1972～2011年博斯騰湖面積變化遙感分析

張一瓊，海米提·依米提 ，魏 彬，馬 蓉，洪 波，魏 陽

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆烏魯木齊830046;2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊830046;3.新疆師范大學干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室，新疆烏魯木齊830054)

湖泊水域變化是其所在流域水量綜合作用平衡的結果，對氣候變化和人類活動的影響具有高度敏感性［1］。特別是干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊，它作為一種干旱區(qū)獨特的生態(tài)系統(tǒng)單元而存在，既是維系干旱區(qū)人類生存和發(fā)展的基本場所之一，也是干旱區(qū)氣候變化和環(huán)境變異的指示器［2－4］。20世紀50年代以來，在全球氣候變化和人類活動的影響下，氣候轉(zhuǎn)為暖干、入湖水量減少、農(nóng)業(yè)引水增加，導致湖泊面積萎縮、污染加劇、生態(tài)環(huán)境惡化，使得湖泊已經(jīng)成為人與自然環(huán)境相互作用最為敏感、影響最為深刻和治理難度最大的地理單元之一［5－7］。因此，研究湖泊水域動態(tài)變化及其氣候變化等自然因素和人類活動對其水域變化的影響作用，不僅對研究湖泊演變過程、水情變化和水動力學特性等提供基礎資料上具有重要的理論意義，而且對于湖泊水資源的合理開發(fā)、利用及保護也有極其重要的現(xiàn)實意義［8－11］。

新疆博斯騰湖是一個典型的干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊，其既是巴音郭楞蒙古自治州人民的“母親湖”，又為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和各族人民生活的命脈［12］。過去幾十年，隨著當?shù)厣鐣?jīng)濟的快速發(fā)展，人類不斷進行大規(guī)模的水土開發(fā)，湖區(qū)生態(tài)環(huán)境受到氣候變化和人類活動的共同影響，使得湖泊水域面積處于不斷變化之中［13］。近些年來，學者們對博斯騰湖的研究逐漸增多，但大多數(shù)的研究都集中在湖泊水位變化［14－15］、湖泊生態(tài)價值評估［16－17］以及湖泊水量、水質(zhì)變化［18－22］等方面，而對于湖泊面積動態(tài)變化及其驅(qū)動機理方面的研究則少之又少。同時，近年高分辨率遙感衛(wèi)星的快速發(fā)展為湖泊變化的研究搭建了更為廣闊的平臺，其與地理信息系統(tǒng)空間分析方法相結合則為湖泊水量變化的研究提供了強有力的技術支持，提高了對大面積水域深入研究的可行性和科學性［23］。因此，筆者選取博斯騰湖自1972年以來不同年份不同時段的12景遙感影像圖，提取湖泊面積信息，并結合流域水文氣象數(shù)據(jù)資料，對湖泊面積動態(tài)變化及其影響因素進行分析。因博斯騰湖作為其所在區(qū)域氣候變化的敏感指示器，其動態(tài)變化過程也反映了氣候變化對所在區(qū)域環(huán)境的影響。所以，分析和研究博斯騰湖面積的動態(tài)變化趨勢及其影響因素可為湖泊水資源開發(fā)利用、湖泊以及流域的生態(tài)平衡提供重要的科學理論依據(jù)［23］。

1 研究區(qū)概況

博斯騰湖(41°56'～42°14'N，86°40'～87°56'E)位于天山南麓焉耆盆地東南隅最低處的巴音郭楞蒙古自治州博湖縣境內(nèi)［24］(圖1)。湖區(qū)地處亞歐大陸中心，光照充足，熱量充沛，氣候干燥，雨量稀少，蒸發(fā)量大，多年平均降水量為68.2 mm，年蒸發(fā)量為1 800～2 000 mm，屬于暖溫帶干旱荒漠氣候［25］。博斯騰湖主要分為大、小兩個湖區(qū)，注入博斯騰湖的河流主要有開都河、黃水溝和清水河。其中，開都河是博斯騰湖的主要補給源，也是唯一能常年補給博斯騰湖的河流，其補給量高達84.7%［26］。因此，開都河的入湖徑流量對博斯騰的面積變化有著直接的影響。博斯騰湖屬于吞吐型湖泊，是開都河的尾閭，孔雀河的源頭，具有蓄洪灌溉，保障庫爾勒、尉犁兩大綠洲生產(chǎn)生活用水，以及維護塔里木河下游生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的重要作用［15］。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 筆者根據(jù)研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)的可獲得性以及云量覆蓋情況，精細選取能完整覆蓋研究區(qū)，且云量覆蓋均＜5%的12景遙感影像圖(表1)。用于遙感影像圖配準備的15個GPS控制點于2012年7月在研究區(qū)實地采集，水文、氣象數(shù)據(jù)來源于當?shù)厮恼尽?/p>

2.2 研究方法 將選取的12景遙感影像圖在ENVI4.5中進行預處理，以實地采集的研究區(qū)15個控制點為基準對圖像進行配準和不規(guī)則裁剪。然后在Matlab中將之前生成的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并進一步轉(zhuǎn)換為二進制圖像，通過膨脹、腐蝕等計算以達到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和圖像增強的目的。運用全局閾值圖像分割技術將之前處理好的灰度圖像分割為目標點和背景點兩個部分，借助Matlab中Regionprops工具計算出圖像中目標點的個數(shù)，利用Area參數(shù)對面積信息的目標點個數(shù)進行提取，然后將統(tǒng)計出來的像素值轉(zhuǎn)換為面積數(shù)據(jù)。

表1 研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)源及衛(wèi)星傳感器特性

3 結果與分析

3.1 博斯騰湖面積變化趨勢分析 通過對研究區(qū)遙感影像圖解譯得到博斯騰湖面積變化數(shù)據(jù)可知(圖2)，1972～2011年期間，博斯騰湖面積平均為1 050.89 km2，其趨勢呈現(xiàn)出3個較為顯著的變化階段。1972～1989年期間，湖泊面積平均為970.64 km2，整體呈不斷減少趨勢，由1972年10月的1 039.2 km2減少到1989年3 月的 902.07 km2，18年間共減少137.13 km2，年平均變化速率為 － 7.61 km2/a，減幅為13.20%，在1989年3月達到最小值，為902.07 km2;1989～2002年期間，湖泊面積平均為1 092.32 km2，呈極顯著增加趨勢，由1989年3月的902.07 km2增加到2002年10月的1 186.43 km2，凈增加面積 284.36 km2，年平均變化速率為20.31 km2/a，增幅為31.52%，在2002年10月達到最大值，為1 186.43 km2;2002～2011年期間，湖泊面積平均為1 022.33 km2，2002年以后轉(zhuǎn)為不斷減少的趨勢，總體由2002年10月的1 186.43 km2減少到2011年8月的955.56 km2，10年間共減少230.87 km2，年平均變化速率為 －23.09 km2/a，減幅為19.49%，約為1972～1989年期間的3倍。其中2002～2007年出現(xiàn)驟減現(xiàn)象，可能由于在21世紀初人類活動劇烈影響所造成的。

3.2 博斯騰湖面積變化原因分析 湖泊面積變化是多方面因素綜合作用的結果，主要分為自然因素和人因素兩個方面。其中，自然因素較為穩(wěn)定，對面積影響直接，是引起湖泊面積動態(tài)變化的主要影響因素，在大尺度上對湖泊面積變化趨勢起決定性作用。人為因素不但對湖泊面積變化有直接的影響，更對自然因素有促進作用［27］。博斯騰湖是典型的以地表徑流補給為主的干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊，入湖徑流量占總入湖水量的94.8%，其中開都河的補給量占到84.7%，其余為降水補給，約占入湖水量的5.2%［28］。因此，筆者根據(jù)流域自1972年以來入湖水量、蒸發(fā)量、氣溫、降水量等區(qū)域氣象要素資料以及農(nóng)業(yè)引水、生態(tài)輸水、水利工程等人類活動作用，對影響湖泊面積變化的自然因素和人為因素進行分析。

3.2.1 入湖水量。自1972以來，年均入湖徑流量總體呈現(xiàn)出由下降到增加再到下降的趨勢，整體變化趨勢與湖泊面積變化的總趨勢相符。由圖2、圖3可知，70年代入湖徑流量雖整體上偏少，呈不斷減少趨勢，但減少幅度較為平緩，而湖泊面積平均值也相對較小并在此階段出現(xiàn)驟減趨勢;80～90年代期間，入湖徑流量表現(xiàn)出不斷增加的趨勢，80年代增加趨勢不顯著，進入90年代入湖徑流量轉(zhuǎn)為顯著增加趨勢。而面積在80年代并沒有表現(xiàn)出增加的趨勢，直到進入90年代之后才逐漸轉(zhuǎn)為增加的趨勢。期間湖泊面積整體上比入湖徑流量增長率稍大;增勢持續(xù)到21世紀初期，并在2002年達到歷史最高值，之后轉(zhuǎn)為急速下降。而在此時段受到入湖水量大幅減少的影響，湖泊面積也隨之迅速下降。分析二者之間相關性:整體上入湖徑流量和湖泊面積呈顯著正相關關系，相關系數(shù)R=0.73。由此看來，雖然入湖徑流量對湖泊面積的影響在80～90年代間出現(xiàn)一定程度的滯后性，但是入湖徑流量對湖泊面積的變化仍具有很大的決定性作用，而在21世紀以后人類活動對其影響力度稍有所削弱。

3.2.2 蒸發(fā)量。蒸發(fā)量是引起湖泊面積變化的最直接因素之一。綜合分析圖2和圖4，1972～1982年受氣溫影響湖泊年均蒸發(fā)量呈迅速上升趨勢，與此相對應湖泊面積則銳減。而其后7年內(nèi)，蒸發(fā)量趨于平穩(wěn)增加，面積仍處于急速下降狀態(tài);1989～1997年隨蒸發(fā)量的緩慢減少，湖泊面積卻迅速增大，之后4年內(nèi)蒸發(fā)量和湖泊面積均呈增加趨勢，但面積增長趨勢遠遠慢于蒸發(fā)量;2002～2010年蒸發(fā)量逐年增加，且湖泊面積同步逐年遞減?？傮w上，蒸發(fā)量與湖泊面積呈負相關關系，相關系數(shù)R=－0.31。因此可以說，蒸發(fā)量的大小制約著湖泊面積的擴增。整體湖泊面積的變化趨勢滯后于蒸發(fā)量。在1985和2000年左右，蒸發(fā)量對面積的作用出現(xiàn)異常，這可能是由于全球氣候變化引起的。

3.2.3 氣溫。氣溫作為熱量指標對湖泊面積產(chǎn)生間接影響，主要表現(xiàn)在4個方面:①影響流域冰川積雪消融;②影響流域總蒸散量;③改變流域高山區(qū)降水形態(tài);④改變流域下墊面與近地面層空氣之間的溫差，從而形成流域小氣候，間接影響湖泊面積的變化［29］。該研究發(fā)現(xiàn)(圖2、圖5)，氣溫變化趨勢與湖泊面積動態(tài)變化并不十分一致。研究區(qū)氣溫變化趨勢較為平緩，整體呈上升趨勢，而湖泊面積則處于不斷動態(tài)變化之中，且波動性較大。數(shù)據(jù)分析顯示，氣溫與面積呈正相關關系，R=0.31。同時，氣溫與蒸發(fā)量的相關性系數(shù)R達到0.44，說明氣溫通過蒸發(fā)量影響湖泊面積。此外，氣溫升高可促進冰雪融水形成而增加流域內(nèi)徑流量，從而影響湖泊面積。

3.2.4 降水量。一般而言，降水是組成地表徑流等陸面水文過程的重要因子，可直接形成地表徑流，補充地表徑流所需水量，是河流、湖泊補給的主要來源。而研究區(qū)處于極端干旱地區(qū)，其區(qū)域降水量稀少，多年平均降水量僅為68.2 mm，對地表徑流的貢獻率較小。因此，對湖泊面積影響作用相對較弱。由圖2、圖6對比可知，研究區(qū)內(nèi)多年年平均降水量基本處于恒穩(wěn)狀態(tài)，且普遍較少，而湖泊面積則長期處于波動變化狀態(tài)，且波動性極大。結果分析表明，降水量與湖泊面積變化呈正相關關系，但二者相關性較小。由此看來，對于干旱區(qū)而言，降水量對湖泊水量的貢獻要受到區(qū)域各種氣候因子、地理環(huán)境的影響，因此具有特殊性。

3.2.5 人類活動。人類活動主要包括水土保持、水利工程等能夠顯著改變流域下墊面的人類有目的水利活動，社會經(jīng)濟結構調(diào)整等非水利目的活動［30］。20世紀80年代以來，當?shù)胤e極響應國家經(jīng)濟發(fā)展的號召，水事活動頻率顯著增加。1990年焉耆盆地耕地面積為15.56×104hm2，到2012年增加到28.80×104hm2，擴大了28.50%以上。灌溉引水量由1986～1995年年均10.01×108m3增加到2003～2012年的10.13×108m3，同期人口增長 36.28%［31］。飛速發(fā)展的經(jīng)濟和日益增長的人口極大促進耕地面積擴增，灌溉引水量極速增長導致博斯騰湖入湖徑流量銳減、水位下降、面積萎縮［32］;21世紀初，博斯騰湖主要補給源值豐水期增加其水位，使流域及孔雀河沿岸受到洪水威脅，政府借此向塔里木河進行生態(tài)輸水以改善流域生態(tài)環(huán)境。2000～2011年通過孔雀河向塔里木河流域生態(tài)輸水12次，總計輸水25.52×108m3，結束了塔里木河下游河道近30年持續(xù)斷流歷史，有效改善其生態(tài)環(huán)境［33］。這也是博斯騰湖在2002～2007年間面積出現(xiàn)驟減現(xiàn)象的一個重要人為影響因素。為了平衡當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，博斯騰湖流域內(nèi)修建了若干水利工程，主要包括引水工程、灌溉工程和灌區(qū)排水工程3類。其中，流域內(nèi)現(xiàn)有引水工程5座:分別是位于焉耆盆地灌區(qū)的開都河第一分水樞紐和寶浪蘇木分水樞紐，位于流域下游的孔雀河第一、第二和第三分水樞紐，該工程總設計引水流量為173 m3/s［34］。由此看來，進入21世紀的人類活動對博斯騰湖影響日趨顯著，流域內(nèi)水利工程雖對當?shù)亟?jīng)濟的平衡與發(fā)展做出一定貢獻，但也使湖泊在各方面的變化都打上人類活動的烙印，而其面積在2002年以后的驟減態(tài)勢很好地證明了這一點。

4 結論與討論

(1)1972～2011這40年間，博斯騰湖面積平均絕對變化速率為17.00 km2/a，呈現(xiàn)出3個較為顯著的變化階段，整體趨于減小，減幅為 －1.14%。其中在2002～10月達到最大值1 186.43 km2，1989年3 月達到最小值 902.07 km2，并在2002～2006年間出現(xiàn)驟減，在1999～2002年間平穩(wěn)上升。2002年左右，全球氣候進入暖濕季，相對應的研究區(qū)氣候也有一定程度改變，冰川融水和入湖徑流量較往年有所增加。同時，在該時期國家出臺退耕還林、退牧還草等相關環(huán)境政策，作用和影響了諸如入湖徑流量、氣溫、蒸發(fā)量等環(huán)境因素，改變了區(qū)域內(nèi)小氣候環(huán)境。此外，1989年前后正值我國改革開放盛期，進入工業(yè)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)時代，工業(yè)排放量增大、耕地面積急速擴增等人類活動頻繁，也間接對區(qū)域水體產(chǎn)生一定程度影響。

(2)在影響博斯騰湖面積變化的自然因素中，入湖水量、氣溫、蒸發(fā)量和降水量4個因素的影響程度不盡相同，其中入湖水量對湖泊面積的影響作用最大(R=0.73)。4種影響因子對湖泊面積的作用大小與其他地區(qū)有很大差異，說明干旱區(qū)自然條件具有其特殊性。氣溫升高加強湖面蒸發(fā)，加速冰雪消融、在一定時期內(nèi)會抬升湖泊水位和擴大湖泊面積。但從長遠來看，強烈的冰雪消融會加速積雪消失和冰川退縮，而降水對湖泊面積作用有限。在未來氣候變暖的情景下，氣溫的升高會加劇湖泊水位的下降和面積的萎縮［35］。1972～2010年博斯騰湖氣溫年際波動性較大，多年平均值為8.72℃。70年代所有年份的氣溫距平均為負(圖7)，且1976年降至歷史最低值－1.46℃，為氣溫異常偏低年份(WMO推薦氣候異常判斷標準判定)。而且據(jù)統(tǒng)計，60～70年代左右，新疆平原區(qū)艾比湖、羅布泊、臺特瑪湖和瑪納斯湖等100 km2以上的湖泊出現(xiàn)大面積萎縮，有些甚至快速干涸［36］。40年來，博斯騰湖年均蒸發(fā)量平均為2 434.37 mm，2001年達到歷史最高，值為2 920.21 mm。70年代，除1978和1979年外，蒸發(fā)量都為負距平(圖8)，最大負距平－758.84 mm出現(xiàn)在1973年。到21世紀，僅2002年出現(xiàn)負距平，而2001年出現(xiàn)最大正距平485.84 mm。這與博斯騰湖面積的變化轉(zhuǎn)折點基本相符。而且據(jù)分析，氣溫與蒸發(fā)量呈顯著正相關(R=0.44)，更有力地證明了湖泊面積變化是多種自然因素協(xié)同耦合共同作用的結果。同期博斯騰湖年均降水量為81.73 mm，1988年出現(xiàn)歷史最高值185.42 mm。同時距平計算結果顯示(圖9)，1988年(103.69 mm)和1992年(80.78 mm)均為降水異常偏多年份。但1988和1992年湖泊面積并未出現(xiàn)異常波動，這進一步說明了干旱區(qū)降水與湖泊相互作用的特殊性。

(3)博斯騰湖面積變化受到自然因素和人類活動因素的共同影響。近年來人類活動對湖區(qū)的擾動性已經(jīng)逐步開始超過自然因素，其中以2000年左右最為劇烈?？傮w看來，影響博斯騰湖面積變化的最直接原因為自然因素，但人類活動對影響湖泊的氣候效應等自然因素有強烈的放大作用，即人類活動極大地增加了自然因素與湖泊相互作用的劇烈程度，使湖泊面積變化波動頻率增加。人類多項水利工程項目的不斷實施(引水工程:1990～1999年博斯騰湖流域內(nèi)共修建引水工程5座;灌溉工程:1954年以來，流域共建引水干渠59條，流量10 m3/s以上的達到6條;排水工程:流域現(xiàn)有總干排7條，總計長173 km，焉耆盆地灌區(qū)含3條)，引起湖泊自然功能逐漸轉(zhuǎn)為水庫功能(博斯騰湖大、小湖出口處設博湖揚水站和達吾堤放水閘兩處水利設施，攔截水量放入孔雀河對下游進行生態(tài)輸水，2000～2011年共計輸水12次)，反過來又進一步促進人類活動的影響?？傊祟悓﹃懙睾?、河流和流域水體及生態(tài)環(huán)境資源的研究和利用須遵從全球氣候環(huán)境平衡規(guī)律的大背景，在自然環(huán)境的承載和修復能力范圍內(nèi)，科學調(diào)配其區(qū)域內(nèi)資源的分布、合理規(guī)劃人與自然和諧發(fā)展。當代經(jīng)濟社會發(fā)展的大趨勢是:在保證自然生產(chǎn)資源可持續(xù)利用的前提下，維持整體社會經(jīng)濟的平穩(wěn)進步，著力于調(diào)控區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟體系的平衡［36］。作為當?shù)丨h(huán)境管理部門，博斯騰湖監(jiān)測管理處應加強對湖區(qū)及湖區(qū)周圍環(huán)境進行行政監(jiān)管和科學調(diào)控，以保證當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境穩(wěn)定性。

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