基于多源遥感数据的南四湖水量变化及驱动因子研究

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南四湖是山东省面积最大的浅水型湖泊,也是南水北调东线工程中一个重要的调蓄性湖泊,发挥着蓄洪、灌溉、航运、水产等方面的重大作用,对维护沿线地区生态环境和促进经济发展起着战略作用。南四湖的生命起源于水,水量对其影响至关重要,但近年来由于自然因素和人为因素的影响,南四湖水体的水资源发生了巨大的改变。为此,本文联合测高数据和多光谱遥感影像开展南四湖湖泊水量变化的研究,并探讨了影响水量变化的驱动因子。本文以南四湖为研究对象,基于Landsat数据,依靠PIE-Engine遥感计算云平台和Arc GIS模型,结合大津法和改进的归一化水体指数(MNDWI)提取了南四湖2000-2020年53个时期的水体信息和计算了相应的水体面积,利用2003-2009年ICESat-1/GLAS数据提取湖泊水位,并构建水量估算模型估算了相应水量。此外还分析了南四湖上级湖和下级湖水域面积、水位、水量动态变化,最后从自然驱动因子方面和人类活动驱动因子方面分析水量变化的驱动因子。得到的主要结论如下:(1)开展了基于多源遥感数据的南四湖水体信息提取和水量计算研究。利用大津法得到MNDWI阈值提取的水体总体精度达91.2%,Kappa系数为0.87;从空间尺度和面积数值上验证了南四湖面积提取的准确性,相对误差在30%以下;上级湖、下级湖的实测水位数据与ICESat-1测高数据估算水位的相对误差分别为0.37%、0.89%,相关性可达0.997(P<0.01)、0.957(P<0.01);上级湖、下级湖估算水量与实际水量的相关性可达0.993(P<0.01)、0.898(P<0.05)。(2)开展了南四湖水域面积动态变化研究。南四湖的水域面积在年内呈现1月>9月>5月的规律;年际变化分为3个阶段,2000-2004年面积除2002年有大幅下降之外,面积整体呈现增长趋势,2004-2014年面积变化不大,2014-2020年面积呈现波动上升趋势;空间上呈现“增—减—增”的变化。(3)开展了南四湖水位、水量动态变化研究。湖泊水位变化、水量变化呈现出较强的一致性,年际变化皆呈现“W”形趋势,年内变化除特殊干旱年外皆呈现“V”形趋势,同时本文应用了Mann-Kendall检验法得出研究时段内2013年、2016年、2020年是南四湖水位、水量发生突变的时间点。(4)研究了南四湖水量变化的驱动因子。在自然因子和人类活动因子的共同作用下影响了南四湖近21年的水量变化。降水量在整个研究时段都对南四湖水量变化有重要影响,其中2000-2010年气温是影响水量变化的主要自然驱动因子,降水量是次要自然驱动因子。南四湖区域内的湖面、水生植物、库塘、浅水滩地之间的相互转换、南水北调东线工程的生态调水和南四湖水利工程的蓄泄对南四湖水量变化发挥着重要作用。分析社会经济影响因子灰色关联度可知,南四湖水量变化受到微山湖养殖水产的影响最大,受经济增长作用不明显,受地表水供水量的影响大于地下水供水量,受生态用水影响不大。
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