新疆阿勒泰西部地區(qū)水域面積時序變化分析

張永輝

(北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司，北京 100000)

1 引言

水域形態(tài)特征的研究對了解區(qū)域水資源動態(tài)變化、生態(tài)環(huán)境變化、氣候變化以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。遙感技術(shù)的飛速發(fā)展為水域動態(tài)變化的監(jiān)測提供了有利條件。楊日紅等[2]在對色林錯湖的遙感數(shù)據(jù)進行分析，得出可能是由于溫室效應(yīng)使得湖水面積增大的結(jié)論；殷立瓊等[3]利用Landsat遙感數(shù)據(jù)，研究了近15年來太湖面積變化狀況，并分析了引起太湖水域面積減小的原因；謝元禮等[4]利用多期TM影像數(shù)據(jù)，提取渭河寶雞段的水域范圍，并通過總結(jié)近20年間水域面積的變化情況，分析了該區(qū)域水環(huán)境的變化情況和水工程治理的實際效果；李輝等[5]基于MODIS影像對鄱陽湖湖面積及與水位關(guān)系進行研究，常利等[6]基于資源三號衛(wèi)星對丹江口水庫面積季節(jié)變化進行遙感監(jiān)測，張行清等[7]基于HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對廣西水庫面積進行了監(jiān)測；迪麗努·爾阿吉等[8]選用了不同時期的LANDSAT衛(wèi)星遙感影像，對新疆典型湖泊水域面積的動態(tài)變化展開了監(jiān)測和研究。然而這些研究仍然存在：①對水體檢測和邊界提取缺乏不同方法結(jié)果的對比分析，整體解譯精度有待提高；②缺乏足夠有效的資料支持和合理的研究方法，很難定量說明水域形態(tài)特征變化的主導(dǎo)原因等問題。

為此，本文以新疆阿勒泰西部地區(qū)河流湖泊為研究對象，研究該地區(qū)水域動態(tài)變化規(guī)律以及變化趨勢，充分利用遙感、氣象、水文等資料分析引起水域面積發(fā)生變化的主要因素，從而為合理開發(fā)和持續(xù)利用新疆湖泊資源以及制定湖泊資源保護政策提供有價值的參考，并對新疆地區(qū)應(yīng)對湖泊的鹽漬化、修建水庫、抽水補給、工農(nóng)業(yè)發(fā)展做出合理的建議。

2 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)下轄六縣一市[9]，即阿勒泰市、布爾津縣、哈巴河縣、吉木乃縣、福海縣、富蘊縣、青河縣，本文以位于阿勒泰地區(qū)西部的前6個縣市作為研究區(qū)。阿勒泰地處歐亞大陸中心腹地，遠離海洋，屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)。由于受路經(jīng)西部山口、塔城和布克賽爾、阿爾泰山東部山谷不同性質(zhì)氣流的影響，在加上地形復(fù)雜，高度懸殊，地面性質(zhì)差異等原因，從而形成了春旱多風(fēng)、夏短少炎、秋高氣爽、冬季漫長和多大風(fēng)的氣候特點[10,11]。

阿勒泰地區(qū)是新疆豐水區(qū)之一。有額爾齊斯河、烏倫古河、吉木乃山溪三大水系，大小河流共56條，年總徑流量133.7億m3，其中，地表徑流量為122.5億m3，占自治區(qū)地表徑流量的14.7%。開發(fā)利用的地表徑流量僅28億m3，其余都流入哈薩克斯坦共和國境內(nèi)。全區(qū)有各類水庫共48座(其中大型水庫2座、中型水庫11座、小型水庫35座)，總庫容9.36億m3。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本文獲取的數(shù)據(jù)包括氣象、遙感等數(shù)據(jù)，具體如下所述。

(1)氣象數(shù)據(jù)：本研究選用的氣象數(shù)據(jù)為阿勒泰氣象觀測站2000～2013年各月溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)及年平均溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)均由中國氣象局國家氣候中心網(wǎng)站(https://www.ncc-cma.net/cn/)免費提供。

(2)影像資料：藏北7、8、9月份為雨季，收集該時相的遙感影像具有很強的對比性且該時期有利于植被的提取。本研究所用的影像資料包括研究區(qū)的2000～2013年7、8、9月份的多期影像數(shù)據(jù)。影像范圍中包含有新疆第二大淡水湖烏倫古湖以及額爾齊斯河，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.cnic.cas.cn/)。本文對阿勒泰地區(qū)多期遙感影像數(shù)據(jù)進行幾何校正、裁剪等預(yù)處理。

3.2 研究方法

基于該區(qū)域的Landsat TM/ETM+/OLIS影像，本文采用“綜合分析法”逐期對影像中的水體等進行解譯，對最優(yōu)的處理結(jié)果進行面積統(tǒng)計并分析變化趨勢。利用MAPGIS6.7軟件對耕地進行矢量化，并統(tǒng)計其面積。結(jié)合該地區(qū)近14年來的降水量與氣溫的數(shù)據(jù)信息，從水文氣象的角度分析引起阿勒泰地區(qū)水域面積變化的主要因素。

前人提出的水體提取的方法有很多，使用較為廣泛的有歸一化水體指數(shù)法[12]NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)和改進的歸一化水體指數(shù)法[13]MNDWI=(Green-SWIR)/(Green+SWIR)。本文通過分析阿勒泰西部地區(qū)的光譜亮度值(圖1)，嘗試用基于閾值的比值法提取水體，公式為：

(1)

式(1)中：SWIR2為中紅外波段，為TM/ETM+、OLI_TIRS影像中的第7波段；Blue為藍色波段，TM/ETM+的第1波段、OLI_TIRS的第2波段。

通過實驗對比NDWI、MNDWI和比值法的提取結(jié)果，發(fā)現(xiàn)將閾值取為[0.24,0.75]的比值法，提取效果優(yōu)于NDWI和MNDWI，水域解譯精度可達90%左右，能較好地滿足實驗要求，因此選用比值法提取水域面積。

圖1 水體、耕地、裸地和建筑物的波譜特征

4 結(jié)果

4.1 水域面積變化

根據(jù)水體提取統(tǒng)計的數(shù)據(jù)結(jié)果(表1)，2000～2013年水域面積總體增長126.93 km2，其中，2000～2005年水域面積減少了28.268 km2。統(tǒng)計結(jié)果表中，水域面積變化規(guī)律呈波動變化趨勢，2000～2005年呈持續(xù)遞減趨勢，2005～2013年水域面積持續(xù)增加，且2013年達到最大值。總體來看，研究區(qū)域的水域面積呈增長趨勢。

表1 水域面積統(tǒng)計

4.2 耕地面積變化

因為植被和耕地難以區(qū)分，本文采用目視解譯及與高分辨率影像(Googleearth)相結(jié)合的方法將耕地從植被中分離，對其進行矢量化，并統(tǒng)計其面積。對解譯出的矢量文件中選取檢驗點：計算經(jīng)緯度，利用Google Earth查詢，檢驗點落在耕地區(qū)域內(nèi)，視為該點正確。經(jīng)計算耕地解譯精度在85%以上，能夠滿足分析要求。和通過遙感影像的對比發(fā)現(xiàn)，人為的耕地面積在不斷的擴大，且主要集中在額爾齊斯河流域北岸，以及烏倫古湖周圍。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表2)可知，2000～2013年耕地面積呈持續(xù)增長趨勢。2000年耕地面積為2090.886 km2，2013年的耕地面積增加到了3195.376 km2，間隔13年，面積增加了1104.49 km2。

5 分析

5.1 氣象與水域面積變化的關(guān)系

從圖2可以看出，阿勒泰地區(qū)7、8、9月溫度和降雨變化趨勢與該時間段(表1)的水域面積變化趨勢相一致，并且全區(qū)的年均溫度持續(xù)升高，近年來該區(qū)水域面積也不斷增加。這反映了溫度的變化對該區(qū)的河流-湖泊面積的變化有著直接的關(guān)系。

表2 耕地面積統(tǒng)計

經(jīng)分析可知：隨著全球氣候變暖，我國西北地區(qū)溫度呈持續(xù)升高[14～20]，氣溫的升高，使得水的蒸發(fā)量增加與蒸發(fā)速度加快，促進了區(qū)域性的水汽循環(huán)，新疆地區(qū)的氣候由暖干型向暖濕型轉(zhuǎn)變，氣溫的升高，致使阿勒泰地區(qū)降水量呈上升趨勢，研究區(qū)水域面積則隨著氣象條件的變化做出一系列反應(yīng)。同時，氣溫的升高會導(dǎo)致該區(qū)域的阿爾泰山冰雪融化速度加快，雪線上升，冰雪融水量增加，而這些現(xiàn)象可對研究區(qū)域的地表徑流、地下徑流產(chǎn)生直接的影響，促使徑流量增大、徑流速度加快，使得河流、湖泊水位上升，總體水域面積增加。

圖2 7～9月溫度和降雨變化

5.2 人類活動與水域面積變化的關(guān)系

由研究區(qū)域的統(tǒng)計信息得出，人為的耕地面積在不斷擴大，近年來呈不斷的增長趨勢。隨著人口、耕地、畜牧業(yè)的大幅度增長，人們?yōu)榱藠Z取農(nóng)牧業(yè)豐收而不斷完善引水條件，不斷修建水庫、攔河大壩、河渠，由單純的引水發(fā)展到引儲兼?zhèn)洌蟠蟾淖兞怂值目臻g分配規(guī)律。

由于人口的增多，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)經(jīng)濟化的快速發(fā)展，人們需要不斷地擴大耕地、牧場規(guī)模，興修水庫、水電站、引水渠，這些水利土木的開發(fā)對河流徑流、湖泊注水量產(chǎn)生很大的影響。在研究的區(qū)域中，人為干擾對烏倫古湖的影響較大。烏倫古湖水位的升降有氣候方面的原因，更重要的卻是人類活動的影響。1970年以前，烏倫古河是烏倫古湖水量唯一補給來源，烏倫古湖水位升降及水質(zhì)變化，由烏倫古河流入的水量所決定。1970年修建引額爾齊斯河水濟布倫托海工程，但引水量很小；1987年以后，“引額濟海”擴建工程竣工，使烏倫古湖水位變化從純天然狀態(tài)變?yōu)樘烊患尤藶楦深A(yù)的狀態(tài)。烏倫古湖流域不再是封閉流域。當(dāng)烏倫古河水量減少乃至斷流時，湖泊補水主要依靠額爾齊斯河。近10多年烏倫古湖的湖岸向東北推進情況比較明顯，在湖的東北角形成了數(shù)個新的小型湖水域[21～24]。

隨著人們對生態(tài)環(huán)境和濕地重要性認(rèn)識的進一步提高，以及國家“退耕還林”、“三北防護林工程”、“天然林保護工程”等政策的實施，2001年成立了阿勒泰科克蘇濕地自然保護區(qū)，2008年新疆阿勒泰山濕地成為歐盟資助項目，2009年阿勒泰市向科克蘇濕地自然保護區(qū)進行生態(tài)補水等一系列政策，使得額爾齊斯河流域濕地得到一定的修養(yǎng)和恢復(fù)，這些成為該區(qū)天然濕地面積擴大的政策驅(qū)動。此外，該區(qū)雖然水資源相對較豐富，但空間分布不均勻，額爾齊斯河上游和烏倫古河的徑流量年際變化較大，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展不利，為調(diào)節(jié)該區(qū)用水問題，修建了人工水庫坑塘等。這些人為修建水庫成為該區(qū)人工濕地面積增加的人文動因，同時人工水庫坑塘也為水澆地的開墾提供了客觀條件，使得水澆地面積持續(xù)增加，這些都成為該區(qū)人工濕地面積有所增加的人為影響。

6 結(jié)論

通過對遙感數(shù)據(jù)與氣候數(shù)據(jù)的綜合分析，阿勒泰地區(qū)湖泊面積自2005年以來呈增長的趨勢。研究分析認(rèn)為，阿勒泰地區(qū)水域面積變化的原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)隨著近年來溫度的升高，導(dǎo)致高山積雪融化加速，積雪量不斷減少，從而加大了河流湖泊的補給量。

(2)降水量的增多，直接引起河流補給量的增多，從而引起水域面積的增大。

(3)經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年來阿勒泰地區(qū)耕地面積不斷擴大，對耕地的灌溉大多采用大水漫灌的方式，人為的將水從河流中上游引到下游，可直接使尾閭湖的水位抬高，面積增大。

(4)近年來，人類大量修建水庫、水電站，硬化地面，人為的調(diào)配水資源、改變水資源的分布格局，導(dǎo)致河流終端湖泊水位上升，面積增大。