地理科学专业 曲靖市主要水源地水域面积时空变化及其响应机制研究小分解

引言1.1研究区概况曲靖市位于云南省东部，地处珠江源头，属长江、珠江两大水系分水岭地带，为云南、广西、贵州三省交界处，自古以来为内地入滇之重要窗口，该区域介于103°03′E～104°50′E、24°19′N～27°03′N之间。区域内山岭河谷相间分布，地质构造复杂，地层发育较为齐全，碳酸盐面积广布。气候类型主要为亚热带高原季风气候，“夏无酷暑、冬无严寒”，年平均气温为14.5℃左右，年平均降水量为1000mm左右。1.2研究背景及意义水资源问题是当前普遍制约我国城市可持续发展的“瓶颈”问题之一。随着城市化进程的加快，城市工业化、现代化水平的提高，城市数量的增加和规模的不断扩大，城市水资源的供需矛盾已十分突出，并由此产生许多新的问题。曲靖市未来建设将围绕以麒沾马一体化为核心，构建“一核多点”的城市空间结构。对曲靖市主要水源地水域面积时空变化及其响应机制进行研究，可以使我们对曲靖市水资源有更清晰的认识，为政府进行曲靖市城市建设提供相应的依据。对曲靖市主要水源地水域面积时空变化及其响应机制进行研究，可揭示曲靖市的湖泊或水库资源的分布状况及变化特征，为曲靖市水资源的保护及利用提供理论依据。因此，对曲靖市主要水源地水域面积时空变化进行研究，有利于缓解曲靖市“资源型”缺水问题。水资源的可持续发展发展作为实现可持续发展的重要一环，对其进行研究有着极强的现实意义。1.3研究方法1）基于曲靖市主要水源地的卫星影像资料，运用ENVI和ArcGIS分别提取水体信息和统计水域面积，并分析主要水源地水域面积变化的趋势，详细说明各个时间段的变化情况。2）基于曲靖市主要水源地的水域面积统计数据，将主要水源地分为若干个区域，对区域水域面积变化进行横向对比，划分出变化最大区域和最小区域，并对区域水域面积变化做出详细说明。3）根据自然因素和人为因素两大方面，分析影响曲靖市主要水源地水域面积变化的驱动力因素。2文献综述2.1国外研究现状人们对水域面积变化已有很长的研究历史，可将遥感技术的诞生作为时间节点分为传统阶段和新技术阶段。在传统阶段，受技术条件的影响，关于水域面积变化的研究成果极少。新技术阶段，遥感技术诞生，将人类对地球表层的理解推进到一个新的阶段，同时也给大范围的、全面深入的水域调查带来便利。与传统的调查方法相比，遥感技术具有覆盖面广、宏观性强、快速、多时相、丰富的综合信息等特点，它能及时快速地识别水体，监测水体动态变化，已成为水体研究的重要手段之一[1]。1960年美国发射TIROS-1和NOAA-1太阳同步气象卫星，标志着人类从空间长期观测地球进入了新的纪元。随着遥感技术的改进，遥感应用的深入，遥感专题信息的提取方法也在不断地改进，经历了目视解译、自动分类、光谱特性的信息提取及光谱与空间特征的专题信息提取等多个阶段[2]。随着信息提取方法的改进，对水域面积变化的研究也愈来愈深入，人们逐渐开始思考水域面积变化的响应机制。2.2国内研究现状关于水域变化的研究，水域面积变化是其研究的重点。目前,关于水域面积变化的研究主要集中于水域面积变化监测、水域面积变化及影响因素分析以及水域面积提取方法研究。吴川,张玉龙,许秀贞,张全发做了基于LandsetTM/ETM和HJ-1A/B影像的丹江口水库水域变化监测研究[3].王军,温兴平,张丽娟,周杨做了基于遥感技术的滇池水域面积变化监测研究[4]。徐德增做了基于高分辨率遥感影像的大伙房水库水域面积变化监测[5]。常利,裴亮做了丹江口水库面积季节变化遥感监测[6]。以上应用遥感技术，对我国重要水域进行了水域面积变化监测研究。刘新,何隆华,周驰做了长江中下游近30年来湖泊的水域面积变化研究[7]。马振刚,李黎黎,张利雅做了1978年—2013年官厅水库水域面积变化及相关因素分析[8]。马建威,黄诗峰,许宗男做了基于遥感的1973—2015年武汉市湖泊水域面积动态监测与分析研究[9]。以上对我国重要水域面积变化做出研究，并对影响水域面积变化因素进行探讨，从空间尺度、时间尺度以及不同的要素对水域面积变化及影响因素做出了研究。徐燕做了基于RS/GIS技术的水域面积提取分析[10]。李文波,于春颖,张秋文,曹波做了基于归一化水体指数的水域面积估算研究[11]。周杨,温兴平,张丽娟,王军做了基于遥感技术的洱海水域面积提取方法研究[12]。以上对水域面积提取方法进行研究，提出了基于归一化水体指数的水域面积估算等多种方法。近些年来，人们也逐渐开始关心重要变化的响应机制研究[13]。3数据来源与处理3.1数据获取本文选用LandsatTM/OLI遥感影像（以下简称TM/OLI影像；地理空间数据云网站免费下载）作为研究数据。对比研究区域各年遥感影像效果和分析主要水源地分布后，选取了1988、1996、2003、2009、2017共五年的遥感影像用于分析曲靖市主要水源地水域面积时空变化。利用云南省统计年鉴中与曲靖市相关的生产总值、总人口、年平均降水量等数据分析水域面积变化的影响因素。3.2技术路线研究所用的技术路线如图1所示。首先利用ENVI对获取的所有原始遥感影像进行预处理，TM/OLI影像预处理包括辐射定标、快速大气校正、图像融合（TM影像不做图像融合处理）；其次根据遥感影像的不同选用适当的水体提取方法进行水体信息提取；最后利用ArcGIS统计各水源地水域面积。图1影像处理分析技术路线图Fig.1Imageprocessinganalysistechnologyroadmap3.3遥感影像水域信息提取3.3.1水体信息提取方法目前常用的水体信息提取方法有归一化差异水体指数（NDWI）、改进的归一化水体指数（MNDWI）、单波段阈值法等。1）归一化差异水体指数（NDWI）法是由McFeeters在1996年提出的，该方法是基于近红外波段和绿波段的归一化比值指数，用于提取遥感影像中的水体信息，如用于提取背景中有较多建筑物的水体，其效果较差。其公式如下： NDWI=ρG式中，ρ(Green)为绿波段反射率（TM:Band2，OLI：Band3），ρ（NIR）为近红外波段反射率（TM:Band4，OLI:Band5）。2）改进的归一化差异水体指数（MNDWI）法对NDWI的缺陷进行了一定的修正，其公式为： MNDWI=ρGreen式中，ρ(Green)为绿波段反射率（TM:Band2，OLI：Band3），ρ（MIR）为中红外波段反射率（TM:Band5，OLI:Band6）。3）单波段阈值法主要是利用背景陆地和水体的界线在中红外波段处相反的特性，确定阈值后进行水体信息的提取。3.3.2水体信息提取在本文中，研究区域受建筑物干扰较小，通过比较分析后，确定TM影像进行水体信息提取时选用归一化差异水体指数（NDWI）法，OLI影像选用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）法。曲靖市主要水源地水域面积变化情况如图2和表1所示。跃进水库花山水库毛家村水库跃进水库花山水库毛家村水库黄草坪水库上西山水库独木水库黄草坪水库上西山水库独木水库西河水库潇湘水库偏桥水库西河水库潇湘水库偏桥水库图2曲靖市主要水源地水域面积变化图Fig.2WaterAreaChangeMapofMajorWaterSourcesinQujingCity表1曲靖市主要水源地水域面积Tab.1WaterareaofmainwatersourcesinQujingCity水源地提取方法水域面积/Km21988年1996年2003年2009年2017年花山水库NDWI3.75215.61695.11385.76455.1871毛家村水库11.628016.93539.759516.113613.8431跃进水库3.28863.81873.42635.70875.2072独木水库4.70076.27486.14343.91145.1358上西山水库（2017为0.20880.37260.30240.33840.1928黄草坪水库MNDWI）0.29520.38600.40050.45720.5209偏桥水库2.76034.88973.88624.70703.6731西河水库2.66403.30571.91703.06092.3137潇湘水库2.07902.96552.42372.60552.67884结果与分析4.1曲靖市主要水源地29年水域面积时空变化分析4.1.1曲靖市主要水源地29年水域面积时间变化分析对曲靖市主要水源地水域面积的变化进行统计和分析，可知曲靖市主要水源地29年水域面积时间变化情况，如图3所示。图3曲靖市主要水源地面积变化图Fig.3MapofAreaChangeofMajorWaterSourcesinQujingCity通过对曲靖市不同年份主要水源地水域面积（所研究水库）的分析可得出：1988～2017年间，主要水源地水域面积呈现出波动上升的趋势，主要水源地水域面积年变化趋势表现为“上升-下降-上升-下降”的“M”型波动增加。不同时间段表现为：1988～1996年呈现上升趋势，共增加13.19km2，平均每年上升约1.65km2；1996年～2003年呈现下降趋势，共减少11.19km2，平均每年下降约1.60km2；2003年～2009年呈现上升趋势，共增加9.29km2，平均每年上升约1.55km2；2009年～2017年呈现下降趋势，共减少3.97km2，平均每年下降约0.49km2。不同水源地年变化表现为：其中花山水库、毛家村水库、跃进水库、偏桥水库水域面积年变化趋势表现为“上升-下降-上升-下降”的“M”型波动增加：黄草坪水库、潇湘水库水域面积年变化表现为上升趋势；独木水库、上西山水库、西河水库水域面积年变化表现为波动下降趋势。4.1.2曲靖市主要水源地29年水域面积空间变化分析大致以曲靖市人民政府为原点建立平面直角坐标系，划分出与平面直角坐标系四个象限相对应的四个区域，分别为一、二、三、四区域。一区域包括花山水库、偏桥水库；二区域包括跃进水库、毛家村水库、西河水库、上西山水库；三区域包括潇湘水库、黄草坪水库、四区域包括独木水库，如图4所示。图4四区域曲靖市主要水源地分布图Fig.4DistributionMapofMajorWaterSourcesinQujingCityofFourRegions对曲靖市主要水源地水域面积的变化按照区域进行统计和分析，可得出四个区域29年水域面积变化，如表2所示。表2曲靖市四区域主要水源地水域面积Tab.2WaterAreaofMainWaterSourcesinFourRegionsofQujingCity区域水域面积/Km2总和占比1988年1996年2003年2009年2017年一区域4.04736.00295.51436.22175.708027.494215.90%二区域17.789424.432315.405225.221621.5568104.405360.39%三区域2.37423.35152.82423.06263.199714.81228.57%四区域4.70076.27486.14343.91145.135826.166115.14%根据表2可知，在四个区域29年水域面积占比中，二区域占比最高，达60.39%；一、四区域占比大致相当，分别为15.90%和15.14%，一区域略高于四区域；三区域占比最低，为8.57%；四个区域1988～2017年间水域面积变化最大的为一区域，变化最小的为四区域。对四区域的29年主要水源地水域面积制作为折线图，可知曲靖市四区域主要水源地29年水域面积时间变化情况，如图5所示。图5曲靖市四区域主要水源地水域面积变化图Fig.5WaterAreaChangeMapofMainWaterSourcesinFourRegionsofQujingCity通过对曲靖市四区域不同年份主要水源地水域面积（所研究水库）的分析可得出：1988～2017年间，一、二区域主要水源地水域面积呈现出波动上升的趋势，水域面积年变化趋势表现为“上升-下降-上升-下降”的M型波动增加；三区域主要水源地水域面积在1988～2003年间，以1996年为时间节点，表现为不明显的倒“V”型变化，2003～2017年间主要水源地面积缓慢持续上升；四区域主要水源地水域面积在1988～2017年间，总体表现为下降趋势。在1988～2003年间，以1996年为节点，表现为不明显的倒“V”型变化。在2003～2017年间，以2009年为时间节点，表现为“V”型变化。4.2曲靖市主要水源地29年水域面积变化驱动力分析4.2.1自然因素水域水源的主要补给来自于河流补给、地下水补给、降水补给和冰雪融水补给。曲靖地处于我国喀斯特地貌分布地区，地表水不发育，地下水分布广泛，结合曲靖市遥感影像观察，主要水源地并未与河流相连接并且周围并无雪山发育。可见，曲靖市主要水源地水域面积变化与河流补给和冰雪融水补给无关。该区域降水丰沛、地下水分布广泛，可预测该区域水域面积变化主要由降水补给和地下水补给。通过比较该地区主要水源地面积变化和年平均降水量变化趋势，可说明两者是否相关，如图6所示。图6水域面积变化与年平均降水量变化趋势比较图Fig.6ComparisonsoftheTrendofWaterAreaChangeandAnnualAveragePrecipitationChange由图6可知，水域面积变化与年平均降水量变化趋势一致，说明该区域水域面积的变化与年平均降水量有关；但两者的斜率区别较大，说明该区域水域面积的变化还受其他因素的影响。由该区域所处的地理位置和主要地貌类型可知，该区域水域面积变化还受地下水补给和气温等的影响。4.2.2人为因素1）除险加固工程多年来，曲靖市大力进行水库除险加固工程。例如在90年就初步设计花山水库的扩建工程，对主坝进行加高处理，对老副坝、溢洪道、老底涵等采用先进技术进行相关处理；在1997年对黄草坪水库进行除险加固后，并于2016年再次进行除险加固处理。由于多年来的努力，使得水库的蓄水能力稳步增加，这是曲靖市主要水源地水域面积不断增加的最直接原因。2）经济增长与生态投资自1988年以来，曲靖市经济快速提高，如图7所示。图7曲靖市GDP增长图Fig.7QujingGDPGrowthMap曲靖市在经济高速增长的同时，也关注生态保护，加大对生态的投资，大力恢复生态。会泽黑颈鹤国家自然保护区，对保护区内的草地、湿地进行恢复改善，先后成功恢复湿地2000余亩、草地5000余亩、种植各类树木1万余棵，生物多样性得到了有效保护，保护区内物种数量逐年稳中有升。曲靖市进行的大规模的生态修复和环境保护措施，使得该区域涵养水源的能力提高，从而影响曲靖市主要水源地水域面积的变化。5结论本文通过1988～2017年间遥感影像，采用NDWI和MNDWI水体指数法，对曲靖市主要水源地最近29年的水域信息进行了面积提取和时空变化分析。结果显示：1988～2017年间，曲靖市主要水源地水域面积呈现出波动上升的趋势，水域面积年变化趋势表现为“上升-下降-上升-下降”的“M”型波动增加。以曲靖市人民政府为原点建立平面直角坐标系，划分出与平面直角坐标系四个象限相对应的四个区域，分别为一、二、三、四区域，并对四个区域进行统计分析，结果表示：1988～2017年间，一、二区域主要水源地水域面积呈现出波动上升的趋势，水域面积年变化趋势表现为“上升-下降-上升-下降”的M型波动增加；三区域主要水源地水域面积在1988～2003年间，以1996年为时间节点，表现为不明显的倒“V”型变化，2003～2017年间主要水源地面积缓慢持续上升；四区域主要水源地水域面积在1988～2017年间，总体表现为下降趋势。在1988～2003年间，以1996年为节点，表现为不明显的倒“V”型变化。在2003～2017年间，以2009年为时间节点，表现为“V”型变化。根据研究区的地理位置和区域条件对曲靖市主要水源地水域面积变化的影响因素根据自然因素和人为因素做了详细分析。分析得出年降水量的变化、地下水的补给、气温、除险加固工程、生态投资的增加等综合影响了曲靖市主要水源地水域面积的变化。参考文献[1]杜云艳,周成虎.水体的遥感信息自动提取方法[J].遥感学报,1998(04):264-269.[2]徐蓉,张增祥,赵春哲.湖泊水体遥感提取方法比较研究[J].遥感信息,2015,30(01):111-118.[3]吴川,张玉龙,许秀贞,张全发.基于LandsetTM/ETM和HJ-1A/B影像的丹江口水库水域变化监测研究[J].长江流域资源与环境,2013,22(09):1207-1213.[4]王军,温兴平,张丽娟,周杨.基于遥感技术的滇池水域面积变化监测研究[J].河南科学,2014,32(08):1589-1593.[5]徐德增.基于高分辨率遥感影像的大伙房水库水域面积变化监测[J].水利发展研究,2016,16(07):50-52.[6]常利,裴亮.丹江口水库面积季节变化遥感监测[J].测绘与空间地理信息,2017,4