邹业斌1,2, 柴明堂1,2, 杨娟1, 申晓晶1, 冯东溥1, 舒瑞3,4

1. 宁夏大学土木与水利工程学院, 宁夏 银川 750021;

2. 宁夏回族自治区黄河水联网数字治水 重点实验室, 宁夏 银川 750021;

3. 中国地质大学(武汉)公共管理学院, 湖北 武汉 430074;

4. 宁夏自然资源勘测调查院, 宁夏 银川 750002

基金项目：宁夏自然科学基金(2021AAC03060;2022AAC03052;2021AAC03043);宁夏高等学校一流学科建设项目(NXYLXK2021A03)

关键词：地表湿地水体,  水体面积变化,  水体类型转变,  水体季节性演变,  谷歌地球引擎平台

摘要 ： 黄河流域生态保护和高质量发展已成为国家重大战略,宁夏平原为黄河流域具有代表性的典型湿地区域。本文基于谷歌地球引擎平台(GEE)对宁夏平原1984-2020年湿地水体的历史覆盖、面积变化、类型转变及季节性演变等动态信息进行分析与评价。结果表明:① 1984-2020年宁夏平原湿地水体历史覆盖面积为1 373.86 km2,占研究区面积的8.1%,全时段覆盖水体面积为116.46 km2;② 1984-1999年至2000-2020年宁夏平原地表水体面积共计增加482.99 km2,总体面积变化率为45.6%;③ 研究区新增永久性水体明显,过去37年新增永久性水体218.89 km2,同时季节性水体面积变化幅度较大;④ 2020年,全年覆盖水体占比为39.45%,而1-6月覆盖时间的水体面积占比超过50%。本文成果可为环境保护和黄河流域高质量发展提供数据支撑。

宁夏平原是典型的引黄灌溉区，引黄河水灌溉和生态补水得天独厚的条件已具有2000多年的历史，使这一地区形成了大量的湿地水体资源^[1]。历史上，宁夏平原湿地生态系统在提供水源、蓄洪防旱、气候调节、维护物种多样性等方面作出过重大贡献^[2]。但受全球气候变暖和社会经济快速发展，以及大规模围湖造田、改湖建塘、河滩耕种和城市建设等活动的影响，这一地区自然水体严重退化，湿地面积锐减，且生态系统稳定性降低^[3]。近年来，在国家和地方的退田(塘)还湖、湿地恢复和保护等政策驱动下，宁夏平原湿地水体退化趋势得到明显遏制，整体上呈现不断退化与恢复并存的复杂现状，亟需以快速、稳定、准确的途径揭示并分析宁夏平原湿地的现存现状、退化趋势和长期演变特征。

长期以来，众多学者们针对宁夏平原湿地的水文水资源循环、湿地动态变化、驱动机制、植物群落等方面开展研究，并取得了一些重要成果^[4-6]。文献[1]利用1990—2015年Landsat TM/ETM+遥感影像，运用空间叠加分析法和时间序列分析法，分析宁夏引黄灌区湿地的时空动态变化过程，并揭示了引黄灌区湿地动态演变的驱动机制。文献[7]以宁夏河流湖泊作为研究对象，提取遥感影像中的河湖水体信息，对宁夏境内河湖湿地的时空演变情况进行调查分析。文献[8]通过人工目视解译卫星影像，并与实地调查资料相结合，监测分析宁夏平原银川地区湿地变化，发现1987—2010年银川地区湿地面积缩减且该演变与气候变化、黄河径流量及人类活动密切相关。目前针对黄河流域宁夏平原湿地水体时空变化的定量研究较少，且多是根据历史地理角度的定性分析，已有的湿地水体监测分析方法面临覆盖范围小、时间跨度短及分析效率低等问题。随着遥感技术的发展，卫星遥感数据已被应用于大面积湿地信息的观测，其大范围、多分辨率、多时相的动态监测功能，可用于获取地表湿地水体的宏观、高分辨率且长期连续的观测数据^[9]。

谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)平台通过专用云存储提供大量的高分辨Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，可以在线访问、处理并提取湿地水体信息^[10]，基于遍布世界各地的服务器，可以并行计算处理大范围覆盖的长时间序列影像^[11]。本文将基于GEE平台提取的水体数据集，分析并揭示宁夏平原湿地水体的现状与变化特征，及时掌握湿地水体的分布和演变状况。

宁夏平原(如图 1所示)地处中国西北内陆干旱区，位于黄河流域中上游，斜贯宁夏回族自治区北部，依靠黄河水灌溉和生态用水补给，宁夏平原内分布广泛的湿地水体，形成内陆干旱区具有代表性的流域湿地水体资源^[12]。宁夏平原南北长约320 km，东西宽约10~50 km，总面积达1.7万km²，平均海拔1000 m以上^[13]。研究区内生态环境脆弱，具有明显的大陆性气候特征：冬寒长、春暖迟、夏热短、秋凉早，干旱少雨、降雨集中、蒸发强烈、风大沙多、日照充足。年均气温为8.3℃~10.1℃，年均降水量不足200 mm，年均蒸发量为1850 mm，约为年均降水量的10倍^[14]。

GEE是一个用于执行大规模数据分析的基于云计算的地理空间分析平台。它利用谷歌的海量计算能力解决各种具有重大影响的社会问题和计算问题^[15]。

GEE提供云存储库以保存大量公开可用的卫星图像和地理空间数据集，数据无需下载到本地即可完成在线处理。基于GEE平台的专家系统处理1984—2020年440万余张Landsat遥感影像以绘制全球地表水的分布和时空演变图。在数据集中，使用证据推理、视觉分析和专家模型将每个像素单独分类为水体和非水体，并将结果整理成整个时间段(1984—2020年)上的月度数据和以2000年为界限的两个时期(1984—1999年和2000—2020年)的汇总数据，用于水体变化检测^[16]。利用GEE云计算平台对地球观测数据进行处理，最终生成的数据集包含1984—2020年全球地表水的历史覆盖情况、覆盖面积增减情况、水体类型转换及季节性特征等数据。该数据集已经过实地采样验证，并通过超过40 000个参考样本点证实了专家系统分类器产生的水体分类误判误差小于1%，漏判误差小于5%这一结论。将基于GEE全球水体数据集的高精度提取结果，用于宁夏平原湿地水体的分析，具有适用性和可靠性，可在区域范围内探索水体表面积的时空变化^{[10-11, 17]}。

利用GEE平台获取1984—2020年的历史覆盖率(occurrence)、覆盖面积变化(change)、覆盖类型转变(transitions)和季节性(seasonality)的全球水体数据集(global surface water)栅格影像数据。首先采用掩膜提取、栅格计算、数理统计和面积计算等方法，从栅格影像中裁切获取宁夏平原的湿地水体数据；然后在GIS软件中读取属性表，通过属性表统计宁夏平原及各市县的湿地信息，调查与分析宁夏平原的水体覆盖情况、面积变化、类型转变及季节性特征。掩膜提取和面积计算公式分别为

(1)

点击浏览公式

(2)

点击浏览公式

式中，Raster_Raw为原始图层；Mask_{Ningxia plain}为宁夏平原Mask图层；Raster_{Ningxia plain}为宁夏平原范围内的水体栅格影像；F()为面积统计函数；δ_threshold1和δ_threshold2为两个阈值；Area_water为阈值范围内的水体面积。

从GEE平台获取全球水体数据集的历史覆盖率栅格影像，采用掩膜提取、栅格计算和面积计算等方法，获取宁夏平原湿地水体数据，并导入ArcGIS软件，统计宁夏平原及各市县的地表水体覆盖面积。图 2显示了1984—2020年地表水的历史出现频率，即使用某位置出现水的年数除以总年数(37年)。永久性水体(37年内一直存在，即100%)用深色表示，偶尔出现水的区域用较淡颜色表示，较浅的颜色代表地表水发生频率较低的区域。

由图 2可知，颜色较深的区域主要为黄河主河道、星海湖、沙湖、阅海湖、腾格里湖、水库及部分输水干渠等。由于一些行政区只有部分国土面积与研究区重合，如银川市灵武市、吴忠市利通区、中卫市中宁县和中卫市沙坡头区，因此只统计这些行政区在宁夏平原范围内的地表水覆盖面积情况，见表 1。

表 1 1984—2020年各行政区地表水历史覆盖面积统计  

表选项

过去37年内1%~100%历史覆盖频率所涉及的水体面积为1 373.86 km²。其中，石嘴山市平罗县、银川市贺兰县、吴忠市青铜峡市、银川市兴庆区依次被较大面积的地表水体覆盖，面积分别为333.02、148.73、145.28、114.96 km²。若将80%~100%历史覆盖频率的区域认为是全时段覆盖水体，宁夏平原总覆盖面积为116.46 km²。其中，中卫市沙坡头区、吴忠市青铜峡市和石嘴山市平罗县占比较大，面积值分别为23.49、22.32和14.15 km²。整体上，宁夏平原地表水资源较丰富，但永久性水体占比较小，低覆盖率水体面积较大，水体面积多年来波动剧烈。

图 3为研究区地表水体覆盖面积变化情况。获取全球水体数据集的变化栅格产品，采用上述方法处理栅格影像，获取水体面积的变化信息。图 3(a)为宁夏平原1984—1999年和2000—2020年的地表水覆盖面积变化情况，即两个阶段之间的地表水覆盖面积增加和减少情况。图 3(b)为各个行政区在两个阶段的面积变化率(面积变化率=面积变化值/(1984—1999年面积值))。其中，1984—1999年面积值为两个阶段不变水体面积在考虑减少面积后计算的。

分析结果表明，过去37年，宁夏平原地表水面积总体增加759.82 km²、减少276.83 km²，合计增加约483 km²，总体面积变化率为46.6%。面积不变的地表水类型主要为过境河流、大型湖泊、水库和输水干渠等。具体数据见表 2。

表 2 1984—2020年各行政区地表水体面积变化值及变化率

表选项

由图 3和表 2可知，所有行政区水体覆盖面积均呈增加趋势。1984—1999年至2000—2020年湿地面积增加区域主要分布在石嘴山市平罗县、银川市灵武市和石嘴山市大武口区，面积变化值分别为155.24、55.49和54.99 km²，变化率分别为136.5%、246.9%和216%，面积增加最小的区域为银川市贺兰县，面积仅增加1.05 km²，变化率为1.3%。

地表水面积变化较剧烈的区域主要位于银北灌区(银川以北)及黄河主河道两岸，包括银川市下辖的灵武市及石嘴山市下辖的3个辖区(图 3(b)中绿色圆圈处)，最大变化率达246.9%。由于城市内水系开挖、河道清淤及扩大湖泊等生态工程的实施^[18]，银川市内河湖面积大面积增长，保持较高增长率(图 3(b)中圆圈三角形处)，但银川市西夏区和贺兰县在恢复生态的同时，城市建设在一定程度上侵占了部分地表水域面积，水域面积增加量和变化率较小(图 3(b)中圆圈十字线处)。总体而言，增长率较高的区域分布在宁夏平原的东部和北部，而西部和南部增长率较低，这也间接反映了宁夏境内不同区域的地势地形和水系水资源存在差异。

图 4为1984年(第一年)与2020年(最后一年)之间水体覆盖类型的变化情况(即transitions栅格数据，处理方法同上)，这里主要分析永久性水体、季节性水体和无水体覆盖土地类型的转换情况，表 3给出了2020年相对于1984年的水体覆盖类型的转变情况。

表 3 1984—2020年地表水体覆盖类型转变数据

表选项

1984—2020年期间，宁夏平原0.57%的国土面积(96.06 km²)处于永久性水体覆盖下。其中，一半以上(51.3%)位于北部区域，37年间新增永久性水体为218.89 km²，消失的永久性水体为18.52 km²；同时新增季节性水体为381.55 km²，消失的季节性水体为168.47 km²，因此季节性水体变化幅度大，也表明作为内陆干旱区流域的地表水资源，水面面积季节性波动剧烈。

以2020年为例，由图 5和表 4可知，宁夏平原12个月覆盖月份的水体面积最大，面积为327.15 km²。其他覆盖持续时间中，随着覆盖月份的增加，水体覆盖面积呈递减趋势。持续全年覆盖的水体主要位于黄河主河道和一些重要的大型湖泊，如星海湖、沙湖、阅海湖和腾格里湖等。但宁夏平原全年覆盖水体占比仅为39.5%，而1—6月覆盖时间的水体面积占比超过50%，因此整个区域的水体面积的年内季节性变化显著，同时也证实了2.3节中的结论，平原内季节性水体面积演变较明显。

表 4 地表水体不同覆盖月份数的对应面积和比例

以黄河流域宁夏平原内地表湿地水体为研究对象，基于GEE云计算平台对宁夏平原1984—2020年的地表水体的演变特征进行分析与评价，主要结论如下：

(1) 1984—2020年间宁夏平原地表水体覆盖所涉及的面积为1 373.86 km²，占研究区国土面积的8.1%，且主要分布在北部区域，如石嘴山市平罗县、银川市贺兰县和吴忠市青铜峡市。整体上，宁夏平原地表水资源相对丰富，但永久性水体占比较小，水体覆盖面积波动剧烈。

(2) 1984—1999至2000—2020年宁夏平原地表水体面积增加759.82 km²、减少276.83 km²，总计增加482.99 km²，总体面积变化率为45.6%。所有行政区水体覆盖面积均呈增加趋势。总体上，增长率较高的水体分布在宁夏平原的中部和北部，而南部和西部增长率较低，这也间接反映了宁夏境内不同区域的水资源存在明显差异。

(3) 1984—2020年间，宁夏平原拥有永久性水体96.06 km²，季节性水体98.94 km²，水体面积季节性变化幅度大。地表水资源主要分布于海拔低且地势平坦的东北部洪泛平原。

(4) 以2020年为例，宁夏平原持续全年和1月覆盖时长的水体面积较大，面积分别为327.15和153.74 km²，占比分别为39.5%和18.5%。其他水体覆盖持续时间中，随着覆盖月份的增加，水体覆盖面积呈递减趋势，整个宁夏平原地表水体的年内季节性变化显著。

本文基于全球水体数据集，针对宁夏平原近37年地表水的历史覆盖率、面积变化、类型转变及季节性变化特征展开研究，并对典型湿地水体进行分析，旨在对黄河流域宁夏平原湿地水体多年变化情况做一些探索工作，以期为环境保护、干旱区水资源利用和黄河流域高质量发展提供数据支撑。