基于星载雷达测高资料估计博斯腾湖水位-水量变化研究

为了理解气候变化背景下的内陆湖泊水位、面积、水量波动变化规律,科学合理地指导湖泊水资源利用与开发。利用1990-2015年Landsat TM/ETM/OLI影像和2002-2015年多源星载雷达测高资料,借助归一化水体指数(Normalized Difference Water Index,NDWI)提取博斯腾湖湖泊水域面积,结合湖泊水位观测数据,对星载雷达测高数据提取的湖面瞬时水位估计值进行对比与分析;根据湖泊面积与水位、水量与水位的关系式,构建湖泊面积-水位-水量波动时变序列,并探讨湖泊水位和水量变化的年际特征。结果表明:ICESat-GLAS、ENVISatERS、Jason-12的当日水位估计值与附近扬水站的水位观测值绝对误差分别小于0. 21、0. 18、0. 15 m,而且具有较强的相关性和一致性。1990-2002年湖泊水位持续增长阶段; 2002-2015年期间,湖泊水位持续下降。2015年湖泊水域面积比1990年减少了(32. 20±3. 5) km2,年均水位下降了(0. 81±0. 19) m,湖泊水量减少了(9. 49±0. 022)×108m3。因此,湖泊水量变化为气候系统和人类活动的影响机制的理解提供了参考依据。     

基于Landsat及ICESat和Hydroweb的太湖容积变化监测

为得到太湖长期动态变化过程,利用1975—2015年Landsat数据,基于归一化差异水体指数法(NDWI)和改进型归一化差异水体指数法(MNDWI)提取湖泊面积数据,并基于ICESat和Hydroweb数据提取太湖水位数据。将两者相结合,得到了太湖容积变化和水量平衡数据。据此,分析了太湖水位、面积和容积变化的规律和趋势,并对其影响因素进行了研究。结果表明,太湖面积和容积变化近40年来呈缓慢增长趋势,分别从1975年的2 320.07 km~2和-0.047 0 km~3增长到了2015年的2 341.06 km~2和0.275 9 km3,增长趋势不明显;太湖水位总体上呈波动变化趋势,水位从1975年的0.982 6 m变为2015年的1.135 9 m。因此,太湖水位与面积相关性中等(R2≈0.65),容积变化与面积和水位变化的相关性较高(R~20.85)。太湖水量平衡为正平衡且变化不大,为0.009 2 km~3。入湖水量的增加、年降雨量和年蒸发量的变化及政府"退地还湖"政策是导致太湖发生变化的主要原因。     

基于四种水体指数的艾比湖水面提取及时空变化分析

以Landsat5/7/8系列遥感影像为数据源,利用归一化差异水体指数(Normalized difference water index,NDWI)、改进的归一化差异水体指数(Modified normalized difference water index,MNDWI)、自动水体指数(Automated water extraction index,AWEI)、改进的自动水体指数(Modified automated water extraction index,MAWEI )提取艾比湖水体,建立混淆矩阵对4种水体指数提取结果进行对比分析,利用精度最高指数提取艾比湖面积并通过动态度分析湖泊面积变化趋势,同时对艾比湖面积变化的驱动因素进行分析。结果表明:MAWEI指数精度最高,精度达到95%以上,Kappa系数＞0.94。2000—2003年期间,艾比湖面积从768.93 km²增加至982.27 km²,湖泊面积增加27.74％、动态度为9.24％;2003—2014年期间,湖泊面积减至447.08 km²,湖泊面积缩减54.48％、动态度为-4.95％;2014—2018年期间,湖泊面积再次增加至852.77 km²,湖泊面积增加90.74%、动态度为22.68％;2018-2020年湖泊面积减至593.79 km²,湖泊面积缩减30.36％、动态度为-15.18％,总的来说近20 a艾比湖面积变化呈现先扩张再退缩的趋势。湖泊面积变化与年均降水量呈正相关,与蒸发量呈负相关,与博尔塔拉河和精河径流量呈正相关。水资源的减少及其周围人口、灌溉面积及生产值持续增长引起经济社会总用水量的激增,对湖泊面积变化产生一定的影响。研究成果对艾比湖生态环境保护有一定参考意义。     

近40年可鲁克湖-托素湖面积变化及影响因素分析

以位于青海省德令哈市境内的可鲁克湖-托素湖为研究对象,利用美国地质调查局自1973年-2013年的多年遥感影像,运用目视解译和改进的归一化差异水体指数方法提取可鲁克湖和托素湖的面积值,分析其变化特征,结合德令哈市的降水、气温、蒸发、径流、农业灌溉耗水资料,对影响湖泊面积变化的因素进行初步探讨。结果表明,可鲁克湖的面积大致保持不变,托素湖的面积自1973年以来呈现先减小又增大的趋势,降水量呈增加趋势,可以认为湖泊面积变化受降水的影响较小,可鲁克湖的面积主要受蒸发、气温和上游巴音河径流量的影响,但其影响存在明显的滞后性。上游农业耗水量是间接影响托素湖面积变化的主要因素,气温的变化通过影响蒸发量和上游冰雪融水间接影响托素湖的面积。     

云南省九大高原湖泊水体面积时空变化研究

基于Google Earth Engine(GEE)云平台和长时序的Landsat遥感影像,研究了近30 a云南省九大高原湖泊水体面积的时空变化趋势,并在此基础上分析了湖泊水体面积变化的驱动因素。研究结果表明:(1)云南省九大高原湖泊表面水体面积由1988年的1 024.91 km~2减少至2018年的1 000.98 km~2,总体呈"先增加后减少"的趋势,总面积减少了23.93 km~2。(2)大部分高原湖泊的水体面积保持稳定,但从2008年以后,杞麓湖和异龙湖的水体面积明显缩小。(3)影响因素分析结果表明:九大高原湖泊水体总面积的变化在2013～2017年和降水的变化呈显著正相关(R=0.9,p=0.08),在1988～2018年与气温呈负相关性(R=-0.63,p=0.001);影响九大高原湖泊水体面积变化的主要人为因素包括湖泊流域的土地利用变化以及政府的经济发展和湖泊保护政策。区域气候变化和人类活动共同影响了云南省九大高原湖泊水体的面积变化。     

基于Morlet小波分析的弥苴河径流量变化及其影响因素分析

2011年以来,弥苴河流域年径流量连续8年均偏少,弥苴河是洱海最大的主要入湖河流,径流面积和天然径流量占洱海总的40%以上,分析弥苴河年径流量的变化特征对洱海入湖总水量研究具有重要意义。利用1954—2018年流域内炼城水文站的实测流量、降水以及蒸发等监测资料,采用小波分析法研究弥苴河流域径流量周期变化规律及其影响因素分析。结果表明:近65年来弥苴河流域天然年径流量随时间呈减少趋势,平均每10年年径流量减少1 435万m~3;年径流量存在9、14、19、54年左右的周期变化,它们主导着年径流量的丰枯变化趋势;四季的径流量与年径流量存在多重时间尺度相互嵌套,且四季及年径流量的第一主周期均为54年左右;影响弥苴河年降水量与年径流量变化趋势及波动周期相似,呈正相关关系;年蒸发量对年径流量的影响呈多样组合;弥苴河流域耗水量对径流量的影响呈增长趋势,下垫面条件变化越来越大,流域降水径流关系也随之变化,这也是近年来流域内径流量较过去同级降水产生径流量明显减少的主要原因之一。     

近50a来黄河源区降水、气温及径流变化分析

基于1961—2010年气象、径流资料,采用M-K趋势检验法分析了黄河源区近50 a来降水量、气温和径流量的变化规律及三者间的内在关系,探讨了气温、降水量对黄河源区径流量季节性变化的影响。结果显示,近50 a来黄河源区降水量、气温变化具有明显的时空差异;黄河源区春季降水量显著增加,年降水量呈微弱减小趋势但不显著,东南部高值区降水量呈下降趋势而西北部低值区的降水量呈增加趋势;各季节均显著升温,东南部气温高值区的升温幅度要低于西北部气温低值区的;近50 a来黄河源区径流量呈显著下降趋势,其夏季径流量主要受夏季季风降水量的影响,而春季径流主要受春季降雨/降雪和上一年冬季降雪的影响。     

气候变化对可可西里盐湖流域湖泊水量变化的影响分析

湖泊是气候变化的敏感指示器。为了研究气候变化对湖泊水量的影响,以盐湖流域为研究区,应用统计方法对1989—2018年降雨、气温、蒸发进行线性趋势和突变分析,采用多源卫星遥感技术对湖泊面积等水文要素进行监测,分析湖泊面积与气象要素、湖泊面积与湖泊水量之间的相关性。利用VIC模型模拟径流并结合计算的冰川水量得到盐湖径流组成,定量探讨气象要素对湖泊水量变化的影响,综合分析2011年前后气象要素影响流域湖泊水量的差异。结合统计分析与水文模型定量计算可知:年降雨量、年平均气温显著升高,年蒸发量呈下降趋势,且与湖泊面积有较好的相关性。湖泊面积与湖泊水量间相关性较高,可间接体现气象要素对湖泊水量变化的影响。2011年前卓乃湖和盐湖水量变化主要受降雨量影响,库赛湖和海丁诺尔湖水量变化主要受气温影响;2011—2014年4个湖泊水量变化主要受降雨量影响;2015—2018年4个湖泊水量变化中降雨增加量、冻土释水和地下水补给增加量、冰川融水量对湖泊扩张的贡献约为34.48%、57.66%、7.86%,气温变化成为影响湖泊水量变化的主要因素,降雨量影响次之。     

基于遥感的1973-2015年武汉市湖泊水域面积动态监测与分析研究

近年来,武汉市城市内涝频发,湖泊的减少被认为是导致其发生的重要原因。然而目前尚未有一个统一、科学的数据来表示整个武汉市湖泊的历史变迁。为了掌握近几十年武汉市湖泊的时空变化规律,基于多源遥感数据,采用归一化差异水体指数（NDWI）和面向对象分割结合的水体提取算法,对1973-2015年武汉市的湖泊分布进行了提取,并结合武汉市气象资料和统计年鉴对引起其变化的影响因素进行了分析。结果如下：（1）1973年,武汉市辖区内的湖泊水域面积为1170.84 km²,2015年为856.27 km²,42年间减少了314.57 km²,剧烈减少时期发生在1973-2005年,2005年以后,基本趋于稳定。（2）1973年武汉市中心城区湖泊水域面积为148.90 km²,1973年到1996年,湖泊水域面积基本趋于稳定,而在1996年之后,武汉市中心城区湖泊水域面积开始剧烈减少,2010年之后,武汉市中心城区的湖泊水域面积基本趋于稳定;2015年,武汉市中心城区湖泊水域面积为99.94km²,相对于1973年,减少了48.96 km²。（3）1973年到2015年,武汉市年降水量呈现略增加的趋势,年平均气温则有一定的增加趋势;而在1990年之后,武汉市人口的增加、城镇的快速发展及房地产开发导致了大量的湖泊被侵占;气候变化和人类活动共同导致了武汉市的湖泊水域面积减少,其中人类活动是其变化的主要因素。     

鄱阳湖出流长序列代表性水质指标变化及其驱动力

探究湖泊出流水体水质变化及其驱动力对湖泊水环境管理与保护具有重要意义。基于鄱阳湖出口蛤蟆石段长时间序列28 a(1991～2018年)的水质资料,利用水质指数法(Water Quality Index,WQI)来评估鄱阳湖出流水体水质状况,并采用Mann-Kendall检验法分析水质指标多年变化趋势。同时,通过灰色关联度分析法识别了影响鄱阳湖出流水体水质变化的关键驱动因子。结果表明:(1)总体上,鄱阳湖出流水体水质良好,WQI总变化范围为7.00～27.65。(2)水体中溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)呈下降趋势,趋势不明显,高锰酸盐指数(Permanganate Index,CODMn)和氨氮(Ammonia Nitrogen,NH3-N)呈显著增加趋势,其统计值Z分别为2.53和3.93;WQI总呈显著上升趋势,统计值Z为4.27。(3)鄱阳湖出流水体水质变化的主要驱动因子为人口、地区生产总值、第三产业产值、粮食总产量等。研究成果可为鄱阳湖水环境管理与保护提供一定借鉴。     

不同空间分辨率遥感数据识别湖泊的误差分析

湖泊面积及空间分布是表征水情变化的重要指示因子,对研究气候变化和人类活动对水资源的影响具有重要作用。如何利用遥感影像进行湖泊制图和面积估算是当前遥感应用研究中的难点问题。从实际应用需求出发,采用GF-1/WFV(Wide Field View)、Landsat-8 OLI(Operational Land Imager)、MODIS(Moderate-Resolution Image Spectroradiometer)遥感数据,选用安徽省受人类活动影响较大的54个湖泊为研究区域,采用NDWI二值分割法得到湖泊水体信息,使用30,500 m和1 000 m 3种空间分辨率的遥感影像进行湖泊制图,探讨制图精度与湖泊形态之间的关系。结果表明:湖泊分形维数值越大,湖泊形态越复杂, Kappa系数越高,面积误差越小;遥感影像分辨率越高,湖泊制图结果的Kappa系数和总体精度越高。     

基于多光谱影像的水体自动提取方法比较研究

以鄱阳湖湿地及附近水域为研究区,基于Landsat OLI影像从水体错提率和面积精度两方面比较了单波段阈值法、归一化差异水体指数法(NDWI)、改进的归一化差异水体指数法(MNDWI)、新型水体指数法(NWI)提取湿地水体的效果。并针对传统提取方法中阈值难以确定的问题,引入直方图波谷法、大津法、迭代法计算阈值。结果表明:单波段阈值法的提取效果较差,3种水体指数法均能对水体进行有效提取;直方图波谷法的计算效果不稳定,不适合计算此次水体提取方法的阈值;大津法和迭代法均能较准确地计算阈值,其中大津法结合新型水体指数法(NWI)精度最高。     

Monitoring water level and volume changes of lakes and reservoirs in the Yellow River Basin using ICESat-2 laser altimetry and Google Earth Engine

Monitoring the water level and volume changes of lakes and reservoirs is essential for deepening our understanding of the temporal and spatial dynamics of water resources in the Yellow River Basin, with a view to better utilizing and managing water resources. In recent years, there have been many studies on monitoring water level and volume changes in inland waters, but they were mainly focused on radar altimetry and the full waveform LiDAR ICESat, which was retired in 2010. Few studies based on the latest photon-counting LiDAR ICESat-2 have been reported. Compared with previous sensors, ICESat-2 has great advantages in footprint size, transmitting frequency, pulse number, etc, but its performance in monitoring water level and volume changes in inland waters has not been fully explored. Here we investigated the spatial distribution of water level and volume changes of 11 lakes and 8 reservoirs in the Yellow River Basin based on ICESat-2 and Google Earth Engine, and analyzed the factors affecting the measurement uncertainties. In-situ validation of lake level in Lake Qinghai indicates that the Root Mean Square Error (RMSE) of our result is only 7 cm after the reference coordinate system conversion. We found that the water level trend of the natural lake shows significant seasonal variations, while the water level trend of the reservoir shows a sharp rise and fall. In addition, precipitation plays a decisive role in the changes in natural lake levels and indirectly affects the artificial control of reservoirs’ water discharges. The uncertainty of water volume change monitoring is mainly affected by water level measurement uncertainty for lakes, while for reservoirs, that is affected by the combination of water level and area measurement uncertainties. The stability of lake level measurement increases with the increase in photon counts. The introduction of ICESat-2 ATL13 Significant Wave Height might lead larger standard deviation in water level measurement. According to the law of propagation of uncertainty, the uncertainty of the water volume change estimation by the combination of ICESat-2 and GEE is less than 9 %.     

1954-2018年东平湖水位变化特征及驱动因素分析

依据东平湖1954-2018年水位资料,采用Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法,分析了1958-2018年东平湖的水位变化特征,探讨了其变化的自然和人为因素。研究结果表明:1958-2018年东平湖水位年际变化幅度较大,总体呈现中-低-高的变化特征;年际水位周期变化具有28a和40a的时间尺度特征。人类活动影响下的入湖径流量变化是东平湖水位变化的主要因素,气候因素也起到一定程度的作用。1958年之前,东平湖与黄河自然联通,水位变化受黄河和大汶河来水影响较大; 1958年以后,东平湖与黄河水文系统被人为控制,水位变化主要受大汶河入湖径流量变化的影响; 1970年以后,气候变暖加剧,降水量增加影响了水位的变化; 2013年南水北调东线工程实施后,人为因素的影响进一步加大。     

柴达木盆地湖泊天然生态水文特性辨识

针对柴达木盆地内盐湖资源开发布局与生态空间矛盾日渐突出的问题,以柴达木盆地那棱格勒河尾闾湖泊东、西台吉乃尔湖为例,基于长序列遥感影像及气候观测数据,结合水量平衡等方法进行湖泊天然生态水文特性辨识。结果表明：东台吉乃尔湖以2.19 km²/a的速率呈扩张趋势,湖面积为180～220 km²,西台吉乃尔湖以3.50 km²/a的速率缩小,湖面积为130～140 km²;水量减小时,东台吉乃尔湖以原有形态向内缩小,西台吉乃尔湖从近似三角形形态萎缩至椭圆形,由于地形和上游来水路径的原因,两湖的湖岸线主要在湖西南侧和西北侧发生变化;对长序列湖泊面积变化做累积频率曲线,确定湖泊面积保证率,选取25%、50%、75%和90%的保证率,可识别天然状态的湖泊面积、湖容及空间形态。     

近 30 年鄱阳湖与洞庭湖水文变化与归因

为揭示鄱阳湖和洞庭湖水文特征并综合分析其影响因素对湖泊水资源管理及江湖关系, 以两湖水系统为研究对象, 采用非参数秩次相关检验法( Mann2Kendall M2K) 分析方法和近 30 年两湖2流域2长江水位和流量长序列数据集, 解析湖泊水文变化特征、趋势和程度, 并通过两湖水文的对比来系统分析长江中游大型通江湖泊水文变化规律及其影响因素, 旨在对两湖流域水资源的整体认识和把控, 丰富对江-河-湖复杂水系统作用机制与内涵的深入理解。结果表明: 两湖水位在近 30 年总体上呈“上升-非稳定状态-下降” 3 个变化阶段。2003 年前, 鄱阳湖和洞庭湖水位总体呈上升趋势, 且在 1980- 2000 年间基本处于不稳定的波动状态, 2003 年后两湖水位呈明显的下降趋势。 Mann-Kendall 分析得出: 两湖水位可能在 2005 年左右发生明显突变, 且鄱阳湖和洞庭湖水位与之前相比, 最大降 幅分别可达 9. 4% 和 3. 4% , 表明两湖水位变化的趋势程度存在差异, 鄱阳湖水情变化的敏感程度要强于洞庭湖。 对长江干流的补水期洞庭湖为 4- 10 月, 鄱阳湖为 3- 8 月, 表明两湖对长江干流水文的不同调节补偿作用。