基于長時序遙感監測的阿克蘇河流域平原水庫變化研究

邢文淵，石 玉，王 勇，王 進，崔彩霞

（1.烏魯木齊氣象衛星地面站，新疆 烏魯木齊 830011；2.石河子市氣象局，新疆 石河子 832000；3.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

水是生命之源、生產之要、生態之基[1]。在西部干旱區，水資源的匱乏和時空分布的不均是導致生態環境脆弱的主要原因，直接影響區域生態和社會經濟的可持續發展[2]。水循環與生態系統相伴相生，互相依存[3]。隨著人工綠洲的不斷擴大，對水資源的需求不斷增加，由“水”導致的經濟發展與生態平衡的矛盾日益突現，掌握水資源的實時動態變化，加強對水資源的科學管理和調配使用，對維持區域生態系統的穩定意義重大。

阿克蘇河作為塔里木河干流水量的主要補給來源，補給量占73.2%[4]，不僅是塔里木河生態輸水的主要水源[5]，更是向下游有水可輸的先決條件[6]，源流區的來水將直接影響塔里木河干流的維系，對河流中下游綠洲經濟發展和生態保護起著重要作用[7]。現今對塔里木河生態輸水的相關研究多集中于下游生態、水文等方面[8-12]，對上游區域的水資源儲備及其可供調配用水的研究相對有限。在生態文明建設的當下，如何更好地平衡生產生活用水和生態用水，如何更合理地調配利用水資源、保障生產生活、改善生態環境，走可持續發展道路，是水資源管理及落實“河湖長制”工作中亟待解決的重要議題。

干旱區的水庫作為地表水的重要載體，通過水庫調配用水，可更好地支撐國民經濟發展、改善局地生態環境和維護區域生態系統安全與穩定。加之現今小流域洪水特性多變[13]，且南疆地區洪災次數呈明顯上升趨勢[14]，更應加強干旱區平原水庫的時空分布及變化的研究。目前針對水庫這一特殊水體的長時間尺度、高空間分辨率的時空動態變化研究較少，且多集中在珠江流域和長江流域，多以大型供水水庫為對象，而對西部干旱區水庫的遙感監測研究較少。利用高分辨率衛星遙感監測技術較常規的水庫調查方法，可快速、全面、準確地掌握水庫的實時動態變化，現已廣泛應用在生態環境的動態變化監測領域，而MODIS的長時間序列、高時間分辨率、高光譜分辨率的優勢，能夠實時得到不同季節的多時相數據，加之后續NPP衛星數據的有效銜接，所積累的長時間序列“大數據”信息更有利于進行全面、有效的生態環境變化分析。因此，選取南疆阿克蘇河流域的主要水庫進行長時間序列的監測研究，通過對水域變化進行監測，精準掌握水庫的時空動態變化，對于水資源調度、洪澇災害治理、生態保護與恢復等意義重大，不僅可服務于流域的防洪抗旱，更可為塔里木河生態輸水的合理調配用水提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

阿克蘇地區位于新疆西南部（39°30′～42°40′N，78°02′～84°05′E），處于天山南麓、塔里木盆地西北緣[15]，遠離海洋，地勢北高南低，地貌分帶明顯，流域綠洲區干旱少雨，降水稀少，蒸發強烈，氣候干燥，光熱充足，年平均降水量在42.4～94.4 mm，而年蒸發量達2 000～2 900 mm，為降水量的25～100倍[16]，是南疆水資源相對豐富的地區和新疆主要的灌溉綠洲農業大區，也是重要的糧食、棉花和瓜果生產基地[17]。土地多為耕地，耗水量巨大，水資源制約著當地社會經濟的可持續發展[18]。

阿克蘇河發源于吉爾吉斯斯坦境內，屬于典型的北半球中緯度高山河流，流域總面積5×104km2。阿克蘇河流域內有兩條支流，西支為托什干河，北支為庫瑪拉克河，兩條支流的多年平均徑流量分別為26.63×108和47.88×108m3[19]，作為“四源一干”之一的阿克蘇河，是唯一常年向塔里木河輸水的河流，占塔里木河干流補給量的70%～80%，是塔里木河干流最大的補給來源[20]，對塔里木河下游生態環境改善及經濟發展起著決定性作用[21]。

阿克蘇河流域現有3座主要的平原大型水庫：上游水庫、勝利水庫和多浪水庫（圖1）。上游水庫和多浪水庫是通過塔里木河的攔河閘南北岸進水閘引阿克蘇河的河水入庫，上游水庫通過水庫放水渠輸水到勝利水庫。3座水庫的總庫容為7.274×108m3[22]，承擔著農業灌溉和人類生產、生活用水和生態輸水，具有維護塔里木河中下游生態系統穩定與發展的重要作用。

圖1 南疆阿克蘇河流域主要水庫位置

1.2 數據與方法

1.2.1 數據來源

本文所用的MODIS影像數據均來自新疆生態氣象與衛星遙感中心，氣象數據資料來自新疆氣候中心，時間為2009—2020年，按照10 d的時間分辨率，進行水域面積的監測，剔除有云覆蓋數據，對阿克蘇地區主要的水庫以旬為單位進行長時間序列的連續監測，建立水庫動態變化數據庫，利用長時序的遙感監測數據進行水庫動態變化研究，掌握其動態變化規律，以期在保障當地生產、生活用水的前提下，為塔里木河中下游生態用水的科學調配提供支撐。阿克蘇地區人口及產業產值數據來源于新疆統計局發布的新疆統計年鑒。

1.2.2 數據處理

對2009—2020年逐旬的EOS/MODIS衛星資料進行地標定位、幾何校正、太陽高度角訂正等預處理，生成1B數據集。從該數據集中篩選出晴空數據，并選擇以81.25°E，41°N為中心，3 000×1 600個像素點為范圍，分辨率為250 m，對其進行等經緯度投影，生成局地文件*.LD2。

1.3 方法介紹

由于MODIS具有較高的分辨率和可解譯性[23]，在可見光和近紅外波段范圍內，水體與植被等其它地物的光譜反射率存在差異，這是利用遙感數據進行水體提取和制圖的基本原理[24]。由于紅光區水體的反射率高于植被的反射率，而近紅外光譜植被的反射率明顯高于水體的反射率這一特性，利用水體與植被、陸地的NDVI差異，通過選取不同季節合適的閾值，利用波段差值模型即可進行水體信息判識與提取，即利用水體在近紅外波段和紅光波段反射率的差異可構建水體提取模型[25]：

式中，Red、NIR分別代表紅光波段、近紅外波段的反射率，對應于MODIS數據的一波段、二波段；Th3、Th4為閾值。研究表明，從可見光到近紅外波段（400～2 500 nm），水體的反射率都很低，且隨著波長的增大，其反射率逐漸降低，在波長＞2 400 nm以后，其反射率降到最低，接近于0[26]。與此相反，土壤和植被在近紅外和中紅外波段反射率較高，水體滿足Red＞NIR的條件，而對于土壤和植被，Red＜NIR。所以水體在紅光波段和近紅外波段與土壤和植被有明顯的區別，用閾值法就能得到較好的識別效果，且波段差值模型在西部地區湖泊較適用，湖面面積精度在90%以上，精度較高[25]。

2 結果與分析

由距3座水庫最近的阿拉爾氣象臺的觀測數據可知：當地氣溫自2月中下旬逐步達到0℃以上，水庫開始解凍，自11月中下旬逐步達到0℃以下，水庫進入封凍。因此，主要對3—11月的水庫面積變化進行監測。鑒于3座平原水庫因水深較淺，加之水庫蓄水—放水導致水庫面積波動較大，在此主要使用月平均、月最大、月最小等指標進行闡述。

2.1 年內變化

自春季解凍后，多浪水庫月平均面積在3月達到年內最大，之后水庫面積逐步減少，7月達到最小，8月逐步回升，11月達到年內次高峰，年內水庫平均面積在30 km2左右。勝利水庫月平均面積自3月開始逐月減少，7月達到最小，8月逐步回升，10月達到年內最大，年內水庫平均面積約38 km2。上游水庫在3月水庫月平均面積達到年內最大，之后水庫面積逐步減少，且3—4月水庫面積顯著減少，8月最小，之后逐步回升，10月達到年內次高峰，年內水庫平均面積為37 km2（圖2）。

圖2 3座平原水庫月平均面積變化

多浪水庫月最大面積出現在3月、為50 km2，之后逐月下降，8月達到最小，之后逐步回升。勝利水庫月最大面積變化趨勢與多浪水庫基本保持一致。上游水庫月最大面積出現在3月、為106 km2，之后逐月呈明顯下降趨勢，且降幅為3座平原水庫之最，8月回升，10月達到年內次高峰（圖3）。

圖3 3座平原水庫月最大面積變化

多浪水庫、勝利水庫、上游水庫月最小面積均出現在7月，且變化趨勢基本一致，上游水庫月最小面積在3—4月減少明顯（圖4）。

圖4 3座平原水庫月最小面積變化

2.2 年際變化

2009—2020年，多浪水庫年平均面積在25～34 km2，2009—2012年呈現逐年增加趨勢，2012—2015年呈現逐年減小趨勢，2016年有所回升，至2019年逐年下降，2020年略有回升，呈現“三升三降”的波動變化趨勢。勝利水庫年平均面積在30～45 km2，2009—2012年呈現逐年增加趨勢，2012—2014年呈現逐年減小趨勢，至2017年有所回升，2018—2019年、2020年略有回升。上游水庫年平均面積在2009—2010年有所增加，但之后呈逐年減小趨勢，且2010—2013年是面積快速減少的時段，年均減少13.7%（圖5）。

圖5 3座平原水庫年平均面積變化

多浪水庫年際間最大面積在34～50 km2，最大面積出現在2016年。勝利水庫年最大面積在45～53 km2，最大面積出現在2017年。上游水庫年最大面積為42～107 km2，最大面積出現在2016年，是2019年最大面積的1.5倍，年際差異較大，多浪水庫、勝利水庫年際差異相對較小（圖6）。

圖6 3座平原水庫年最大面積變化

多浪水庫年最小面積在15～30 km2，最小面積出現在2017年。勝利水庫年最小面積為15～30 km2，最小面積出現在2016年。上游水庫年最小面積在15～30 km2，最小面積出現在2019年（圖7）。

圖7 3座平原水庫年最小面積變化

2.3 氣象因素分析

內陸河的平原與盆地的干燥度指數十分大，暖干氣候放大了人類活動對水文循環的不利影響，加劇了生態環境的退化。由于3座平原水庫地處內陸干旱區，氣溫、相對濕度、風速、蒸發等氣象因子在一定程度上也影響著入庫水量的變化。通過對氣象數據的分析并結合已有的研究發現，平原水庫受氣溫的影響，年內蒸發量遠高于降水量（圖8），已有對阿克蘇河流域平原水庫蒸發規律的研究表明，水庫蒸發量年內變化趨勢與氣溫有相同的變化趨勢[22]，隨著氣溫的升高而增大，蒸發在所有氣象影響因子中起主要作用。

圖8 阿克蘇地區年降水量與蒸發量對比

2.4 人為因素分析

阿克蘇地區自然資源條件得天獨厚，人口數量逐年增加（圖9a），2020年末人口數量位居全疆各地州第四，農業、工業和服務業產值逐年攀升（圖9b），人類活動對水的需求也不斷增加，隨著農業的發展，近10年來耕地面積增加7.4%，水澆地面積占耕地比重也由95.2%提升至97.3%，隨著經濟的發展，工農業生產及生活用水的需求也在不斷增加。阿克蘇河流域內的大型平原水庫的建設主要就是為了保障人類生產生活用水，水庫蓄水受人類生產生活用水影響較大，隨著農業生產的季節性用水需求，水庫面積也呈現季節性變化。3月受冬季積雪融水的補給，儲蓄量增加，水庫面積增大；4月逐漸進入用水期，水庫蓄水逐步減少；7—8月達到農業用水高峰期，水庫蓄水量達到年內最低；9月，隨著農業用水需求的減少，水庫蓄水量回升。水庫年內面積變化主要受季節性生產生活用水需求影響而變化，隨著水澆地面積的增加，需水量也在不斷增加。

圖9 阿克蘇地區人口數量（a）和三產產值變化（b）

2.5 水庫對局地小氣候的影響分析

由于3座平原水庫地處南疆內陸干旱區，存在降水少、氣溫高、蒸發大等情況，水庫也會影響到局地小氣候和水庫周邊及下游的生態環境。濕潤指數的變化，可以間接反映出局地干濕變化對當地植被生長及生態環境變化的影響，是衡量某一區域氣候干濕狀況的指標[27]，可作為反映當地生態環境變化的指標[28]，為科學合理地進行生態環境變化監測提供服務。在此選取相應時段的氣象因子以及濕潤指數進行水庫對周邊生態環境的影響分析。

基于新疆105個氣象站點的月氣象數據，應用植被生態質量氣象評價指數[29]計算潛在蒸散量，并計算濕潤指數。采用反距離空間插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）在ArcGIS下進行濕潤指數的空間插值，并提取出阿克蘇地區濕潤指數空間插值圖（圖10），阿克蘇濕潤指數總體相對較低，西部、北部山區相對較高，4—6月水庫區域濕潤指數與其他區域差異不大，但在夏季尤其是7月多有水庫周邊區域濕潤指數高于其他區域的情況（圖10a），說明平原水庫夏季蒸發強烈，導致相對濕度增加，改善了局地的干濕狀況。通過建設生態健康水庫，協調處理好水庫建設與生態環境保護的關系，可實現人與自然的和諧共處，實現區域的可持續發展。

圖10 阿克蘇地區濕潤指數空間插值

3 結論與討論

通過對阿克蘇流域3座平原水庫的長時序遙感監測和面積定量分析，得到近12年水庫變化本底數據，便于掌握其變化規律，為今后水庫的蓄水與放水、科學調配農業用水和生態用水打好基礎，結合濕潤指數空間插值變化結果，得出以下結論：

（1）3座平原水庫年內面積月際變化總體呈現“前高—中低—后高”的近似“U”型趨勢，面積變化由減少趨勢向增多趨勢轉變的時間“拐點”出現在8月，3—4月水庫面積減少速率最大，8—9月水庫面積增加速率最大，究其原因主要與當地農業灌溉用水密切相關。同一水庫年際間變化也較大，上游水庫面積年際間變化最顯著，勝利水庫次之，多浪水庫年際間變化幅度相對較小。

（2）同一水庫月內面積變化較大，月最小面積在3—7月變化劇烈，說明此時間段用水需求較大，水庫蓄水—放水頻繁，因此更需要掌握其實時變化，更好地發揮平原水庫合理調配用水的作用，提高水資源的利用率，為水庫運行提供科學依據。

（3）上游水庫面積自2010年以來，面積逐年減少，而勝利水庫面積在此期間則逐年增加，說明灌區用水需求在逐年增加，上游水庫輸水到勝利水庫的水量也在逐年增加。

（4）對水庫生態系統而言，蒸發對平原水庫的影響較大，雖然造成了一定水量的損失，但也使局地的空氣濕度增加，改善局地的生態環境，提升其生態旅游價值，可因地制宜，發展水庫生態旅游，帶動經濟發展。

干旱區水庫的作用主要是合理調配有限的水資源，確保防洪抗旱的同時做到更好地平衡人類生產生活用水和天然植被生態用水的矛盾，在氣候變化的大背景下，阿克蘇河流域的水儲量呈遞減趨勢[30]，3座平原水庫面對嚴峻復雜的旱情情勢，經過多年運行，已建立適合自我環境下的調配用水策略和措施。生產生活用水和生態用水互為競爭性用水，在水儲量減少的趨勢下，隨著農業用水需求的增加，勢必會造成塔里木河下游生態用水的減少，這更需要通過掌握上游積雪、降水的實時變化，綜合考慮生產生活用水與生態用水的水資源供需平衡[31]，科學合理調配用水，提高水資源的利用率，以促進干旱區經濟可持續發展和生態環境保護。

加強對平原型水庫的監測力度，發揮衛星遙感技術優勢，通過連續的水庫面積遙感監測，將實時的監測結果與歷史同期的背景數據相結合，對于水庫的蓄水量、影響的流域范圍、阿克蘇河灌區植被及塔里木河下游生態輸水等有著重要的參考價值。