ABSTRACT

Data sets of beach wetlands area in the Dongting Lake were extracted using MODIS imagery from 2000 to 2010. The data sets were compared with the observed water-level of the Chenglingji. And the changes of beach wetlands area and their emergence time were analyzed. The results indicated that after the initial running of the Three Gorges Project, the beach wetlands area of the Dongting Lake increased 71.0 km², 87.7 km², 103.5 km², 118.5 km², 132.5 km² at the Chenglingji water level of 24 m, 25 m, 26 m, 27 m and 28 m respectively. And the emergence time of the beach wetlands prolonged 19 d, 27 d, 25 d, 11 d and 8 d, respectively. In conclusion, it is resulted from multi-factors, including reduction of runoff from the Three Channels (Songzi, Ouhe, Taiping) and the Four Branches (Xiang River, Zi River, Yuan River and Li River), reduction of rainfall, etc., which contributed to the reduction of beach wetlands area and prolonging their emergence time of the Dongting Lake. The impoundment of the Three Gorges Project from September to October would further aggravate the emergence trend of beach wetlands.

Keywords:MODIS Data, Dongting Lake, Beach Wetlands, The Three Gorges Project

三峡工程运行初期洞庭湖洲滩变化及成因分析

周柏林¹，谢石¹，肖义¹，刘晓群¹，梁婕^2,3，曾光明^2,3，杜春艳⁴

¹湖南省洞庭湖水利工程管理局，湖南 长沙

²湖南大学环境科学与工程学院，湖南 长沙

³湖南大学环境生物与控制教育部重点实验室，湖南 长沙

⁴长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙

Email: 241247915@qq.com

收稿日期：2015年1月5日；录用日期：2015年1月16日；发布日期：2015年2月4日

摘 要

利用MODIS影像数据集提取了2000~2010年间的洞庭湖洲滩面积，结合城陵矶水位的实测数据，分析了三峡工程运行初期城陵矶24~28 m水位下洞庭湖洲滩面积和出露时间的变化规律。结果表明，三峡工程运行后，24 m、25 m、26 m、27 m和28 m水位下洞庭湖洲滩面积分别增加71.0 km²、87.7 km²、103.5 km²、118.5 km²、132.5 km²；洞庭湖洲滩出露时间分别延长19 d、27 d、25 d、11 d和8 d。这种变化是三口、四水来水减少、降雨减少等多方因素共同作用的结果，而三峡在9月~10月间蓄水，将进一步加重洞庭湖洲滩裸露的趋势。

关键词 :MODIS；洞庭湖；洲滩；三峡工程

1. 引言

洞庭湖是长江中下游最大的调蓄湖泊，我国第二大淡水湖泊。它吸纳长江荆江段松滋、藕池、太平三口的分流，同时接纳湘、资、沅、澧四水，最后在城陵矶汇入长江，对长江中下游地区调蓄洪水、维持水沙平衡等具有重要作用。“涨水是湖、落水为洲”是洞庭湖的主要水文特征，其规律性涨落的水文过程形成了多样、稳定的季节性洲滩。洞庭湖洲滩上植被丰富，是长江中下游重要的越冬水鸟栖息地。

三峡工程是世界上最大的水利工程。三峡工程于1994年开工；2003年6月开始蓄水；2010年蓄水至175米，进入运行期。三峡工程运行初期，长江和洞庭湖江湖关系发生了显著变化。研究表明，三峡运用后洞庭湖三口、城陵矶的水位、流量有较大变化[1] -[4] ，洞庭湖水体面积呈现明显减小的趋势，2010年2月、10月、12月较2000年2月、10月、12月相比，分别有29.98%、26.76%和9.02%水面转化为洲滩[5] ，洞庭湖洲滩上植被覆盖对水位波动响应更加明显[6] 。

洞庭湖洲滩的变化，即不同水位下洞庭湖洲滩面积和出露时间的变化，对于洞庭湖湿地生态系统以及湖泊水资源利用有重要影响。本文在2000~2010年的MODIS影像数据系列提取洞庭湖洲滩数据系列，研究不同水位条件下洞庭湖洲滩面积以及洲滩出露时间的变化，探求三峡工程蓄水运用初期洞庭湖洲滩变化的原因，定性分析三峡工程运行后洲滩植被生态系统的演替、洞庭湖冬季越冬候鸟数量和种群结构的变化趋势，并提出三峡工程建成后枯水期洞庭湖水资源利用的建议，为洞庭湖生态环境的保护提供依据。

2. 研究区域与数据来源

洞庭湖位于荆江南岸，跨湘、鄂两省，介于北纬28˚30'~30˚20'，东经110˚40'~113˚10'之间，是我国第二大淡水湖泊。本文的研究区域北起长江中游荆江南岸，南至湘阴、益阳、沅江丘岗地界，东及岳阳、汨罗湘江东岸，西临澧县、桃源、汉寿西部丘岗岸边[7] 。在MOD13Q1数据产品中提出洞庭湖区域，面积2789 km²，包括洞庭湖水面和洲滩，即河床两岸、河心及湖泊在枯水季节露出水面，而丰水或平水时又被淹没的陆地[6] 。

本文使用的数据为MODIS影像数据。数据从美国国家航空航天局(NASA)旗下的WIST网站(https://wist.echo.nasa.gov/api)免费申请。NASA于1999和2002年分别发射了对地观测卫星TERRA和AQUA。搭载在Terra和Aqua两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)是美国地球观测系统(EOS)计划中用于观测全球生物和物理过程的重要仪器。它具有36个中等分辨率水平(0.25 μm~1 μm)的光谱波段，每1~2天对地球表面观测一次，获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。本研究使用的数据产品为MOD13Q1(TERRA)。数据集包括16天合成的归一化植被指数数据(NDVI)、增强植被指数数据(EVI)、四个波段的反射率值和一系列质量描述文件等[5] [8] 。本文使用的水位数据来源于1990~2010年每日3次的城陵矶水文站实测水位数据，分析时取水位的日均值。

3. 洞庭湖洲滩提取

采用最大值合成算法(MVC)对MOD13Q1数据产品进行了预处理。合成过程中优先选择近星下点无云的像元，尽可能减小云、阴影、大气中气溶胶的影响，并应用二向反射率(BRDF)模型对观测角度进行了订正。经过上述处理，数据集在一定程度上去除了云层等的影响和干扰。但是，对长时间序列数据的研究发现，数据集仍存在一定程度的噪声影响。在进一步的研究中，为了增加洞庭湖水面提取的精度，使用TIMESAT软件包对MODIS数据进行进一步的滤波处理，去除数据时间序列中突变的部分[9] [10] 。

本文首先利用MODIS影响数据提取洞庭湖水面，对MODIS13Q1数据的NDVI指数和NIR波段(近红外反射率)分别设定阈值1000 [11] [12] ，即认为NDVI和NIR波段值小于1000的均为洞庭湖水面。则相应时段的洞庭湖洲滩面积等于洞庭湖面积减去洞庭湖水域面积。

4. 结果与讨论

4.1. 洞庭湖洲滩面积

提取了2000年~2010年间每隔16日的洞庭湖水面面积，计算得出相应时段的洞庭湖洲滩面积，共获取250个数据(图1)。从图1可知，洞庭湖洲滩面积年内变化规律明显，水位低洲滩出露面积大，水位高洲滩出露面积小。洞庭湖水面面积与城陵矶水位正相关，采用城陵矶的水位实测值验证解译结果的合理性，提取的洞庭湖水面面积与城陵矶水位相关系数达到0.8058。

4.2. 三峡工程运行初期洞庭湖洲滩面积的变化

洞庭湖水位有规律的季节性涨落，形成了洞庭湖特有的洲滩资源。为了研究三峡工程运用对洞庭湖洲滩面积的影响，结合MODIS数据序列，本文将研究时段分为三峡工程围堰蓄水前(2000~2003.6)、三峡工程围堰蓄水后(2003.6~2010)(图2)。从图2可以看出，洞庭湖洲滩和城陵矶水位呈二次多项式关系。三峡工程围堰蓄水前(2000~2003.6)，相关系数为0.8412；三峡工程围堰蓄水后(2003.6~2010)，相关系数为0.7993。应用拟合后的公式计算洞庭湖不同水位时的洲滩面积(见表1)。由表1可知，三峡工程围堰蓄水后，23~28 m水位上洞庭湖洲滩面积均较蓄水前增大。以东洞庭湖为例，根据黄进良等[13] [14] 的研究成果，东洞庭湖泥滩分布在24 m以下高程，草滩分布在24~26 m高程，芦苇分布在26 m以上高程。因此，

图1. 洞庭湖洲滩面积与城陵矶水位的时间序列

图2. 三峡工程运用前后洞庭湖水位–洲滩面积变化曲线

表1. 城陵矶水位23~28 m时洞庭湖洲滩面积(km²)

可以推断出，三峡工程运行初期，各个水位上洲滩(泥滩、草滩、芦苇地)裸露面积增大。

4.3. 三峡工程运行初期洞庭湖洲滩出露时间的变化

本文同时统计了城陵矶水位首次末次达到24 m、25 m、26 m、27 m和28 m的时间(表2)。研究发现，

表2. 城陵矶水位首次和末次到达24 m、25 m、26 m、27 m、28 m的平均时间(月/天)

三峡工程蓄水后(2004~2010)，城陵矶水位末次达到28 m、27 m、26 m、25 m和24 m的平均时间较葛洲坝时期(1981~2002)分别提前了3 d、12 d、17 d、19 d和17 d；城陵矶水位首次达到24 m、25 m、26 m和28 m的平均时间较葛洲坝时期(1981~2002)分别推后了2 d、8 d、8 d、−1 d和5 d。即，三峡工程蓄水后，24 m、25 m、26 m、27 m和28 m水位上，每年洞庭湖洲滩出露时间分别延长19 d、27 d、25 d、11 d和8 d。可见，三峡工程运用后水文涨落的规律性发生了变化，城陵矶水位在24 m~26 m水位涨落的时序变化大。东洞庭湖水位的变化使东洞庭湖洲滩湿地提前出露、推迟淹没，洲滩积水时间梯度延长。特别地，分布在低高程的泥滩裸露时间延长，将向草滩演替。

4.4. 三峡工程运行初期洞庭湖洲滩出露时间的变化

洞庭湖通过三口与长江相连，并吸纳四水的入流和区间入流，在城陵矶注入长江。相关研究表明，近30年“湘资沅澧”四水流量为洞庭湖入湖水量的主要来源，占总入湖水量的63%左右；长江三口入湖流量只占洞庭湖入湖总流量的25%左右。2000~2010年间，三口、四水的来水量均呈现不同程度的减少[8] [15] 。因此，洞庭湖洲滩的变化是三口、四水来水减少以及近年来降雨减少的共同结果。而三峡工程运用以来，多在9、10月间蓄水，将进一步提前城陵矶水位末次达到26 m、25 m和24 m的时间，进一步加重泥滩裸露的趋势。

4.5. 洞庭湖洲滩变化的影响

相关研究表明，洞庭湖湿地植物随湖水深度变化形成不同的植物群落，从空间格局上呈现明显的带状分布特点。由水及陆的总趋势为：沉水植物群落→荫草群落→辣蓼 + 苔草群落→苔草群落→荻或芦苇群落→美洲黑杨或柳群落。以东洞庭湖为例，东洞庭湖芦苇大部分生长在高程27 m以上，苔草等湖草生长在23~27 m间，26~27 m间为芦苇与湖草都有生长的过渡带，防护林生长在高程30 m以上，高程23 m下基本为非植被区[7] 。不同水位下洲滩面积增大，且洲滩出露提前，淹没推后，将改变洲滩土壤基质的特征，打乱洲滩上植被生态系统的正常演替，导致近水植物向低高程蔓延，而辣蓼、苔草等植被的面积增大，对芦苇植被基本没有影响。

枯水季节，洲滩是越冬候鸟的栖息地。洲滩上植被生态系统的演替，将改变越冬候鸟食源地结构，从而影响越冬候鸟的种群数量和结构。相关研究表明，苔草面积和斑块密度对洞庭湖越冬水鸟分布的影响达到极显著水平，是影响洞庭湖湿地冬季水鸟的主要环境因子[16] 。以洞庭湖优势鸟类与环境因子的关系为例，白琵鹭、罗纹鸭和黑腹滨鹬丰富度随苔草面积增大而减小，随斑块密度增大而增大，而豆雁、白额雁和小白额雁丰富度随苔草面积增大而增大，随斑块密度增大而减小。这主要与鸟类生活习性有关，白琵鹭喜泥泞水塘、湖泊或泥滩地，罗纹鸭喜停栖水上，黑腹滨鹬喜沿内陆泥滩，斑块密度增大也增加了白琵鹭、罗纹鸭和黑腹滨鹬等鸟类的栖息场所。豆雁、白额雁和小白额雁取食于近湖泊的苔草地及芦苇地，因此苔草面积增加也会随之吸引更多的豆雁、白额雁和小白额雁等鸟类。

枯水期洲滩面积增加的同时，洞庭湖水面面积和蓄水量相应减少，对枯水期洞庭湖水资源利用、四水沿岸城市尤其是长株潭城市群供水系统的运转和湘江水质、航运安全带来一定的风险。因此，在治理洞庭湖时，应考虑三峡工程运行初期江湖关系对洞庭湖水资源造成的影响。建议采用适当水利措施，将洞庭湖枯水期水位保持在一个合理的水位以上；加大河湖整治和疏浚力度，增加湖泊调蓄容积；同时，积极开展节水型社会建设力度，提高洞庭湖区水资源利用效率。

5. 结论

1) 利用MOD13Q1数据产品，采用NDVI指数和NIR波段阈值法提取2000年~2010年间洞庭湖洲滩面积。

2) 三峡工程运用后，城陵矶水位24 m、25 m、26 m、27 m和28 m下洞庭湖洲滩面积分别增加87.2、109.3、128.3、144.4和157.6 km²；洞庭湖洲滩出露时间分别延长19 d、27 d、25 d、11 d和8 d。

3) 三峡工程运用后，城陵矶水位在24 m~26 m水位涨落的时序变化大。发生变化是三口、四水来水减少、降雨减少等多方因素共同作用的结果，而三峡在9月~10月间蓄水，将进一步加重泥滩裸露的趋势。

4) 三峡工程运用后洲滩的变化将影响洲滩植被生态系统的演替趋势，改变冬季越冬水鸟种群数量和结构，减少枯水期洞庭湖水资源数量和质量。

基金项目

国家自然基金项目(51039001, 51109016, 51479072)，洞庭湖工程管理局项目(DGJ-KY-2013-05)。

文章引用

周柏林,谢 石,肖 义,刘晓群,梁 婕,曾光明,杜春艳, (2015) 三峡工程运行初期洞庭湖洲滩变化及成因分析
Changes of Beach and Genetic Analysis in the Dongting Lake Wetland during the Initial Running of the Three Gorges Project. 水资源研究,01,81-87. doi: 10.12677/JWRR.2015.41010

参考文献 (References)