近40年臺特瑪-康拉克湖泊群水域變化遙感監(jiān)測*

阿布都米吉提·阿布力克木，阿里木江·卡斯木，·，·，

(1：新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054) (2：中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011) (3：新疆師范大學新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054)

尾閭湖是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要標志，其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)較易受周圍環(huán)境變化的影響.尾閭湖水域面積的變化能直觀反映其源河流域自然環(huán)境變化，因此受到科學家們的廣泛關注.馬明國等利用17期遙感影像研究了車爾臣河下游湖泊群1973-2006年變化及其自然主導因素[1]，但因缺乏關鍵時期的遙感影像數(shù)據(jù)，未能檢測到河道變化和湖泊變遷的具體時間；朱剛等利用1975、2000、2007年各一期的遙感影像研究該區(qū)域景觀格局變化及其生態(tài)效應[2]，因數(shù)據(jù)量少沒有給出變化趨勢；李麗等利用14期遙感影像分析了2000-2010年的綠色走廊河湖濕地變化及其成因[3]，但是也沒有給出變化開始與結束時間、變化過程及變化趨勢.不可否認這些研究做了許多可借鑒的科學分析并解答了不少問題，但是仍有一些問題有待解決.如：車爾臣河下游具體什么時候發(fā)生過比較明顯的改道，涉及到的范圍有多大，引起這種變化的原因是什么；車爾臣河下游水域變化規(guī)律等.本文在超過上百期的大量遙感數(shù)據(jù)的基礎上，試圖闡明車爾臣河下游近40年來水域格局演變情況，并分析導致其演變的原因.

1 研究區(qū)概況

車爾臣河發(fā)源于昆侖山中部的木孜塔格峰，匯入塔里木河共同的尾閭湖——臺特瑪湖，全長846km.多年平均徑流量5.215×108m3.但現(xiàn)在車爾臣河在正常年份水量難以匯至臺特瑪湖，在距臺特瑪湖西部30km處的沙丘間潴水成湖，面積約200km2[2].車爾臣河廊道主要變化發(fā)生在其下游從庫完墩以下至臺特瑪湖的4610km2范圍內(nèi)，所以此區(qū)被選擇為本文的研究對象(圖1).研究區(qū)屬極端干旱的大陸性氣候區(qū)，年均降水量25mm，蒸發(fā)量2500mm；年平均氣溫10.1℃，極端最低氣溫-26.4℃，極端最高氣溫41.3℃，日較差最大可達24℃，年平均無霜期為165d；全年太陽總輻射量為119.2kcal/cm3；常年主風向為東北風，8級以上大風平均16d，最多達37d，每年平均沙塵暴天氣20d，浮塵天氣194d.該區(qū)為沖積平原-湖積地貌，土壤類型主要為風沙土(干旱沙質(zhì)新成土)、胡楊林土(有機正常潛育土)和沼澤土(有機帶水潛育土).自然植被主要由胡楊、紅柳、梭梭、蘆葦及駱駝刺等植物組成[1-6]，其中紅柳和蘆葦面積最大.

圖1 臺特瑪-康拉克湖泊群地區(qū)示意Fig.1 Sketch map of Tetima-Kanglayka lakes region

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所用的遙感數(shù)據(jù)，即衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，包括Landsat(美國陸地衛(wèi)星)系列數(shù)據(jù)、CBERS(中巴地球資源衛(wèi)星)以及HJ 1A/B(環(huán)境星座)之CCD等中分辨率(19.5m或30.0m)數(shù)據(jù)；塔里木河下游應急輸水監(jiān)測數(shù)據(jù)和車爾臣河徑流量等相關數(shù)據(jù)以及ASTER GDEM(先進星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù).

Landsat數(shù)據(jù)從USGS網(wǎng)站(www.usgs.gov)上獲取，其中TM/ETM+為73期，MSS為13期；CCD(CBERS及HJ)數(shù)據(jù)從中國遙感衛(wèi)星應用中心(www.cresda.com)獲取，其中CBERS/CCD為29期，HJ(1A和1B)/CCD為81期.

根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量及改道前后關鍵時間點對遙感數(shù)據(jù)進行篩選，保留了變化較明顯的時期及影像質(zhì)量較好的Landsat之MSS影像13期、Landsat之TM/ETM+影像49期、CBERS之CCD影像10期、HJ 1A/B之CCD影像30期共102期遙感影像數(shù)據(jù)(表1).

*為TM/ETM+；**為MSS；’為HJ之CCD；”為CBERS之CCD.

2.2 信息提取

研究區(qū)域范圍內(nèi)主要有：自然植被(喬木、灌木、草地)、水域(河道、湖泊)、居民地或建筑物、交通用地(國道、專用道路及其他)和荒漠(沙質(zhì)、鹽質(zhì)和土質(zhì))等[6].區(qū)內(nèi)植被、水域、荒漠三種類型占絕大部分，其他覆被類型占極少比例.鑒于水域變化是本文主要研究內(nèi)容，因而將土地覆被類型歸納為水域及非水域(包括植被和其他)兩類.

遙感監(jiān)測水體的方法關鍵是將水體與周圍地物區(qū)別開來，從而準確地確定水體面積[7].本文不考慮人工提取方法，而選用自動提取方法.由初步實驗得知，利用圖像處理軟件自動分類法中的非監(jiān)督分類及監(jiān)督分類對本區(qū)水域提取有所局限性，故均未被采用[7-10].二分法(即一種簡單地對一個或多個波段的像素值一次性設閾值決策樹分類法)對本區(qū)水域提取結果具備了精度高(均高于90%)、工作強度低(無需頻繁的選擇訓練樣地)等優(yōu)點.所以以二分法為主(用于絕大多數(shù)遙感影像)、人機交互方式為輔(用于數(shù)據(jù)質(zhì)量極差但無法替換的早期遙感影像)進行水域信息提取.

具體對MSS及CCD影像利用McFEETERS的歸一化差異水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)[11]進行分類，而對TM/ETM+影像利用徐涵秋的MNDWI(改進型NDWI)[12]來進行分類，其公式分別為：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(2)

式中，Green為遙感影像中綠波段(TM2、MSS1、CCD2),NIR為近紅外波段(TM4、MSS3、CCD4),MIR為中紅外波段(TM5).

圖2 二值圖的形成過程Fig.2 The process of producing the binary map

通過針對質(zhì)量較好的近期數(shù)據(jù)：2010年9月7日、2011年9月10日、2011年6月22日的TM影像及2011年6月22日的HJ/CCD影像做前期實驗，即選取500個隨機點用目視解譯和地面調(diào)查時采集的20個GPS樣點進行精度評價，表明通過MNDWI對本區(qū)水域信息提取有較好的精度(均高于95%甚至達到99%)；而NDWI精度較低(90%左右)，尤其是冬季周圍沙丘陰坡被誤判為水域從而降低分類精度.這種情況下通過對遙感圖像各波段原值加設閾值的方法可以提高2%左右精度(主要用近紅外波段，其次為藍波段).

考慮到每一期圖像的閾值不同，而且只需得到水域非水域二值圖，所以用ENVI來計算水體指數(shù)，并用其Bandmath工具來判斷水域并形成水域非水域二值圖，供進一步分析.此方法在地面覆被類型歸納為只有2類情況下具有靈活調(diào)節(jié)閾值的優(yōu)勢，從而得到初次分類較高的精度.

二分法，首先利用遙感數(shù)據(jù)計算出水體指數(shù)，然后通過對像素值設閾值來實現(xiàn)(圖2).

3 結果與分析

3.1 監(jiān)測結果

3.1.1 河道變化 在1970s、1980s的遙感影像上的車爾臣河下游河道與在1959年航攝，1969年出版的1∶100000比例尺的影像地形圖上的車爾臣河下游河道位置、形狀基本一致，未發(fā)生明顯變化.

車爾臣河下游主河道改道起始于庫完墩東北吉格代托喀依(39°10′N，87°23′E)，改道開始于1989年夏季(5月16日至9月13日)，主要改道結束于2002年秋季(8月8日至9月25日)；改道前后庫完墩至其在博斯坦附近的一個尾閭湖入口(39°31′N，88°3′E)的沿河距離同為85km左右，被老河道和新河道包圍的區(qū)域面積約435km2(圖1).

從車爾臣河歷年徑流量變化曲線(圖3)[2]不難發(fā)現(xiàn)，1980年以后車爾臣河徑流量年際變化幅度較大，而且1989年和2002年徑流量出現(xiàn)1個峰值，這可能是出現(xiàn)上述變化的主要原因.另外也與干旱區(qū)內(nèi)陸河入湖三角洲的形成有關，河流入湖時，流速減少，泥沙沉積于河床，使河床抬升，從而引起河道變遷.

圖3 1956-2006年車爾臣河歷年年徑流量變化[3]Fig.3 Annual changes of run-off of Qarqan River from 1956 to 2006

3.1.2 湖泊變化 包括臺特瑪湖的車爾臣河尾閭湖泊群在1970s-1980s只有70～80km2；2002年達到90～100km2；2010年初干涸；2010年夏季開始重新入水，2010年8月達到300多km2，包括康拉克以及部分臺特瑪湖地區(qū)，至今沒有發(fā)生干涸；2012年初達到420多km2，此時這些水域不僅有匯入車爾臣河的水，還有塔里木河的水(圖4).

圖4 水域有較明顯變化的若干時相水域Fig.4 Water area of the few timeset has been changed prominently

康拉克湖泊群中第一個較大的湖形成于1989年夏季(5月16日至9月13日)，其面積為15.5km2，此時主河道還在原處；第二個較大的湖形成于1991年夏季(8月18日以前)，其面積為11km2，此時主河道還在原處；2001年初(1月9日至3月14日)又形成了4個較大的湖，其總面積為21km2，此時在原處及其北邊共存兩條河道，原河道繼續(xù)流入原來的尾閭湖，而新河道流入形成的那些湖泊；2002年秋季(8月8日至9月25日)原河道被廢棄，所有河水通過新河道流入原來的尾閭湖，一路上順便補給上述幾處湖區(qū)；2003年夏季(4月21日至5月7日)康拉克湖泊群中最大、最深的湖形成，其面積為20km2；2007年夏季(4月21日至5月7日)又形成了2個較大的湖，其總面積為14.5km2；2010年夏季(6月19日至7月5日)大湖的部分水流入北邊的洼地又形成1個小湖，其面積為4km2(圖4)；2002年底形成的康拉克地區(qū)的水域(湖泊、河流)只是面積有所變化，水域格局未發(fā)生明顯變化，湖泊、河流位置延續(xù)至今.

2001年秋季(10月8日至11月9日)塔里木河水通過庫爾干以下的14km人工河道到達臺特瑪湖區(qū)；2003年春季(4月21日前)車爾臣河水穿過218國道；2003年夏季(5月7日至5月23日)車爾臣河水與塔里木河水匯合；2010年底以后因塔里木河下游應急輸水量多、持續(xù)時間長，故臺特瑪湖區(qū)水域一直保持較大狀態(tài)，并向湖區(qū)東北方向的洼地擴大(圖4).

3.2 水域面積變化

從遙感影像提取的過去40年研究區(qū)水域面積變化情況表明，水域面積最小值出現(xiàn)于1976年秋季(1.5km2)，而最大值出現(xiàn)于2012年初(507.1km2)；2000年以后的最小面積出現(xiàn)于2008年夏季(38.5km2)，而2000年以前的最大值出現(xiàn)于1973年春季(147.7km2)(圖5).

圖5 過去40年研究區(qū)域內(nèi)水域面積變化Fig.5 Water area change in study area over the past 4decades

2001年塔里木河下游應急輸水到達臺特瑪湖以來，水域面積變化幅度較大，這主要是因為臺特瑪湖區(qū)水域隨著輸水量變化而變化.無輸水年份降至2001年以前的平均水平(圖5).過去40年來研究區(qū)域內(nèi)水域平均面積為146.3km2.2001年以前研究區(qū)內(nèi)水域面積平均值為46.7km2，而2001年以后水域面積平均值為189.7km2，綜上所述，研究區(qū)水域面積的變化主要受控于塔里木河下游2000年開始的應急生態(tài)輸水工程.

3.3 水域面積季節(jié)性變化

因車爾臣河徑流量[3，13]和塔里木河下游輸水量[6]季節(jié)性差異較大，因此研究區(qū)域內(nèi)水域平均面積季節(jié)性差異也較大，且應急生態(tài)輸水工程實施以來和以前也有差異.總之輸水以前春季水域面積最大(98km2)，秋季最小(27km2)；輸水以來冬季水域面積最大(282km2)，夏季最小(152km2)(圖6).

輸水以前春季水域面積大，是因為可能受到車爾臣河春汛的影響，另外車爾臣河春季徑流量占全年徑流量的29%，此比例較大也是主要原因之一；夏季綠洲地區(qū)用水量大并且蒸發(fā)量高，所以水域面積較??；秋季徑流量本身比較少，而用水量多，所以水域面積最?。欢菊舭l(fā)量低，綠洲灌溉基本不用水，所以水域面積有所回升(圖6a).輸水以來，因為輸水大部分集中于夏、秋季，尤其最近幾年來秋季輸水占大部分[6]，隨之最大水域面積出現(xiàn)于冬季；臺特瑪湖地區(qū)蒸發(fā)量特別高，所以晚秋、冬季形成的水域在春季開始收縮，夏季降至最小水域面積(圖6b).

圖6 研究區(qū)域內(nèi)水域面積季節(jié)性變化與徑流量和輸水量季節(jié)分配比較Fig.6 Comparison of water area with run-off of Qarqan River and water transfusion in the lower reaches of Tarim River

3.4 水域面積景觀指數(shù)變化

利用Fragstats景觀指數(shù)分析工具，針對水域面積(CA)、水域斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊凝聚度(COHESION)以及聚合度(AI)等6個景觀指數(shù)進行計算，得到以下結果(圖7).水域斑塊數(shù)的增加速度低于水域面積擴大速度，這表明該區(qū)域內(nèi)水域總體上處于擴大化的同時具有凝聚化趨勢(圖7a)；由最大斑塊指數(shù)增加可知，大片水域在全水域中占越來越重要位置(圖7b)；景觀形狀指數(shù)整個時間段來說有所增加，這表明水域形狀趨于復雜化(圖7b)；斑塊凝聚度和聚合度均有所增加，這進一步證明凝聚化趨勢(圖7c).總之研究區(qū)域內(nèi)水域正處于內(nèi)部凝聚化外部擴大化趨勢，即各水域斑塊相互連接的同時向外擴展.

3.5 水域面積變化因素分析

在全球氣候變暖的大背景下，該地區(qū)年均溫度和降水量都有所升高[14-16]，使得入湖河流水源地區(qū)冰川及雪線不斷退縮，冰川及積雪融水又直接導致入湖河流徑流量的增加，最終湖泊水位上升，湖面擴大[17].雖然車爾臣河來水量增多了，但該地區(qū)氣溫也升高了，而降水量則并沒有大幅上升(6.5mm/10a)，相應地引起該地區(qū)蒸發(fā)量也隨之上升，導致氣候對水域面積的綜合影響減弱.然而這一過程是普遍的、漫長的、持續(xù)的，近幾十年來的趨勢大致相同，不足以解釋2002年以后的整個研究區(qū)域內(nèi)水域面積急速上升現(xiàn)象，而只能借助塔里木河下游應急生態(tài)輸水工程來說明其原因.輸水工程實施以來的水域面積變化(圖5)與輸水量變化(圖8)情況的極度相似也進一步表明21世紀輸水開始以來，塔里木河下游應急生態(tài)輸水工程為臺特瑪-康拉克湖泊群水域面積變化的主導因素.

本地區(qū)氣候極度干旱、降水量極少，因此地表徑流和地下水是本區(qū)水域主要直接補給源，該地區(qū)地下水也主要依賴于地表徑流，所以本區(qū)內(nèi)所有水域變化最終還是取決于車爾臣河徑流量和塔里木河下游應急生態(tài)輸水量變化.

康拉克地區(qū)地勢均高于臺特瑪湖地區(qū)(從ASTER GDEM的分析得知：研究區(qū)域內(nèi)康拉克地區(qū)平均海拔高度為827.9m，而臺特瑪湖地區(qū)為805.8m)，塔里木河地表水難以進入康拉克地區(qū)的諸多湖泊，但是因21世紀以來塔里木河下游應急生態(tài)輸水工程的實施，使本區(qū)地下水位有了明顯地抬升[18]，因以前沒有長期監(jiān)測過該地區(qū)地下水，所以無法得知輸水之前的地下水位變化，但是輸水后塔里木河流域管理局在幾處觀測斷面(尤其在下游比較多，包括庫爾干和臺特瑪湖兩組)安裝的地下水自動觀測井裝置記錄的數(shù)據(jù)顯示輸水以來本區(qū)內(nèi)地下水位有明顯增加趨勢，導致一部分用于補充地下水的車爾臣河地表水得以流入康拉克湖泊群甚至臺特瑪湖.筆者2005年以來幾次親眼目睹臺特瑪湖范圍內(nèi)218國道西邊的水流到東邊，這與遙感監(jiān)測結果相符，這一現(xiàn)象在塔里木河下游應急生態(tài)輸水工程實施之前30幾年內(nèi)沒有發(fā)生過.此現(xiàn)象間接地表明，如同人類活動導致新疆多數(shù)平原湖泊發(fā)生變化一樣[19]，在近期尤其是21世紀以來，人類活動是導致臺特瑪-康拉克湖泊群水域面積變化的主要因素.

圖7 在過去40年研究區(qū)域內(nèi)水域各景觀指數(shù)變化Fig.7 Changes of landscape matrices of water area in study area over the past 4 decades

圖8 塔里木河下游應急生態(tài)輸水量年度變化[6]Fig.8 Annual changes of water volume of emergency ecological water transfusion in the lower reaches of Tarim River

4 結論

本文用長期觀測到的大量遙感影像數(shù)據(jù)，利用比較成熟、可靠的信息提取方法觀測了臺特瑪湖-康拉克湖泊群自1972年10月至2012年9月期間的水域變化情況，試圖分析其變化因素及直接原因，得出以下結論：

1) 車爾臣河徑流量年際變化引起其下游河道變化，從而導致康拉克地區(qū)的整個景觀格局發(fā)生變化.這種變化開始于1989年夏季，基本結束于2002年秋季，先后長達13年.

2) 21世紀以來，塔里木河下游應急生態(tài)輸水工程的實施使整個臺特瑪-康拉克湖泊群水域面積處于明顯的增加趨勢.

3) 21世紀以來，因受輸水量的直接影響臺特瑪湖區(qū)的水域面積變化幅度較大，而車爾臣河下游河道相對穩(wěn)定使康拉克地區(qū)水域面積變化不大.

4) 研究區(qū)水域面積季節(jié)性變化規(guī)律因受灌溉用水影響，輸水工程的輸水時間也發(fā)生變化，水域最大面積出現(xiàn)時間由春季變?yōu)槎?

5) 研究區(qū)域內(nèi)水域斑塊處于面積增加、相互連接及向外擴展趨勢.

6) 21世紀以來，臺特瑪-康拉克湖泊群水域面積變化主導因素由自然因素變?yōu)槿藶橐蛩亍锬竞酉掠螒陛斔こ?

致謝：本研究使用的中巴衛(wèi)星數(shù)據(jù)由中國資源衛(wèi)星應用中心提供；Landsat MSS、TM、ETM+影像和ASTER GDEM數(shù)據(jù)由USGS網(wǎng)站提供；其余所用原數(shù)據(jù)來自所用參考文獻，在此一并致謝.

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