近25年来中亚湖泊面积遥感动态监测

吴素云， 周 斌， 潘玉良， 张琳琳， 王艳莉， 朱星睿

(杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江 杭州 311121)

近25年来中亚湖泊面积遥感动态监测

吴素云， 周 斌， 潘玉良， 张琳琳， 王艳莉， 朱星睿

(杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江 杭州 311121)

为探究近几十年来，中亚干旱区水资源的空间分布与地表水循环的时空过程变化，以1990～2015年多时相Landsat TM/ETM+/OLI影像为数据源，对中亚主要湖泊(艾比湖、巴尔喀什湖、阿拉湖、赛里木湖、伊塞克湖、萨瑟克湖、卡普恰盖水库)进行遥感解译，获取面积变化特征.结果表明，受地形及气候变暖影响，高山封闭型湖泊面积保持稳定并有小幅度上升；平原区尾闾湖受人类活动影响较大，面积有不同程度的缩小；吞吐湖面积有增有减，波动较大，不稳定性较强.

干旱半干旱区；湖面变化；遥感监测；气候变化；人类活动

0 引 言

湖泊占地球表面淡水资源的95%，其空间分布在一定程度上反映着地表水资源的储存和利用现状，它的形成与消失、扩张与收缩体现着气候变化、地表过程和人类活动对水循环、物质迁移及生态系统变化的影响[1].尤其在气候条件较为恶劣的干旱/半干旱地区，内陆湖是该区域气候和环境变化的敏感指示器，其面积与水位的变化能客观反映干旱内陆流域内的水量平衡过程，从而维持区域生态系统的稳定.

中亚地区位于北半球中纬度大陆腹地，占全球干旱区总面积的1/3.由于特殊的地质构造和良好的水文条件，亚洲中部干旱区分布有2000多个1km2以上的湖泊，其中100 km2以上的大型湖泊60多个，是全球干旱区湖泊分布密集的地区之一[2].近年来，由于气候变暖加之人类不合理的开发利用，导致一些内陆湖泊面积萎缩，甚至消亡.

遥感是湖泊面积调查的主要手段.近年来，一些研究者利用遥感技术对中亚地区湖泊进行了持续监测.白洁等利用Landsat遥感影像，基于归一化水体指数提取了中亚内陆湖水体面积变化并进行分析[1]；李均力等利用ICESat/GLAS卫星测高产品数据，对2003～2009年中亚地区湖泊水位变化的时空特征进行了研究[3]；成晨等利用Landsat MSS/TM/ETM+光学影像和T/P、Envisat雷达高度计数据，对1978～2012年的中亚地区主要湖泊水位及面积变化进行了分析[2].本文以1990～2015年多时相LandsatTM/ETM+/OLI影像为数据源，解译提取中亚重要湖泊(艾比湖、巴尔喀什湖、阿拉湖、赛里木湖、伊塞克湖、萨瑟克湖、卡普恰盖水库)水涯线，获取湖泊面积的年际动态变化及最新湖泊状况，并进行多角度驱动因素分析，为掌握湖泊时空变化趋势、评价人类活动和气候波动对该区域水资源的影响提供科学依据.

1 研究区概况

本文以中亚地区主要湖泊为研究对象，研究范围为42°03′～46°50′N，73°26′～83°20′E(图1)，分属哈萨克斯坦(巴尔喀什湖、萨瑟克湖、阿拉湖、卡普恰盖水库)、吉尔吉斯斯坦(伊塞克湖)和中国新疆(艾比湖、赛里木湖).该区域地处欧亚大陆腹地，具有典型的大陆性气候，干旱少雨，湖泊水源主要来自高山冰川融水、山地降水和河川径流.总地势东南高、西北低，海拔垂直梯度较大，如赛里木湖海拔2073 m，伊塞克湖海拔1630 m，艾比湖平均海拔189 m，使得各湖泊面积变化不完全相同.按照流域类型和水源补给可将上述湖泊划分为高山封闭湖、平原尾闾湖和人工水库.

图1 研究区概况Fig. 1 The location of study region

2 数据处理

卫星数据时相对湖泊信息的提取具有较大影响.中亚干旱区湖泊面积的丰水期和枯水期变化差异明显，特别是夏季丰水期间，入湖水量受人类活动干扰而易出现跳跃性变化，年际间的可比性不高.因此，应尽可能选取湖泊平水期的春季(4-5)月份或秋季(9-11)月份的遥感影像数据[4].

本研究选取了1991～2015年9～10月份间的高质量Landsat影像共108景，进行湖泊面积提取.这些影像数据均为L1T级标准产品，经过了系统辐射校正和地面控制点几何校正.对遥感影像进行波段叠加，然后用标准假彩色进行RBG合成显示图像，目视解译提取湖面外缘水涯线，最后计算闭合多边形面积获取各时期各湖泊的面积信息.

3 结果与讨论

除了面积要素，对湖泊动态演变进行研究时也应考虑水位要素，它也是流域生态水文演变最直接的指标之一[5].对于湖泊水位监测，前人有较多可借鉴的经验，如张鑫等利用多源卫星测高数据对扎日南木错水位动态变化进行监测分析[6]；李程等利用卫星测高数据监测巢湖水位变化[7]；褚永海等利用Jason1数据监测呼伦湖水位变化[8].因此本文在对中亚湖泊面积动态变化进行分析时也参考了湖泊水位数据.表1以5年为间隔周期大致描述了各个湖泊的变化趋势.

3.1 湖泊面积变化

平原地区的尾闾湖：包括艾比湖、巴尔喀什湖，面积波动性较大.其中，艾比湖在1991～2001年间，湖泊面积从477.64 km2增加到531.36 km2，增长了11.2%.2001年之后，湖泊面积呈迅速减少趋势，至2014年仅为342.33 km2，减少了35.6%.尽管2015年面积又有所增加，但总体而言，在过去25年间，艾比湖的湖面面积减少了91 km2(图2A).巴尔喀什湖在2000～2010年间湖泊面积增长了87.98 km2，但在2010年以后迅速减少了236.28 km2.近25年间，1990～2010年巴尔喀什湖的水位变化总体上也与面积变化相符，即在1990～2008年期间湖泊水位总体有微弱上升趋势，而2008年以后则呈下降趋势[9].

表1 中亚各湖泊面积变化Tab. 1 Area changes of lakes in Central Asia /km3

条柱表示湖泊面积；虚线为湖泊多年平均面积； A:艾比湖;B:萨瑟克湖;C:阿拉湖;D:卡普恰盖水库;E:赛里木湖;F:伊塞克湖图2 中亚各湖泊面积及多年平均面积Fig. 2 Areas of each lakes and multi-year average

高原高山封闭性湖泊：包括赛里木湖、伊塞克湖以及阿拉湖.近25年来赛里木湖面积呈小幅度上升趋势.从1989年的457.99 km2增长至2010年的462.28 km2，并且2006年后湖泊面积均高于25年来湖泊面积平均值，特别是在2010年后湖泊面积稳定在460 km2以上(图2E).根据ICESat以及SRTM数据研究显示，1971～2011年间赛里木湖湖泊水位上升了2.8 m；其中1990年时湖泊水位达到2072 m；并且在2000年以后呈稳定上升趋势[10].这一水位变化趋势与根据Landsat影像获取的湖泊面积变化趋势相符.伊塞克湖面积总体变化较小，多年平均值为6212.89 km2.1991～1995年间，湖泊属于增长阶段但增幅较小，5年里仅增长3.36 km2.1995～1997年间，湖泊面积缩减了7.5 km2.1998～2015年间，湖泊面积为缓慢增长阶段，18年增长6.1 km2.2014年伊塞克湖面积最大，达6226.09 km2.其余年份则在多年平均值线上下浮动，变化不大(图2F).阿拉湖面积同样呈持续增加趋势，其湖泊面积在1991～2000、2001～2010、2010～2015年间分别增长了28.76、42.79、86.89 km2，面积增长有加速的趋势(图2C).

吞吐湖：包括萨瑟克湖和卡普恰盖水库.萨瑟克湖1990～2000年期间湖泊面积缩小了1.55km2，2001～2010年间湖泊面积缩小了2.4 km2，2011～2014年间湖泊面积增长了0.66 km2(图2B).1994～2014年间，卡普恰盖水库呈持续萎缩趋势，且变化幅度较大，特别是2008年比1998年面积减少了124.51 km2.三个阶段的变化幅度分别为1994～2000年减少4.08km2，2000～2010年减少53.40 km2以及2011～2014年减少38.66 km2(图2D).

3.2 驱动因素分析

气候波动引起湖泊面积变化主要是影响流域内的水循环要素[1]，主要包括地表径流量、湖面蒸发量、降水量.入湖径流量的大小、湖区降水量的变化以及水面蒸发量的多少都会直接或间接地对湖泊产生不同程度的影响.另外，随着社会生产力的发展，人类改造自然能力的增加，人类活动是湖泊面积变化过程中不可忽视的重要因素.然而，中亚地区地域跨度大，地形复杂，引起湖泊面积变化的主导因素也不同.

位于高原高山的封闭性湖泊赛里木湖、伊塞克湖及阿拉湖，由于海拔较高，地形抬升作用，局部形成了丰富的降水，形成西北干旱地区的“湿岛”[11].同时受全球气温增高的影响，大量高山冰雪消融直接汇入河流，河流径流量增加，入湖水量也随之增加[12].此外，凭借其地理位置优势，高山湖泊受人类活动影响较小[13]，湖周围地区无工矿企业，无灌溉耕地，牧民、牲畜、过往车辆和旅游者等人为用水量少，人类与自然和谐相处，自然生态处于基本平衡状态[14].

在中亚干旱/半干旱区域，气温的升高使得平原区的尾闾湖湖面蒸发量增加.虽然受冰川补给的河川径流随着气候的变暖而增加，但是由于这些径流出山口后，被拦截浇灌，气候越趋干暖，引水量亦愈多，实际入湖的地表径流量是减少的[15].例如，近年来艾比湖区域降水随着气温的增高而增加[16]，而湖泊面积并没有持续增加，这便是人为拦截径流造成的.艾比湖的地表径流补给湖泊的河流只有3条，即奎屯河、博尔塔拉河和精河.但是由于20世纪70年代奎屯河区兴建了10多座水库，总库容为2108m3，加之引水工程的完善地表径流基本上被全部引用，到70年代末已无水量直接注入艾比湖[17].伊犁河是巴尔喀什湖的主要水源补给之一，其入湖水量占总入湖水量的79.9%，而1970年建成卡普恰盖水库以后，使位于水库下游伊犁存水文站的水量迅速减少[18].

相比平原区尾闾湖面积的下降趋势及高原封闭型湖泊的稳定上升趋势，吞吐湖萨瑟克湖及卡普恰盖水库的面积较为复杂多变，主要受人类活动影响.卡普恰盖水库水量及面积的变化主要受水利发电、灌溉区的大量引水等人为因素影响.

4 结 论

中亚干旱区湖泊是中亚地区生态环境、社会经济赖以维持和发展的命脉，在全球气候变暖背景下，研究该区域近25年来的主要湖泊水域面积变化特征与趋势，对水资源与社会经济的可持续发展有着十分重要的意义.本研究利用Landsat多时相遥感数据，对中亚地区重要湖泊遥感影像解译分析，得出不同地理环境下湖泊面积的变化.受人类不合理的水资源利用及全球气候变暖影响，平原区尾闾湖主要呈下降趋势，其中以艾比湖下降趋势最为明显，缩减幅度最大；高山封闭型湖泊凭借自身地理位置优势，冰川积雪受全球气温升高影响而大量消融直接汇入河流，使其面积较为稳定并有小幅度的上升；而水库面积变化的驱动因素复杂多变，主要表现为波动大、不稳定性强.

[1] 白洁，陈曦，李均力，等.1975-2007年中亚干旱区内陆湖泊面积变化遥感分析[J].湖泊科学，2011,23(1)：80-88.

[2] 成晨，傅文学，胡召玲，等.基于遥感技术的近30年中亚地区主要湖泊变化[J].国土资源遥感，2015,27(1)：146-152.

[3] 李均力，陈曦，包安明.2003-2009年中亚地区湖泊水位变化的时空特征[J].地理学报，2011,66(9)：1219-1229.

[4] 朱刚，高会军，曾光.近35a来新疆干旱区湖泊变化及原因分析[J].干旱区地理，2015,38(1)：103-110.

[5] 邓铭江，王志杰，王姣妍.巴尔喀什湖生态水位演变分析及调控对策[J].水利学报，2011,42(4)：403-413.

[6] 张鑫，吴艳红，张鑫.基于多源卫星测高数据的扎日南木错水位动态变化(1992—2012年)[J].自然资源学报，2015,30(7)：1153-1162.

[7] 李程，章传银，柯宝贵，等.利用卫星测高数据监测巢湖水位变化[J].测绘科学，2015,40(12)：12-15.

[8] 褚永海，李建成，姜卫平，等.利用Jason-1数据监测呼伦湖水位变化[J].大地测量与地球动力学，2005,25(4)：11-16.

[9] 龙爱华，邓铭江，谢蕾，等.巴尔喀什湖水量平衡研究[J].冰川冻土，2011,33(6)：1341-1352.

[10] CHENG W M, WANG N, ZHAO S M, et al. Growth of the Sayram Lake and retreat of its water-supplying glaciers in the Tianshan Mountains from 1972 to 2011[J]. J Arid Land,2016,8(1):13-22.

[11] 马玉辉，朱玉来.赛里木湖湖面升高探因[J].新疆林业，1999(6)：31.

[12] 马道典，张莉萍，王前进，等.暖湿气候对赛里木湖的影响[J].冰川冻土，2003，25(2)：219-223.

[13] LI Q T, LU L L, WANG C Z, et al. MODIS-Derived spatiotemporal changes of major lake surface areas in arid Xinjiang, China, 2000-2014[J]. Water,2015,7(10):5731-5751.

[14] 米热古力·艾尼瓦尔.博斯腾湖和伊塞克湖水位变化对气候变化的响应对比研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2014.

[15] 秦伯强.中亚近期气候变化的湖泊响应[J].湖泊科学，1993，5(2)：118-127.

[16] 格丽玛.新疆艾比湖流域近45年来气候变化及其影响研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2006.

[17] 李磊，李艳红，陈成贺日，等.1972～2011年期间艾比湖面积变化研究[J].湿地科学，2014，12(2)：263-267.

[18] 王姣妍，龙爱华，邓铭江，等.巴尔喀什湖分湖水平衡及其影响与优化保护研究[J].冰川冻土，2011，33(6)：1353-1362.

Chang Detection of Lakes in Arid Central Asia base on Landsat Images in Recent 25 Years

WU Suyun, ZHOU Bin, PAN Yuliang, ZHANG Linlin, WANG Yanli, ZHU Xingrui

(Institution of Remote Sensing and Earth Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China)

In order to grasp the latest trend of temporal and spatial variation of the water resources in central Asia arid regions, taking Landsat TM/ETM+/OLI images in multi-period of 1990-2015 years as the data source, the main lakes of central Asia (Ebinur Lake, Balkhash Lake, Alakol Lake, Sailimu Lake, Issyk-Kul Lake, Sasykkol Lake, Kapchagay reservoir) are remote interpreted, and the changes of lake areas are acquired. The results show that alpine closed lakes are stable with a small increasement because of the terrain and climate warming, the area of plain lakes reduce in different degrees because of human’s activities, the changes of throughput lake is more complicated with more instabilities.

arid and semi-arid regions; lake change; remote sensing monitoring; climate changes; human activities

2016-07-28

荒漠与绿洲生态国家重点实验室开放基金项目(G2015-02-09);浙江省自然科学基金项目(LY13D010008).

周斌(1972-)，男，教授，博士，主要从事遥感科学与技术研究.E-mail：zhoubin@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.02.014

TP79

A

1674-232X(2017)02-0200-05