内陆河尾闾湖泊水域面积变化及驱动因素研究——以台特玛湖地区为例

图1 台特玛湖地区示意图

(2019年7月Landsat OLI B4(R),B3(G),B2(B)影像)

Fig.1 Overview of Taitema Lake region

1.2 数据来源

选取1986—2019年间Landsat TM和OLI系列、行列号为141/033的9期遥感影像(表1)作为本研究的主要数据源。影像均下载自美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)网站(http://earthexplorer.usgu.gov)。所选9期影像在研究区范围内均无云雾覆盖,且成像时间均在6—9月份,以此减小季节差异带来的误差。利用ENVI5.3对全部影像进行预处理(辐射定标、大气校正和几何纠正),消除大气所造成的干扰,最后裁剪出研究区范围。

表1 遥感影像数据信息

Tab.1 Information of remote sensing images

编号	传感器类型	行列号	获取时间	空间分辨率/m
1	TM	141/033	1986-06-17	30
2	TM	141/033	1991-08-18	30
3	TM	141/033	1994-06-07	30
4	TM	141/033	1998-09-06	30
5	TM	141/033	2002-06-29	30
6	TM	141/033	2007-06-11	30
7	TM	141/033	2011-08-25	30
8	OLI	141/033	2015-08-20	30
9	OLI	141/033	2019-07-14	30

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气象数据来自中国气象科学数据共享网(http://data.cma.cn),包括铁干里克站1986—2018年间的气温和降水数据。塔里木河输水数据来源于塔里木河流域管理局。

2 研究方法

2.1 水域信息提取

遥感影像中特定波段进行归一化差值计算得出的归一化差分水体指数(normalized difference water index,NDWI)可以凸显影像中的水体信息^[13],是目前常用的提取水体信息的方法,但该方法易混淆遥感影像中的阴影与水体; 而徐秋涵^[14]提出的一种改进归一化差值水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)能够很好地区分遥感影像中的阴影与水体。考虑到研究区范围内存在大量的高大沙丘,形成部分阴影,故选用MNDWI对研究区水体进行提取,其表达式为:

(1)

MNDWI = \frac{ρ_{Green} - ρ_{MIR}}{ρ_{Green} + ρ_{MIR}}

式中ρ_Green和ρ_MIR分别为绿光波段和中红外波段的反射率。

2.2 重心点转移模型

重心是描述地理要素空间特征的重要指标^[15],能够反映一段时期内地理要素的空间位置变化轨迹。通过计算研究区不同时期水域的重心,既能直观地认识研究区水域空间变化特征,又能定量地描述水域在空间上的变化情况。重心计算公式为^[16]:

(2)

X_{t} = \frac{\sum_{i=1}^{n} S_{ti} x_{i}}{\sum_{i=1}^{n} S_{ti}}, Y_{t} = \frac{\sum_{i=1}^{n} S_{ti} y_{i}}{\sum_{i=1}^{n} S_{ti}}

式中: ${X_{t}}_{,}$ 和Y_t分别为第t年水域重心的经度和纬度; S_ti为组成第t年水域中第i个离散水面的面积; x_i和y_i分别为第i个离散水面的经纬度。重心移动方向计算公式为^[15]:

(3)

α = \frac{k π}{2} + \arctan (\frac{Y_{t + 1} - Y_{t}}{X_{t + 1} - X_{t}})

式中: α为第t+1年相对于第t年重心移动的角度(-180°≤α≤180°),0°表示正东方向,逆时针方向为正,顺时针方向为负。重心移动距离d计算公式为:

(4)

d = C \sqrt[]{{(Y_{t + 1} - Y_{t})}^{2} + {(X_{t + 1} - X_{t})}^{2}}

式中: C为常数,是球面坐标转换为平面距离的系数,其值等于111.111^[17]。

2.3 变化幅度及动态度指数

为深入分析研究区水域面积变化特征,引入水域面积变化幅度R和动态度指数R_s2个指标。前者主要反映一段时期内水域面积变化总体形势; 后者用以反映这种变化的速度。R和R_s的计算公式^[16]为:

(5)

R = \frac{(S_{b} - S_{a})}{S_{a}} \times 100 %

(6)

R_{s} = \frac{(S_{b} - S_{a})}{S_{a} T} \times 100 %

式中: S_a和S_b分别表示研究时段开始和结束年份的水域面积; T为研究时段长度。

3 结果与分析

3.1 水域面积时空变化特征

对所选9期遥感影像利用MNDWI指数提取研究区范围内水体。选取合适阈值,对提取结果进行二值化处理,将研究区分为水体和非水体2类,再通过随机选取的1 000个样点对每期结果进行精度验证,结果表明验证精度均在89%以上。

图2展示了研究区水域时空变化,可知,20世纪80年代中后期,车尔臣河还未改道^[10,18],水域在旧河道附近零星分布; 20世纪90年代至21世纪初,车尔臣河河道逐渐往北迁移,旧河道附近再无水域分布,相应水域随河道往北偏移分布在河道附近。正是由于塔里木河下游断流,加之车尔臣河改道等因素导致的其正常年份水量难以汇入台特玛湖,使台特玛湖长期干涸。21世纪初,台特玛湖开始出现水域,且水域面积显著增大(图3),向西北延伸至博斯坦洼地,加之车尔臣河改道完成^[10],研究区西侧许多大大小小的水域沿河道分布,并也扩张至博斯坦洼地,逐渐与其东侧的台特玛湖相接。这主要是因为2000年开始实施的塔里木河下游输水工程^[19],恢复了断流已久的塔里木河下游,并最终将水注入台特玛湖; 也正是因为长期向下游输水,研究区地下水位有所提高^[5],相应的车尔臣河补给地下水减少,使流域下游水域面积有所增大。

图2

图2 1986—2019年间台特玛湖地区水域面积时空变化

Fig.2 Spatial-temporal variation of the water area in the Taitema Lake region from 1986 to 2019

图3

图3 1986—2019年间台特玛湖地区水域面积变化

Fig.3 Changes of the water area of Taitema Lake region from 1986 to 2019

整体看来,研究区水域空间变化特征可以概括为2个阶段: 第一个阶段是21世纪前,水域呈现出研究区西侧多、而东侧少甚至没有的空间格局; 第二个阶段是进入21世纪以来,研究区东西侧水域面积均有增加,但东侧增长明显快于西侧,并逐渐形成“东多西少”的空间格局。

图4是1986—2019年研究区水域重心位移图,表2为具体转移距离和角度。可知该区水域重心位移划分为4个阶段: ①20世纪80年代末水域重心由研究区中部车尔臣河旧河道附近快速向西侧迁移; ②20世纪90年代,水域重心在研究区西侧缓慢向东侧移动,表现为1994年和1998年水域重心较其前一时期分别向北偏西80.43°和北偏东63.38°方向上移动了2.78 km和5.46 km,这是因为该时期车尔臣河改道造成的; ③20世纪90年代末至21世纪初,是研究区水域重心变化最大的时段。该时期水域重心由西侧迅速大幅度向东侧迁移,表现为2002年水域重心较1998年向北偏东79.57°方向上移动了35.41 km,这归功于21世纪初实施的塔里木河输水工程,让干涸近30 a的台特玛湖重新注水,使得该区水域分布从西多东少(无)的格局向东多西少、逐渐相连的格局转变; ④21世纪以来,水域重心在研究区东侧波动继续向东移动,表现为2002—2007年、2007—2011年、2011—2015年和2015—2019年4个阶段水域重心在空间上波动变化,位移距离(移动方向)较前一时期分别为4.19 km(南偏西74.72°)、6.48 km(北偏东83.06°)、5.83 km(北偏西59.12°)和11.5 km(南偏东71.82°),这主要是因为塔里木河输水量受人为干预明显,变化特点并不单一。

图4

图4 1986—2019年台特玛湖地区水域重心位移

(2019年7月Landsat OLI B4(R),B3(G),B2(B)影像)

Fig.4 Displacement of the center of water area gravity in Taitema Lake region from 1986 to 2019

表2 水域重心点转移情况

Tab.2 Displacement of the center of water area gravity

研究时段	转移距离/km	转移角度/(°)	方位描述
1986—1991年	27.23	175.12	北偏西85.12°
1991—1994年	2.78	170.43	北偏西80.43°
1994—1998年	5.46	26.62	北偏东63.38°
1998—2002年	35.41	10.43	北偏东79.57°
2002—2007年	4.19	-164.72	南偏西74.72°
2007—2011年	6.48	6.94	北偏东83.06°
2011—2015年	5.83	149.12	北偏西59.12°
2015—2019年	11.50	-18.18	南偏东71.82°

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3.2 水域面积变化分析

为进一步分析研究区水域面积变化情况,计算了不同研究时段水域变化面积、变化幅度R和动态度R_s(表3)。

表3 台特玛湖地区水域面积变化、变化幅度和动态度

Tab.3 Changes of water area, range of change and dynamic degree in Taitema Lake region

研究时段	水域变化面积/km²	R/%	R_s/%
1986—1991年	11.11	80.87	16.17
1991—1994年	-16.02	-64.44	-21.48
1994—1998年	5.09	57.65	14.41
1998—2002年	65.32	468.88	117.22
2002—2007年	-3.93	-4.95	-0.99
2007—2011年	53.07	70.46	17.61
2011—2015年	-47.54	-37.02	-9.26
2015—2019年	96.82	119.75	29.94
1986—2019年	163.93	1 193.00	36.15

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分析可知,研究区水域面积在1991—1994年、2002—2007年和2011—2015年3个时期内表现为减少,其余研究时段内均呈现增加状态。1986—1991年、1991—1994年和1994—1998年3个时期水域面积变化动态度不大,表明研究区水域面积在21世纪以前变化缓慢,且无较大起伏。因为这一时期的水域主要分布在车尔臣河下游河道附近,若无极端气候现象发生,水域面积主要受车尔臣河流量、区域气温和降水的影响。1998—2002年间水域面积变化是所有研究时段中变化面积、变化幅度和动态度最大的时期,1998—2002年间水域面积增加了65.32 km²,变化幅度达468.88%,动态度为117.22%。表明在4 a间迅速增加了468.88%的水域,其原因是21世纪初开始向塔里木河下游输水,最终注入台特玛湖,使研究区水域面积迅速增大。2002—2007年、2007—2011年、2011—2015年和2015—2019年4个时段研究区水域面积增减交替,减少幅度远远小于增加幅度。

整体上看,1986—2019年研究区水域面积增加了163.93 km²,变化幅度为1 193%,动态度为36.15%,表明研究区34 a间增加了1 193%的水域面积,但增速并不是很快,这是因为研究区水域面积并非一直处于增加状态,而是呈现出波动增长的态势。

4 讨论

4.1 水域面积变化驱动因素分析

全球变化背景下,我国西北干旱区气候类型正由暖干向暖湿转变^[20],气温升高导致干旱区以冰川补给为主的河流流量增大,且降水变化直接影响区域水量变化。从图5可以看出,1986—2018年间,研究区年均气温和年降水量均呈现增加趋势,年均气温从1986年的10.9 ℃波动增加至2018年的11.5 ℃,年降水量也从1986年的12.2 mm增加到2017年的64.9 mm。车尔臣河年径流量从1980年的5.11亿m³增加到2006年的6.2亿m³,也呈现缓慢增加态势(图6)。考虑到2000年开始实施的塔里木河下游输水工程对研究区水域空间分布格局的显著影响,统计了2000—2018年间共18次输水记录中到达台特玛湖的历次输水总量(图6),并以向塔里木河下游开始输水为节点分2个时段对研究区水域面积与气温、降水、车尔臣河年径流量以及到达台特玛湖的塔里木河下游输水总量做相关分析,深入诠释研究区水域面积变化的驱动因素。对输水前时段(1986—1998年)水域面积与车尔臣河年径流量、年均气温和年降水量相关分析结果显示,研究区水域面积与车尔臣河年径流量、年均气温和年降水量均成正相关关系,相关系数分别为0.066,0.032和0.825。分析可知,该时段气温波动上升缓慢,气温升高不足以大幅度地增加车尔臣河径流量,因此气温和径流量变化对研究区水域形成贡献较小; 而降水能直接补给河流及水域,对区域水量增加具有较快且明显的贡献。表明,在塔里木河下游输水之前,研究区水域面积变化主要受降水影响,气温和车尔臣河径流量变化幅度不大,对水域面积变化影响较小。输水后时段(2002—2019年)水域面积与塔里木河下游输水总量、年均气温和年降水量的相关分析结果显示,该区水域面积与塔里木河下游输水总量呈正相关,且相关系数达0.977(0.05显著性水平下),与年均气温和年降水量成负相关关系, 相关系数分别为-0.906和-0.415。表明这一阶段水域面积变化受人为因素和自然因素共同影响,但人为控制输水总量是影响该区水域面积变化的主导因素,气温升高、降水增加的暖湿气候特征导致区域蒸散加强^[21],是造成水域缩减的原因之一。

图5

图5 研究区年平均气温和降水量变化

注: 2005、2006、2007、2008、2018年站点降水缺测

Fig.5 Changes of average annual air temperature and precipitation in the study area

图6

图6 车尔臣河年径流量及塔里木河下游输水量变化

Fig.6 Changes of the annual discharge of the Qarqan River and water transport to lower reaches of Tarim River

综上,21世纪前,研究区水域受自然因素综合作用,降水占主导地位; 21世纪以来,人为干预的塔里木河下游输水工程是左右研究区水域面积变化的主导因素,而自然因素反向作用于研究区水域面积变化过程。

4.2 建议措施

塔里木河下游输水工程对下游生态修复、改善干旱区尾闾湖地区生态脆弱性具有重大意义和深远影响。自塔里木河下游生态输水以来,不仅使干涸近30 a之久的台特玛湖重新恢复湖面,更重要的是保护了塔里木河下游天然绿色廊道^[22,23],阻止了塔克拉玛干沙漠和库鲁克沙漠合拢,具有重要的现实意义。输水以来,塔里木河下游地区地下水位上涨,植被覆盖度明显增加,台特玛湖湿地面积已达511 km²,持续输水必将是塔里木河下游生态恢复的保障^[5]。由于台特玛湖曾与罗布泊相连^[21],湖水丰盈时可向南溢入喀拉和顺,再向东流出注入罗布泊^[11]。湖水东流,虽然一定程度上能够改善周边及罗布泊地区生态环境,但考虑到塔里木河下游生态输水目的是恢复下游生态环境,保证台特玛湖有水流入,且罗布泊北部有超大型钾盐矿,若湖水注入,溶解钾盐,影响开采必将对我国农业和工业生产带来不小损失。因此建议,有必要探明台特玛湖最大载水量,为合理控制塔里木河输水提供依据,做到既能最大限度地满足生态恢复需求,又不至于浪费水资源,甚至造成经济损失。

5 结论

本文基于遥感技术,以台特玛湖地区为例,探究了干旱区尾闾湖泊水域变化及驱动因素,结论如下:

1)台特玛湖地区34 a间水域空间变化特征分为2个阶段: 第一阶段是21世纪前水域零星分布在车尔臣河河道附近,呈现出研究区西多、东少甚至没有的空间格局。第二个阶段是进入21世纪以来,研究区东侧水域迅速扩大,逐渐形成东侧多于西侧的空间分布格局。

2)研究区34 a间水域面积处于波动增长态势,1986—2019年间水域面积增加了163.93 km²,水域重心整体大幅度向东侧的台特玛湖转移。水域重心变化主要分为4个过程,分别是20世纪80年代末的快速向研究区西侧转移、20世纪90年代期间的缓慢向东移动、20世纪90年代末至21世纪初的大幅度、迅速向东转移和21世纪以来的波动向东移动过程。

3)研究区水域面积变化在不同时期受不同因素的制约,以21世纪初向塔里木河下游输水为界,输水前水域面积主要受区域自然因素综合作用,其中降水为主要驱动因素; 输水后,人为干预的输水过程是影响研究区水域面积变化的主导因素。

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8 m3, the annual transferred water was 3.3×108 m3, and the accumulated volume supplied to groundwater come to 25.0×108 m3 which lift the depth of groundwater table from 8-12 m up to 4 m, and is suitable for the natural vegetation growth. The area of arbor, shrub and grass has been raised 2.4 times, 0.36 times, and 1.8 times, respectively. The vegetation coverage was 570 km2 in 2006, and 1000 km2 in 2010. The species was increased from 9 families, 13 genera, 17 species before the water-transfer to 15 families, 36 genera, and 46 species after the water-transfer. Water area was significantly expended, the channel length was increased by 156.2 km, the area of overflowed was 174.6 km2, the water area of Taitema lake was 189.7 km2(including Kangnake wetland)which had been dry up for 17 years. Desertification has been reversed, the average annual growth rate decreased from 0.27% to-0.30%, which made the impossibility of the join of the Taklimakan Desert and the Kuluke Desert, and there was nearly totally unimpeded and was no sand damage in the national road. In order to make the Tarim River Basin planning being compiled pass the national review, project approving, and implement, this paper suggest it should be emphasized the fragility of ecological environment and the lagging of social economic development of the Tarim River Basin, and the harm of drought, blown-sandy, and saline-alkaline were serious, and stable distributed national poverty-stricken regions. All these questions above must be solved through rational planning of water resources utilization, improving water use efficiency, and strengthening management and regulation.]]>

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For the sake of improving the eco-environment, and preventing degradation of the vegetation, the water transport project in the lower Tarim River was carried out in April 2000. According to the water path, temporal and spatial distributions of water resources in this region were greatly changed in the past 10 years. As a result, the eco-environment condition has also changed obviously. In this paper, field surveys data and remote sensing data from 2001 to 2011 were used to analyze the variation of groundwater level and natural vegetation; and the vegetation response to the groundwater level variation in typical sections were also discussed. The results indicated that (1) the fluctuation of groundwater level in each section is closely related to the quantity and duration of the water transport, and shows a process from a significant rise to slow reduction, and to a slight rise during the 10 years; the correlation coefficient of groundwater depth variation and water transfer quantity is approximately 0.78, and the correlation coefficient of groundwater depth variation and water transport duration is 0.7. (2) The area of vegetation cover in this region showed an increasing trend from 2001 to 2011, and the biggest area change in natural vegetation occurred in shrub land; the fraction of vegetation coverage were increased obviously during 2001-2006, and changed slightly from 2006 to 2011. (3) The fraction of vegetation coverage was found to increase along with the rise of groundwater level. In vertical direction of the river, ground water level and vegetation coverage showed a similar spatial distribution: the more distance away from river the lower groundwater level is, the lower fraction vegetation coverage. In parallel direction of the river, the response intensity of the fraction of vegetation coverage to groundwater level showed a decreasing trend along the distance from Daxihaizi reservoir.

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车尔臣河是塔里木盆地东南部最大的一条河流，主要依靠雪冰融水和地下水补给。上游山区由于有库木库里盆地和吐拉盆地对径流的调节，水量各季节变化比较平稳，特别是春季占全年径流量的29%，是新疆春季径流所占比例最大的河流之一，春灌基本不缺水。农业灌溉和生态用水各占水资源总量的一半。绿洲虽不断扩大，但中游地下水位仍较高，植被未发生明显退化，同时还向台特玛湖输送一定水量。因此，对车尔臣河水资源利用应保持原生态状况，不宜人工修建大型水利工程。由于车尔臣河出山口有巨大的洪积冲积扇，渗漏量占出山口径流量约30%，是一个比较理想的天然地下水库，所以今后经济发展用水应以开发地下水为主。

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