邢文淵，石 玉，王 勇，王 進(jìn)，崔彩霞

（1.烏魯木齊氣象衛(wèi)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(chǎn)之要、生態(tài)之基[1]。在西部干旱區(qū)，水資源的匱乏和時(shí)空分布的不均是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱的主要原因，直接影響區(qū)域生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)相伴相生，互相依存[3]。隨著人工綠洲的不斷擴(kuò)大，對水資源的需求不斷增加，由“水”導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)平衡的矛盾日益突現(xiàn)，掌握水資源的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，加強(qiáng)對水資源的科學(xué)管理和調(diào)配使用，對維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定意義重大。

阿克蘇河作為塔里木河干流水量的主要補(bǔ)給來源，補(bǔ)給量占73.2%[4]，不僅是塔里木河生態(tài)輸水的主要水源[5]，更是向下游有水可輸?shù)南葲Q條件[6]，源流區(qū)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)起著重要作用[7]?，F(xiàn)今對塔里木河生態(tài)輸水的相關(guān)研究多集中于下游生態(tài)、水文等方面[8-12]，對上游區(qū)域的水資源儲(chǔ)備及其可供調(diào)配用水的研究相對有限。在生態(tài)文明建設(shè)的當(dāng)下，如何更好地平衡生產(chǎn)生活用水和生態(tài)用水，如何更合理地調(diào)配利用水資源、保障生產(chǎn)生活、改善生態(tài)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展道路，是水資源管理及落實(shí)“河湖長制”工作中亟待解決的重要議題。

干旱區(qū)的水庫作為地表水的重要載體，通過水庫調(diào)配用水，可更好地支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善局地生態(tài)環(huán)境和維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。加之現(xiàn)今小流域洪水特性多變[13]，且南疆地區(qū)洪災(zāi)次數(shù)呈明顯上升趨勢[14]，更應(yīng)加強(qiáng)干旱區(qū)平原水庫的時(shí)空分布及變化的研究。目前針對水庫這一特殊水體的長時(shí)間尺度、高空間分辨率的時(shí)空動(dòng)態(tài)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(qū)水庫的遙感監(jiān)測研究較少。利用高分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)較常規(guī)的水庫調(diào)查方法，可快速、全面、準(zhǔn)確地掌握水庫的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測領(lǐng)域，而MODIS的長時(shí)間序列、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率的優(yōu)勢，能夠?qū)崟r(shí)得到不同季節(jié)的多時(shí)相數(shù)據(jù)，加之后續(xù)NPP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效銜接，所積累的長時(shí)間序列“大數(shù)據(jù)”信息更有利于進(jìn)行全面、有效的生態(tài)環(huán)境變化分析。因此，選取南疆阿克蘇河流域的主要水庫進(jìn)行長時(shí)間序列的監(jiān)測研究，通過對水域變化進(jìn)行監(jiān)測，精準(zhǔn)掌握水庫的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，對于水資源調(diào)度、洪澇災(zāi)害治理、生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)等意義重大，不僅可服務(wù)于流域的防洪抗旱，更可為塔里木河生態(tài)輸水的合理調(diào)配用水提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

阿克蘇地區(qū)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(yuǎn)離海洋，地勢北高南低，地貌分帶明顯，流域綠洲區(qū)干旱少雨，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)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(fā)量達(dá)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(qū)和新疆主要的灌溉綠洲農(nóng)業(yè)大區(qū)，也是重要的糧食、棉花和瓜果生產(chǎn)基地[17]。土地多為耕地，耗水量巨大，水資源制約著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[18]。

阿克蘇河發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，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(nèi)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(bǔ)給量的70%～80%，是塔里木河干流最大的補(bǔ)給來源[20]，對塔里木河下游生態(tài)環(huán)境改善及經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性作用[21]。

阿克蘇河流域現(xiàn)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(jìn)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(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉和人類生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)輸水，具有維護(hù)塔里木河中下游生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與發(fā)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(shù)據(jù)與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的MODIS影像數(shù)據(jù)均來自新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，氣象數(shù)據(jù)資料來自新疆氣候中心，時(shí)間為2009—2020年，按照10 d的時(shí)間分辨率，進(jìn)行水域面積的監(jiān)測，剔除有云覆蓋數(shù)據(jù)，對阿克蘇地區(qū)主要的水庫以旬為單位進(jìn)行長時(shí)間序列的連續(xù)監(jiān)測，建立水庫動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)庫，利用長時(shí)序的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行水庫動(dòng)態(tài)變化研究，掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期在保障當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活用水的前提下，為塔里木河中下游生態(tài)用水的科學(xué)調(diào)配提供支撐。阿克蘇地區(qū)人口及產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)來源于新疆統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的新疆統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

對2009—2020年逐旬的EOS/MODIS衛(wèi)星資料進(jìn)行地標(biāo)定位、幾何校正、太陽高度角訂正等預(yù)處理，生成1B數(shù)據(jù)集。從該數(shù)據(jù)集中篩選出晴空數(shù)據(jù)，并選擇以81.25°E，41°N為中心，3 000×1 600個(gè)像素點(diǎn)為范圍，分辨率為250 m，對其進(jìn)行等經(jīng)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(nèi)，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(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取和制圖的基本原理[24]。由于紅光區(qū)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(jié)合適的閾值，利用波段差值模型即可進(jìn)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(gòu)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(yīng)于MODIS數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)湖泊較適用，湖面面積精度在90%以上，精度較高[25]。

2 結(jié)果與分析

由距3座水庫最近的阿拉爾氣象臺(tái)的觀測數(shù)據(jù)可知：當(dāng)?shù)貧鉁刈?月中下旬逐步達(dá)到0℃以上，水庫開始解凍，自11月中下旬逐步達(dá)到0℃以下，水庫進(jìn)入封凍。因此，主要對3—11月的水庫面積變化進(jìn)行監(jiān)測。鑒于3座平原水庫因水深較淺，加之水庫蓄水—放水導(dǎo)致水庫面積波動(dòng)較大，在此主要使用月平均、月最大、月最小等指標(biāo)進(jìn)行闡述。

2.1 年內(nèi)變化

自春季解凍后，多浪水庫月平均面積在3月達(dá)到年內(nèi)最大，之后水庫面積逐步減少，7月達(dá)到最小，8月逐步回升，11月達(dá)到年內(nèi)次高峰，年內(nèi)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(dá)到最小，8月逐步回升，10月達(dá)到年內(nèi)最大，年內(nèi)水庫平均面積約38 km2。上游水庫在3月水庫月平均面積達(dá)到年內(nèi)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(dá)到年內(nèi)次高峰，年內(nèi)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(xiàn)在3月、為50 km2，之后逐月下降，8月達(dá)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(xiàn)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(dá)到年內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)逐年增加趨勢，2012—2015年呈現(xiàn)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(xiàn)“三升三降”的波動(dòng)變化趨勢。勝利水庫年平均面積在30～45 km2，2009—2012年呈現(xiàn)逐年增加趨勢，2012—2014年呈現(xiàn)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(shí)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(xiàn)在2016年。勝利水庫年最大面積在45～53 km2，最大面積出現(xiàn)在2017年。上游水庫年最大面積為42～107 km2，最大面積出現(xiàn)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?。▓D6）。

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(xiàn)在2017年。勝利水庫年最小面積為15～30 km2，最小面積出現(xiàn)在2016年。上游水庫年最小面積在15～30 km2，最小面積出現(xiàn)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(nèi)陸河的平原與盆地的干燥度指數(shù)十分大，暖干氣候放大了人類活動(dòng)對水文循環(huán)的不利影響，加劇了生態(tài)環(huán)境的退化。由于3座平原水庫地處內(nèi)陸干旱區(qū)，氣溫、相對濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)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(shù)據(jù)的分析并結(jié)合已有的研究發(fā)現(xiàn)，平原水庫受氣溫的影響，年內(nèi)蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降水量（圖8），已有對阿克蘇河流域平原水庫蒸發(fā)規(guī)律的研究表明，水庫蒸發(fā)量年內(nèi)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(fā)在所有氣象影響因子中起主要作用。

圖8 阿克蘇地區(qū)年降水量與蒸發(fā)量對比

2.4 人為因素分析

阿克蘇地區(qū)自然資源條件得天獨(dú)厚，人口數(shù)量逐年增加（圖9a），2020年末人口數(shù)量位居全疆各地州第四，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)產(chǎn)值逐年攀升（圖9b），人類活動(dòng)對水的需求也不斷增加，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的需求也在不斷增加。阿克蘇河流域內(nèi)的大型平原水庫的建設(shè)主要就是為了保障人類生產(chǎn)生活用水，水庫蓄水受人類生產(chǎn)生活用水影響較大，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性用水需求，水庫面積也呈現(xiàn)季節(jié)性變化。3月受冬季積雪融水的補(bǔ)給，儲(chǔ)蓄量增加，水庫面積增大；4月逐漸進(jìn)入用水期，水庫蓄水逐步減少；7—8月達(dá)到農(nóng)業(yè)用水高峰期，水庫蓄水量達(dá)到年內(nèi)最低；9月，隨著農(nóng)業(yè)用水需求的減少，水庫蓄水量回升。水庫年內(nèi)面積變化主要受季節(jié)性生產(chǎn)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(qū)人口數(shù)量（a）和三產(chǎn)產(chǎn)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(nèi)陸干旱區(qū)，存在降水少、氣溫高、蒸發(fā)大等情況，水庫也會(huì)影響到局地小氣候和水庫周邊及下游的生態(tài)環(huán)境。濕潤指數(shù)的變化，可以間接反映出局地干濕變化對當(dāng)?shù)刂脖簧L及生態(tài)環(huán)境變化的影響，是衡量某一區(qū)域氣候干濕狀況的指標(biāo)[27]，可作為反映當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化的指標(biāo)[28]，為科學(xué)合理地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測提供服務(wù)。在此選取相應(yīng)時(shí)段的氣象因子以及濕潤指數(shù)進(jìn)行水庫對周邊生態(tài)環(huán)境的影響分析。

基于新疆105個(gè)氣象站點(diǎn)的月氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用植被生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)指數(shù)[29]計(jì)算潛在蒸散量，并計(jì)算濕潤指數(shù)。采用反距離空間插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）在ArcGIS下進(jìn)行濕潤指數(shù)的空間插值，并提取出阿克蘇地區(qū)濕潤指數(shù)空間插值圖（圖10），阿克蘇濕潤指數(shù)總體相對較低，西部、北部山區(qū)相對較高，4—6月水庫區(qū)域濕潤指數(shù)與其他區(qū)域差異不大，但在夏季尤其是7月多有水庫周邊區(qū)域濕潤指數(shù)高于其他區(qū)域的情況（圖10a），說明平原水庫夏季蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致相對濕度增加，改善了局地的干濕狀況。通過建設(shè)生態(tài)健康水庫，協(xié)調(diào)處理好水庫建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共處，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

圖10 阿克蘇地區(qū)濕潤指數(shù)空間插值

3 結(jié)論與討論

通過對阿克蘇流域3座平原水庫的長時(shí)序遙感監(jiān)測和面積定量分析，得到近12年水庫變化本底數(shù)據(jù)，便于掌握其變化規(guī)律，為今后水庫的蓄水與放水、科學(xué)調(diào)配農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水打好基礎(chǔ)，結(jié)合濕潤指數(shù)空間插值變化結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）3座平原水庫年內(nèi)面積月際變化總體呈現(xiàn)“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(zhuǎn)變的時(shí)間“拐點(diǎn)”出現(xiàn)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(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水密切相關(guān)。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(nèi)面積變化較大，月最小面積在3—7月變化劇烈，說明此時(shí)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(shí)時(shí)變化，更好地發(fā)揮平原水庫合理調(diào)配用水的作用，提高水資源的利用率，為水庫運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

（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(qū)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(tài)系統(tǒng)而言，蒸發(fā)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(tài)環(huán)境，提升其生態(tài)旅游價(jià)值，可因地制宜，發(fā)展水庫生態(tài)旅游，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

干旱區(qū)水庫的作用主要是合理調(diào)配有限的水資源，確保防洪抗旱的同時(shí)做到更好地平衡人類生產(chǎn)生活用水和天然植被生態(tài)用水的矛盾，在氣候變化的大背景下，阿克蘇河流域的水儲(chǔ)量呈遞減趨勢[30]，3座平原水庫面對嚴(yán)峻復(fù)雜的旱情情勢，經(jīng)過多年運(yùn)行，已建立適合自我環(huán)境下的調(diào)配用水策略和措施。生產(chǎn)生活用水和生態(tài)用水互為競爭性用水，在水儲(chǔ)量減少的趨勢下，隨著農(nóng)業(yè)用水需求的增加，勢必會(huì)造成塔里木河下游生態(tài)用水的減少，這更需要通過掌握上游積雪、降水的實(shí)時(shí)變化，綜合考慮生產(chǎn)生活用水與生態(tài)用水的水資源供需平衡[31]，科學(xué)合理調(diào)配用水，提高水資源的利用率，以促進(jìn)干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

加強(qiáng)對平原型水庫的監(jiān)測力度，發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)優(yōu)勢，通過連續(xù)的水庫面積遙感監(jiān)測，將實(shí)時(shí)的監(jiān)測結(jié)果與歷史同期的背景數(shù)據(jù)相結(jié)合，對于水庫的蓄水量、影響的流域范圍、阿克蘇河灌區(qū)植被及塔里木河下游生態(tài)輸水等有著重要的參考價(jià)值。