近30 年银川平原典型湖泊动态变化及归因分析

赵贵章，李鸿源，李云良，方 磊，张 勃

（1. 华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046； 2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008；3. 宁夏回族自治区水文环境地质调查院，宁夏 银川 750021）

0 引 言

银川平原地处我国西北半干旱地带，常年降雨量较少，因处于黄河上游，故该区域内灌溉农业非常发达［1］。引黄灌溉又与湖泊水资源问题息息相关，由于银川平原干旱少雨，水资源短缺问题愈发严重，湖泊是银川平原居民赖以生存的重要资源，因此湖泊水资源的平衡需要引黄灌溉来维持［2-4］。银川平原是北部绿色发展的核心区，自治区内水分蒸发强烈，降水量时空分布不均，随着人类活动增加、经济社会发展迅速和全球化进程加剧，银川平原的湖泊发生了显著变化，多数人工湖泊水位急剧下降，自治区内的水资源问题愈发严峻和复杂。宁夏作为干旱半干旱地区，其发展越来越依赖于湖泊水资源，大部分湖泊均是以大气降水作为主要补给水源［5-8］。

深入认识干旱半干旱地区的湖泊分布现状，掌握湖泊的时空变化规律，分析水域变化的影响因素，探究湖泊水资源，对探究湖泊生态布局与经济、社会的可持续发展具有重要的现实意义［9，10］。近些年来，在遥感和计算机技术的快速发展之下，水面积数据的获取更加方便和有效，其通常作为衡量湖泊水资源量的一个重要指示。例如，在气候变化和人类活动影响下，国内学者围绕湖泊水面积开展了大量的研究工作。许诗［11，12］利用Landsat 遥感影像对1986-2008 年间吉林省湖泊面积变化进行了研究，结果表明气候干旱化、人口增加和水利工程建设等因素是湖泊面积变化的主要原因。邢文渊［13］利用MODIS 遥感影像对巴里坤湖泊进行解译，结果表明巴里坤湖泊面积变化是由于降雨和温度的季节性改变所致。国外学者也开展了大量相关研究，例如Frazier［14］经过一系列研究发现利用Landsat-TM5阈值分割可以更加有效的提高水体提取的精度，但是该方法更加适用于细小水体的提取；Mueller N［15］基于WOFS 产品，采用基于决策树分类器的水检测算法和基于逻辑回归的比较方法，对1987-2014年澳大利亚的地表水的变化进行了监测。

对于宁夏平原湖泊研究而言，先前工作主要以北部引黄灌区的代表性湖泊（星海湖、沙湖、镇朔湖和阅海湖等）为主，运用不同方法对湖泊动态和水环境等方面进行分析。冯娅［16］采用Mann-Kendall 分析、Pearson 相关分析等统计方法，分析研究区气温、降水、径流量和黄河引水量等长时间序列变化趋势及特征，进而定性分析湖泊面积变化与各驱动因素之间的作用关系；田巍［17］利用多指标体系评价法，建立宁夏湖泊湿地生态系统健康评价指标体系，采用湖泊综合评判方法，对宁夏重点湖泊进行生态健康评价；田林锋［18］为研究西北地区封闭式湖泊水质恶化原因及水体污染物迁移转化规律，以宁夏沙湖为研究对象，对沙湖2012-2017 年水体污染物总量变化趋势及沙湖周边地表水环境质量进行分析；王伟［19］选取2006-2010 年银川市城市湖泊湿地-阅海湖为对象，采用水质综合评分法评价水环境现状，并采用综合营养状态指数法评价水质营养状态。

基于上述背景，分析银川平原区域内湖泊变化特征，利用遥感和GIS 技术对银川平原湖泊动态的变化进行研究不可或缺，特别是研究湖泊水资源与各种影响因素之间的响应关系［20-24］。实际上，银川平原湖泊动态的变化不仅受降水、气温、人类活动的影响，而且还与引黄灌溉有关。相对于宁夏回族自治区地下水资源方面的研究，对地表湖泊水资源动态的认识存在明显不足，尤其缺乏对湖泊动态的系统认识及影响因素区分［25，26］。在当前干旱和半干旱地带水资源短缺的背景下，本文以银川平原内典型湖泊为研究对象，主要研究目标为:①基于遥感和GIS 技术，对银川平原一些典型湖泊及其动态变化进行分析，探明湖泊动态的基本变化特征和演变趋势；②基于水文数据和统计学方法，对影响湖泊动态变化的因素进行降维分析，辨析与识别导致湖泊面积变化的自然和人为因素。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

银川平原位于宁夏回族自治区中部黄河两岸，北起石嘴山，南止黄土高原，东到鄂尔多斯高原，西接贺兰山，其地域范围在北纬37°29'～38°53'，东经105°49'～106°53'之间（如图1 所示）。银川平原处于温带干旱区 ，属温带大陆性气候，干燥少雨，气候呈极端大陆性，气温年、月较差都较大，雨季集中在夏季，但降水量不大，冬季寒冷干燥。银川平原虽属于干旱地区，但湖泊湿地资源丰富，湿地面积3.97 万hm2，主要为湖泊湿地和河流湿地，其中天然湿地占湿地面积的60%以上，自然湖泊近200 处，面积100 hm2以上的湖泊20 多处。较著名的有鸣翠湖、阅海、鹤泉湖、宝湖、西湖等［27，28］。湖泊的补给主要依靠农田退水、地下水、洪水、再生水等水源，水面面积受降水、灌溉以及天气情况等因素影响，年内变化强烈［29-31］。本研究主要以银川平原的湖泊变化为主，重点研究对象为沙湖［图1（b）］和阅海湖［图1（c）］的面积变化。

图1 研究区概况、沙湖形态概况、阅海湖形态概况Fig.1 Diagram of the study area、Morphological overview of Sand Lake、Morphological Overview of Yuehai Lake

1.2 数据来源及信息提取

研究使用的图像及其数据资料来源于覆盖研究区的1990-2020 年每5 年间隔的遥感影像；来自于地理空间数据云的1990-2020 年宁夏地区GDEMV3 30 m 分辨率数字高程模型（DEM）；1990-2020年日均温度、最高温、最低温、降水量等观测数据，均来自于中国气象数据网［32］；2000-2020年宁夏地区引黄灌溉量，来自宁夏水资源公报（http://slt.nx.gov.cn/xxgk_281/fdzdgknr/gbxx/szygb/）。

研究选用了银川平原季节气候接近的时期获得的数据，为了能够获得更高精度的图像信息，首先要对获得的遥感图像数据进行正射校正、图像拼接和裁剪的预处理，在经过ArcGIS 10.2 软件的人工目视校正后［33］，可以获得1990-2020 年每5 年间隔的研究区重要湖泊体—沙湖和阅海湖的变化情况，通过查阅历史资料及地理信息，确定重要湖泊体的位置、名称、所在区域等属性。为探讨银川平原1990-2020年时间尺度上的内在变化，采用小波分析方法对研究时间区段中的2001-2020 年20 年的降雨量和气温进行周期分析。首先利用MATLAB 软件进行数据格式的转化和边界效应的消除或减小，之后利用Excel 计算小波系数和小波系数的实部，最后利用Surfer 软件绘制小波系数实部等值线图。

1.3 时间特征分析方法

湖泊动态度可以表征长时间湖泊面积变化的特征，该指标可以反映区域内某一时段湖泊面积（或数量）变化的速率，能够将湖泊资源变化的剧烈程度定量化。李昭阳［34］利用动态度分析的方法研究了1985-2015年吉林省湖泊资源演化的时空动态特征，公式如下:

式中:K为某一时段内湖泊变化动态度，即湖泊面积（或数量）的年均变化率；Ua、Ub分别为研究初期、末期的湖泊面积（或数量）；T为研究时段。

1.4 连续小波分析方法

采用小波分析方法，探讨重要气候因子与银川平原湖泊面积变化的关系。通过收集研究区内气象站数据等方式，主要分析研究区域内气温和降水因素变化趋势及特征。张发斌［35］利用小波分析法对河径流变化特征进行研究，讨论河年径流在不同时间尺度下的小波变换时频分布及其丰、枯交替变化的周期规律。小波变换:

若ψa，b(t) 是子小波，对于给定的能量有限信号f(t) ∈L2(R)，其连续小波变换（Continue Wavelet Transform，CWT）为:

由上式可知小波分析的基本原理，即通过增加或减小伸缩尺度a来得到信号的低频或高频信息，然后分析信号的概貌或细节，实现对信号不同时间尺度和空间局部特征的分析。

实际研究中，最主要的就是要由小波变换方程得到小波系数，然后通过这些系数来分析时间序列的时频变化特征。

1.5 主成分分析方法

主成分分析的主要目的是希望用较少的变量去解释原来资料中的大部分变异，将许多相关性很高的变量转化成彼此相互独立或不相关的变量。通常是选出比原始变量个数少，能解释大部分资料中的变异的几个新变量，即所谓主成分，并用以解释资料的综合性指标。其原理如下:①（假设有条维数据）组成一个的矩阵；②将矩阵的每一行（代表一个字段）均值化；③求出协方差矩阵；④求出协方差矩阵的特征值及对应的特征向量；⑤将特征向量按对应的特征值大小从上到下按行排列成矩阵，取前行组成矩阵；⑥即为降维到维的数据。

2 结果与分析

2.1 银川平原典型湖泊水面积动态变化特征

通过对银川平原湖泊面积及数量数据进行时序变化提取后，得到1990-2020 年银川平原湖泊水面积时序变化图（图2 和图3）。由图2 可知，1990-2020 年间沙湖总体面积呈先增大后减少再增大的趋势，沙湖东北部面积增长较为明显，2020 年沙湖面积最大，为13.21 km2。1990-2000年，沙湖水面面积大部呈扩张趋势，1990 年湖面面积为9.87 km2，2000 年湖面面积增加到12.33 km2，湖面面积增长速率为0.25 km2/a。2000-2015 年，沙湖水面面积呈萎缩趋势，2015年，湖面面积缩减到11.94 km2，湖面面积缩减速率为0.03 km2/a。由图3 可知，1990-2015 年湖面水体零散分布，2015-2020 年间逐步恢复，经退池还湖、水道清淤、等生态恢复工作后，原西湖水域与阅海湿地对接后变为阅海湖（由数百围湖、塘池和沼泽组合）。1995-2020 年间阅海湖的水面面积呈先增大后减少再增大的趋势，1990-1995年，阅海湖水面面积呈扩张趋势，1990 年湖面面积为1.81 km2，1995年湖面面积增长到2.66 km2，湖面面积增长速率为0.17 km2/a。1995-2005年，阅海湖水面面积呈萎缩趋势，2005年湖面面积缩减到1.35 km2，湖面面积缩减速率为0.13 km2/a。2005-2020 年，阅海湖水面面积呈扩张趋势，2020 年湖面面积达到11.14 km2，湖面面积增长速率为0.65 km2/a。

图2 1990-2020年代沙湖形状动态变化Fig.2 The shape of Sand Lake changes dynamically in 1990-2020s

图3 1990-2020年代阅海湖形状动态变化Fig.3 The shape of Yuehai Lake changes dynamically in 1990-2020s

30 年内银川平原的湖泊面积由91.9 km2减少到80.5 km2，湖泊数量由906个减少到224个（图4），湖泊面积和数量总体呈波动下降趋势，湖泊面积共萎缩11.4 km2，湖泊数量共减少682个（因水体合并工程进行，湖泊数量仅能辅助说明湖泊动态变化特征），湖泊面积动态度为-0.01%，湖泊数量动态度为-0.03%。1995-2000 年间湖泊面积变化萎缩最为显著，共减少32.8 km2，湖泊动态度最小，为-0.07%；2015-2020 年间湖泊面积扩张最为显著，共增长13.7 km2（表1）。

表1 1990-2020年银川平原湖泊面积动态度Tab.1 Dynamic attitude of Lake area in Yinchuan Plain from 1990 to 2020

图4 1990-2020年银川平原湖泊面积和数量变化Fig.4 Changes of Lake area and quantity in Yinchuan Plain from 1990 to 2020

为了更好地说明湖泊的变化，根据湖泊的面积大小将湖泊分为3 个大小等级（表1）:面积在0～10 km2为小型湖泊；面积在10～50 km2的中型湖泊；以及面积≥50 km2的大型湖泊。由于大中型湖泊的基数较小，我们主要研究小型湖泊面积的变化，30年内小型湖泊的数量呈明显的下降趋势，面积也在逐步缩减，大中型湖泊的动态度最大，小型湖泊的动态度为-0.03%。由于银川平原的湖泊资源分布主要为0～10 km2的小型湖泊，10～50 km2的中型湖泊数量屈指可数，≥50 km2的大型湖泊分布为0，且小型湖泊大幅度减少受水体合并工程的影响，导致湖泊数量变化不能准确反映出湖泊动态特征，我们进一步研究了它们的时间变化和自20世纪90年代以来的相关驱动力。

2.2 银川平原主要气候因子分析

在全球气候背景下西北干旱区的主要组成部分银川平原地区的气候也发生了变化。其主要表现为气温、降雨微弱上升。根据银川平原主要气象局资料，2001-2020 年银川平原平均气温升高了1.1 ℃，降水量增加了约1.3%。通过对银川平原主要气象站2001-2020年气象数据的收集和分析来研究银川平原湖泊面积在各气象要素影响下所发生的变化。根据前人的研究成果及各气象要素资料的可获得性针对本研究区选择了年平均气温和降水量2个主要气象要素进行分析。随着跨学科研究的发展，许多学者将连续小波分析应用于水文和气候研究中的多时间尺度特征分析。该方法能够清晰地揭示时间序列的多种变化，充分反映不同时间尺度水文气象数据的变化趋势。

由图5 和图6 可以清楚的看出气温和降雨演化过程中存在的多时间尺度特征（图5 和图6）。根据气温和降雨量的线性回归趋势可知2001-2020 年间气温呈缓慢趋势升高，降雨量也在逐步的增加（图5）。在气温演变过程中存在着高温和低温的变化［图6（a）］，图中正值表示高温，负值则表示低温，在气温小波分析中，存在着4 a 和10 a 两个振荡周期，4 a 的振荡周期在2001-2020 年间都呈现平稳的变化，都是低温变化的区间；10 a的振荡周期在2005-2008 年间温度值达到最高，在2001-2020年间，经历了气温的由低到高最后降低的5 个循环变化，2020年左右的温度逐渐慢慢上升。年降雨量小波分析中可以观测到年降雨量的周期性变化［图6（b）］，正值表示降雨量偏多，负值则表示降雨量偏少。可以看出降雨量存在5 a 和10 a 两个振荡周期，在整个近20 年里具有明显的5 a 振荡周期，在5 a 的时间变化层次上经历了降水的由少到多8 个循环变化；在10 a 的振荡周期中存在着由多到少4 个循环变化。总的来说，由2001-2020 年平均气温和年降雨量小波能量图可知，气温和降雨量都在非常缓慢的增加，对湖泊面积变化的影响需做进一步的研究。

图5 2001-2020年银川平原年平均气温、年降雨量Fig.5 2001-2020 annual average temperature and annual rainfall in Yinchuan Plain

图6 年平均气温、年降雨量小波分析Fig.6 Wavelet analysis of annual average temperature and annual rainfall

2.3 银川平原湖泊变化的影响因素分析

由于影响湖泊面积变化的因素较多，不能准确得出直接影响面积变化的主成分因子，故选取研究区段内2001-2020 年间各变化量进行主成分分析。引黄总量、排黄总量、用水总量和耗水总量是影响宁夏平原湖泊面积变化的重要驱动力。由图7可知，2001-2020 年间，引黄总量和排黄总量都在逐步减少，总取水量和总耗水量近乎稳定，因气温逐步升高，水量蒸发加快，引黄灌溉量和排黄量均会受到影响。引黄量、排黄量、总取水量和总耗水量均在2003 年达到最低值，2003-2006 年间均逐步增加，2006-2020 年均保持稳定。由图8 可知，2001-2020 年间，沙湖和阅海湖面积均呈增长趋势，沙湖面积变化较为稳定，阅海湖面积2015 年后呈大幅度增长，期间，年平均气温也呈缓慢增长趋势。2001-2005 年间银川平原年降雨量呈大幅度下降，2005-2010年间大幅度增长，2010-2020年间，降雨量趋于稳定。查询历史事件可知:2003 年宁夏通过“农业综合节水-水权有偿转换-工业高效用水”的模式，促使水往“高”处流，高效的利用了水资源。2004 年宁夏在全国率先提出建设省级节水型社会试点。2006 年，自治区政府全面启动了节水型社会建设试点，使水资源优化配置，确保了国家能源战略的实施。总体来看，因节水型社会的全面建设，各类水资源的利用逐步稳定。

图7 2001-2020年银川平原年总引黄灌溉量和排黄量、总取水量和总耗水量Fig.7 The annual total Yellow River diversion irrigation and yellow discharge、total water intake and total water consumption in Yinchuan Plain from 2001 to 2020

图8 2001-2020年银川平原重点湖泊面积和年平均气温、重点湖泊面积和年降水量Fig.8 2001-2020 area and annual average temperature of key lakes in Yinchuan Plain、area of key lakes and annual precipitation

由主成分分析结果可知（表2～4）:①引黄总量与总取水量相关性最好（0.95），说明引黄时期可能与近年来居民用水需求增大有关；与降雨量相关性最差（-0.52），说明引黄期间降雨量较为稳定，对引黄的水量影响不大。排黄总量与引黄总量相关性最好（0.78），这说明引黄总量和排黄总量之间引排关系很稳定；与气温相关性最差（-0.52），说明排黄时期温度对水量影响不大。降雨与气温相关性最大（0.28），降雨与气温息息相关；与总耗水量相关性最小（-0.66），说明降雨对居民用水影响不大。总取水量与气温相关性最小（-0.43），说明温度对居民用水影响不大；总耗水量与总取水量相关性最大（0.56），取耗水量需稳定，故两者相关性最大；与降雨量相关性最小（-0.66），说明降雨多少与居民用水无太大关联。相关系数矩阵中各原始变量之间存在明显的相关性，说明可以采用主成分分析。②由总方差解释可以得知各个主成分的贡献率及累计贡献率，第三列表示贡献率，第四列表示累计贡献率，可以看到，提取前2个主成分，累计贡献率就可以达到82%以上（其中引黄总量占比约57%，排黄总量约占比25%），即这2个主成分集中了6个原始变量的82%的信息，故可以初步得出主要成分为引黄总量和排黄总量。③由公因子方差和成分矩阵表格可以看出从各个原始变量提取的情况，即对每个原始变量的代表程度，可以看出，主成分对于大部分原始变量的代表程度还是不错，提取度均在0.5以上，个别较低。成分矩阵可以反映出提取的2 个主成分与引黄总量、排黄总量、降雨量、用水总量、耗水总量和气温这些变量的相关性，从表中可以分析出:主成分1与引黄总量和总取水量相关性最大（0.97）；主成分2 与排黄总量相关性最大（0.61）。故可由主成分分析总体结果得知，影响湖泊动态变化的主要成分为引黄总量和排黄总量，即引黄灌溉量。

表2 相关性矩阵Tab.2 Correlation matrix

表3 总方差解释Tab.3 Total variance explained

表4 公因子方差和成分矩阵Tab.4 Common factor variance and Composition matrix

3 讨 论

我国湖泊水量的分布，呈现自南而北，由东向西逐渐减少的趋势，在比较湿润的东部平原湖泊水量比较充沛，西北干旱和半干旱地区，湖泊水量则比较疲乏［36］。黄河流域的湖泊系统与灌溉系统相互依存相互作用，干旱地带湖泊对于维持当地生态系统起着重要作用，干旱地带湖泊对气候变化和人类活动的影响也极为敏感，不仅是干旱地带气候变化的指示计，其变化也是区域水循环和水平衡改变的结果，干旱地带湖泊变化规律的研究不仅对干旱地带水循环机理有重要科学意义，也是保护干旱地带脆弱生态环境，实现人与湖泊和谐共处的基础［37，38］。

研究的典型湖泊阅海湖和沙湖，阅海湖地处银川市金凤区北部，是银川市湿地面积最大、原始植被保存最完整的湖泊，沙湖是宁夏最大的天然半咸水湖。通过使用统计分析的方法，精确的分析出影响影响湖泊动态变化的主要因素和次要因素，从而可以使后续的研究更加明确，而且通过分析可以得出引黄灌溉量是银川平原湖泊面积变化的主要驱动力因子，可见黄河在银川平原的湖泊动态变化的研究过程中，起到了不可或缺的作用［39，40］。

对宁夏全区河湖演变进行了研究探讨，对宁夏一些代表性河湖进行了研究分析，但由于生态环境的复杂性、资料短缺，仍然存在许多不足之处，有待以后做进一步研究。文中选取了区间为五年一次的遥感影像做研究，可能在一定程度上影响精度，河湖面积也有可能发生变化。所以下一步研究选择区间较小的影像，减少时相差异，提高提取精度。本文只从气温、降水量、取耗水量和引黄灌溉量等因素进行分析，未从地下水开采量、蒸散发量等方面深入剖析湖泊动态变化的成因。根据对近30年内银川平原湖泊的时空动态特征分析，湖泊的面积和数量整体呈明显的减少趋势，且湖泊数量的减少未能清晰反映出湖泊动态变化的具体情况，相关部门应加紧对湖泊的监测力度，以进一步揭示自然因素与人类活动与湖泊面积演变的关系，根据不同的湖泊类型及保护级别进行合理的科学规划，合理的保护和利用湖泊湿地资源，协调好湖泊资源和城市经济发展的关系，促进新时代可持续发展。

4 结 论

以银川平原的沙湖和阅海湖为研究对象，基于Landsat TM的遥感数据，提取了近30 年的湖泊遥感数据，5 年为间隔建立起湖泊变化数据集，利用遥感解译的方法对银川平原1990-2020 近30 年的湖泊面积变化进行研究，分析湖泊面积变化的特征及主要驱动力因子。主要得出如下结论:

（1）1990-2020年期间，银川平原湖泊面积和数量整体呈现明显的缩减趋势，但数量只能辅助说明银川平原湖泊变化的动态特征，小型湖泊数量一直呈稳定缩减趋势，但大中型湖泊基数未发生变化，查阅相关资料可知，近年来宁夏相继进行湖泊合并工作，30年内湖泊面积共减少了11.4 km2，湖泊数量共减少了682 个，湖泊面积动态度为-0.01%，湖泊数量动态度为-0.03%。1995-2000 年间湖泊面积和数量减少最为显著，湖泊面积共减少32.8 km2，湖泊数量共减少404 个，湖泊动态度最小，为-0.07%。湖泊面积动态度为-0.01%，湖泊数量动态度为-0.03%。2005-2010年间，湖泊数量呈增长趋势，共增加22个，湖泊动态度最大，为0.01%；2015-2020 年间湖泊面积扩张最为显著，共增长13.7 km2。

（2）银川平原主要以小型湖泊（0～10 km2）为主，小型湖泊的数量约占研究区内湖泊总量的99%，中型湖泊（10～50 km2）数量屈指可数，大型湖泊（≥50 km2）分布为0。30 年内小型湖泊的数量急剧减少，共减少683 个，减少比例约75.5%，但因小型湖泊大幅度减少受水体合并工程的影响，导致湖泊数量变化不能准确反映出湖泊动态特征。

（3）对影响银川平原湖泊面积变化的主要因素进行统计分析，气温和降水均对湖泊动态变化有较小的影响，成分矩阵可以反映提取出的主成分1 与引黄总量和总取水量相关性最大；主成分2与排黄总量相关性最大。引黄总量、排黄总量、对湖泊面积的变化有明显影响，最后经主成分分析步骤解读得出影响银川平原的主成分因子为引黄灌溉量。