2017, Vol. 29 
(2: 青海省地理空间信息技术与应用重点实验室, 西宁 810001)
(2: Geomatics Technology and Application Key Laboratory of Qinghai Province, Xining 810001, P. R. China)
青海湖位于青藏高原东北部，地处东亚季风、印度季风和西风激流三者汇聚带，湖区西接青藏高原、东邻黄土高原、北部为沙漠干旱区，是阻挡西部荒漠化向东蔓延的天然屏障.这种特殊的过渡性地理位置，使得青海湖对气候变化敏感而强烈[1-4].作为我国最大的内陆咸水湖，青海湖不但对环湖周边区域气候起着自然调节器的作用，也是维系青藏高原东北部生态安全的重要水体.青海湖早在1997年就被列为国家级自然保护区，湖区及环湖地区共有鸟兽200余种，被联合国列入国际重要湿地名录.青海湖水情的动态变化是气候和周围生态环境状况的重要体现[3, 5]，准确、及时地掌握青海湖水情信息对流域的生态环境保护和综合治理具有重要的意义.
我国学者一直关注气候变化和人类活动对青海湖水情的影响[3-11]，面积是湖泊水情的重要指标之一.贾玉连等[12]通过古湖泊遗迹恢复青海湖古湖面面积，认为与现代湖泊面积(4400 km2, 1988年)相比较，近四万年以来青海湖可能出现3次高湖面，面积分别为8100、7039、6406 km2，其对应的湖面分别高出现代湖面104、80和45 m.冯松等[4]研究发现，自1880-1980年左右, 青海湖水位逐渐降低.有研究者利用中低分辨率影像，如1.1 km分辨率的NOAA/AVHRR数据和250 m分辨率的EOS/MODIS数据，对青海湖面积的长时间序列变化情况进行监测，掌握近代青海湖面积变化的规律和趋势[13-15].由于这类影像数据的连续性比较好，能很好地反映出青海湖年际间的面积变化趋势，但受影像分辨能力的限制，能感知的面积变化范围相对比较粗.沈芳等[16]采用Landsat MSS和ETM+数据对青海湖1975年和2000年的面积进行了计算，并对这25年间的湖泊变迁及成因进行了分析.刘宝康等[17]采用环境减灾卫星CCD数据，利用多波段和单波段相结合的方法识别水体，对2008-2011年每年4-11月期间的青海湖面积进行动态监测.冯钟奎等[18]采用Landsat TM数据和分类的方法对青海湖1986-2005年10月下旬-11月的水域变化进行了监测.
以往的青海湖面积监测工作受影像资源分辨率和获取时间的限制，对常水位下面积长时间序列监测和年内面积变化监测相对缺乏.本研究依据青海湖水位年变化特点，充分利用中高分辨率遥感数据的连续性，选择每年的8月水位作为常水位代表对1974年以来的青海湖面积变化趋势进行监测，反映了近40余年青海湖面积变化的总趋势.同时也对近15年来青海湖面积的年内变化进行了监测.旨在更系统地掌握青海湖面积的动态变化规律，为青海湖及其流域的生态环境保护和湖泊面积持续监测提供依据.
1 数据与方法 1.1 青海湖概况青海湖(36°32′~37°15′N，99°36′~100°47′E)位于青海省境内，跨海晏、刚察和共和3个县.青海湖湖心有海心山和三块石两个小洲，湖边主要岛屿有鸟岛、海西岛、沙岛、二郎剑等，周边小湖有尕海、新尕海、海晏湾、耳海(图 1).青海湖是因地层断陷、倒淌河倒流而形成的[19]，现代湖体呈椭圆形，西北走向，周长约360 km，东西长约109 km，南北平均宽约39.8 km.水位在3193.5 m时，湖区水域面积为4294 km2，容积为785.2×108 m3，平均水深18.3 m，最大水深26.6 m[20].
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图 1 青海湖地理位置 Fig.1 The location of Lake Qinghai |
青海湖是以降水补给为主的封闭湖泊, 入湖的大小河流共计50余条，多为季节性河流.湖区周围水系呈明显不对称状态分布, 西北多，流量大；东南少，流量小, 年地表总径流量为15.35×108 m3[21].其中流域面积大于300 km2的干流有16条，分布于流域西北部的布哈河、沙柳河的流量总和占全流域入湖流量的73 %以上[22].青海湖位于青藏高原上，在中纬度西风带内，是我国和东亚天气的上游，这里属高原大陆性气候，冬寒夏凉，多年平均气温-0.7℃, 呈南高北低的分布趋势；湖区降水多年平均值为319~395 mm, 雨量偏少，降水量由湖心向湖周山区递增；多年平均蒸发量约800~1100 mm，雨热同季，干湿季分明[11, 23]. 20世纪后半期，暖干是青海湖流域气候的主流，青海湖水位下降，面积呈缩减趋势[3, 24-25].青海湖流域处在不同生态(草原-沙漠)和地理(青藏高原-黄土高原)单元的结合点上，湿地、高寒草甸、草原、灌木林、耕地、沙丘等地表类别和鱼、鸟、兽等珍稀野生动物共同构成了青海湖地区特有的生态系统，是青藏高原生物多样性最丰富的宝库.政府部门对青海湖地区生态给予了很高的重视，于2008年5月启动实施“青海湖流域生态环境保护与综合治理工程”，投资15.68亿元，计划在10年内最大程度恢复青海湖原生态[26].
1.2 数据及预处理青海湖面积监测所用的遥感数据源为Landsat系列卫星数据，传感器包括Landsat-5 TM、Landsat-7 ETM和Landsat-8 OLI，分辨率为30 m，重访周期为16天，轨道号为133/34和133/35.下社水文站的观测数据①显示，2000-2008年的最高月均水位出现在9月，为3193.27 m；每年1-5月水位相对比较稳定(水位差为0.02 m)；6月以后水位持续上升，至9月水位差达到0.2 m；其中8月与9月的水位差为0.05 m. 9月至来年1月水位持续下降.本研究选择每年8月作为常水位的代表月，监测自1987-2016年的湖体面积变化，选6月和9月面积差监测自2002以来的年内湖体面积变化.数据获取时间以8月中旬为最佳，受云量影响无法直接提取水涯线时，参考最近时间的影像数据或者同时期的环境减灾卫星CCD数据辅助解译水涯线信息.为了比较长时间序列的变化，利用1974年的数字栅格图数据(DRG)提取常水位的水涯线信息.
① 数据由青海省水文水资源勘测局提供.
影像预处理工作主要是正射纠正，处理过程为：控制测量-空三加密[27]-数字高程模型制作-正射影像制作.其中青海湖区GPS控制点测量点共38个，采集时间为2008年11月，全部符合测绘行业标准和精度要求.首先利用同时期2.5 m分辨率立体相对影像经过空三加密生成数字高程模型，并制作正射影像.利用外业控制点和检查点对生成的正射影像进行检核，平均中误差为5.40 m.然后以高分正射影像和格网间距为5 m的数字高程模型对监测影像数据进行正射影像制作，多期影像间相对几何配准精度控制在1个像元以内.
1.3 面积计算采用人工解译方式提取青海湖水涯线信息，解译过程中重点关注滩涂岸边水涯线的提取，同时参照同期的水位信息区分浅水区边界，平缓滩涂的水涯线不能交错.为了尽可能地消除认知差异，所有水涯线的解译工作由同一个具有1: 10000地形图编制经验的工作人员完成.在岩质湖岸区，影像和水涯线之间的套合精度小于1个像元；在沙质湖岸区，套合精度小于2个像元.以2014年为例，与青海湖水涯线相交的像素个数为12455个，每个像素900 m2，假设平均每个像素内水体与非水体的面积各占50 %，则面积计算结果的误差约为±5.6 km2.
青海湖面积包括主湖区及相连的水体面积，一直与主体湖区分开的小湖区(尕海)不记入湖区面积，不减除两个湖心洲(海心山和三块石)的面积.为了与其他研究结果比较，这里采用高斯投影计算湖面面积，以4244.2 km2为例，在3200 m高程投影面上面积为4248.4 km2，差异约千分之一.
1.4 面积结果比较不同分辨率的影像对湖泊岸线的识别能力不同.理论上，在能准确区分水体和陆地的前提下，分辨率越高，岸线部分水与陆地混合像元中涉及的水域面积就越小，监测得到的湖泊面积就约接近实际值.本研究对相同水位时3种不同分辨率影像数据识别得到的青海湖面积进行了对比.这3种影像分别为：印度CartoSat-1号卫星影像，分辨率2.5 m，获取时间为2007年12月-2008年2月；中巴地球资源卫星Cbers影像，分辨率19.5 m，获取时间为2008年12月；Landsat-5 TM影像，分辨率30 m，获取时间为2007年8月. 3种影像获取时青海湖的平均水位均为3193.35 m，对应的青海湖水面面积分别为4248.4、4251.5和4247.3 km2.不同分辨率影像数据得到的面积差异小于5 km2，约为整个湖面面积的0.1 %.
根据青海省第一次水利普查公报，青海湖水位在3193.5 m时，湖区水域面积(包括尕海)为4294 km2.据下社水文站监测信息，2008年8月青海湖平均水位为3193.5 m，本研究计算得到的青海湖和尕海面积为4293.41 km2.在已发表的青海湖面积监测相关文章中，本研究与文献[15]均给出了2001-2010年9月的青海湖面积.文献[15]中的面积值基于EOS/MODIS数据通过阈值法模型得到，包括尕海的面积.本研究中的面积值(包括尕海)比文献[15]中的值高，两者差异的均值约26 km2.两者监测得到的青海湖面积变化趋势是一致的.沈芳等[16]、刘宝康等[17]和冯钟奎等[18]对青海湖面积变化的研究都采用了30 m分辨率的影像数据，由于和本研究监测的月份不同，单个青海湖面积值的可比性不强.但对青海湖的年均变化趋势监测结果都比较一致，如冯钟奎等[18]的研究结果显示1990 2004年青海湖面积持续减少，接着开始增大，这与本研究得到的变化趋势相同.
2 结果与分析 2.1 青海湖8月份面积变化青海湖8月份水面面积监测结果显示，1974-2016年期间，青海湖面积总体上呈先减后增的变化趋势. 2004年为面积变化拐点，减少至最小，为4223.73 km2，比1974年减少了253.80 km2，约为1974年湖面积的5.67 %. 2004年以来，青海湖面积持续增长，至2016年达到4367.18 km2，比2004年增加143.45 km2，但仍比1974年面积减少110.36 km2(图 2).
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图 2 1974-2016年青海湖8月份水面面积变化 Fig.2 Variation curve of water surface area of Lake Qinghai in August from 1974 to 2016 |
在青海湖水面面积减少的时间段内，1974-1987年期间面积骤减，17 a间减少176.52 km2；1987-1992年青海湖面积呈小幅增加，5 a间增加了22.38 km2；1992-2004年青海湖面积持续减小，12 a间减少了99.66 km2，但2000-2004年面积减少幅度相对较小.在青海湖水面面积增加的时间段内，2004-2009年期间，面积呈小幅增加，2009-2016年7 a间，水面面积增加了128.27 km2(图 2).
2000-2009年期间青海湖水面面积变化幅度相对较小，面积平均值为4234.80 km2，是2004年水面面积的0.16 %，平均变化幅度为6.85 km2.其中2000-2001年面积减少14.54 km2，2004-2005年增加13.70 km2，2008年比前一年增加10.37 km2，2009年又减少了9.56 km2(图 2).
1997年以来，相邻年间青海湖水面面积变化最大的年份分别为：2011-2012年，增加65.12 km2；1999-2000年，减少37.45 km2；2009-2010年，增加29.54 km2. 1997-2016年期间，相邻年间面积变化平均值为14.12 km2.
2016年青海湖东边的尕海面积为45.71 km2，与1974年相比较，减少了3.20 km2. 1974-1992年，尕海面积减少了2.56 km2；1992-1999年，尕海的面积几乎没有变化；自2000年以来，尕海的面积变化幅度在0.77 km2以内，没有出现和青海湖面积一样的明显增大趋势，面积波动变化相对比较频繁.
2.2 青海湖年内面积变化青海湖水面面积的年内变化通过每年9月和6月面积差异来体现(图 3). 2002-2016年期间，2012年的年内面积变化量为阶段最大，为59.18 km2，2009年为阶段最小，为0.93 km2.其中，2002-2011年面积年内变化量平均为10.33 km2，2007年为阶段最大，为24.45 km2(由于缺乏2008年9月的影像，这里不分析2008年的情况)；2005、2009和2010年的年内变化量都小于3.5 km2.从图 3中可以看出，面积年内变化量和面积基数没有必然联系，2006年的6月和9月面积均大于2002年，小于2010年，但2006年年内变化量比2002和2010年都大. 2011年以后，青海湖6月和9月的面积明显比之前增大，且面积的年内变化量也整体增加，2012-2016年面积年内变化量平均为20.00 km2，比2002-2011年期间年内变化量均值增加近一倍.与此同时，除了2012年外，面积年内变化基本比较平稳，变幅小于5 km2.
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图 3 2002-2016年青海湖年内水面面积变化 Fig.3 Annual variation curve of water surface area of Lake Qinghai from 2002 to 2016 |
2002-2016年青海湖东边尕海每年9月和6月面积差异平均值为0.2 km2.与青海湖不同，尕海面积的年内变化规律不明显，面积最大值也不一定是出现在9月.从监测结果看，2002年以来，有一半年份的面积最大值出现在6月；有一半年份的面积变化量小于0.05 km2.
2.3 青海湖岸线变化青海湖岸线的变化主要发生在西岸海西岛、铁布卡湾、东岸沙岛、海晏湾、北岸沙柳河入口区以及南部二郎剑景区的沙嘴区(图 4a)，这些岸线主要为砂质区域.东岸沙岛岸线的变迁尤其明显(图 4b)，1974年沙岛与主湖体连通，随着湖岸线后退，沙质地表裸露区域越来越大，至2004年形成澙湖，脱离了主湖体.这期间岸线后退最大距离达4.59 km. 2004年至今，随着湖岸线前进，湖水重新淹没了部分裸露区域，澙湖扩大，有与主湖体重新连通的迹象.与2004年相比，2016年岸线前进了2.9 km.在年内湖面面积变化比较大的2012年，6-9月期间，沙岛岸线前进最大距离为0.39 km.
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图 4 1974-2016年青海湖岸线变迁示意图(所有年份的岸线变迁都以2004年岸线作为参照) Fig.4 Changes of the shoreline in Lake Qinghai from 1974 to 2016 |
青海湖西岸海西岛是另一个岸线变化比较大的区域(图 4c)，1974-2004年期间海西岛岸线后退的最大距离为3.20 km.海西岛毗邻鸟岛，岸线变化对周围鸟类栖息环境影响比较大. 2004年以来，岸线持续前进，至2016年前进了1.41 km.年内岸线变化相对比较大，在监测时间段内，岸线最大变化距离出现在2013年，为0.72 km.
受岸线区域砂质的影响，铁布卡湾北部岸线也随青海湖面积变化而出现前进或后退(图 4d)，与1974年相比，铁布卡湾在2004年岸线变动最大距离为2.49 km. 2004年以后，这里的岸线随着湖面积的增加而前进，至2016年，又前进了1.25 km.在年度岸线变化最大的2012年，这里的最大变化距离为0.18 km.
位于青海湖北部的沙柳河是重要的入湖流量补给河，流量贡献仅次于布哈河.沙柳河口的岸线变化也比较明显.在青海湖面积减小的1974-2004年间，该河口的岸线后退了2.14 km；而2004-2016年，这里的岸线又向前推进了1.2 km. 2012年，受入湖流量的季节变化影响，沙柳河口的岸线的最大变化距离达到了0.91 km.
2.4 变化原因分析青海湖基本上是一个封闭的内陆湖泊[3]，近600 a来的水位升降与降水密切相关[4], 降水量、径流量及蒸发量直接主导着青海湖水位和面积的变化[7, 28]. 1973-1984年和1990-2001年是两个相对较长时期的少雨阶段[29]，1977-1981年和1998-2004年青海湖水面蒸发量增加[30]，与1974-2004年青海湖水面面积的减少趋势相对应.自2004年以来，青海湖地区降水增多，主要入湖河流径流量增加，是水面面积增加的主要原因.青海湖周边气象站点刚察站监测数据①显示，与1974-2004年相比，2005-2015年的年均降水量增加44.1 mm. 2000-2009年期间的年均降水量为395.9 mm. 2010-2015年，年均降水量持续增加，平均值为423.2 mm. 2012年7月累计降水量比多年同期均值增加50 %左右，直接导致同年8月青海湖面积明显扩张.与1987-2004年的年均蒸发量相比，2005-2015年的年均蒸发量减少了158.5 mm(图 5).
① 数据由中国气象局气象数据中心提供.
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图 5 刚察站1974-2015年降水量及蒸发量的年际变化 Fig.5 Variation of annual precipitation and evaporation at Gingham Station from 1974 to 2015 |
虽然已有研究指出人类活动耗水并非青海湖水位和面积变化的主导因素[7, 11, 28-29]，但政府近年来在青海湖流域实施的一系列生态环境治理措施，包括：减少牲畜、退耕还草、植被恢复、人工增雨、河流治理等，都有利于入湖河流径流量增加[26]，促使青海湖面积增加.尤其是对布哈河等6条入湖河流近湖区200 km河道的清理，以及附近小型电站、水坝的拆除都会直接导致入湖河流径流量增加.布哈河口和沙柳河的水文监测数据②显示(图 6)，与1974-2004年相比，2005-2015年期间这两条河流的平均年径流量分别增加54.1 %和39.0 %, 即3.91×108和0.99×108 m3. 2009 2012年青海湖面积骤增，这期间刚察站年均降水量为401.9 mm，布哈河口和沙柳河的年均径流量之和为17.45×108 m3. 2004-2007年刚察站年均降水量为428.3 mm，略高于2009-2012年，同期这两条河流的年均径流量为13.26×108 m3.
② 数据由青海省水文水资源勘测局提供.
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图 6 1974-2015年布哈河口和沙柳河径流量的年际变化 Fig.6 Annual variation of runoff in Buha and Shaliu Rivers from 1974 to 2015 |
青海湖是青藏高原东北部的重要水汽源，其水面面积的变化与整个高原的气候变化密切相关.近半个世纪以来，青藏高原气候出现了由暖干向暖湿方向的转型[31-33]，且暖湿化程度明显[34-35]，青藏高原湖泊面积显著扩张[31, 34, 36-38].高原东北部降水量呈现先减少后增加的趋势[37]，位于这里的青海湖水面面积变化也响应了这种变化趋势. 1974-2004年青海湖水面面积减少了253.8 km2，约为1974年水面面积的5.67 %.长时期的少雨和蒸发量增加是导致1974-2004年其面积缩减的主要原因. 2004年以来，青海湖面积持续增加，其中2009-2012年面积增加了106.57 km2，之后增长趋缓，2016年8月面积为4367.18 km2.这一时期青海湖面积持续增长，主要得益于该地区降水增多以及入湖河流径流量的增加.
湖泊岸线时刻处于一种动态变化的过程中，利用遥感技术手段监测青海湖面积，只能反映其瞬时水位.但青海湖岸线的变化是相对简单的，利用同一时期的遥感影像可以将其面积变化特点反映出来.本研究表明利用30 m分辨率的遥感影像监测青海湖面积，结果可靠，性价比较高，可以用于后续的青海湖水面面积的长期动态变化监测.本研究结合气象和水文数据分析了近20余年青海湖面积变化的原因，发现生态环境保护工程的实施促进了水面面积的增长，但对增长的程度以及时效有待参考其他资料进行深入的分析.
青海湖面积变化与环湖区域生态环境密切相关.水面萎缩的过程中，砂质区松散的砂砾逐渐裸露，使周围的沙源增加，导致区域沙化面积不断扩大，周围植被覆盖状况变差，鸟类栖息地环境受到一定程度的影响.这种状况在西岸的海西岛、东岸的沙岛、海晏湾等区域特别明显，这些区域同时也是湖周边主要旅游景区，受人类参观活动的影响，即使在青海湖水面扩张的过程中, 其生态环境状况改善也比较缓慢.所以我们应该有意识地加强这些区域的生态环境保护，尽量减少人为干涉，保护鸟类栖息环境.
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