博斯騰湖面積變化遙感監測及其驅動因素分析

阿依努爾·買買提，玉米提·哈力克，阿依加馬力·克然木，宋澤亮

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆大學綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.中國科學院遙感與數字地球研究所喀什研究中心，新疆喀什 844000)

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博斯騰湖面積變化遙感監測及其驅動因素分析

阿依努爾·買買提1，2，玉米提·哈力克1，阿依加馬力·克然木1，宋澤亮2

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆大學綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.中國科學院遙感與數字地球研究所喀什研究中心，新疆喀什 844000)

【目的】定量分析博斯騰湖面積變化趨勢及其驅動因素，研究博斯騰湖面積歷史變化規律，預測其2020與2030年的湖泊面積變化趨勢，為博斯騰湖水資源合理開發利用與管理提供科學依據?！痉椒ā恳圆┧跪v湖為研究對象，利用3S技術，解譯多年遙感影像數據，計算1978、1990、2000、2015年的博斯騰湖面積；將遙感解譯結果結合水文、氣象、社會經濟統計數據，運用相關分析、主成分分析與多元回歸模型定量分析引起博斯騰湖面積變化的驅動因素，并對博斯騰湖2020與2030年的面積變化趨勢進行預測?！窘Y果】1978～2015年間博斯騰湖面積減少了約39.75 km2，總體呈現減少的變化趨勢，經歷變小-變大-再變小的波動性變化過程；人為因素(人口數量、灌溉面積、引水量、灌溉量)與氣候因素(徑流量、氣溫、降水量)是影響博斯騰湖面積變化的兩個關鍵因素，在博斯騰湖面積變化過程中的貢獻率分別為47.793%和37.818%；未來5與15 a博斯騰湖面積在人類活動與氣候變化的共同影響下將呈現繼續減少的變化趨勢，預計在2020與2030年分別為939.23和935.34 km2?！窘Y論】在過去30多年中，博斯騰湖面積經歷了縮小-擴大-再縮小的波動性變化過程；人類活動與氣候變化因素是引起變化的驅動因素，其中人類活動起主導作用；未來5與15 a博斯騰湖面積仍將持續呈現逐漸變小的趨勢。

博斯騰湖；遙感監測；人為因素；氣候因素；變化趨勢

0 引 言

【研究意義】湖泊是干旱-半干旱地區重要的生態變化指示器，是大氣圈、生物圈、巖石圈和陸地水圈相互作用的接觸面，湖泊面積的變化客觀地反映了干旱-半干旱地區流域的水量平衡過程[1-3]。研究表明：包括中國新疆在內的亞洲中部干旱地區在全氣候變化和人類活動的共同作用下，水資源的時空分布與地表水循環過程發生了巨大的改變，部分湖泊已干涸，殘留湖泊水域面積不斷縮小，水質惡化，湖泊生物多樣性下降，因而引起了一系列的生態危機[4-6]。因此，快速、及時、準確地獲取干旱地區湖泊水資源的時空變化信息，有利于掌握干旱區地表水資源變化特征及機理，對區域湖泊水資源利用、開發、管理等具有非常重要理論與實踐意義。博斯騰湖流域是新疆農業發展最為旺盛的地區之一，農業開發影響著流域水資源的分配與利用，水資源的分配利用模式又影響著生態環境。在農業開墾逐漸增多的背景下，博斯騰湖流域的植被開始退化，沙漠化趨勢日益加重，造成天然林草地衰竭，動物數量劇減，產生了一系列生態問題。雖然政府制定了相關政策并采取一些規劃調控的，但仍未遏制大面積的開荒。因此，分析人類活動與全球氣候變化共同作用下的博斯騰湖水資源變化趨勢，定量評估人類活動與氣候變化對博斯騰湖水資源變化的影響程度，對博斯騰湖水資源、土地資源、漁業資源、蘆葦資源、旅游資源等的綜合合理開發利用與調控管理具有非常重要的理論與實踐意義。【前人研究進展】當前干旱區湖泊水資源監測研究已成為干旱區生態環境演變研究的一個熱點。隨著遙感技術的快速發展，干旱區湖泊水資源監測研究已從傳統的地面水文觀測站網監測向結合遙感技術的地-空一體化的綜合監測發展[7]。遙感以其宏觀、快速、現時、經濟以及周期性觀測等優勢，使其變成獲取湖泊有關信息的重要技術手段[8]為大面積、長時間序列的湖泊觀測研究提供海量的數據資源，在水資源調查領域得到廣泛的應用[9]。在干旱區湖泊遙感監測研究方面，李均力等[10]用微波遙感與光譜遙感中亞湖泊面積與水位的變化趨勢；高華中、周洪華等[11-12]用高光譜遙感及地面監測數據博斯騰湖水位的變化。上世紀50年代以來，博斯騰湖對區域的生態、環境、經濟和社會發展起著巨大的積極作用，因此引起學者們的廣泛關注[13]。但對博斯騰湖面積長時間序列的遙感監測研究比較罕見。【本研究切入點】博斯騰湖流域是新疆農業發展最為旺盛的地區之一，農業開發影響著流域水資源的分配與利用，水資源的分配利用模式又影響著生態環境。在農業開墾逐漸增多的背景下，博斯騰湖流域的植被開始退化，沙漠化趨勢日益加重，造成天然林地、草地衰竭，動物數量劇減，產生了一系列生態問題。雖然政府制定了相關政策并采取一些規劃調控的措施，但仍未有效遏制大面積的開荒?！緮M解決的關鍵問題】因此，分析人類活動與全球氣候變化共同作用下的博斯騰湖水資源變化趨勢，定量評估人類活動與氣候變化對博斯騰湖水資源變化的影響程度，對博斯騰湖水資源、土地資源、漁業資源、蘆葦資源、旅游資源等的綜合合理開發利用與調控管理具有非常重要的理論與實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材 料

博斯騰湖是中國最大的內陸淡水湖泊，位于新疆南天山主脈和支脈之間的焉耆盆地，地理坐標為86.41～87.39E，41.49～42.17N，是焉耆盆地內地表水與地下水的匯集區，湖水主要依賴于入湖河流與降水混合補給。博斯騰湖的入湖河流主要源于焉耆盆地西北部及北部的中、高山地帶的冰雪融水。開都河作為流入博斯騰湖的最大河流，也是唯一可以直接流入湖區的常年性河流，占博斯騰湖總補給量的85%，是影響博斯騰湖面積變化的直接因子[14]。博斯騰湖水位在海拔1 044.9～1 048.7 m時，水域面積相應為932.0～1 075.4 km2，儲水量變化介于5.2×109～8.8×109m3。圖1

研究選用來自美國地質調查局(United States Geological Survey，USGS)的美國地球資源衛星Landsat系列數據。根據影像質量狀況，選取成像日期集中于10月的1978、1990、2000、2015年遙感影像數據。水文、氣象與社會經濟數據選取1980～2011年的年均數據，來源于博湖縣水文、氣象站與統計局。表1

圖1 研究區文表

Fig.1 Location of study area

1.2 方 法

1.2.1 博斯騰湖面積遙感提取

水體指數法是實現水體快速提取的簡單便捷方法之一。在ENVI 5.0平臺和ArcGIS 10.0軟件中運用Mcfeeters提出的歸一化水體指數(Normal difference water index，NDWI)[15]從上述4期Landsat系列遙感數據中提取博斯騰湖水體信息。歸一化水體指數(NDWI)是借鑒歸一化植被指數的構建思想，基于水體在綠波段(TM2)和近紅外(TM4)波段的波譜差異特征提出來的[16]。對于Landsat MSS，TM，ETM影像計算，統一應用公式(1)實現水體信息的提取和湖泊水體遙感制圖。

NDWI=TM2-TM4/TM2+TM4

(1)

公式(1)計算歸一化水體指數，運用單波段閾值法確定閾值為0.35即像元值大于0.35小于1的為水體，小于0.35為非水體)，進一步提取水體。

表1 數據列表

Table 1 Date used in this paper

數據類型Datatype遙感圖像成像時期Imagingperiodofremotesensingimage行/列Path/Raw遙感數據RemotesensingdataLandsatMSSLandsat5TMLandsat7ETM1978-10-15P153R311978-10-15P154R311990-10-23P142R311990-10-23P143R312000-10-09P142R312000-10-09P143R312015-10-05P142R312015-10-05P143R31統計數據Statisticaldata社會經濟數據1980～2011年社會經濟數據(人口、灌溉量、灌溉面積)1980～2011Annualsocialandeconomicdata(Population，Irrigation，Irrigation)水文、氣象數據1980～2011年均氣溫與降水數據1980～2011年開都河徑流量

1.2.2 博斯騰湖面積變化驅動因素

以遙感圖像提取出來的湖泊面積(Y)，結合收集的研究區水文、氣象及社會經濟數據集，包括博斯騰湖入湖徑流量(X1)、氣溫(X2)、降水量(X3)、引水量(X4)、灌溉量(X5)、灌溉面積(X6)、人口(X7)等指標，應用SPSS 13.5統計分析軟件，對所選擇的指標進行標準化處理，并在標準化處理基礎上進行相關分析與主成分分析，計算相關性與主成分，獲得博斯騰湖泊面積與各指標之間的相關系數、特征值、主成分貢獻率與累積貢獻率等。最后，建立多元回歸模型和F檢驗預測2020與2030年的博斯騰湖面積。

2 結果與分析

2.1 博斯騰湖面積遙感解譯

研究表明，在過去30多年中，博斯騰湖面積經歷了較明顯的變化過程，1978、1990、2000和2015年其總面積分別為998.56、932.34、1 073.64和958.81 km2。從1978～2015年間，湖泊總面積減少了約39.75 km2，但整個變化過程不是簡單的減少過程，而呈現縮小-擴大-再縮小的波動性變化；不同階段湖泊面積變化趨勢不同，1978～1990年湖泊面積呈現減少的趨勢，減少率為-6.63%；1990～2000年呈現增加的趨勢，增加率為15.16%；2000～2015年又呈現減少的趨勢，減少率為-10.7%。總體上，1978～2015年博斯騰湖的變化率為-4.1%，表明湖泊減少的面積遠遠大于湖泊增加的面積。圖2

圖2 1978、1990、2000和2015年博斯騰湖水體提取結果

Fig.2 The results of water extraction of Bosten Lake in 1978，1990，2000 and 2015 year

2.2 博斯騰湖面積變化影響因素

研究表明，博斯騰湖面積與7個影響因子之間存在不同程度的相關性，其中與入湖徑流量、氣溫、降水量之間具有較大的正相關關系，與灌溉面積、灌溉量、引水量及人口數量之間一定的負相關關系。主成分分析結果表明，有兩個主成分特征值大于1，已構成85%以上的貢獻率。因此，影響博斯騰湖面積變化的影響因素可分成2個主成分，其主成分載荷矩陣，代表主成分與其變量之間的相關關系。從第一主成分的組成形式可知，耕地面積、灌溉量、引水量及人口數量與其存在正相關關系，因而把第一主成分確定為引起博斯騰湖面積變化的人為因素。第一主成分包含了47.79%的變化率，并在兩個主成分中控制了56%的影響力。說明第一主成分不但影響博斯騰湖面積，而且控制第二主成分的變化，在時間與空間上第一主成分表示了社會的進步和研究區域的發展過程與程度。從第二主成分可知，其包含了37.82%的變化率。第二主成分中的降水、徑流量、氣溫與其之間存在較大的正相關關系。因此，第二主成分可歸納為引起博斯騰湖面積變化的氣候因素。表2～4

表2 博斯騰湖面積與各個影響因子之間的相關系數

Table 2 Correlation coefficient between the Bosten Lake water area and the various impact factors

(Y)(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)(X6)(X7)湖泊面積Lakearea(Y)1 000徑流量Runoff(X1)0 8571 00氣溫Temperature(X2)0 6400 2341 00降水量Precipitation(X3)0 5590 4940 2901 000引水量Divertedvolume(X4)-0 429-0 400-0 1580 2441 000灌溉量Irrigationvolume(X5)-0 609-0 438-0 536-0 509-0 2131 000灌溉面積Irrigationarea(X6)-0 773-0 8420 3100 4830 7430 7591 00人口數量Population(X7)-0 621-0 2720 410-0 5000 5110 7320 8361 00

表3 特征值及主成分貢獻率

Table 3 Eigen values and contributing rate of primary factors

主成分Principalcomponents特征值Eigenvalue貢獻率Contribution累計貢獻率Cumulativecontributionrate13 82347 79347 79322 87137 81885 611

表4 主成分載荷矩陣

Table 4 Matrices of primary factors loadings

主成分(Y)Principalcomponent徑流量Runoff(X1)氣溫Temperature(X2)降水量Precipitation(X3)引水量Divertedvolume(X4)灌溉量Irrigationvolume(X5)灌溉面積Irrigationarea(X6)人口數量Population(X7)第一主成分Firstprincipalcomponent0 098-0 1610 0770 7590 6510 6850 739第二主成分Secondprincipalcomponents0 8700 7540 6810 019-0 126-0 142-0 249

2.3 博斯騰湖面積變化的多元回歸模型

2.3.1 多元回歸模型的建立

一個地理系統的基本特點之一是，各要素間存在著相互聯系、相互影響和相互制約的關系，當研究某一個要素與其他要素之間的定量關系時，就需要應用多元回歸分析方法[17]。多元回歸分析是用數學表達式來描述變量之間相關關系的一種統計方法[18]。

相關分析得知，所選的7個影響因子對博斯騰湖面積變化都有一定的相關性，它們之間的相關關系可用多元線性回歸模型來表示。經過計算博斯騰湖面積回歸模型載距和各變量系數，從而可得到博斯騰湖面積與驅動因子的多元線性回歸模型。以下公式2，對標準化數據進行分析，回歸系數的大小可代表各影響因子對徑流變化的影響程度。

Y=4.897+3.444X1+2.298X2-1.56X3-0.865X4+1.11X5+1.54X6-0.2.63X7

(2)

2.3.2 回歸模型的顯著性檢驗

做多元回歸模型時，需要對建立的回歸模型進行顯著性檢驗，而F檢驗法是一種很有效的方法。從方差分析表中得知：F統計量為12.61，系統自動檢驗的顯著性水平為0.001。F(0.05，6，23)值為2.53，F(0.01，6，23)值為3.71，在研究中F(0.001，6，23)值為12.61。并F≥Fa=0.01，因此，回歸方程在a=0.01水平上高度顯著的。表5

表5 方差分析

Table 5 Analysis of variance

效應Effect平方和Sumofsquare自由度Degreeoffreedom均方MeansquareF值FValueP水平PLevel回歸Regression49 13465 13412 610 001(a)參數Parameter0 6318230 0211總值Totalvalue44 45229

2.3.3 博斯騰湖面積變化趨勢預測

直線趨勢預測法是利用最小平方法對未來趨勢變化進行預測，用直線斜率表示變化趨勢的一種預測法[18]。研究用法對7個自變量的變化趨勢進行預測。并把所得到的預測值代入回歸模型，從而預測出2020與2030年的博斯騰湖面積分別是939.23和935.34 km2。

3 討 論

3.1 博斯騰湖面積從1978到2015年經歷3個明顯的變化階段。第一階段1978～1990年，階段湖泊面積穩定逐漸減少。原因是1978年后我國開始進行改革開放，進入工業農業時代[19]，耕地面積急速擴大對博斯騰湖入湖徑流量直接影響，因而導致博斯騰湖面積的持續縮小。第二階段為1990～2000年，博斯騰湖面積穩定擴大。原因是階段全球氣候變化背景下新疆進入較暖濕的季節，相對應的博斯騰湖氣候開始變暖，冰川融水和入湖徑流量比往年有所增加。同時，該時期國家及自治區出臺退耕還林、退牧還草等相關改善生態環境的政策，入湖徑流量開始增加，對博斯騰湖面積的擴大產生積極作用。第三階段是2000～2015年間隨著人口數量與灌溉面積的快速增加，博斯騰湖持續萎縮。一方面2000年后，隨著人口的快速增加，人口作為一種持續增長的外界壓力，對耕地數量變化起著積極推進作用，而耕地面積的增加也意味著灌溉面積的增多，加大博斯騰湖徑流量的用水壓力，從而引起湖泊面積的縮小。另一方面，國家從2000年開始實施西部大開發戰略，西部大開發的要求是采取綜合措施，堅持綜合治理，實現可持續發展。在治理與調理過程中，博斯騰湖水域實行多項重大的水利工程項目，如攔截水量放入孔雀河，并經其對塔里木河下游進行生態輸水(2000～2011年共計輸水12次[20-21])，從而影響著湖泊水資源的分配與利用。這樣的水資源分配利用模式變化又使得博斯騰湖水量處于持續下降趨勢，導致博斯騰湖面積的縮小。社會經濟活動有關的人為因素，是引博斯騰湖面積變化的主要原因。

3.2 博斯騰湖面積的變化主要受社會經濟有關的人為因素與氣候因素的影響，但這兩種因素對湖泊面積變化的影響力有差異的。博斯騰湖位于焉耆盆地，處在山脈與沙漠之間，氣候的局部變化比較明顯，并且在全球變暖背景下，水循環過程日益加劇，這種情況使得這一特殊地區的氣候變化更為復雜多變。除此之外，博斯騰湖的河流發源于山區，主要由山區的冰川(雪)融水和降水組成，在氣候變化的背景下，徑流量與降水量呈現波動性增加趨勢，這對博斯騰湖面積的擴大發揮積極的作用。但是，人口增加(博斯騰湖流域人口由1978年的21.6×104增加到2011年的49.9×104，增加了2.3倍[22])導致了糧食需求量增長，這使得對研究區耕地的壓力越來越大，導致研究區耕地總面積與灌區引水量的增加，從而引起入湖徑流量的減少，并最終導致湖泊面積的減少。因此，徑流量、氣溫、降水量、引水量、灌溉量、灌溉面積、人口數量等因素通過改變入湖流量來影響博斯騰湖面積。

3.3 多元回歸模型結果與未來15 a的變化趨勢預測結果顯示，博斯騰湖面積總體上呈現減少的趨勢。其主要原因：一方面，隨著博斯騰湖流域人口數量的增加與社會經濟的快速發展，博斯騰湖流域的農田灌溉、水利水電工程建設和生態環境調水、生產用水、生活用水等改變了原有水資源的初始收支平衡與配給，使本應貯存在博斯騰湖的水，被調入到農灌區與生活需水區，水資源在平原綠洲區的消耗增加，引起博斯騰湖入水量的減少，因而形成湖水面積越來越少的趨勢。另一方面，在全球氣候背景下，溫度顯著升高，加快了博斯騰湖入湖徑流發源地冰雪的融化，導致河流徑流量與降水量的增加，在一定時段內會引起抬升湖泊水位和擴大湖泊面積。但由長遠來分析，大量的冰雪融化會促進積雪消失和冰川退縮，而在干旱區降水量對湖泊面積的作用有限，氣溫的上升可能會加劇湖泊水位的下降與面積的縮小。

4 結 論

4.1 1978年以來，隨著研究區人口的增加與社會經濟的發展，博斯騰湖面積經歷了縮小-擴大-再縮小的變化過程。其中1978～1990年湖泊面積持續縮小，1990～2000年湖泊面積逐漸增加并達到最大面積的限度，而2000～2015年轉為逐漸縮小的趨勢。1978～2015這30多年間，博斯騰湖面積平均絕對變化速率為10.1 km2/a，整體趨于減小為主。其中在2000年10月達到最大值1 073.64 km2，1990年10月達到最小值932.34 km2。

4.2 博斯騰湖面積的變化原因包含兩個主成分，其中，第一主成分包含了47.793%的變化率，并與社會經濟因素有較好的正相關性第二主成分包含了37.818%的變化率，且與氣候因素有較好的正相關性。

4.3 回歸模型與預測值顯示，博斯騰湖面積在2020與2030年分別是939.23和935.34 km2。

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Supported by: National Natural Science Foundation of China (31360200)

Remote Sensing Monitoring of Bosten Lake Water Resources and Its Driving Factor Analysis

Aynur Mamat1，2，ümüt Halik1，Ayjamal Keram1，SONG Ze-liang2

(1.CollegeofResourceandEnvironmentSciences，KeyLaboratoryofOasisEcology，XinjiangUniversity，Urumqi830046，China; 2.KashgarResearchCenterofInstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，ChineseAcademyofSciences，KashgarXinjiang844000，China)

【Objective】 In this paper, Bosten Lake as the research object, comprehensive analysis of the water area variation of Bosten Lake and its driving factors will be conducted, and also the variation trend of Bosten Lake in 2020 and 2030 will be predicted, thus providing scientific foundation for understanding the causes of water-surface area variations and for offering scientific advise for the rational development of water resources of Bosten Lake.【Method】Based on four period remote sensing data and 30 years of climate and socio-economic statistical data, by applying 3S technology, principal component analysis and regression analysis to calculate the 1978, 1990, 2000, 2015 years four period waters area of Bosten Lake, and find out the driving force of water area change.【Result】(1) Bosten Lake lost about 39.75 km2water area from 1978 to 2015 and the whole process of change was not a simple reduction but the process of changing from small to large and small size, characterized by volatility; (2) Principal component analysis result indicated that human factors (population, irrigation area, water amount, irrigation amount) and climatic factors (runoff, temperature, precipitation) were the two major factors affecting the change of Bosten Lake water area. Their contribution rates were 47.793% and 37.818%, respectively in the whole process, which demonstrated that the changes of water area were largely affected by human activity rather than climate change. (3) By establishing a multivariate regression model, we predicted changes of Bosten Lake water area from the year 2020 to 2030. Our regression model suggested that Bosten Lake water area will maintain a continuous reduction trend in the future few year, and water area in 2020 and 2030 years will be 939.226 and 935.34 km2.【Conclusion】The driving force of lake resource changes is not only climate fluctuations, but also human activities. In the short term, human activities are the mainly affecting factors of the Bosten Lake water resource change. And the human activities interference is growing. These findings provide scientific foundation for understanding the causes of water-surface area variations and for effectively maintaining the stability of the Bosten Lake area through adjustments in land use structure.

Bosten Lake; human activities; climatic change

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.04.023

2017-02-23

國家自然科學基金項目(31360200)

阿依努爾·買買提(1985-)，女，新疆喀什人，博士研究生，研究方向為干旱區水資源，(E-mail)ayinuer@radi.ac.cn

玉米提·哈力克(1966-)，男，新疆阿克蘇人，教授，博士，博士生導師，研究方向為干旱區受損生態系統恢復與重建，(E-mail)halik@xju.edu.cn

S16

A

1001-4330(2017)04-0766-09