蘇向明, 劉志輝,3,4, 魏天鋒, 王月健, 劉 洋

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 烏魯木齊 830046)

?

艾比湖面積變化及其徑流特征變化的響應(yīng)

蘇向明1,2, 劉志輝1,2,3,4, 魏天鋒1,2, 王月健1,2, 劉 洋1,2

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 烏魯木齊 830046)

近年來隨著艾比湖湖面的不斷退化，其環(huán)境問題日益嚴重。研究艾比湖面積變化對于艾比湖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護、社會經(jīng)濟發(fā)展，乃至整個北疆地區(qū)的生態(tài)都有著重大的作用。利用2008—2015年逐月的高分遙感影像信息源，提取湖泊邊界歸一化坐標系和投影方式并以GIS工具對湖泊分析獲取湖面變化信息。并提取年2013年3—10月份的艾比湖湖面邊界，進行邊界疊加對年內(nèi)湖面動態(tài)變化進行分析。結(jié)合博樂市水文水資源局所實測的1989—2007年的艾比湖湖面面積對其年際變化進行分析。同時對博爾塔拉河和精河的1992—2012年的徑流數(shù)據(jù)、降水量數(shù)據(jù)、平均氣溫數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析河流的徑流特征，探討支流徑流變化對艾比湖面積變化的影響。結(jié)果表明：(1) 利用湖泊動態(tài)度對艾比湖湖面面積進行分析，其部分年份有增加的時期，但是整體上呈現(xiàn)減少的趨勢；(2) 以2013年為例對艾比湖3—10月份的動態(tài)變化進行了監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)從3月份開始艾比湖的面積在不斷減少，在10月份湖面面積最小，且大部分水體變化發(fā)生在西北方；(3) 對艾比湖入湖水量與湖面面積進行統(tǒng)計分析，二者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R=0.71。

艾比湖; 動態(tài)變化; 徑流特征

湖泊是重要的國土資源，對發(fā)展經(jīng)濟維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡起到重要的作用。艾比湖流域位于中國新疆西部，天山北麓，毗鄰哈薩克斯坦共和國，為準噶爾盆地西部最低的集水中心，是奎屯河、精河、博爾塔拉河等河流的尾閭。其地理位置正好處在阿拉山口大風(fēng)通道的下沉氣流區(qū)，具有典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，獨特的自然地理因素決定了流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，加之人類的不合理的利用，導(dǎo)致湖泊水量減少。作為新疆第一大咸水湖，艾比湖曾經(jīng)像一把保護傘維持著該地區(qū)乃至整個新疆北部的生態(tài)平衡。西部干旱區(qū)湖泊萎縮干涸的現(xiàn)象較多，艾丁湖、羅布泊都是鮮活的實例。艾比湖流域是一個典型的干旱生態(tài)環(huán)境退化區(qū)[1]，然而一般認為北方地區(qū)尤其是干旱區(qū)年徑流量隨森林覆蓋率增大而減小(石質(zhì)山區(qū)除外)，南方濕潤地區(qū)則相反，所以文章不考慮植被覆蓋的情況[2]。近年來國內(nèi)學(xué)者對于艾比湖地區(qū)已做了不少研究[3-5]，但是在這些研究中缺乏對于艾比湖湖面面積年內(nèi)變化及其徑流特征變化的響應(yīng)和艾比湖年內(nèi)動態(tài)變化趨勢研究。無可否認的是從20世紀50年代至70年代末，湖面面積以每年10.3 km2的速度從1 200 km2萎縮至522 km2[6]。近年來由于本流域人口以及種植面積的增加使得艾比湖有限的水資源與生態(tài)用水間的矛盾日益突出，人類在艾比湖退化的過程中影響比重較大。人們在上游地區(qū)開荒造田攔壩建庫，下游出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致大量植被衰敗，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)都有危害[7]。湖泊面積大，且由于條件的限制，很難對其整體湖面信息進行檢測。近年來隨著遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展，高分辨率的衛(wèi)星遙感影像相對于常規(guī)的湖泊調(diào)查方法，其全面、快速、數(shù)據(jù)量大和更新快的優(yōu)勢[8-9]，被廣泛地應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測、湖泊的動態(tài)環(huán)境變化和鹽湖開發(fā)等領(lǐng)域[10-13]，且技術(shù)也已經(jīng)比較成熟。

1　研究區(qū)概況

艾比湖位于44°43′—45°12′N，82°35′—83°11′E，處于精河縣北部，東部與古爾特通古特沙漠相連，北臨托里縣，西北與哈薩克斯坦共和國相連，屬于博爾塔拉蒙古自治州，是新疆維吾爾自治區(qū)第一大咸水湖。艾比湖流域的補給河流主要有精河、博爾塔拉河和奎屯河。20世紀50年代奎屯河區(qū)興建10多座水庫，總庫容2 108 m3，加之引水工程的完善，地表徑流基本上被全部引用，到70年代末期幾無水量注入艾比湖[14-16]，導(dǎo)致艾比湖水量在70年代時劇減。80年代以來艾比湖入湖地表徑流主要來自博爾塔拉河和精河，其中博爾塔拉河的多年平均徑流量為5.25億m3，精河的多年平均徑流量為4.7億m3。通過對兩河的多年觀測值的計算，博爾塔拉河水量占總?cè)牒康?1.3%，精河占28.7%[17]。

2　數(shù)據(jù)獲取及研究方法

2.1數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)來源，文章中主要用到兩部分的數(shù)據(jù)，第一部分是關(guān)于艾比湖地區(qū)的一些氣象和徑流數(shù)據(jù)，還有部分遙感數(shù)據(jù)。其中氣象數(shù)據(jù)包括1992—2012年的精、博河地區(qū)的降水、徑流數(shù)據(jù)、氣溫數(shù)據(jù)，其次還有艾比湖歷年入湖水量數(shù)據(jù)，入湖站點信息如表1所示。

表1　入湖站點信息

文章中用到的遙感數(shù)據(jù)獲取自中國資源衛(wèi)星中心下面的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座A，B星的數(shù)據(jù)(以下簡稱HJ-A，B衛(wèi)星)，各載荷的主要參數(shù)如表2所示。

表2　HJ-1A衛(wèi)星主要載荷參數(shù)

下載的遙感影像數(shù)據(jù)是合成的標準產(chǎn)品2級產(chǎn)品，表3是對產(chǎn)品的介紹。

2.2Mann-Kendall單調(diào)趨勢檢驗

Mann-Kendall檢驗法[18]是世界氣象組織推薦并廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法，它不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，且不需要作統(tǒng)計分析，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計算簡便。下面分別介紹其趨勢檢驗的原理。

表3　產(chǎn)品介紹

M-K檢驗首先對時間序列(X1，X2，X3，…，Xn)依次比較，結(jié)果記為sgn(θ)：

(1)

然后計算出Mann-Kendall統(tǒng)計量：

(2)

式中：xk，xi——進行檢驗的隨機變量；n——所選數(shù)據(jù)序列的長度。則與此相關(guān)的檢驗統(tǒng)計量為：

(3)

當(dāng)-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2時，接受原假設(shè)，表明樣本沒有變化趨勢。其中±Z1-a/2為標準正態(tài)分布中值為1-a/2時對應(yīng)的顯著性水平a下的統(tǒng)計量。

(4)

式中：10時，反映出呈上升趨勢，反之則呈下降的趨勢[19-20]。

2.3湖泊面積動態(tài)度

湖泊面積動態(tài)度可以反映不同時期湖泊面積變化情況，本研究采用湖泊面積動態(tài)度分析湖泊的變化特征。湖泊面積動態(tài)度是指某一地區(qū)一定時間范圍內(nèi)湖泊面積的變化，其表達式為[21]：

(5)

式中：K——研究時段內(nèi)湖泊面積動態(tài)度；Ua，Ub——研究初期和研究末期的湖泊面積；T——研究時段長，當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，K值就是該研究區(qū)湖泊面積的年變化率。

3　結(jié)果與分析

3.1湖面面積變化分析

從圖1中可以看出，近年來艾比湖湖面面積從1989—2012年總共經(jīng)歷了2次波動，第1次是1992—1994年的小波動；第2次是2000—2007年的一個大波動，波動范圍為502～891 km2，湖面面積達到最大值的時候比上年增加了240.72 km2，但是這一年的入湖水量較上年變化不大。這可能是因為在之前注入艾比湖的部分水轉(zhuǎn)入地下水，而當(dāng)入湖水量稍微減少的情況下，地下水反過來補給湖泊水量，所以湖泊的面積變化有一定的滯后性。

圖1艾比湖歷年入湖流量與艾比湖面積變化

圖2是對艾比湖湖面面積與入湖水量的相關(guān)分析，得出二者相關(guān)性較大。艾比湖湖面面積與入湖水量的關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)R=0.71，由此說明，入湖水量對湖面面積的影響較大。

圖2湖面面積與入湖水量關(guān)系

圖3是對艾比湖2013年3—10月的湖面面積進行的統(tǒng)計，艾比湖湖面面積從3月份開始依次減少，在10月份最小，這個變化的原因主要是從4月份開始新疆地區(qū)進入春灌期，艾比湖的補給量變少。隨著季節(jié)的推移，用水量不斷增加，艾比湖湖面面積不斷減小。冬季新疆灌溉用水少，河流都處于自然狀態(tài)，凈補給量大。

艾比湖3—10月湖面變化主要集中在西北方，這主要因為艾比湖補給河流的入口大都集中在東南方，加之流動過程中蒸發(fā)、下滲等因素，致使到西北方以后水量減少，當(dāng)然也有可能與艾比湖湖底的地形有關(guān)。

圖3艾比湖3-10月湖面變化

3.2支流徑流變化特征

由圖4A可以看出，精河站平均氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，這與何毅等[22]對南北疆氣溫、降水及相對濕度趨勢分析研究結(jié)果一致。如圖4B所示，1992—2012年博樂站的徑流量變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，呈現(xiàn)上漲趨勢。博樂站的降水量與徑流量的變化趨勢基本一致。平均氣溫基本保持穩(wěn)定，變化不明顯。

利用精河與博爾塔拉河1992—2012年實測的出山口徑流量資料，分析了艾比湖二大支流在1992—2012年年徑流量變化趨勢。經(jīng)過檢驗得出(表4)，精河站近年來徑流屬于遞增趨勢，而博爾塔拉河屬于微遞減趨勢。

圖4精河和博樂站平均氣溫、降水與徑流量變化

表4　艾比湖流域兩大支流徑流量趨勢檢驗

注：β值為年變化率。R為拒絕原假設(shè)，差異性顯著；A為接受原假設(shè)，差異性不顯著。

補給河流主要是通過入湖水量影響艾比湖面積，但是其二者之間并沒有顯示很好的相關(guān)性。這主要是由于人們引水過多改變了徑流的自然規(guī)律，加之有部分水量是通過地下水的形式補給艾比湖的。以博爾塔拉河為例，其徑流在年內(nèi)甚至出現(xiàn)逆季節(jié)的現(xiàn)象，即夏季徑流量小，而冬季徑流量大，這就使得艾比湖夏季入湖水量減小。

3.3艾比湖湖面積動態(tài)度分析

根據(jù)公式(4)對艾比湖湖面積動態(tài)度進行分析，結(jié)果表明：1989—2015年艾比湖面積減少了47.27 km2，減少了2.94%。1989—1993年，艾比湖面積增加了30.21%，湖泊面積動態(tài)度為6.04%；1993—2004年，艾比湖面積減少了45.59%，湖泊面積動態(tài)度為3.80%；2004—2015年艾比湖面積較少了45.70%，湖泊面積動態(tài)度為-3.81。雖然艾比湖面積有階段性增加的時段，但是整體上，艾比湖面積處于負增長的態(tài)勢。

4　結(jié) 論

(1) 以湖泊動態(tài)度對艾比湖湖面面積動態(tài)進行分析，1989—2014年艾比湖面積減少了47.27 km2，減少了10.06%，表明了艾比湖面積正在萎縮。在1989—1993年、1993—2004年和2004—2013年，艾比湖的湖面動態(tài)度依次為6.04%，3.80%，-5.26%，雖然艾比湖面積有階段性增加的時期，但是整體上，艾比湖面積處于負增長的態(tài)勢。

(2) 3—10月份艾比湖湖面面積的變化趨勢為從3月份開始逐漸降低，在10月份達到最低。春季、夏季以及秋季湖面入湖水量少主要是農(nóng)業(yè)灌溉用水的原因，西北地區(qū)汛期正是農(nóng)業(yè)灌溉用水、魚蝦孵化的高峰時節(jié)，所以艾比湖湖面面積的最大值不出現(xiàn)在夏季。

(3) 對入湖水量與艾比湖湖面面積進行相關(guān)分析，得出二者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R=0.71。2000—2004年艾比湖面積不斷增加，在2004年艾比湖湖面面積達到最大值。而艾比湖湖面面積與入湖水量存在不同步的現(xiàn)象，這是由于當(dāng)入湖水量開始增加時，有部分入湖水量轉(zhuǎn)為地下水，同時當(dāng)?shù)乇硭⑷氚群娜牒繙p少時，其地下水補給艾比湖水量。

[1]李遐齡.艾比湖生態(tài)環(huán)境綜合治理和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1997,11(2):27-36.

[2]李佳,張小詠,楊艷昭.基于SWAT模型的長江源土地利用/土地覆被情景變化對徑流影響研究[J].水土保持研究,2012,19(3):119-124.

[3]Yao J, Zhao Q, Liu Z. Effect of climate variability and human activities on runoff in the Jinghe River Basin, Northwest China[J]. Journal of Mountain Science,2015,12(2):358-367.

[4]蘇宏超,巴音查汗,龐春花.艾比湖面積變化及對生態(tài)環(huán)境影響[J].冰川凍土,2006,28(6):941-949.

[5]張飛,王娟,周梅,等.1998—2013年新疆艾比湖湖面時空動態(tài)變化及其驅(qū)動機制[J].生態(tài)學(xué)報,2015,35(9):2848-2859.

[6]吉力力,米熱班,阿布里,等.艾比湖干涸湖底不同景觀類型下富鹽沉積物鹽分積聚特征[J].中國沙漠,2013,33(5):1426-1432.

[7]楊青,何清,李紅軍,等.艾比湖流域沙塵氣候變化趨勢及其突變研究[J].中國沙漠,2003,23(5):503-508.

[8]Xu H. Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery[J]. International Journal of Remote Sensing,2006,27(14):3025-3033.

[9]Hinton J C. GIS and remote sensing integration for environmental applications[J]. International Journal of Geographical Information Systems, 1996,10(7):877-890.

[10]杜云艷,周成虎.水體的遙感信息自動提取方法[J].遙感學(xué)報,1998,2(4):364-369.

[11]李永生,武鵬飛.基于MODIS數(shù)據(jù)的艾比湖湖面變化研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2008,19(5):110-112.

[12]于雪英,江南.基于RS,GIS技術(shù)的湖面變化信息提取與分析:以艾比湖為例[J].湖泊科學(xué),2003,15(1):81-84.

[13]劉志鋒,朱衛(wèi)紅,南穎,等.基于Corona和Spot-5影像的圖們江下游敬信濕地變化研究[J].濕地科學(xué),2009,7(3):237-242.

[14]楊利普,楊川德.新疆艾比湖流域水資源利用與艾比湖演變[J].干旱區(qū)地理,1990,13(4):1-13.

[15]格麗瑪,何清,冷中笑,等.新疆艾比湖流域近40年來氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2007,21(1):54-58.

[16]蘇穎君,包安明.艾比湖生態(tài)環(huán)境惡化及防治對策[J].干旱區(qū)地理,2002,25(2):143-148.

[17]閆順.艾比湖及周邊地區(qū)環(huán)境演變與對策[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1996,10(1):30-37.

[18]Yue S, Pilon P, Phinney B, et al. The influence of autocorrelation on the ability to detect trend in hydrological series[J]. Hydrological Processes,2002,16(9):1807-1829.

[19] Xu Z X, Takeuchi K, Ishidaira H. Monotonic trend and step changes in Japanese precipitation[J]. Journal of Hydrology,2003,279(1):144-150.

[20] Burn D H, Elnur M A H. Detection of hydrologic trends and variability[J]. Journal of Hydrology, 2002,255(1):107-122.

[21]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學(xué)進展,1999,18(1):81-87.

[22]何毅,楊太保,陳杰,等.1955—2012年南北疆氣溫,降水及相對濕度趨勢分析[J].水土保持研究,2015,22(2):269-277.

Change of Ebinur Lake Area and Its Response Characteristics of the Runoff Change

SU Xiangming1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, WEI Tianfeng1,2, WANG Yuejian1,2, LIU Yang1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China)

In recent years, with the deterioration of the Ebinur Lake area, the increasingly serious environmental problems occurred. Study on the Ebinur Lake area change for the protection of the ecological environment in Ebinur Lake area, the ecology of social and economic development, and even the entire northern region of Xinjiang Uygur Autonomous Region plays the significant role. Using the monthly high resolution remote sensing image information source from 2008 to 2015, extraction of lake boundary normalized coordinate system and projection methods and using GIS as a tool, the change information of the surface of the lake was obtained. Ebinur Lake boundary from March to October in 2013 was extracted, the dynamic change of lake superposition boundary was to analyzed. Combining with the Bole City Bureau of hydrology and water resources data of 1989—2007 of the Ebinur Lake area, we analyze the interannual variation. We also used the annual runoff data of Bortala River and Jinghe, data of precipitation, average temperature data statistics to analyze the runoff characteristics of the Jinghe, Bole River, to study the influence of tributary of the runoff variation of runoff in the Ebinur Lake area. The results showed that: (1) dynamic lake utilization degrees of the Ebinur Lake area were analyzed, the part of the years had increased, but the overall presented decrease trend; (2) taking 2013 as the example, the dynamic changes of the Ebinur Lake from March to October were monitored , it was found that Ebinur Lake area continued to decline from March, in October the lake area was the smallest, and most of the water change occurred in the northwestern part; (3) taking water inflow of Ebinur Lake and lake area for statistical analysis, these two parameters have the good correlation, and the correlation coefficient is 0.71.

Ebinur Lake; dynamic change; runoff characteristic

2015-06-09

2015-06-30

國家自然科學(xué)基金重點項目(41130531);水利部公益性行業(yè)科研專項(201301103)

蘇向明(1989—),男,陜西延安人,碩士研究生,研究方向為水文學(xué)與水資源。E-mail:sxmj0214@163.com

劉志輝(1957—),男,新疆烏魯木齊人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水資源與環(huán)境生態(tài)及環(huán)境規(guī)劃、土地資源規(guī)劃與評價等研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn

P343.3; TV121

A

1005-3409(2016)03-0252-05