基于NDVI分析渭干河流域绿洲耗水对地表径流的影响

王生霞，叶柏生，周兆叶，秦 甲，李 曼

（1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州730000；2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州730050）

关于绿洲，学者们从不同角度对其进行了界定。绿洲作为干旱区的一种特有景观，是指荒漠中有稳定水源供给、草木繁茂或生产发达、人口聚集繁衍的生态地理景观［1］。绿洲作为干旱区最为精华的部分，其稳定性直接影响区域社会经济的可持续发展［2］。

中国西北内陆河流域绿洲自发展农业以来，其形成和发展过程即与水资源开发利用相伴而生。水资源是维持绿洲稳定的决定性因素，水资源的丰富与否和时空分配直接决定着绿洲的大小和时空分布形态。随着人类活动干预加强，绿洲稳定性面临日益严峻的挑战，其影响主要通过绿洲耗水间接作用于绿洲人口、资源、环境和协调发展。学者们多利用水文过程模拟、水量平衡、水热平衡等方法分析绿洲耗水与绿洲规模之间的关系［2－12］。但关于冰川径流对西北内陆河流域出山年径流量、绿洲规模稳定性的影响的研究很少。

植被是陆地生态系统的重要组成部分［13］，是绿洲的集中体现。植被覆盖与气候因子密切关系，影响着土壤湿度、地表温度、地表能量和水循环［14］。植被指数作为评价植被覆盖度、生长活力和生物量等植被信息的重要指标，已广泛应用于许多研究领域［15］。据统计，近40年来，在光学遥感领域已发展了40多种植被指数［16］，其中归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index），是植物生长状态和植被空间分布密度的指示因子［17］，应用最广泛［18］。利用 AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer）遥感资料获取渭干河流域NDVI，通过分析其与流域地表径流和绿洲耗水之间的关系，得出不同情景假设下流域地表径流、绿洲面积和绿洲耗水变化，尤其是冰川径流对出山年径流量和绿洲的贡献。认识绿洲耗水、地表径流量和绿洲变化，有助于分析干旱区绿洲的水资源承载力和水土资源配置，为防止水资源不足情况下土地过度利用引发的生态问题提供应对措施，为建立可持续发展的干旱区平原绿洲提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 渭干河流域主要由木扎提河、卡布斯浪河、台勒外丘克河、卡拉苏河以及黑孜河汇聚成的渭干河和库车河组成。渭干河在出山口后呈辐射状分布，地势北高南低，绿洲主要集中在海拔1 200m以下（图1）。渭干河流域绿洲位于天山南麓，范围大致位于80°54′～83°48′E，41°00′～42°24′N，是完整且相对闭合的山前冲洪积平原绿洲。属大陆性暖温带极端干旱气候，光热资源丰富。1960－2010年来多年平均降水量为120.3mm［19］，同期多年平均气温为9.6℃。流域水资源维护养育着绿洲发展，是绿洲主要的灌溉水源，1965－2006年多年平均径流量为29.9×108m3，年径流量变率为0.17，其中冰川径流占出山径流量的56.2%［20］。当前流域绿洲的河水引水量已达渭干河年径流量90%以上，基本无下泄水量。整体上，流域绿洲水资源利用程度高，但利用效率低下，引发的绿洲内部次生盐碱化现象严重［10］。

图1 渭干河流域绿洲水系、高程及地理位置Fig.1 The Weigan River basin oasis water system，elevation and geographic location

沙雅县、新和县、库车县和拜城县从南向北分布于渭干河流域绿洲。流域绿洲经济呈现“南农北工”局面。其中沙雅县、新和县以农业为支柱产业，第一产业GDP占到地区生产总值的40%；拜城县在2003年之后第二产业GDP占地区生产总值的比重开始超过第一产业，超过量为40%；库车县在2000年之后第二产业比重开始超过第一产业，且比重持续增加，超过量为40%。流域绿洲种植结构大体一致，以粮食作物为主，但比重不断减少，经济作物以薯类、油料、棉花（Gossypiumhirsutum）、甜菜（Beta vulgaris）等为主。以灌溉农业为主的绿洲经济严重依赖并影响着流域地表水资源。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 水文、气象数据 渭干河流域主要包括渭干河和库车河，水文数据选取流域出山口水文站数据，分别是渭干河出山口水文站点黑孜水库站和库车河兰干站。这两个出山口水文站径流数据的选取一方面考虑与遥感资料时间相对应，另一方面考虑渭干河流域农作物灌溉制度（10－11月冬灌，3－4月春灌，5－7月夏灌，8－9月秋灌），故径流数据选取的是1981年10月至2006年9月的月径流数据。然后将黑孜水库站、兰干站两个水文站相应年份的年径流量（水文年）求和作为当年灌溉期来水量，统称为绿洲来水量。因渭干河流域相对闭合，流域出山径流全部消耗于流域内部绿洲，基本无下泄流量，故当年绿洲的地表径流耗水量等于当年出山径流量，统称这部分耗水为绿洲耗水量。此外，流域绿洲降水部分虽然对径流过程没有贡献，但对绿洲植被有积极作用，在考虑流域水文生态关系时不能忽略这一部分降水的作用，本研究称这部分降水为绿洲降水，绿洲降水和绿洲耗水量总称为绿洲总耗水。本文中涉及到的冰川径流数据使用的是Gao等［20］的模拟结果。

气象数据源于国家气象台站拜城站和库车站，其中气温数据用的是实测值，降水数据是根据国家气象台站观测修正后的值［19］。情景分析部分冰川径流使用的是拜城站1960－2010年来多年平均气温实测值，统称为山区气温。绿洲来水量使用的是拜城站多年平均降水实测修正值，统称为山区降水。其余情况下用的是两个站的多年平均值的均值。

1.2.2 NDVI数据 NDVI是目前表征地表植被状况最具代表性的一个指标，用于绿洲面积提取。NDVI数据选取1982年3月至2006年10月的NOAA／AVHRR资料，该资料由国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”（http：／／westdc.westgis.ac.cn）提供。NDVI数据时间分辨率15d，空间分辨率是8km，投影是ALBERS。原始DN（Digital Number）值是－10 000～10 000，使用前通过ArcGIS将其转换成介于［－1，1］。

为获取渭干河流域绿洲NDVI数据，首先在ArcGIS中用研究区边界切割图像，得到渭干河流域绿洲NDVI，以月为单位用 MVC（Maximum Value Composites）法获得［21］绿洲内的逐月 NDVI值，可以有效减弱大气中云、气溶胶、云阴影、视角及太阳高度角的影响［22］。依据流域绿洲农作物的生长期（3－10月），以每年生长期NDVI值的逐月累加和的平均值作为绿洲农业活动的综合指标。

通过利用代表绿洲人类活动因素综合指标的NDVI，分析近25年来每个栅格NDVI的变率和变化趋势，以此反映流域绿洲的时空变化。变率用变异系数Cv表征，变化趋势用线性回归方法确定［23－24］。依据变化趋势范围，将其划分为7个级别（表1）。

表1 渭干河流域NDVI值变化趋势分级Table 1 Classification of NDVI value changing trend in the Weigan River Basin

一般认为生长期NDVI超过0.1表示有植被覆盖，NDVI增加表示绿色植被增加；NDVI在0.1以下表示地表无植被覆盖［25－28］。顾娟等［29］在黑河流域NDVI时序分析中将NDVI值等于0.13作为裸地和地表是否有植被覆盖的临界值。金晓媚［30］在研究黑河流域天然植被面积变化中将NDVI值超过0.3表示为地表有天然植被覆盖。鉴于NDVI对土壤背景较敏感［25］，特别是绿洲与戈壁交错带，土壤背景变化对NDVI值影响较大，故将NDVI值等于0.2定为阈值来划分荒漠和绿洲，即NDVI值大于0.2的区域为绿洲。统计出每年生长期NDVI值大于0.2的栅格数，以此作为当年绿洲面积。

1.2.3 情景假设 依据全球气候变化情景，预估未来冰冻圈变化对流域绿洲变化的影响。假设当地社会经济发展需水量和水资源利用效率等保持不变，气候变化情景分别是：1）气温不变，降水分别增加10%、20%、30%；2）降水不变，气温分别升高0.5、1.0、1.5、2.0℃；3）气温升高0.5、1.0、1.5、2.0℃，同时降水分别增加10%、20%、30%。

气候变化情景假设下，相应的未来冰冻圈变化情景假设及其对流域绿洲来水量和绿洲面积的影响见表2。

2 结果与分析

2.1 渭干河流域地表径流变化 1982－2006年的25年来，渭干河流域绿洲来水量、绿洲总耗水量以及黑孜水库站和兰干站年径流量均呈增加趋势（图2）。其中，相较于研究初期，25年来绿洲来水量增加4.8%，绿洲总耗水相比研究初期增加15.7%，主要原因是绿洲耕地迅速扩张引起耗水量剧增。从图2还看到，绿洲来水量于1994年前呈减少趋势，1994年后呈增加趋势，而绿洲总耗水1995年后增加幅度明显大于1995年之前，绿洲总耗水量突变年相对绿洲来水量滞后1年，这与黑孜水库对绿洲来水量发挥调蓄功能有关。

表2 未来冰冻圈变化情景及其对流域绿洲来水量和绿洲面积的影响Table 2 The scenarios of cryospheric changes in future and its impact on basin oasis inflow and oasis area

图2 1982―2006年渭干河流域地表径流量变化Fig.2 Changes of surface runoff of the Weigan River Basin from 1982to 2006

2.2 渭干河流域NDVI空间变化 根据1982－2006年渭干河流域绿洲NDVI的空间变化趋势（图3a）可以看出，NDVI减少区主要分布在出山口绿洲边缘和沙雅县东南部紧邻塔里木河干流处，增加区主要分布在木扎提河出山口平原绿洲和流域下游西南、南部绿洲。

从流域绿洲NDVI变率空间分布（图3b）看，位于沙雅县、新和县的绿洲内部NDVI波动相对最小，这与黑孜水库、跃进水库对出山径流量的调控紧密相关。拜城盆地以北主要是戈壁，植被稀疏，NDVI波动相对较小。拜城盆地南缘沿渭干河河道和跃进水库附近绿洲NDVI波动相对最大，这与渭干河流域出山径流年径流量波动较大和耕地扩张有关。

总之，木扎提河出山口绿洲NDVI减少且变化大，拜城盆地南缘NDVI增加且变化大。流域绿洲在研究期内整体表现为NDVI持续增加（图3）。

图3 1982―2006年渭干河流域绿洲NDVI空间变化趋势（a）及变率（b）Fig.3 The space changing tendency（a）and variability（b，coefficient of variation）of oasis NDVI of the Weigan River Basin oasis from 1982to 2006

2.3 渭干河流域绿洲NDVI和地表径流变化关系分析 通过分析渭干河流域绿洲NDVI与地表径流的相关关系，明确了绿洲耗水与流域地表径流之间的关系。结果显示，绿洲NDVI与绿洲降水相关性最大（r＝0.71，a＜0.01），其次是绿洲总耗水（r＝0.68，a＜0.01）、绿洲来水量（r＝0.52，a＜0.01），最后是冰川径流（r＝0.49，a＜0.05），表明绿洲降水对绿洲植被生长促进作用明显。同时，统计学上冰川径流对绿洲NDVI影响显著。随着绿洲耗水增加，绿洲NDVI相对初期（1982年）增加了94%，绿洲面积相对扩张了73.7%。绿洲总耗水与绿洲来水量显著相关（r＝0.92，a＜0.01），表明绿洲耗水以消耗绿洲来水量即出山径流为主。绿洲面积与绿洲降水、绿洲总耗水、绿洲来水量和冰川径流的相关性分别是r＝0.78、r＝0.75、r＝0.58和r＝0.50，均通过0.01水平的显著性检验。对比绿洲NDVI和绿洲面积与地表径流的相关性，绿洲面积相关性高于绿洲NDVI，故用绿洲面积作为指标分析绿洲耗水和绿洲来水量之间的关系。

通过对1982―2006年绿洲来水量和绿洲面积进行线性回归，得到以下关系式：

式（1）中，Y代表绿洲面积，xin代表绿洲来水量。以近25年来绿洲来水量多年平均值为基准，绿洲来水量每变化±1×108m3，绿洲面积变化±149.6km2。

根据近25年来绿洲面积、绿洲来水量和绿洲耗水量统计，得出渭干河流域单位绿洲平均耗水量4.7×105m3·km－2。考虑绿洲降水情景，单位绿洲平均总耗水为6.0×105m3·km－2。二者差值为绿洲降水对绿洲规模的贡献，即21.7%，绿洲来水量对绿洲规模贡献则为78.3%。渭干河流域冰川径流占绿洲来水量的56.2%［20］，故冰川径流对绿洲规模的贡献为44.0%（目前该流域地下水开采较少，暂不计其对绿洲的贡献）。

据近25年出山径流、冰川径流、山区气温、山区降水、绿洲降水和绿洲面积统计，得出冰川径流与山区气温显著相关，绿洲来水量与山区降水显著相关，并得出以下线性回归关系式：

式中，Ygr代表冰川径流，xmt为山区多年平均气温，Yin1为仅考虑山区降水的绿洲来水量，xmpcp为山区多年平均降水量，Yin2为考虑山区降水和冰川径流的绿洲来水量，Ys′为考虑绿洲降水情景时的绿洲面积，xppcp为绿洲多年平均降水量。

基于式（1）～（5）中涉及到的要素现状多年平均值，分别是：出山径流31.8×108m3，冰川径流17.8×108m3，山区气温7.9 ℃，山区降水149.6 mm，绿洲降水120.3mm、绿洲面积7 065.6km2。按式（1）～（5），得到不同气候变化情景和冰冻圈变化情景下的绿洲面积（表3）。

结合表2和表3，对比绿洲面积1和2分析冰川径流对绿洲面积的贡献，这里假定绿洲降水对绿洲面积贡献维持21.7%不变。气候变化情景1下，绿洲面积1相对2增加的82km2为冰川径流作用的绿洲面积，冰川径流占绿洲来水量的56.0%～52.9%，故冰川径流对绿洲贡献为43.8%～41.4%；气候变化情景2～5下，绿洲面积1相对2增加的250.6km2为冰川径流作用的绿洲面积，4种情景下冰川径流占绿洲来水量的比重（平均值）分别是61.6%、59.8%、58.2%和56.7%，其对绿洲面积贡献分别是48.2%、46.9%、45.6%和44.4%。

对比绿洲面积1和3分析绿洲降水对绿洲面积的贡献。气候变化情景1下，绿洲面积3和相对1增加的110km2是绿洲降水作用的绿洲面积，单位绿洲平均耗水量为4.5×105m3·km－2，单位绿洲平均总耗水为5.9×105m3·km－2，二者之差即为绿洲降水对绿洲面积的贡献，为23.3%；气候变化情景2下，绿洲面积3和相对1减少的124km2主要是气温升高蒸发加剧所致；气候变化情景3～5背景下，绿洲面积3相对1分别减少17km2、增加90 km2和增加196km2，这些均是绿洲降水作用的绿洲面积，单位绿洲平均耗水量分别为4.5×105、4.54×105、4.58×105和4.6×105m3·km－2，单位绿洲平均总耗水量为5.8×105、5.9×105、6×105和6.1×105m3·km－2，故绿洲降水对绿洲的贡献分别是22.7%、23.2%和23.8%。

3 结论

通过1982―2006年渭干河流域绿洲NDVI和流域地表径流量的分析，结合气候变化情景和冰冻圈变化情景假设，得出以下结论：

1）近25年来，渭干河流域绿洲来水量和绿洲总

耗水均呈增加趋势。就突变点看，绿洲总耗水滞后绿洲来水量1年，这与黑孜水库对流域地表径流的调蓄有关。

表3 不同气候变化情景和冰冻圈变化情景下的绿洲面积变化Table 3 Changes of oasis area under different scenarios of climate and cryospheric change

2）近25年来，渭干河流域绿洲NDVI值明显增加，绿洲规模持续扩张。从NDVI线性趋势分析看到，NDVI值减少区主要集中在出山口平原绿洲和沙雅县东南部靠近塔里木河干流中游处，增加区主要集中在木扎提河出山口平原绿洲、沙雅和新和县绿洲区。从NDVI值变率空间分布看，变化剧烈区集中在拜城盆地南缘与天然绿洲接壤处、木扎提河出山口附近、下游沙雅县境内东缘紧邻库车县处及黑孜水库附近，相对稳定区集中在沙雅县、新和与库车县内绿洲区。

3）从流域绿洲NDVI值和地表径流相关性看，流域绿洲耗水基本全部用于绿洲发展和维护，冰川径流作为流域绿洲来水量的主要补给来源，通过稳定出山年径流量间接发挥了稳定和维护绿洲的作用，绿洲降水对于流域绿洲植被生长和维持绿洲功能贡献较大。据情景假设得出未来冰川径流对绿洲贡献仍较大并呈减速增加趋势（山区气温不变情景例外），绿洲降水对绿洲的贡献呈递增趋势。绿洲发展对气候变化将更加敏感。

4）本研究主要分析了现状和未来情景假设下的绿洲耗水与流域地表径流之间的关系，但对于预估未来时间序列尺度的冰川径流，及其变化对出山径流、绿洲稳定性和绿洲社会经济生态系统可持续发展的调控功能部分有待于进一步分析。

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