近60 a巴尔喀什湖水量平衡变化及其影响因素

王 正， 黄 粤， 刘 铁， 钟瑞森， 昝婵娟， 王晓飞

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆维吾尔自治区遥感与地理信息系统应用重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国科学院大学，北京 100049）

中亚地区幅员辽阔，山区—绿洲—荒漠—尾闾湖是内陆河流域水形成与水利用的典型系统。气候变化一方面影响了山区水资源的形成与赋存方式，另一方面也加剧了绿洲与荒漠水资源耗散的过程；加之人类活动影响日益深入，中亚内陆河流域水资源变化及时空差异显著，加剧了区域、流域尺度的水资源短缺，进一步诱发了中下游地区特别是尾闾湖区的生态问题［1-2］。巴尔喀什湖是中亚干旱区典型内陆湖，具有湖水面积大、相对较浅的特点，拥有丰富的湿地和水生动植物资源［3］。由于流域内气候变化和农业灌溉，特别是卡普恰盖水库蓄水等因素，导致巴尔喀什湖在20 世纪70—80 年代水量急剧减少，造成了湖面水位下降和三角洲生态环境恶化［4-5］，引起了哈萨克斯坦国内和国际社会的广泛关注。

近年来，一些学者聚焦湖泊水文特征进行分析［6-11］，如水位、面积的变化等。研究表明，巴尔喀什湖水位变化呈现周期性的丰枯交替特征，1879—2015 年，巴尔喀什湖水位在340～344 m 呈明显丰枯周期性变化，变化周期为48～52 a［6-7］。20世纪70年代至21世纪初巴尔喀什湖经历一次丰枯过程，其中水位在1970—1987 年内持续降低［6-8］，1987 年到达最小值，相较1970年水位降低了约2.38 m［12-13］，面积随水位降低而萎缩了约790 km2，主要体现在乌泽纳拉尔水道南部和三角洲附近［9］；1987 年以后水位开始上升，2005年达到有观测资料以来的历史最高水位343.01 m，湖泊面积也得到相应的恢复。1970—1990 年湖泊水量急剧减少至750 km3，1990 年后水量逐渐恢复。然而，湖泊水文特征演变是湖体水量平衡变化的外在反映，目前有关巴尔喀什湖湖泊水量平衡的研究较少［13-15］。邓铭江等［12］和龙爱华等［13］指出由于卡普恰盖水库修建和水库左岸灌区农业灌溉引水，70年代伊犁河干流入湖量较1936—1969年均值低了24.28%；Nakayama等［16］基于遥感数据提取巴尔喀什湖面积变化，结合湖泊水位观测数据和气象数据，分析了1960—1991年巴尔喀什湖水量平衡变化。20 世纪90 年代以来，随着苏联解体，哈国大面积耕地撂荒，灌溉引水减少，入湖水量回升，巴尔喀什湖水位也逐渐回升，巴尔喀什湖进入新的水量平衡状态。然而，以往对于巴尔喀什湖水量平衡的研究工作多集中于2012年之前，缺乏对近期湖泊水量平衡要素变化及互动关系的分析，对于气候变化与人类活动影响缺少定量解析与评估。

因此，本文选择位于哈萨克斯坦境内的巴尔喀什湖为典型研究区，基于1992—2020年Landsat TM/ETM+/OLI和Jason1/2/3数据，提取湖泊面积、水位变化信息，结合历史文献数据，计算湖泊水量变化；利用气象再分析数据集，综合多种方法计算湖区耗水；建立水量平衡模型，分析湖泊水量、蒸散发、降水、入湖径流、地下水等水量平衡要素变化特征，解析水量收入与支出间的互动关系；并从湖区和流域两个尺度，定量区分了气候变化与人类活动对湖泊水量变化的影响。研究结果可为巴尔喀什湖流域水资源管理与生态保护提供数据支持。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

巴尔喀什湖（简称巴湖）是位于哈萨克斯坦共和国东南部的内陆湖，处于巴尔喀什湖—阿拉湖盆地（图1）。湖泊中部有一半岛——萨雷耶西克半岛，半岛从南岸伸向北岸，将湖分为东西两部分［3］。湖区多年平均气温约6.2 ℃，多年平均降水约160 mm［17］。巴尔喀什湖主要由5条河流汇入，分别是伊犁河、卡拉塔尔河、阿克苏河、列普瑟河和阿亚古兹河，其中阿亚古兹河于1986 年不再有地表径流注入巴湖［12］。发源于天山山脉的伊犁河自东向西注入西湖，是巴湖的主要水源；而注入东湖的4条河流径流量远小于伊犁河，东湖蒸发量远远超过河流补给量，导致了湖泊东咸西淡的盐度分布。卡普恰盖水库位于伊犁河上，建成于1970 年，水库设计正常水位485 m，水库面积1847 km2，总蓄水量28.14 km3，是伊犁河—巴尔喀什湖流域最大的水库［18］。

图1 研究区示意图Fig.1 Map of the study area

1.2 数据来源与处理

湖泊面积和水位数据获取可分为两个阶段，分别是1961—1991 年和1992—2020 年，前一阶段数据来自Nakayama等［16］和龙爱华等［13］的研究，后一阶段来源于美国地质调查局（http://glovis.usgs.gov/）的遥感数据，包括1992—2020 年Landsat TM/ETM+/OLI 数据共203 景，时相集中于5—10 月，用于湖泊面积信息提取［19］；1992—2020年湖泊水位信息由Jason1/2/3测高卫星数据产品获得。

气象数据采用英国East Anglia 大学Climatic Research Unit（CRU）发布的CRU TS 4.05 数据（http://data.ceda.ac.uk/badc/cru/data/cru_ts/），空间分辨率为0.5°×0.5°，时段为1961—2020 年，下载参量包括月均温、月降水量和月蒸散发量等。近年来，CRU高分辨率格点化数据集在全球得到了广泛应用，在中亚地区的准确性和适用性也得到了验证［17,20-21］。研究区气象站点稀疏，且湖体形状狭长，东、西湖区横跨605 km，单一站点数据无法反映气象要素在空间上的差异与变化，张玉杰等［21］将巴尔喀什湖周边气象站点数据与CRUTS v4.05 气象数据进行了相关性分析，发现气温与降水量观测数据与CRUTS v4.05数据集之间呈显著正相关关系，相关系数达到0.965 和0.951。因此，本文采用CRU 网格数据提取湖区平均降水序列和蒸发数据产品表征湖面蒸发量，该蒸发产品基于Penman-Monteith 公式计算得到［22-23］。

伊犁河干流卡依尔干、卡上171 和乌斯热尔玛水文站年径流数据获取自Kezer 和Matsuyama［7］、龙爱华等［13］、Dostay 等［24］和Panyushkina 等［25］的研究，其中卡依尔干和卡上171水文站年径流数据时段为1961—2000年，乌斯热尔玛水文站年径流数据和伊犁河三角洲耗水数据时段为1961—2011年，伊犁河三角洲耗水数据来源于谢蕾等［26］的研究，时段为1961—2008 年。卡拉塔尔河、阿克苏河、列普瑟河和阿亚古兹河的入湖流量数据来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http://www.ncdc.ac.cn）［27］，时段为1961—2000年。

1.3 研究方法

1.3.1 湖泊水量计算 基于Nakayama 等［16］的研究获取1961—1992年巴湖水量数据序列，依据遥感提取的1993—2020年巴湖水位、面积时间序列估算水量变化［28］：

式中：ΔV为湖泊体积从湖面高程H1和面积A1变化到高程H2和面积A2。

1.3.2 径流时间序列插补和延长 经分析发现，伊犁河年入湖流量与巴湖年水位变化量、湖泊年水量及其年变化量具有显著的（P＜0.05）相关关系。因此，本文采用向后逐步回归分析法［29］，建立入湖流量与巴湖水量及水位的统计预测模型，插补2012—2020 年入湖流量。因卡普恰盖水库在1970—1985年内蓄水，为消除人为因素的影响，选取1986—2011 年（1986—2005 年为拟合期，2006—2011 年为验证期）时间段建立入湖径流的逐步回归方程，模拟得到2012—2020 年入湖流量。总体来说模型表现良好，预测误差能够控制在GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》许可的20%以内，能较好地模拟入湖径流的变化。此外，基于伊犁河入湖径流和谢蕾等的［26］三角洲耗水插补延长伊犁河三角洲入口处乌斯热尔玛水文站径流数据，利用降水径流相关法［30］插补延长伊犁河干流上游卡依尔干站径流数据，通过上下游相关法［30］插补延长得到卡普恰盖入库卡上171 km站径流数据。

式中：Ri为预测的伊犁河入湖流量（km3）；i是预测的年份，取2012—2020 年；CLi为对应年份巴湖水位变化（m）；CWi为对应年的巴湖蓄水量变化（km3）；Yi为入巴湖总径流量（km3）；Wi为湖泊储水量（km3）。

1.3.3 水量平衡模型 某时段湖泊库容差与增（减）水的关系，可用水量平衡方程式［31-32］表示：

式中：Δt为计算时段（年）；ΔV为湖泊库容变化量（m3）；A为湖泊水面面积（m2），是水位（h）的函数；P为研究区内降水量（mm）；E为研究区内总蒸发量（mm）；Qin为入湖水量（m3）；Qout为出湖水量（m3）。

由于巴湖是伊犁河等入湖河流的尾闾湖，属于封闭湖泊，没有出水河流，因此水量平衡方程可表示为：

式中：Q河流入为河流入湖水量；Q地下入、Q地下出为地下水入湖水量、出湖水量。

2 结果与分析

2.1 巴尔喀什湖水储量变化

过去60 a，巴尔喀什湖的水位和面积均呈现先下降后上升的趋势（图2a），水位在340.6～343.5 m之间波动，且以3.6 mm·a-1的速率波动下降了0.18 m（1970—1987 年下降速率最大，为13.1 mm·a-1），其中在1987 年降到340.6 m，接近有观测资料以来的最低点，相对最高水位降低了2.4 m；之后开始波动增加，2004年后趋于稳定状态。面积在1970—1981年内显著减少，减少速率为38.46 km2·a-1；1982—1998年减少速率减缓，为8.61 km2·a-1，之后以21.54 km2·a-1的速率波动增加，其中在1988年面积达到最小值16732.18 km2，相对最高面积减少了5.21%；至2005年，湖体面积恢复至20世纪70年代水平，并在17258.93～17562.67 km2之间呈波动变化。巴湖水量呈现先下降后上升的变化趋势，可分为四个阶段（图2b），第一阶段，1961—1969年，湖泊水量小幅波动，水位也呈现小幅波动，整体较为稳定；第二阶段，1970—1987年，湖泊水量急剧减少，平均每年减少22.30 km3，对应时期内水位下降了2.31 m；第三阶段，1988—2004年，水量开始迅速增加，年增长率为11.02 km3·a-1，水位抬升了1.72 m，其中1999年前增长率为0.52 km3·a-1，1999 年后增长率为38.03 km3·a-1；第四阶段，2005—2020年，水量在1061.51 km3上下小幅波动，约是20 世纪60 年代水储量的95%左右。

图2 1961—2020年巴尔喀什湖水位、面积（a）和水量（b）变化Fig.2 Variations in water level,area and water volume of Lake Balkhash from 1961 to 2020

2.2 巴尔喀什湖水量平衡要素变化

2.2.1 降水 CRU 降水数据显示，过去60 a 内湖区年均降水量为194.78 mm·a-1，总体未出现显著的趋势性变化，与已有研究结果基本一致［17,33］（图3）；湖面降水多年平均值为3.35 km3·a-1，1974年降水量最小 为1.42 km3，1988 年 最 大 为4.73 km3。其 中，1961—1969 年湖面降水比多年平均值高了0.16 km3，而1970—1980 年平均降水量为2.98 km3，比多年平均值低了0.36 km3；1981—1997 年内湖面降水呈现明显的波动减少趋势，多年平均值为3.19 km3；1997年后湖面降水量波动较大且明显增加，但仍在多年平均值上下波动，多年平均降水量为3.56 km3。

图3 1961—2020年巴尔喀什湖区年降水量变化Fig.3 Variations in annual precipitation at Lake Balkhash from 1961 to 2020

2.2.2 入湖径流 入湖径流是巴湖水量的主要收入来源，其中伊犁河入湖径流的变化和入湖总径流的变化规律基本一致（图4）。过去60 a入湖径流年际变化较大，年均入湖总径流约14.04 km3，其中伊犁

图4 1961—2020年巴尔喀什湖入湖径流量变化Fig.4 Variations in the annual runoff of Lake Balkhash into the lake from 1961 to 2020

河年均入湖流量为10.84 km3，而卡拉塔尔河、阿克苏河、列普瑟河和阿亚古兹河四河的多年平均入湖径流量约3 km3。1960—1969 年期间入湖总径流具有高位震荡的特点；1970 年入湖径流骤减，1970—1986年保持显著减少趋势，最低值达8.90 km3；之后入湖径流逐渐增加，并于1999 年达到了1970 年之后的第一次峰值20.01 km3，2000—2004年一直维持在高水平；但2004年后入湖径流相对前一时期波动减少。

2.2.3 蒸发耗水量 湖面蒸发是主要的巴湖水量支出，过去60 a内，随着湖区气温升高，湖面潜在蒸发量呈增加趋势；水体蒸发量呈波动增加的趋势，年际变化较大（图5）。其中1961—1980 年，蒸发量以0.03 km3·a-1的速率波动增加；1981—1990年波动减少，减少速率为0.12 km3·a-1，1987 年蒸发量达到最小值16.1 km3；1991—2010 年内蒸发量以0.08 km3·a-1的速率波动增加，2008年蒸发量达到最大值20.3 km3，2010年之后变化无明显趋势。在整个时段内，湖面蒸发量的增加趋势并不显著，这是由于蒸发受到多因素的影响，如湖面面积、湖区气温、风速、湿度、辐射、气压和相对湿度等，湖面蒸发量的变化是多因素共同作用的结果。总的来说在1961—2010年平均水体蒸发量为17.95 km3·a-1，与龙爱华等［13］和Nakayama等［16］的研究结果相近。

图5 1961—2020年湖面蒸发量（a）和潜在蒸发量、湖区气温（b）的变化Fig.5 Variations of evaporation,potential evaporation,and temperature of Lake Balkhash from 1961 to 2020

2.2.4 余项 在湖泊水量稳定的情况下，湖泊水位和潜水水位是持平的，在丰水年时，入湖径流增多，湖泊水位上升超过潜水水位，湖泊水补充湖滨地下水，则余项为正；反之，枯水年时入湖径流较少，湖泊水位下降低于潜水水位，湖滨地下水渗入湖体补给巴尔喀什湖，则余项为负。因此缺少地下水监测数据的情况下，可将余项近似为地下水变化量。过去60 a 巴湖水量平衡要素变化如图6 所示，结果表明水量平衡的余项范围在-2.7～1.0 km3之间，其中在20 世纪60 年代和90 年代为正，表明该时期内湖水向地下水补给，平均补给量最大，为0.93 km3·a-1和0.11 km3·a-1；其他年代水量平衡余项均为负值，表明地下水补给湖泊，其中20 世纪70 年代和80 年代平均地下水补给量较大，分别为2.61 km3·a-1和1.18 km3·a-1，这是由于卡普恰盖水库在1970—1984年蓄水导致伊犁河入巴尔喀什湖径流大幅减少（图4），2000 年后地下水补给量较少，平均为0.19 km3·a-1，湖泊基本能够依靠地表径流和湖区降水维持自身的水量平衡。龙爱华等［13］的研究表明，1960—2008年巴尔喀什湖地区主要以地下水补给湖泊为主；Petr 等［34］估算巴尔喀什湖每年的地下水交换量约1.6 km3，与本文结果相近。

图6 1961—2020年巴尔喀什湖水量平衡变化Fig.6 Variations in the water balance of Lake Balkhash from 1961 to 2020

3 讨论

在巴尔喀什湖湖区，湖体的水面蒸发是水量耗散的主要途径，入湖径流是主要的水量收入，水量收入与支出间的互动关系决定了巴湖的历史演变进程与未来趋势。本研究引入相关分析和析因分析法从湖区和流域两个尺度探究各因子在不同时段对巴湖水量变化的影响。在湖区尺度上，气温、降水、入湖流量及湖面蒸发与湖泊水量相关性分析表明，入湖径流和巴湖水量的相关性较好，但不同时段巴湖水量和各要素间的相关系数差异较大（表1）。总的来说，过去60 a 巴湖水量与湖区气温和降水相关程度较低，而与入湖流量呈显著的正相关关系（通过95%置信度检验），表明入湖流量是巴尔喀什湖水量变化的主导因素。

表1 各时段内巴湖水量与湖泊水量平衡要素的Spearmanr相关系数Tab.1 Spearmanr correlation coefficients of water volume and water balance elements in Lake Balkhash during different periods

从流域尺度上来看，气候变化和人类活动通过影响入湖流量间接驱动湖泊水量的变化。伊犁河发源于天山西部哈萨克斯坦境内汗腾格里峰北坡，是巴尔喀什湖的主要来水源，伊犁河供水占比达76.74%。伊犁河属于跨境河流，主要受到上游山区来水、中游农业用水和下游三角洲耗水的影响。伊犁河流域主要产流区分布在我国境内，而消耗于哈萨克斯坦，在中国境内耗水量为3.96 km3，仅占24%，哈萨克斯坦境内耗水量为12.4 km3，占流域总耗水量的76%［33］。袁晴雪和魏文寿［35］的研究认为1957—2009年天山山区气温呈上升趋势，降水呈增加趋势［增长率为8.8 mm·(10a)-1］；Duan等［36］的研究表明，伊犁河从中国流入哈萨克斯坦的水量显著增加，其中1998—2013年的平均径流流出量较1931—2007 年增加了26.5%；上述多个研究均表明伊犁河上游的产水、来水均在增加，但近20 a伊犁河入巴尔喀什湖的径流在减少，表明在哈萨克斯坦境内伊犁河被过多的消耗［37］。本研究基于CRU 数据提取了伊犁河流域上游山区降水和气温变化序列（图7），结果表明1961—2020 年，山区降水增加、气温持续升高；哈国境内伊犁河干流上游水文站径流也呈小幅增加趋势。

图7 伊犁河上游山区降水、气温（a）及净流量距平（b）变化Fig.7 Changes of precipitation and temperature(a)and runoff anomaly(b)in the upper of Ili River

为了定量区分气候变化和人类活动对伊犁河入湖径流的影响，统计了伊犁河干流卡上171 站至乌斯热尔玛站区间的径流变化（表2）。1970—1985年由于卡普恰盖水库的蓄水导致卡上171至乌斯热尔玛站之间的区间耗水量剧增了2.39 km3，入三角洲流量较20世纪60年代减少了近3.50 km3；值得注意的是，这一时段恰好处于长期气候波动导致的枯水时期，上游来水量比20 世纪60 年代减少了约0.95 km3。1986—1995 年上游来水依然处于较低水平，干流区间耗水较1970—1985年期间减少了1.53 km3；1996—2020 年，随着上游来水显著增加，虽然干流引水也相应小幅增加，但入三角洲流量整体高于1970—1995年水平。

表2 各时段伊犁河干流卡上171至乌斯热尔玛站区间径流变化Tab.2 Runoff variation along the main stream of the Ili River during different periods

析因分析结果表明伊犁河入湖流量在不同时期受流域气候变化与人类活动的影响程度不同（表3）。卡普恰盖水库修建之前（1970年前），人类活动影响较小，入湖流量主要受到气候变化影响。1970—1985年，上游来水量随气候波动进入减少期，平均减少约0.8 km3·a-1；而卡普恰盖水库的蓄水和耕地扩张导致伊犁河干流耗水显著增加引起入湖流量锐减的主要原因，其贡献率为47.47%；同期巴湖水位由343.0 m下降到340.6 m，下降速率达14 cm·a-1，高于19 世纪以来记录到的自然下降速率9 cm·a-1［21］，说明这时期人类活动明显加剧了湖泊水位下降的进程。20世纪90年代初苏联解体后，哈国境内耕地面积先因撂荒减少2610 km2，2000 年以来哈国政治稳定，农业规模又逐渐扩大，耕地面积显著增加至21100 km2［38］；卡普恰盖蒸发耗水和灌溉引水量仍维持较大水量，干流区间耗水对伊犁河入湖水量的影响相对于1970—1985年减弱，贡献率约30%。综上所述，长期来看流域尺度的气候变化主导着伊犁河入湖径流的周期性变化，贡献率为71.67%，其中山区降水的贡献率高于升温效应。

表3 气候变化和人类活动对伊犁河入三角洲水量变化的贡献率Tab.3 Contribution rate of climate change and human activities to the change of Ili River inflow in Lake Balkhash

4 结论

本文在巴尔喀什湖1961—2020 年的降水、蒸发、入湖流量及湖泊水量等要素数据的基础上，解析了巴尔喀什湖水量收入与支出间的互动关系，并从湖区和流域尺度定量分析了其影响因素。主要结论如下：

（1）过去60 a，巴湖水量以1987 年为拐点先急剧减少再波动增加，由1961 年的1157.18 km3，减少至1987 年的746.33 km3，至2020 年恢复至1028.27 km3；入湖流量变化与巴湖水量变化过程基本一致，地表年均入湖径流量14.04 km3；湖面年降水量为3.35 km3，湖面蒸发变化和面积变化联系紧密，年均蒸发量为17.95 km3。

（2）过去60 a年地下水以“丰入枯出”的形式补给湖泊，地下水年均补给量0.52 km3，其中在20世纪70 年代由于伊犁河上游来水减少和卡普恰盖水库的拦截蓄水导致地下水补给量增加到2.61 km3·a-1，而20世纪60年代和90年代湖泊补给地下水量分别为0.93 km3·a-1和0.11 km3·a-1，21世纪后地下水补给湖泊水量较少，年均补给量为0.19 km3。

（3）湖区尺度上，入湖流量与巴尔喀什湖水量显著相关，是影响巴湖水量变化的主导因素；流域尺度上，气候变化是伊犁河入湖流量长期波动的主导因素，贡献率为71.67%；1970 年以来灌溉引水和水库蓄水等人类活动对巴尔喀什湖水量的影响增强，特别是1970—1985年卡普恰盖水库蓄水和蒸发对乌斯热尔玛站径流减少的贡献率达47.47%，加剧了巴尔喀什湖水位下降的进程。