高彥華　王洪亮　周　旭　周春艷　楊　旻

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京　100094；2.國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京　100101；

3.中國礦業(yè)大學地球科學與測繪工程學院，北京　100083；4.國家基礎地理信息中心，北京　100830)

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巴爾喀什湖近30余年動態(tài)變化遙感監(jiān)測與分析

高彥華1，2王洪亮3周旭4周春艷1，2楊旻1，2

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京100094；2.國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京100101；

3.中國礦業(yè)大學地球科學與測繪工程學院，北京100083；4.國家基礎地理信息中心，北京100830)

【摘要】20世紀中后期，伊犁—巴爾喀什湖流域由于氣候變化和人類活動影響加劇，生態(tài)問題日益突出，其中巴爾喀什湖的水量、水質(zhì)都受到了不同程度的影響，成為中哈兩國關注的焦點。本文運用遙感技術，監(jiān)測巴爾喀什湖自1977年以來面積及湖岸的動態(tài)變化，并分析巴爾喀什湖近三十余年變化的主要原因。監(jiān)測與分析結果表明：自1977年以來巴爾喀什湖面積呈現(xiàn)明顯萎縮后略有恢復的變化過程。1977年到1998年的21年間湖面萎縮明顯，共減少594km2，平均每年減少約28.3km2。1998年后湖面積有所回升，但至今湖面積相較1977年仍減少279km2。面積變化原因分析表明，巴爾喀什湖面積變化受全球氣候變化和人類活動的雙重影響。區(qū)域氣候變化對湖面積變化存在一定影響，而人類活動的影響，加劇了巴爾喀什湖水位的變化過程。此外，湖岸變化的監(jiān)測結果表明，湖面西部有向北推移的趨勢，主要是由于伊犁河由南面匯入巴爾喀什湖西部，帶來大量泥沙淤積，使西部湖面向北推進。東部主要由其他河流補給，湖面萎縮較明顯。

【關鍵詞】巴爾喀什湖；遙感監(jiān)測；動態(tài)變化

1引言

巴爾喀什湖位于哈薩克斯坦共和國東南部，流域面積達41.3×104km2，其中85%的面積在哈薩克斯坦境內(nèi)，15%在中國境內(nèi)[1]。巴爾喀什湖作為中亞地區(qū)最大的內(nèi)陸湖泊，在中亞的氣候調(diào)節(jié)中起著重要作用。巴爾喀什湖是流域各河流的尾閭湖，最重要的補給源為伊犁河，湖水位變化主要取決于伊犁河入湖水量的變化。伊犁河是流經(jīng)中國和哈薩克斯坦兩國的國際性內(nèi)陸河，其上游位于我國境內(nèi)，從南面注入巴爾喀什湖的西半部，入湖水量占總入湖水量的78.4%[2]。伊犁河-巴爾喀什湖流域是世界上最大的湖泊生態(tài)系統(tǒng)之一，生態(tài)景觀獨一無二，湖水位作為巴爾喀什湖流域生態(tài)系統(tǒng)及其保護的主要指標，備受世人關注[3]。20世紀中后期，由于受到氣候變化以及人類活動的影響，巴爾喀什湖水位下降迅速，引發(fā)了一系列的生態(tài)問題，三角洲生態(tài)環(huán)境退化，綠洲面積減少，荒原沙漠面積增加，成為中哈兩國關注的焦點。因此，為掌握近30余年巴爾喀什湖動態(tài)變化及現(xiàn)狀，本文應用遙感技術，對巴爾喀什湖自1977年來湖泊面積變化及周邊生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行遙感監(jiān)測。分析影響湖泊面積變化的主要因素，為巴爾喀什湖流域的生態(tài)保護提供參考信息和決策支持。

2研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

2.1巴爾喀什湖概況巴爾喀什湖位于哈薩克斯坦共和國東南部，地理位置73°21′～79°30′E，44°45′～46°44′N之間[4]。該湖是一個內(nèi)陸冰川堰塞湖，世界上第四長湖，總長約600km，最寬處約71km。其入水主要來自于伊犁河，從南面注入巴爾喀什湖的西半部。湖水位變化主要取決于伊犁河入湖水量的變化。湖東部因河流注入較少，加之湖區(qū)氣候干旱，湖水大量蒸發(fā)而使湖水含鹽量增多，因而形成了西淡東咸的一湖兩水現(xiàn)象。巴爾喀什湖南岸與東岸廣泛分布著固定和半固定的沙漠與鹽堿地。由于地處歐亞大陸內(nèi)部，遠離海洋，尤其東南緣高山阻隔印度洋、太平洋暖濕氣流，因此湖區(qū)及周邊呈現(xiàn)典型的溫帶沙漠、草原大陸性氣候，湖區(qū)年平均降水量約140mm，蒸發(fā)量約1000mm，氣候較為干旱。因流域內(nèi)高山山脈和盆地交錯分布而構成的山-盆體系的存在，使得高山冰雪融水形成眾多河流，流域內(nèi)主要河流有伊犁河、卡拉塔爾河、列普瑟河、阿克蘇河、阿亞古茲河，除伊犁河流入西巴爾喀什湖，其它各河均流入東巴爾喀什湖[4]。

圖1　巴爾喀什湖流域水系示意圖

2.2數(shù)據(jù)源

遙感影像數(shù)據(jù)主要來源于NASA網(wǎng)站，影像數(shù)據(jù)包括1977年9月的MSS數(shù)據(jù)(空間分辨率80m)、1990年9月的TM數(shù)據(jù)(空間分辨率30m)、1998年9月的TM數(shù)據(jù)、2011年的9月TM數(shù)據(jù)、以及2014年9月Landsat8的數(shù)據(jù)(空間分辨率30m)。其中，部分影像因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，選取時間上最臨近的數(shù)據(jù)補充。本文用到的氣象數(shù)據(jù)主要來自于巴爾喀什氣象站(BALHASH)的溫度和降水資料統(tǒng)計而來。

2.3數(shù)據(jù)處理

對遙感影像數(shù)據(jù)預處理包括鑲嵌、圖像配準等。圖像配準方法是以2011年的TM影像圖為基準圖，1977年MSS影像、1990年的TM影像、1998年TM影像、2014年的TM影像為配準圖進行圖像配準。由于30余年以來巴爾喀什湖湖泊變遷，不同時相的影像景物變化較大，故盡可能選取地物變化不大的標志點，如山脊線轉折處、湖中小島以及湖北岸的工礦廠等標志點。采用三次卷積內(nèi)插運算對圖像進行重采樣，完成圖像配準，配準誤差控制在一個像元之內(nèi)。在配準好的圖像上提取水體。

湖泊面積提取采用基于植被指數(shù)提取水體的方法，運用植被指數(shù)作為規(guī)則集，最大限度的突出植被、水體信息。采用Easy Interpretation面向對象提取的分類軟件，新建分類工程，多尺度分割，規(guī)則建立以及查看特征值，確定最佳閾值，最后分類信息提取以及數(shù)據(jù)輸出。

圖2　不同時期巴爾喀什湖遙感影像圖與湖泊提取矢量圖

3結果與分析

3.1監(jiān)測結果

3.1.1巴爾喀什湖面積變化

為掌握近30余年巴爾喀什湖面積的動態(tài)變化，基于ArcGIS對輸出的湖泊矢量數(shù)據(jù)進行面積統(tǒng)計(圖3)。統(tǒng)計結果表明，巴爾喀什湖面積從1977年至2014年經(jīng)歷了大幅縮減后又有所恢復的過程。從1977年到1998年的21年間湖區(qū)面積減少尤為明顯，平均每年減少28.3km2。從1998年至2014年的16年間，巴爾喀什湖進入一個豐水期，面積有逐步增加的趨勢，但相較于1977年，2014年巴爾喀什湖面積仍縮減了279km2。此外，相關研究資料也顯示，研究期內(nèi)，巴爾喀什湖流域中下游用水量在1990年接近80×108m3，隨后呈現(xiàn)15a左右的劇烈下降，自2005年后呈現(xiàn)快速的恢復性增長，2008年巴爾喀什湖流域中下游用水量約65×108m3左右，已逐步恢復到20世紀80年代中期水平[5]。

圖3　巴爾喀什湖面積變化圖

3.1.2巴爾喀什湖湖岸變化

為監(jiān)測和掌握巴爾喀什湖湖岸推移或退縮的具體變化情況，圍繞湖面四周選取14個岸邊參照點(圖4)，監(jiān)測1990年、1998年、2011年、2014年湖岸參照點到湖面最短距離，以1977年參照點到湖岸距離為參考距離，計算各參照點到湖面距離的變化，分析巴爾喀什湖不同位置湖面擴張與萎縮情況。經(jīng)監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)巴爾喀什湖面除局部有擴張的情況外，總體上相較1977年呈萎縮的趨勢(圖5，正值為湖岸向內(nèi)萎縮，負值為向外擴張)。同時，需要注意的是，參考點10和11明顯萎縮，而參考點12、13、14向外擴張，說明巴爾喀什湖西部湖面有向西北推移的趨勢。主要原因在于巴爾喀什湖西部是伊犁河的主要補給區(qū)，伊犁河由西南面匯入巴爾喀什湖，帶來大量泥沙淤積于入湖區(qū)域，使湖面有明顯向西北推進的趨勢。巴爾喀什湖東部主要由其他河流補給，而東部也是湖面萎縮較明顯的區(qū)域。

圖4　巴爾喀什湖岸邊參照點分布圖

圖5　巴爾喀什湖湖岸動態(tài)變化

3.2變化原因分析

3.2.1區(qū)域氣候變化的影響

為分析區(qū)域氣候變化對巴爾喀什湖面積變化的影響，以巴爾喀什氣象站(BALHASH)的氣溫與降水數(shù)據(jù)為基礎，分析了巴爾喀什湖區(qū)域自1951年來的降水和1973年來氣溫的變化趨勢(數(shù)據(jù)來源：http：//gis.ncdc.noaa.gov)。分析結果表明，巴爾喀什湖區(qū)域多年氣溫呈逐漸升高的趨勢(圖6)，同時，為分析區(qū)域溫度對湖泊面積的影響，并考慮到區(qū)域溫度對湖泊面積的影響是長期的、滯后的，通常不是實時的，因此，分別提取了1977年、1990年、1998年、2011年、2014年當年與之前2年的(共3年)的年平均氣溫做了均值，進而分析5個時期區(qū)域氣溫變化與湖泊面積的相關性。圖7表明區(qū)域氣溫的變化與巴爾喀什湖面積存在弱的負相關(R2=0.1874)。區(qū)域氣溫升高不是巴爾喀什湖面積變化的主要原因，但可在18.74%的程度上解釋巴爾喀什湖面積的萎縮，區(qū)域氣溫升高僅是巴爾喀什湖面積萎縮的原因之一。

圖6　巴爾喀什氣象站年平均氣溫變化圖

圖7　湖面積與氣溫相關性

此外，巴爾喀什湖區(qū)域年降水量較少，多年降水量雖有波動但變化趨勢不明顯(圖8)。巴爾喀什湖區(qū)域降水量年際、年內(nèi)分布不均[6]，巴爾喀什湖流域降水量的年內(nèi)分布曲線呈雙峰型[7]，該地區(qū)多雨期一般為春夏交替的4～7月和秋冬交替的10～12月，少雨期一般在夏秋換季的8～9月和冬季的1～2月[8]。為進一步明確巴爾喀什湖區(qū)域的降水量對湖泊面積的影響，同時考慮到區(qū)域降水量對湖泊面積的影響是長期的、非實時的，因此，分別提取了1977年、1990年、1998年、2011年、2014年當年與之前2年的(共3年)的年降水量做了均值，進而分析5個時期區(qū)域降水量變化與湖泊面積的相關性。圖9表明區(qū)域年降水量的變化與巴爾喀什湖面積沒有明顯的相關性，因此，區(qū)域降水量對巴爾喀什湖面積的影響不顯著。原因在于該地區(qū)位于沙漠干旱區(qū)，降水量偏少，蒸散量大，而且巴爾喀什湖的水來源主要為伊犁河等外部的補給，所以僅有的少量降水顯得微不足道。

圖8　巴爾喀什站統(tǒng)計的年平均降水量

圖9　湖面積與降雨量相關性

3.2.2伊犁河中下游地區(qū)土地利用變化的影響

根據(jù)相關文獻資料，近40年來(1970-2007年)伊犁河中下游地區(qū)土地利用變化顯著，其中耕地面積變化顯著，經(jīng)歷了“增加—減少—增加”的變化過程。1970-1990年伊犁河中下游地區(qū)耕地面積增加約6.51×104hm2[9]。灌溉區(qū)面積的大量增加，加之在伊犁河中下游、巴爾喀什湖的上游地區(qū)建立了大型的水利設施(卡普恰蓋水庫)，耗水量增長明顯，期間屬于巴爾喀什湖區(qū)的枯水期。這也是導致1977年至1998年期間巴爾喀什湖湖區(qū)大面積萎靡的主要原因。1990-2000年，該區(qū)域土地利用面積變化最大的是耕地和低覆蓋度林草地，其中耕地減少10.6×104hm2，低覆蓋度林草地增加11.2×104hm2。2000-2007年間，耕地已開始緩慢增加，但2007年耕地規(guī)模還未超過規(guī)模最高的20世紀90年代[9]。相關研究也表明，九十年代后隨著蘇聯(lián)的解體、哈薩克斯坦經(jīng)濟衰退，農(nóng)業(yè)灌溉面積減少[10]，加之豐水期的到來，降雨量相對增多，湖區(qū)面積有所增加。因此，本文遙感監(jiān)測的巴爾喀什湖面積變化，與伊犁河中下游地區(qū)土地利用面積變化，尤其是耕地面積的變化過程存在很大的相關性。

3.2.3伊犁河流域水利設施建設的影響

中國境內(nèi)的伊犁河段地處我國新疆的西北部。從中國方面來看，新疆地區(qū)極為缺水，伊犁河與額爾齊斯河作為新疆最大的兩條河流，是當?shù)厣鐣?jīng)濟生活中的基礎資源和重要樞紐。伊犁河和額爾齊斯河的多年平均地表徑流量占全疆地表徑流總量的1/3，出、入境河川徑流量分別占全疆國際河流總出、入境量的91.3%和27.2%。其次，長期以來我國西北地區(qū)國際河流總體處于待開發(fā)的狀態(tài)，新疆國際河流水資源利用不到地表徑流量的1/4，遠遠低于新疆地區(qū)其它任何非國際河流[12]。從20世紀90年代開始，為了加快新疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，改善地區(qū)供水、用水分布，新疆就在北部地區(qū)正式啟動了相關調(diào)水工程建設，主要是對伊犁河與額爾齊斯河的開發(fā)。根據(jù)近幾年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，新疆的水利投資和建設都有大幅度增長，農(nóng)田灌溉面積每年增加，2008-2010年連續(xù)三年實現(xiàn)糧食豐收增產(chǎn)，到2007年建成大中小水庫達到492個，合計庫容860013萬m3[13]。但自20世紀90年代中國開始修建水利設施以來，卻是巴爾喀什湖面積逐漸恢復增加的階段。相較中下游，伊犁河上游水資源開發(fā)利用有限，對下游影響不大，因此，中方對巴爾喀什湖面積變化的影響不明顯。

圖10　伊犁河水系示意圖

伊犁河中下游處于哈薩克斯坦境內(nèi)，伊犁河流域著名的卡普恰蓋水庫位于阿拉木圖境內(nèi)，地處伊犁河中下游、巴爾喀什湖的上游，于70年代建成投入使用，面積1850平方公里，水庫總庫容281.4億m3，庫長180km，最大寬度為22km，平均深度為15.2m，最大深度為45m，水位變幅約為4m，水電站總裝機容量43.2萬千瓦。阿拉木圖農(nóng)業(yè)灌溉和城市工業(yè)、生活用水極大依賴于水庫及上游供水，水庫的建成也為農(nóng)業(yè)灌溉面積的增加奠定了基礎。同時，卡普恰蓋水庫每年會耗掉大量蒸散。根據(jù)相關資料，1970年至1990年的20年間，三角洲濕地面積減少1/3，珍稀動物急劇減少，給三角洲生態(tài)和生物多樣性造成了嚴重的破壞。該時間段也是巴爾喀什湖嚴重萎縮的時期，因此，70年代至90年代巴爾喀什湖的變化以及三角洲的變化與卡普恰蓋水庫的影響是分不開的。

4結論

以巴爾喀什湖1977年、1990年、1998年、2011年、2014年為時間序列的遙感影像為數(shù)據(jù)源，對湖泊面積進行提取，并分析其面積變化的原因。得到的主要結論如下：

(1)巴爾喀什湖面積從1977至今，除局部有擴張的情況外，總體上相較1977年呈萎縮的趨勢。1977年到1998年的21年間湖面萎縮明顯，共減少594km2，平均每年減少約28.3km2。1998年后湖面積有所回升，但至今湖面積相較1977年仍減少279km2。湖面西部有向北推移的趨勢，主要是由于伊犁河由南面匯入巴爾喀什湖西部，帶來大量泥沙淤積，使西部湖面向北推進。東部主要由其他河流補給，湖面萎縮較明顯。

(2)巴爾喀什湖面積變化受全球氣候變化和人類活動的雙重影響。區(qū)域氣候變化對湖面積變化存在一定影響，而人類活動的影響，加劇了巴爾喀什湖水位的變化過程。巴爾喀什湖區(qū)域多年氣溫呈升高的趨勢，降水量較少，氣溫升高是巴爾喀什湖面積萎縮的原因之一。

(3)整個伊犁河流域30年以來耕地面積變化經(jīng)歷了“增加-減少-恢復性增長”的過程，其中哈方在伊犁河中下游地區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)、水庫工程建設等活動對湖面積變化的影響尤為明顯，是導致1977年至1998年湖面大面積萎縮的主要原因。九十年代后，隨著蘇聯(lián)的解體、哈薩克斯坦經(jīng)濟衰退，農(nóng)業(yè)灌溉面積減少，加之豐水期的到來，降雨量相對增多，湖區(qū)面積有所增加。

(4)近年來隨著伊犁河流域水資源開發(fā)不斷推進，伊犁河流域生態(tài)環(huán)境壓力不斷加大，有必要進一步利用天地一體化技術手段，對流域開發(fā)狀況及其影響進行持續(xù)的遙感監(jiān)測與評估，為伊犁河流域生態(tài)環(huán)境健康與管理提供技術支持。

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Remote Sensing Monitoring and Analyses of the Dynamic

Change of Balkhash Lake in the last 30 years

GAO Yanhua1，2WANG Hongliang3ZHOU Xu4ZHOU Chunyan1，2YANG Min1，2

(1.Satellite Environment Center，Ministry of Environment Protection，Beijing 100094，China；

2.Key Laboratory of Satellite Environment Remote Sensing，Ministry of Environment Protection，Beijing 100101，China；

3.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；

4.National Geomatics Center of China，Beijing 100830，China)

Abstract：At the end of 20th century，as a result of the increasing influence of global climate changes and human activities on Yili-Balkhash basin，ecological problems have become increasingly prominent. Both the quantity and the quality of lakes' water resources are being threatened in different degrees，which have become the focus of attention both in China and Kazakhstan.This paper strives to monitor the dynamic changes of area and shoreline of Lake Balkhash since 1977 with the use of satellite remote sensing technology，and analyze reasons which lead to those changes over the 30s years.The results of monitoring and analysis showed that the area of Lake Balkhash experienced a large decrease and then a slow recovery.Area of Lake Balkhash shrank apparently during 1977 and 1998，which decreased 594km2in total and the annual average deduction was about 28.3km2. Area of the lake increased a bit after 1998，however it was still 279km2less than that in 1977.Analysis of the changes indicated that double factors of human activities and climate changes both of them made a great influence on the changes.Regional climate change had an influence on the changes of area of the lake，in the mean time，human activities aggravated the fall of water level of Lake Balkhash.In addition，the result of monitoring on the shoreline showed that the west of the lake had a northward tendency.Because of the water of Yili river pours into south of Lake Balkhash，and it brings a lot of silt，and causes northward of south shoreline.East of the lake clearly shrank which is fed by other rivers.

Keywords：Lake Balkhash；Remote Sensing monitoring；Dynamic Change

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)01-0102-05

作者簡介：高彥華，博士后，高級工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感方面研究

項目資助：863項目“全球變化敏感區(qū)生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測與評估技術”資助

引用文獻格式：高彥華等.巴爾喀什湖近30余年動態(tài)變化遙感監(jiān)測與分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(1)：102-106.