基于GF衛星解譯巴丹吉林沙漠湖泊水量變化

曹樂 聶振龍 姜高磊

摘 要：遙感技術作為科學、快速、大面積調查監測手段，在湖泊演化、動態變化研究中應用廣泛。通過解譯國產GF-1、GF-2衛星遙感影像信息，結合實地勘測，解譯了巴丹吉林沙漠110個湖泊地質歷史時期與現代的湖面高程和邊界，總結了湖泊萎縮規律，估算了兩期水量變化。結果顯示：湖面高程平均降低9.76 m，面積共減少61.052 km2（占古湖總面積的75.49%），湖泊群水量共減少4.9億m3，說明湖泊萎縮程度高，沙漠干旱化趨勢明顯;研究區古、今地下水等水位線均表現出東南高、西北低的宏觀特征，反映了古、今沙漠區地下水相同的補給來源與徑流條件;基底凹陷區湖泊萎縮程度較低（如蘇木吉林湖），基底隆起區湖泊萎縮程度較高（如雅布賴山前湖泊），萎縮程度的差異性受區域構造基底的控制與影響。

關鍵詞：遙感解譯;古湖高程;湖泊萎縮;水量變化;巴丹吉林沙漠

中圖分類號：TV213.3 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.009

Abstract：Remote sensing technology is widely used in the study of lake evolution and dynamic changes as a scientific， rapid and large-scale investigation and monitoring method. This study obtained the elevations and boundaries of 110 lakes in ancient and modern in the Badain Jaran Desert， based on the GF-1 and GF-2 satellite remote sensing images and regional survey. The results show that the average lakes elevation is decreased by 9.76 m and the area of lakes reduced totally 61.052 km2， which accounts for 75.49% of the ancient lakes area. The total water volume of lakes has been reduced 490 million m3， showing high degree of shrinkage of lakes and obvious drought trend. The counter lines of groundwater have the characters of higher in southeast and lower in northwest generally whether in ancient or at present and those demonstrate the source of groundwater recharge and the groundwater runoff condition remains unchanged. The lakes shrinking are obviously in the basement uplift areas （e.g. Yabulai piedmont）， while lightly in the basement depression areas （e.g. Lake Sumu Jaran）. The differences of lakes shrinkage are controlled by the regional tectonic basement.

Key words： remote sensing interpretation; ancient lakes elevation; lakes shrinking; status change; Badain Jaran Desert

巴丹吉林沙漠位于阿拉善高原西部，面積4.9萬km2，沙漠中有高大沙山以及100多個湖泊，為世界罕見[1-3]。關于湖泊成因、演變、補給來源等問題一直是第四紀地質與水文地質界研究的熱點，但尚無定論[4-13]。遙感技術能夠全方位、大區域地進行湖泊季節性、年際動態變化監測，是湖泊研究的重要技術手段[14]。朱金峰等[15]利用ETM+遙感影像，提取了湖泊年內季節變化信息，認為湖泊面積和數量在年內隨季節依次減少，到第二年春季又恢復到前一年春季狀態。張振瑜等[16-17]利用Landsat影像分析了1973—2010年湖泊的時空變化特征，認為地下水補給源水量變化和補給方式的不同控制著湖泊面積的時空變化。Zhang等[18]利用Landsat遙感影像分析了1967—2010年50個湖泊的面積變化特征，認為目前當地降水對湖泊補給有限，地下水補給源來自于古湖殘余水體。Jiao等[19]利用衛星數據與重力恢復試驗證明了沙漠湖泊水位與地下水水量在緩慢減少。

根據湖水化學特征推測，該地區湖泊演化了800～7 000 a[1， 20]，已有的高于現代湖水位的湖相沉積測年結果表明湖泊區在全新世中期處于泛湖期[21]。借助遙感技術，對巴丹吉林沙漠湖泊的季節性變化和近幾十年的年際變化特征已有了初步的認識[15-18]，但對于地質歷史時期湖泊面積、水量變化還未開展研究。筆者利用國產GF-1、GF-2衛星PMS傳感器影像資料，結合Google Earth影像和實地調查對巴丹吉林沙漠110個湖泊進行了演化解譯，確定了最大古湖的高程和邊界，以期為研究該區古地下水流場、湖泊萎縮特征等提供參考。

1 研究區概況

巴丹吉林沙漠位于雅布賴山與北大山以北、宗乃山以西、古日乃與弱水以東、拐子湖以南（見圖1）。

沙漠區整體地勢東南高、西北低，海拔900～1 600 m，地形起伏較大，東南部高大沙山居多，相對高差一般為200～300 m[5， 22]。高大沙山間分布有100多個湖泊，呈串珠狀排列，多為咸水湖，面積一般小于1 km2[21]。沙漠區降水稀少，多年平均降水量為30～120 mm，由東南向西北逐漸減少[23-24]，年平均水面蒸發量為1 450 mm[25]。沙漠區主要發育北東東向、北西向斷裂，控制著區內基底結構、隆起格架及中生代盆地的展布，使盆地形成凹凸相間的結構特征，由南向北主要有雅布賴山隆起、蘇亥圖凹陷、宗乃山隆起、陶勒特凹陷、特羅西灘低隆起等構造單元[26-27]。

2 研究方法

2.1 遙感解譯數據選取

湖泊在演化過程中處于各穩定期次時，在地表殘留的湖相沉積物、各類植被及其微地貌形態所共同構成的規則閉合邊界只有在高分辨率遙感影像中才能準確解譯。為保證解譯準確性，將用于湖泊演化期次解譯的國產GF-1衛星16 m分辨率、GF-1衛星2 m分辨率（融合后）、GF-2衛星1 m分辨率（融合后）數據以及Google Earth提取的0.6 m分辨率數據進行比對。選取音德爾圖作為比對湖泊，以此確定湖泊演化期次提取所需最優空間分辨率的區間范圍（見圖2）。結果顯示，演化期次邊界在亞米級影像上可以準確識別，最優空間分辨率為0.6 ～1.0 m （分辨率高于0.6 m對解譯結果準確性的提升影響不大）;而分辨率低于5 m的影像，難以識別湖泊演化期次邊界。故GF-1衛星16 m分辨率影像不能滿足要求，GF-2衛星及Google Earth所獲取的遙感數據較為適用。

2.2 湖泊邊界的確定

結合遙感影像與實地調查結果，將湖泊演化期次邊界分為古湖邊界、中間穩定期次邊界、今湖邊界3類，各演化期次邊界及區域分布關系如圖3所示，古湖邊界以影像上可見面積最大的湖岸線為準，今湖邊界以2015年3月影像中湖泊水體面積的極大值為準。

各類演化區域邊界鑒定特征見圖4：①網格狀沙丘區，由微型曲弧狀沙梁及下凹沙窩構成，網格及蜂窩狀形態明顯，沙窩內發育灌叢及草本植物，整體色調較淺，多為土黃色，與外側緩起伏沙地及沙山區別明顯，其邊緣指示古湖邊界;②草灌叢沙堆區、植被覆蓋區、鹽漬化區、潛水蒸發區影像上形態起伏明顯，表面平滑與粗糙相異，色彩深淺不同，兩區交界邊緣均指示某一湖泊穩定期邊界;③季節性湖泊區，影像表面光滑，水體多呈不規則形態，水體間裸露少量土體，可見斑狀白色鹽堿，整體色調呈深藍色，水體季節性變化明顯，故其邊界年內變化較大，指示今湖邊界;④常年性湖泊區，影像表面光滑，水體形態規則完整，色調為深藍色，水體面積季節性變化小，邊界年內變化小，指示今湖邊界。

2.3 湖泊高程提取與驗證

對于研究古湖及今湖高程特征而言，其相對高程比絕對高程更為重要，為此從不同來源的數據獲取固定點對的高程差，判斷相對高程的誤差特征。比對野外移動GPS獲取的高程數據與室內提取的DEM高程數據，采用RTK（Real-Time Kinematic）方法所采集的高精度高程值進行驗證（控制點相對高程誤差控制在5 cm內）。表1顯示，以RTK數據為基準，DEM數據所得點對相對高程誤差小于2 m，無正負號偏差，在區域研究尺度上是可以接受的;而移動GPS的相對高程出現正負號偏差，且數值與DEM高程相差可達10 m以上。因此，本研究統一采用DEM高程數據。

古湖/今湖邊界的高程提取方法是利用已有的古湖/今湖矢量邊界，將其等分為多條（如100條）矢量線段后，獲取各矢量線段中點，分別提取各中點對應的DEM高程數據并求其平均值，最終獲得的邊界高程均值為其高程值。高程提取主要步驟如圖5所示。

2.4 野外驗證

選擇代表性湖泊進行演化期次邊界野外驗證，驗證古湖67個，占湖泊總數的61%;通過野外典型標志的確定（見圖6），證明了解譯的準確性。以昂斯格湖與巴丹湖區驗證為例，昂斯格湖影像（圖6（b））中箭頭①②為古湖邊界，實地調查時發現①處的古湖邊界處于沙山半坡上，明顯可見古湖邊界近水平出露于沙山表面（圖6（a））;②處指示湖泊東部古湖邊界，實地可見古湖沉積物出露地表，其高程與對岸古湖邊界一致（圖6（a））;③處指示網格狀沙丘區（圖6（a））。巴丹湖區東北部出露的古湖沉積物與遙感劃定古湖邊界位置相符（圖6（c）），據野外調查，巴丹湖及附近湖泊可能曾經為同一個大湖，在后期演化萎縮過程中，古湖區被沙體掩埋覆蓋，最終形成現在的多個湖泊。

3 結果分析

3.1 湖泊高程與面積變化

圖7為所有古湖與今湖的高程與面積，可以看出，所有今湖湖面高程下降，平均降幅為9.76 m，面積萎縮。湖面高程下降0～10 m的有61個湖泊，下降10～20 m的有43個湖泊，下降20～25 m的有6個湖泊。從解譯的古湖面積來看，最大的為昂斯格，面積3.412 6 km2，最小的為葫蘆斯臺（東湖），面積僅0.007 2 km2;從解譯的今湖面積來看，最大的為東諾爾圖，面積1.417 5 km2，最小的為葫蘆斯臺（中湖），面積僅為0.000 4 km2。作為地表水體，地質歷史時期最大古湖面積總計80.877 km2，今湖現存水體面積總計19.825 km2，減小61.052 km2，占古湖總面積的75.49%。表2顯示，110個湖泊的萎縮程度（（1-今湖面積/古湖面積）×100%）均大于25%，大于90%的湖泊有48個，大于95%的有33個。不同湖泊的萎縮程度各不相同，萎縮程度最大的湖泊是達布蘇圖巴潤敖格欽，今湖水體面積僅為古湖面積的0.12%;萎縮程度最小的湖泊是扎拉特，今湖水體面積占古湖面積的74.96%。

3.2 湖泊水量平衡

圖8為110個湖泊的水量平衡計算結果（湖泊編號按湖泊面積從大到小排列），可以看出，所有湖泊體積減小，面積越大的古湖水量減少越多。計算得到110個湖泊水量總共減少4.9億m3，其中：蘇木吉林與巴潤蘇木吉林作為一個古湖萎縮分裂成的兩個湖泊，減少的水量最大，為0.32億m3;未分裂的單個湖泊中，伊和吉格德減小量最大，為0.27億m3。

3.3 古、今湖泊等水位線特征

地表水位的分布特征一定程度上受地下水系統影響，因此可利用湖面高程對地下水系統特征進行研究。圖9顯示，利用古、今湖邊界平均高程數據得出的等水位線分布特征基本一致，二者均顯示出地下水位東南高、西北低的宏觀特征;東南部地下水水力梯度較大，西北部相對較小，說明地下水流向未有明顯變化。在圖9中選取3點P1、P2、P3，分段計算水力梯度，結果見表3，顯示今湖的地下水水力梯度均大于古湖的，P1—P2段的水力梯度較大，為0.707%;從東南部水力梯度較大區到西北部，水力梯度逐漸減小，P2—P3段今湖的平均水力梯度為0.070%，P1—P3段今湖的地下水平均水力梯度為0.219%。

0.070%～0.707%的水力梯度變幅與張競等[13， 29]的研究結果0.08%～0.79%很相近，說明古湖與今湖地下水由東南向西北的主流向一致，反映地下水補給來源與補給模式未發生改變。地下水是歷史時期東南部雅布賴山區降水徑流及山前古河道滲漏補給而來，馬金珠等[30]、黃天明等[31]利用環境示蹤劑研究認為是更新世晚期至全新世早期周邊山區降水徑流補給的古水。

3.4 湖泊萎縮特征

圖10顯示了湖泊萎縮程度區的分布特征，為湖泊萎縮程度差分模擬結果。區內東南部、東北部、中北部及西部湖泊面積萎縮程度較大，而中部、中東部、南部及北部湖泊面積萎縮程度較小。結合區域地質構造特征（見圖1（a）），凹陷區基底較深，地下水匯集于此，水量豐富，當氣候干旱時，有地下水補給的湖泊萎縮較慢;相反，隆起區湖泊對氣候干旱、水量減少反應更為敏感。圖10中Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區分別位于雅布賴山隆起、因格井南凸起及宗乃山隆起帶，整體萎縮程度較大。Ⅳ區、Ⅴ區、Ⅵ區屬于蘇亥圖凹陷區，其中：Ⅴ區為沙漠大湖分布區，核心區為蘇木吉林湖，位于蘇亥圖凹陷區中部，萎縮程度最為緩慢;Ⅳ區、Ⅵ區萎縮程度略大于Ⅴ區，表現出凹陷區中心至邊界基底深度的漸變（Ⅵ區）與局部變化（Ⅳ區），造成湖泊萎縮程度有差異。Ⅶ區位于因格井凹陷南端，相對較深的基底保證了更厚的含水層，湖泊萎縮程度相對較小，地下水接受其東側的宗乃山山區降水徑流補給。

4 結 論

（1）巴丹吉林沙漠現代湖泊湖面高程平均低于古湖面9.76 m，湖泊總面積萎縮減小61.052 km2，占古湖總面積的75.49%，湖泊水量共減少4.9億m3，說明湖泊萎縮程度較高，沙漠干旱化趨勢明顯。

（2）湖泊區古、今等水位線均表現出東南高、西北低的宏觀特征，古、今水力梯度變化不明顯，反映了長時間尺度地下水有相同的補給來源，可能是周邊山區特別是東南部雅布賴山區古降水徑流及山前古河道下滲補給。

（3）湖泊萎縮的差異性受區域內構造基底的控制與影響，凹陷區萎縮程度相對較低，是大湖的主要分布區。

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【責任編輯 張華興】