咸海近20年的水文特征變化分析

摘要：主要基于MODIS數(shù)據(jù)和DAHITI水位數(shù)據(jù)庫(kù)，分析了咸海2000—2020年的水文特征變化，并對(duì)該變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了探究。咸海近20年的水體面積持續(xù)萎縮，根據(jù)咸海水體面積的萎縮強(qiáng)度，可分為兩個(gè)階段：2000—2009年為咸海面積迅速萎縮階段，共縮小了17.71×103"km2，水量減少了67.94"km3；2010年后面積萎縮速度明顯放緩，2010—2020年共縮小了7.4×103"km2，水量減少了14.92"km3。2000—2020年，北咸海面積變化較穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)；東咸海面積變化趨勢(shì)與咸海整體面積變化趨勢(shì)基本一致；西咸海面積變化較為和緩，呈持續(xù)緩慢下降趨勢(shì)。人類活動(dòng)尤其是耕地和水庫(kù)的擴(kuò)張是咸海面積和水量持續(xù)萎縮的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞："咸海"面積"水量變化"MODIS影像

中圖分類號(hào)：P333

Changes"in"the"Hydrographic"Characteristics"of"the"Aral"Sea"over"the"Past"20"Years

CHEN"Yi""LAI"Xiaoting""LIANG"Peiyi

（"School"of"Geographynbsp;and"Remote"Sensing，"Guangzhou"University，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510006"China）

Abstract："Based"on"MODIS"data"and"the"DAHITI"water"level"database，"this"paper"mainly"analyses"changes"in"the"hydrological"characteristics"of"the"Aral"Sea"from"2000"to"2020，"and"explores"the"driving"forces"of"the"changes."The"water"area"of"the"Aral"Sea"has"been"shrinking"for"the"last"20"years."According"to"the"shrinkage"intensity"of"the"water"area"of"the"Aral"Sea，"the"shrinking"process"can"be"divided"into"two"stages."From"2000"to"2009，"the"water"area"of"the"Aral"Sea"rapidly"shrank，with"a"total"shrinkage"of"17.71×103"km2"and"a"decrease"of"67.94"km3"in"water"volume."After"2010，"the"shrinking"speed"of"water"area"slowed"down"considerably，"with"a"total"shrinkage"of"7.4×103"km2"and"a"decrease"of"14.92"km3"in"water"volume"from"2010"to"2020."From"2000"to"2020，"the"area"of"the"north"Aral"Sea"changed"relatively"steadily"with"a"trend"of"slow"increase，"the"change"trend"of"the"area"of"the"east"Aral"Sea"was"basically"consistent"with"the"change"trend"of"the"whole"area"of"the"Aral"Sea，"and"the"area"of"the"west"Aral"Sea"changed"relatively"slowly，"with"a"continuous"and"slow"downward"trend."Human"activities，"especially"the"expansion"of"arable"land"and"reservoirs，"were"the"key"factors"of"the"continuing"shrinkage"of"the"area"and"water"volume"of"the"Aral"Sea.

Key"Words："Aral"Sea;"Area;"Water"volume"change;"MODIS"image

咸海位于中亞干旱區(qū)，是典型的內(nèi)陸湖泊。由于近幾十年的氣候變化和不合理的水資源開(kāi)發(fā)利用，咸海面積大幅度萎縮[1]，水位發(fā)生了明顯的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如漁業(yè)資源枯竭、飲用水資源短缺等[2]。因此，展開(kāi)咸海的水文變化特征研究為解決咸海生態(tài)問(wèn)題提供數(shù)據(jù)參考。本文利用長(zhǎng)時(shí)間序列的中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution"Imaging"Spectroradiometer，MODIS）數(shù)據(jù)和內(nèi)陸水域水文時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)（Database"for"Hydrological"Time"Series"over"Inland"Waters，"DAHITI）水位數(shù)據(jù)庫(kù)，提取了2000—2020年湖泊的水面、水位和水量變化信息，分析了咸海水文特征的時(shí)空變化過(guò)程，并對(duì)湖泊變化的主要因素進(jìn)行了探討。

1"研究區(qū)概況

咸海位于哈薩克斯坦與烏茲別克斯坦兩國(guó)的交界處，地處中亞干旱地區(qū)。屬于溫帶沙漠性氣候，降水稀少，蒸發(fā)旺盛，年平均氣溫約為9.4"℃，年降水量位于100～140"mm之間，湖泊以河流補(bǔ)給為主，是中亞兩大內(nèi)陸河阿姆河和錫爾河的尾閭湖。1960年以前，咸海湖面面積穩(wěn)定，約為6.8×104"km2，水位約為53.4"m；1960年以后，由于人類大規(guī)模引用阿姆河和錫爾河的水作為農(nóng)田灌溉及生活用水，導(dǎo)致入湖徑流量減少，咸海水域迅速萎縮，水位下降明顯[3]。1987年，咸海分裂為北咸海和南咸海兩個(gè)水域，2003年南咸海進(jìn)一步分裂，使得咸海最終分裂為北、東、西3個(gè)水域[4]。

2"數(shù)據(jù)與處理

2.1湖泊水位數(shù)據(jù)

本研究所用的咸海水位數(shù)據(jù)來(lái)自內(nèi)陸水域水文時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)（DAHITI）。水位獲取基于各類型的雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，包括Topex/Poseidon、ERS-2、Jason-1、Jason-2、Jason-3等。DAHITI數(shù)據(jù)庫(kù)包含全球457個(gè)內(nèi)陸水體的時(shí)間序列水位結(jié)果，精度約為4～36"cm。

2.2"MODIS影像

本研究采用MOD09A1產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其傳感器搭載在Terra/MODIS衛(wèi)星上，該產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行了大氣校正，時(shí)間分辨率為8d，空間分辨率為500"m，包括7個(gè)波段[5]。2000—2020年，每年選取兩景影像，分別位于夏季（約第225d）和冬季（約第313d），共42景，以便分析咸海近20年水文特征的季節(jié)性變化。

2.3"降水?dāng)?shù)據(jù)

本文利用2000—2019年的降水產(chǎn)品Tropical"Rainfall"Measuring"Mission（TRMM-3B43）數(shù)據(jù)來(lái)分析咸海流域的降水變化。TRMM的覆蓋范圍為50°S～50°N，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為30"d，時(shí)間段跨度為1998—2019年。

2.4"數(shù)據(jù)處理

2.4.1"咸海湖泊水域面積提取

本文采用監(jiān)督分類法提取咸海的水域范圍。不同地物在MOD09A1數(shù)據(jù)上的光譜特征不同，本文定義的分類系統(tǒng)包含4種地物類型，分別是水體、裸地、植被和其他地物，通過(guò)建立感興趣區(qū)域（Region"Of"Interest，ROI）來(lái)設(shè)置訓(xùn)練樣本，采用SVM分類器對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并對(duì)分類結(jié)果通過(guò)目視解譯進(jìn)行人機(jī)交互修改漏提和多提的水域。最后，根據(jù)空間位置，將咸海的水域范圍提取出來(lái)，并計(jì)算水域面積[6]。

2.4.2"咸海湖泊水量變化計(jì)算

假設(shè)湖泊水量變化近似一個(gè)橢圓臺(tái)體，建立水位、面積—體積關(guān)系，利用湖泊的橫截面面積以及水位高度差可計(jì)算湖泊水量的變化量。

式（1）中：L2-L1表示水位變化量；A1表示水位為L(zhǎng)1時(shí)的湖泊面積；A2表示水位為L(zhǎng)2時(shí)的湖泊面積。

本文利用2000—2020年遙感影像數(shù)據(jù)和水位高度數(shù)據(jù)分別得到了東咸海、西咸海和北咸海的夏季和冬季面積數(shù)據(jù)共126個(gè)、水位數(shù)據(jù)共112個(gè)，根據(jù)面積、水位的時(shí)間一致性進(jìn)行匹配，并計(jì)算咸海水量的變化量，分別得到東咸海、西咸海和北咸海夏季和冬季水量的變化數(shù)據(jù)共109個(gè)。

3"研究結(jié)果

本研究獲得了2000—2020年間咸海夏季、冬季的面積變化與水量變化量情況（如圖1和圖2所示）。其中，由于2000—2002年南咸海的部分水位數(shù)據(jù)缺失，2000—2002年的南咸海水域面積變化與水量變化情況未在圖1和圖2中顯示。

如圖1和圖2所示，2000—2020年，咸海夏季與冬季的整體面積變化趨勢(shì)基本一致，都呈現(xiàn)出持續(xù)萎縮、階段性變化明顯的特點(diǎn)。例如：咸海夏季總面積由2000年的26.28×103"km2縮小至2020年的6.31×103"km2，共縮小了19.97×103"km2（約75.99％），年平均減少大約－103"km2，總體水量減少了94.41"km3；咸海冬季總面積則共縮小了19.58×103"km2（約77.03％），年平均減少—0.98×103"km2，總體水量減少了81.50"km3。根據(jù)咸海整體面積萎縮速度，可將其劃分為迅速萎縮與波動(dòng)下降兩個(gè)階段[7]，其中，2000—2009年為咸海面積迅速萎縮階段。以咸海夏季變化為例，共縮小了17.71×103"km2（約66.38％），年平均變化率可達(dá)－1.97×103"km2/a，水量減少了79.49"km3；在2010年面積出現(xiàn)了一定幅度的恢復(fù)后，進(jìn)入波動(dòng)下降階段，其面積萎縮速度明顯放緩，共縮小了7.4×103"km2（約28.16％），年平均變化率為－0.67×103"km2/a，水量減少了14.92"km3。

咸海在1986年分裂為南、北咸海兩部分，在2000年，南咸海夏季面積約占咸海總面積的88.42％，北咸海則約占11.58％，面積相對(duì)較小。北咸海在2000—2020年間的面積變化較為穩(wěn)定，夏季與冬季都呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢(shì)[3]，其中夏季面積由2000年的2.69×103"km2擴(kuò)張至2020年的3.26×103"km2，共擴(kuò)張了0.57×103"km2（約21.19％），水量增加了5.28"km3；冬季面積也擴(kuò)張了0.52×103"km2（約19.62％），水量增加了4.73"km3。

2000—2002年，南咸海的面積變化趨勢(shì)與咸海整體面積變化情況基本一致；2003年，南咸海分裂為東、西咸海兩部分。其中，東咸海作為南咸海分裂后的主體部分，其面積變化與咸海整體面積的變化趨勢(shì)保持著較高的一致性，2003—2020年，東咸海夏季面積共縮小了12.9×103"km2（約95.77%），年平均變化率約為－0.75×103"km2/a；冬季面積共縮小了10.66×103"km2（約96.04%），年平均變化率約為－0.63×103"km2/a。西咸海面積變化則較為和緩，但仍然呈現(xiàn)出持續(xù)緩慢下降的趨勢(shì)。2003—2020年，西咸海夏季面積共縮小了2.82×103"km2（約53％），年平均變化率約為－0.16×103"km2/a；冬季共縮小了2.80×103"km2（約55％），年平均變化率約為－0.16×103"km2/a，夏季與冬季的面積變化與水量變化差異極小。

如圖3所示，對(duì)比咸海流域年降水量和咸海面積數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在2000—2019年間，咸海流域的平均年降水量為301.28"mm，無(wú)明顯突變，數(shù)值基本保持穩(wěn)定；咸海面積則呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，總體面積不斷縮小。可見(jiàn)，咸海的萎縮與降水之間無(wú)明顯關(guān)系。

根據(jù)其他研究表明，咸海湖泊面積的變化原因多種多樣，既有氣候方面的因素，也有人類活動(dòng)方面的因素。一些研究表明，2000—2020"年，為咸海提供水源的阿姆河流域、錫爾河流域的耕地面積增加了約2"291"km2，且整個(gè)流域的水庫(kù)面積共增加了1"183.5"km2，同時(shí)整個(gè)研究區(qū)域的降水和徑流量略有增加。

綜上所述，盡管咸海的萎縮與氣候變化如氣溫上升有聯(lián)系，但人類活動(dòng)對(duì)咸海產(chǎn)生的影響應(yīng)當(dāng)才是其變化的主要原因，而其中修建水庫(kù)蓄水與耕地面積增加可能是咸海持續(xù)萎縮的關(guān)鍵因素。

4"結(jié)論

本研究基于高時(shí)間、空間分辨率的MODIS數(shù)據(jù)、DAHITI水位高度數(shù)據(jù)對(duì)咸海進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)。研究分析咸海湖泊的面積數(shù)據(jù)、水位高度數(shù)據(jù)以及水量變化數(shù)據(jù)，并分析了它們的年際變化和年內(nèi)變化特征，結(jié)論如下。

（1）2000—2020年，咸海總體面積呈持續(xù)萎縮狀態(tài)，咸海水體面積由2000年的26.28×103"km2縮減到2020年的6.31×103"km2，總共縮小了19.97×103"km2，總體水量減少了382.86"km3"。根據(jù)咸海水體面積萎縮速度差異，可分為兩個(gè)階段，2000—2009年為咸海面積迅速萎縮階段，共縮小了17.71×103km2，水量減少了67.94"km3，2010年后面積萎縮速度明顯放緩，共縮小了7.4×103"km2，水量減少了14.92"km3。

（2）2000—2020年，北咸海面積變化較穩(wěn)定，并且面積和水量都呈現(xiàn)緩慢增加；東咸海面積變化趨勢(shì)與咸海整體面積變化趨勢(shì)基本一致；西咸海面積變化較為和緩，面積和水量都呈持續(xù)緩慢下降趨勢(shì)。

（3）咸海湖泊面積的變化受到多種因素影響，包括氣候因素和人為因素。氣候因素中降水與湖泊萎縮的相關(guān)性較低，氣溫與湖泊萎縮呈負(fù)相關(guān)。但其中人為因素，如水庫(kù)數(shù)量增加與耕地面積增加才是使得咸海湖泊萎縮的主要原因。

參考文獻(xiàn)

1. 阿布都米吉提·阿布力克木，葛擁曉，王亞俊，等.咸海的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)[J].干旱區(qū)研究，2019，36（1）：7-18.
2. 王浩軒，黃峰，郭利丹，等.咸海萎縮速率變化及驅(qū)動(dòng)因素分析[J].水文，"2023，43（3）：107-111.
3. 昝嬋娟，黃粵，李均力，等.1990—2019年咸海水量平衡及其影響因素分析[J].湖泊科學(xué)，2021，33（4）：1265-1275.
4. 阿布拉·吐合提.中亞咸海干涸湖床粉塵擴(kuò)散的時(shí)空特征、影響因素及其健康效應(yīng)[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2022.
5. 孫芳蒂，馬榮華.鄱陽(yáng)湖水文特征動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)[J].地理學(xué)報(bào)，2020，75（3）：544-557.
6. 楊雪雯，王寧練，陳安安，等.中亞干旱區(qū)咸海面積變化與人類活動(dòng)及氣候變化的關(guān)聯(lián)研究[J].冰川凍土，"2020，42（2）：681-692.
7. 白金朋.咸海治理進(jìn)程研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2019.