1972～2011年博斯腾湖面积变化遥感分析

张一琼，海米提·依米提 ，魏 彬，马 蓉，洪 波，魏 阳

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046;2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046;3.新疆师范大学干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆乌鲁木齐830054)

湖泊水域变化是其所在流域水量综合作用平衡的结果，对气候变化和人类活动的影响具有高度敏感性［1］。特别是干旱区内陆湖泊，它作为一种干旱区独特的生态系统单元而存在，既是维系干旱区人类生存和发展的基本场所之一，也是干旱区气候变化和环境变异的指示器［2－4］。20世纪50年代以来，在全球气候变化和人类活动的影响下，气候转为暖干、入湖水量减少、农业引水增加，导致湖泊面积萎缩、污染加剧、生态环境恶化，使得湖泊已经成为人与自然环境相互作用最为敏感、影响最为深刻和治理难度最大的地理单元之一［5－7］。因此，研究湖泊水域动态变化及其气候变化等自然因素和人类活动对其水域变化的影响作用，不仅对研究湖泊演变过程、水情变化和水动力学特性等提供基础资料上具有重要的理论意义，而且对于湖泊水资源的合理开发、利用及保护也有极其重要的现实意义［8－11］。

新疆博斯腾湖是一个典型的干旱区内陆湖泊，其既是巴音郭楞蒙古自治州人民的“母亲湖”，又为当地经济发展和各族人民生活的命脉［12］。过去几十年，随着当地社会经济的快速发展，人类不断进行大规模的水土开发，湖区生态环境受到气候变化和人类活动的共同影响，使得湖泊水域面积处于不断变化之中［13］。近些年来，学者们对博斯腾湖的研究逐渐增多，但大多数的研究都集中在湖泊水位变化［14－15］、湖泊生态价值评估［16－17］以及湖泊水量、水质变化［18－22］等方面，而对于湖泊面积动态变化及其驱动机理方面的研究则少之又少。同时，近年高分辨率遥感卫星的快速发展为湖泊变化的研究搭建了更为广阔的平台，其与地理信息系统空间分析方法相结合则为湖泊水量变化的研究提供了强有力的技术支持，提高了对大面积水域深入研究的可行性和科学性［23］。因此，笔者选取博斯腾湖自1972年以来不同年份不同时段的12景遥感影像图，提取湖泊面积信息，并结合流域水文气象数据资料，对湖泊面积动态变化及其影响因素进行分析。因博斯腾湖作为其所在区域气候变化的敏感指示器，其动态变化过程也反映了气候变化对所在区域环境的影响。所以，分析和研究博斯腾湖面积的动态变化趋势及其影响因素可为湖泊水资源开发利用、湖泊以及流域的生态平衡提供重要的科学理论依据［23］。

1 研究区概况

博斯腾湖(41°56'～42°14'N，86°40'～87°56'E)位于天山南麓焉耆盆地东南隅最低处的巴音郭楞蒙古自治州博湖县境内［24］(图1)。湖区地处亚欧大陆中心，光照充足，热量充沛，气候干燥，雨量稀少，蒸发量大，多年平均降水量为68.2 mm，年蒸发量为1 800～2 000 mm，属于暖温带干旱荒漠气候［25］。博斯腾湖主要分为大、小两个湖区，注入博斯腾湖的河流主要有开都河、黄水沟和清水河。其中，开都河是博斯腾湖的主要补给源，也是唯一能常年补给博斯腾湖的河流，其补给量高达84.7%［26］。因此，开都河的入湖径流量对博斯腾的面积变化有着直接的影响。博斯腾湖属于吞吐型湖泊，是开都河的尾闾，孔雀河的源头，具有蓄洪灌溉，保障库尔勒、尉犁两大绿洲生产生活用水，以及维护塔里木河下游生态系统和环境的重要作用［15］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源 笔者根据研究区遥感数据的可获得性以及云量覆盖情况，精细选取能完整覆盖研究区，且云量覆盖均＜5%的12景遥感影像图(表1)。用于遥感影像图配准备的15个GPS控制点于2012年7月在研究区实地采集，水文、气象数据来源于当地水文站。

2.2 研究方法 将选取的12景遥感影像图在ENVI4.5中进行预处理，以实地采集的研究区15个控制点为基准对图像进行配准和不规则裁剪。然后在Matlab中将之前生成的RGB图像转换为灰度图像，并进一步转换为二进制图像，通过膨胀、腐蚀等计算以达到数据转换和图像增强的目的。运用全局阈值图像分割技术将之前处理好的灰度图像分割为目标点和背景点两个部分，借助Matlab中Regionprops工具计算出图像中目标点的个数，利用Area参数对面积信息的目标点个数进行提取，然后将统计出来的像素值转换为面积数据。

表1 研究区遥感数据源及卫星传感器特性

3 结果与分析

3.1 博斯腾湖面积变化趋势分析 通过对研究区遥感影像图解译得到博斯腾湖面积变化数据可知(图2)，1972～2011年期间，博斯腾湖面积平均为1 050.89 km2，其趋势呈现出3个较为显著的变化阶段。1972～1989年期间，湖泊面积平均为970.64 km2，整体呈不断减少趋势，由1972年10月的1 039.2 km2减少到1989年3 月的 902.07 km2，18年间共减少137.13 km2，年平均变化速率为 － 7.61 km2/a，减幅为13.20%，在1989年3月达到最小值，为902.07 km2;1989～2002年期间，湖泊面积平均为1 092.32 km2，呈极显著增加趋势，由1989年3月的902.07 km2增加到2002年10月的1 186.43 km2，净增加面积 284.36 km2，年平均变化速率为20.31 km2/a，增幅为31.52%，在2002年10月达到最大值，为1 186.43 km2;2002～2011年期间，湖泊面积平均为1 022.33 km2，2002年以后转为不断减少的趋势，总体由2002年10月的1 186.43 km2减少到2011年8月的955.56 km2，10年间共减少230.87 km2，年平均变化速率为 －23.09 km2/a，减幅为19.49%，约为1972～1989年期间的3倍。其中2002～2007年出现骤减现象，可能由于在21世纪初人类活动剧烈影响所造成的。

3.2 博斯腾湖面积变化原因分析 湖泊面积变化是多方面因素综合作用的结果，主要分为自然因素和人因素两个方面。其中，自然因素较为稳定，对面积影响直接，是引起湖泊面积动态变化的主要影响因素，在大尺度上对湖泊面积变化趋势起决定性作用。人为因素不但对湖泊面积变化有直接的影响，更对自然因素有促进作用［27］。博斯腾湖是典型的以地表径流补给为主的干旱区内陆湖泊，入湖径流量占总入湖水量的94.8%，其中开都河的补给量占到84.7%，其余为降水补给，约占入湖水量的5.2%［28］。因此，笔者根据流域自1972年以来入湖水量、蒸发量、气温、降水量等区域气象要素资料以及农业引水、生态输水、水利工程等人类活动作用，对影响湖泊面积变化的自然因素和人为因素进行分析。

3.2.1 入湖水量。自1972以来，年均入湖径流量总体呈现出由下降到增加再到下降的趋势，整体变化趋势与湖泊面积变化的总趋势相符。由图2、图3可知，70年代入湖径流量虽整体上偏少，呈不断减少趋势，但减少幅度较为平缓，而湖泊面积平均值也相对较小并在此阶段出现骤减趋势;80～90年代期间，入湖径流量表现出不断增加的趋势，80年代增加趋势不显著，进入90年代入湖径流量转为显著增加趋势。而面积在80年代并没有表现出增加的趋势，直到进入90年代之后才逐渐转为增加的趋势。期间湖泊面积整体上比入湖径流量增长率稍大;增势持续到21世纪初期，并在2002年达到历史最高值，之后转为急速下降。而在此时段受到入湖水量大幅减少的影响，湖泊面积也随之迅速下降。分析二者之间相关性:整体上入湖径流量和湖泊面积呈显著正相关关系，相关系数R=0.73。由此看来，虽然入湖径流量对湖泊面积的影响在80～90年代间出现一定程度的滞后性，但是入湖径流量对湖泊面积的变化仍具有很大的决定性作用，而在21世纪以后人类活动对其影响力度稍有所削弱。

3.2.2 蒸发量。蒸发量是引起湖泊面积变化的最直接因素之一。综合分析图2和图4，1972～1982年受气温影响湖泊年均蒸发量呈迅速上升趋势，与此相对应湖泊面积则锐减。而其后7年内，蒸发量趋于平稳增加，面积仍处于急速下降状态;1989～1997年随蒸发量的缓慢减少，湖泊面积却迅速增大，之后4年内蒸发量和湖泊面积均呈增加趋势，但面积增长趋势远远慢于蒸发量;2002～2010年蒸发量逐年增加，且湖泊面积同步逐年递减。总体上，蒸发量与湖泊面积呈负相关关系，相关系数R=－0.31。因此可以说，蒸发量的大小制约着湖泊面积的扩增。整体湖泊面积的变化趋势滞后于蒸发量。在1985和2000年左右，蒸发量对面积的作用出现异常，这可能是由于全球气候变化引起的。

3.2.3 气温。气温作为热量指标对湖泊面积产生间接影响，主要表现在4个方面:①影响流域冰川积雪消融;②影响流域总蒸散量;③改变流域高山区降水形态;④改变流域下垫面与近地面层空气之间的温差，从而形成流域小气候，间接影响湖泊面积的变化［29］。该研究发现(图2、图5)，气温变化趋势与湖泊面积动态变化并不十分一致。研究区气温变化趋势较为平缓，整体呈上升趋势，而湖泊面积则处于不断动态变化之中，且波动性较大。数据分析显示，气温与面积呈正相关关系，R=0.31。同时，气温与蒸发量的相关性系数R达到0.44，说明气温通过蒸发量影响湖泊面积。此外，气温升高可促进冰雪融水形成而增加流域内径流量，从而影响湖泊面积。

3.2.4 降水量。一般而言，降水是组成地表径流等陆面水文过程的重要因子，可直接形成地表径流，补充地表径流所需水量，是河流、湖泊补给的主要来源。而研究区处于极端干旱地区，其区域降水量稀少，多年平均降水量仅为68.2 mm，对地表径流的贡献率较小。因此，对湖泊面积影响作用相对较弱。由图2、图6对比可知，研究区内多年年平均降水量基本处于恒稳状态，且普遍较少，而湖泊面积则长期处于波动变化状态，且波动性极大。结果分析表明，降水量与湖泊面积变化呈正相关关系，但二者相关性较小。由此看来，对于干旱区而言，降水量对湖泊水量的贡献要受到区域各种气候因子、地理环境的影响，因此具有特殊性。

3.2.5 人类活动。人类活动主要包括水土保持、水利工程等能够显著改变流域下垫面的人类有目的水利活动，社会经济结构调整等非水利目的活动［30］。20世纪80年代以来，当地积极响应国家经济发展的号召，水事活动频率显著增加。1990年焉耆盆地耕地面积为15.56×104hm2，到2012年增加到28.80×104hm2，扩大了28.50%以上。灌溉引水量由1986～1995年年均10.01×108m3增加到2003～2012年的10.13×108m3，同期人口增长 36.28%［31］。飞速发展的经济和日益增长的人口极大促进耕地面积扩增，灌溉引水量极速增长导致博斯腾湖入湖径流量锐减、水位下降、面积萎缩［32］;21世纪初，博斯腾湖主要补给源值丰水期增加其水位，使流域及孔雀河沿岸受到洪水威胁，政府借此向塔里木河进行生态输水以改善流域生态环境。2000～2011年通过孔雀河向塔里木河流域生态输水12次，总计输水25.52×108m3，结束了塔里木河下游河道近30年持续断流历史，有效改善其生态环境［33］。这也是博斯腾湖在2002～2007年间面积出现骤减现象的一个重要人为影响因素。为了平衡当地社会经济的发展，博斯腾湖流域内修建了若干水利工程，主要包括引水工程、灌溉工程和灌区排水工程3类。其中，流域内现有引水工程5座:分别是位于焉耆盆地灌区的开都河第一分水枢纽和宝浪苏木分水枢纽，位于流域下游的孔雀河第一、第二和第三分水枢纽，该工程总设计引水流量为173 m3/s［34］。由此看来，进入21世纪的人类活动对博斯腾湖影响日趋显著，流域内水利工程虽对当地经济的平衡与发展做出一定贡献，但也使湖泊在各方面的变化都打上人类活动的烙印，而其面积在2002年以后的骤减态势很好地证明了这一点。

4 结论与讨论

(1)1972～2011这40年间，博斯腾湖面积平均绝对变化速率为17.00 km2/a，呈现出3个较为显著的变化阶段，整体趋于减小，减幅为 －1.14%。其中在2002～10月达到最大值1 186.43 km2，1989年3 月达到最小值 902.07 km2，并在2002～2006年间出现骤减，在1999～2002年间平稳上升。2002年左右，全球气候进入暖湿季，相对应的研究区气候也有一定程度改变，冰川融水和入湖径流量较往年有所增加。同时，在该时期国家出台退耕还林、退牧还草等相关环境政策，作用和影响了诸如入湖径流量、气温、蒸发量等环境因素，改变了区域内小气候环境。此外，1989年前后正值我国改革开放盛期，进入工业和现代化农业时代，工业排放量增大、耕地面积急速扩增等人类活动频繁，也间接对区域水体产生一定程度影响。

(2)在影响博斯腾湖面积变化的自然因素中，入湖水量、气温、蒸发量和降水量4个因素的影响程度不尽相同，其中入湖水量对湖泊面积的影响作用最大(R=0.73)。4种影响因子对湖泊面积的作用大小与其他地区有很大差异，说明干旱区自然条件具有其特殊性。气温升高加强湖面蒸发，加速冰雪消融、在一定时期内会抬升湖泊水位和扩大湖泊面积。但从长远来看，强烈的冰雪消融会加速积雪消失和冰川退缩，而降水对湖泊面积作用有限。在未来气候变暖的情景下，气温的升高会加剧湖泊水位的下降和面积的萎缩［35］。1972～2010年博斯腾湖气温年际波动性较大，多年平均值为8.72℃。70年代所有年份的气温距平均为负(图7)，且1976年降至历史最低值－1.46℃，为气温异常偏低年份(WMO推荐气候异常判断标准判定)。而且据统计，60～70年代左右，新疆平原区艾比湖、罗布泊、台特玛湖和玛纳斯湖等100 km2以上的湖泊出现大面积萎缩，有些甚至快速干涸［36］。40年来，博斯腾湖年均蒸发量平均为2 434.37 mm，2001年达到历史最高，值为2 920.21 mm。70年代，除1978和1979年外，蒸发量都为负距平(图8)，最大负距平－758.84 mm出现在1973年。到21世纪，仅2002年出现负距平，而2001年出现最大正距平485.84 mm。这与博斯腾湖面积的变化转折点基本相符。而且据分析，气温与蒸发量呈显著正相关(R=0.44)，更有力地证明了湖泊面积变化是多种自然因素协同耦合共同作用的结果。同期博斯腾湖年均降水量为81.73 mm，1988年出现历史最高值185.42 mm。同时距平计算结果显示(图9)，1988年(103.69 mm)和1992年(80.78 mm)均为降水异常偏多年份。但1988和1992年湖泊面积并未出现异常波动，这进一步说明了干旱区降水与湖泊相互作用的特殊性。

(3)博斯腾湖面积变化受到自然因素和人类活动因素的共同影响。近年来人类活动对湖区的扰动性已经逐步开始超过自然因素，其中以2000年左右最为剧烈。总体看来，影响博斯腾湖面积变化的最直接原因为自然因素，但人类活动对影响湖泊的气候效应等自然因素有强烈的放大作用，即人类活动极大地增加了自然因素与湖泊相互作用的剧烈程度，使湖泊面积变化波动频率增加。人类多项水利工程项目的不断实施(引水工程:1990～1999年博斯腾湖流域内共修建引水工程5座;灌溉工程:1954年以来，流域共建引水干渠59条，流量10 m3/s以上的达到6条;排水工程:流域现有总干排7条，总计长173 km，焉耆盆地灌区含3条)，引起湖泊自然功能逐渐转为水库功能(博斯腾湖大、小湖出口处设博湖扬水站和达吾堤放水闸两处水利设施，拦截水量放入孔雀河对下游进行生态输水，2000～2011年共计输水12次)，反过来又进一步促进人类活动的影响。总之，人类对陆地湖泊、河流和流域水体及生态环境资源的研究和利用须遵从全球气候环境平衡规律的大背景，在自然环境的承载和修复能力范围内，科学调配其区域内资源的分布、合理规划人与自然和谐发展。当代经济社会发展的大趋势是:在保证自然生产资源可持续利用的前提下，维持整体社会经济的平稳进步，着力于调控区域生态系统与社会经济体系的平衡［36］。作为当地环境管理部门，博斯腾湖监测管理处应加强对湖区及湖区周围环境进行行政监管和科学调控，以保证当地生态环境稳定性。

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