基于衛星遙感的洞庭湖水體面積變化及與水文的相關性*

黃菊梅，韓沁哲，姚 晟，蔣 帥，黃海波

(1.湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118)

0 引言

洞庭湖位于湖南省北部，長江荊江河段以南，與長江干流直接相連，屬典型的吞吐調蓄性湖泊，水體面積季節性變化較為明顯。隨著全球氣候變化的加劇和三峽工程階段性蓄水完成和運行，洞庭湖區水文特征以及江湖關系發生諸多變化。水體分布面積廣，且常分布于難以通達的區域，難以采用常規測繪方法測定其面積及分布格局[1]。因開展湖泊濕地生態環境監測與保護工作的迫切需要，利用衛星遙感監測方法已成為水體環境監測的重要手段之一[2]。遙感技術具有監測范圍廣、信息更新速度快、周期短、獲取的信息量大以及節省人力、物力，人為因素的干擾少等特點[3]。王威等[4-5]分析1994—2017年高分辨率Landsat影像，認為洞庭湖水體經歷了擴張—萎縮的變化過程，同時洞庭湖1989—2018年水體年平均面積具有較大波動，總體處于縮減趨勢。李景剛等[6]利用2000—2008年MODIS數據研究表明，受氣候變化與三峽工程初期運行等因素的共同影響，洞庭湖區水域面積總體上呈現出一定程度的下降趨勢。

如何將遙感數據分析與地面水文數據有效結合，是需要關注的重點問題[7]。唐崗[8]構建了基于遙感大數據的流域洪水預報模型，彭定志等[9]建立了基于MODIS和GIS的洪災監測評估系統,該系統在我國洪水監測評估中具有廣闊的應用前景，張璐等[10]針對部分地區缺乏河流水量實測資料的問題，提出一種基于Landsat遙感影像的河道水量估算方法。本文通過對近年洞庭湖水體衛星遙感面積變化及與水文的相關性研究，掌握洞庭湖水體面積分布現狀及動態變化，了解三峽工程建成后洞庭湖水體年最大面積的變化趨勢，為湖區防災減災和生態環境保護等方面提供重要的科學依據。

1 資料來源

本文洞庭湖水體(裸水)遙感監測面積(簡稱洞庭湖水體面積，下同)來源于湖南省生態氣象和衛星遙感中心、國家衛星氣象中心遙感應用室。水文數據來源于湖南省水文水資源勘測局，分別用城陵磯、益陽、常德水位站水位和流量來表征岳陽市、益陽市、常德市的水文狀況。

2 結果分析

本文收集2006年1月—2020年7月洞庭湖水體面積樣本133個(表1)，其中2015年7月—2020年7月為包括岳陽市轄區、岳陽縣、華容縣、湘陰縣、汩羅市、常德市轄區、漢壽縣、安鄉縣、益陽市轄區、沅江市、益陽縣、南縣等精細化洞庭湖水體面積樣本49個。2006年1月—2018年3月期間除2017年7月2日為FY-3MERSI資料外，其余均為EOS-MODIS資料，2018年4月—2020年7月期間為FY-3B/MERSI、FY-3C/VIRR、FY-3D/MERSI、Sentinel-1、GF-3/SAR資料。

表1 2006—2020年樣本個數對應年份Tab.1 The corresponding years of the number of samples from 2006 to 2020

2.1 洞庭湖水體面積的變化特征

洞庭湖北有分泄長江水流的松滋、太平、藕池三口，東、南、西有湘、資、沅、澧四水直接灌注入湖，形成不對稱的向心水系，素有“洪水一大片，枯水幾條線”之說。同時眾水匯聚湖中，僅有城陵磯一口流出至長江，因而洪水停蓄時間長。

2006年1月—2020年7月洞庭湖水體面積樣本標準差為530.30，最大值為2 490.66 km2，出現在2020年7月22日；最小值為361.00 km2，出現在2011年5月19日。洞庭湖水體面積最大值為最小值的6.9倍，因此，洞庭湖水體面積離散程度較高且變幅大，這也體現了洞庭湖巨大的蓄洪能力。

圖1中，2015年7月—2020年7月49個樣本均值中，位于東洞庭湖的岳陽市水體面積最大，占洞庭湖水體面積的68.62%，其中岳陽縣為34.89%，湘陰縣為17.35%，市轄區為10.55%，汨羅市為5.25%，華容縣為0.58%；位于南洞庭湖的益陽市水體面積次之，占洞庭湖水體面積的25.77%，其中沅江市為23.52%，南縣為1.39%，益陽縣為0.83%，市轄區為0.03%；位于西洞庭湖的常德市水體面積最小，占洞庭湖水體面積的5.61%，其中漢壽縣為5.57%，安鄉縣為0.03%，市轄區為0.01%。因此，岳陽縣、沅江市、湘陰縣水體面積合計占洞庭湖水體面積的75.76%，為洞庭湖水體主要分布縣市。

圖1 洞庭湖各市水體面積變化Fig.1 The changes of the water area in each city of Dongting Lake

岳陽縣、沅江市、湘陰縣水體面積與洞庭湖水體面積相關系數達0.95～0.98，岳陽市轄區、華容縣、汨羅市、漢壽縣、南縣水體面積與洞庭湖水體面積相關系數為0.78～0.84，益陽縣水體面積與洞庭湖水體面積相關系數為0.05。因此，占比越大的縣市，其水體面積與洞庭湖水體面積相關性越大。

2.2 洞庭湖水體面積與水文的關系

2010年10月26日，三峽工程首次達到設計水位175 m，標志著這一世界最大水利樞紐工程的防洪、發電、通航、供水等各項功能都可達到設計要求。圖2中，2010—2020年洞庭湖水體面積年最大值呈增大趨勢，達到0.05顯著性檢驗水平，表明最近11 a洞庭湖水體面積年最大值顯著增大。2010—2020年洞庭湖水體面積年最大值與城陵磯年最高水位線性相關系數為0.92，表明二者顯著相關。洞庭湖水體面積年最大值出現時間與城陵磯年最高水位出現時間有9 a相差0～10 d。另外，城陵磯年最高水位呈增加趨勢但不顯著。

圖2 2010—2020年洞庭湖水體面積逐年最大值與城陵磯年最高水位變化Fig.2 Changes of annual maximum water area in Dongting Lake and annual maximum water level in Chenglingji Lake from 2010 to 2020

圖3中，2006年1月—2020年7月洞庭湖水體面積與城陵磯水位線性相關系數為0.95，與常德、益陽水位線性相關系數為0.79、0.83。因此，洞庭湖水體面積與城陵磯水位相關性最密切。城陵磯水位變幅達13.96 m，最大值為34.47 m，出現在2020年7月22日，當日洞庭湖水體面積最大；最小值為20.51 m，出現在2008年1月1日，當日洞庭湖水體面積為497.00 km2。

圖3 洞庭湖水體面積與各市水位變化Fig.3 Changes of water area of Dongting Lake and water level of each city

圖4中，城陵磯流量標準差為6 790.78，最大值為42 200.00 m3·s-1，出現在2017年7月2日；最小值為1 580.00 m3·s-1，出現在2009年12月28日，最大流量為最小流量的26.71倍。因此，城陵磯流量離散程度巨大且變幅極大，充分體現出城陵磯流量受洞庭湖來水漲落和長江干流頂托影響的特征。洞庭湖水體面積與城陵磯流量線性相關系數為0.86，達到0.001顯著性檢驗水平。

圖4 洞庭湖水體面積與城陵磯流量變化Fig.4 Changes of Dongting Lake Water Area and Chenglingji Discharge

2.3 洞庭湖水體面積與長江水文模型

宋求明等[11]通過對各水文站點的比較分析，得出城陵磯、岳陽、鹿角站等靠近洞庭湖入江口的水文站點,其面積—水位曲線的擬合相關性較高。在對2006年1月—2020年7月133個洞庭湖水體面積樣本與城陵磯水位進行指數、線性、對數、冪以及多項式等曲線擬合后發現，4階多項式曲線擬合相關性最優，擬合優度判定系數為0.92(圖5)。多項式趨勢模型為：

圖5 洞庭湖水體面積與城陵磯水位曲線擬合Fig.5 Curve fitting between the water area of Dongting Lake and the water level of Chenglingji

y=0.1635x4-17.812x3+725.44x2-12953x+85751

(1)

采取上述同樣的方法對洞庭湖水體面積與城陵磯流量進行曲線擬合，6階多項式曲線擬合相關性最優，擬合優度判定系數為0.77(圖略)。因此，洞庭湖水體面積與城陵磯水位擬合模型優于流量擬合模型。

3 結論

①洞庭湖水體面積變幅大。岳陽縣、沅江市、湘陰縣水體面積合計占洞庭湖水體面積的75.76%。占比越大的縣市，其水體面積與洞庭湖水體面積相關性越大。

②2010—2020年洞庭湖水體年最大面積顯著增大且與城陵磯年最高水位顯著相關。洞庭湖水體面積與城陵磯水位的相關性高于常德、益陽水位。

③城陵磯流量變幅極大，充分體現出城陵磯流量受洞庭湖來水漲落和長江干流頂托影響的特征。

④洞庭湖水體面積與城陵磯水位進行指數、線性、對數、冪以及多項式等曲線擬合后發現，4階多項式曲線擬合相關性最優。

⑤洞庭湖水體面積與城陵磯水位擬合模型優于流量擬合模型。

4 討論

①2007年7月26日EOS-MODIS資料中，東洞庭湖西北部由于受到云的干擾，水體判識受到影響，我們采取了改變閾值的方法分步計算出水體的面積。2012年7月22日EOS-MODIS資料中，因西洞庭有云遮蓋，故利用FY-3監測結果進行結果對比矯正。2020年7月21日GF-3/SAR資料中，未能覆蓋常德范圍內所有洞庭湖水體，西洞庭湖水體判識面積可能受此影響偏小。而2020年7月22日10時FY-3C/VIRR資料中，雖然洞庭湖水體面積較14日16時增大54.50 km2，但西洞庭湖水體面積減少，主要有兩方面原因：一是西洞庭常德站水位從36.79 m下降到35.15 m，下降了1.64 m，二是常德洞庭湖水體面積主要分布在漢壽縣，22日衛星過境時漢壽縣有云覆蓋，導致部分水體面積未能較好地判識。因此，不同的衛星/儀器、算法、分辨率以及天氣條件對洞庭湖水體面積會產生一定的影響。

② 2020年7月14日FY-3B/MERSI數據中，洞庭湖水體面積243 9.89 km2；14—18日白天，洞庭湖區以晴熱天氣為主，18日Sentinel/SAR數據中，洞庭湖水體面積為232 6.26 km2，減小了113.63 km2；18日夜間—19日白天洞庭湖區普降暴雨，面雨量達50 mm以上，20日洞庭湖區云系較多，大部分縣市出現了小雨，21日受副高控制，洞庭湖區為晴熱高溫天氣，21日GF-3/SAR數據中，洞庭湖水體面積為243 6.16 km2，較18日增加了109.90 km2。因此，洞庭湖區強降水對洞庭湖水體面積影響較大。

③洞庭湖是典型的吞吐調蓄性湖泊，江湖關系復雜，洞庭湖水體面積受降水、長江和四水來水、三峽水運行、天氣條件等的共同影響，既有自然因素，也兼具人為因素。因此，庭湖水體面積處于復雜動態變化之中。