предыдущий|следующий

Метод дистанционного зондирования гидрологической связности на оптимальном масштабе: пример изменения гидрологической связности в равнинах средней и нижней частей бассейна Янцзы

  • role： First author第一作者
  • Affiliation：

    Hubei Provincial Key Laboratory of Environment and Disaster Monitoring and Assessment, Institute of Precision Measurement Science and Technology Innovation, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077

    University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

  • Email：luyuyi23@mails.ucas.edu.cn
  • Introduction：陆羽仪，研究方向为湿地环境及水资源遥感。E-mail： luyuyi23@mails.ucas.edu.cn
LU Yuyi12,  
  • Affiliation：

    School of Environmental Sciences and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055

LUO Qiuqi3,  
  • Affiliation：

    State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing,Wuhan 430079

FENG Lian4,  
  • role： Corresponding author通信作者
  • Affiliation：

    Hubei Provincial Key Laboratory of Environment and Disaster Monitoring and Assessment, Institute of Precision Measurement Science and Technology Innovation, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077

  • Email：xbcai@whigg.ac.cn
  • Introduction：蔡晓斌，研究方向为湿地与水资源遥感。E-mail： xbcai@whigg.ac.cn
CAI Xiaobin1*,  
  • Affiliation：

    Hubei Provincial Key Laboratory of Environment and Disaster Monitoring and Assessment, Institute of Precision Measurement Science and Technology Innovation, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077

    University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

CHEN Yijun12

реферат

Изменения гидрологической связности существенно влияют на структуру и функции водных экосистем, поддержание биоразнообразия, а также на производственную и бытовую деятельность человека, связанную с водными ресурсами. В то же время антропогенные трансформации природных водных систем, такие как строительство дамб и осушение земель, приводят к значительным изменениям гидрологической связности во многих равнинных озерных районах. Поэтому поиск научно обоснованных и эффективных методов количественной оценки гидрологической связности, анализ процессов её изменения и потенциальных экологических последствий имеет важное значение. Функция связности на основе геостатистики эффективно характеризует гидрологическую связность и её изменения, однако результаты вычислений зависят от размеров статистического окна и направления, что не позволяет получить объективные и сопоставимые значения гидрологической связности. В данном исследовании предложен метод частоты связи на оптимальном масштабе, основанный на данных дистанционного зондирования для выделения водных объектов, с учетом масштабных характеристик воды в разных регионах. Используя оптимальный масштаб в качестве эталона, рассчитаны временные изменения гидрологической связности в различных областях, что позволило провести сравнительный анализ изменений гидрологической связности между регионами. Исследование оценило гидрологическую связность на семи временных отрезках в равнинах средней и нижней части бассейна реки Янцзы за период 1984—2021 годы. Результаты показали тенденцию первоначального снижения с последующим повышением гидрологической связности в озерах Поянху, Дунтинху, бассейне реки Хань и равнинах нижнего течения Янцзы, тогда как в бассейне озера Тайху и средней части Янцзы наблюдалось преимущественно стабильное снижение связности. Процессы изменения в разных регионах в период исследования также отражают особенности природных условий и антропогенной деятельности, а их потенциальное влияние на гидрологическую связность. Кроме того, сравнение с результатами расчетов двух индексов связности из ландшафтной экологии показывает, что данный метод хорошо характеризует как внутрипятновую, так и межпятновую связность, обладая уникальной прикладной ценностью.

ключеви́че слова́

оптимальный масштаб;гидрологическая связность;геостатистика;дистанционное зондирование;равнины средней и нижней частей бассейна Янцзы

Введение

Гидрологическая связь, обычно относящаяся к степени взаимодействия между реками, озерами и их затопленными районами или другими водоемами, является важным показателем гидрологических процессов в водоемах и их способности к экологическому регулированию (Trigg等，2013В)). Хорошая гидрологическая связь может улучшить качество воды в реках и озерахLi等，2024bСодействие формированию важных экологических единиц, таких как водно - болотные угодья (Leibowitz等，2023и способствует сохранению биоразнообразия в регионе (Wu等，2023В)). В последние годы из - за сочетания изменения климата и человеческой деятельности произошли значительные изменения в глобальной наземной гидрологической связи, ослаблен свободный поток рек, а окружающие озера процессы, такие как земледелие и земледелие, привели к серьезному сокращению площади озер (Grill等，2019*Pekel等，2016Это имеет далеко идущие последствия как для водных экосистем, так и для устойчивого регионального экономического развития. В связи с этим существует настоятельная необходимость в создании системы технических методов, позволяющих проводить всестороннюю и точную количественную оценку гидрологических связей.
Методы расчета гидрологической связи, обычно используемые в существующих исследованиях, в основном имеют три категории: (1) статистические методы гидрологических параметров, расчеты гидрологической связи на основе нескольких гидростатистических параметров (Lehner和Grill，2013*杨素等，2022Исследователи разработали комплексный индекс состояния соединяемости (CSI) на основе гидрологической статистики, такой как потоки рек и емкость водохранилищ, и составили глобальную карту соединяемости рек.Grill等，2019В)). Однако такие методы ограничены такими проблемами, как доступ к гидрологическим статистическим данным, трудности с обновлением и трудности с обменом (刘沭岍等，2024Трудность динамической оценки соединяемости водоемов в широком масштабе влияет на широкое применение этого метода. 2) Метод ландшафтного индекса, основанный на дистанционном зондировании, т.е. интерпретация соединяемости с помощью существующих ландшафтных экологических индексов. Например, Spanowicz и Jaeger сравнили индексы Connectance Index (CONNECT) и Effective Mesh Size ( m eff ), связанные с двумя связями в ландшафтной экологии, и рассмотрели концепцию внутренней связности и связи между бляшками.Spanowicz和Jaeger，2019В)). После этого,Yang等（2024）В сочетании с ландшафтной экологией и графическими методами была оценена гидрологическая связь водно - болотных угодий озера в районе Уцзян озера Тайху. Хотя ландшафтные индексы могут в определенной степени объяснить гидрологическую связь, трудно полностью описать многомерные процессы изменения гидрологической связи. (3) Геостатистический метод, основанный на дистанционном зондировании, который оценивает гидрологическую связь и ее изменения с помощью функции связности CF (Connectivity Function).Trigg等（2013）Впервые CF был использован для оценки процесса изменения гидрологической связи в Бангкоке под воздействием экстремальных наводнений; Впоследствии,Tan等（2019）Применить его к изучению соединяемости озера Поянг и его дочерних озер;Liu等（2020）Используя его для анализа сезонных изменений гидрологической связи в паводковой зоне озера Поянг под влиянием основного потока реки Янцзы (Xue等，2024В)).
Поскольку метод CF объединяет характеристики связи внутри и между бляшками в процессе вычислений, он может эффективно отображать гидрологическую связь и поэтому широко используется. Однако расчеты этого метода представляют собой кривые, состоящие из ряда значений связности в одном направлении поиска в разных масштабах, что затрудняет сопоставление различий в гидрологической связности в разных регионах и не позволяет напрямую количественно оценить степень изменения связности в разные периоды времени в одном и том же регионе. В связи с этим мы предлагаем метод частоты соединения в оптимальном масштабе F con (Connection Frequency) для расчета гидрологической связности, чтобы компенсировать недостатки существующих геостатистических методов путем определения оптимальной шкалы вычислений и учета частоты соединения воды во всех направлениях, а не в одном направлении в исследуемом районе.
Равнины среднего и нижнего течения реки Янцзы, как один из наиболее концентрированных районов распределения поверхностных вод в стране, также несут почти четверть населения Китая и являются важной экологической и экономической единицей Китая (Xie等，2017В)). В то же время регион пережил засуху (向大享等，2024- эрозия почв и сооружение дамб для ремонта шлюзов, крупномасштабное освоение земель (Hou等，2020() Процесс возмущения, такой как городское развитие, в котором связь воды постепенно разрушается, одновременно вызывая ухудшение качества воды в озерах (Xu等，2021Деградация водно - болотных угодий (Li等，2024a*Zhang等，2020Целый ряд вопросов экологической безопасности, в частности, считается одной из наиболее уязвимых пресноводных экосистем в мире (Wang等，2014В)). Поэтому, используя метод F con , мы рассчитали процесс изменения временных рядов гидрологических связей в озерных районах равнин в среднем и нижнем течении реки Янцзы с 1984 года и количественно оценили дифференциальные изменения в связности между равнинными районами в среднем и нижнем течении реки Янцзы, чтобы обеспечить научную поддержку для экологической защиты и восстановления региона.

2 Данные и методы исследования

2.1 Исследовательский регион

Равнины среднего и нижнего течения реки Янцзы (27°2 '54' N - 32°36 '24' N, 11°12 '8' E - 121°43 '22' E), как правило, относятся к равнинам Цзянхань, равнинам озера Донгтинг и равнинам озера Поянг в среднем течении реки Янцзы со средней высотой менее 50 м и аллювиальным равнинам рек и озер, таким как равнина Аньхой и дельта реки Янцзы ниже средней высоты менее 30 мWang等，2014Общая площадь около 14 000 км 2 , что составляет около 17,2% площади бассейна среднего и нижнего течения реки Янцзы. Регион имеет развитую водную систему, разбросанную по озерам, прудам и водохранилищам, имеет около 54% пресноводных ресурсов Китая, является важным сельскохозяйственным районом Китая (Wang等，2021Его урожайность риса составляет около 51% в стране, а производство пресноводных культур составляет около 57% в стране. Для эффективного анализа различий и изменений в связности между различными равнинными районами исследовательский район далее разделен на шесть подсекторов в соответствии с границами различных подсекторов бассейна реки Янцзы: бассейн озера Донгтинг, бассейн озера Поянг, бассейн реки Ханьцзян, район основного течения среднего течения реки Янцзы, район основного течения нижнего течения реки Янцзы и бассейн озера Тайху (贾艳艳等，2020В)).

2.2 Данные исследований

Исследование проводилось с использованием набора данных JRC Monthly Water History (MWH), полученных от GEE (Google Earth Engine), для извлечения водной толщи на равнинах среднего и нижнего течения реки Янцзы. Этот набор данных являетсяPekel等（2016）Опираясь на более чем 4,7 миллиона изображений, полученных с помощью Landsat 5, 7 и 8 в период с 1984 по 2021 год, с использованием экспертной системы для классификации по пикселям в течение почти 40 лет, среднемесячное распределение глобальных водных ресурсов с пространственным разрешением 30 метров.Pekel等，2016В)).

2.3 Метод частотного соединения в оптимальном масштабе

В настоящее время широко используемым методом расчета гидрологической связи является геостатистический метод CF, основанный на данных дистанционного зондирования. Обычный метод CF оценивает гидрологическую связь путем расчета вероятности соединения между двумя изображениями воды в определенном направлении на любом расстоянии друг от друга и вычисления значения функции связи. Результатом является кривая, которая изменяется с расстоянием в результате расчета вероятности на каждом масштабе заданного направления (Fig. 3、 （d））。 Конкретные формулы являются следующими:
В формуле,Для обозначения событийВ условияхПроисходит ли следующее, еслиТо есть в условияхСледующее событиеПроисходит, а наоборот не происходит; P - оператор умножения,Это символ вероятности,Все события n Вероятность того, что все происходит ниже; Следовательно, соединительная функцияЗначение на любом заданном расстоянии представляет собой долю точки соединения на этом расстоянии в определенном направлении.
figure

Fig. 1 Study area： Middle and Lower Yangtze River Plain

Тем не менее, изощренные расчеты обычного метода CF затрудняют как горизонтальное, так и вертикальное представление сложной морфологической структуры водоема, увеличивая сложность расчетов связности, особенно для сравнения различий в соединяемости водоемов в разных регионах. Кроме того, несколько кривых, рассчитанных методом, не могут интуитивно оценить процесс увеличения или уменьшения соединяемости конкретного водоема. Таким образом, метод F con , разработанный в настоящем исследовании, оптимизирует расчеты в форме кривой в обычном методе CF до значения одной связности на основе наиболее подходящего расчетного масштаба для воды в выбранном районе, принимая во внимание связь во всех направлениях (Fig. 3Обеспечивает сопоставимость результатов расчетов гидрологической связи в разных регионах и временных рядах.
Чтобы решить проблему, заключающуюся в том, что межмасштабные вычисления обычного метода CF не могут быть напрямую сопоставлены, в исследовании был разработан метод частоты соединения в оптимальном масштабе F con для расчета гидрологической связи. С учетом того, что расчеты частоты соединения в разных вычислительных масштабах будут меняться, в исследовании был выбран оптимальный масштаб для оценки гидрологической связи в равнинах среднего и нижнего течения реки Янцзы, а затем в этом масштабе были рассчитаны результаты гидрологической связи в течение семи периодов во всем исследовательском районе и его шести подсекторах. Процедура обработки данных описывается ниже:
(1) Настройка временных рядов данных: распределение поверхностных вод на равнинах среднего и нижнего течения реки Янцзы извлекается из централизованных данных MWH, и для обеспечения того, чтобы все пиксели на краю исследуемого района могли завершить расчет гидрологической связи методом F con / sub >, буферная зона 500 м была расширена наружу на основе распределения извлеченных вод. Кроме того, учитывая количественные характеристики временных рядов соответствующих данных наблюдений, мы разделили 1984 - 2021 годы на семь периодов: 1984 - 1999; 2000 - 2003 годы; 2004 - 2007 годы; 2008 - 2011 гг.; 2012 - 2015 гг.; 2016 - 2019; 2020 - 2021 годы. Данные MWH за несколько месяцев в течение семи периодов были дополнительно обобщены, чтобы рассчитать частоту затопления воды в этом месяце по изображениям за конкретный период, а затем получить среднемесячные значения, чтобы решить проблему неравномерного количества наблюдений в разные месяцы. Если частота затопления какого - либо фотоэлемента в течение определенного периода времени превышает или равна 25 процентам, то этот фотоэлемент рассматривается как обычный гидрографический фотоэлемент, влияющий на изменение региональной гидрологической связи, и, наоборот, определяется как некоторый фотоэлемент. В итоге были получены результаты распределения поверхностных вод за семь периодов.
(2) Оптимальный выбор масштаба: Оптимальный масштаб относится к расчетному масштабу, который наиболее точно отражает изменения в гидрологической связности в исследуемом районе при определенном разрешении. Оптимальный масштаб, используемый в исследовании, был получен путем расчета связности данных о водоемах с разрешением 30 м. Гидрологическая связь в условиях наблюдения с различным разрешением может существенно различаться в конкретных условиях. Согласно расчетам метода F con , гидрологическая связь постепенно уменьшается по мере расширения вычислительных масштабов (Fig. 2), в котором расчетный масштаб определяет размер окна вычисления F con , связанный с пространственным разрешением вычислительного набора данных, один элемент изображения в исследовании соответствует пространственному разрешению 30 м. Чтобы определить оптимальный масштаб расчета изменения связности, получить расчетный масштаб относительной стабильности расчетного значения связности, сначала рассчитать значение гидрологической связности в разных вычислительных масштабах, а затем проанализировать значение связности с изменением наклона в вычислительном масштабе, а затем дополнительно рассчитать скорость изменения наклона (т. е. производную второго порядка кривой изменения); Затем при выборе коэффициента изменения наклона, который впервые ниже 5% изменения среднего наклона, соответствующий масштаб определяется как оптимальный.
figure

Fig. 2 The changes of the average value of in different periods and different calculation scales （Taking the Hanjiang River Basin Plain Region as an Example）

3) Расчет частоты соединения: вычисление частоты соединения между каждым видимым элементом водной толщи и другими видимыми элементами водной толщи в оптимальном вычислительном масштабе в качестве расчетного значения гидрологической связи этого видового элемента (Fig. 3В)). Значение гидрологической связи для всех источников, не относящихся к водной толще, установлено на уровне 0. F con Конкретная формула выглядит следующим образом:
В формуле,Это частота соединения для любого фотоэлемента воды, рассчитанная между 0 и 1, и с центром этого фотоэлемента образуется окно вычисления оптимального масштаба d ,Для вычисления количества изображений воды в окне, соединенных с центральным виджетом воды,Для расчета общего количества изображений воды в окне. Для обеспечения сопоставимости результатов расчетов между периодами все периодыОбъединяет общее количество фотонов, появляющихся как минимум один раз в водной толще в течение семи периодов, т.е.
(4) Тенденционный анализ: для анализа характеристик изменения длинных последовательностей гидросвязности в разные периоды применяется метод одномерной линейной регрессии, а для решения наклона регрессионной линии (slope) используется метод наименьших квадратов для анализа тенденций, и, наконец, используется тест t для представления значимости результатов, p & lt;; В 0.05 считается, что тенденция значительна, в противном случае тенденция не является существенной.
Схема этих двух различных подходов выглядит следующим образом:Fig. 3Показано, в том числе,Fig. 3Карта распределения видимых элементов воды в примерном районе в предполагаемые три различных периода;Fig. 3Для процесса расчета гидрологической связности CF на горизонтальном и вертикальном направлениях в примерной зоне II в четырех масштабах результаты его связностиFig. 3Указать кривую изменения;Fig. 3Это показывает процесс расчета гидрологической связи F con в той же области в течение второго периода, оптимальный масштаб которого равен 2, поэтому в окне 2 вычисляется значение связности элементов изображения в этой области и принимается его среднее значение, чтобы получить значение гидрологической связиFig. 3Показывается красной звездой;Fig. 3Сопоставление результатов гидрологической связи за три периода, оцениваемых с использованием двух различных методов. отFig. 3На рисунке видно,Метод представляет собой изменение гидрологической связи на разных расстояниях в горизонтальном и вертикальном направлениях, результат связи в течение трех периодов должен быть представлен в общей сложности шестью кривыми в двух направлениях, не может интуитивно увидеть процесс изменения временных рядов гидрологической связи; Метод F con измеряется с помощью вычислений оптимального масштаба, которые наглядно демонстрируют процесс снижения гидрологической связи со временем и количественно оценивают степень снижения значения связи в течение трех периодов, а общее значение связи снижается с 0,9 до 0,45.
figure
figure
figure
figure
figure
figure

Fig. 3 Comparison of CF and Fcon

3 Результаты и анализ

3.1 Оптимальный масштаб вычислений для равнины среднего и нижнего течения реки Янцзы F <sub> con </sub>

Результаты распределения поверхностных вод в шести подсекторах равнины среднего и нижнего течения реки Янцзы за семь периодов были получены путем упорядочения временных рядов данных.Table 1На этой основе был рассчитан оптимальный масштаб оценки соединяемости равнинных районов среднего и нижнего течения реки Янцзы.

Table 1 Water Body Area of Six Sub-regions in the Lake Zones of the Middle and Lower Yangtze River Plain during Seven Periods /km2

区域时期
1984—19992000—20032004—20072008—20112012—20152016—20192020—2021
鄱阳湖流域6043.55495751.89285044.97525066.11535149.0625610.87185735.8008
洞庭湖流域4877.68144736.41294385.20414063.54054156.07044314.21484802.7807
太湖流域5096.21945672.24735693.47565565.04385316.79865406.24065292.8865
汉江流域1199.40751151.8461998.51311062.1143975.8611178.71921386.009
长江中游干流区5950.39145841.12425528.47055603.45945327.18915608.59395812.182
长江下游干流区7497.46176804.95496553.8186590.81526567.81667413.01927661.9637
Оптимальный масштаб, выбранный методом F con , требует последовательного вычислительного стандарта при получении характеристик общей соединяемости всех подсекторов равнины среднего и нижнего течения реки Янцзы. Таким образом, необходимо будет провести 42 расчетов подключения в течение семи периодов в шести подсекторах (Table 2В)). Согласно критериям определения оптимального масштаба, его оптимальный масштаб был распределен между 10 и 16 фотоэлементами, 38% из которых показали, что он был оптимальным при 14 фотоэлементах (около 420 метров), поэтому он был использован в качестве единого вычислительного масштаба в исследовании.

Table 2 Optimal Scales for Changes Across Six Regions and Seven Periods （ The unit is the number of pixels， and Heiti* represents the optimal scale value in a specific area at that time）

区域时期
1984—19992000—20032004—20072008—20112012—20152016—20192020—2021
鄱阳湖流域10101010101010
洞庭湖流域10101010101214*
太湖流域14*14*14*1214*14*14*
汉江流域1214*14*14*14*14*15
长江中游干流区121212121214*14*
长江下游干流区161212121214*14*

3.2 Процесс изменения соединяемости равнин в среднем и нижнем течении реки Янцзы

На основе вышеуказанных методов и оптимальных масштабов была рассчитана гидрологическая связь равнин среднего и нижнего течения реки Янцзы в течение семи периодов и получены следующие тенденции изменения гидрологической связи (Fig. 4В)). какFig. 4、 (b) показано, что диапазон колебаний гидросвязности равнин среднего и нижнего течения реки Янцзы в период 1984 - 2021 годов составляет от 55% до 70%, площадь без существенных изменений составляет 83%, величина изменения меньше, общая стабильность; В частности, гидрологическая соединяемость демонстрирует тенденцию к снижению, а затем к восстановлению, достигнув максимального значения в 70% в 1984 - 1999 годах, затем продолжая снижаться с 1984 - 1999 по 2012 - 2015 годы и достигнув минимального значения в 58% в 2012 - 2015 годах, в последние два периода подключение восстановилось, но так и не достигло первоначального уровня подключения.
figure
figure
figure

Fig. 4 Hydrological connectivity in the middle and lower Yangtze River Plain

Районы значительных изменений в связности были отобраны путем регрессионного анализа временных рядов по пикселям результатов гидрологической связности в течение семи периодов и анализа значимости значений t (Fig. 4Результаты показывают, что гидрологическая связь в разных регионах имеет тенденцию к дифференциации. Хотя в большинстве районов гидрологическая связь оставалась стабильной, в 17 процентах акваторий наблюдались значительные изменения в увеличении или уменьшении. Гидрологическая соединяемость демонстрирует рост в основном вокруг озера Шиюй, расположенного в районе основного течения в низовьях реки Янцзы, в некоторых равнинных районах бассейна реки Ханьцзян, а также в районе озера Ханцзя и западной части озера в бассейне озера Тайху. С другой стороны, районы, в которых снижается связь, сосредоточены в большинстве равнинных районов бассейна озера Поянг, бассейна озера Донгтинг, основного течения среднего течения реки Янцзы и основного течения ниже по течению, из которых наибольшее снижение связи наблюдается в прибрежных районах озера Поянг и озера Донгтинг.
В бассейне озера Поянг, в бассейне озера Донгтинг, в низовьях реки Янцзы и в равнинных районах бассейна реки Ханьцзян (Fig. 5、 （c））， Гидрологическая соединяемость значительно варьировалась в течение семи периодов, и в целом наблюдалась тенденция к снижению, а затем к повышению. Связь продолжала снижаться в течение двух периодов с 1984 по 1999 год по 2012 - 2015 годы, достигнув минимальных значений в 2012 - 2015 годах, а затем заметно восстановилась. Тем не менее, во всех регионах значительно уменьшилась площадь гидрологической связи, что значительно больше, чем значительно увеличилась площадь, что указывает на то, что гидрологическая связь в целом остается ниже, а более поздние уровни гидрологической связи в целом ниже, чем в первоначальном состоянии (1984 - 1999 годы). С точки зрения различных регионов, общий уровень гидрологической связи в районах основного течения в низовьях реки Янцзы, озере Поянг и бассейне озера Донгтинг выше, а минимальные значения остаются на уровне более 55%; В отличие от других регионов, гидрологическая связь в равнинных районах бассейна реки Ханьцзян значительно ниже, чем в других регионах, максимальная гидрологическая связь составляет всего около 45%, а минимальная - около 25%, что указывает на то, что общая гидрологическая связь относительно низка из - за отсутствия сверхкрупных водоемов в стране.
Для бассейна озера (Fig. 5（b）、（c））， Гидрологическая связь несколько повысилась на ранней стадии, а затем постепенно снижалась, и общее изменение было относительно стабильным. Для равнинных районов центрального течения в среднем течении реки Янцзы общая гидрологическая связь имеет тенденцию к плавному снижению, хотя в некоторые периоды наблюдается небольшое восстановление, но поздняя связь значительно ниже, чем в начале. В течение всего периода исследования гидрологическая связь между двумя регионами значительно уменьшилась, а площадь районов по - прежнему значительно превышает площадь районов, которые значительно увеличились, что свидетельствует об общей тенденции к снижению гидрологической связи между двумя регионами.
figure
figure

Fig. 5 Changes in Hydrological connectivity Across Six Regions

4 Обсуждение

4.1 F <sub> con </sub> Отличия в характеристиках связности между методом и методом ландшафтного индекса

Метод частоты соединения в оптимальном масштабе предлагает новый способ расчета гидрологической связи в исследуемом районе. Этот метод, оценивая частоту соединений между различными водными пятнами, учитывает как локальные, так и общие региональные характеристики изменений, что делает гидрологическую связь сопоставимой для разных регионов и периодов времени.
Связанность водоемов в основном связана как с межпятнистой связью, так и с внутрипятнистой связью. Связь между пятнами обычно определяется как способность вещества перемещаться между различными дискретными пятнами, в то время как внутренняя связность относится к способности вещества циркулировать внутри одного пятна (Tischendorf和Fahrig，2000В)). Если сосредоточиться только на связности между пятнами, это может привести к неправильной оценке общей связности (Spanowicz和Jaeger，2019В)). Например, если пятно полностью покрывает всю область исследования, связь может быть ошибочно рассчитана как нулевая. Для более полной оценки связности бляшек особенно важно учитывать связь между ними и внутри них. Метод F con учитывает связь между различными водными пятнами, а также связь между центральным фотоэлементом и окружающими его фотоэлементами, тем самым оценивая связь между бляшками и внутри них, демонстрируя преимущества этого метода.
Функция CONNECT - это индекс ландшафтного ландшафта, который часто используется для расчета связи между пятнами. Чжао Линдун и другие использовали различные индексы, такие как CONNECT, для расчета экологической и гидрологической связи водно - болотных угодий озера Гаоюй (赵凌栋等，2019В)). В то время как m eff считается функцией, используемой для расчета связности внутри бляшек, например, Roch et al. использовали эту функцию для изучения степени дробления канадских лугов (Roch和Jaeger，2014В)). Соответствие результатов расчетов методом F con с результатами расчетов CONNECT и m eff за тот же период:Fig. 6Как показано, результаты показывают значительную корреляцию между индексом ландшафта F con и двумя характеристиками связности, что еще раз доказывает, что метод F con имеет лучшее представление о связности между бляшками и внутри них.
figure
figure

Fig. 6 Correlation between and the landscape pattern indices

4.2 Анализ изменений в гидрологических связях между различными равнинными районами в среднем и нижнем течении реки Янцзы и механизмов их формирования

В качестве демонстрационной зоны исследования тенденции изменения гидрологической соединяемости в разных районах равнины среднего и нижнего течения реки Янцзы также показали значительные различия, связанные с процессом изменения соединяемости (Fig. 7Кроме того, со стороны отражены природные и антропогенные процессы, характерные для каждого региона в течение рассматриваемого периода, и их потенциальное воздействие на гидрологическую связь.
figure
figure
figure
figure
figure
figure
figure

Fig. 7 Changes in Local Hydrological connectivity Across Three Different Periods and Six Major Regions

Район равнины бассейна озера Поянг в шести подсекторах является регионом, где наиболее заметно снижается гидрологическая связь. Снижение соединяемости основного озера и его окрестностей в основном связано с уменьшением площади воды в районе озера Поянг в последние годы. Исследования показывают, что общая средняя площадь воды в регионе постоянно колеблется с 2000 года, особенно с 2000 по 2011 год, когда средняя площадь воды снизилась с 1618 км 2 до 1274 км 2 (蒋飞燕，2023В)). Основные течения в нижнем течении реки Янцзы, связанные с озером Поянг, также являются основными районами снижения соединяемости, из которых наиболее заметное снижение соединяемости озера Лунцзян и окружающих озер должно быть связано с долгосрочным процессом насыпи и насыпи вокруг озера в этом районе, что приводит к превращению большого количества воды в другие объекты (孙荣，2012В)). Для бассейна озера Донгтинг гидрологическая связь в разных районах озера меняется по - разному. Исследования показывают, что под влиянием таких факторов, как заиление осадков, площадь воды озера Наньдунтинг значительно сократилась, в общей сложности на 191,42 км² в период с 1986 по 2022 год (白宽宽等，2024(Связь между водоемами ослаблена, что приводит к снижению гидрологической связи из года в год.) Кроме того, продолжающееся расширение сельскохозяйственных и строительных земель в регионе также является одной из основных причин снижения уровня гидрологической связи.Hou等，2020В)). Относительно говоря, часть повышенного гидрологического соединения в районе озера Донгтинг в основном появляется в водах, соединяющих озеро Наньдунтинг с озером Донгтинг, что может быть связано с уменьшением притока песка в озеро Донгтинг и серьезной деятельностью по добыче песка в этом районе. Согласно данным « Китайского бюллетеня наносов », с момента завершения и эксплуатации проекта « Три ущелья», перенос песка в озере Донгтинг постепенно перешел от заиливания к балансу заиливания (余姝辰等，2019) Даже явление размыва наблюдается. В результате незаконной добычи (唐晖等，2023Вызванные такими явлениями, как расширение и углубление русла, усиливают гидрологическую связь между водами. Подобно равнине бассейна озера Донгтинг, гидрологическая связь между различными районами бассейна реки Ханьцзян демонстрирует определенную пространственную неоднородность. Его область снижения гидрологической связи в основном сосредоточена вокруг городского круга Ухань. Относительно говоря, районы, где гидрологическая связь растет, в основном расположены в нижнем и среднем течении реки Ханьцзян. Ключевую роль в этом могут сыграть осуществляемые в регионе проекты по развитию нижнего и среднего течения реки Ханьцзян и проект « Цзянцзыхань», официально введенный в эксплуатацию в 2014 году, в рамках которого за счет отвода воды из реки Янцзы будет дополнено сокращение объема воды, вызванное водоотведением по средней линии водоотведения от юга к северу, для удовлетворения потребностей в орошении, судоходстве и экологической воде в среднем и нижнем течении реки Ханьцзян (王婷婷等，2008В)). Особенно во время сухой воды в годы сухой (刘兆孝等，2022Эффективно повысили гидродинамические условия в среднем и нижнем течении реки Ханьцзян, улучшили качество воды в нижнем течении реки Ханьцзян, а также способствовали увеличению региональной гидрологической связи. Кроме того, хотя гидрологическая связь в районе основного течения в низовьях реки Янцзы в целом остается доминирующей тенденцией к снижению, гидрологическая связь вокруг озера Шинуй демонстрирует значительную тенденцию к росту, особенно в районе округа Данту провинции Аньхой. Это изменение может быть связано с « моделью данти», которая постепенно внедряется в регионе с 2003года. Благодаря внедрению методов аквакультуры, основанных на « выращивании травы, сбрасывании моллюсков, разрежении, питании и регулировании воды», модель развивает индустрию аквакультуры с учетом охраны окружающей среды, в результате чего площадь разведения крабов в округе Данту увеличилась с примерно 10 000 акров в 2000 году до примерно 20 000 акров в настоящее время (张兆扬，2025В определенной степени была расширена площадь воды в регионе, а также усилен процесс обмена водоемами, что способствовало улучшению гидрологической связи в озере Шинуа и прилегающих к нему районах.
На равнинах центрального течения реки Янцзы в целом наблюдается тенденция к плавному снижению гидрологической связи, что может быть связано с быстрым расширением городских агломераций в Ухане с 1990 - х годов (Li Rong, 2022);Xie等，2017В)). Во время расширения городов вокруг города Ухань площадь воды уменьшилась и изменила первоначальную структуру водной системы рек и озер, что привело к значительному снижению гидрологической связи в регионе. В то же время бассейн озера Тайху демонстрирует значительные региональные различия. Гидрологическая связь в некоторых районах района Восточного озера Тайху снизилась, в то время как в районе озера Ханцзя и западной части озера наблюдался определенный рост. Снижение гидрологической соединяемости в некоторых районах Восточного озера Тайху может быть связано с уменьшением площади воды и ростом инфраструктуры из - за роста населения.刘垚燚等，2020Последнее в определенной степени блокирует естественную гидравлическую связь между реками и озерами, что приводит к снижению гидрологической связи в регионе. Относительно говоря, увеличение соединяемости в районе озера Ханцзя и западной части озера должно быть напрямую связано с продолжающимся увеличением площади аквакультуры в регионе (张紫滟，2022В)). Кроме того, начатый в 1991 году « Проект по управлению тайским магистралем» изменил связь озера Тайху с окружающими его водоемами, строительство водосборных дамб и дренажных и дренажных каналов и других проектов может способствовать повышению соединяемости соответствующих районов, а строительство межпровинциальных водохозяйственных проектов может привести к сокращению объема воды в районе озера, что приведет к снижению соединяемости в некоторых районах.

5 Заключение

В ответ на недостатки обычного метода расчета гидрологической связи в исследовании предлагается метод расчета гидрологической связи F con на основе частоты соединения в оптимальном масштабе. Используя равнину среднего и нижнего течения реки Янцзы в качестве типичной демонстрационной зоны, процесс изменения гидрологических связей в шести из этих типичных районов с 1984 по 2021 год был количественно оценен методом F con . Результаты показывают, что метод F con , разработанный в ходе исследования, на основе комплексного учета масштабных характеристик распределения водных ресурсов в различных регионах, количественно оценивает процесс изменения временных рядов гидрологической связи в нескольких регионах на основе оптимального масштаба и обеспечивает сравнительный анализ изменений гидрологической связи в разных регионах. Статистические данные о площади водоемов в длинных временных рядах равнин в среднем и нижнем течении реки Янцзы не сильно меняются, но их соединяемость значительно различается. Результаты изменения связности показывают, что тенденции изменения гидрологической связности в каждом из шести подсекторов значительно различаются по регионам. Гидрологическая связность в озере Поянг, озере Донгтинг, бассейне реки Ханьцзян и равнинных районах нижнего течения реки Янцзы в целом характеризуется изменениями в раннем снижении и последующем подъеме, но движущие силы подъема и падения гидрологической связи в разных регионах различны. В бассейне озера Тайху и на равнинах среднего течения реки Янцзы наблюдается устойчивая тенденция к снижению. Это различие отражает тот факт, что на гидрологическую соединяемость могут влиять различные факторы, в частности экологические и хозяйственные меры, которые могут оказывать значительное влияние на изменение соединяемости в течение определенного периода времени.
Метод F con при анализе соединяемости водоемов позволяет избежать проблемы, заключающейся в том, что метод CF требует многомерной кривой для выражения связности и чрезмерного упрощения измерения направления соединения. Вместо этого, используя отдельные значения F con , рассчитанные в произвольном направленном измерении в оптимальном масштабе, форма выражения более проста и интуитивно понятна, а направление связи лучше представлено. Тем не менее, хотя метод F con преодолевает некоторые из проблем, связанных с методом CF, он не может полностью избавиться от проблем масштаба, присущих вычислениям гидрологической связи дистанционного зондирования, которые ограничиваются собственным разрешением данных. Изменения в разрешении используемых данных дистанционного зондирования или масштабе наблюдений оказывают непосредственное влияние на расчеты гидрологической связи конкретного водоема. В будущих исследованиях необходимо будет проанализировать закономерности количественного воздействия измерений дистанционного зондирования на расчеты гидрологической связности с помощью межмасштабных вычислений с множественным разрешением F con . В то же время изменения в гидрологических связях могут оказывать глубокое влияние на изменяющиеся миграционные процессы в водной среде и водных организмах (刘丹等，2019*谢晖等，2022В)). В сочетании с синхронизированными данными экологического мониторинга в изменяющихся сценариях количественный анализ изменений в гидрологической связности, влияющих на изменения в структуре компонентов водной экосистемы, является более широкой потенциальной областью исследований в будущих соответствующих исследованиях.

References

  1. 1.
    Bai K K, Li Z W, Zhang P, Wang Z A, Zhao W G and Lu H Y. 2024. Shoreline evolution of natural lakes in Lake Dongting area based on multi-source remote sensing interpretation. Journal of Lake Sciences, 36(5): 1537-1549
  2. 2.
    Grill G, Lehner B, Thieme M, Geenen B, Tickner D, Antonelli F, Babu S, Borrelli P, Cheng L, Crochetiere H, Ehalt Macedo H, Filgueiras R, Goichot M, Higgins J, Hogan Z, Lip B, Mcclain M E, Meng J, Mulligan M, Nilsson C, Olden J D, Opperman J J, Petry P, Reidy Liermann C, Sáenz L, Salinas-Rodríguez S, Schelle P, Schmitt R J P, Snider J, Tan F, Tockner K, Valdujo P H, Van Soesbergen A and Zarfl C. 2019. Mapping the world’s free-flowing rivers. Nature, 569(7755): 215-221
  3. 3.
    Hou X J, Feng L, Tang J, Song X P, Liu J G, Zhang Y L, Wang J J, Xu Y, Dai Y H, Zheng Y, Zheng C M and Bryan B A. 2020. Anthropogenic transformation of Yangtze Plain freshwater lakes: patterns, drivers and impacts. Remote Sensing of Environment, 248: 111998
  4. 4.
    Jia Y Y, Tang X L, Tang F L, Yang Y and Ma K. 2020. Research on human activity intensity and its impact on wetland landscape pattern in the middle and lower reaches of the Yangtze River Basin. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 29(4): 950-963
  5. 5.
    Jiang F Y. 2023. Long Time Series Analysis of Poyang Lake Water Area Changes Based on Remote Sensing Data. Ganzhou: Jiangxi University of Science and Technology
  6. 6.
    Lehner B and Grill G. 2013. Global river hydrography and network routing: baseline data and new approaches to study the world's large river systems. Hydrological Processes, 27(15): 2171-2186
  7. 7.
    Leibowitz S G, Hill R A, Creed I F, Compton J E, Golden H E, Weber M H, Rains M C, Jones C E, Lee E H, Christensen J R, Bellmore R A and Lane C R. 2023. National hydrologic connectivity classification links wetlands with stream water quality. Nature Water, 1(4): 370-380
  8. 8.
    Li B, Wan R R, Yang G S, Yang S, Dong L F, Cui J L and Zhang T. 2024a. Centennial loss of lake wetlands in the Yangtze Plain, China: impacts of land use changes accompanied by hydrological connectivity loss. Water Research, 256: 121578
  9. 9.
    Li L, Knapp J L A, Lintern A, Ng G H C, Perdrial J, Sullivan P L and Zhi W. 2024b. River water quality shaped by land-river connectivity in a changing climate. Nature Climate Change, 14(3): 225-237
  10. 10.
    Liu D, Wang X, Li C H, Cai Y P and Liu Q. 2019. Eco-environmental effects of hydrological connectivity on lakes: a review. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 28(7): 1702-1715
  11. 11.
    Liu S Q, Liu K, Zeng F X and Song C Q. 2024. Study progress in the river hydrologic remote sensing technique and its application on the Tibetan Plateau. National Remote Sensing Bulletin, 28(10): 2427-2447
  12. 12.
    Liu X G, Zhang Q, Li Y L, Tan Z Q and Werner A D. 2020. Satellite image-based investigation of the seasonal variations in the hydrological connectivity of a large floodplain (Poyang Lake, China). Journal of Hydrology, 585: 124810
  13. 13.
    Liu Y Y, Tian T, Zeng P, Zhang X Y and Che Y. 2020. Surface water change characteristics of Taihu Lake from 1984-2018 based on Google Earth Engine. Chinese Journal of Applied Ecology, 31(9): 3163-3172
  14. 14.
    Liu Z X, Yao W Y and Liu Y Y. 2022. Eco-environment impacts of the river diversion project from the Yangtze River to the Han River and protective measures. China Water Resources, (18): 54-56
  15. 15.
    Pekel J F, Cottam A, Gorelick N and Belward A S. 2016. High-resolution mapping of global surface water and its long-term changes. Nature, 540(7633): 418-422
  16. 16.
    Roch L and Jaeger J A G. 2014. Monitoring an ecosystem at risk: what is the degree of grassland fragmentation in the Canadian Prairies? Environmental Monitoring and Assessment, 186(4): 2505-2534
  17. 17.
    Spanowicz A G and Jaeger J A G. 2019. Measuring landscape connectivity: on the importance of within-patch connectivity. Landscape Ecology, 34(10): 2261-2278
  18. 18.
    Sun R. 2012. Evolution driving force analysis and ecological protection strategies for Longganhu Lake. Journal of Huaqiao University (Natural Science), 33(4): 412-416
  19. 19.
    Tan Z Q, Wang X L, Chen B, Liu X G and Zhang Q. 2019. Surface water connectivity of seasonal isolated lakes in a dynamic lake-floodplain system. Journal of Hydrology, 579: 124154
  20. 20.
    Tang H, Zou J, Yin X H, Yu S C, He Q H, Zhao D, Zou C and Luo J Q. 2023. River and lake sand mining in the Dongting Lake area: supervision based on high-resolution remote sensing images and typical case analysis. Remote Sensing for Natural Resources, 35(3): 302-309
  21. 21.
    Tischendorf L and Fahrig L. 2000. How should we measure landscape connectivity? Landscape Ecology, 15(7): 633-641
  22. 22.
    Trigg M A, Michaelides K, Neal J C and Bates P D. 2013. Surface water connectivity dynamics of a large scale extreme flood. Journal of Hydrology, 505: 138-149
  23. 23.
    Wang J D, Sheng Y W and Tong T S D. 2014. Monitoring decadal lake dynamics across the Yangtze Basin downstream of Three Gorges Dam. Remote Sensing of Environment, 152: 251-269
  24. 24.
    Wang T T, Zhang W S, Peng H, Zhu Q Y and Zhang B. 2008. Effect of the water transfer project from Yangtze River to Hanjiang River on the eco-environment of the middle and lower reaches of Hanjiang River. South-to-North Water Transfers and Water Science and Technology, 6(1): 70-72
  25. 25.
    Wang W G, Liu G S, Wei J, Chen Z F, Ding Y M and Zheng J Z. 2021. The climatic effects of irrigation over the middle and lower reaches of the Yangtze River, China. Agricultural and Forest Meteorology, 308-309: 108550
  26. 26.
    Wu J Y, He Y J, Jiang X D, Zhao Y J, Cui Y D and Wang H Z. 2023. Assessing ecosystem health of floodplain lakes using an Integrated Bioassessment Index. Ecological Indicators, 154: 110644
  27. 27.
    Xiang D H, Jiang Y, Chen Z and Li Z. 2024. Spatial-temporal characteristics of historical drought in the middle and lower reaches of Yangtze River based on standardized precipitation index and vegetation health idex. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 41(3): 153-159, 165
  28. 28.
    Xie C, Huang X, Mu H Q and Yin W. 2017. Impacts of land-use changes on the lakes across the Yangtze floodplain in China. Environmental Science and Technology, 51(7): 3669-3677
  29. 29.
    Xie H, Dong J W, Li Y F, Shang M Q and Lai X J. 2022. Hydrological connectivity in multi-pond systems and its impact on phosphorus transport: research progress and perspectives. Advances in Water Science, 33(5): 848-858
  30. 30.
    Xu Y, Feng L, Hou X J, Wang J J and Tang J. 2021. Four-decade dynamics of the water color in 61 large lakes on the Yangtze Plain and the impacts of reclaimed aquaculture zones. Science of the Total Environment, 781: 146688
  31. 31.
    Xue C Y, Zhang Q, Jia Y X, Tang H W and Zhang H M. 2024. Attribution of hydrological droughts in large river-connected lakes: insights from an explainable machine learning model. Science of the Total Environment, 952: 175999
  32. 32.
    Yang S, Wan R R and Li B. 2022. Hydrological connectivity research in Lake Taihu Basin: status, progress and future challenges. Journal of Lake Sciences, 34(4): 1055-1074
  33. 33.
    Yang S, Wan R R, Yang G S and Li B. 2024. A novel framework to assess the hydrological connectivity of lake wetlands in plain river networks with dense hydraulic facilities: comparing natural and disturbed states over a century. Journal of Hydrology, 630: 130787
  34. 34.
    Yu S C, Yu D Q, Wang L C, Li C A, He Q H and Xiang F F. 2019. Remote sensing study of Dongting lake beach changes before and after operation of Three Gorges Reservoir. Earth Science, 44(12): 4275-4283
  35. 35.
    Zhang L, Pan B Z, Jiang X M, Wang H Z, Lu Y J, Lu Y and Li R H. 2020. Responses of the macroinvertebrate taxonomic distinctness indices of lake fauna to human disturbances in the middle and lower reaches of the Yangtze river. Ecological Indicators, 110: 105952
  36. 36.
    Zhang Z Y. 2022. Landscape Pattern Evolution in Hangjiahu Plain. Hangzhou: Hangzhou Normal University
  37. 37.
    Zhang Z Y. 2025. Analysis of the Current Situation, Problems and Countermeasures of the Development of River Crab Industry in Dangtu County. Special Wild Economic Animal and Plant Research, 47(06):225-230
  38. 38.
    Zhao L D, Che D, Zhang J, Zhao J Y, Peng W Q and Han H L. 2019. Ecohydrological connectivity analysis of Gaoyou Lake wetland based on landscape indices. Water Resources and Hydropower Engineering, 50(1): 126-133

Читать полностью

The above content is generated by Large Model Translation. The translated content is for reference only. We do not assume any commercial or legal responsibilty for any consequences arising from the use of our website