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(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054) (2：中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011) (3：新疆師范大學(xué)新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

尾閭湖是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要標(biāo)志，其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)較易受周?chē)h(huán)境變化的影響.尾閭湖水域面積的變化能直觀(guān)反映其源河流域自然環(huán)境變化，因此受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注.馬明國(guó)等利用17期遙感影像研究了車(chē)爾臣河下游湖泊群1973-2006年變化及其自然主導(dǎo)因素[1]，但因缺乏關(guān)鍵時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)，未能檢測(cè)到河道變化和湖泊變遷的具體時(shí)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(guān)格局變化及其生態(tài)效應(yīng)[2]，因數(shù)據(jù)量少?zèng)]有給出變化趨勢(shì)；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(méi)有給出變化開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間、變化過(guò)程及變化趨勢(shì).不可否認(rèn)這些研究做了許多可借鑒的科學(xué)分析并解答了不少問(wèn)題，但是仍有一些問(wèn)題有待解決.如：車(chē)爾臣河下游具體什么時(shí)候發(fā)生過(guò)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(chē)爾臣河下游水域變化規(guī)律等.本文在超過(guò)上百期的大量遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，試圖闡明車(chē)爾臣河下游近40年來(lái)水域格局演變情況，并分析導(dǎo)致其演變的原因.

1 研究區(qū)概況

車(chē)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(tái)特瑪湖，全長(zhǎng)846km.多年平均徑流量5.215×108m3.但現(xiàn)在車(chē)爾臣河在正常年份水量難以匯至臺(tái)特瑪湖，在距臺(tái)特瑪湖西部30km處的沙丘間潴水成湖，面積約200km2[2].車(chē)爾臣河廊道主要變化發(fā)生在其下游從庫(kù)完墩以下至臺(tái)特瑪湖的4610km2范圍內(nèi)，所以此區(qū)被選擇為本文的研究對(duì)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(dá)24℃，年平均無(wú)霜期為165d；全年太陽(yáng)總輻射量為119.2kcal/cm3；常年主風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，8級(jí)以上大風(fēng)平均16d，最多達(dá)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(lèi)型主要為風(fēng)沙土(干旱沙質(zhì)新成土)、胡楊林土(有機(jī)正常潛育土)和沼澤土(有機(jī)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(tái)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(guó)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(yīng)急輸水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和車(chē)爾臣河徑流量等相關(guān)數(shù)據(jù)以及ASTER GDEM(先進(jìn)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(guó)遙感衛(wèi)星應(yīng)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(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，保留了變化較明顯的時(shí)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T(mén)M/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(guó)道、專(zhuān)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(lèi)型占絕大部分，其他覆被類(lèi)型占極少比例.鑒于水域變化是本文主要研究?jī)?nèi)容，因而將土地覆被類(lèi)型歸納為水域及非水域(包括植被和其他)兩類(lèi).

遙感監(jiān)測(cè)水體的方法關(guān)鍵是將水體與周?chē)匚飬^(qū)別開(kāi)來(lái)，從而準(zhǔn)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(dòng)提取方法.由初步實(shí)驗(yàn)得知，利用圖像處理軟件自動(dòng)分類(lèi)法中的非監(jiān)督分類(lèi)及監(jiān)督分類(lèi)對(duì)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(jiǎn)單地對(duì)一個(gè)或多個(gè)波段的像素值一次性設(shè)閾值決策樹(shù)分類(lèi)法)對(duì)本區(qū)水域提取結(jié)果具備了精度高(均高于90%)、工作強(qiáng)度低(無(wú)需頻繁的選擇訓(xùn)練樣地)等優(yōu)點(diǎn).所以以二分法為主(用于絕大多數(shù)遙感影像)、人機(jī)交互方式為輔(用于數(shù)據(jù)質(zhì)量極差但無(wú)法替換的早期遙感影像)進(jìn)行水域信息提取.

具體對(duì)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(jìn)行分類(lèi)，而對(duì)TM/ETM+影像利用徐涵秋的MNDWI(改進(jìn)型NDWI)[12]來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，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(guò)程Fig.2 The process of producing the binary map

通過(guò)針對(duì)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(shí)驗(yàn)，即選取500個(gè)隨機(jī)點(diǎn)用目視解譯和地面調(diào)查時(shí)采集的20個(gè)GPS樣點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，表明通過(guò)MNDWI對(duì)本區(qū)水域信息提取有較好的精度(均高于95%甚至達(dá)到99%)；而NDWI精度較低(90%左右)，尤其是冬季周?chē)城痍幤卤徽`判為水域從而降低分類(lèi)精度.這種情況下通過(guò)對(duì)遙感圖像各波段原值加設(shè)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(lán)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(lái)計(jì)算水體指數(shù)，并用其Bandmath工具來(lái)判斷水域并形成水域非水域二值圖，供進(jìn)一步分析.此方法在地面覆被類(lèi)型歸納為只有2類(lèi)情況下具有靈活調(diào)節(jié)閾值的優(yōu)勢(shì)，從而得到初次分類(lèi)較高的精度.

二分法，首先利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算出水體指數(shù)，然后通過(guò)對(duì)像素值設(shè)閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖2).

3 結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.1 河道變化 在1970s、1980s的遙感影像上的車(chē)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(chē)爾臣河下游河道位置、形狀基本一致，未發(fā)生明顯變化.

車(chē)爾臣河下游主河道改道起始于庫(kù)完墩東北吉格代托喀依(39°10′N(xiāo)，87°23′E)，改道開(kāi)始于1989年夏季(5月16日至9月13日)，主要改道結(jié)束于2002年秋季(8月8日至9月25日)；改道前后庫(kù)完墩至其在博斯坦附近的一個(gè)尾閭湖入口(39°31′N(xiāo)，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(chē)爾臣河歷年徑流量變化曲線(xiàn)(圖3)[2]不難發(fā)現(xiàn)，1980年以后車(chē)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(gè)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(guān)，河流入湖時(shí)，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(chē)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(tái)特瑪湖的車(chē)爾臣河尾閭湖泊群在1970s-1980s只有70～80km2；2002年達(dá)到90～100km2；2010年初干涸；2010年夏季開(kāi)始重新入水，2010年8月達(dá)到300多km2，包括康拉克以及部分臺(tái)特瑪湖地區(qū)，至今沒(méi)有發(fā)生干涸；2012年初達(dá)到420多km2，此時(shí)這些水域不僅有匯入車(chē)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(shí)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(gè)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(shí)主河道還在原處；第二個(gè)較大的湖形成于1991年夏季(8月18日以前)，其面積為11km2，此時(shí)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(gè)較大的湖，其總面積為21km2，此時(shí)在原處及其北邊共存兩條河道，原河道繼續(xù)流入原來(lái)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(guò)新河道流入原來(lái)的尾閭湖，一路上順便補(bǔ)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(gè)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(gè)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(guò)庫(kù)爾干以下的14km人工河道到達(dá)臺(tái)特瑪湖區(qū)；2003年春季(4月21日前)車(chē)爾臣河水穿過(guò)218國(guó)道；2003年夏季(5月7日至5月23日)車(chē)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(yīng)急輸水量多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，故臺(tái)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?cái)U(kuò)大(圖4).

3.2 水域面積變化

從遙感影像提取的過(guò)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(guò)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(yīng)急輸水到達(dá)臺(tái)特瑪湖以來(lái)，水域面積變化幅度較大，這主要是因?yàn)榕_(tái)特瑪湖區(qū)水域隨著輸水量變化而變化.無(wú)輸水年份降至2001年以前的平均水平(圖5).過(guò)去40年來(lái)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(kāi)始的應(yīng)急生態(tài)輸水工程.

3.3 水域面積季節(jié)性變化

因車(chē)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(yīng)急生態(tài)輸水工程實(shí)施以來(lái)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(lái)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?yàn)榭赡苁艿杰?chē)爾臣河春汛的影響，另外車(chē)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，所以水域面積較小；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(lái)，因?yàn)檩斔蟛糠旨杏谙?、秋季，尤其最近幾年?lái)秋季輸水占大部分[6]，隨之最大水域面積出現(xiàn)于冬季；臺(tái)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(kāi)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(guān)指數(shù)變化

利用Fragstats景觀(guān)指數(shù)分析工具，針對(duì)水域面積(CA)、水域斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀(guān)形狀指數(shù)(LSI)、斑塊凝聚度(COHESION)以及聚合度(AI)等6個(gè)景觀(guān)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到以下結(jié)果(圖7).水域斑塊數(shù)的增加速度低于水域面積擴(kuò)大速度，這表明該區(qū)域內(nèi)水域總體上處于擴(kuò)大化的同時(shí)具有凝聚化趨勢(shì)(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(lái)越重要位置(圖7b)；景觀(guān)形狀指數(shù)整個(gè)時(shí)間段來(lái)說(shuō)有所增加，這表明水域形狀趨于復(fù)雜化(圖7b)；斑塊凝聚度和聚合度均有所增加，這進(jìn)一步證明凝聚化趨勢(shì)(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(kuò)大化趨勢(shì)，即各水域斑塊相互連接的同時(shí)向外擴(kuò)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(xiàn)不斷退縮，冰川及積雪融水又直接導(dǎo)致入湖河流徑流量的增加，最終湖泊水位上升，湖面擴(kuò)大[17].雖然車(chē)爾臣河來(lái)水量增多了，但該地區(qū)氣溫也升高了，而降水量則并沒(méi)有大幅上升(6.5mm/10a)，相應(yīng)地引起該地區(qū)蒸發(fā)量也隨之上升，導(dǎo)致氣候?qū)λ蛎娣e的綜合影響減弱.然而這一過(guò)程是普遍的、漫長(zhǎng)的、持續(xù)的，近幾十年來(lái)的趨勢(shì)大致相同，不足以解釋2002年以后的整個(gè)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(yīng)急生態(tài)輸水工程來(lái)說(shuō)明其原因.輸水工程實(shí)施以來(lái)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(jìn)一步表明21世紀(jì)輸水開(kāi)始以來(lái)，塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程為臺(tái)特瑪-康拉克湖泊群水域面積變化的主導(dǎo)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(bǔ)給源，該地區(qū)地下水也主要依賴(lài)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(chē)爾臣河徑流量和塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水量變化.

康拉克地區(qū)地勢(shì)均高于臺(tái)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(tái)特瑪湖地區(qū)為805.8m)，塔里木河地表水難以進(jìn)入康拉克地區(qū)的諸多湖泊，但是因21世紀(jì)以來(lái)塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程的實(shí)施，使本區(qū)地下水位有了明顯地抬升[18]，因以前沒(méi)有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)該地區(qū)地下水，所以無(wú)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(guān)測(cè)斷面(尤其在下游比較多，包括庫(kù)爾干和臺(tái)特瑪湖兩組)安裝的地下水自動(dòng)觀(guān)測(cè)井裝置記錄的數(shù)據(jù)顯示輸水以來(lái)本區(qū)內(nèi)地下水位有明顯增加趨勢(shì)，導(dǎo)致一部分用于補(bǔ)充地下水的車(chē)爾臣河地表水得以流入康拉克湖泊群甚至臺(tái)特瑪湖.筆者2005年以來(lái)幾次親眼目睹臺(tái)特瑪湖范圍內(nèi)218國(guó)道西邊的水流到東邊，這與遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果相符，這一現(xiàn)象在塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程實(shí)施之前30幾年內(nèi)沒(méi)有發(fā)生過(guò).此現(xiàn)象間接地表明，如同人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)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(jì)以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致臺(tái)特瑪-康拉克湖泊群水域面積變化的主要因素.

圖7 在過(guò)去40年研究區(qū)域內(nèi)水域各景觀(guān)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(yīng)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(jié)論

本文用長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)了臺(tái)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(jié)論：

1) 車(chē)爾臣河徑流量年際變化引起其下游河道變化，從而導(dǎo)致康拉克地區(qū)的整個(gè)景觀(guān)格局發(fā)生變化.這種變化開(kāi)始于1989年夏季，基本結(jié)束于2002年秋季，先后長(zhǎng)達(dá)13年.

2) 21世紀(jì)以來(lái)，塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程的實(shí)施使整個(gè)臺(tái)特瑪-康拉克湖泊群水域面積處于明顯的增加趨勢(shì).

3) 21世紀(jì)以來(lái)，因受輸水量的直接影響臺(tái)特瑪湖區(qū)的水域面積變化幅度較大，而車(chē)爾臣河下游河道相對(duì)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(shí)間也發(fā)生變化，水域最大面積出現(xiàn)時(shí)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(kuò)展趨勢(shì).

6) 21世紀(jì)以來(lái)，臺(tái)特瑪-康拉克湖泊群水域面積變化主導(dǎo)因素由自然因素變?yōu)槿藶橐蛩亍锬竞酉掠螒?yīng)急輸水工程.

致謝：本研究使用的中巴衛(wèi)星數(shù)據(jù)由中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)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(lái)自所用參考文獻(xiàn)，在此一并致謝.

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