近14年黑河流域甘肃段湿地遥感调查与分析

王怡君， 赵军， 魏伟， 韩立钦

(1.西北师范大学地理与环境科学学院,兰州 730070； 2.甘肃省地图院,兰州 730030；3.甘肃工业职业技术学院,天水 741025)

近14年黑河流域甘肃段湿地遥感调查与分析

王怡君1，2， 赵军1， 魏伟1， 韩立钦3

(1.西北师范大学地理与环境科学学院,兰州 730070； 2.甘肃省地图院,兰州 730030；3.甘肃工业职业技术学院,天水 741025)

以2000年、2008年和2013年获取的TM和ETM遥感图像、地理国情普查数据、水利普查数据和多年统计数据为主要数据源，采用遥感和GIS技术，结合实地调查，对黑河流域甘肃段湿地资源的类型、面积、组成和分布等情况进行了系统研究。结果表明: 研究区湿地面积整体呈减少趋势，且2008年前减速较快，2008年后减速明显变缓。湿地资源变化是自然因素和人类活动共同作用的结果。其中，影响该区湿地资源变化的主要自然因素有降水量、气温、上游来水量、下泄量和冻土等； 人类因素作为一种外在力量在湿地资源变化中的作用越来越明显，人口数量的变化与人们对土地改造与利用的强度是逐渐改变湿地景观最活跃、最直接的影响因素； 政府决策与湿地保护恢复工程则对湿地资源保护起了推动作用。

黑河湿地资源； 遥感监测； GIS； 时空变化

0 引言

湿地不仅蕴藏着丰富的自然资源，还具有调控环境生态的能力。湿地生物的高生产力及其所提供的环境，对人类的可持续发展与生态旅游有重要价值。湿地资源的时空动态变化特征日益成为现代土地利用过程的主要研究内容之一。采用遥感和GIS技术可有效地监测湿地动态变化[1]，探讨湿地时空动态变化特征及其规律，对相关部门规划资源的合理利用、湿地生态环境的有效保护具有重要的参考价值和现实意义。

本文以2000―2013年获取的不同分辨率的遥感影像为主要数据源，对黑河流域甘肃段湿地资源的动态变化进行连续监测和分析； 并结合对自然、与人类活动等因素的分析，通过对将不同时期湿地空间分布图的叠加显示和对比，进行对湿地空间分布特征进行分析研究； 利用GIS空间分析技术进行不同时期湿地类型转换计算，制作湿地类型转换空间分布图，并对不同时期、不同季节湿地空间分布图做差值运算，得到湿地类型和面积的增减变化，用以分析湿地在不同时期的变化情况。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

黑河流域位于我国西北干旱地区，全流域可划分为东、中、西3个子水系。其中，西部子水系为洪水河和讨赖河水系，归宿于金塔盆地； 中部子水系为马营河和丰乐河诸小河水系，归宿于明花、高台盐池； 东部子水系包括黑河干流和梨园河及东起山丹瓷窑口、西至高台黑大板河的20多条河流。流域中集水面积大于100 km2的河流约18条，地表径流量大于1 000万m3的河流有24条。流域气候具有明显的东西差异和南北差异。黑河流域甘肃段(图1)，南部属祁连山区，年平均气温2.0～1.5℃，年降水量在200 mm以上(最高达700 mm)，年平均相对湿度约60%，年蒸发量约700 mm； 中部是走廊平原，光热资源丰富，年平均气温2.8～7.6℃，日照长达3 000～4 000 h，是发展农业的理想地区，而平原区海拔每增加100 m，降水量增加3.5～4.8 mm，蒸发量减小25～32 mm； 北部金塔地区平原则深居内陆腹地，为典型的大陆性气候区，降水少、蒸发强烈，温差大，日照时间长，年平均气温-10.0～23.6℃，年平均日照时数约3 193 h，年平均降水仅59.9 mm，年平均蒸发量高达2 538.6 mm。

图1 研究区位置和主要湿地分布图

1.2 数据及其预处理

本文使用的遥感数据为2000―2013年获取的不同时期卫星图像，以60景Landsat TM和ETM+为主[2]，以2景IRS P5/P6(空间分辨率2.5 m)、8景SPOT5(空间分辨率10 m)、9景中巴卫星(空间分辨率20 m)和WorldView1/2(空间分辨率0.5 m)为补充。

水系数据包括河流、水渠、水库和坑塘等信息，以第一次地理国情普查数据为主[3]； 2011年完成的包括河流、湖泊、水库等信息的水利普查数据用作本次监测的重要参考数据。

土地覆盖、DEM、土壤类型图、县区年鉴、统计公报等数据，可作为遥感图像解译、制图和变化因素分析的重要辅助数据。

针对不同传感器获取的遥感图像存在因空间分辨率不同而导致像元大小不一或发生位移等问题，在对图像进行精确配准后，采用栅格数据重采样方法加以解决。为了使生成的数据表面更光滑，采用双线性内插的重采样方法，即确定与单元中心最邻近的4个输入单元，计算其加权平均值，将所得的数值定为要处理单元的输出值。对于需要锐化的数据边缘，采用三次卷积插值法进行锐化处理。

本文中使用的TM和ETM数据中，2013年数据齐全； 2000年数据部分缺失，缺失部分用较接近ETM和SPOT5数据代替； 2008年全年和2013年1月数据有条带噪声，用邻年同月的图像替换弥补条带空缺，或使用2008年中巴资源卫星数据补充。

对水利普查数据和国情普查中的水系数据成果进行整理、合并、数据格式转换和投影变换等处理，使其与提取的湿地信息在分辨率、空间尺度和类型编码等方面保持一致。

针对不同年份、不同季节遥感图像，采用人机交互解译方式提取湿地信息； 利用GIS技术对湿地图斑赋予属性，并进行分类、归并及纠错等处理，统计不同时期不同季节湿地图斑的面积、类型及构成等，最后分析不同时期湿地分布和变化情况[4-7]。

2 研究方法

图2是本文实施湿地资源动态监测的技术路线图。主要包括4个方面： ①湿地资源遥感信息提取。在综合分析遥感图像、调研资料和地理国情普查资料的基础上，采用人工目视解译和计算机自动解译相结合的人机交互方法提取湿地资源信息，并对提取的数据进行成果质量评价和野外验证； ②湿地资源现状分析。通过得到的2000年、2008年和2013年3个不同时期的湿地提取成果，对湿地资源的基本特征进行分析，包括湿地资源的分布位置、地理界线、范围、面积、周长、构成类型及空间分布特点等； ③湿地资源变化分析。以3期湿地数据为基础，综合分析湿地资源在不同年份、不同季节的变化特征； ④湿地资源变化原因分析。包括变化因子确定，驱动因素分析，湿地变化与流域植被状况、经济发展、人口增长等的相互关系分析。

图2 技术路线

3 湿地资源时空分布及其变化

3.1 湿地资源空间分布

图3示出研究区湿地资源现状空间分布情况。可以看出，黑河流域甘肃段湿地资源主要呈条带状和斑块状分布于黑河干流及其支流周边广大地区。总体来看，黑河干流及其周围主要湿地类型为河流湿地、草本沼泽和灌丛沼泽湿地； 而水库、农用坑塘、灌溉用沟、渠和城市人工景观水面等则以零星斑块状分布于各县(区)城镇和农村居民点周边。沼泽化草甸和森林沼泽主要分布在海拔较高的肃南县境内，那里冰川和河流广布、森林覆盖程度高，孕育了十分丰富的湿地资源。

图3 湿地资源现状图

通过对比分析不同时期、不同季节湿地资源的分布位置和形状，发现黑河流域甘肃段湿地分布具有以下特征： ①湿地分布范围广，类型多； ②湿地与绿洲、沙漠、戈壁景观镶嵌分布； ③湿地资源整体变化小，局部变化大； ④湿地资源受季节变化的影响较为明显。

3.2 湿地资源总量变化

图4示出黑河流域甘肃段湿地资源不同年份、不同季节的面积变化。

(a) 年际变化(b) 年内变化

图4湿地资源面积变化

Fig.4Areachangesofwetlandresource

从图4(a)可以看出，研究区湿地资源从2000—2013年整体呈减少趋势，14 a间共减少湿地总面积145.081 km2； 其中，2008年比2000年减少133.305 km2，2013年比2008年减少11.857 km2。从湿地面积变化特征来看，研究区湿地总面积呈减少趋势，其中在2000—2008年减少趋势较为剧烈，湿地面积减少较为明显； 在2008—2013年湿地面积虽仍呈减少趋势，但减少趋势有所缓和，减少幅度有所降低。

使用4个较有代表性的1,4,7,10月份分别代表春、夏、秋、冬4个季节，用以分析湿地在不同季节的时空分布特征。从季节变化监测的结果看(图4(b))，4个不同月份的湿地面积差异较为显著，大部分地区湿地面积在7月份分布最多，4月份次之，10月份第三，1月份最少。这是因为气候和生物的季节性变化引起湿地在不同季节的面积差异： 夏季降水和冰雪融水相对充裕，上游水补给充足，芦苇、香蒲等主要群种生长繁茂，沼泽湿地面积增加明显； 温带内陆地区大部分在春季开始春灌，上游地区水库、水电站在春季均会加大对下游放水力度，使河流湿地面积进一步增加，沼泽湿地面积也有增加趋势，从解译结果来看，春季湿地面积也较大； 10月份随着温度降低，部分植被开始枯萎，径流量也开始减少，湿地面积也随之减少； 冬季大部分地区植物萎缩，河流因结冰而径流量减少，湿地范围也最小，其中灌丛沼泽、草本沼泽和河流沼泽减少最为明显。

3.3 各地区湿地资源变化

从黑河流域甘肃段涉及的3市9县的湿地面积变化情况来看，14 a间各县区湿地在研究区湿地总面积中所占比例的变化并不明显(表1)。

表1 各县区湿地面积及比例变化

其中，肃南裕固族自治县湿地所占比例从2000年的54.01%增加到2013年的58.33%，年均增加0.31%。从肃南县湿地面积实际情况来看，该县湿地面积从2000年的1 513.01 km2减少到2013年的1 512.36 km2，减少了0.66 km2。其余湿地面积较大的高台县、金塔县、肃州区和临泽县等，近年来随着湿地资源面积的减少，湿地面积在总面积中的比重略有下降。而在黑河流域内湿地面积较小的嘉峪关市和玉门市，因湿地资源面积在整个研究区所占比重不大，比例变化也较小(表1)。

3.4 湿地资源类型转换

3.4.1 不同季节湿地类型的转换

根据湿地时空数据统计分析，2000,2008和2013年这3 a的季节变化基本一致，故以2013年数据说明1,4,7,10月湿地类型的转换。图5示出2013年不同季节的湿地类型间转换空间分布。

(a) 2013年1—4月湿地类型转换 (b) 2013年4—7月湿地类型转换(c) 2013年7—10月湿地类型转换

图5 2013年1,4,7,10月湿地类型转换图

图5表明： 2013年1—10月份湿地类型的转换在空间分布上差异较小，湿地资源类型整体稳定，不同类型的湿地资源只是在局部相互转换； 转换最活跃的分别是永久性河流与洪泛湿地间的转换、季节性河流与洪泛湿地间的转换及洪泛湿地与草本沼泽间的转换。

3.4.2 不同年际湿地类型的转换

2008年与2000年相比(图6(a))，草本沼泽增加最多(10.81 km2)，城市人工水面和娱乐水面有少量增加； 其余湿地类型均有所减少，尤以永久性河流为甚(-40.27 km2)。

2013年与2000年相比(图6(b))，河流湿地(-84.91 km2)、草本沼泽(-30.42 km2)、洪泛湿地(-32.35 km2)、沼泽化草甸(-14.91 km2)和灌溉用沟、渠(-4.56 km2)都呈减少趋势； 湖泊(15.25 km2)、水库(22.70 km2)和农用池塘(2.02 km2)等面积有所增加。

2013年与2008年相比，季节性河流、灌丛沼泽、永久性淡水湖、农用池塘、水库、季节性洪泛农业用地、城市人工水面和娱乐水面等9类湿地面积有明显增长，永久性河流、洪泛湿地、草本沼泽、沼泽化草甸和淡水养殖场等6类湿地面积有所下降。

(a) 2000—2008年 (b) 2008—2013年

图62000,2008和2013年研究区湿地资源变化

Fig.6Changesofwetlandresourcesinstudyareain2000,2008and2013

从图6中可以明显看出，14 a间湿地整体呈先恶化后缓解的特征。2013年与2008年相比，人工湿地面积有大幅增长，但河流湿地及沼泽湿地的状况依然不容乐观。

4 影响因素分析

4.1 自然因素

4.1.1 水文因素

水文因素(特别是上游来水量的变化)是影响湿地变化的主要因素。2000—2013年的水文观测数据(图7)表明，黑河出山口莺落峡的年径流量呈上升趋势，从2000年的14.53×108m3增加到2011年的17.55×108m3，增加了20.8%。

图7 黑河上游来水量及下泄水量变化

黑河上游来水量主要受到年降水量与祁连山冰川融水的影响[8]。气象观测资料表明，近年研究区降水量总体趋于平稳，说明年降水量不是影响黑河来水量的主要因素； 而近年来随着全球气温升高，使得冰川融水补给黑河的水量增大，这与黑河上游来水量增加有很大关系。黑河来水量的增多对湿地生态系统环境的好转有正面效应。近年来，黑河流域甘肃段湿地资源总体面积虽有下降，但下降速度明显减缓，这与上游来水量增加使得河流湿地及周边洪泛湿地和沼泽湿地面积增加亦有一定关系。

4.1.2 气温与降水

气候条件对湿地资源的影响主要表现在降水和温度2个方面[9-11]， 图8示出黑河流域甘肃段各县(市、区)的年均气温及降水量变化。

图8 气温及年降水量变化

从气候因素对湿地生态系统环境影响来看，有正面影响，也有负面影响(如降水量的减少会加速湿地环境的恶化)。2008年降水量从186.14 mm减少至121.66 mm，而该年的河流湿地、水库和池塘等湿地面积均有明显缩减。同时，气候变暖也与湿地变化密切关联。在其他气象因素变化较小的情况下，气温升高必然会加速地表水分与水面蒸发，导致湖泊、沼泽湿地的水量减少而面积萎缩； 另一方面，气温升高还会导致祁连山冰川的加速消融。总体来看，降水量在2008年以后的缓慢升高与湿地资源在2008年以后面积减少幅度的降低有密切关系； 从气温来看，各年变化较为平稳，对湿地局部变化有一定影响，但对整体变化影响有限。

4.2 人文因素

4.2.1 人口与土地利用

从图9可以看出，2000―2013年，黑河流域甘肃段人口数量及耕地面积整体均呈明显上升趋势。

图9 黑河流域甘肃段人口数及耕地面积

黑河流域甘肃段人口数量从195.26万人增加到214.22万人，耕地从 25.44万hm2增加到31.01万hm2。尤其是在免除农业税而增加农业补贴后，农户和农业开发公司开垦荒滩和湿地，耕地面积扩展极快； 同时也增加了需水量，这直接加剧了湿地面积的减少。在黑河干流周边自然湿地边缘，湿地被人工开垦为耕地的现象时有发生，部分永久性湖泊因人为改成水库或开挖为灌溉用沟和渠，改变了湿地的天然属性，也势必造成湿地退化、面积萎缩。尽管当地政府在湿地周边立碑划界，但因经济效益驱使和对农业用地需求增加，加之农户对湿地保护意识不强，造成了耕地增加、湿地减少的趋势。因此，在当前湿地生态环境承载力十分有限的情况下，人口数量的增加和耕地面积的持续扩展是促使湿地等生态环境恶化的重要因素之一。

另外，随着城镇化进程加快和非农业人口膨胀，城市周边建设用地和商用住宅用地占用湿地现象普遍存在，也会对自然湿地的保护造成严重威胁。

4.2.2 分水政策

黑河流域水系复杂，水资源短缺，供需矛盾突出。为抑制下游逐渐恶化的生态系统，实行中游向下游分水政策,通过灌区节水改造、水资源合理调配、作物结构调整等措施对水资源进行统一调度，以确保农业持续发展及下游生态建设用水。这对实现区域经济社会可持续发展、解决区际区内水事矛盾、维护民族团结和社会安定都具有非常重要的意义。但是向下游分水,难免会造成中游水环境的负效应变化。

黑河中游地下水是农业灌溉的重要水源之一,而黑河分水通过对地表水的影响,进而影响地下水资源。中游甘州区、临泽县和高台县地下水位都在不同程度地下降，地下水可开采储量也随之减少，这与分水结果使地表水转化为地下水的数量减少、中游地区在农业灌溉中大量开采地下水有密切关系。

4.2.3 湿地保护工程与湿地公园建设

围绕黑河湿地生态保护与建设，先后实施了张掖黑河流域湿地保护工程、甘肃黑河流域中游湿地恢复与治理一期和二期工程、甘肃黑河湿地国家级自然保护区能力建设以及甘肃黑河流域中游湿地生态系统定位研究站等项目，同时启动实施了退耕还林工程。通过湿地保护、退耕还湿、植被恢复、生态补水等工程的实施，有效遏制了湿地面积萎缩的趋势，改善和恢复了黑河流域生态环境，减少了水土流失，促进了农民增收，产生了显著的经济、社会和生态效益。

5 结论

本文对2000―2013年14 a间黑河流域甘肃段湿地资源时空变化研究发现，研究区湿地面积在监测后期减少速度小于前期，湿地减少速度有所放缓； 湿地变化主要受降水量、气温、来水量及下泄量等综合影响，所以这些因素是湿地资源变化的根本驱动力； 人口数量的变化和人们对土地改造与利用的强度是逐渐改变湿地时空格局的最活跃、最直接的驱动力。因此，应该从减少人为破坏出发，以湿地的保护恢复为重要工作，形成科学治理和法律保护的社会氛围，实现湿地资源的合理利用和全流域社会经济的可持续发展。

[1] 李伟,崔丽娟,张曼胤,等.基于3S技术的中国红树林湿地监测研究概述[J].湿地科学与管理,2008,4(2):60-64. Li W,Cui L J,Zhang M Y,et al.A review of monitoring mangrove forest using 3S technologies in China[J].Wetland Science & Management,2008,4(2):60-64.

[2] 陈趁新,胡昌苗,霍连志,等.Landsat TM数据不同辐射校正方法对土地覆盖遥感分类的影响[J].遥感学报,2014,18(2):320-334. Chen C X,Hu C M,Huo L Z,et al.Effect of different radiation correction methods of Landsat TM data on land-cover remote sensing classification[J].Journal of Remote Sensing,2014,18(2):320-334.

[3] 国地普发(2013)1号,第一次全国地理国情普查总体方案[EB/OL].[2013-09-17].http://zgchnj.sbsm.gov.cn/article/ljnjll/elysj/tz/zywx/201409/20140900017459.shtml. File of the First Census Office 2013(1),The First Census Programme[EB/OL].[2013-09-17].http://zgchnj.sbsm.gov.cn/article/ljnjll/elysj/tz/zywx/201409/20140900017459.shtml.

[4] 张芳,塔西甫拉提·特依拜,熊黑钢,等.干旱区湿地信息的指数提取方法[J].干旱区地理,2011,34(6):983-989. Zhang F,Tiyip T,Xiong H G,et al.Extracting wetlands information of arid zone based on index method[J].Arid Land Geography,2011,34(6):983-989.

[5] Bouali M,Ladjal S.A variational approach for the destriping of MODIS data[C]//Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.Honolulu:IEEE,2010:2194-2197.

[6] 白磊,姜琦刚,刘万崧,等.近30年来河西走廊湿地变化及其机理初探[J].国土资源遥感,2010,22(1):101-106.doi:10.6046/gtzyyg.2010.01.19. Bai L,Jiang Q G,Liu W S,et al.The change of wetland in Hexi Corridor in the past thirty years and a tentative discussion on its mechanism[J].Remote Sensing for Land and Resources,2010,22(1):101-106.doi:10.6046/gtzyyg.2010.01.19.

[7] 孙永军.黄河流域湿地遥感动态监测研究[D].北京:北京大学,2008:24-71. Sun Y J.Study of Remote Sensing Mornitoring of Wetland Dynamic Change in Yellow River Drainage Area[D].Beijing:Peking University,2008:24-71.

[8] 冯婧.气候变化对黑河流域水资源系统的影响及综合应对[D].上海:东华大学,2014:30-33. Feng J.Impact of Climate Change on Water Resources System and Coping Strategies in Heihe River Basin[D].Shanghai:Donghua University,2014:30-33.

[9] 熊喆,延晓冬.黑河流域高分辨率区域气候模式建立及其对降水模拟验证[J].科学通报,2014,59(7):605-614. Xiong Z,Yan X D.Building a high-resolution regional climate model for the Heihe River Basin and simulating precipitation over this region[J].Chinese Science Bulletin,2013,58(36):4670-4678.

[10]颉耀文,汪桂生.黑河流域历史时期水资源利用空间格局重建[J].地理研究,2014,33(10):1977-1991. Xie Y W,Wang G S.Reconstruction of historic spatial pattern for water resources utilization in the Heihe River Basin[J].Geographic Research,2014,33(10):1977-1991.

[11]刘红玉,林振山,王文卿.湿地资源研究进展与发展方向[J].自然资源学报,2009,24(12):2204-2212. Liu H Y,Lin Z S,Wang W Q.Research progress and development prospect of wetland resources[J].Journal of Nature Resources,2009,24(12):2204-2212.

(责任编辑：邢宇)

RemotesensinginvestigationandanalysisofwetlandinGansusectionofHeiheRiverBasininthepast14years

WANG Yijun1，2， ZHAO Jun1， WEI Wei1， HAN Liqin3

(1.CollegeofGeographyAndEnvironmentScience，NorthwestNormalUniversity，Lanzhou730070，China； 2.MapInstituteofGansu，Lanzhou730030，China； 3.GansuIndustryPolytechnicCollege，Tianshui741025，China)

In this study, the authors used the data of TM and ETM remote sensing images, geographical condition census data and water conservation census data obtained in 2000, 2008 and 2013 and multi-year statistic data as the main data sources. Using remote sensing and GIS technology, combined with the field survey, the authors systematically studied the types, sizes, composition and distribution of wetland resources in Gansu section of Heihe River Basin. The results show that the area of wetland in the study area is decreasing, slowdown was faster before 2008, and slowdown is significantly slower since 2008. The change of wetland resources results from natural factors and human activities. Among them, the impact of the main factors on the changes of wetland resources in the area is precipitation, temperature, upstream water, discharge and permafrost. Human factors are becoming more and more obvious in the change of wetland resources as an external force. The change of population quantity and the intensity of the land reform and utilization are the most active and direct factors influencing the wetland landscape. Government decision making and the restoration project of wetland protection have played a role in promoting the evolution of wetland resources.

Heihe River wetland resource； remote sensing monitoring； GIS； temporal and spatial variation

10.6046/gtzyyg.2017.03.16

王怡君,赵军,魏伟,等.近14年黑河流域甘肃段湿地遥感调查与分析[J].国土资源遥感,2017,29(3)：111-117.(Wang Y J,Zhao J,Wei W,et al.Remote sensing investigation and analysis of wetland in Gansu section of Heihe River Basin in the past 14 years[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：111-117.)

2016-03-21；

2016-05-20

国家自然科学基金重点项目“面向黑河流域生态―水文过程集成研究的数据整理与服务”(编号： 91025001)和甘肃省地理国情监测项目“黑河流域湿地资源调查与动态监测”(编号： GSGP-2014-24)共同资助。

王怡君(1992-),女,硕士研究生,主要研究方向为地理信息系统空间分析。Email： wyjwxc@163.com。

赵军(1963-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事环境遥感与GIS应用研究。Email： zhaojun@nwnu.edu.cn。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0111-07