

3.2.1 自然因素。自然因素主要包括降雨和溫度。

3.2.1.1 降雨。受水文氣象及水文地質條件的制約，格爾木河流域降雨量主要集中在山區，達布遜湖所在位置多年平均降水量僅為40mm，對湖泊補給基本可以忽略。

3.2.1.2 溫度。氣溫是影響湖水面積變化的另一要素。氣溫升高，山區冰雪融水加快，格爾木河補給量加大。通過對格爾木氣象站1987—2017年年均溫度變化的分析，得出達布遜湖面積變化與氣溫變化之間的關系，如圖3所示。從圖3可以看出，達布遜湖面積變化與溫度變化有較好的一致性，湖面積較大的年份對應著溫度高的年份。例如，2006年年均溫度7.09℃，湖面積256.59km2;2009年年均溫度5.425℃，湖面積232.92km2。2010年年均溫度僅有6.75℃，較2006年溫度較低，但湖泊面積卻有439.48km2，造成這一現象的原因是2010年格爾木市發生了特大洪水。

3.2.2 人文因素。人文因素主要是人類開采。青海鹽湖工業集團采鹵量的加大是導達布遜湖面積萎縮的重要原因。青海鹽湖工業集團位于中國最大的干涸內陸鹽湖——察爾汗鹽湖，坐落于青海省格爾木市北部，為中國最大的鉀肥工業基地。而達布遜湖是青海鹽湖集團工業的主要采鹵區。1991年，開采達布遜湖水作為補充，真正意義上的“規模效應”開發始于1997年后，達布遜湖水已向西退縮了5km以上，降落漏斗面積已超過500km2，區域水位普遍下降2～3m。2005年，鹵水開采量0.6×108m3/a，未解決供鹵不足，鹽湖集團直接抽取達布遜湖湖水，加之上游水資源補給不足，使湖水面積逐漸縮減。

4 結論

利用1987—2017年長時間序列Landsat遙感數據對達布遜湖面積變化進行研究，并結合氣象條件、人文因素進行分析，得出以下結論。

①1987—2002年達布遜湖面積呈下降趨勢;2003—2011年湖水面積呈上升趨勢;2012—2017年湖水面積呈下降趨勢。

②格爾木河流域近年溫度變化是導致湖泊面積下降的主要因素之一。

③青鉀鹽湖工業集團的大量采鹵也是影響湖泊面積變化的主要因素之一。

參考文獻：

[1]盧娜.柴達木盆地湖泊面積變化及影響因素分析[J].干旱區資源與環境，2014（8）：83-87.

[2]丁永建，劉時銀，葉柏生，等.近50a中國寒區與旱區湖泊變化的氣候因素分析[J].冰川凍土，2006（5）：624-632.

[3]張振瑜.基于遙感的巴丹吉林沙漠湖泊面積變化及其影響因素研究[D].蘭州大學，2014.

[4]魏善蓉，金曉媚，王凱霖，等.基于遙感的柴達木盆地湖泊面積變化與氣候響應分析[J].地學前緣，2017（5）：427-433.

[5] Mcfeeters S K. The Use of the Normalized Difference Water Index （NDWI） in the Delineation of Open Water Features[J]. International Journal of Remote Sensing，1996（7）：1425-1432.

[6]徐涵秋.利用改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）提取水體信息的研究[J].遙感學報，2005（5）：589-595.

[7] Borro M，Morandeira N，Salvia M，et al. Mapping Shallow Lakes in Lagre South American floodplain： a Frequency Approach on Multitemporal Landsat TM/ETM Date[J].Journal of Hydrology，2014（512）：39-52.