湖泊面积通过对Landsat系列卫星对研究区内拍摄的低云遥感影像处理提取1977—2017年每年6月、7月、8月以及9月的鄱阳湖水体面积均值,卫星数据源于Landsat-1—3MSS卫星、Landsat-4—5TM卫星、Landsat-7 ETM⁺卫星以及Landsat-8 OLI卫星的多光谱数据,由于部分图像缺失,最后筛选出除1980年、1982年、1985年、1994年、2009年以外1977—2018年共134期多光谱卫星影像图各年汛期的遥感影像,取水体面积并求出各年汛期平均面积。

水文数据来自鄱阳湖流域的主要控制水文站:赣江外洲站、抚河李家渡站、修河万家埠站、信河梅港站、饶河渡峰坑站、湖口站,各水文站1977—2017年7—9月的实测月径流量数据。各水文站情况见表1。

表1 研究区控制水文站分布情况

土地利用数据利用全国土地利用调查1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共6期土地利用数据提取研究区土地利用变化,数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心构建的全国土地利用数据库。土地利用分类系统采用两级分类体系,其中一级土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地及未利用地6类,二级土地利用为25种地物类型。

采取多波段像元值比较方法对Landsat卫星图片进行水体信息提取从而计算汛期湖泊水体面积^[8-9]。对1977—2017年各年汛期鄱阳湖水体平均面积数据进行趋势分析总结其变化特征,并判断鄱阳湖汛期湖泊面积变化是否存在突变点,如果存在,结合水文数据的趋势及突变分析与土地利用变化分析解释其突变原因。趋势分析采用Mann-Kendall趋势分析法,突变分析采用Mann-Kendall突变检测法。

流域内水文数据是以鄱阳湖湖区月均出入湖径流量差值表示汛期净出湖月均径流量,通过7—9月“五河”各站汛期径流量月值,得出流域内汛期月均入湖径流量,同样求出湖口站汛期月均出湖径流量; 由湖口站的出湖汛期月均径流量减去“五河”汛期月均径流量得到汛期湖区出入湖径流量差值,对其进行水文分析。

流域内土地利用数据通过GIS软件对土地利用矢量数据通过重分类进行栅格化处理获取。将二级土地利用类型合并为一级土地利用类型,并重新赋值:1农地、2林地、3草地、4城乡工建用地、5未利用土地^[10]。通过获取的1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年鄱阳湖流域土地利用变化数据,生成主要土地利用类型的变化表。利用动态度单一土地利用表现土地利用变化程度及特征,评价人类活动对湖泊汛期水体面积变化的影响^[11]。单一土地利用动态度公式^[12]:

K=(U_b-U_a)/(U_a×T)×100%

式中:K为单一土地利用类型动态度; U_a为研究初期某种土地利用类型的用地面积; U_b为研究末期某种土地利用类型的用地面积; T为研究时段。

汛期鄱阳湖水体面积年际变化差异显著,20世纪90年代期间变异程度最大(表2)。鄱阳湖汛期水体面积年际变化过程见图1,2007—2017年汛期湖水面积平均2 989.1 km²,最大为1998年的4 662.05 km²; 最小为2011年的2 109.73 km²。

表2 鄱阳湖1977-2017年汛期水体平均面积

图1 1977-2017年汛期湖泊平均面积变化

根据Mann-Kendall趋势分析,检验统计量Z值为-1.60,通过了90%的显著性检验,说明1977—2017年鄱阳湖汛期湖泊平均面积呈缩小趋势,Mann-Kendall突变检验结果表明,UF和UB曲线在2005年出现交点,汛期湖泊水体面积可能在2005年发生了突变(图2),利用Pettitt突变检验对2005年这个可能突变点进一步验证,Pettitt检验结果表明,2005年是汛期湖泊水体面积的突变点(图3)。UF趋势线表明湖泊汛期水体面积在2005年之前经历了1977—1982年减小、1983—1986年增长、1987—1996年减小、1997—2004年增长的小幅波动变化但都不显著,在2005年后持续减小且UF曲线接近0.05显著水平线,表明较2005年之前鄱阳湖汛期水体面积较之前变化下降趋势显著。

图2 汛期湖泊平均面积Mann-Kendall突变检验

图3 鄱阳湖汛期湖泊平均面积Pettitt突变检验

1977—2017年鄱阳湖汛期月均净出湖径流量呈显著增长趋势,期间平均值为2 047.9 m³/s; 1998年最大(5 339.9 m³/s); 1979年最小(-362.9 m³/s)(图4)。汛期鄱阳湖净出湖径流量变化年际差异显著,20世纪80年代变异程度最大(表3)。

汛期净出湖径流量Mann-Kendall趋势分析结果,检验统计量Z值为2.24,通过了95%的显著性检验。汛期月均净出湖径流量与湖泊水体面积相关性分析表明两者呈显著负相关(r=-0.58,0.01水平显著)。Mann-Kendall突变检验结果显示分别在1990年、2003年、2006年、2010年、2012年UF和UB曲线出现交点,表明可能发生突变(图5)。利用Pettitt突变检验对1990年、2003年、2006年、2010年、2012年这5个可能突变点进一步验证(图6)。Pettitt检验结果表明,净出江径流量在1990年发生突变。UF曲线显示月均汛期净出湖径流量在1990年之前主要呈小幅减少趋势,在1990年后汛期月均净出湖径流量开始增大,在20世纪90年代末期—21世纪00年代增加趋势十分显著(通过0.05显著性检验),2005年后增加趋势不再显著但仍保持增加状态至2017年。

图4 1977-2017年期间汛期月均净出湖径流量差值变化

表3 鄱阳湖1977-2017年汛期净出湖径流量

图5 汛期月均净出湖径流量Mann-Kendall突变检验

图6 鄱阳湖汛期出入湖径流量差值Pettitt突变检验

汛期月均净出湖径流量与湖泊水体面积相关性分析表明两者呈显著负相关(r=-0.58,0.01水平显著),表明1977—2017年,鄱阳湖汛期湖区净出湖径流量的逐年显著增加,是影响汛期湖泊水体面积下降的原因之一。90年代末受几次全流域性大洪水影响1990—1999年汛期月均净出湖径流量增加^[13]。

每年7—8月长江进入主汛期,对鄱阳湖出湖径流的顶托作用增强导致使鄱阳湖流域洪水滞留,水体面积增长,9月长江顶托作用削弱,湖区洪水自湖口泄入长江,增加汛期月均净出湖径流量。因自2003年起长江上游三峡工程开始逐渐实施蓄水工程,工程落实后于每年8月下旬开始蓄水调度,造成长江下游汛期末水量减少,鄱阳湖湖口段长江对鄱阳湖湖区的顶托作用削弱,所以自21世纪00年代汛期月均净出湖径流量较之前显著增加^[14-19]。自2003年后,湖口年均倒灌现象较三峡工程实施前呈总体减弱趋势,频频出现湖水提前汇入长江的现象,鄱阳湖湖区汛期提前结束,是造成汛期水体面积在2005年后下降趋势显著原因之一。且已有研究结果显示,鄱阳湖入湖年径流量变化趋势具有明显的年代差异,21世纪00年代是入湖径流量的偏少期,这也对2005年后湖泊水体面积下降产生了一定程度的影响^[20]。

通过对鄱阳湖流域6个时期的土地利用变化数据统计分析,归纳出鄱阳湖流域1980—2015年鄱阳湖流域土地利用变化总体特征(表4,图7):鄱阳湖流域土地利用类型除水体以外,以林地、耕地为主,多年保持占流域面积的80%以上,草地次之,城镇与未利用土地占比最少。1980—2015年35 a中,耕地总体呈减小趋势,动态度为-0.34%; 林地总体变化幅度不大,略呈减少趋势,动态度0.15%; 草地总体呈下降趋势,动态度-0.21%; 城乡工建用地总体呈上升趋势,动态度1.36%; 未利用土地总体呈下降趋势,动态度-1.52%。1980—2015年鄱阳湖流域土地利用结构中,变化幅度最大的是未利用土地减少与城乡工建用地增加,未利用土地由1 163 km²下降至543 km²,城乡工建用地由2 501 km²上升至3 694 km²; 其余土地利用面积有增有减,但其总体变化幅度不大,各时期变化幅度不同,自2015年后湖区各土地利用类型变化趋于稳定,且城乡工建用地出现了首次下降,沼泽地、裸土地面积出现了首次增长。

由图7可见,主要是城乡工建用地面积增长、未利用土地面积减少对鄱阳湖汛期湖泊水体面积变化产生影响。在19世纪90年代之后城镇化规模更大,速度更快。城镇化加速发展下流域内城乡工建用地面积增大,城乡工建用地面积增加,湿地等未利用土地类型面积减少,导致流域内产水量增加,洪涝灾害发生频率增加,致使90年代末湖泊水体面积呈增长趋势^[13,21-23]。1998年后国家实施“退田还湖”政策,使流域内农田面积减少,湿地等未利用土地面积显著增加。另外90年代末流域内在水土流失严重的区域,开展了大面积的植树造林,该区的林地面积在21世纪后增加; 并自2012年起,江西政府开始实施沿鄱阳湖生态移民政策,对湖区核心保护区内禁止围湖造地,使得流域湿地水涵养功能得到改善,生态环境得到保护,洪水发生频率下降,湖区洪涝灾害情况得到改善,汛期平均水体面积缩小^[23-25]。

表4 1980-2015年鄱阳湖流域土地利用变化

图7 鄱阳湖流域1980年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年土地利用分布