中国青桐峡灌区天然湖泊的时空演化特征及其驱动力

《Journal of Hydrology》：Spatiotemporal evolution characteristics and driving forces of natural lakes in Qingtongxia irrigation area, China

湖泊演变机制及人地耦合驱动研究——以青铜峡灌区为例

　　自然湖泊作为全球水循环的重要组成部分，在调节水-气交换和监测环境变化方面具有关键作用。它们不仅是生态系统可持续性的敏感指标，还能够反映水可用性与生态平衡之间的关系。然而，在干旱和半干旱地区，自然湖泊的变化往往受到复杂的自然与人为因素的共同影响，这使得对其动态变化的准确监测和分析显得尤为重要。特别是在灌溉区域，由于大规模的灌溉实践和水库建设，自然湖泊的边界变得更加复杂，因此需要专门的分析方法来准确评估其变化趋势和驱动机制。

本研究聚焦于中国宁夏回族自治区的清水河灌区，该区域是黄河流域中面积最大、水资源最为紧张的灌溉区之一。清水河灌区的地势从南向北逐渐降低，地形复杂，包括河流、灌溉渠道、水体和湿地等多种生态系统。该区域的自然湖泊，如兴海湖、沙湖和岳海湖，具有不同的地貌和水文特征，分别代表了平原低洼湖泊和湿地湖泊的类型。这些湖泊在维持区域生态平衡、改善水质和保护生物多样性方面发挥着重要作用。然而，由于这些湖泊的规模较小，且分布广泛，传统监测方法难以有效识别和分析其变化，因此本研究采用遥感技术和多源数据整合的方法，对这些湖泊的变化进行了系统研究。

研究采用长期的Landsat光学影像和数字高程数据，对1984年至2022年间自然湖泊的面积变化进行了量化分析。同时，结合混合指数规则集、空间象限分析和偏微分分解方法，提高了湖泊变化的检测精度，并探索了湖泊演变的驱动机制。通过这种综合方法，研究人员能够准确识别和绘制自然湖泊的边界，并对湖泊的形态和方向变化进行分析。研究结果表明，自然湖泊的总体识别精度达到了94.5%，Kappa系数为0.92，显示出较高的可靠性。此外，研究发现，在过去的40年间，自然湖泊的面积平均每年扩大2.10平方公里，且主要扩张方向集中在东北、东东北和东南方向。这些结果揭示了湖泊系统在气候变化和人为活动影响下的空间异质性响应，为干旱灌溉区的水文过程提供了新的见解。

研究采用了多种遥感数据处理方法，包括几何校正、大气校正和跨传感器校准，以减少影像数据中的噪声。此外，研究还结合了Google Earth Engine平台，用于处理大量遥感数据，并利用ArcGIS 10.5进行影像投影和湖面面积计算。为了验证湖泊识别的准确性，研究使用了Google Earth的历史影像作为参考，选取了1991年、2000年、2010年和2020年作为典型年份，通过随机生成的200个验证样本点进行空间准确度评估。结果表明，湖泊面积的相对误差仅为2.83%，显示出该方法的高精度。

在分析湖泊形态变化时，研究采用了一套定量指标体系，包括面积、周长、形状系数、岸线发展系数和平均分形维数等。这些指标能够有效描述湖泊的几何结构和空间配置变化。研究发现，尽管三个湖泊的面积总体呈上升趋势，但其形态变化表现出明显的空间异质性。例如，沙湖的岸线形态复杂，其发展系数（DL）显著高于兴海湖和岳海湖，而兴海湖的形状系数（Cr）较低，表明其岸线较为平直。岳海湖的形态变化相对稳定，其平均分形维数（FRAC-mean）接近1，说明其形状较为简单。这些结果表明，湖泊的形态变化不仅受到水文条件的影响，还与人类活动密切相关。

研究进一步探讨了湖泊变化的驱动机制，包括气象水文因素和人类活动因素。通过对气象水文变量（如降水、温度、水面蒸发和地下水深度）和人类活动变量（如灌溉引水量、排水量、国内生产总值、耕作面积等）的分析，研究人员发现，不同湖泊类型对这些因素的响应存在显著差异。例如，兴海湖和沙湖的扩张主要受到人类活动的影响，其中人类活动贡献了59.77%和66.42%的扩张。相比之下，岳海湖的扩张则主要由气象水文条件驱动，其中气象水文因素贡献了73.10%。这些发现表明，湖泊的变化不仅与自然因素有关，还受到人类活动的深刻影响，特别是在灌溉区域，人类活动在湖泊演变中扮演着主导角色。

此外，研究还探讨了湖泊面积变化的时空动态。研究发现，湖泊面积的变化可分为两个阶段：1984年至2000年期间，湖泊面积波动较大，而在2001年至2022年期间，湖泊面积的变化趋于稳定。这种变化趋势与区域内的农业扩张和城市化进程密切相关，同时受到生态恢复政策的影响。研究还发现，湖泊面积的变化不仅受到当前水文条件的影响，还受到过去湖泊面积的影响，即“水记忆效应”。这种效应表明，湖泊面积的当前状态在很大程度上受到过去水文条件的制约，因此在分析湖泊变化时需要考虑时间序列的累积效应。

研究的局限性在于，由于云覆盖和季节性灌溉的影响，部分年份的遥感影像质量受到影响，这可能会影响湖泊面积变化的准确性。此外，虽然本研究采用多种方法对湖泊变化进行了量化分析，但仍然存在一定的不确定性，特别是在识别小规模湖泊和区分湖泊与其他水体方面。未来的研究应结合更高频率的时间序列数据，如Sentinel-1和Sentinel-2影像或无人机观测数据，以更精确地捕捉湖泊的年内动态变化。同时，整合社会经济信息，如水资源分配政策、土地利用变化记录和灌溉管理实践，对于理解人类活动与水文过程之间的复杂反馈关系至关重要。

研究的政策意义在于，它为干旱灌溉区的可持续水资源管理提供了科学依据。基于研究结果，提出了三个针对性措施：（1）建立综合的水资源调控系统，以提高水资源分配的灵活性和效率；（2）实施区域化的湖岸修复和生态保护策略，以应对不同湖泊区域的地形和水文特征；（3）建立动态监测和预警系统，以跟踪湖泊演变及其与人类活动的相互作用。这些措施不仅有助于维护湖泊生态系统的稳定性，还能够为其他干旱灌溉区的水资源管理提供借鉴。

总体而言，本研究通过系统分析自然湖泊的变化，揭示了其在气候变化和人类活动影响下的响应机制。研究结果不仅深化了我们对干旱灌溉区湖泊演变的理解，还为全球范围内的水文研究和水资源管理提供了新的视角。未来的研究应进一步整合高分辨率的水文和社会经济数据，以更全面地理解湖泊变化的驱动因素，并为应对气候变化带来的挑战提供科学支持。