新疆瑪納斯湖近40年間時(shí)空變化圖譜及其驅(qū)動(dòng)機(jī)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(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054； 2.新疆維吾爾自治區(qū)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)

0 引言

湖泊是地球五大圈層相互作用的連接點(diǎn)，由于其形成與消失、擴(kuò)張與收縮引起的生態(tài)環(huán)境演化過(guò)程也必將是全球、區(qū)域和局部人類(lèi)活動(dòng)與氣候事件共同作用的結(jié)果[1]。在我國(guó)西北部干旱區(qū)，脆弱的生態(tài)系統(tǒng)更易受到周?chē)h(huán)境變化的影響，作為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要指標(biāo)，湖泊具有特殊的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義。但隨著這一區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，河流下游湖泊水域面積急速萎縮、水質(zhì)惡化，甚至導(dǎo)致湖泊干涸等生態(tài)問(wèn)題日益嚴(yán)重。在此過(guò)程中，湖泊水域面積的變化因能直觀反映流域自然環(huán)境變化而受到了研究人員的廣泛關(guān)注[2-5]。

新疆瑪納斯河流域位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的核心區(qū)域，為新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)和我國(guó)第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[6]。近50 a來(lái)，隨著流域內(nèi)綠洲迅速擴(kuò)大，水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)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(zhǔn)噶爾盆地荒漠生態(tài)系統(tǒng)中部，又處于盆地老風(fēng)口上，湖泊濕地喪失使干涸湖底成為沙塵物源地，在西風(fēng)影響下給周?chē)鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)毀滅性打擊。因此，瑪納斯湖水域面積減小而引起的區(qū)域性生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已成為當(dāng)前絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)建設(shè)前提下關(guān)系到新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展全局的緊迫問(wèn)題。

1 研究區(qū)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(zhǔn)噶爾拗陷內(nèi)，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(zhǎng)為51 km，最大寬度為15.2 km，文獻(xiàn)記載瑪納斯湖最大水域面積出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，達(dá)550 km2[7]。湖區(qū)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(qū)年日照時(shí)數(shù)為2 742.2 h，無(wú)霜期為174 d； 年均降水量為63.7 mm，蒸發(fā)量為3 110.5 mm，相對(duì)濕度為48%。盛行西北風(fēng)，年均風(fēng)速為3.3 m/s。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

選取Landsat MSS，TM，ETM+和OLI系列8期遙感影像作為主要的數(shù)據(jù)源(表1)，數(shù)據(jù)條件為研究區(qū)域范圍內(nèi)無(wú)云霧等影響。利用ENVI4.8對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正、圖像鑲嵌和圖像裁剪等預(yù)處理工作。其中2003年5月31日以后的Landsat7衛(wèi)星ETM+數(shù)據(jù)存在條帶噪聲影響，對(duì)2003年，2006年和2008年的ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行了修復(fù)。由于研究區(qū)景觀類(lèi)型比較單一，大部分區(qū)域以湖泊和裸地為主，所以修復(fù)后對(duì)研究結(jié)果影響不大，可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。氣象數(shù)據(jù)取自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人口等數(shù)據(jù)來(lái)自新疆統(tǒng)計(jì)年鑒和相關(guān)政府公報(bào)。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)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?chē)嬖邴}沼與鹽殼，其邊界在遙感影像上并不明顯，若僅通過(guò)水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)和改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(modified normalized difference water index，MNDWI)提取研究區(qū)水域面積，可能無(wú)法抑制與水體無(wú)關(guān)的背景信息，會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果不精確。

在遙感水體邊界識(shí)別中，水體界線一般通過(guò)遙感影像的近紅外波段來(lái)確定，在光譜波段值上，瑪納斯湖區(qū)遙感影像的每個(gè)波段都出現(xiàn)了水體與湖邊鹽殼的突變，易于識(shí)別水體與鹽殼的界線； 在Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)的B4，B5，B7和Landsat8 OLI數(shù)據(jù)的B5—B7波段均出現(xiàn)了灘地與水體的突變，有助于正確識(shí)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(shù)據(jù)

(c) 2003年Landsat ETM+數(shù)據(jù) (d) 2013年Landsat8 OLI數(shù)據(jù)

圖2遙感數(shù)據(jù)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(méi)有明顯的突變，因此歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)能更有效地識(shí)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(jié)果表明其近紅外波段最適合識(shí)別OLI影像水體與鹽殼、灘地的界線。首先，對(duì)1972—2011年間遙感影像利用NDVI指數(shù)提取水體，對(duì)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(jìn)行水體檢測(cè)(表2)； 然后，結(jié)合人工目視解譯對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正； 最后，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行面積計(jì)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(shí)空變化

Fig.3SpatialevolutioninManasLake

3 結(jié)果與分析

3.1 瑪納斯湖水域面積時(shí)空變化

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

第一階段是從20世紀(jì)70年代至1999年，表現(xiàn)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(zhǎng)達(dá)26 a間瑪納斯湖為干涸狀態(tài)。

第二階段是2000—2008年間，表現(xiàn)為湖泊迅速增大后開(kāi)始遞減。從1999年開(kāi)始瑪納斯湖水域恢復(fù)，2000年湖泊水域面積達(dá)248.69 km2，2000年以后瑪納斯湖水域面積開(kāi)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(xiàn)為水域面積呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。2009—2010年間湖水干涸，2011年湖水又得到恢復(fù)，水域面積為243.48 km2。從2013年開(kāi)始瑪納斯湖再次出現(xiàn)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(jīng)干涸，形成鹽沼和鹽殼為主的景觀。因此，推測(cè)瑪納斯湖在近幾十a(chǎn)來(lái)，已演變成為間歇性湖泊，當(dāng)洪水期或補(bǔ)給河流中上游水量富余時(shí)，該湖可被水充填，但水面很淺，周期大約3～4 a。

重心點(diǎn)是研究物體運(yùn)動(dòng)變化的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)采用重心點(diǎn)轉(zhuǎn)移模型來(lái)研究不同時(shí)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(shì)程度，還可以說(shuō)明湖泊水域在空間上的擴(kuò)張或退縮情況。利用湖泊重心轉(zhuǎn)移模型[9]對(duì)瑪納斯湖進(jìn)行研究，模型表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：Xt和Yt分別為第t年湖泊分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Cti為第t年第i個(gè)湖泊水域的面積；Xi和Yi分別為第i個(gè)湖泊水域的經(jīng)緯度坐標(biāo)。瑪納斯湖重心位移結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(diǎn)在湖盆的東北部分外，在其他研究時(shí)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(chǎng)的不斷擴(kuò)大而一直往西南方向轉(zhuǎn)移。

3.2 湖泊水域面積變化分析

為了更好地描述不同時(shí)期湖泊水域面積的變化程度,引入了變化幅度指數(shù)(R)和動(dòng)態(tài)度指數(shù)(Rs)[10]。R主要用以反映水域面積變化總態(tài)勢(shì)，Rs則用以進(jìn)一步表達(dá)一定時(shí)間內(nèi)湖泊面積變化的速度，其表達(dá)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(shí)間段。近40 a間研究區(qū)湖泊水域面積變化幅度和動(dòng)態(tài)度的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 瑪納斯湖水域面積變化、變化幅度和動(dòng)態(tài)度Tab.3 Area change and change extent of waterarea of Manas Lake

瑪納斯湖水域面積呈現(xiàn)明顯“增加—減小—增加—減小”變化態(tài)勢(shì)。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(kù)潰壩，大量洪水流入湖泊后[11]，水域面積得到了大幅增長(zhǎng)，使得瑪納斯湖水域面積的變化幅度發(fā)生了研究期間的第一次突變，水域面積也達(dá)到了有記錄以來(lái)的第二次高點(diǎn)(248.69 km2)。2000—2008年間，瑪納斯湖水域面積保持著持續(xù)減小的趨勢(shì)，至2008年，已有92.99%水域面積干涸，在此時(shí)間段內(nèi)年均減少幅度為24.70%。2008—2011年間，瑪納斯湖水域面積出現(xiàn)了研究期間第二次突變，變化幅度高達(dá)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(zāi)害，水庫(kù)向下游大量放水所致，這也使得瑪納斯湖重新得到了恢復(fù)，水域面積達(dá)到了有記錄以來(lái)的第三次高點(diǎn)(243.48 km2)。2011—2014年間，瑪納斯湖水域面積又開(kāi)始出現(xiàn)減幅趨勢(shì)。但對(duì)比2000—2008年間，在此時(shí)間段內(nèi)年均減少幅度為61.36%，遠(yuǎn)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(shí)間段瑪納斯湖萎縮態(tài)勢(shì)較之以前呈現(xiàn)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(fā)生過(guò)干涸，幾乎經(jīng)歷了再生湖的過(guò)程。

4 湖泊水域面積變化驅(qū)動(dòng)因素分析

4.1 自然因素

眾多干旱區(qū)氣候的近期研究結(jié)果表明，干旱區(qū)氣候正在由暖干轉(zhuǎn)向暖濕[12]。瑪納斯湖所處的流域也同樣經(jīng)歷著這種氣候轉(zhuǎn)型，即在溫度持續(xù)升高的影響下降水與蒸發(fā)均出現(xiàn)增加，并由此導(dǎo)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(zhǎng)到2010年的16.61×108m3也證明了這一點(diǎn)(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(méi)有增長(zhǎng)和保持，卻不斷萎縮，并多次出現(xiàn)干涸。采用相關(guān)分析法分析水域面積與氣溫、降水及蒸發(fā)的相關(guān)關(guān)系。與氣溫、降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.211和0.563，與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)(-0.287)， 但相關(guān)性均不顯著。

然而，研究表明自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，新疆極端氣候事件頻繁發(fā)生，暴雨及其導(dǎo)致的洪災(zāi)呈上升趨勢(shì)[13]。受此影響，瑪納斯河流域的夏季洪水，尤其是超標(biāo)準(zhǔn)洪水(超過(guò)多年最大洪峰流量平均值的洪水)的發(fā)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(xiàn)2次超標(biāo)準(zhǔn)洪水，而之后的17 a間就出現(xiàn)有12次超標(biāo)準(zhǔn)洪水，且無(wú)論從頻次還是規(guī)模上，后者都遠(yuǎn)大于前者。對(duì)比瑪納斯湖水域面積變化，2000年和2011年出現(xiàn)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(fā)生的特大洪水災(zāi)害。由此可以認(rèn)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(guān)系并不密切，但與極端高溫和降水天氣引起的超標(biāo)準(zhǔn)洪水關(guān)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(tuán)農(nóng)8師的部分團(tuán)場(chǎng)。1970年流域內(nèi)只有28.95萬(wàn)人，2014年底流域內(nèi)總?cè)丝趧t達(dá)到了103.43萬(wàn)人(圖8)。

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

該流域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值從1970年的0.51億元增長(zhǎng)到2014年的559.4億元，流域內(nèi)耕地面積持續(xù)增加，從1960年的1 882.25 km2、占流域總面積的13.85%，增長(zhǎng)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(zhǎng)度分別由1976年的920 km和722 km增長(zhǎng)到2014年的1 170 km和1 260 km。根據(jù)2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該流域內(nèi)第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)的增加值分別為206億元、195億元和153億元，3種產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為37∶35∶28，流域內(nèi)主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)為農(nóng)業(yè)。而由瑪納斯河多年放水統(tǒng)計(jì)資料提供的流量及沿河各灌區(qū)引水分配情況來(lái)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(fā)、下滲因素，理論上平均每年補(bǔ)給瑪納斯湖的徑流量不足0.4×108m3，引水后的瑪納斯河水對(duì)湖泊的貢獻(xiàn)微乎其微。因此，隨著天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展、人口的增多和城市化趨勢(shì)的日益增長(zhǎng)，瑪納斯河流域中上游天然河網(wǎng)多數(shù)已被人工河網(wǎng)替代，流域土地被開(kāi)墾為農(nóng)業(yè)用地，發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)，最終導(dǎo)致瑪納斯河下游斷流，從而無(wú)水補(bǔ)給瑪納斯湖。

5 結(jié)論與討論

1)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)分析，瑪納斯湖近40 a間水域面積變化可分為3個(gè)階段： 第一階段是從20世紀(jì)70年代至1999年，表現(xiàn)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(xiàn)為湖泊迅速恢復(fù)的正向演化后再次進(jìn)入逆向遞減； 第三階段是從2009年至今，表現(xiàn)為水域波動(dòng)性變化周期。根據(jù)面積變化幅度和動(dòng)態(tài)度的計(jì)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(shì)與瑪納斯河水量的變化趨勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)洪水關(guān)系密切。

3)流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)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(duì)下游及瑪納斯湖的供給水資源功能不斷下降。同時(shí)，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(shè)鹽場(chǎng)，擔(dān)負(fù)著新疆重要的原鹽及食鹽生產(chǎn)供應(yīng)重任，其鹽場(chǎng)面積的不斷擴(kuò)張打破了瑪納斯湖原有的重心位置范圍，從而進(jìn)一步加劇了瑪納斯湖萎縮的局面。

4)在內(nèi)陸干旱區(qū)，由于大量人工渠網(wǎng)修建及流域水量不合理分配和使用而導(dǎo)致的下游湖泊萎縮、干涸，必將引起很多甚至是毀滅性的環(huán)境問(wèn)題。瑪納斯湖地處主要風(fēng)口上，干涸的湖底則更容易成為沙塵起源地。因此，進(jìn)一步研究準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)湖泊變化與流域水資源優(yōu)化調(diào)控，對(duì)改善湖泊生態(tài)環(huán)境、協(xié)調(diào)湖泊流域可持續(xù)發(fā)展及支撐絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)建設(shè)等方面具有重要的生態(tài)意義。

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