新疆瑪納斯湖近40年間時空變化圖譜及其驅動機制

胡爾西別克·孜依納力， 毋兆鵬,2， 哈孜亞·包浪提將

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054； 2.新疆維吾爾自治區干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054)

0 引言

湖泊是地球五大圈層相互作用的連接點，由于其形成與消失、擴張與收縮引起的生態環境演化過程也必將是全球、區域和局部人類活動與氣候事件共同作用的結果[1]。在我國西北部干旱區，脆弱的生態系統更易受到周圍環境變化的影響，作為干旱區生態系統完整性的重要指標，湖泊具有特殊的生態和經濟意義。但隨著這一區域社會經濟的迅速發展，河流下游湖泊水域面積急速萎縮、水質惡化，甚至導致湖泊干涸等生態問題日益嚴重。在此過程中，湖泊水域面積的變化因能直觀反映流域自然環境變化而受到了研究人員的廣泛關注[2-5]。

新疆瑪納斯河流域位于天山北坡經濟帶的核心區域，為新疆最大的綠洲農耕區和我國第四大灌溉農業區[6]。近50 a來，隨著流域內綠洲迅速擴大，水資源過度開發利用，致使下游尾閭瑪納斯湖因入湖水量銳減而迅速萎縮并干涸。由于該湖既處于準噶爾盆地荒漠生態系統中部，又處于盆地老風口上，湖泊濕地喪失使干涸湖底成為沙塵物源地，在西風影響下給周圍生態環境和經濟發展帶來毀滅性打擊。因此，瑪納斯湖水域面積減小而引起的區域性生態環境問題，已成為當前絲綢之路經濟帶核心區建設前提下關系到新疆社會經濟可持續發展全局的緊迫問題。

1 研究區概況

瑪納斯湖地處新疆伊犁哈薩克自治州和布克賽爾蒙古自治縣南部，克拉瑪依市東部，準噶爾拗陷內，位于N 45°40′～45°57′，E 85°4 0′～86°15′之間，又名阿蘭諾爾、阿雅爾諾爾、伊赫哈克明湖。湖長為51 km，最大寬度為15.2 km，文獻記載瑪納斯湖最大水域面積出現在20世紀50年代，達550 km2[7]。湖區屬溫帶干旱氣候，年平均氣溫為8.8 ℃，1月平均氣溫為-20 ℃，極端最低氣溫為-38.0 ℃； 7月平均氣溫為25.6 ℃，極端最高氣溫為42.0 ℃。研究區年日照時數為2 742.2 h，無霜期為174 d； 年均降水量為63.7 mm，蒸發量為3 110.5 mm，相對濕度為48%。盛行西北風，年均風速為3.3 m/s。研究區位置如圖1所示。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數據來源及研究方法

2.1 數據獲取

選取Landsat MSS，TM，ETM+和OLI系列8期遙感影像作為主要的數據源(表1)，數據條件為研究區域范圍內無云霧等影響。利用ENVI4.8對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何精校正、圖像鑲嵌和圖像裁剪等預處理工作。其中2003年5月31日以后的Landsat7衛星ETM+數據存在條帶噪聲影響，對2003年，2006年和2008年的ETM+數據進行了修復。由于研究區景觀類型比較單一，大部分區域以湖泊和裸地為主，所以修復后對研究結果影響不大，可以滿足實際應用要求。氣象數據取自中國氣象科學數據共享服務網，社會、經濟和人口等數據來自新疆統計年鑒和相關政府公報。

表1 遙感影像數據源Tab.1 Remote sensing images

2.2 水體信息提取

瑪納斯湖為咸水湖，湖水鹽度高，表面及周圍存在鹽沼與鹽殼，其邊界在遙感影像上并不明顯，若僅通過水體指數(normalized difference water index，NDWI)和改進的歸一化水體指數(modified normalized difference water index，MNDWI)提取研究區水域面積，可能無法抑制與水體無關的背景信息，會造成檢測結果不精確。

在遙感水體邊界識別中，水體界線一般通過遙感影像的近紅外波段來確定，在光譜波段值上，瑪納斯湖區遙感影像的每個波段都出現了水體與湖邊鹽殼的突變，易于識別水體與鹽殼的界線； 在Landsat TM/ETM+數據的B4，B5，B7和Landsat8 OLI數據的B5—B7波段均出現了灘地與水體的突變，有助于正確識別水體與灘地界線(圖2)。

(a) 2011年Landsat TM近紅外波段灰度影像 (b) 2011年Landsat TM數據

(c) 2003年Landsat ETM+數據 (d) 2013年Landsat8 OLI數據

圖2遙感數據的波段突變曲線

Fig.2Bandcatastrophecurveofremotesensingimages

從圖2可以看出，Landsat TM和ETM+遙感影像中除了B4波段以外，其他波段水體與鹽殼之間沒有明顯的突變，因此歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)能更有效地識別湖泊水體與鹽殼和鹽沼的界線。Landsat8 OLI影像中在B5波段水體與鹽殼、灘地之間的突變更為明顯，結果表明其近紅外波段最適合識別OLI影像水體與鹽殼、灘地的界線。首先，對1972—2011年間遙感影像利用NDVI指數提取水體，對2013年和2014年的遙感影像借助近紅外波段(B5波段)利用單波段灰度閾值法[8]進行水體檢測(表2)； 然后，結合人工目視解譯對檢測結果進行修正； 最后，對檢測結果進行面積計算(圖3)。

表2 遙感影像波段閾值范圍Tab.2 Bands threshold range of remote sensing images

(a) 19720901 (b) 20000706(c) 20030731(d) 20060605

(e) 20080610 (f) 20110713(g) 20130702(h) 20140721

圖3瑪納斯湖水域面積時空變化

Fig.3SpatialevolutioninManasLake

3 結果與分析

3.1 瑪納斯湖水域面積時空變化

利用8期遙感影像檢測的結果表明，瑪納斯湖近40 a間水域面積變化可分為3個階段(圖4)。

第一階段是從20世紀70年代至1999年，表現為湖泊迅速萎縮并干涸。1972年瑪納斯湖水域面積為9.41 km2； 從1973—1999年長達26 a間瑪納斯湖為干涸狀態。

第二階段是2000—2008年間，表現為湖泊迅速增大后開始遞減。從1999年開始瑪納斯湖水域恢復，2000年湖泊水域面積達248.69 km2，2000年以后瑪納斯湖水域面積開始萎縮，2003年，2006年和2008年分別為199.91 km2，73.51 km2和5.15 km2。

第三階段是從2009年至今，表現為水域面積呈現波動性變化。2009—2010年間湖水干涸，2011年湖水又得到恢復，水域面積為243.48 km2。從2013年開始瑪納斯湖再次出現水域面積減小的情況，2013年和2014年的水域面積分別為108.12 km2和5.48 km2，2015年瑪納斯湖已經干涸，形成鹽沼和鹽殼為主的景觀。因此，推測瑪納斯湖在近幾十a來，已演變成為間歇性湖泊，當洪水期或補給河流中上游水量富余時，該湖可被水充填，但水面很淺，周期大約3～4 a。

重心點是研究物體運動變化的一個重要指標。通過采用重心點轉移模型來研究不同時期湖泊的空間變化，既可以反映湖泊水域面積在空間上的均勢程度，還可以說明湖泊水域在空間上的擴張或退縮情況。利用湖泊重心轉移模型[9]對瑪納斯湖進行研究，模型表達式為

(1)

(2)

式中：Xt和Yt分別為第t年湖泊分布重心的經緯度坐標；Cti為第t年第i個湖泊水域的面積；Xi和Yi分別為第i個湖泊水域的經緯度坐標。瑪納斯湖重心位移結果如圖5所示。

圖5 瑪納斯湖重心位移Fig.5 Lake center migration of Manas Lake

從圖5可以發現，在1972—2014年近40 a間，瑪納斯湖水域重心主要往西南方向偏移。其中除1972年和水域面積較大的2000年、2011年湖泊重心點在湖盆的東北部分外，在其他研究時期，瑪納斯湖重心由于水域面積的縮小和修建于干涸湖盆上鹽場的不斷擴大而一直往西南方向轉移。

3.2 湖泊水域面積變化分析

為了更好地描述不同時期湖泊水域面積的變化程度,引入了變化幅度指數(R)和動態度指數(Rs)[10]。R主要用以反映水域面積變化總態勢，Rs則用以進一步表達一定時間內湖泊面積變化的速度，其表達式分別為

R=(Ub-Ua)/Ua×100%,

(3)

Rs=(Ub-Ua)/UaT×100%,

(4)

式中：Ua和Ub分別為研究初期和末期水域面積；T為研究時間段。近40 a間研究區湖泊水域面積變化幅度和動態度的計算結果如表3所示。

表3 瑪納斯湖水域面積變化、變化幅度和動態度Tab.3 Area change and change extent of waterarea of Manas Lake

瑪納斯湖水域面積呈現明顯“增加—減小—增加—減小”變化態勢。其中1972—2000年間，變化幅度為2 542.83%，這主要是由于1999年瑪納斯河上游水庫潰壩，大量洪水流入湖泊后[11]，水域面積得到了大幅增長，使得瑪納斯湖水域面積的變化幅度發生了研究期間的第一次突變，水域面積也達到了有記錄以來的第二次高點(248.69 km2)。2000—2008年間，瑪納斯湖水域面積保持著持續減小的趨勢，至2008年，已有92.99%水域面積干涸，在此時間段內年均減少幅度為24.70%。2008—2011年間，瑪納斯湖水域面積出現了研究期間第二次突變，變化幅度高達4 627.77%，其原因依然是由于2010年8—9月間瑪納斯河流域中上游遭遇洪水災害，水庫向下游大量放水所致，這也使得瑪納斯湖重新得到了恢復，水域面積達到了有記錄以來的第三次高點(243.48 km2)。2011—2014年間，瑪納斯湖水域面積又開始出現減幅趨勢。但對比2000—2008年間，在此時間段內年均減少幅度為61.36%，遠高于前者的年均減少幅度，且僅在2013—2014年1 a間就有94.93%水域面積消失，表明在此時間段瑪納斯湖萎縮態勢較之以前呈現明顯加劇。從1972—2014年間總體上看，瑪納斯湖有99.44%的水域面積發生過干涸，幾乎經歷了再生湖的過程。

4 湖泊水域面積變化驅動因素分析

4.1 自然因素

眾多干旱區氣候的近期研究結果表明，干旱區氣候正在由暖干轉向暖濕[12]。瑪納斯湖所處的流域也同樣經歷著這種氣候轉型，即在溫度持續升高的影響下降水與蒸發均出現增加，并由此導致冰川消融加快，河川徑流量增加，瑪納斯河上游肯斯瓦特水文站的年徑流量從1954年的9.8×108m3增長到2010年的16.61×108m3也證明了這一點(圖6)。

圖6 瑪納斯河肯斯瓦特水文站年徑流量Fig.6 Runoff volume of Kensiwate hydrological station

但作為尾閭湖的瑪納斯湖卻與此相反，近40 a間水域面積不僅沒有增長和保持，卻不斷萎縮，并多次出現干涸。采用相關分析法分析水域面積與氣溫、降水及蒸發的相關關系。與氣溫、降水量呈正相關，相關系數分別為0.211和0.563，與蒸發量呈負相關(-0.287)， 但相關性均不顯著。

然而，研究表明自20世紀80年代中期以來，新疆極端氣候事件頻繁發生，暴雨及其導致的洪災呈上升趨勢[13]。受此影響，瑪納斯河流域的夏季洪水，尤其是超標準洪水(超過多年最大洪峰流量平均值的洪水)的發生頻率也不斷增多，瑪納斯河多年最大洪峰流量平均值為369.4 m3·s-1[14]，瑪納斯河極值洪峰流量如圖7所示。

圖7 瑪納斯河極值洪峰流量Fig.7 Maximum runoff of Manas River

由圖7可以看出，以1993年為界，之前的21 a間只出現2次超標準洪水，而之后的17 a間就出現有12次超標準洪水，且無論從頻次還是規模上，后者都遠大于前者。對比瑪納斯湖水域面積變化，2000年和2011年出現的2次峰值，原因皆是由于1999年和2010年8—9月份瑪納斯河流域中上游發生的特大洪水災害。由此可以認為，在僅考慮自然因素的前提下，瑪納斯湖水域面積變化與氣溫和降水的關系并不密切，但與極端高溫和降水天氣引起的超標準洪水關系密切。

4.2 人文因素

瑪納斯河流域主要包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子市以及兵團農8師的部分團場。1970年流域內只有28.95萬人，2014年底流域內總人口則達到了103.43萬人(圖8)。

圖8 瑪納斯河流域1970—2014年間人口數量和GDP變化Fig.8 Changes of population and GDP in Manas River basin from 1970 to 2014

該流域國內生產總值從1970年的0.51億元增長到2014年的559.4億元，流域內耕地面積持續增加，從1960年的1 882.25 km2、占流域總面積的13.85%，增長到2014 年的6 532.84 km2、占流域總面積的48.07%，人工干渠和支渠總長度分別由1976年的920 km和722 km增長到2014年的1 170 km和1 260 km。根據2014年統計數據，該流域內第一、第二和第三產業的增加值分別為206億元、195億元和153億元，3種產業結構比為37∶35∶28，流域內主導經濟為農業。而由瑪納斯河多年放水統計資料提供的流量及沿河各灌區引水分配情況來看，瑪納斯河水絕大部分被人工利用，剩余水量按70%的河道損耗并考慮蒸發、下滲因素，理論上平均每年補給瑪納斯湖的徑流量不足0.4×108m3，引水后的瑪納斯河水對湖泊的貢獻微乎其微。因此，隨著天山北坡經濟帶的發展、人口的增多和城市化趨勢的日益增長，瑪納斯河流域中上游天然河網多數已被人工河網替代，流域土地被開墾為農業用地，發展灌溉農業，最終導致瑪納斯河下游斷流，從而無水補給瑪納斯湖。

5 結論與討論

1)根據遙感數據分析，瑪納斯湖近40 a間水域面積變化可分為3個階段： 第一階段是從20世紀70年代至1999年，表現為湖泊迅速萎縮并干涸的逆向演化； 第二階段是2000—2008年間，表現為湖泊迅速恢復的正向演化后再次進入逆向遞減； 第三階段是從2009年至今，表現為水域波動性變化周期。根據面積變化幅度和動態度的計算表明，瑪納斯湖水域面積的退縮周期在縮短，退縮速度在加快。

2)近40 a間，瑪納斯湖水域面積的變化趨勢與瑪納斯河水量的變化趨勢不一致，表明瑪納斯湖水域面積變化整體受氣候變化的影響不大，但與極端高溫和降水天氣引起的超標準洪水關系密切。

3)流域內人類活動依然是瑪納斯湖演化的主要原因，并且受此影響，使得瑪納斯河上游對下游及瑪納斯湖的供給水資源功能不斷下降。同時，瑪納斯湖水域重心不斷往西南方向偏移，也是由于1958年在湖盆上建設鹽場，擔負著新疆重要的原鹽及食鹽生產供應重任，其鹽場面積的不斷擴張打破了瑪納斯湖原有的重心位置范圍，從而進一步加劇了瑪納斯湖萎縮的局面。

4)在內陸干旱區，由于大量人工渠網修建及流域水量不合理分配和使用而導致的下游湖泊萎縮、干涸，必將引起很多甚至是毀滅性的環境問題。瑪納斯湖地處主要風口上，干涸的湖底則更容易成為沙塵起源地。因此，進一步研究準噶爾盆地內湖泊變化與流域水資源優化調控，對改善湖泊生態環境、協調湖泊流域可持續發展及支撐絲綢之路經濟帶核心區建設等方面具有重要的生態意義。

[1] 柯長青.湖泊遙感研究進展[J].海洋湖沼通報,2004(4):81-86.

Ke C Q.A review of monitoring lake environment change by means of remote sensing[J].Transactions of Oceanology and Limnology,2004(4):81-86.

[2] 阿布都米吉提·阿布力克木,阿里木江·卡斯木,艾里西爾·庫爾班,等.近40年臺特瑪—康拉克湖泊群水域變化遙感監測[J].湖泊科學,2014,26(1):46-54.

Ablekim A,Kasimu A,Kurban A,et al.Monitoring the water area changes in Tetima—Kanglayka Lakes region over the past four decades by remotely sensed data[J].Journal of Lake Sciences,2014,26(1):46-54.

[3] 成 晨,傅文學,胡召玲,等.基于遙感技術的近30年中亞地區主要湖泊變化[J].國土資源遙感,2015,27(1):146-152.doi:10.6046/gtzyyg.2015.01.23.

Cheng C,Fu W X,Hu Z L,et al.Changes of major lakes in Central Asia over the past 30 years revealed by remote sensing technology[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1):146-152.10.6046/gtzyyg.2015.01.23.

[4] 張振瑜,王乃昂,吳 月,等.1973—2010年巴丹吉林沙漠腹地湖泊面積空間變化的遙感分析[J].湖泊科學,2013,25(4):514-520.

Zhang Z Y,Wang N A,Wu Y,et al.Remote sensing on spatial changes of lake area in Badain Jaran Desert hinterland during 1973—2010[J].Journal of Lake Sciences,2013,25(4):514-520.

[5] 張 飛,王 娟,塔西甫拉提·特依拜,等.1998—2013年新疆艾比湖湖面時空動態變化及其驅動機制[J].生態學報,2015,35(9):2848-2859.

Zhang F,Wang J,Tashpolat T,et al.The spatial and temporal dynamic changes and driving forces in the surface area of Ebinur Lake from 1998—2013[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(9):2848-2859.

[6] 封 玲,田曉明.瑪納斯河流域農業開發與水資源分配格局的改變及其生態效應[J].中國農史,2006,25(1):119-126,133.

Feng L,Tian X M.The change of water resource distribution and its ecological effects caused by the agriculture development in Manasi River Valley in modern time[J].Agricultural History of China,2006,25(1):119-126,133.

[7] 郭敬輝,湯奇成,郭知教,等.新疆水文地理[M].北京:科學出版社,1966:36-41.

Guo J H,Tang Q C,Guo Z J,et al.Hydrological Geography in Xinjiang[M].Beijing:Science Press,1966:36-41.

[8] 李 暉,肖鵬峰,馮學智,等.近30年三江源地區湖泊變化圖譜與面積變化[J].湖泊科學,2010,22(6):862-873.

Li H,Xiao P F,Feng X Z,et al.Lake changes in spatial evolution and area in source region of Three Rivers in recent 30 years[J].Journal of Lake Sciences,2010,22(6):862-873.

[9] 李 磊,李艷紅,陳成賀日,等.1972—2011年期間艾比湖面積變化研究[J].濕地科學,2014,12(2):263-267.

Li L,Li Y H,Chen C H R,et al.Change of Ebinur Lake area during 1972—2011[J].Wetland Science,2014,12(2):263-267.

[10] 許 詩,劉志明,王宗明,等.1986—2008年吉林省湖泊變化及驅動力分析[J].湖泊科學,2010,22(6):901-909.

Xu S,Liu Z M,Wang Z M,et al.Dynamics of lake area changes and its driving force analysis in Jilin Province from 1986 to 2008[J].Journal of Lake Sciences,2010,22(6):901-909.

[11] 姚永慧,汪小欽,周成虎,等.新疆瑪納斯湖近50年來的變遷[J].水科學進展,2007,18(1):17-23.

Yao Y H,Wang X Q,Zhou C H,et al.Changes of Manas Lake in the past 50 years in Xinjiang Province[J].Advances in Water Science,2007,18(1):17-23.

[12] Estrella N,Menzel A.Recent and future climate extremes arising from changes to the bivariate distribution of temperature and precipitation in Bavaria,Germany[J].International Journal of Climatology,2013,33(7):1687-1695.

[13] 趙 勇,黃丹青,朱 堅,等.北疆極端降水事件的區域性和持續性特征分析[J].冰川凍土,2011,33(3):524-531.

Zhao Y,Huang D Q,Zhu J,et al.The feature analysis of regional and persistent extreme precipitation events in Northern Xinjiang Region[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2011,33(3):524-531.

[14] 鄒 全,王國亞,賀 斌,等.1957—2010年天山瑪納斯河流域夏季徑流及洪水過程對極端氣候事件的響應[J].冰川凍土,2013,35(3):733-740.

Zou Q,Wang G Y,He B,et al.Responding of summer runoff and flood processes to extreme climate events in Manas River basin,Tianshan Mountains during 1957—2010[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2013,35(3):733-740.