伊犁河流域陸表水域面積時空變化及驅(qū)動力分析

仲濤　李漠巖　李建豪　董芳　鄭江華

摘要：為探究伊犁河流域陸表水域面積時空變化及其驅(qū)動因素，為跨境水資源確權(quán)與分配提供依據(jù)，利用全球地表水數(shù)據(jù)集研究2001～2020年伊犁河流域陸表水域面積時空變化，并結(jié)合降水、溫度和土地利用數(shù)據(jù)進行驅(qū)動力分析。結(jié)果表明：① 2001～2020年伊犁河流域陸表水域面積增加661 km2，主要增加在中國境外巴爾喀什湖南部和境內(nèi)流域。② 20 a間大于1 km2的陸表水域增加41個，大于5 km2的陸表水域增加14個，巴爾喀什湖水體面積呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，卡普恰蓋水庫水體面積呈下降趨勢。③ 中國境內(nèi)陸表水域面積受氣候因素影響較小，土地利用類型變化是境內(nèi)陸表水域面積變化主導因素；耕地面積變化是影響境外陸表水域面積變化的主導因素。研究成果可為伊犁河流域土地利用規(guī)劃及流域水資源合理分配提供科學支撐。

關(guān) 鍵 詞：陸表水域面積； 時空特征； 趨勢分析； 氣候變化； 人類活動； 伊犁河流域

中圖法分類號： P343

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.015

0 引 言

伊犁河是中國和哈薩克斯坦（以下簡稱“中哈”）兩國重要的跨境河流。近年來伊犁河流域受全球氣候變暖和高強度人類活動的共同影響，流域生態(tài)環(huán)境日益惡化［1-4］，水資源受到嚴重威脅［5］。境外流域內(nèi)的巴爾喀什湖約70%的水量來源于伊犁河，卡普恰蓋水庫蓄水量達281億 m3［6］，長期以來伊犁河流域水資源分配不均勻，缺少統(tǒng)一調(diào)度，使得流域水資源矛盾日益加深，因此研究伊犁河流域水資源確權(quán)與分配尤為重要，流域陸表水域面積變化是監(jiān)測流域水資源消耗的重要方式之一，研究伊犁河流域陸表水域面積時空變化及驅(qū)動力對于流域水資源確權(quán)與分配具有重要意義。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感產(chǎn)品對大尺度流域陸表水域面積長時間監(jiān)測具有便捷高效的優(yōu)勢［7-9］。已有學者使用全球地表水數(shù)據(jù)集在淮河流域、三江源和中亞五國進行地表水動態(tài)監(jiān)測，并證明了該數(shù)據(jù)集水體分類精度高、誤差小［10-12］。在伊犁河流域，Propastin［13-14］基于衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)1992～2010年巴爾喀什湖水位變化受降水和溫度影響；臧菁菁［15］和高彥華［16］等基于4～11月Landsat數(shù)據(jù)采用波段比值法提取水體面積，發(fā)現(xiàn)1975～2014年受全球氣候變化和人類活動影響巴爾喀什湖水體面積呈減少趨勢；張玉杰等［17］基于2000～2020年9月的MOD09A1數(shù)據(jù)，采用歸一化差異水體指數(shù)提取水體面積，發(fā)現(xiàn)巴爾喀什湖水體面積呈先增加后減少的趨勢?？梢钥闯觯壳耙延醒芯恐饕性谝晾绾泳惩饬饔虻陌蜖柨κ埠?，而對整個流域和境內(nèi)流域的研究比較少，在數(shù)據(jù)精度、水體面積提取和時間連續(xù)性上還不夠完善，未能考慮流域農(nóng)業(yè)灌溉、強降雨、洪水和水庫放水對流域陸表水域面積的影響。

本次研究采用2001～2020年全球地表水數(shù)據(jù)集，將1 a 中大于7個月有水的像元定義為水體，以此來減少灌溉、強降雨、洪水和水庫放水導致的陸表水域面積統(tǒng)計誤差，以此探究流域陸表水域面積時空特征及變化趨勢，使用降水、溫度和土地利用數(shù)據(jù)分析影響流域陸表水域面積變化的驅(qū)動力因素，從而為伊犁河流域水資源確權(quán)與分配提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

伊犁河流域位于中國新疆伊犁地區(qū)和哈薩克斯坦的阿拉木圖州東南部、卡拉干達州部分地區(qū)和江布爾州東南部［18］，流域面積約為415 515 km2，流域15%位于中國境內(nèi)，85%位于哈薩克斯坦境內(nèi)（見圖1），中國境內(nèi)產(chǎn)流161.0億 m3，哈薩克斯坦境內(nèi)產(chǎn)流69.7億 m3，是中哈兩國重要的淡水資源［19-20］。伊犁河流域是典型的大陸性氣候，受到緯度和地形影響，造成流域氣候和地貌的空間差異顯著。近年來隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟高速發(fā)展，對水資源的需求也日益增加，因此伊犁河流域已成為研究跨境水資源確權(quán)與分配的熱點地區(qū)［21-22］。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用歐盟委員會聯(lián)合研究中心（European Commission′s Joint Research Centre，ECJRC）發(fā)布的全球地表水數(shù)據(jù)集（Global Surface Water dataset，GSW）［23］（https：∥global-surface-water.appspot.com/），空間分辨率30 m，該數(shù)據(jù)基于Landsat遙感影像，并參考數(shù)字高程數(shù)據(jù)、冰川數(shù)據(jù)和城市區(qū)域數(shù)據(jù)，結(jié)合專家系統(tǒng)進行分類［23］，數(shù)據(jù)具有分類精度高、時間序列長和覆蓋地區(qū)廣的特點，已在全球不同尺度流域進行了驗證和應(yīng)用［10-12］。本文通過Python對2001年1月至2020年12月的240景影像進行處理，統(tǒng)計1 a 內(nèi)12景影像中水體像元，將1 a中大于7個月有水的像元定義為年有水像元，否則定義為非水體像元，以此來減少灌溉、強降雨、洪水和水庫放水等自然和人為因素導致的陸表水域面積統(tǒng)計誤差。

降水和近地面溫度數(shù)據(jù)采用的是美國NASA發(fā)布的Famine Early Warning Systems Network Land Data Assimilation System （FLDAS）數(shù)據(jù)集［24］（https：∥disc.gsfc.nasa.gov/），空間分辨率0.1°×0.1°，研究表明該數(shù)據(jù)相比其他氣象數(shù)據(jù)具有更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量［25］，選取時間序列為2001～2020年。

土地利用數(shù)據(jù)采用的是歐洲太空局氣候變化倡議計劃發(fā)布的土地覆蓋數(shù)據(jù)集（http：∥maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/），空間分辨率300 m，選取時間序列為2001～2020年，并將土地利用類型重分類為耕地、草地、林地、水體、裸地和城鎮(zhèn)［26］。流域邊界數(shù)據(jù)來自全球流域數(shù)據(jù)庫［27］。

2.2 相關(guān)性分析

本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析伊犁河流域陸表水域面積與降水、溫度和土地利用數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)計算公式如下［28-29］：

式中：r為相關(guān)系數(shù)，xi和yi為變量X和Y的數(shù)值，x和y為變量X和Y的平均數(shù)，n為變量個數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 伊犁河流域陸表水域面積時空變化特征

從時間尺度分析，2001～2020年伊犁河流域陸表水域面積變化如圖2所示。結(jié)果表明：2001～2020年伊犁河流域陸表水域面積多年均值為19 786 km2，波動范圍在19 165～20 127 km2之間，2010年流域陸表水域面積達到最大值，2020年相比2001年陸表水域面積增加661 km2。流域陸表水域面積總體呈增加趨勢，2001～2004年陸表水域面積快速增加，2004～2020年陸表水域面積趨于平穩(wěn)。從伊犁河流域境內(nèi)境外流域來看，境內(nèi)陸表水域面積多年均值為243 km2，約占整個流域陸表水域面積的1.2%，境外流域陸表水域面積多年均值為19 542 km2，約占整個流域陸表水域面積的98.8%。境內(nèi)境外陸表水域面積變化趨勢總體相似，在2002～2006年陸表水域面積變化出現(xiàn)差異，境外呈先增加后減少趨勢，境內(nèi)呈先減少后增加趨勢。

為了更好地表現(xiàn)流域陸表水域面積在空間上的變化趨勢，以2001年伊犁河流域陸表水域面積為基準，結(jié)合20 a面積變化趨勢，以5 a為間隔劃分了4個時期，圖3反映了伊犁河流域4個時期的陸表水域面積空間變化特征。結(jié)果表明：2005年流域陸表水域面積相比2001年水域面積增加了824 km2，主要增加在巴爾喀什湖的南部；2010年流域面積相對2001年增加了962 km2，主要增加在巴爾喀什湖西北部和南部、卡普恰蓋水庫入水口和境內(nèi)流域；2015年流域面積相對2001年增加了411 km2，主要增加在巴爾喀什湖的南部；2020年流域面積相對2001年增加了661 km2，主要增加在巴爾喀什湖南部和境內(nèi)流域。

3.2 伊犁河流域主要湖泊和水庫面積變化特征

研究對比2001～2020年伊犁河流域湖庫的個數(shù)和面積變化，20 a間伊犁河流域面積大于1 km2的陸表水域平均為142個，面積大于5 km2的陸表水域平均為36個。相比2001年，2020年面積大于1 km2的陸表水域增加了41個，大于5 km2的陸表水域增加了14個。

伊犁河流域湖泊和水庫主要是巴爾喀什湖和卡普恰蓋水庫，圖4反映了2001～2020年巴爾喀什湖和卡普恰蓋水庫水體面積變化。結(jié)果表明：巴爾喀什湖水體面積總體呈先增加后平穩(wěn)趨勢，其中2001～2005年巴爾喀什湖水體面積增加127 km2，2005～2020年巴爾喀什湖水體面積呈小幅波動趨勢，平均水體面積為16 847 km2，水體面積變化波動在90 km2內(nèi)；2001～2020年卡普恰蓋水庫水體面積呈減少的趨勢，2020年相比2001年水體面積減少了64 km2，其中2014年卡普恰蓋水庫面積達到近20 a的最小值，水體面積為1 143 km2，相對2001年縮減了9%。分析發(fā)現(xiàn)隨著巴爾喀什湖水體面積的增加，卡普恰蓋水庫水體面積在減少，無論境外陸表水域面積呈增加或減少的趨勢，巴爾喀什湖水體面積始終保持在一個平穩(wěn)的狀態(tài)。

3.3 伊犁河流域陸表水域面積變化與氣候因素分析

3.3.1 降水和溫度變化特征

伊犁河流域降水和溫度的空間分布特征如圖5所示，伊犁河流域年降水量在143～1 118 mm之間，降水主要集中在山區(qū)和伊犁河谷地區(qū)［30-31］，巴爾喀什湖地區(qū)降水較少。流域年均溫度在-7.5～15.4 ℃之間，低溫主要集中在山區(qū)和伊犁河谷地區(qū)，巴爾喀什湖地區(qū)溫度較高，但是相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，由于流域植被覆蓋度的不均勻?qū)е铝饔蛘羯⒘砍示硟?nèi)流域高于流境外流域的趨勢［32］。伊犁河流域的降水和溫度空間分布不均勻主要受流域地形地貌的影響，新疆伊犁河谷三面環(huán)山，受大西洋西風帶的影響使得境內(nèi)流域降水充沛溫度低［33］。

2001～2020年伊犁河流域年降水量和年均溫度變化如圖6所示，近20 a境內(nèi)流域年降水量變化波動較大，平均年降水量為452 mm，波動范圍在350～553 mm之間，2016年達到最高值，2020年達到最低值；境外流域平均年降水量為315 mm，波動范圍在212～407 mm之間，在2016年達到最高值，2020年達到最低值，同時發(fā)現(xiàn)境外陸表水域面積與年降水量的變化趨勢不一致；境內(nèi)流域年均溫度相對穩(wěn)定，年平均氣溫在4.0～5.5 ℃之間；境外流域年均溫度變化幅度較大，年均溫度在6.2～8.8 ℃之間。

3.3.2 陸表水域面積與氣候因素的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果可以有效反映陸表水域面積與氣候因素的相關(guān)程度。研究發(fā)現(xiàn)2001～2020年伊犁河境內(nèi)境外流域降水和溫度的變化趨勢不同，因此分別分析境內(nèi)和境外流域陸表水域面積與降水和溫度的相關(guān)性。如表1所列，境外流域陸表水域面積與降水和溫度呈負相關(guān)（r<0），說明境外流域陸表水域面積變化與降水和溫度變化相反；境內(nèi)流域陸表水域面積與降水和溫度呈正相關(guān)（r>0），說明境內(nèi)流域陸表水域面積一定程度上受降水和溫度的影響。境內(nèi)境外流域陸表水域面積與降水和氣溫均未通過顯著性水平（P<0.05）檢驗，說明流域陸表水域面積與降水和溫度沒有顯著相關(guān)性。

3.4 流域陸表水域面積變化與人類活動因素分析

3.4.1 土地利用變化特征

2001～2020年伊犁河流域6類土地利用類型面積變化見圖7，伊犁河境內(nèi)流域總面積為57 388 km2，2001～2020年流域土地利用變化整體呈裸地和草地大幅度減少、耕地和城鎮(zhèn)急速增加的趨勢。20 a間境內(nèi)流域草地面積占比最大，占總面積的48%，草地面積逐年減少，20 a間減少了3 119 km2；林地面積在2001～2008年急劇增加1 630 km2，后緩慢增長；水體面積變化趨勢與林地相似，在2004～2006年急劇增加33 km2，后緩慢增長；2020年相比2001年城鎮(zhèn)面積增加311 km2，面積增長率高達634%，耕地面積增加1 107 km2，裸地面積減少371 km2。伊犁河境外流域面積為358 127 km2，2001～2020年流域土地利用變化整體呈裸地大幅度減少，耕地、草地和城鎮(zhèn)急速增加的趨勢。20 a間境外流域草地面積占比最大，占總面積的37%，草地面積增加4 544 km2；林地面積僅次于草地面積，占總面積的33%，其中2001～2012年急劇增加4 359 km2，2012～2020年呈減少的趨勢，面積減少2 311 km2；水體面積變化幅度較小，2001～2013年面積增加187 km2，2013～2020年面積減小58 km2；裸地面積占總面積的8%，面積減少10 954 km2，面積減少率高達29%；2020年相比2001年城鎮(zhèn)面積增加了424 km2，面積增長率高達190%，耕地面積增加6 525 km2。總體來看，伊犁河境內(nèi)境外流域土地利用變化呈現(xiàn)出裸地減少、耕地和城鎮(zhèn)增加的趨勢，在草地面積的變化上，境內(nèi)流域呈減少趨勢，境外流域呈增加趨勢，同時發(fā)現(xiàn)伊犁河流域林地和水體面積變化趨勢相似。

3.4.2 陸表水域面積與人類活動的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果可以有效反映陸表水域面積與土地利用相關(guān)程度。上述研究發(fā)現(xiàn)2001～2020年伊犁河境內(nèi)境外流域土地利用變化趨勢不同，因此分別分析境內(nèi)和境外流域陸表水域面積與土地利用相關(guān)性。

如表2所列，境內(nèi)陸表水域面積與耕地、林地和城鎮(zhèn)呈顯著正相關(guān)（P<0.01，r>0），其中林地相關(guān)性最高（P<0.01，r=0.750），結(jié)合境內(nèi)流域?qū)嶋H情況，過去20 a境內(nèi)流域?qū)嵭型烁€林政策，林地面積增加顯著，減緩了境內(nèi)流域水土流失，提高了境內(nèi)流域水源涵養(yǎng)能力［34］，使境內(nèi)陸表水域面積增加。境內(nèi)陸表水域面積和水體的變化具有強相關(guān)性（P<0.01，r=0.875），說明本研究陸表水域面積提取方法可行有效。境內(nèi)陸表水域面積與草地和裸地呈顯著負相關(guān)（P<0.01，r<0），說明隨著境內(nèi)草地和裸地面積的減少，境內(nèi)流域水資源消耗在減少，裸地面積減少減緩了境內(nèi)流域水土流失［35］，使境內(nèi)陸表水域面積增加。境外流域陸表水域面積與耕地和水體呈顯著正相關(guān)（P<0.05，r>0），說明境外流域陸表水域面積變化受耕地面積變化的影響，而境外陸表水域面積與林地、草地、裸地和城鎮(zhèn)均未通過顯著性水平檢驗；境外陸表水域面積與裸地呈負相關(guān)，說明隨著裸地面積減少，境外陸表水域面積在增加。

4 結(jié) 論

本文利用全球地表水數(shù)據(jù)集分析2001～2020年伊犁河流域陸表水域面積時空變化，探究了氣候和人類活動對流域陸表水域面積變化的影響，為伊犁河流域水資源確權(quán)和分配提供依據(jù)，對構(gòu)建中哈水安全命運共同體具有重要意義。主要結(jié)論如下：

（1） 伊犁河流域陸表水域面積多年均值為19 786 km2，波動范圍在19 165～20 127 km2之間，流域陸表水域面積整體呈增加趨勢，2020年相比2001年面積增加了661 km2，主要增加在巴爾喀什湖南部和境內(nèi)流域。流域陸表水域面積空間分布不均衡，境內(nèi)陸表水域面積多年均值為243 km2，占總面積的1.2%，境外陸表水域面積多年均值為19 542 km2，占總面積的98.8%。

（2） 2001～2020年伊犁河流域大于1 km2的陸表水域增加了41個，大于5 km2的陸表水域增加了14個。巴爾喀什湖水體面積多年均值為16 847 km2，波動范圍在16 754～16 887 km2之間，呈先增加后穩(wěn)定的趨勢；卡普恰蓋水庫水體面積總體呈減少趨勢，2020年相比2001年水體面積減少了64 km2。

（3） 受到跨境流域復(fù)雜的自然人文環(huán)境影響，伊犁河流域境內(nèi)境外導致陸表水域面積變化的驅(qū)動因素也不同。境內(nèi)陸表水域面積受氣候因素影響較小，土地利用類型變化是影響陸表水域面積變化的主導因素；耕地面積變化是影響境外陸表水域面積變化的主導因素。

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（編輯：謝玲嫻）

Spatio-temporal variation and driving force analysis of water area on land surface in Ili River Basin

ZHONG Tao1，LI Moyan1，LI Jianhao1，DONG Fang1，ZHENG Jianghua1，2

（1.College of Geography and Remote Sensing Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China； 2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract：

To explore the spatio-temporal variation and driving force for water area on land surface in the Ili River Basin，and to provide a basis for the right confirmation and allocation of transboundary water resources，the global surface water dataset was used to study the spatio-temporal variation of land surface water area in the Ili River Basin from 2001 to 2020，during which the precipitation，temperature and land use data were taken into consideration.The results showed that：① The land surface water area in the Ili River Basin increased by 661 km2 from 2001 to 2020，the growth mainly located in the southern part of Balkhash Lake outside China and the basin inside China.② In the past 20 years，the number of water range larger than 1 km2 increased by 41 while that of larger than 5 km2 increased by 14.The water area of Balkhash Lake showed a fluctuation of increasing and then stabilizing，and the water area of Kapchagay Reservoir showed a declining trend.③ The land surface water area inside China was rarely affected by climatic factors，the alteration of land use types was the dominant factor causing the change of water range.The change of arable land area was the dominant factor affecting the waters range outside China.The research results can provide scientific support for land use planning and rational allocation of water resources in the Ili River Basin.

Key words： water area on land surface；spatio-temporal characteristic；trend analysis；climate change；human activity；Ili River Basin

收稿日期：2022-05-27

基金項目：國家社會科學基金重大項目（17ZDA064）

作者簡介：仲 濤，男，碩士研究生，研究方向為跨境水資源監(jiān)測與分配。E-mail：zhongtao776@163.com

通信作者：鄭江華，男，教授，博士，研究方向為干旱區(qū)水資源利用研究。E-mail：Zheng_jianghua@126.com