基于長時序遙感監(jiān)測的阿克蘇河流域平原水庫變化研究

邢文淵，石 玉，王 勇，王 進，崔彩霞

（1.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011；2.石河子市氣象局，新疆 石河子 832000；3.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基[1]。在西部干旱區(qū)，水資源的匱乏和時空分布的不均是導致生態(tài)環(huán)境脆弱的主要原因，直接影響區(qū)域生態(tài)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[2]。水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)相伴相生，互相依存[3]。隨著人工綠洲的不斷擴大，對水資源的需求不斷增加，由“水”導致的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)平衡的矛盾日益突現(xiàn)，掌握水資源的實時動態(tài)變化，加強對水資源的科學管理和調(diào)配使用，對維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定意義重大。

阿克蘇河作為塔里木河干流水量的主要補給來源，補給量占73.2%[4]，不僅是塔里木河生態(tài)輸水的主要水源[5]，更是向下游有水可輸?shù)南葲Q條件[6]，源流區(qū)的來水將直接影響塔里木河干流的維系，對河流中下游綠洲經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護起著重要作用[7]?，F(xiàn)今對塔里木河生態(tài)輸水的相關研究多集中于下游生態(tài)、水文等方面[8-12]，對上游區(qū)域的水資源儲備及其可供調(diào)配用水的研究相對有限。在生態(tài)文明建設的當下，如何更好地平衡生產(chǎn)生活用水和生態(tài)用水，如何更合理地調(diào)配利用水資源、保障生產(chǎn)生活、改善生態(tài)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展道路，是水資源管理及落實“河湖長制”工作中亟待解決的重要議題。

干旱區(qū)的水庫作為地表水的重要載體，通過水庫調(diào)配用水，可更好地支撐國民經(jīng)濟發(fā)展、改善局地生態(tài)環(huán)境和維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。加之現(xiàn)今小流域洪水特性多變[13]，且南疆地區(qū)洪災次數(shù)呈明顯上升趨勢[14]，更應加強干旱區(qū)平原水庫的時空分布及變化的研究。目前針對水庫這一特殊水體的長時間尺度、高空間分辨率的時空動態(tài)變化研究較少，且多集中在珠江流域和長江流域，多以大型供水水庫為對象，而對西部干旱區(qū)水庫的遙感監(jiān)測研究較少。利用高分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術較常規(guī)的水庫調(diào)查方法，可快速、全面、準確地掌握水庫的實時動態(tài)變化，現(xiàn)已廣泛應用在生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化監(jiān)測領域，而MODIS的長時間序列、高時間分辨率、高光譜分辨率的優(yōu)勢，能夠?qū)崟r得到不同季節(jié)的多時相數(shù)據(jù)，加之后續(xù)NPP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效銜接，所積累的長時間序列“大數(shù)據(jù)”信息更有利于進行全面、有效的生態(tài)環(huán)境變化分析。因此，選取南疆阿克蘇河流域的主要水庫進行長時間序列的監(jiān)測研究，通過對水域變化進行監(jiān)測，精準掌握水庫的時空動態(tài)變化，對于水資源調(diào)度、洪澇災害治理、生態(tài)保護與恢復等意義重大，不僅可服務于流域的防洪抗旱，更可為塔里木河生態(tài)輸水的合理調(diào)配用水提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

阿克蘇地區(qū)位于新疆西南部（39°30′～42°40′N，78°02′～84°05′E），處于天山南麓、塔里木盆地西北緣[15]，遠離海洋，地勢北高南低，地貌分帶明顯，流域綠洲區(qū)干旱少雨，降水稀少，蒸發(fā)強烈，氣候干燥，光熱充足，年平均降水量在42.4～94.4 mm，而年蒸發(fā)量達2 000～2 900 mm，為降水量的25～100倍[16]，是南疆水資源相對豐富的地區(qū)和新疆主要的灌溉綠洲農(nóng)業(yè)大區(qū)，也是重要的糧食、棉花和瓜果生產(chǎn)基地[17]。土地多為耕地，耗水量巨大，水資源制約著當?shù)厣鐣?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[18]。

阿克蘇河發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，屬于典型的北半球中緯度高山河流，流域總面積5×104km2。阿克蘇河流域內(nèi)有兩條支流，西支為托什干河，北支為庫瑪拉克河，兩條支流的多年平均徑流量分別為26.63×108和47.88×108m3[19]，作為“四源一干”之一的阿克蘇河，是唯一常年向塔里木河輸水的河流，占塔里木河干流補給量的70%～80%，是塔里木河干流最大的補給來源[20]，對塔里木河下游生態(tài)環(huán)境改善及經(jīng)濟發(fā)展起著決定性作用[21]。

阿克蘇河流域現(xiàn)有3座主要的平原大型水庫：上游水庫、勝利水庫和多浪水庫（圖1）。上游水庫和多浪水庫是通過塔里木河的攔河閘南北岸進水閘引阿克蘇河的河水入庫，上游水庫通過水庫放水渠輸水到勝利水庫。3座水庫的總庫容為7.274×108m3[22]，承擔著農(nóng)業(yè)灌溉和人類生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)輸水，具有維護塔里木河中下游生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與發(fā)展的重要作用。

圖1 南疆阿克蘇河流域主要水庫位置

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的MODIS影像數(shù)據(jù)均來自新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，氣象數(shù)據(jù)資料來自新疆氣候中心，時間為2009—2020年，按照10 d的時間分辨率，進行水域面積的監(jiān)測，剔除有云覆蓋數(shù)據(jù)，對阿克蘇地區(qū)主要的水庫以旬為單位進行長時間序列的連續(xù)監(jiān)測，建立水庫動態(tài)變化數(shù)據(jù)庫，利用長時序的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行水庫動態(tài)變化研究，掌握其動態(tài)變化規(guī)律，以期在保障當?shù)厣a(chǎn)、生活用水的前提下，為塔里木河中下游生態(tài)用水的科學調(diào)配提供支撐。阿克蘇地區(qū)人口及產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)來源于新疆統(tǒng)計局發(fā)布的新疆統(tǒng)計年鑒。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

對2009—2020年逐旬的EOS/MODIS衛(wèi)星資料進行地標定位、幾何校正、太陽高度角訂正等預處理，生成1B數(shù)據(jù)集。從該數(shù)據(jù)集中篩選出晴空數(shù)據(jù)，并選擇以81.25°E，41°N為中心，3 000×1 600個像素點為范圍，分辨率為250 m，對其進行等經(jīng)緯度投影，生成局地文件*.LD2。

1.3 方法介紹

由于MODIS具有較高的分辨率和可解譯性[23]，在可見光和近紅外波段范圍內(nèi)，水體與植被等其它地物的光譜反射率存在差異，這是利用遙感數(shù)據(jù)進行水體提取和制圖的基本原理[24]。由于紅光區(qū)水體的反射率高于植被的反射率，而近紅外光譜植被的反射率明顯高于水體的反射率這一特性，利用水體與植被、陸地的NDVI差異，通過選取不同季節(jié)合適的閾值，利用波段差值模型即可進行水體信息判識與提取，即利用水體在近紅外波段和紅光波段反射率的差異可構建水體提取模型[25]：

式中，Red、NIR分別代表紅光波段、近紅外波段的反射率，對應于MODIS數(shù)據(jù)的一波段、二波段；Th3、Th4為閾值。研究表明，從可見光到近紅外波段（400～2 500 nm），水體的反射率都很低，且隨著波長的增大，其反射率逐漸降低，在波長＞2 400 nm以后，其反射率降到最低，接近于0[26]。與此相反，土壤和植被在近紅外和中紅外波段反射率較高，水體滿足Red＞NIR的條件，而對于土壤和植被，Red＜NIR。所以水體在紅光波段和近紅外波段與土壤和植被有明顯的區(qū)別，用閾值法就能得到較好的識別效果，且波段差值模型在西部地區(qū)湖泊較適用，湖面面積精度在90%以上，精度較高[25]。

2 結(jié)果與分析

由距3座水庫最近的阿拉爾氣象臺的觀測數(shù)據(jù)可知：當?shù)貧鉁刈?月中下旬逐步達到0℃以上，水庫開始解凍，自11月中下旬逐步達到0℃以下，水庫進入封凍。因此，主要對3—11月的水庫面積變化進行監(jiān)測。鑒于3座平原水庫因水深較淺，加之水庫蓄水—放水導致水庫面積波動較大，在此主要使用月平均、月最大、月最小等指標進行闡述。

2.1 年內(nèi)變化

自春季解凍后，多浪水庫月平均面積在3月達到年內(nèi)最大，之后水庫面積逐步減少，7月達到最小，8月逐步回升，11月達到年內(nèi)次高峰，年內(nèi)水庫平均面積在30 km2左右。勝利水庫月平均面積自3月開始逐月減少，7月達到最小，8月逐步回升，10月達到年內(nèi)最大，年內(nèi)水庫平均面積約38 km2。上游水庫在3月水庫月平均面積達到年內(nèi)最大，之后水庫面積逐步減少，且3—4月水庫面積顯著減少，8月最小，之后逐步回升，10月達到年內(nèi)次高峰，年內(nèi)水庫平均面積為37 km2（圖2）。

圖2 3座平原水庫月平均面積變化

多浪水庫月最大面積出現(xiàn)在3月、為50 km2，之后逐月下降，8月達到最小，之后逐步回升。勝利水庫月最大面積變化趨勢與多浪水庫基本保持一致。上游水庫月最大面積出現(xiàn)在3月、為106 km2，之后逐月呈明顯下降趨勢，且降幅為3座平原水庫之最，8月回升，10月達到年內(nèi)次高峰（圖3）。

圖3 3座平原水庫月最大面積變化

多浪水庫、勝利水庫、上游水庫月最小面積均出現(xiàn)在7月，且變化趨勢基本一致，上游水庫月最小面積在3—4月減少明顯（圖4）。

圖4 3座平原水庫月最小面積變化

2.2 年際變化

2009—2020年，多浪水庫年平均面積在25～34 km2，2009—2012年呈現(xiàn)逐年增加趨勢，2012—2015年呈現(xiàn)逐年減小趨勢，2016年有所回升，至2019年逐年下降，2020年略有回升，呈現(xiàn)“三升三降”的波動變化趨勢。勝利水庫年平均面積在30～45 km2，2009—2012年呈現(xiàn)逐年增加趨勢，2012—2014年呈現(xiàn)逐年減小趨勢，至2017年有所回升，2018—2019年、2020年略有回升。上游水庫年平均面積在2009—2010年有所增加，但之后呈逐年減小趨勢，且2010—2013年是面積快速減少的時段，年均減少13.7%（圖5）。

圖5 3座平原水庫年平均面積變化

多浪水庫年際間最大面積在34～50 km2，最大面積出現(xiàn)在2016年。勝利水庫年最大面積在45～53 km2，最大面積出現(xiàn)在2017年。上游水庫年最大面積為42～107 km2，最大面積出現(xiàn)在2016年，是2019年最大面積的1.5倍，年際差異較大，多浪水庫、勝利水庫年際差異相對較小（圖6）。

圖6 3座平原水庫年最大面積變化

多浪水庫年最小面積在15～30 km2，最小面積出現(xiàn)在2017年。勝利水庫年最小面積為15～30 km2，最小面積出現(xiàn)在2016年。上游水庫年最小面積在15～30 km2，最小面積出現(xiàn)在2019年（圖7）。

圖7 3座平原水庫年最小面積變化

2.3 氣象因素分析

內(nèi)陸河的平原與盆地的干燥度指數(shù)十分大，暖干氣候放大了人類活動對水文循環(huán)的不利影響，加劇了生態(tài)環(huán)境的退化。由于3座平原水庫地處內(nèi)陸干旱區(qū)，氣溫、相對濕度、風速、蒸發(fā)等氣象因子在一定程度上也影響著入庫水量的變化。通過對氣象數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合已有的研究發(fā)現(xiàn)，平原水庫受氣溫的影響，年內(nèi)蒸發(fā)量遠高于降水量（圖8），已有對阿克蘇河流域平原水庫蒸發(fā)規(guī)律的研究表明，水庫蒸發(fā)量年內(nèi)變化趨勢與氣溫有相同的變化趨勢[22]，隨著氣溫的升高而增大，蒸發(fā)在所有氣象影響因子中起主要作用。

圖8 阿克蘇地區(qū)年降水量與蒸發(fā)量對比

2.4 人為因素分析

阿克蘇地區(qū)自然資源條件得天獨厚，人口數(shù)量逐年增加（圖9a），2020年末人口數(shù)量位居全疆各地州第四，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務業(yè)產(chǎn)值逐年攀升（圖9b），人類活動對水的需求也不斷增加，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，近10年來耕地面積增加7.4%，水澆地面積占耕地比重也由95.2%提升至97.3%，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的需求也在不斷增加。阿克蘇河流域內(nèi)的大型平原水庫的建設主要就是為了保障人類生產(chǎn)生活用水，水庫蓄水受人類生產(chǎn)生活用水影響較大，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性用水需求，水庫面積也呈現(xiàn)季節(jié)性變化。3月受冬季積雪融水的補給，儲蓄量增加，水庫面積增大；4月逐漸進入用水期，水庫蓄水逐步減少；7—8月達到農(nóng)業(yè)用水高峰期，水庫蓄水量達到年內(nèi)最低；9月，隨著農(nóng)業(yè)用水需求的減少，水庫蓄水量回升。水庫年內(nèi)面積變化主要受季節(jié)性生產(chǎn)生活用水需求影響而變化，隨著水澆地面積的增加，需水量也在不斷增加。

圖9 阿克蘇地區(qū)人口數(shù)量（a）和三產(chǎn)產(chǎn)值變化（b）

2.5 水庫對局地小氣候的影響分析

由于3座平原水庫地處南疆內(nèi)陸干旱區(qū)，存在降水少、氣溫高、蒸發(fā)大等情況，水庫也會影響到局地小氣候和水庫周邊及下游的生態(tài)環(huán)境。濕潤指數(shù)的變化，可以間接反映出局地干濕變化對當?shù)刂脖簧L及生態(tài)環(huán)境變化的影響，是衡量某一區(qū)域氣候干濕狀況的指標[27]，可作為反映當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化的指標[28]，為科學合理地進行生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測提供服務。在此選取相應時段的氣象因子以及濕潤指數(shù)進行水庫對周邊生態(tài)環(huán)境的影響分析。

基于新疆105個氣象站點的月氣象數(shù)據(jù)，應用植被生態(tài)質(zhì)量氣象評價指數(shù)[29]計算潛在蒸散量，并計算濕潤指數(shù)。采用反距離空間插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）在ArcGIS下進行濕潤指數(shù)的空間插值，并提取出阿克蘇地區(qū)濕潤指數(shù)空間插值圖（圖10），阿克蘇濕潤指數(shù)總體相對較低，西部、北部山區(qū)相對較高，4—6月水庫區(qū)域濕潤指數(shù)與其他區(qū)域差異不大，但在夏季尤其是7月多有水庫周邊區(qū)域濕潤指數(shù)高于其他區(qū)域的情況（圖10a），說明平原水庫夏季蒸發(fā)強烈，導致相對濕度增加，改善了局地的干濕狀況。通過建設生態(tài)健康水庫，協(xié)調(diào)處理好水庫建設與生態(tài)環(huán)境保護的關系，可實現(xiàn)人與自然的和諧共處，實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

圖10 阿克蘇地區(qū)濕潤指數(shù)空間插值

3 結(jié)論與討論

通過對阿克蘇流域3座平原水庫的長時序遙感監(jiān)測和面積定量分析，得到近12年水庫變化本底數(shù)據(jù)，便于掌握其變化規(guī)律，為今后水庫的蓄水與放水、科學調(diào)配農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水打好基礎，結(jié)合濕潤指數(shù)空間插值變化結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）3座平原水庫年內(nèi)面積月際變化總體呈現(xiàn)“前高—中低—后高”的近似“U”型趨勢，面積變化由減少趨勢向增多趨勢轉(zhuǎn)變的時間“拐點”出現(xiàn)在8月，3—4月水庫面積減少速率最大，8—9月水庫面積增加速率最大，究其原因主要與當?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水密切相關。同一水庫年際間變化也較大，上游水庫面積年際間變化最顯著，勝利水庫次之，多浪水庫年際間變化幅度相對較小。

（2）同一水庫月內(nèi)面積變化較大，月最小面積在3—7月變化劇烈，說明此時間段用水需求較大，水庫蓄水—放水頻繁，因此更需要掌握其實時變化，更好地發(fā)揮平原水庫合理調(diào)配用水的作用，提高水資源的利用率，為水庫運行提供科學依據(jù)。

（3）上游水庫面積自2010年以來，面積逐年減少，而勝利水庫面積在此期間則逐年增加，說明灌區(qū)用水需求在逐年增加，上游水庫輸水到勝利水庫的水量也在逐年增加。

（4）對水庫生態(tài)系統(tǒng)而言，蒸發(fā)對平原水庫的影響較大，雖然造成了一定水量的損失，但也使局地的空氣濕度增加，改善局地的生態(tài)環(huán)境，提升其生態(tài)旅游價值，可因地制宜，發(fā)展水庫生態(tài)旅游，帶動經(jīng)濟發(fā)展。

干旱區(qū)水庫的作用主要是合理調(diào)配有限的水資源，確保防洪抗旱的同時做到更好地平衡人類生產(chǎn)生活用水和天然植被生態(tài)用水的矛盾，在氣候變化的大背景下，阿克蘇河流域的水儲量呈遞減趨勢[30]，3座平原水庫面對嚴峻復雜的旱情情勢，經(jīng)過多年運行，已建立適合自我環(huán)境下的調(diào)配用水策略和措施。生產(chǎn)生活用水和生態(tài)用水互為競爭性用水，在水儲量減少的趨勢下，隨著農(nóng)業(yè)用水需求的增加，勢必會造成塔里木河下游生態(tài)用水的減少，這更需要通過掌握上游積雪、降水的實時變化，綜合考慮生產(chǎn)生活用水與生態(tài)用水的水資源供需平衡[31]，科學合理調(diào)配用水，提高水資源的利用率，以促進干旱區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護。

加強對平原型水庫的監(jiān)測力度，發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術優(yōu)勢，通過連續(xù)的水庫面積遙感監(jiān)測，將實時的監(jiān)測結(jié)果與歷史同期的背景數(shù)據(jù)相結(jié)合，對于水庫的蓄水量、影響的流域范圍、阿克蘇河灌區(qū)植被及塔里木河下游生態(tài)輸水等有著重要的參考價值。