1986—2019年新疆湖泊變化時空特征及趨勢分析

王 偉,阿里木·賽買提,馬 龍,葛擁曉,吉力力·阿不都外力,*

1 中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011

2 中國科學院中亞生態與環境研究中心, 烏魯木齊 830011

3 中國科學院大學, 北京 100049

全球氣候變化背景下,西北干旱區從20世紀80年代以來,年平均氣溫出現“突變型”升高(0.517℃/10年),尤其是冬季氣溫升高,雪冰消融加快,河湖流域內潛在蒸散顯著增加[1]。同時由于流域內規模化農業開發及人口壓力的增加,使得西北干旱區水資源的供需矛盾存在較大不確定性[2]。根據全國第二次湖泊調查(2007—2011)的數據,新疆維吾爾自治區共有面積大于1km2湖泊108個,總面積6236.4km2。相比于全國第一次湖泊調查(20世紀60—80年代),新疆消失湖泊(大于1km2)數量達62個,總面積共計6952.8km2,占全國消失湖泊總面積的87%[3]。湖泊消失或萎縮不僅導致周邊綠洲濕地沙化,同時裸露的干涸湖底沉積物成為風力侵蝕和搬運的源,造成鹽堿塵暴頻發,對流域內生產生活和居民健康構成嚴重威脅[4]。因此開展長時間序列的新疆湖泊時空變化研究,對干旱區湖泊預警、水資源管理及可持續發展等有著重要現實意義。

隨著20世紀50年代以來新疆綠洲農業的發展,大量水庫、灌溉水渠等水利工程開始修建[5],截止至2016年12月,全疆共有水庫538座,其中大型水庫21座[6]。實際上干旱區許多天然湖泊也承擔著農業灌溉、防洪調蓄、水源保障等功能,因此天然湖泊和水庫(人工湖泊)難以從影像、命名、功能等方面加以區分。這些天然和人工湖泊的變化不僅受區域氣候變化影響,更容易受到灌溉引水等人類活動的影響。受新疆“綠洲經濟,灌溉農業”經濟結構制約,農業灌溉對地表水資源的過渡消耗逐漸成為制約全疆經濟社會跨越式發展的主要矛盾[7]。因此深刻剖析過去幾十年新疆湖泊的時空變化特征,可為開展全疆水資源統籌調配和合理開發利用,實現經濟社會可持續發展提供科學依據。

隨著可獲取的衛星遙感數據量的增加,利用遙感技術進行水體識別是目前最常用的湖泊面積變化監測方法[8—9]。Landsat系列數據由于其空間分辨率高(30m),時間序列長(1972年起運行)而被廣泛應用于水體識別,土地覆蓋分類等研究[10—11]。Pekel等[12]基于Landsat遙感數據,依托專家系統方法和GEE平臺探討了1984—2015年全球地表水體面積變化特征,但是專家系統的構建、測試、驗證過程復雜且費時費力,另外水體識別結果在一定程度上受到監督樣本影響。與此同時,近些年基于機器學習的圖像識別方法廣泛應用于水體提取研究中[13],但是這些方法結果精度高度依賴訓練樣本的選擇。光譜指數法作為傳統的非監督分類方法,由于該方法無須選擇樣本,只需依靠簡單的數學運算就可以快速提取水體信息,因此多用于Landsat、SPOT、Sentinel系列衛星遙感數據的水體識別研究中[14]。張飛等[15]基于1998—2013年5期Landsat數據,利用歸一化水體指數(NDWI)和修正歸一化水體指數 (MNDWI)提取艾比湖水體面積,探討了近年來艾比湖湖面的動態變化特征及其驅動機制。Jing等[16]基于MODIS數據,利用混合水體指數(CWI)探討了2005—2015年新疆湖泊面積年際與季節變化特征。Yan等[17]基于Landsat數據,綜合NDWI和歸一化雪被指數(NDSI)來區分青藏高原湖泊水體和雪蓋/冰川。但是由于水體識別同時受水質、水深等自身因素以及山地陰影等外界因素干擾,水體識別方法的普適性有待提高[18]。

新疆維吾爾自治區地處西北內陸腹地,地形地貌復雜,湖泊類型多樣,不同類型水體光譜反射特性差異顯著。再加上山地陰影、冰川積雪、植被等因素干擾,基于單一光譜指數的水體識別存在較大誤差,難適用于整個區域。由于不同光譜指數所增強的地物信息不同,因此構建基于多種光譜指數的水體識別方法,使其有效抑制非水體地物信息,提高水體信息的識別精度。本文基于遙感云計算平臺GEE開發了基于多種光譜指數的動態閾值水體識別方法,借助于GEE平臺海量的遙感影像數據集和強大的云計算能力對1986—2019年新疆湖泊面積變化遙感監測,探討了湖泊數量面積的時空變化特征及空間差異特征,初步定性分析新疆湖泊面積變化的主要原因,旨在為氣候變化和人類活動下水資源開發利用與保護提供科學依據。

1 研究區域及數據

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于中國西北內陸(34°22′—49°33′N, 73°22′—96°21′E),是中國陸地面積最大的省級行政區(圖1)。由于深居中緯度歐亞大陸中心,來自海洋的濕潤水汽難以到達,年均降水量不足200mm,且空間分布不均[19]。同時境內分布著全國面積最大的盆地—塔里木盆地,以及眾多的山系,北有阿爾泰山系,南有昆侖山系,中有橫亙全境的天山山系。高大而綿長的山脈攔截了西風環流帶來的水汽,成為干旱區的“濕島”,在加上區內復雜的地形地貌條件,使得區域內湖泊類型多樣,平原、山地、高原等不同地貌類型均有湖泊分布,如博斯騰湖、烏倫古湖、賽里木湖、阿雅克庫木湖等[20]。流域作為封閉的地形單元,往往具有相似的氣候環境和下墊面條件,流域內的任何變化都會直接快速的通過河流反饋到湖泊。本研究基于中國1∶25萬二級流域分級數據集(http://www.geodata.cn),將研究區劃分為11個主要流域分區(圖1),以探討不同流域內湖泊面積的變化特征。

圖1 研究區概況

1.2 主要數據來源

GEE平臺包含Landsat數據集在內的總量超過20Pb的歷史衛星影像數據集和地理空間數據[21]。Landsat系列衛星是目前全球連續運行時間最長的地球觀測計劃(Landsat- 1 1972年7月23日發射),同時也是應用最廣泛的衛星遙感數據。因此本研究以GEE平臺上Landsat系列多光譜遙感衛星影像為主要數據來源。鑒于研究區范圍較大,單一年份需要對至少113景原始衛星影像進行鑲嵌拼接才能覆蓋整個研究區。綜合考慮數據質量、數量以及連續性等因素,本研究決定采用1986—2019年的Landsat 5、7、8的大氣層頂(TOA)反射率數據(已完成大氣輻射校正和幾何校正),其中1986—1998年、2008—2009年的遙感數據來源于Landsat 5 TM傳感器,1996—2007年、2010—2012年的遙感數據來源于Landsat 7 ETM+傳感器,2013—2019年的遙感數據來源于Landsat 8 OLI傳感器。另外考慮到干旱區湖泊的季節差異性和冬季積雪的影響,本研究所用遙感影像獲取月份主要集中在8月—10月,最后基于GEE平臺對所有數據篩選出云量小于20%的影像進行鑲嵌拼接。

為研究氣候因素對湖泊數量和面積變化的影響,本文獲取了新疆維吾爾自治區42個氣象站點1986—2019年的逐日降水和平均氣溫數據,首先對降水數據進行年累加處理,對氣溫數據進行年均處理,本數據來源于國家氣象科學數據中心的中國地面氣候資料日值數據集(http://data.cma.cn/data/)。

2 研究方法

2.1 遙感水體提取方法

本研究依據不同地物的光譜反射率特點,提出了基于多種遙感光譜指數的動態閾值的水體識別方法,其流程圖如圖2所示,主要采用5種遙感光譜指數,分別為NDWI[22], MNDWI[23],多波段水體指數(MBWI)[24],歸一化植被指數(NDVI)[19], NDSI[25]。NDWI和MNDWI主要針對Landsat 5和Landsat 7的獲取的TM和ETM+影像進行水體像元提取,Wang等[24]提出的MBWI主要針對Landsat 8獲取的OLI影像進行水體像元提取,NDVI和NDSI主要為了過濾濕地植被和山地積雪對水體識別的影響。

圖2 基于GEE平臺和Landsat遙感影像的水體制圖技術路線

為了去除山體陰影對水體提取的影響,參考李均力等[26]在喜馬拉雅山地湖泊遙感識別研究,基于數字高程模型(DEM)數據,結合研究區內地形特征,將研究區分為高原地區(DEM>3500m),高山地區(1500m

2.2 趨勢分析法

本研究基于最小二乘法的一元線性回歸模型對湖泊變化率進行趨勢分析,主要對1986—2019年84個湖泊面積(>10km2)進行最小二乘擬合獲得湖泊面積變化率,計算公式為[19]

(1)

式中,n為研究時段的年數；Li為第i年的湖泊面積；S表示湖泊面積變化率,當S為正值,則該湖泊面積呈現出上升的趨勢,相反有下降的趨勢。

為了更好地表達湖泊的變化趨勢,采用F檢驗對湖泊面積的變化率進行顯著性檢驗,顯著性檢驗結果用統計顯著性P值來表示,根據顯著性檢驗結果和變化趨勢斜率S的大小將湖泊的變化趨勢分為5種類型[19],如表1所示。

表1 湖泊變化趨勢類型

3 結果與討論

3.1 湖泊識別精度評價與有效性驗證

本研究對基于單一水體指數的固定閾值方法與多指數動態閾值方法的不同湖泊水體識別效果進行對比,從圖3中可以看出,本文方法在識別高原湖泊水體有效去除山地積雪對水體識別的干擾。另外在山地陰影的干擾去除上,該方法也明顯優于MNDWI和NDWI方法。針對平原水庫和沙漠尾閭湖周邊的涉水濕地,本方法也能更好將濕地與水體進行區分。為了定量評價遙感影像水體識別結果的準確性以及提取方法的可靠性,本研究以2017年10m分辨率全球土地覆蓋產品(FROM-GLC10)作為參考數據,為避免混合像元造成的誤差,首先對參考數據源空間分辨率進行重采樣至30m,然后建立水體識別混淆矩陣(表2)對結果進行精度評價。對比兩種數據水體分類結果,本研究的水體識別的錯分誤差為5.98%,漏分誤差為23.79%。通過對比兩種數據,由于參考參考數據采用10m分辨率的Sentential- 2作為數據源,對于細小水體的識別效果要優于本實驗數據,因此本研究結果在細小水體提取中存在一定的漏提現象。

圖3 不同水體識別方法在不同類型湖泊中的識別結果

表2 水體識別混淆矩陣

同時從國家青藏高原科學數據中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data)上收集1990—2015年新疆主要湖泊(大于1km2)面積數據與本研究結果進行對比,從而對湖泊面積數據的有效性進行驗證。該數據為Zhang等[10]基于Landsat衛星影像和地形圖繪制了8期中國湖泊數據(1960s,1970s,1990,1995,2000,2005,2010,2015)。本研究選擇其中6期數據(1990—2015)的湖泊面積結果作為參考值,來驗證本文提取的新疆維吾爾自治區主要湖泊面積的有效性,兩組湖泊面積的相關性如圖4所示。1990—2015年兩組數據的擬合曲線的R2均大于0.99,擬合斜率均接近于1,尤其以1995年和2015年的湖泊提取結果最接近該數據集(R2≥0.999),這也驗證了基于多種水體指數的動態閾值水體提取方法的可行性。

圖4 本研究湖泊提取結果和前人湖泊提取結果比較

3.2 湖泊現狀及數量變化特征

根據2019年新疆湖泊水體提取的結果顯示,新疆現有面積大于0.5km2的湖泊有611個,大于1km2的湖泊有375個,其中面積在1—5km2的湖泊有254個,面積在5—10km2的湖泊有42個,面積在10—50km2的湖泊有61個,面積在50—100km2的湖泊有8個,面積在100—500km2的湖泊有5個,面積在500—1000km2的湖泊有3個,面積大于1000km2的湖泊有2個。從空間分布上看(圖1),新疆地區湖泊分布極不均衡,這也是造成區域水資源空間差異的重要原因[27]。從湖泊數量空間分布上看,約40%的湖泊集中在環天山地區,約30%的湖泊集中在南部羌塘高原區,約21%的湖泊集中分布在阿爾泰山南麓,塔里木盆地和準噶爾盆地湖泊分布較少。本研究結合高程數據計算了不同湖泊平均海拔高度,結果顯示約有37%的湖泊分布在海拔低于1000m的低海拔地區,約有34%的湖泊在海拔1000—3000m的中海拔地區,約有27%的湖泊在海拔大于3000m的高海拔地區。

另外本文研究了1986年以來不同面積湖泊數量的變化情況(圖5),1986—2012年湖泊總數量保持周期性平穩波動,但是近10年來湖泊總數量呈現出顯著增加的趨勢(35.4個/a),主要以5km2以下湖泊數量增加明顯。根據湖泊空間分布特征,將研究區分為4個區域-環天山地區、阿爾泰山南麓地區,羌塘高原區以及其他區域,對比分析不同區域湖泊數量的變化特征(圖6)。從圖6可以看出,環天山地區的湖泊數量經歷了先減少后增加的過程,羌塘高原區的湖泊數量處于持續增加狀態,且近10年來的顯著增加湖泊主要集中在環天山地區,其次是羌塘高原地區。

圖5 1986—2019年新疆不同面積湖泊數量變化情況

圖6 1986—2019年新疆不同區域湖泊數量變化情況

3.3 湖泊面積變化及其空間差異特征

3.3.1主要湖泊面積變化特征

本研究選取了1986—2019年平均水體面積大于10km2的湖泊(84個),通過趨勢分析法研究了湖泊面積的變化趨勢,研究發現,54個湖泊面積發生顯著變化,其中41個湖泊呈現出顯著擴張態勢,13個湖泊呈現出顯著收縮態勢,共有36個湖泊發生極顯著變化趨勢。表3中列舉了研究區內1986—2019年平均水體面積大于100 km2的大型湖泊屬性特征和變化趨勢,從表中可以看出,所有的大型高原湖泊發生極顯著擴張,尤其以阿雅克庫木湖擴張速率(+16.52km2/a)最快,其次是阿其克庫勒湖(+8.20km2/a)。其余主要大型湖泊呈現出不同程度變化,但是變化均不顯著。值得注意的是,修建于2002年的羅布泊鉀鹽池的面積從最初的9.89km2已經增長至2019年的225.39km2,已經成為新疆的第十大湖泊。

表3 新疆大型湖泊基本情況和變化趨勢

3.3.2不同流域湖泊面積變化特征

根據中國1:25萬二級流域分級數據集,研究區被劃分為11個流域分區,因此本文對二級流域內湖泊面積變化特征進行分析。從湖泊變化趨勢的空間分布上看,呈現擴張趨勢的湖泊主要集中在青藏高原北部以及阿爾泰山南部(圖7)。天山北坡以平原水庫為主的湖泊呈現出顯著收縮趨勢,但變化速率不高。塔里木河流域的湖泊既有擴張也有收縮,但總體呈現波動上升趨勢。塔里木河干流區的大西海子水庫呈極顯著的收縮趨勢(-0.50km2/a),而位于塔里木河干流尾閭的康拉克湖(+1.80km2/a)和臺特瑪湖(+4.06km2/a)分別呈現出極顯著和顯著的擴張趨勢。

圖7 1986—2019年湖泊面積變化趨勢空間分布

圖8為1986—2019年不同流域湖泊總面積變化趨勢圖(虛線為線性趨勢),橫坐標為年,縱坐標為流域湖泊總面積。從圖8上看,人為干擾較少的昆侖山北麓小河流域、羌塘高原內陸河流域湖泊面積處于顯著增長態勢,以羌塘高原內陸河流域最為顯著(37.72km2/a,R2=0.92)。以天山北麓諸河流域和塔里木河流域為代表的環天山地區湖泊面積卻存在顯著的年際波動,位于東天山吐哈盆地小河流域湖泊面積呈現出波動下降的趨勢。

圖8 1986—2019年不同流域湖泊總面積變化趨勢

3.3.3不同湖泊類型面積變化特征

綜合研究區內湖泊的地貌特征、海拔高度,如圖9所示將湖泊劃分為3種類型。平原湖泊,主要海拔低于1500m的自然形成的湖泊或者人工修建用于灌溉的水庫,主要有博斯騰湖,烏倫古湖,蘑菇海水庫等,這些湖泊由于位于海拔較低的平原地區,受灌溉引水、攔洪蓄水等影響也比較大。高山湖泊,主要指海拔位于1500—3500m的湖泊,這些湖泊多直接依靠冰雪融水補給,主要有賽里木湖、瓊塊勒巴什湖、喀納斯湖等,這些湖泊受人類活動影響較小,受氣候因素影響較大。高原湖泊,主要指海拔大于3500m以上的湖泊,主要集中在青藏高原北部,主要有阿雅克庫木湖、阿其格庫勒湖、鯨魚湖等,這類湖泊面積變化主要受氣候因素影響,基本上不受人類活動干擾。

圖9 1986—2019年不同湖泊類型空間分布

正因為這些湖泊所處地理位置的氣候特征和人類活動的強度和方式不同,不同湖泊變化特征各異。從圖10中可以看出高原湖泊總面積自1995年以來一直處于穩定的線性增加趨勢,總面積從1995年1530km2擴張到2019年的2810km2,平均每年擴張51.2km2。1986—2009年高山湖泊一直處于平穩波動的狀態,主要因為賽里木湖、喀納斯湖、托勒庫勒湖等面積一直處于平穩波動態勢,由于2009年后硝爾庫勒湖(阿圖什)、巴里坤湖面積恢復以及帕米爾高原的瓊塊勒巴什湖不斷擴張,高山湖泊總面積在2009年后處于急速增加狀態。與此同時,平原湖泊從1986年到2003年處于波動擴張態勢,2003年以后進入一個高位震蕩的時期,這主要是因為艾比湖和瑪納斯湖受流域氣候變化和人類活動雙重作用下發生強烈的年際波動[28]。

圖10 1986—2019年不同湖泊類型面積變化(實線:面積變化,虛線:線性趨勢)

3.4 湖泊動態變化的影響因素分析

3.4.1氣候變化影響因素分析

流域降水和雪冰融水形成的地表徑流是干旱區湖泊的重要補給來源[29],因此氣溫和降水作為主要氣候因素對湖泊動態變化有重要影響。因此本文基于全疆42個氣象站的逐日監測數據,計算得到1986—2019年新疆年均氣溫和年降水量變化趨勢(圖11)。研究結果表明,新疆年均氣溫在1997年發生“突變型”升高,之后一直保持高位震蕩的態勢,這點與前人研究一致[1]。在氣候因素中,氣溫對以雨水補給型湖泊的影響為負效應,而對雪冰融水補給型湖泊的影響為正效應[30—31]。研究區內高原湖泊主要位于羌塘高原內陸河流域,屬于典型的冰川-凍融水補給流域[31],同時這一區域快速增長的氣溫導致高原湖泊面積迅速擴張[32—33]。在降水量年際變化方面,1986—2001年年降水量整體呈下降趨勢,2002年以后降水量開始呈現波動上升趨勢,降水量變化與湖泊總面積的關系并不顯著。但是受厄爾尼諾現象影響,2010年和2016年降水量異常增多可能是造成高山湖泊發生顯著擴張的原因[34—36]。氣候變化對湖泊面積的影響不只受單一氣候變量作用,而取決于區域的水熱組合[37]。在全球氣候變暖背景下,相比于青藏高原地區,環天山地區冰川分布海拔較低,氣溫升高導致的天山地區冰川加速退縮是導致區域湖泊面積高位波動的重要原因之一[38]。 同時水循環要素的改變也加劇了整個水文過程的不確定性以及區域地表水資源的不均衡分布[1, 36]。

圖11 1986—2019年新疆年均氣溫和降水量變化

3.4.2人類活動影響因素分析

近些年來不斷增強的人類活動也是導致湖泊數量增加的主要原因之一,在河流中上游修建攔引蓄等水利設施進行農業灌溉是區域重要的水資源開發利用方式。自20世紀50年代以來,全疆共建設各類水庫578座,一半以上集中環天山地區[6]。從修建時間上看,2010—2020年是水庫建設高峰期,這10年內全疆共建水庫136座,占全疆水庫總量的23.53%[5]。因此,近些年來人工水庫數量的增加也從人類活動角度解釋了湖泊數量增加原因。近40年來,新疆人口由1978年的1283萬人增加到2018年的2486萬人,耕地面積增加了約3.15×104km2,增幅超過50%[39]。人口和耕地面積的增加使得工農業用水生產生活需求增加,尤其在環天山地區,該區域人口及城市群分布密集,灌溉農業發達,河流湖泊等地表水資源受人為干擾較大,因此強烈的人類活動減弱了湖泊的擴張過程[40—42]。比如柴窩堡湖作為曾經烏魯木齊市的主要水源地,由于城市用水量和農業灌溉用水的增加,湖泊面積從2011年的28km2驟降至2014年枯水期的不足1km2。跨區域生態輸水工程對部分區域湖泊面積也產生顯著影響,自2000年4月開始,塔里木河流域管理局先后向塔里木河下游實施生態輸水21次,自大西海子水庫累計下泄生態水達8.43×1010m3。受塔里木河干流生態輸水工程影響[43],大西海子水庫的面積不斷減少,臺特瑪湖的面積不斷增加,但是塔里木河干流區湖泊總面積呈增加趨勢(圖10)。

4 結論

本研究主要基于GEE平臺和Landsat數據,對新疆地區湖泊數量和面積變化逐年動態監測,討論分析了1986—2019年湖泊數量和面積的時空動態變化特征,并初步定性分析氣候變化和人類活動對湖泊面積變化的影響,主要結論如下:

(1) 本研究提出的基于多種遙感光譜指數的動態閾值水體識別方法可以較好識別干旱區不同類型的湖泊水體,并有效抑制山地陰影、冰川積雪、濕地植被對水體識別的影響,并結合前人的研究成果對該方法進行有效性驗證,取得了較好的驗證結果。

(2) 1986年以來新疆地區湖泊(>0.5km2)在數量上整體處于增加態勢,尤其是近10年來以來,湖泊數量呈現出急劇增加的趨勢(35.4個/a),主要集中在環天山地區和青藏高原北部地區,面積小于5km2的湖泊數量增加較為顯著。

(3) 1986—2019年,主要湖泊(>10km2)面積整體上呈現出顯著擴張趨勢,顯著擴張的湖泊主要集中在青藏高原北部地區,其中以阿雅克庫木湖擴張趨勢最為顯著(+16.52km2/a,P<0.01)。然而環天山地區湖泊面積則處于頻繁的年際波動,塔里木河源流區湖泊面積受外界干擾程度較高。

(4) 溫升背景下,由于受到豐富的雪冰融水的補給和較小的外界干擾,高原湖泊面積在1997年后持續穩定擴張,相反環天山地區同時受冰川加速退縮以及人類活動影響,近些年來湖泊面積持續高位波動。