使用多种方法估算湖泊储水量变化时得到的结果存在差异：揭示这些差异并分析其背后的机制

《Journal of Hydro-environment Research》：Different outcomes in estimating lake storage changes using multiple schemes: unveiling discrepancies and analyzing underlying mechanisms

摘要卫星高程数据可有效提升地形重建精度并激活A-V-H曲线法，但经验公式法存在11%-17%的系统性偏差，且A/H驱动方案结果差异显著，源于湖面高程基准不一致。分隔符

　　近年来，卫星测高技术的快速发展促使研究人员越来越多地采用基于湖泊面积和湖泊水面高度的实证公式来估算湖泊储水量的变化。这种方法因其高效性而受到广泛欢迎，但在实践中也暴露出一些局限性。本研究以中国内蒙古高原的达里诺尔湖为例，对估算湖泊储水量变化的六种实证公式方案和面积-体积-高度（A-V-H）曲线法进行了系统比较，深入探讨了不同方案间估算结果差异的潜在机制。研究发现，通过卫星测高技术获取的间歇性淹没区的高程数据，能够显著提升地形重建的效率，并重新激活A-V-H曲线法的应用。与A-V-H曲线法的估算结果相比，实证公式法的估算结果存在约11%至17%的高估现象。即使在使用相同地形数据的情况下，A驱动的方案估算结果仍明显高于H驱动的方案。这些估算结果的差异主要源于各方案中基准平面的设定不同，而湖泊表面的不均匀性导致了基准平面的选择对结果产生重要影响。A驱动的方案更容易高估湖泊储水量，而H驱动的方案理论上更接近真实值。本研究揭示了当前湖泊储水量变化估算方法的局限性，并强调了结合湖泊水面和沿岸地形数据的重要性。研究成果有助于用户更科学地选择估算方案，从而提升湖泊水资源管理的精度和效率。

湖泊在地球水循环中扮演着至关重要的角色，不仅为人类提供淡水资源，还在调节气候、碳储存和维持生物多样性方面发挥着重要作用。湖生态系统具有较强的恢复能力，是更大生态系统稳定性的基础。然而，过去几十年来，湖泊的动态变化受到了人类活动和气候变化的显著影响，导致许多湖泊的面积和水位发生明显变化。这种变化趋势在全球范围内愈发严重，尤其是在干旱地区和高原湖泊中，湖泊的萎缩问题引起了学者和政府机构的广泛关注。为了更好地理解和应对这些变化，对湖泊储水量变化的准确估算显得尤为重要。湖泊储水量变化（LSC）的估算对于水资源管理、生态监测和气候变化研究具有重要意义，它能够帮助科学家和决策者评估湖泊的健康状况，并制定相应的保护和利用策略。

传统的湖泊储水量变化估算方法主要依赖于水文观测，通过收集湖泊水位和岸线变化的数据来计算储水量的变化。这种方法虽然精度较高，但存在诸多限制。例如，水文观测需要大量的人力和物力投入，时间成本较高，难以实现长期、高频和大范围的监测。此外，对于湖泊长期变化的准确描绘也面临挑战，尤其是在湖泊形态发生显著变化的情况下，传统方法的适用性受到限制。随着遥感技术的发展，特别是卫星遥感技术的广泛应用，提供了更为便捷和高效的手段来监测湖泊的变化。遥感技术能够在全球范围内提供连续、高频和长期的观测数据，使得湖泊储水量变化的估算变得更加可行。

基于遥感数据的湖泊储水量变化估算方法主要包括两种：A-V-H曲线法和实证公式法。A-V-H曲线法需要湖泊的地形数据，而实证公式法则不需要。对于拥有地形数据的湖泊，可以通过湖泊面积、体积和水面高度之间的关系来估算储水量变化。然而，获取湖泊地形数据是一个耗时且复杂的过程，通常需要地面调查或高精度遥感数据的支持。因此，这种方法的应用范围相对有限，仅适用于少数湖泊。相比之下，实证公式法基于湖泊形态的假设，如金字塔形或规则形态，利用湖泊面积和水面高度数据进行估算。由于这些数据相对容易获取，实证公式法在实际应用中更为广泛。特别是在湖泊面积和水面高度数据可得的情况下，这种方法能够快速提供估算结果，从而满足对湖泊变化的实时监测需求。

尽管实证公式法在效率方面具有明显优势，但其应用过程中也存在一些问题。首先，A-V-H曲线法虽然在理论上更为严谨，但由于其对地形数据的依赖，使用率相对较低。其次，目前的研究往往缺乏对不同方法之间的比较，未能明确不同方案的估算结果是否趋于一致，以及哪种方法在精度上更具优势。更重要的是，不同估算方案之间的差异产生的原因尚未得到充分探讨。这些研究空白限制了对湖泊储水量变化估算方法的全面理解和优化。因此，有必要对不同估算方法进行系统比较，分析其适用性、精度和局限性，以期为湖泊水资源管理提供更为科学的依据。

本研究选取了位于中国内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗西部的达里诺尔湖作为案例。该湖具有典型的海马形地貌，是一个封闭的高原内陆咸水湖，地理坐标为北纬43°13′37″至43°23′21″，东经116°29′54″至116°44′12″。在2000年之前，该湖的表面积超过了220平方公里，最大深度达到11米。达里诺尔湖地处温带大陆性气候区，气候相对干燥，湖泊的水文变化较为显著。近年来，由于气候变化和人类活动的影响，该湖的水位和面积均发生了明显变化，为本研究提供了丰富的数据支持。

为了全面评估不同估算方法的适用性和精度，本研究设计了一系列比较实验。实验包括六种基于实证公式的方法和一种A-V-H曲线法。通过对比这些方法的估算结果，研究人员能够识别出不同方法之间的差异，并探讨这些差异背后的机制。研究发现，利用卫星测高技术获取的间歇性淹没区的高程数据，可以显著提升地形重建的效率，从而增强A-V-H曲线法的应用价值。此外，实证公式法的估算结果与A-V-H曲线法存在显著差异，其中A驱动的方案估算结果明显高于H驱动的方案。这种差异主要源于湖泊表面的不均匀性，以及不同方法在基准平面设定上的不同。湖泊表面并非完全水平，而是存在一定的起伏变化，尤其是在较大湖泊中，这种不均匀性更为显著。因此，基准平面的选择对估算结果产生重要影响，A驱动的方案由于其对湖泊表面变化的敏感性，更容易出现高估现象，而H驱动的方案则在理论上更接近真实值。

本研究的结果表明，当前湖泊储水量变化估算方法存在一定的局限性。首先，实证公式法虽然在效率上具有优势，但其估算结果与A-V-H曲线法相比存在一定的偏差，这可能会影响对湖泊变化的准确理解。其次，A-V-H曲线法虽然在理论上更为严谨，但由于其对地形数据的依赖，使用率相对较低。此外，不同估算方案之间的差异尚未得到充分解释，这使得研究人员在选择估算方法时缺乏明确的依据。因此，有必要进一步研究不同方法的适用条件和精度差异，以期为湖泊储水量变化的估算提供更为科学的指导。

在实际应用中，湖泊储水量变化的估算方法需要根据具体条件进行选择。对于拥有高精度地形数据的湖泊，A-V-H曲线法可能是一个更为可靠的选择，因为它能够更准确地反映湖泊的体积变化。然而，对于缺乏地形数据的湖泊，实证公式法则是一种可行的替代方案。这种方法能够在不依赖地形数据的情况下，利用卫星遥感技术获取的湖泊面积和水面高度数据进行估算，从而满足对湖泊变化的快速监测需求。然而，实证公式法的估算结果可能存在一定的偏差，尤其是在湖泊形态不规则的情况下，其假设条件可能无法完全满足，从而影响估算的准确性。

本研究的结果对于湖泊水资源管理具有重要的指导意义。首先，它揭示了不同估算方法之间的差异及其背后的原因，有助于研究人员更全面地理解湖泊储水量变化的估算机制。其次，它强调了结合湖泊水面和沿岸地形数据的重要性，这为未来的研究提供了新的方向。通过获取更为全面的地形数据，研究人员可以进一步优化A-V-H曲线法，提高其估算精度，从而更好地反映湖泊的实际变化情况。此外，本研究还表明，尽管实证公式法在效率上具有优势，但其估算结果仍需谨慎对待，特别是在湖泊形态不规则或水文变化显著的情况下。

总体而言，本研究通过对不同估算方法的比较分析，揭示了当前湖泊储水量变化估算方法的局限性，并强调了结合多源数据的重要性。研究结果不仅有助于提高湖泊储水量变化估算的准确性，还为未来的研究提供了新的思路和方法。随着遥感技术的不断发展，获取高精度地形数据的能力将不断提升，这将为A-V-H曲线法的应用提供更为坚实的支撑。同时，实证公式法的优化和改进也将有助于提高其在实际应用中的可靠性。通过综合运用多种方法，研究人员可以更全面地了解湖泊的变化情况，从而为湖泊水资源的科学管理和保护提供更为坚实的理论基础和技术支持。