1973—2019年长江新城水域面积动态监测与分析研究

吴 波，周 峰，李 朋，杨青雄，刘 力，张 雅

(湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

湖泊作为重要的城市水体，在抵御洪水、调节径流、改善湖区气候、维持生态平衡、提高环境质量等方面都承担着重要的功能[1-2]。武汉被称为“百湖之市，水上滨城”，而武湖又是长江新城中最大的地表水体，充分认识并利用湖泊的天然功能，对改善武汉城市及其周边地区的自然地理环境其意义之重要是不言而喻的[2-3]。然而，“围湖造田”、“围湖养殖”、“围垸防水”等运动以及城市化热潮使得武汉湖泊景观结构发生了巨大的变化。不仅湖泊的面积及数量锐减，湖泊功能萎缩，生态环境遭受严重破坏，而且影响了湖泊调蓄功能，导致近年来武汉市内涝频发[1,4-5]。因此，研究湖泊历史时期以来的动态变化特征及原因，对改善湖泊生态环境和城市可持续发展有着重要意义。

传统的湖泊调查方法采用实地调查、采样和实验室分析等手段，该类方法具有精度高、针对性强等优点，但调查多在点上进行，并不能全面反映湖泊生态环境的总体时空变化，且费时、费力、成本高，难以开展大范围、长时效的实时监测[6]。遥感技术能够大范围、低成本、及时快速地监测地表环境的动态变化，适用于长时间序列的湖泊水体信息提取和湖泊动态变化研究，是长久监测湖泊水体的重要手段[7-8]。已有部分学者应用遥感技术对一些重点湖泊开展长期动态监测[9-16]，但是对于武汉市湖泊长时间序列的监测及其影响因素研究仍然较少，且多集中在中心城区[5]，已无法满足现今武汉城市发展的需求。

本次研究以《长江新城多要素城市地质调查二期》项目为依托，基于LandSat系列卫星数据，对1973—2019年长江新城规划区域内水域数据进行多期次的监测分析，并结合相应的气象资料、人口经济发展数据，分析水域面积变化及其影响因素，为长江新城地质生态资源开发利用提供数据基础。

1 研究区概况

研究区位于武汉市北部谌家矶—武湖—阳逻区块，行政区划主要隶属于黄陂区、新洲区。其范围东至倒水河，西至滠水河，南至长江北岸，北至国道G318，面积约550 km2(图1)。研究区地形平坦开阔，地貌单元主要为冲湖积平原、冲积堆积平原、剥蚀堆积平原和剥蚀丘陵。地势起伏小，海拔高程一般在16～70 m。研究区属亚热带季风性湿润气候，具有常年雨量充沛、热量充足、四季分明的特点。年平均气温16.3 ℃，夏季平均气温28 ℃,冬季平均气温2～3 ℃。年降雨量约1 100～1 500 mm，雨季多在5—9月，枯季常在12月—次年3月[5，17-18]。武湖位于研究区中部，是研究区最主要的地表水系，其历史最大面积达237.0 km2，20世纪50年代初为121.2 km2，60年代后期减为55.2 km2，经过多次围垦后现有面积21.2 km2，平均容积5 915 m3，汇水面积约750 km2，2007年被世界自然基金会列为长江水生生物保护与可持续利用示范湖泊之一，2011年经农业部批准成立“武湖黄颡鱼国家级水产种质资源保护区”，2020年入选《武汉市第一批地名文化遗产保护名录》[19]。

图1 研究区交通位置图

2 数据与方法

2.1 数据与预处理

本次研究选择了1973—2019年间共12期覆盖研究区的LandSat影像数据，其中1975年之前影像采用LandSat-1数据；1975—1983年间影像采用LandSat-3数据；1984—2008年间影像采用LandSat-5数据；2009—2019年间影像采用LandSat-8数据。12期影像数据平均间隔约为4年，为了保证数据的可比性，尽可能选择每年10—12月间的遥感数据，且时相接近，影像数据具体信息如表1所示。运用ENVI软件，对影像进行了几何精校正、图像裁剪和图像增强等预处理。

表1 长江新城遥感影像信息

2.2 水体信息提取

本次研究运用归一化水体指数(NDWI)和面向对象图像分类的方法提取研究区水域信息，提取过程主要分为三个步骤。

(1)通过波段运算得到NDWI数据,以增强水体与非水体之间的反差，其计算公式为[20-21]：

式中：ρGreen为绿波段的反射率；ρNIR为近红外波段的反射率。对于LandSat-1和LandSat-3，分别代表波段1和波段3；对于LandSat-5分别代表波段2和波段4；对于LandSat-8分别代表波段3和波段5[5]。

(2)设计合理的阈值，采用面向对象图像分类的方法对NDWI数据进行分割与合并，完成对水体信息的提取，转换为矢量文件输出。

(3)在ArcGIS中，对提取的矢量结果进行目视校核和修改，确定水体的大小和空间形态，添加周长、面积等属性数据，生成水体矢量图层。考虑到LandSat-1和LandSat-3遥感数据分辨率较低，为了最为准确地获取研究区水域面积信息，避免因源数据分辨率差异而导致提取的矢量结果的偏差，本次研究仅对面积>0.025 km2(含坑塘和水库，不包括河流水面)的水域进行了提取。

2.3 水体变化指标计算

为了更准确地分析研究区水体在不同时期的相对变化情况，本文利用ArcGIS的空间分析和统计分析功能，计算水体变化总幅度、水体年变化幅度和水体变化指数，来定量分析区内水体面积变化趋势和相对强度[22]。

(1)水体变化总幅度表达式为：

L1=Ub-Ua

式中：L1为研究时段内水体变化总幅度，L1>0表示水体面积增加，反之，则减少；Ua、Ub分别为研究期初和研究期末的水体面积。

(2)水体年变化幅度表达式为：

L2=(Ub-Ua)/T

式中：L2为研究时段内水体年变化幅度；T为研究时段间隔年数。

(3)水体变化指数表达式为：

C=100×L2/Ua

式中：C为研究时段内水体变化指数；L2为研究时段内水体年变化幅度；Ua为研究期初的水体面积。

3 结果与分析

3.1 水域面积变化特征

利用前述的水体信息提取和水体变化指标计算方法，可以得到研究区1973—2019年间12个时期的水域面积分布图(图2)和水体变化的相关指标(表2，图3-图4)。由解译和计算结果可以看出，1973—2019年长江新城区内的水域面积总体呈减少趋势，其变化大致经历了3个阶段：

图2 长江新城水域面积逐年变化情况

图3 长江新城1973—2019年水域面积

图4 长江新城1973—2019年水域面积变化特征

表2 长江新城水域面积变化幅度和变化指数

(1)1973—1988年间，区内水域面积由1973年的69.53 km2快速萎缩至1979年的39.01 km2，年均减少5.09 km2。随后水域面积逐渐恢复，至1988年达到67.42 km2，总面积基本恢复至1973年水平，但水域碎片化程度增加。

(2)1988—2008年间，水域面积持续萎缩，从1988年的67.42 km2减少到2008年的47.26 km2，20年间减少了20.16 km2，年均减少1.08 km2，萎缩了29.9%。其中，武湖的面积由40.75 km2萎缩到28.12 km2，萎缩了31%。

(3)2008—2019年间，区内水域面积基本稳定在50 km2，略有波动。

3.2 水域面积变化影响因素分析

通过查阅相关历史资料，将区内水域面积的变化情况与武汉市的年降水量、年蒸发量、户籍人口和生产总值(GDP)数据进行对比[23]，从而对区内的水域面积变化进行影响因素分析。

3.2.1气候变化对长江新城水域面积变化的影响分析

气候变化是地表水面积变化不可忽视的影响因素。一方面，降水是地表水最直接的水量补给来源，对地表水的演化至关重要。另一方面，蒸发作用的强弱也对地表水量产生重要影响，蒸发作用增强、蒸发量升高会致使地表水量的减少[5]。图5和图6分别为长江新城水域面积与武汉市年降水量及年蒸发量变化趋势图。从图中可以看出：1973—1988年，武汉市年降水量变化幅度明显大于年蒸发量，且与长江新城水域面积的变化呈明显的正相关；1988年之后，二者相关性明显减弱，部分年份降水量的增加，使得区内水域面积有所增加(如1998年、2013年)，但部分年份出现了降水量增加，而水域面积减少(如1993年)或者降水量减少，而水域面积增大(如2017年)的现象，说明1988年以后气候变化因素已不再是影响长江新城水域面积的唯一因素。

图5 长江新城水域面积和武汉市年降水量变化趋势图

图6 长江新城水域面积和武汉市年蒸发量变化趋势图

3.2.2人类活动对长江新城水域面积的影响分析

人口的显著增加，尤其是工农业发展以及房地产建设等人类活动将会使得湖泊水域面积显著减少[5]。本次研究选择户籍人口、地区生产总值(GDP)作为人类活动的主要表征，分别对1973—2019年间长江新城水域面积变化与武汉市户籍人口、地区生产总值(GDP)的关系进行制图，结果如图7和图8所示。1973—1988年间，长江新城水域面积快速萎缩后迅速恢复，而武汉市户籍人口和GDP均呈缓慢增长趋势，因此，期间的长江新城水域面积变化与人类活动因素相关性并不显著，人类活动影响主要表现为围湖造田、围湖养殖造成了区内水体碎片化加剧；1988—2008年，长江新城水域面积持续萎缩，而武汉市户籍人口和GDP呈持续增长趋势，且GDP增速自1988年开始有明显提高，二者呈较为明显的负相关。

图7 长江新城水域面积和武汉市户藉人口变化趋势图

图8 长江新城水域面积和武汉市GDP变化趋势图

3.2.3相关性分析

前述资料表明，长江新城水域面积变化在不同时期受不同因素的影响，通过相关性分析，可以更好地了解水域面积变化与不同因素之间的相关性情况(相关系数绝对值越大，表明变量之间的线性相关程度越高)[24]。由表3相关性分析结果可知，1973—1988年间，长江新城水域面积变化与年降水量呈强相关，与武汉市户籍人口和地区生产总值(GDP)呈弱相关，说明其主要受气候因素影响，人类活动影响较小；1988—2008年间，长江新城水域面积变化与年降水量和年蒸发量呈弱相关，与武汉市户籍人口及武汉市地区生产总值(GDP)呈强相关，说明其主要受人类活动影响；2008—2019年间，长江新城水域面积与武汉市年蒸发量及地区生产总值呈强相关，与年降水量、户籍人口呈一般相关，说明人类活动影响有所减弱。

表3 长江新城水域面积与影响因素之间的相关性分析

4 结论

本文在充分收集长江新城历史遥感影像数据的基础上，对1973—2019年间长江新城区内水域进行了12期次的动态监测，总结了其演化趋势，并对变化影响因素进行了讨论和相关性分析，主要结论如下：

(1)1973—1988年，长江新城的水域面积由69.53 km2快速萎缩至39.01 km2后逐渐恢复至67.42 km2，该变化主要受气候因素(降水量、蒸发量等)影响，人类活动影响主要表现为围湖造田、围湖养殖等行为，其导致区内水体碎片化加剧；

(2)1988—2008年，长江新城的水域面积持续萎缩，从1988年的67.42 km2减少到2008年的47.26 km2，萎缩了29.9%。该变化与武汉市户籍人口及地区生产总值均呈强相关，与年降水量、年蒸发量等气候指标呈弱相关，说明该阶段水域面积萎缩主要受人类活动影响；

(3)2008—2019年，长江新城的水域面积稳定在50 km2左右，人类活动影响减弱，主要原因是政府加强立法和湖泊管理体系的完善。2002年随着《武汉市湖泊保护条例》(2010年进行了修改)的出台实施，从法律和制度层面约束了人工填湖行为，有力地制止了武汉市的填湖活动。

在长江新城总体规划中，武湖作为城市水库对长江新城的生态环境起着至关重要的作用，在长江新城的建设开发过程中，需要政府相关部门和城市居民在法律和制度的框架下，结合武湖的自然条件、空间展布等特点，从湖泊发展规划角度做好武湖的中长远发展规划。通过开展城市湖泊主题公园、风景区和湖泊生态保护区的建设，促进武湖资源开发和长江新城建设相互协调发展。