2011年以來我國1km2以上湖泊變遷

王占玲，曹 引，趙紅莉，蔣云鐘，李 杰，郭昊淼，李向龍

（1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，蘭州730070；2.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京100038；3.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心，蘭州730070；4.甘肅省地理國情監測工程實驗室，蘭州730070；5.北京市北運河管理處，北京101100）

湖泊作為水資源的一種重要載體，在水資源供給、調節氣候、保護生物多樣性等方面發揮著重要的作用［1-3］，也是環境、氣候變化的指示器［4］。中國國土面積廣闊，湖泊數量和類型繁多、分布范圍廣且變化復雜［5］，據第一次全國水利普查的統計結果［6］，全國共有面積大于1.0 km2的湖泊2 865 個，總面積7.80 萬km2。但由于全球氣候變化和人類活動加劇的影響，部分湖泊出現了不同類型、不同等級的變遷，受到了政府和社會的廣泛關注。因此，開展湖泊變遷調查與分析可以摸清湖泊現狀，對湖泊的管理和保護具有重要意義。

衛星遙感具有覆蓋范圍大、周期性重復、數據更新快等優點［7-9］，在湖泊變化分析領域得到廣泛應用。Ma 等［10］利用CBERS和Landsat影像完成了1960s-1980s和2005-2006年的中國湖泊制圖，發現中國有243個湖泊消失，而在青藏高原及其附近有60 個湖泊誕生。Du 等［11］利用遙感影像和其它輔助數據分析了長江中游湖泊群在20世紀的變化情況，發現湖泊面積減少了58.06%，這主要是由于人類開墾農田所致。馬榮華等［12］以2005-2006 的CBERS CCD 和Landsat TM/ETM 遙感數據結合第二次湖泊調查結果，確定了2010年全國1.0 km2以上的自然湖泊的數量以及分布情況，并分析得到近30年的消失/新生/新發現湖泊個數。孫芳蒂等［13］利用MODIS 數據分析了2000-2010年國內的629個湖泊面積，研究發現湖泊總面積呈現增加趨勢。段水強［14］利用1976-2015年衛星影像，解譯并分析柴達木盆地湖1 km2以上的湖泊；發現該區域湖泊整體上呈現擴張、萎縮、擴張、萎縮4 個階段的變化過程。Zhang 等［15］研究了1960-2015年中國的湖泊面積變化情況，發現中國湖泊的總面積增加了5 858.06 km2，且空間差異很大。Tao 等［16］研究1980年代中期至2015年中國湖泊的變化，發現中國的湖泊已經隨著區域形勢的變化而變化，在人口較少的青藏高原地區，湖泊數量相對豐富，而在人口多的東部和北部地區，湖泊數量較為稀少。閆立娟［17］運用GIS 和RS 技術，利用遙感影像將西藏所有湖泊邊界矢量化，并以此為基礎分析了1973-2017年西藏湖泊面積動態變化，發現研究區湖泊面積整體擴張。李龍等［18］基于2000-2014年Landsat系列遙感影像，分析了中國內流區主要湖泊的地理位置及其面積變化情況，結果顯示湖泊總面積在此期間持續增加。

目前，關于不同區域尺度的湖泊研究主要集中于湖泊的數量、面積和分布情況，但分析時間節點還主要停留在2014-2016年；且全國尺度湖泊研究使用的數據大都集中于MODIS等較低分辨率數據，對湖泊變遷類型也沒有做具體劃分。而受氣候變化和人類活動影響顯著［19，20］，湖泊將不斷發生變遷，呈現出不同程度、不同類型的演變，目前尚缺乏全國尺度上湖泊現狀分析。2011年全國第一次水利普查全面摸清了河流湖泊的數量以及分布情況，為國家社會經濟可持續發展提供基本國情資料［21-23］。為了彌補全國尺度上湖泊現狀和湖泊變遷研究空白，本文以第一次全國水利普查中面積大于1 km2的2 865 個湖泊為研究對象，以GF-1 遙感影像作為基礎數據源，利用目視解譯與定量評價相結合的方法，分別以2011年與2019年時間節點作為2 865個湖泊變遷類型及數量分析研究的起點和終點，為湖泊變化監測和湖泊水資源管理提供了最新基礎數據。

1 數 據

1.1 研究區

2011年第一次全國水利普查結果，按照行政區統計，湖泊數量排名前三的行政區分別是西藏自治區、內蒙古自治區和黑龍江省，湖泊數量分別為813個、424個和250個，數量約占全國湖泊總數量的28.4%、14.8%和8.7%。按照水資源一級分區統計，湖泊數量排名前三的流域分別是西北諸河流域（1 086 個）、長江流域（795個）和松花江流域（496個），分別占全國湖泊總數量的37.9%、27.7%和17.3%，然后依次是西南諸河流域（180個）、黃河流域（142 個）、淮河流域（68 個）、遼河流域（61 個）、珠江流域（17個）、海河流域（10個）和東南諸河流域（10個）。

圖1 全國第一次水利普查1 km2以上湖泊分布圖Fig.1 The distribution of the lakes with an area larger than 1 km2 derived from bulletin of census for water

1.2 數據與預處理

本文采用的數據包括2011年水利普查矢量、GF-1 WFV 遙感影像數據。

（1）湖泊矢量數據是2011年湖泊普查結果中，水域面積大于1 km2的2 865個湖泊矢量數據。

（2）使用的數據主要以空間分辨率為16 m 的GF-1 WFV 多光譜影像數據為主，該影像包括藍波段（0.45～0.52μm）、綠波段（0.52～0.59 μm）、紅波段（0.52～0.59 μm）、近紅外波段（0.77～0.89μm）4個波段。首先根據2011年水利普查結果矢量繪制所有湖泊的緩沖區，緩沖區繪制原則是：先對湖泊進行編號，再對每一個湖泊先驗矢量進行膨脹，直到膨脹后的矢量面積略等于原始湖泊面積的2 倍；然后根據緩沖區裁剪獲取覆蓋湖泊緩沖區的2019年所有GF-1正射校正遙感影像。

1.3 水體提取

本次研究中采用基于面向對象方法和雙峰閾值法相結合的水體提取方法，該方法可以對研究區內的水體進行快速、高精度的自動提取，提取步驟如下：

首先，根據GF-1 影像的光譜、形狀等信息進行面向對象分割；再以分割后的圖像為基礎，選擇用綠波段和近紅外波段計算NDWI，NDWI的計算公式如下：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

式中：Green、NIR分別代表GF-1影像的第二波段和第四波段。

最后根據影像內的湖泊水體特征，用雙峰閾值法，進行湖泊水體的提取，并轉為矢量文件輸出。同時，由于個別影像提取效果欠佳，因此需要對提取的結果進行目視校核和手動修正，以保證提取結果的準確性。圖2是基于2019年GF-1 WFV影像數據的青海湖（6月12日，水體面積4 447.000 km2）、達則錯（1月13日，水體面積為324.402 km2）、鏡泊湖（7月7日，水體面積82.773 km2）、東湖（4月17日；水體面積30.489 km2）、白音淖爾（1月13日，水體面積2.429 km2）、腰零泡（7月7日，水體面積為1.054 km2）等6 種不同大小、不同時間、不同地勢下的湖泊提取效果圖。從圖中可以看出，該研究中所采用方法的準確性較高，可以滿足后續分析的需要。

圖2 基于2019年GF-1數據的不同條件下湖泊的提取效果圖Fig.2 The extraction effect of lakes under different conditions based on the 2019 GF-1 data

2 分析方法

本文采用定量評價和目視解譯相結合的方法分析2 865 個湖泊的變化情況。首先利用2019年GF-1月尺度時序影像提取2 865 個湖泊水體面積，在保證一個湖泊2019年有效面積次數不能少于3 期的情況下，這樣才能避免使用單一時相遙感圖像監測的水體面積受到暴雨和干旱等天氣因素帶來的隨機性影響，湖泊面積是當年所獲取的所有晴空遙感圖像監測面積的中位數；根據2011年和2019年湖泊水體面積定量評估2 865 個湖泊水域變化情況。針對水域明顯減少（萎縮）的湖泊，基于2019年月尺度時序GF-1 影像，采用目視解譯方法根據湖泊水域范圍和湖泊普查矢量，初步確定發生顯著變化的湖泊名單，然后以水利部信息中心“河湖遙感平臺”作為輔助工具進行湖泊具體變化類型判斷，“河湖遙感平臺”擁有2019年至今GF-1、GF-2和GF-6 PMS等多種高分辨率遙感影像。

2.1 湖泊變遷基本類型

湖泊變遷遙感調查通常以不同時相的遙感數據為依據，按調查時段的長短，湖泊變遷遙感調查可區分為多年際、年際和季際等類型［24］。

在批量實現湖泊面積提取后，由于影像本身會存在不穩定性，個別影像水體提取效果欠佳，因此需要對提取結果二次校正與核實。在對2 865 個湖泊提取效果目視判斷后，分別手動校正湖泊提取結果并核實發生變遷的湖泊名錄，在此結果之上可以將湖泊變遷基本類型根據人為因素與自然因素同時存在的情況下分為六類（人為因素導致湖泊會出現萎縮、被不同類型的地物侵占，而自然因素則會導致湖泊面積萎縮甚至干涸），如圖3所示。第一類：萎縮［圖3（a）、（b）］，這類湖泊全年無水或者湖泊水域明顯減少，并且不存在被其他地物侵占或者轉變為其他類型；第二類：轉為耕地［圖3（c）、（d）］，這類湖泊被耕地侵占，轉變為水田或者旱地；第三類：轉為濕地［圖3（e）、（f）］，這類湖泊水深較淺，在特定環境下，長出了濕地植物；第四類：轉為養殖地［圖3（g）、（h）］；第五類：轉變為其他類型［圖3（i）、（j）］，例如光伏電廠或被其他類型的建設用地侵占；第六類：面積擴張型湖泊［圖3（k）］，這類湖泊的水域面積存在擴張趨勢，面積較2011年增加超過10%的湖泊屬于擴張型湖泊。其中將第1～5類歸為不利變遷，第6類則歸為有利變遷。

圖3 湖泊主要變遷類型Fig.3 Main change types of lakes

2.2 湖泊變遷劃分等級

湖泊變遷的6種類型可以根據轉變類型所占湖泊面積的百分比劃分輕重等級，湖泊是個復雜而又獨特的生態服務系統［25，26］。當水域面積發生10%以下的變化時，肉眼看的并不是太明顯；當水域面積變化在10%～40%時，湖泊還具有一定的生態功能；而當水域面積減少40%～70%時，湖泊的實際應用功能就已經大大減弱，可利用空間也很有限；變遷等級在70%～95%之間的湖泊在很大程度上出現萎縮或者已被其他類型地物侵占，基本失去湖泊的生態功能，而變遷等級≥95%的湖泊水域面積可以說完全消失，因此已不具備湖泊的生態功能。因此，根據湖泊變遷的復雜程度將湖泊變遷等級分為：

（1）單一轉變類型的等級劃分。不同湖泊變遷類型，根據湖泊長期無水面積、被其他地物侵占面積或最小湖泊水域占湖泊總面積的百分比進行湖泊變遷等級劃分，具體劃分標準見表1。其中“1-萎縮”變遷類型以湖泊長期無水面積占湖泊總面積百分比為劃分標準；變遷類型“2～5”以湖泊被其他地物侵占面積占湖泊總面積百分比為劃分標準。由于面積擴張型湖泊是在有利的變化范圍之內，因此對該類型湖泊不再細分，且此次擴張型湖泊只是對2011年面積在10 km2以上，且在2019年發生擴張的湖泊進行統計。

表1 湖泊變遷類型及劃分標準Tab.1 Types of lake changes and classification standards

（2）復合類型的等級劃分。復合類型是指湖泊存在不止一種類型的變化，比如湖泊變化類型為“1-輕微萎縮”and“5-其他侵占”，指湖泊水域面積與湖泊普查矢量相比面積有一定程度的減少，同時現有的水域面積被其他地物侵占。再比如湖泊同時被不同類型的地物侵占，每種侵占類型按照不同地物侵占面積占原始湖泊矢量的大小劃分等級。需要指出的是統計復合類型時如果湖泊被部分侵占，其余部分水體面積明顯減少，即湖泊萎縮，此時萎縮程度劃分時不考慮侵占部分面積，以湖泊實際水域面積占湖泊總面積百分比劃分。

3 結果和分析

3.1 湖泊變遷類型統計

基于2019年月尺度時序影像和“河湖遙感平臺”，利用目視解譯確定2019年2 865 個湖泊中發生變遷湖泊名錄，將湖泊變遷類型分為單一變遷類型和復合變遷類型（不算入兩個單一變遷類型）。

2019年統計結果顯示：擴張型湖泊有202 個，全國湖泊發生萎縮以及不同類型演變（不利變遷）的個數多達812 個，約有28.4%的湖泊發生變化，其中單一變遷類型和復合變遷類型湖泊個數分別為746 個和66 個，約占總變遷湖泊總數的91.9%和8.1%。其中，內蒙古自治區在2011年時擁有面積1 km2及以上的湖泊424 個，湖泊水體面積約為4 531 km2，但是在2019年湖泊面積約為4 324 km2，發生變遷的湖泊多達207個，占發生不利變遷湖泊個數的27.7%，是北方發生變遷湖泊最多的省份，湖泊面積減少了207 km2。

3.1.1 單一變遷類型湖泊

單一變遷類型湖泊統計見表2，可以看出單一湖泊變遷類型中以萎縮、耕地侵占和養殖地侵占為主。單一變遷類型（1～5類）746 個湖泊中，有411 個湖泊發生不同程度的萎縮，占比約55.1%，是最主要的單一變遷類型；其次，被耕地和養殖地侵占的湖泊分別有148 個和107 個，占比19.8%和14.3%；受濕地和其他侵占的湖泊數量相對較少，共計80 個，占比10.8%；有202個湖泊的水域面積呈現擴張趨勢。

表2 單一變遷類型及個數統計表Tab.2 Statistics of single transition types and numbers

單一變遷類型中發生1-5 類變遷的湖泊中，變遷等級在70%～95%之間的湖泊數量達到132 個，數量分別是80、19、9、18、6，分別占單一變遷總數的10.7%、2.5%、1.2%、2.4%、0.8%；而變遷級別≥95%的湖泊數量總數達到236 個，數量分別為72、86、25、38、15，占比分別為9.7%、11.5%、3.4%、5.1%、2.0%。

3.1.2 復合變遷類型及個數

部分湖泊則會出現同時被兩種地物侵占的現象，例如水域面積部分出現萎縮，而另一部分被耕地、養殖地侵占；再或者部分被光伏電廠侵占，而另一部分則被水田、養殖地侵占。復合變遷類型湖泊個數和復合類型見表3，在復合類型中會存在這樣一種情況：同時被兩種地物侵占，一種輕微侵占/中度侵占，另一種重度侵占/中度侵占，但實際上水域面積被兩種地物完全侵占。

從表3中可知：出現復合類型最多的是①“1-1”and“5-4”：已經沒有水域，且部分面積已被其他地物侵占；②“1-2”and“2-4”：水域面積出現重度萎縮，又有少量的面積被耕地侵占；③“2-4”and“3-2”：水域面積被耕地輕微侵占，部分被濕地重度侵占；④“3-2”and“4-4”：現有的湖泊面積分別被少量養殖地所和較大面積的濕地所侵占。以上4種復合類型的水體數量分別是6、5、5、4個，總數占復合變遷類型個數的30.3%。

表3 復合變遷類型及個數統計表Tab.3 Type and number of compound transition statistics

總的來說，復合類型變遷主要是指湖泊水域面積以“萎縮+另一種地物侵占”為主，這種類型個數達到27個，占比40.9%。

3.2 湖泊變遷類型空間分布

Arcgis 提供關聯EXCEL 表格的功能，因此通過將湖泊變遷統計結果關聯到Arcgis 中，可以得到不同變遷類型湖泊分布圖（圖4）以及有湖泊的各省、市、自治區的湖泊數量和變化統計圖（圖5）。通過分析可以得到以下結果：

圖4 變遷湖泊分布圖Fig.4 Distribution of Changing Lakes

（1）從2019年的數據分析中可以看出，中國部分省份湖泊存在明顯變遷，變遷類型呈現出不同的空間分布差異：北方地區多以湖泊面積發生干涸、不同程度的萎縮為主；而南方湖泊變遷類型則更多是以不同類型地物的侵占為主。

（2）按照水資源一級區統計：西北、西南諸河流域湖泊不利變遷類型最多的是湖泊面積萎縮，其次是其他侵占，而同時水域面積擴張的湖泊也集中于西北流域；松花江流域和遼河流域的湖泊變遷類型以湖泊面積萎縮為主，其次是養殖地侵占；黃河流域的湖泊演變相對來說較為復雜，除了不存在濕地侵占，其余各種演變類型都有，但是數量都相對較少；而淮河和長江流域湖泊變遷則更多的是以水田、濕地和養殖地侵占為主。

（3）在圖5中，柱形圖的高度代表該省份湖泊的總數。紅色代表不利變遷，黃色代表未發生變遷的湖泊，藍色是指擴張性湖泊。對存在湖泊的省、市以及自治區進行統計，發生變遷的湖泊主要集中于內蒙古自治區（207個）、黑龍江省（97個）、湖北省（84 個）、吉林省（82 個）以及湖南省（78 個），分別占湖泊總變遷個數的25.5%、11.9%、10.3%、10.1%、9.6%。其中西藏自治區和內蒙古自治區是擁有湖泊數量最多的地區，而湖泊變遷數量前者遠不及后者，西藏自治區在2011年的湖泊有813 個，但是在2019年發生變遷的僅有46個，占變遷湖泊總數的5.7%；而在2011年水域面積在10 km2以上的部分湖泊在2019年呈現擴張趨勢的數量總數有202 個，單西藏地區有133 個，占有利變遷湖泊個數的65.8%。

圖5 各地區湖泊及其變遷統計圖Fig.5 Statistics of lakes and their changes in various regions

3.3 湖泊變遷分析

我國湖泊變化的主要驅動因素有兩個方面，一方面：年平均氣溫的持續升高和降雨量的逐年減少會直接影響湖泊水域面積變化；另一方面：人口的快速增長會加劇對土地的需求，人們會填湖造地、圍湖造田，也會在湖區周圍進行墾殖活動，進行各種養殖業，使得湖泊水量減少，從而造成湖泊面積大幅遞減；這些不合理的經濟發展模式［27］會占據水資源以及加快它的供給使用。所以針對干涸和嚴重萎縮的湖泊的驅動因素可能是自然因素和人為因素共同主導；而侵占類是則人為因素主導。綜上所述，湖泊變遷是自然因素與人為因素共同作用的結果。

根據水利部發布的《中國水資源公報》，2011年全國年均降水量556.8 mm，比多年平均少9%，來水更為偏不利；2019年全國年均降水量651.3 mm，比多年平均值偏多1.4%，是個平水年。即使在這種來水偏多的情況下，湖泊依舊出現萎縮的情況，實際上湖泊面積減小比我們看到的更為嚴重。第二、四、五類湖泊變遷類型都是人類活動所導致的，而第一、三類則是人為和氣候變化雙重響應的結果。因此總的來看，湖泊變遷類型中至少有70%的湖泊是人為因素造成的。

4 結 論

本文以第一次全國水利普查中1 km2以上2 865 個湖泊為研究對象，首先對湖泊變遷類型做了分類、分級；其次對所有湖泊變遷類型及個數進行了統計，對湖泊變遷做了淺析，得出以下結論。

（1）在2019年，2 865 個湖泊發生不利變遷的湖泊約812個，占湖泊總數的28.3%，變化類型包括萎縮、耕地侵占、濕地侵占、養殖地侵占、其他侵占，變遷湖泊主要集中在內蒙古自治區（207 個）、黑龍江省（97 個）、湖北省（84 個）、吉林省（82 個）以及湖南省（78個）。

（2）湖泊不利變遷類型以湖泊萎縮最多，在單一變遷類型中有411 個，占不利總變遷湖泊的50.6%；其次有148 個湖泊被耕地侵占的，占比約為14.8%。

（3）湖泊演變呈現明顯的空間分布差異。北方湖泊變遷類型以萎縮為主，耕地侵占（旱地）其次；而南方多以養殖、耕地侵占（水田）為主。

（4）在2011年湖泊水域面積大于10 km2的湖泊中，至2019年呈擴張型趨勢的湖泊有202個，主要集中于西藏、青海兩省。

實際上，部分湖泊年內同樣存在顯著的季節性變化，年際變化更是復雜［28］。本文僅通過2019年遙感影像對湖泊變化做出研究分析，因此在分析湖泊變遷時可能會存在一些偏差，后續將會增加時序影像，分析湖泊年際變化。□