近30年青藏高原可可西里盐湖面积动态变化及其影响因素分析

郭子瑛,廖中平,刘宝康,徐正东,刘 铭

(1. 长沙理工大学交通运输工程学院,湖南 长沙 410004; 2. 天水师范学院资源与环境工程学院,甘肃 天水 741000)

青藏高原湖泊是全球气候变化的敏感指示器。处于青藏高原腹地的青海可可西里,由于地势极高,气候干冷,自然环境恶劣,人类活动较少[1],因此湖泊的扩张与萎缩可以直接反映出全球气候变化。对湖泊的长期监测也可以直接促进青藏高原水循环及全球水循环研究。

近年来,许多学者依靠遥感手段对难以获得实测数据的青藏高原地区的湖泊进行研究。如文献[2]利用卫星影像,对青藏高原近30年的湖泊变化进行清查和跟踪;文献[3]提出一种综合多种水体指数的青藏高原水体提取方法,从时空变化趋势上分析了青藏高原湖泊面积动态变化;文献[4]初步探查青藏高原的湖泊数量、面积及水位变化,研究时空格局和湖泊变化对气候的响应。基于此,很多学者研究探讨了青藏高原地区湖泊变化的影响因素,如文献[5]从植被覆盖度和气候的角度分析了近30年青藏高原湖泊面积变化;文献[6]认为降水量是青藏高原湖泊面积变化的主要驱动因子;文献[7]分析了可可西里地区湖泊动态变化主要与气候变化有关。在众多湖泊中,盐湖的扩张也得到很多研究者的关注。文献[8]从水量平衡角度分析出盐湖扩张的主要成因是区域降雨量显著持续增加,其次是气温升高消融水量增加;文献[9]指出气候暖湿化和卓乃湖溃堤是其面积增大的主要原因。

2011年9月卓乃湖发生溃堤[10-11],导致盐湖面积迅速扩张,盐湖的扩张不仅吞噬周边的草地植被,并且逐渐融化、软化流经的冻土,对青藏铁路和青藏公路的正常运行产生干扰。自2020年可可西里盐湖的引流工程[12]完工后,盐湖面积的急速扩张得到有效遏制。但运用多源卫星资料对盐湖进行连续、长期的监测与研究仍然是工作重点[13]。

本文以可可西里盐湖为研究对象,针对引流前后的面积变化进行统计分析,并从气候和冰川融水的角度分析其影响因素,以期对长江上游的环境保护和青藏铁路、青藏公路的安全保障提供理论依据[14],为湖泊水体的长期监测与研究提供决策支持。

1 研究数据及预处理

1.1 研究区概况

可可西里盐湖又称68道班盐湖,位于青海省玉树藏族自治州治多县西部、昆仑山脉南侧,可可西里国家级自然保护区东北部。盐湖地处可可西里腹地,平均海拔在4400 m以上,为昆仑山南部新生代山间构造断陷盆地中的次一级封闭洼地。盐湖西北部自西向东依次为卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖,4个湖泊均为内流湖,原来相对封闭且独立,降水时四周河流汇入各自湖区进行蒸发消耗。自2011年9月卓乃湖发生溃决后,4个湖泊建立了水力联系[15-16],外泄水自西向东流经库赛湖和海丁诺尔湖,最后集中汇入盐湖。

1.2 数据来源

本文所采用的Landsat数据源于美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS),采集的数据为30 m分辨率的Landsat 5和Landsat 7数据。高分一号来源于中国资源卫星应用中心陆地观测卫星数据服务平台,采集的数据是空间分辨率为16 m的宽幅相机(WFV)传感器影像。

2 研究方法

2.1 研究路线

以青海青藏高原腹地中可可西里盐湖为研究区域,首先运用多源遥感监测手段对近30年来盐湖面积的变化进行监测,并分析湖泊面积变化规律和特点,建立1990—2021年的年际变化曲线;然后分析湖岸线的历年变化,建立相关变化关系;最后结合湖泊面积和湖岸线变化,分析盐湖面积变化的成因,建立影响因素与面积变化的相对动态关系并进行相关性分析,为可可西里盐湖面积的监测提供决策支持。技术路线如图1所示。

图1 技术路线

2.2 水体提取

为更好地突出水体,选取基于归一化水体指数(normalized difference water index,NDWI)[17-18]进行水体提取,计算公式为

(1)

式中,ρGreen为绿光波段;ρNIR为近红外波段。基于式(1)通过波段组合进行水体提取。

3 结果与分析

3.1 盐湖面积动态变化特征

经过对数据进行水体自动提取与目视解译,统计分析出近30年盐湖年际面积动态变化,如表1和图2所示。

表1 不同时段的面积增长变化

图2 1990—2021年盐湖年际面积变化

由表1和图2可知,1990—2020年,可可西里盐湖的面积增大了178.535 km2,变化速率为15.1%,并于2020年达到216 km2。第1时段的1990—2011年盐湖面积总体趋于稳定,22年间变化不大。之后由于2011年9月卓乃湖发生溃决,第2时段盐湖面积显著增大,由2011年的45.2 km2扩大至2013年的141.77 km2,3年间面积扩张了96.57 km2。第3时段自2013—2017年盐湖面积缓慢增长,5年间面积增长20.048 km2。而第4时段自2017—2020年,相对于第3时段则迅速增长,并且已经突破了200 km2,2020年针对可可西里盐湖的引流工程完工后,盐湖面积得到有效控制,并于2021年面积下降为191.145 km2。

3.2 盐湖湖岸线变化特征

如图3所示,1990—1995年盐湖面积有所减小,盐湖湖岸线在西北方向与西南方向有所缩小;自1995年后,由于盐湖面积开始以不同速率增大,因此盐湖湖岸线也在发生变化。其中,2010—2012年湖岸线变化尤为明显,湖岸线在东南部和西南部显著向外扩张;2012—2015年,在东南部又一次向外扩张;2015—2020年,盐湖的湖岸线开始稳步扩张,而且最大的变化是盐湖东部由以前伸入湖中央的半岛变为孤岛。

图3 1990—2020年盐湖湖岸线变化

3.3 湖泊面积的变化成因分析

3.3.1 气候影响因素

根据青海省气象数据网中五道梁站点气象数据,分别统计了1990—2020年五道梁站点的降水量、气温和日照时长等数据。

由图4可知,近30年来可可西里地区年平均气温呈不断上升趋势,以0.03℃/a的速度上升;年平均最高气温以0.05℃/a的速度上升,年平均最低气温以-0.07℃/a的速度上升,并且自2008年以来,年平均气温值都大于多年平均气温值。由图5可知,30年来可可西里地区年日照时长波动较大,1990—2020年以22.71 h/a的速率减少,由1990年的3049.9 h减小到2020年的2346.1 h。而近30年来降水量总体呈不断增大趋势,1990—2020年以不同速率增大,由1990年的247.1 mm到2020年的427.8 mm,尤其是2015年以51.7 mm/a的速率迅速增大,并且于2018年降水量达到近30年最大值(495.7 mm)。

图4 1990—2020年气温年际变化曲线

图5 1990—2020年降水-日照时长变化曲线

3.3.2 冰川融水影响因素

通过提取1990、2000、2010—2020年的冰川数据,并结合全国第二次冰川编目[19],分析得出该流域的冰川面积。如图6所示,自1990—2020年,盐湖流域的冰川面积增多12.888 km2,并且在研究时序内波动幅度较大。

图6 1990—2020年冰川面积变化曲线

3.3.3 相关性分析

通过分析气候因子和冰川融水与盐湖面积的相关性(见表2),可知盐湖的面积与降水的相关性为0.405,通过了0.05显著性相关关系;面积与气温的相关性为0.563,通过了0.01显著性相关关系;盐湖的面积与日照时长的相关性为0.08,呈弱相关关系;与冰川融水的相关性为0.299,呈弱相关关系。

表2 相关性分析

4 结 论

(1)分析得出盐湖的面积共经历了4个时期:缓慢增大(1990—2011年)、急剧增大(2011—2013年)、稳定增大(2013—2017年)、快速增大(2017—2020年)。自1990—2020年近30年盐湖的面积增大了178.535 km2,变化速率为15.1%,并于2020年达到了216 km2。

(2)自2020年可可西里盐湖的引流工程完工后,其面积在2021年缩小至191.145 km2,盐湖面积得到了有效的遏制。

(3)盐湖湖岸线也有所变化,在1990—1995年,盐湖湖岸线在西北方向与西南方向有所缩小,自1995年后,盐湖湖岸线开始有所扩张,以2012年尤为明显,在东南部和西南部有着显著的向外扩张,2012年之后,盐湖湖岸线开始稳步扩张,而且最大的变化是盐湖东部由以前伸入湖中央的半岛变为孤岛。

(4)针对盐湖扩张成因从气候因子和冰川融水两方面进行分析,得出面积与降水、气温呈显著相关关系,与日照时长和冰川融水呈弱相关关系。

(5)盐湖面积的迅速扩张虽然在2020年之后得到有效控制,但对其进行监测仍然具有重要意义。