基于长时序遥感监测的阿克苏河流域平原水库变化研究

邢文渊，石 玉，王 勇，王 进，崔彩霞

（1.乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐 830011；2.石河子市气象局，新疆 石河子 832000；3.新疆气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

水是生命之源、生产之要、生态之基[1]。在西部干旱区，水资源的匮乏和时空分布的不均是导致生态环境脆弱的主要原因，直接影响区域生态和社会经济的可持续发展[2]。水循环与生态系统相伴相生，互相依存[3]。随着人工绿洲的不断扩大，对水资源的需求不断增加，由“水”导致的经济发展与生态平衡的矛盾日益突现，掌握水资源的实时动态变化，加强对水资源的科学管理和调配使用，对维持区域生态系统的稳定意义重大。

阿克苏河作为塔里木河干流水量的主要补给来源，补给量占73.2%[4]，不仅是塔里木河生态输水的主要水源[5]，更是向下游有水可输的先决条件[6]，源流区的来水将直接影响塔里木河干流的维系，对河流中下游绿洲经济发展和生态保护起着重要作用[7]。现今对塔里木河生态输水的相关研究多集中于下游生态、水文等方面[8-12]，对上游区域的水资源储备及其可供调配用水的研究相对有限。在生态文明建设的当下，如何更好地平衡生产生活用水和生态用水，如何更合理地调配利用水资源、保障生产生活、改善生态环境，走可持续发展道路，是水资源管理及落实“河湖长制”工作中亟待解决的重要议题。

干旱区的水库作为地表水的重要载体，通过水库调配用水，可更好地支撑国民经济发展、改善局地生态环境和维护区域生态系统安全与稳定。加之现今小流域洪水特性多变[13]，且南疆地区洪灾次数呈明显上升趋势[14]，更应加强干旱区平原水库的时空分布及变化的研究。目前针对水库这一特殊水体的长时间尺度、高空间分辨率的时空动态变化研究较少，且多集中在珠江流域和长江流域，多以大型供水水库为对象，而对西部干旱区水库的遥感监测研究较少。利用高分辨率卫星遥感监测技术较常规的水库调查方法，可快速、全面、准确地掌握水库的实时动态变化，现已广泛应用在生态环境的动态变化监测领域，而MODIS的长时间序列、高时间分辨率、高光谱分辨率的优势，能够实时得到不同季节的多时相数据，加之后续NPP卫星数据的有效衔接，所积累的长时间序列“大数据”信息更有利于进行全面、有效的生态环境变化分析。因此，选取南疆阿克苏河流域的主要水库进行长时间序列的监测研究，通过对水域变化进行监测，精准掌握水库的时空动态变化，对于水资源调度、洪涝灾害治理、生态保护与恢复等意义重大，不仅可服务于流域的防洪抗旱，更可为塔里木河生态输水的合理调配用水提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

阿克苏地区位于新疆西南部（39°30′～42°40′N，78°02′～84°05′E），处于天山南麓、塔里木盆地西北缘[15]，远离海洋，地势北高南低，地貌分带明显，流域绿洲区干旱少雨，降水稀少，蒸发强烈，气候干燥，光热充足，年平均降水量在42.4～94.4 mm，而年蒸发量达2 000～2 900 mm，为降水量的25～100倍[16]，是南疆水资源相对丰富的地区和新疆主要的灌溉绿洲农业大区，也是重要的粮食、棉花和瓜果生产基地[17]。土地多为耕地，耗水量巨大，水资源制约着当地社会经济的可持续发展[18]。

阿克苏河发源于吉尔吉斯斯坦境内，属于典型的北半球中纬度高山河流，流域总面积5×104km2。阿克苏河流域内有两条支流，西支为托什干河，北支为库玛拉克河，两条支流的多年平均径流量分别为26.63×108和47.88×108m3[19]，作为“四源一干”之一的阿克苏河，是唯一常年向塔里木河输水的河流，占塔里木河干流补给量的70%～80%，是塔里木河干流最大的补给来源[20]，对塔里木河下游生态环境改善及经济发展起着决定性作用[21]。

阿克苏河流域现有3座主要的平原大型水库：上游水库、胜利水库和多浪水库（图1）。上游水库和多浪水库是通过塔里木河的拦河闸南北岸进水闸引阿克苏河的河水入库，上游水库通过水库放水渠输水到胜利水库。3座水库的总库容为7.274×108m3[22]，承担着农业灌溉和人类生产、生活用水和生态输水，具有维护塔里木河中下游生态系统稳定与发展的重要作用。

图1 南疆阿克苏河流域主要水库位置

1.2 数据与方法

1.2.1 数据来源

本文所用的MODIS影像数据均来自新疆生态气象与卫星遥感中心，气象数据资料来自新疆气候中心，时间为2009—2020年，按照10 d的时间分辨率，进行水域面积的监测，剔除有云覆盖数据，对阿克苏地区主要的水库以旬为单位进行长时间序列的连续监测，建立水库动态变化数据库，利用长时序的遥感监测数据进行水库动态变化研究，掌握其动态变化规律，以期在保障当地生产、生活用水的前提下，为塔里木河中下游生态用水的科学调配提供支撑。阿克苏地区人口及产业产值数据来源于新疆统计局发布的新疆统计年鉴。

1.2.2 数据处理

对2009—2020年逐旬的EOS/MODIS卫星资料进行地标定位、几何校正、太阳高度角订正等预处理，生成1B数据集。从该数据集中筛选出晴空数据，并选择以81.25°E，41°N为中心，3 000×1 600个像素点为范围，分辨率为250 m，对其进行等经纬度投影，生成局地文件*.LD2。

1.3 方法介绍

由于MODIS具有较高的分辨率和可解译性[23]，在可见光和近红外波段范围内，水体与植被等其它地物的光谱反射率存在差异，这是利用遥感数据进行水体提取和制图的基本原理[24]。由于红光区水体的反射率高于植被的反射率，而近红外光谱植被的反射率明显高于水体的反射率这一特性，利用水体与植被、陆地的NDVI差异，通过选取不同季节合适的阈值，利用波段差值模型即可进行水体信息判识与提取，即利用水体在近红外波段和红光波段反射率的差异可构建水体提取模型[25]：

式中，Red、NIR分别代表红光波段、近红外波段的反射率，对应于MODIS数据的一波段、二波段；Th3、Th4为阈值。研究表明，从可见光到近红外波段（400～2 500 nm），水体的反射率都很低，且随着波长的增大，其反射率逐渐降低，在波长＞2 400 nm以后，其反射率降到最低，接近于0[26]。与此相反，土壤和植被在近红外和中红外波段反射率较高，水体满足Red＞NIR的条件，而对于土壤和植被，Red＜NIR。所以水体在红光波段和近红外波段与土壤和植被有明显的区别，用阈值法就能得到较好的识别效果，且波段差值模型在西部地区湖泊较适用，湖面面积精度在90%以上，精度较高[25]。

2 结果与分析

由距3座水库最近的阿拉尔气象台的观测数据可知：当地气温自2月中下旬逐步达到0℃以上，水库开始解冻，自11月中下旬逐步达到0℃以下，水库进入封冻。因此，主要对3—11月的水库面积变化进行监测。鉴于3座平原水库因水深较浅，加之水库蓄水—放水导致水库面积波动较大，在此主要使用月平均、月最大、月最小等指标进行阐述。

2.1 年内变化

自春季解冻后，多浪水库月平均面积在3月达到年内最大，之后水库面积逐步减少，7月达到最小，8月逐步回升，11月达到年内次高峰，年内水库平均面积在30 km2左右。胜利水库月平均面积自3月开始逐月减少，7月达到最小，8月逐步回升，10月达到年内最大，年内水库平均面积约38 km2。上游水库在3月水库月平均面积达到年内最大，之后水库面积逐步减少，且3—4月水库面积显著减少，8月最小，之后逐步回升，10月达到年内次高峰，年内水库平均面积为37 km2（图2）。

图2 3座平原水库月平均面积变化

多浪水库月最大面积出现在3月、为50 km2，之后逐月下降，8月达到最小，之后逐步回升。胜利水库月最大面积变化趋势与多浪水库基本保持一致。上游水库月最大面积出现在3月、为106 km2，之后逐月呈明显下降趋势，且降幅为3座平原水库之最，8月回升，10月达到年内次高峰（图3）。

图3 3座平原水库月最大面积变化

多浪水库、胜利水库、上游水库月最小面积均出现在7月，且变化趋势基本一致，上游水库月最小面积在3—4月减少明显（图4）。

图4 3座平原水库月最小面积变化

2.2 年际变化

2009—2020年，多浪水库年平均面积在25～34 km2，2009—2012年呈现逐年增加趋势，2012—2015年呈现逐年减小趋势，2016年有所回升，至2019年逐年下降，2020年略有回升，呈现“三升三降”的波动变化趋势。胜利水库年平均面积在30～45 km2，2009—2012年呈现逐年增加趋势，2012—2014年呈现逐年减小趋势，至2017年有所回升，2018—2019年、2020年略有回升。上游水库年平均面积在2009—2010年有所增加，但之后呈逐年减小趋势，且2010—2013年是面积快速减少的时段，年均减少13.7%（图5）。

图5 3座平原水库年平均面积变化

多浪水库年际间最大面积在34～50 km2，最大面积出现在2016年。胜利水库年最大面积在45～53 km2，最大面积出现在2017年。上游水库年最大面积为42～107 km2，最大面积出现在2016年，是2019年最大面积的1.5倍，年际差异较大，多浪水库、胜利水库年际差异相对较小（图6）。

图6 3座平原水库年最大面积变化

多浪水库年最小面积在15～30 km2，最小面积出现在2017年。胜利水库年最小面积为15～30 km2，最小面积出现在2016年。上游水库年最小面积在15～30 km2，最小面积出现在2019年（图7）。

图7 3座平原水库年最小面积变化

2.3 气象因素分析

内陆河的平原与盆地的干燥度指数十分大，暖干气候放大了人类活动对水文循环的不利影响，加剧了生态环境的退化。由于3座平原水库地处内陆干旱区，气温、相对湿度、风速、蒸发等气象因子在一定程度上也影响着入库水量的变化。通过对气象数据的分析并结合已有的研究发现，平原水库受气温的影响，年内蒸发量远高于降水量（图8），已有对阿克苏河流域平原水库蒸发规律的研究表明，水库蒸发量年内变化趋势与气温有相同的变化趋势[22]，随着气温的升高而增大，蒸发在所有气象影响因子中起主要作用。

图8 阿克苏地区年降水量与蒸发量对比

2.4 人为因素分析

阿克苏地区自然资源条件得天独厚，人口数量逐年增加（图9a），2020年末人口数量位居全疆各地州第四，农业、工业和服务业产值逐年攀升（图9b），人类活动对水的需求也不断增加，随着农业的发展，近10年来耕地面积增加7.4%，水浇地面积占耕地比重也由95.2%提升至97.3%，随着经济的发展，工农业生产及生活用水的需求也在不断增加。阿克苏河流域内的大型平原水库的建设主要就是为了保障人类生产生活用水，水库蓄水受人类生产生活用水影响较大，随着农业生产的季节性用水需求，水库面积也呈现季节性变化。3月受冬季积雪融水的补给，储蓄量增加，水库面积增大；4月逐渐进入用水期，水库蓄水逐步减少；7—8月达到农业用水高峰期，水库蓄水量达到年内最低；9月，随着农业用水需求的减少，水库蓄水量回升。水库年内面积变化主要受季节性生产生活用水需求影响而变化，随着水浇地面积的增加，需水量也在不断增加。

图9 阿克苏地区人口数量（a）和三产产值变化（b）

2.5 水库对局地小气候的影响分析

由于3座平原水库地处南疆内陆干旱区，存在降水少、气温高、蒸发大等情况，水库也会影响到局地小气候和水库周边及下游的生态环境。湿润指数的变化，可以间接反映出局地干湿变化对当地植被生长及生态环境变化的影响，是衡量某一区域气候干湿状况的指标[27]，可作为反映当地生态环境变化的指标[28]，为科学合理地进行生态环境变化监测提供服务。在此选取相应时段的气象因子以及湿润指数进行水库对周边生态环境的影响分析。

基于新疆105个气象站点的月气象数据，应用植被生态质量气象评价指数[29]计算潜在蒸散量，并计算湿润指数。采用反距离空间插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）在ArcGIS下进行湿润指数的空间插值，并提取出阿克苏地区湿润指数空间插值图（图10），阿克苏湿润指数总体相对较低，西部、北部山区相对较高，4—6月水库区域湿润指数与其他区域差异不大，但在夏季尤其是7月多有水库周边区域湿润指数高于其他区域的情况（图10a），说明平原水库夏季蒸发强烈，导致相对湿度增加，改善了局地的干湿状况。通过建设生态健康水库，协调处理好水库建设与生态环境保护的关系，可实现人与自然的和谐共处，实现区域的可持续发展。

图10 阿克苏地区湿润指数空间插值

3 结论与讨论

通过对阿克苏流域3座平原水库的长时序遥感监测和面积定量分析，得到近12年水库变化本底数据，便于掌握其变化规律，为今后水库的蓄水与放水、科学调配农业用水和生态用水打好基础，结合湿润指数空间插值变化结果，得出以下结论：

（1）3座平原水库年内面积月际变化总体呈现“前高—中低—后高”的近似“U”型趋势，面积变化由减少趋势向增多趋势转变的时间“拐点”出现在8月，3—4月水库面积减少速率最大，8—9月水库面积增加速率最大，究其原因主要与当地农业灌溉用水密切相关。同一水库年际间变化也较大，上游水库面积年际间变化最显著，胜利水库次之，多浪水库年际间变化幅度相对较小。

（2）同一水库月内面积变化较大，月最小面积在3—7月变化剧烈，说明此时间段用水需求较大，水库蓄水—放水频繁，因此更需要掌握其实时变化，更好地发挥平原水库合理调配用水的作用，提高水资源的利用率，为水库运行提供科学依据。

（3）上游水库面积自2010年以来，面积逐年减少，而胜利水库面积在此期间则逐年增加，说明灌区用水需求在逐年增加，上游水库输水到胜利水库的水量也在逐年增加。

（4）对水库生态系统而言，蒸发对平原水库的影响较大，虽然造成了一定水量的损失，但也使局地的空气湿度增加，改善局地的生态环境，提升其生态旅游价值，可因地制宜，发展水库生态旅游，带动经济发展。

干旱区水库的作用主要是合理调配有限的水资源，确保防洪抗旱的同时做到更好地平衡人类生产生活用水和天然植被生态用水的矛盾，在气候变化的大背景下，阿克苏河流域的水储量呈递减趋势[30]，3座平原水库面对严峻复杂的旱情情势，经过多年运行，已建立适合自我环境下的调配用水策略和措施。生产生活用水和生态用水互为竞争性用水，在水储量减少的趋势下，随着农业用水需求的增加，势必会造成塔里木河下游生态用水的减少，这更需要通过掌握上游积雪、降水的实时变化，综合考虑生产生活用水与生态用水的水资源供需平衡[31]，科学合理调配用水，提高水资源的利用率，以促进干旱区经济可持续发展和生态环境保护。

加强对平原型水库的监测力度，发挥卫星遥感技术优势，通过连续的水库面积遥感监测，将实时的监测结果与历史同期的背景数据相结合，对于水库的蓄水量、影响的流域范围、阿克苏河灌区植被及塔里木河下游生态输水等有着重要的参考价值。