监测印度喜马偕尔邦Pong水库的双季节水文动态

《Frontiers in Remote Sensing》：Monitoring the dual-season hydrological dynamics of the Pong reservoir in Himachal Pradesh, India

水文条件对自然和人文生态系统至关重要。本研究基于1994—2024年Landsat多光谱影像，采用改进型归一化差异水体指数（MNDWI）分析Pong水库双季（预雨季和雨季）水文动态，揭示其空间特征。研究发现：水库水域面积在预雨季和雨季分别减少至88.49 km2和212.13 km2，且高水文一致性区域占比显著下降；相对水深呈现持续下降趋势，相关系数达0.74—0.92；边缘区域因泥沙沉积和降雨减少导致水文脆弱性加剧，影响生态稳定性。该成果为Ramsar湿地管理提供量化依据。

　　水库的水文状况在自然生态系统和人类生态系统中都起着至关重要的作用。本研究聚焦于庞格水库在雨季和雨季后两个季节的水文动态变化，并利用1994年至2024年期间采集的Landsat多光谱影像，对水文一致性及相对水深的空间特征进行分析。通过将30年的数据划分为三个阶段，研究旨在评估水文变化的趋势及其对水库长期功能的影响。研究结果表明，MNDWI（改进型归一化水体指数）在水库水覆盖面积的映射中表现出色，揭示了水库在雨季和雨季后表现出显著的季节性波动，其中36.18平方公里的区域具有明显的季节性特征。此外，研究还发现，在雨季前的阶段中，高水文一致性的区域面积从1994-2004年的120.54平方公里减少到2015-2024年的88.49平方公里。变化矩阵显示，从第一阶段到第二阶段，水文一致性类别中从较高向较低转变的区域面积为10.62平方公里；从第二阶段到第三阶段，这一转变区域进一步扩大至51.97平方公里。同时，研究采用空间线性趋势模型分析了水库的相对水深变化，发现其在两个季节均呈现下降趋势，并且水深减少具有可量化的特征。此外，研究还探讨了季节性降雨和沉积物对庞格水库水文动态的影响。这些发现对于制定有效的保护政策具有重要参考价值，特别是在维护这一重要的拉姆萨尔湿地的生态完整性方面。

水库的水文特性与自然湿地如河流和湖泊存在显著差异。自然湿地的水补给主要依赖于降雨和河流泛滥，但由于其排水系统通常不够完善，导致水体长时间保持静止状态。相比之下，人工水库往往具备更有效的排水系统，虽然它们接收水源来自自然系统，但其排水受到管理机构的严格调控，从而形成高度控制的水资源管理体系。这种调控导致水库的水位波动频率、幅度和持续时间与自然湿地存在明显区别。这些独特的水文特征对湿地生态系统的健康产生了深远影响。例如，水库的浅水深度和有限的水面面积使其生态系统较为脆弱，生态适应性较差。因此，深入理解水库的水文特性不仅是技术性的需求，更是制定可持续管理策略、确保其作为重要环境资源长期稳定运行的关键前提。

近年来，遥感技术的进步极大地提升了对地表水体动态的监测能力。与传统的实地测量相比，遥感技术能够以更高的空间和时间分辨率持续地对地球表面进行观测，提供更加准确和可靠的信息。因此，许多研究人员将遥感数据应用于水资源管理领域，以制定可持续的管理方案。在水体识别方面，多种光谱水体指数已被广泛用于从多光谱卫星影像中区分水体和非水体区域。这些指数包括归一化水体指数（NDWI）、改进型归一化水体指数（MNDWI）、再改进型归一化水体指数（RmNDWI）等。然而，这些水体指数在不同地区的适用性和有效性存在差异。考虑到这一因素，本研究尝试采用多指数方法，并通过验证过程选择最合适的水体指数进行进一步分析。

庞格水库位于印度北部的喜马拉雅山地，是印度最大的人工湿地之一，也是重要候鸟迁徙路线上的关键节点。该水库于1994年被列为国家重要湿地，并于2002年被纳入拉姆萨尔公约保护体系。其水文特征与周边生态环境密切相关，因此对水库水文状况的分析对于理解其生态功能具有重要意义。为了更好地分析水库的水文变化，本研究收集了1994年至2024年间共计170幅多时相的Landsat卫星图像（Level-2），用于雨季和雨季后的水体覆盖面积提取。这些图像均来自美国地质调查局（USGS）的Earth Explorer网站，并通过地理信息系统（GIS）软件进行了必要的校正处理，以提升数据的可用性。

为了评估不同水体指数的准确性，研究采用了图像验证和点验证两种方法。其中，图像验证通过将实际的水体覆盖面积（使用Google Earth图像的多边形方法进行提取）与水体指数提取的面积进行对比。点验证则选取了2004、2014和2020年期间的132至150个水库站点，并结合2024年的实地调查数据进行分析。研究结果表明，MNDWI在两个季节的水体覆盖面积提取中表现出更高的准确性，其水体覆盖面积与Google Earth图像的匹配度较高。此外，MNDWI通过将近红外波段替换为短波红外波段，提高了水体与非水体之间的对比度，从而更好地排除了城市建筑和深色土壤的干扰。

为了分析水库水文一致性的变化，研究将30年的数据划分为三个阶段，分别对应1994-2004年、2005-2014年和2015-2024年。通过计算每个像素在不同阶段的水体出现频率，研究人员能够识别出水库中具有高水文一致性的区域和水文不一致的区域。研究发现，雨季前的高水文一致性区域面积从120.54平方公里减少至88.49平方公里，表明水库在雨季前的水文一致性在逐渐降低。在雨季后，高水文一致性区域面积略有增加，但总体上仍呈现出显著的下降趋势。这种变化反映了水库水体在空间上的不确定性增加，可能对生态系统的稳定性构成威胁。

相对水深的变化也是本研究关注的重点之一。水深不仅影响水库的容量，还与水生生物的生存环境密切相关。研究采用MNDWI指数值作为相对水深的代理指标，并结合线性回归模型分析了其空间变化趋势。研究结果表明，水库在雨季和雨季后均呈现水深下降的趋势，尤其是在雨季后的阶段中，水深减少更为明显。这种趋势可能由多种因素引起，包括降雨量减少、降水周期缩短以及沉积物的持续堆积。例如，研究发现，雨季前的平均MNDWI值从0.39下降至0.15，而雨季后的平均MNDWI值则从0.44下降至0.24，表明水深整体呈下降趋势。

此外，研究还分析了不同时间段内水库水深的变化趋势。通过计算每个像素的变异系数（CV），研究人员能够识别出水深波动较大的区域，这些区域通常处于水库边缘，容易受到气候变化和人为活动的影响。在雨季前的阶段中，水深波动的CV值较高，表明边缘区域的水深变化更为剧烈。这种波动可能与水库边缘的排水系统、河流流入和沉积物沉积等因素有关。而在雨季后的阶段中，水深波动的CV值相对较低，表明水体的稳定性有所增强，但整体仍呈现下降趋势。这种变化趋势对水库的生态功能和水文管理提出了新的挑战。

为了进一步分析水文变化的驱动因素，研究还探讨了降雨模式和沉积物输入对水库水文状况的影响。数据显示，尽管雨季的降雨量占年降雨量的57%，但近年来雨季的降雨天数和连续降雨天数均呈现下降趋势，表明降雨模式发生了显著变化。同时，极端降雨事件的频率（如降雨量超过64毫米的天数）并未显著变化，这表明降雨模式的改变可能更多是由于降水周期缩短，而非降雨强度的增加。这种趋势对水库的水文补给和水深维持带来了负面影响，尤其是在雨季前的阶段，水库的水深下降更为明显。

沉积物的输入是水库水深变化的另一个关键因素。研究发现，水库的沉积速率呈上升趋势，导致水库的有效容量不断减少。沉积物的积累不仅影响了水库的水深，还可能改变其生态结构，影响水生生物的生存环境。此外，沉积物的增加还可能加剧水库边缘的水深波动，进一步削弱其生态稳定性。因此，研究建议未来应加强对水库沉积物输入的监测，并结合实地数据进行更精确的分析，以全面评估水库水文变化的驱动因素。

在分析方法上，本研究采用了一种像素级的趋势分析方法，通过线性回归模型计算每个像素的水深变化趋势。这种方法不仅能够揭示水库水深的总体变化方向，还能提供详细的水文变化信息。研究发现，水库核心区域的水深呈现明显的下降趋势，而边缘区域则显示出不同的变化模式。这种变化趋势表明，水库的水文状况正在受到多重因素的共同影响，包括气候变化、降雨模式变化以及沉积物输入等。

本研究的结果对于水库的可持续管理和生态保护具有重要的指导意义。通过长期监测水库的水文状况，研究人员能够识别出水文变化的热点区域，并为政策制定者提供科学依据。例如，研究发现，水库边缘区域的水文一致性下降显著，这可能意味着这些区域在未来更容易受到生态退化的影响。因此，建议在水库的管理规划中，优先保护这些区域，并采取相应的措施以减缓水文变化带来的生态影响。

此外，本研究还指出，尽管水体面积在某些年份有所波动，但总体趋势是下降的，这表明水库的水文状况正在发生结构性变化。这种变化可能对水库的生态功能和水资源利用带来长期影响。例如，水深的减少可能影响水生生物的生存条件，进而影响整个水库生态系统的稳定性。因此，未来的水资源管理应更加注重水库水深的动态变化，以确保其生态功能的可持续性。

综上所述，本研究通过多时相卫星影像和光谱水体指数的结合，对庞格水库的水文状况进行了深入分析。研究发现，水库的水文一致性正在下降，水深也在减少，这可能与降雨模式变化和沉积物输入等因素有关。这些结果为制定有效的水库保护和管理策略提供了重要的科学依据，同时也揭示了水库生态功能面临的潜在威胁。未来的研究应进一步结合实地数据，以更全面地理解水库水文变化的驱动因素，并探索更有效的管理方法，以确保水库的长期可持续性。