艾比湖面积变化及其径流特征变化的响应
2016-10-28苏向明刘志辉魏天锋王月健
苏向明, 刘志辉,3,4, 魏天锋, 王月健, 刘 洋
(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 教育部绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐 830046;3.新疆大学 干旱生态环境研究所, 乌鲁木齐 830046; 4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心, 乌鲁木齐 830046)
艾比湖面积变化及其径流特征变化的响应
苏向明1,2, 刘志辉1,2,3,4, 魏天锋1,2, 王月健1,2, 刘 洋1,2
(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 教育部绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐 830046;3.新疆大学 干旱生态环境研究所, 乌鲁木齐 830046; 4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心, 乌鲁木齐 830046)
近年来随着艾比湖湖面的不断退化，其环境问题日益严重。研究艾比湖面积变化对于艾比湖地区的生态环境保护、社会经济发展，乃至整个北疆地区的生态都有着重大的作用。利用2008—2015年逐月的高分遥感影像信息源，提取湖泊边界归一化坐标系和投影方式并以GIS工具对湖泊分析获取湖面变化信息。并提取年2013年3—10月份的艾比湖湖面边界，进行边界叠加对年内湖面动态变化进行分析。结合博乐市水文水资源局所实测的1989—2007年的艾比湖湖面面积对其年际变化进行分析。同时对博尔塔拉河和精河的1992—2012年的径流数据、降水量数据、平均气温数据进行统计，分析河流的径流特征，探讨支流径流变化对艾比湖面积变化的影响。结果表明：(1) 利用湖泊动态度对艾比湖湖面面积进行分析，其部分年份有增加的时期，但是整体上呈现减少的趋势；(2) 以2013年为例对艾比湖3—10月份的动态变化进行了监督，发现从3月份开始艾比湖的面积在不断减少，在10月份湖面面积最小，且大部分水体变化发生在西北方；(3) 对艾比湖入湖水量与湖面面积进行统计分析，二者具有很好的相关性，相关系数R=0.71。
艾比湖; 动态变化; 径流特征
湖泊是重要的国土资源，对发展经济维持区域生态环境平衡起到重要的作用。艾比湖流域位于中国新疆西部，天山北麓，毗邻哈萨克斯坦共和国，为准噶尔盆地西部最低的集水中心，是奎屯河、精河、博尔塔拉河等河流的尾闾。其地理位置正好处在阿拉山口大风通道的下沉气流区，具有典型的干旱区生态环境特征，独特的自然地理因素决定了流域内生态环境极其脆弱，加之人类的不合理的利用，导致湖泊水量减少。作为新疆第一大咸水湖，艾比湖曾经像一把保护伞维持着该地区乃至整个新疆北部的生态平衡。西部干旱区湖泊萎缩干涸的现象较多，艾丁湖、罗布泊都是鲜活的实例。艾比湖流域是一个典型的干旱生态环境退化区[1]，然而一般认为北方地区尤其是干旱区年径流量随森林覆盖率增大而减小(石质山区除外)，南方湿润地区则相反，所以文章不考虑植被覆盖的情况[2]。近年来国内学者对于艾比湖地区已做了不少研究[3-5]，但是在这些研究中缺乏对于艾比湖湖面面积年内变化及其径流特征变化的响应和艾比湖年内动态变化趋势研究。无可否认的是从20世纪50年代至70年代末，湖面面积以每年10.3 km2的速度从1 200 km2萎缩至522 km2[6]。近年来由于本流域人口以及种植面积的增加使得艾比湖有限的水资源与生态用水间的矛盾日益突出，人类在艾比湖退化的过程中影响比重较大。人们在上游地区开荒造田拦坝建库，下游出现断流的现象，甚至导致大量植被衰败，对当地生态系统都有危害[7]。湖泊面积大，且由于条件的限制，很难对其整体湖面信息进行检测。近年来随着遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术的发展，高分辨率的卫星遥感影像相对于常规的湖泊调查方法，其全面、快速、数据量大和更新快的优势[8-9]，被广泛地应用在水质监测、湖泊的动态环境变化和盐湖开发等领域[10-13]，且技术也已经比较成熟。
1 研究区概况
艾比湖位于44°43′—45°12′N，82°35′—83°11′E，处于精河县北部，东部与古尔特通古特沙漠相连，北临托里县，西北与哈萨克斯坦共和国相连，属于博尔塔拉蒙古自治州，是新疆维吾尔自治区第一大咸水湖。艾比湖流域的补给河流主要有精河、博尔塔拉河和奎屯河。20世纪50年代奎屯河区兴建10多座水库，总库容2 108 m3，加之引水工程的完善，地表径流基本上被全部引用，到70年代末期几无水量注入艾比湖[14-16]，导致艾比湖水量在70年代时剧减。80年代以来艾比湖入湖地表径流主要来自博尔塔拉河和精河，其中博尔塔拉河的多年平均径流量为5.25亿m3，精河的多年平均径流量为4.7亿m3。通过对两河的多年观测值的计算，博尔塔拉河水量占总入湖水量的71.3%，精河占28.7%[17]。
2 数据获取及研究方法
2.1数据获取
数据来源，文章中主要用到两部分的数据，第一部分是关于艾比湖地区的一些气象和径流数据，还有部分遥感数据。其中气象数据包括1992—2012年的精、博河地区的降水、径流数据、气温数据，其次还有艾比湖历年入湖水量数据，入湖站点信息如表1所示。
表1 入湖站点信息
文章中用到的遥感数据获取自中国资源卫星中心下面的环境与灾害监测预报小卫星星座A，B星的数据(以下简称HJ-A，B卫星)，各载荷的主要参数如表2所示。
表2 HJ-1A卫星主要载荷参数
下载的遥感影像数据是合成的标准产品2级产品，表3是对产品的介绍。
2.2Mann-Kendall单调趋势检验
Mann-Kendall检验法[18]是世界气象组织推荐并广泛使用的非参数检验方法，它不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，且不需要作统计分析，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算简便。下面分别介绍其趋势检验的原理。
表3 产品介绍
M-K检验首先对时间序列(X1，X2，X3，…，Xn)依次比较，结果记为sgn(θ)：
(1)
然后计算出Mann-Kendall统计量：
(2)
式中：xk，xi——进行检验的随机变量；n——所选数据序列的长度。则与此相关的检验统计量为：
(3)
当-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2时，接受原假设，表明样本没有变化趋势。其中±Z1-a/2为标准正态分布中值为1-a/2时对应的显著性水平a下的统计量。
(4)
式中：1
2.3湖泊面积动态度
湖泊面积动态度可以反映不同时期湖泊面积变化情况，本研究采用湖泊面积动态度分析湖泊的变化特征。湖泊面积动态度是指某一地区一定时间范围内湖泊面积的变化，其表达式为[21]：
(5)
式中：K——研究时段内湖泊面积动态度；Ua，Ub——研究初期和研究末期的湖泊面积；T——研究时段长，当T的时段设定为年时，K值就是该研究区湖泊面积的年变化率。
3 结果与分析
3.1湖面面积变化分析
从图1中可以看出，近年来艾比湖湖面面积从1989—2012年总共经历了2次波动，第1次是1992—1994年的小波动；第2次是2000—2007年的一个大波动，波动范围为502～891 km2，湖面面积达到最大值的时候比上年增加了240.72 km2，但是这一年的入湖水量较上年变化不大。这可能是因为在之前注入艾比湖的部分水转入地下水，而当入湖水量稍微减少的情况下，地下水反过来补给湖泊水量，所以湖泊的面积变化有一定的滞后性。
图1艾比湖历年入湖流量与艾比湖面积变化
图2是对艾比湖湖面面积与入湖水量的相关分析，得出二者相关性较大。艾比湖湖面面积与入湖水量的关系密切，相关系数R=0.71，由此说明，入湖水量对湖面面积的影响较大。
图2湖面面积与入湖水量关系
图3是对艾比湖2013年3—10月的湖面面积进行的统计，艾比湖湖面面积从3月份开始依次减少，在10月份最小，这个变化的原因主要是从4月份开始新疆地区进入春灌期，艾比湖的补给量变少。随着季节的推移，用水量不断增加，艾比湖湖面面积不断减小。冬季新疆灌溉用水少，河流都处于自然状态，净补给量大。
艾比湖3—10月湖面变化主要集中在西北方，这主要因为艾比湖补给河流的入口大都集中在东南方，加之流动过程中蒸发、下渗等因素，致使到西北方以后水量减少，当然也有可能与艾比湖湖底的地形有关。
图3艾比湖3-10月湖面变化
3.2支流径流变化特征
由图4A可以看出，精河站平均气温呈现明显的上升趋势，这与何毅等[22]对南北疆气温、降水及相对湿度趋势分析研究结果一致。如图4B所示，1992—2012年博乐站的径流量变化呈现先升高后降低的趋势，呈现上涨趋势。博乐站的降水量与径流量的变化趋势基本一致。平均气温基本保持稳定，变化不明显。
利用精河与博尔塔拉河1992—2012年实测的出山口径流量资料，分析了艾比湖二大支流在1992—2012年年径流量变化趋势。经过检验得出(表4)，精河站近年来径流属于递增趋势，而博尔塔拉河属于微递减趋势。
图4精河和博乐站平均气温、降水与径流量变化
表4 艾比湖流域两大支流径流量趋势检验
注：β值为年变化率。R为拒绝原假设，差异性显著；A为接受原假设，差异性不显著。
补给河流主要是通过入湖水量影响艾比湖面积，但是其二者之间并没有显示很好的相关性。这主要是由于人们引水过多改变了径流的自然规律，加之有部分水量是通过地下水的形式补给艾比湖的。以博尔塔拉河为例，其径流在年内甚至出现逆季节的现象，即夏季径流量小，而冬季径流量大，这就使得艾比湖夏季入湖水量减小。
3.3艾比湖湖面积动态度分析
根据公式(4)对艾比湖湖面积动态度进行分析，结果表明：1989—2015年艾比湖面积减少了47.27 km2，减少了2.94%。1989—1993年，艾比湖面积增加了30.21%，湖泊面积动态度为6.04%；1993—2004年，艾比湖面积减少了45.59%，湖泊面积动态度为3.80%；2004—2015年艾比湖面积较少了45.70%，湖泊面积动态度为-3.81。虽然艾比湖面积有阶段性增加的时段，但是整体上，艾比湖面积处于负增长的态势。
4 结 论
(1) 以湖泊动态度对艾比湖湖面面积动态进行分析，1989—2014年艾比湖面积减少了47.27 km2，减少了10.06%，表明了艾比湖面积正在萎缩。在1989—1993年、1993—2004年和2004—2013年，艾比湖的湖面动态度依次为6.04%，3.80%，-5.26%，虽然艾比湖面积有阶段性增加的时期，但是整体上，艾比湖面积处于负增长的态势。
(2) 3—10月份艾比湖湖面面积的变化趋势为从3月份开始逐渐降低，在10月份达到最低。春季、夏季以及秋季湖面入湖水量少主要是农业灌溉用水的原因，西北地区汛期正是农业灌溉用水、鱼虾孵化的高峰时节，所以艾比湖湖面面积的最大值不出现在夏季。
(3) 对入湖水量与艾比湖湖面面积进行相关分析，得出二者具有很好的相关性，相关系数R=0.71。2000—2004年艾比湖面积不断增加，在2004年艾比湖湖面面积达到最大值。而艾比湖湖面面积与入湖水量存在不同步的现象，这是由于当入湖水量开始增加时，有部分入湖水量转为地下水，同时当地表水注入艾比湖的入湖水量减少时，其地下水补给艾比湖水量。
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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
国家自然科学基金重点项目(41130531);水利部公益性行业科研专项(201301103)
苏向明(1989—),男,陕西延安人,硕士研究生,研究方向为水文学与水资源。E-mail:sxmj0214@163.com
刘志辉(1957—),男,新疆乌鲁木齐人,教授,博士生导师,主要从事水资源与环境生态及环境规划、土地资源规划与评价等研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn
P343.3; TV121
A
1005-3409(2016)03-0252-05
