达布逊湖面积变化及其影响因素研究

田华 魏超 宁世雄 田柳新

摘 要：湖泊是维持生态平衡的重要元素，湖泊面积的扩展与收缩及其引起的生态环境问题能反映出全球的气候特征。达布逊湖位于柴达木盆地南缘，格尔木市所辖，是盆地内最大的咸水湖。本文以1987—2017年Landsat数据为基础，采用改进的归一化差异水体指数法对达布逊湖的湖水面积进行计算。结果表明：近30年湖泊面积整体呈减小趋势。通过对自然因素与人文因素进行分析可知，温度变化和人类活动的加剧是导致湖泊面积减少的重要因素。此外，盐湖集团采卤量的增加也是影响湖泊面积变化的一个重要原因。

关键词：达布逊湖;湖泊面积;改进的归一化差异水体指数（MNDWI）

中图分类号：P343.3文献标识码：A文章编号：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

湖泊不仅是水循环的关键因子，也是生态环境的重要因素。湖泊水域面积的变化是其所在流域水量平衡的综合结果，对人类活动和气候变化具有高度敏感性[1]。达布逊湖位于察尔汗盐湖区中南部，格尔木河流域，隶属柴达木盆地，气候干旱，是我国西北干旱区的一个重要组成部分。这里既是气候变化主要区域，又是生态环境易破坏地带。位于寒冷和干旱环境下的湖泊对人类活动和气候变化较其他地区更加敏感，湖泊变化及其驱动因素的研究受到关注[2]。随着遥感技术的发展，利用遥感数据实时性、综合性、宏观、快速的特点，能经济、高效、快速地获得相应地物的信息[3]，既可以揭示湖泊面积变化的动态规律，又能进一步探究气候实时变化及人类活动与湖泊动态变化之间的相互关系。

基于谱间关系产生的波段比值法，是国内外学者在利用遥感数据提取湖泊水体信息过程中广泛应用的方法[4]。Mcfeeters[5]利用归一化差异水体指数（NDWI）抑制土壤和植被的信息提取水体。我国学者徐涵秋[6]在归一化差异水体指数（NDWI）提出的基础上，利用中红外波段代替红外波段，提出了改进的归一化差异水体指数MNDWI，试验发现MNDWI除了与NDWI一样，可用于植被区水体提取外，还可以准确地提取城镇范围内的水体。Borro[7]等利用TM和ETM影像，采用归一化差异植被指数NDVI提取南美洲巴拉那河流域的湖泊，通过多景影像数据的叠加分析，探讨湖泊的动态变化，降低了水体边界提取的不确定性。卢娜[1]以MODIS遥感数据为基础，采用MNDWI对柴达木盆地主要湖泊的面积进行了研究。结果表明：除东台吉乃尔湖面积呈下降趋势外，其他湖泊面积均呈上升趋势。通过进一步分析得出，气温升高和降雨量增加是导致湖泊面积扩大的主要因素。

1 研究区概况

达布逊湖位于柴达木盆地南缘，地理坐标为94.9°—95.3°E，36.8°—37.04°N，属格尔木河流域，是察尔汗盐湖区最大的咸水湖，如图1所示。达布逊湖处于西北干旱地区，气候条件属于西北干旱气候。该湖为尾闾湖，天然状态下补给來源主要为地表河流汇入和地下水补给。格尔木河是其地表水补给的唯一来源，是柴达木盆地的第二大河流，属内陆水系。

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

本文选取1987—2017年在地理空间数据云网站上下载的Landsat4-5TM以及Landsat8OLI遥感卫星影像，共31景无云或少云（云量少于5%）的图像数据，每年选取1景，成像时间为湖水干旱期（7—10月）。时间选取的原因是为了避免冰雪融化产生的影响，同时也减少温度变化对湖水面积变化带来的影响。

2.2 研究方法

采取4个步骤进行水体提取并计算达布逊湖水面积：①数据预处理;②图像嵌融;③计算MNDWI;④移除孤立水体，在ArcGIS中提取湖泊影像并进行图像剪裁，最后计算得出达布逊湖水面积。MNDWI的计算公式如式（1）所示：

式中，[Green]、[MIR]分别表示绿色波段和中红外波段的反射率。具体到影像数据，[Green]对应TM影像的波段2（0.52～0.60μm）和OLI影像的波段3（0.53～0.59μm）;MIR对应TM影像的波段5（1.55～1.75μm）和OLI影像的波段6（1.57～1.65μm）。水体的MNDWI值通常为正，非水体地物的MNDWI值通常为负。

3 结果与分析

3.1 达布逊湖面积

在GIS中统计1987—2017年达布逊湖面积变化，如图2所示。以2002和2011年为界，达布逊湖面积变化总体上经历了三个阶段。第1阶段：1987—2002年，整体湖水面积呈下降趋势，16年间共下降了133.483km2;第2阶段：2002—2011年，整体湖水面积呈上升趋势，10年间共增加了266.35km2;第3阶段：2011—2017年，湖水面积呈下降趋势。

3.2 影响因素分析

3.2.1 自然因素。自然因素主要包括降雨和温度。

3.2.1.1 降雨。受水文气象及水文地质条件的制约，格尔木河流域降雨量主要集中在山区，达布逊湖所在位置多年平均降水量仅为40mm，对湖泊补给基本可以忽略。

3.2.1.2 温度。气温是影响湖水面积变化的另一要素。气温升高，山区冰雪融水加快，格尔木河补给量加大。通过对格尔木气象站1987—2017年年均温度变化的分析，得出达布逊湖面积变化与气温变化之间的关系，如图3所示。从图3可以看出，达布逊湖面积变化与温度变化有较好的一致性，湖面积较大的年份对应着温度高的年份。例如，2006年年均温度7.09℃，湖面积256.59km2;2009年年均温度5.425℃，湖面积232.92km2。2010年年均温度仅有6.75℃，较2006年温度较低，但湖泊面积却有439.48km2，造成这一现象的原因是2010年格尔木市发生了特大洪水。

3.2.2 人文因素。人文因素主要是人类开采。青海盐湖工业集团采卤量的加大是导达布逊湖面积萎缩的重要原因。青海盐湖工业集团位于中国最大的干涸内陆盐湖——察尔汗盐湖，坐落于青海省格尔木市北部，为中国最大的钾肥工业基地。而达布逊湖是青海盐湖集团工业的主要采卤区。1991年，开采达布逊湖水作为补充，真正意义上的“规模效应”开发始于1997年后，达布逊湖水已向西退缩了5km以上，降落漏斗面积已超过500km2，区域水位普遍下降2～3m。2005年，卤水开采量0.6×108m3/a，未解决供卤不足，盐湖集团直接抽取达布逊湖湖水，加之上游水资源补给不足，使湖水面积逐渐缩减。

4 结论

利用1987—2017年长时间序列Landsat遥感数据对达布逊湖面积变化进行研究，并结合气象条件、人文因素进行分析，得出以下结论。

①1987—2002年达布逊湖面积呈下降趋势;2003—2011年湖水面积呈上升趋势;2012—2017年湖水面积呈下降趋势。

②格尔木河流域近年温度变化是导致湖泊面积下降的主要因素之一。

③青钾盐湖工业集团的大量采卤也是影响湖泊面积变化的主要因素之一。

参考文献：

[1]卢娜.柴达木盆地湖泊面积变化及影响因素分析[J].干旱区资源与环境，2014（8）：83-87.

[2]丁永建，刘时银，叶柏生，等.近50a中国寒区与旱区湖泊变化的气候因素分析[J].冰川冻土，2006（5）：624-632.

[3]张振瑜.基于遥感的巴丹吉林沙漠湖泊面积变化及其影响因素研究[D].兰州大学，2014.

[4]魏善蓉，金晓媚，王凯霖，等.基于遥感的柴达木盆地湖泊面积变化与气候响应分析[J].地学前缘，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.利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息的研究[J].遥感学報，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.