1980年以來5個時期湯遜湖濕地變化及驅動因素分析

劉 力， 李 朋,2， 胡元平， 張 雅,2， 李琳靜， 陶 良， 朱晛亭， 潘龍克

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.古生物與地質環境演化湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430205；3.武漢市測繪研究院,湖北 武漢 430022)

濕地被譽為“地球之腎”,與森林、海洋一起并稱為全球三大生態系統，是地球上水陸相互作用形成的特殊自然綜合體，是各種能流、物流和信息流的交換場所[1]。濕地在涵養水源、凈化水質、蓄洪防旱、調節氣候、維護生物多樣性和提供生產、生活資源等方面發揮著重要作用[2-3]。近年來,有關濕地面積變化或時空分布差異的研究備受關注,周婷等[4]從地理學時空視角分析了中國大陸31個省(市、自治區)濕地2003—2013年的空間格局及其關聯性；范韋瑩等[5]利用2005、2010和2017年的土地利用數據,采用形態學空間格局分析方法研究了神農架大九湖濕地空間形態演變特征；王志成等[6]從遙感影像中提取膠州灣周邊地區1987—2017年的土地利用變化信息，分析了該區潮灘濕地時空特征及演變成因；王鐵良等[7]利用1985—2017年33景Landsat遙感影像,定量分析了遼河口濱海濕地海岸線的時空變化特征。遙感技術與GIS技術是濕地宏觀研究中數據獲取與量化分析的重要手段[8-9],具有觀測范圍廣、信息量大、獲取信息快、可比性強等特點。

湯遜湖曾是武漢市最大的原生生態湖[10],隨著城市的開發建設與經濟社會的發展,特別是1996年以來湯遜湖周邊產業園與開發區的建設,對湖泊的侵占速度愈來愈快,這些侵占行為不可避免地對湖泊的生態環境產生負面影響。開展湯遜湖濕地變化及驅動因素分析,了解湯遜湖濕地1980年以來土地利用格局及其變化狀況,可為制訂湯遜湖濕地保護方案和改善湯遜湖區域人居環境提供科學依據和決策支持,更好地服務于武漢市國際濕地城市建設。

1 研究區概況

湯遜湖位于武漢市東南部,跨越江夏區、洪山區和東湖新技術開發區,水域面積47.62 km2,岸線長度122.8 km,平均水深2.32 m。以江夏大道為界,湯遜湖被分為東側內湖和西側外湖(圖1)。湯遜湖屬于湯遜湖水系,該水系以湯遜湖、南湖、野芷湖、青菱湖等為主要承載水體,通過青菱河、巡司河與長江連接,屬于典型的平原型水網結構。平水期、枯水期時水系匯水經由陳家山閘、海口閘和解放閘外排,豐水期啟動泵站泄洪排入長江[11]。

湯遜湖流域屬于北亞熱帶濕潤季風氣候區,雨量充沛,四季分明,日照時間長,氣候條件適宜居住。地貌屬鄂東南丘陵經江漢平原東緣向大別山南麓低山丘陵過渡類型，地形屬于殘丘型河湖沖積平原,地勢平坦低洼。湯遜湖湖泊功能為調蓄、景觀娛樂和生態調節,水功能區劃為開發利用區,水質管理目標為Ⅲ類標準。長期以來,由于攔湖筑汊、管理無序、開發過度、保護不力等因素的疊加,導致出現水體污染、環境惡化、功能退化等突出問題[12]。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究采用美國陸地衛星Landsat3 MSS、Landsat5 TM、Landsat8 OLI影像數據,均下載于https://earthexplorer.usgs.gov/(美國地質調查局官網)。1980、1990、2000、2009和2019年影像含云量較低(云量<5%)且日期相近,避免因季節不同而導致雨季和非雨季存在植被類型及生長情況、水田作物收割情況、灌排水情況和水體水位的差異,提高了數據的準確性和有效性。1998、2016和2020年洪水年分別選擇洪水期和枯水期含云量較低的影像(表1)。

表1 遙感影像參數表Table 1 Remote sensing image parameters table

2.2 研究方法

在使用遙感影像之前,先進行圖像的配準。由于不同來源的遙感數據的軌道、成像時間、成像機理、平臺、觀測角度等不同,幾何特征差異很大，因此需要改進原始影像的幾何變形,生成一幅滿足圖形表達要求或者地圖投影要求的新圖像[13]。本研究主要結合基于對象的思想以及機器學習算法[14]提取湯遜湖湖泊范圍。

(1) 基于對象的遙感影像分割。對象是指原始影像經過分割得到的由相同或者相似的光譜、形狀、紋理和結構等特征的像元集合體所構成的多邊形單元。本課題基于多尺度分割方法,綜合考慮遙感影像的波段權重、形狀因子、光滑度、緊致度、分割尺度等因素,實現對象生成。對象生成后,通過定義對象的特征為對象的分類和目標信息的提取提供基礎。對象的特征主要包括光譜特征、形狀特征、紋理特征和拓撲關系等。

(2) 提取方法。支持向量機(Support Vector Machines,SVM)是20世紀90年代發展起來的一種建立在統計學習理論基礎之上的機器學習方法,逐漸成為機器學習領域中的研究熱點。其基本思想是求得一個最優超平面,通過此超平面將兩類數據進行正確地分類,使得兩類數據樣本點到此超平面的最小距離之和達到一個最大值[15]。

(3) 建立解譯標志。結合濕地分類體系和湯遜湖濕地實際情況，將研究區分為湖泊濕地、人工濕地和沼澤濕地3種地類(表2)。對于5期多光譜遙感影像,使用Envi軟件進行大氣校正和圖像裁剪,并進行圖像拉伸和銳化；然后使用支持向量機法對影像數據進行監督分類,采用Majority分析對分類結果進行小斑塊處理,通過目視解譯法對錯分及漏分處進行重新分類；最后采用ArcGIS 10.2制圖并提取地類信息,計算濕地面積、地類動態度及轉移矩陣[16]。

表2 湯遜湖濕地分類表Table 2 Classification table of Tangxun Lake wetland

3 結果與討論

3.1 濕地面積時空變化

湯遜湖地區的濕地主要為人工濕地、湖泊濕地和沼澤濕地。人工濕地經歷了先增加后減少的變化過程(表3、圖2)，由1980年的1.96 km2增加到2000年的17.55 km2,而后又減少為2019年的6.88 km2。1980—2000年主要因圍湖建庫活動減少，使人工濕地面積不斷增加；而2000—2019年因城市化速度加快,人工濕地或被占用為建設用地，或被轉化為湖泊濕地,導致人工濕地面積不斷減少。湖泊濕地面積經歷了先減少后增加的變化過程,由1980年的46.65 km2減少到2000年的37.54 km2,而后又增加到2019年的42.08 km2。1980—2000年由于東湖新技術開發區、藏龍島產業園、廟山開發區等大規模開發建設使得湖泊濕地面積不斷減少；而2000年以后,武漢市更加重視湯遜湖自然生態系統保護，先后修建了湯遜湖濕地公園、當代運動公園、譚鑫培濕地公園等，使環湯遜湖區域的濕地自然環境得到一定程度的改善，尤其是2002年頒布的《武漢市湖泊條例》及陸續開展的各類綜合治理工程在很大程度上促進了湯遜湖生態的恢復。沼澤濕地面積經歷了整體減少的變化過程，由1998年的7.95 km2減少到2000年的4.62 km2，而后又減少到2019年的1.93 km2。湯遜湖目前已很難找到原生湖岸,大部分湖岸已被硬化，同時隨著環湯遜湖區域工業園區的擴建及人口的不斷增多,工業和生活污水排放量也增多,致使湖水水質惡化,打破了湯遜湖局部生態系統的平衡,沼澤濕地明顯減少。

表3 湯遜湖不同年份濕地面積統計表Table 3 Wetland area statistics of Tangxun Lake in different years

圖2 湯遜湖不同年份濕地面積變化圖Fig.2 Wetland area change map of Tangxun Lake in different years

3.2 周圍土地利用類型變化

湯遜湖地區濕地面積與周圍土地利用面積變化情況見表4和圖3。湯遜湖地區居民地在1980—2019年呈現逐年增長趨勢,2000年達到7.98 km2,2019年達到93.43 km2,尤其在2000—2009年為大幅增長。事實上,2000年后隨著武漢市城鎮化速度加快，湯遜湖地區受到中心城區推力及自身吸引力的影響，逐漸由典型的郊區演變為重要城市建設區，造成建設用地逐年增加，尤其是2000—2009年增長更為明顯。湯遜湖地區濕地面積總體為減少趨勢,但在1980—2000年較穩定,各濕地類型之間互相轉化，2000年后濕地面積為大幅減少趨勢,主要受人工濕地面積大量減少的影響。植被覆蓋區包含了林地和草地,同樣因湯遜湖地區城市化建設影響而逐年減少。其他用地類型主要為裸地,其面積也呈逐年減少趨勢,尤其在2000—2009年為大幅減少。

圖3 湯遜湖濕地及土地利用類型面積變化圖Fig.3 Changes of wetland and land use types in Tangxun Lake

表4 湯遜湖濕地及土地利用類型面積統計表Table 4 Statistics of wetland area and land use type area in Tangxun Lake

3.3 洪水期與枯水期濕地類型對比

湯遜湖洪水期與枯水期濕地類型面積變化情況見表5和圖4，相比枯水期,人工濕地在洪水期減少,湖泊濕地在洪水期相應增加。

表5 湯遜湖洪水期與枯水期濕地面積統計表Table 5 Statistical table of wetland area of Tangxun Lake in flood seasons and dry seasons

圖4 湯遜湖洪水期與枯水期濕地面積變化圖Fig.4 Changes of wetland area of Tangxun Lake in flood seasons and dry seasons

3.4 驅動因素分析

3.4.1自然因素

武漢市于1998、2016和2020年發生了三次大洪水。根據收集上述三個洪水年的月平均降雨量(表6),發現2016年降雨量最為豐富(1 816.1 mm),其次為1998年(1 729.2 mm)和2020年(1 722.0 mm)。從單個月份來看，7月份的降雨量最大(圖5)。

表6 武漢市三次洪水年月平均降雨量統計表Table 6 Monthly average rainfall table of three floods in Wuhan City

圖5 武漢市三次洪水年月平均降雨量直方圖Fig.5 The monthly average rainfall histogram of three floods in Wuhan City

為探討洪水期降雨量與濕地面積的變化關系,本文分析了降雨量及各類濕地面積的Pearson相關性，結果(表7)表明湯遜湖湖泊濕地面積與降雨量之間存在弱的負相關關系,這主要是由于降雨量增加會導致人為圈閉的人工濕地與湖泊水域連成一片而形成更廣闊的湖泊水域,人工濕地面積因此減少。

表7 湯遜湖濕地面積與洪水期降雨量的Pearson相關性統計表Table 7 Pearson correlation between wetland area and precipitation during flood seasons in Tangxun Lake

3.4.2人類活動因素

武漢市濕地多分布于相對低洼地帶,其分布格局主要受干流河道及平原內部起伏的微地貌控制。近年來,隨著人口劇增、城市擴展、盲目開墾土地及經濟社會的發展,天然濕地尤其是湖泊濕地面積大幅度減少,濕地保護已成為武漢城市規劃建設的一項重要課題[18]。

(1) 人口因素。城市存在的基本條件就是一定數量的人口聚集。人在促進城市發展的同時，也給濕地生態環境帶來一定影響。從武漢市總人口增長曲線(圖6)來看,從1980年至今,武漢市總人口增長具四個階段：①1980—1989年,人口增長較快,年平均增長率為2%；②1990—1999年,人口增幅有所回落,年平均增長率為1.1%；③2000—2010年,人口增幅明顯提高，2000—2005年平均增長率為1.55%,2006—2010年平均增長率4.17%,尤其是2006—2007年、2008—2009年增長率達到7.5%；④2011—2019年,2011年常住人口總數突破1 000萬,人口增幅有所放緩，年平均增長率為1.42%。從人口增長過程來看，2000年以來人口增長加快，與湯遜湖濕地面積開始減少的趨勢相符合。

圖6 武漢市總人口增長曲線圖(據參考文獻[17])Fig.6 Growth curve of Wuhan population

(2) 土地利用因素。改革開放以前,湯遜湖及周邊是重要的農業生產區,水產養殖是臨湯遜湖地區的主要經濟發展方式，湖泊面積總體較穩定。隨著經濟社會的發展、交通條件的改善和消費觀念的改變,湯遜湖地區開始建設不同級別的開發區，極大地改變了原有土地利用狀況，促使“向湖泊要土地”，導致湖泊面積不斷減少。特別是2010年以后，開發區建設進入快速發展期，土地利用類型大幅變化，與2009—2019年湯遜湖濕地面積加快減少的趨勢相符合。

(3) 工程活動因素。湯遜湖地區自1990年開啟了房地產建設的浪潮[19],各類住宅、寫字樓、別墅等主要沿湖岸和主干道分布。與此同時，湯遜湖大橋和江夏大道建成后，分割了內湖與外湖水體,后續修建的大量水上道路設施使得湯遜湖水體進一步被人為分割。造成的結果是，湯遜湖已很難找到原生的湖岸,大部分湖岸都被硬化,湯遜湖面積的自然恢復幾無可能，工程建設活動人為固化了湯遜湖的邊界。

4 結論

(1) 應用Landsat衛星影像數據解析了五個不同年份(1980、1990、2000、2009、2019年)湯遜湖濕地的濕地類型和土地利用情況，發現湯遜湖主要分為人工濕地、湖泊濕地和沼澤濕地三種濕地類型，其周邊土地利用情況以居民地、濕地、植被覆蓋區和其他用地類型為主。

(2) 1980—2000年，湯遜湖人工濕地、湖泊濕地、沼澤濕地的面積分別為增加、減少、減少；2000—2019年，湯遜湖人工濕地、湖泊濕地、沼澤濕地的面積分別為減少、增加、減少；湯遜湖濕地面積整體為1980—2000年基本穩定，2000—2019年加速減少。湯遜湖在洪水期和枯水期的濕地類型比較單一，人工濕地、湖泊濕地的面積在洪水期分別為減少和增加。

(3) 引起湯遜湖濕地格局變遷的因素主要為降雨和人口增長、土地利用類型改變、工程活動等人類活動。

致謝：感謝湖北省地質調查院李定遠、劉成新等教授級高級工程師在論文撰寫過程中提出的寶貴建議！