伊犁河流域陆表水域面积时空变化及驱动力分析

仲涛　李漠岩　李建豪　董芳　郑江华

摘要：为探究伊犁河流域陆表水域面积时空变化及其驱动因素，为跨境水资源确权与分配提供依据，利用全球地表水数据集研究2001～2020年伊犁河流域陆表水域面积时空变化，并结合降水、温度和土地利用数据进行驱动力分析。结果表明：① 2001～2020年伊犁河流域陆表水域面积增加661 km2，主要增加在中国境外巴尔喀什湖南部和境内流域。② 20 a间大于1 km2的陆表水域增加41个，大于5 km2的陆表水域增加14个，巴尔喀什湖水体面积呈先增加后稳定的趋势，卡普恰盖水库水体面积呈下降趋势。③ 中国境内陆表水域面积受气候因素影响较小，土地利用类型变化是境内陆表水域面积变化主导因素；耕地面积变化是影响境外陆表水域面积变化的主导因素。研究成果可为伊犁河流域土地利用规划及流域水资源合理分配提供科学支撑。

关 键 词：陆表水域面积； 時空特征； 趋势分析； 气候变化； 人类活动； 伊犁河流域

中图法分类号： P343

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.015

0 引 言

伊犁河是中国和哈萨克斯坦（以下简称“中哈”）两国重要的跨境河流。近年来伊犁河流域受全球气候变暖和高强度人类活动的共同影响，流域生态环境日益恶化［1-4］，水资源受到严重威胁［5］。境外流域内的巴尔喀什湖约70%的水量来源于伊犁河，卡普恰盖水库蓄水量达281亿 m3［6］，长期以来伊犁河流域水资源分配不均匀，缺少统一调度，使得流域水资源矛盾日益加深，因此研究伊犁河流域水资源确权与分配尤为重要，流域陆表水域面积变化是监测流域水资源消耗的重要方式之一，研究伊犁河流域陆表水域面积时空变化及驱动力对于流域水资源确权与分配具有重要意义。

随着遥感技术的发展，利用遥感产品对大尺度流域陆表水域面积长时间监测具有便捷高效的优势［7-9］。已有学者使用全球地表水数据集在淮河流域、三江源和中亚五国进行地表水动态监测，并证明了该数据集水体分类精度高、误差小［10-12］。在伊犁河流域，Propastin［13-14］基于卫星测高数据发现1992～2010年巴尔喀什湖水位变化受降水和温度影响；臧菁菁［15］和高彦华［16］等基于4～11月Landsat数据采用波段比值法提取水体面积，发现1975～2014年受全球气候变化和人类活动影响巴尔喀什湖水体面积呈减少趋势；张玉杰等［17］基于2000～2020年9月的MOD09A1数据，采用归一化差异水体指数提取水体面积，发现巴尔喀什湖水体面积呈先增加后减少的趋势。可以看出，目前已有研究主要集中在伊犁河境外流域的巴尔喀什湖，而对整个流域和境内流域的研究比较少，在数据精度、水体面积提取和时间连续性上还不够完善，未能考虑流域农业灌溉、强降雨、洪水和水库放水对流域陆表水域面积的影响。

本次研究采用2001～2020年全球地表水数据集，将1 a 中大于7个月有水的像元定义为水体，以此来减少灌溉、强降雨、洪水和水库放水导致的陆表水域面积统计误差，以此探究流域陆表水域面积时空特征及变化趋势，使用降水、温度和土地利用数据分析影响流域陆表水域面积变化的驱动力因素，从而为伊犁河流域水资源确权与分配提供依据。

1 研究区概况

伊犁河流域位于中国新疆伊犁地区和哈萨克斯坦的阿拉木图州东南部、卡拉干达州部分地区和江布尔州东南部［18］，流域面积约为415 515 km2，流域15%位于中国境内，85%位于哈萨克斯坦境内（见图1），中国境内产流161.0亿 m3，哈萨克斯坦境内产流69.7亿 m3，是中哈两国重要的淡水资源［19-20］。伊犁河流域是典型的大陆性气候，受到纬度和地形影响，造成流域气候和地貌的空间差异显著。近年来随着流域内社会经济高速发展，对水资源的需求也日益增加，因此伊犁河流域已成为研究跨境水资源确权与分配的热点地区［21-22］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本文采用欧盟委员会联合研究中心（European Commission′s Joint Research Centre，ECJRC）发布的全球地表水数据集（Global Surface Water dataset，GSW）［23］（https：∥global-surface-water.appspot.com/），空间分辨率30 m，该数据基于Landsat遥感影像，并参考数字高程数据、冰川数据和城市区域数据，结合专家系统进行分类［23］，数据具有分类精度高、时间序列长和覆盖地区广的特点，已在全球不同尺度流域进行了验证和应用［10-12］。本文通过Python对2001年1月至2020年12月的240景影像进行处理，统计1 a 内12景影像中水体像元，将1 a中大于7个月有水的像元定义为年有水像元，否则定义为非水体像元，以此来减少灌溉、强降雨、洪水和水库放水等自然和人为因素导致的陆表水域面积统计误差。

降水和近地面温度数据采用的是美国NASA发布的Famine Early Warning Systems Network Land Data Assimilation System （FLDAS）数据集［24］（https：∥disc.gsfc.nasa.gov/），空间分辨率0.1°×0.1°，研究表明该数据相比其他气象数据具有更高的数据质量［25］，选取时间序列为2001～2020年。

土地利用数据采用的是欧洲太空局气候变化倡议计划发布的土地覆盖数据集（http：∥maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/），空间分辨率300 m，选取时间序列为2001～2020年，并将土地利用类型重分类为耕地、草地、林地、水体、裸地和城镇［26］。流域边界数据来自全球流域数据库［27］。

2.2 相关性分析

本文采用Pearson相关系数分析伊犁河流域陆表水域面积与降水、温度和土地利用数据间的相关性，Pearson相关系数计算公式如下［28-29］：

式中：r为相关系数，xi和yi为变量X和Y的数值，x和y为变量X和Y的平均数，n为变量个数。

3 结果与分析

3.1 伊犁河流域陆表水域面积时空变化特征

从时间尺度分析，2001～2020年伊犁河流域陆表水域面积变化如图2所示。结果表明：2001～2020年伊犁河流域陆表水域面积多年均值为19 786 km2，波动范围在19 165～20 127 km2之间，2010年流域陆表水域面积达到最大值，2020年相比2001年陆表水域面积增加661 km2。流域陆表水域面积总体呈增加趋势，2001～2004年陆表水域面积快速增加，2004～2020年陆表水域面积趋于平稳。从伊犁河流域境内境外流域来看，境内陆表水域面积多年均值为243 km2，约占整个流域陆表水域面积的1.2%，境外流域陆表水域面积多年均值为19 542 km2，约占整个流域陆表水域面积的98.8%。境内境外陆表水域面积变化趋势总体相似，在2002～2006年陆表水域面积变化出现差异，境外呈先增加后减少趋势，境内呈先减少后增加趋势。

为了更好地表现流域陆表水域面积在空间上的变化趋势，以2001年伊犁河流域陆表水域面积为基准，结合20 a面积变化趋势，以5 a为间隔划分了4个时期，图3反映了伊犁河流域4个时期的陆表水域面积空间变化特征。结果表明：2005年流域陆表水域面积相比2001年水域面积增加了824 km2，主要增加在巴尔喀什湖的南部；2010年流域面积相对2001年增加了962 km2，主要增加在巴尔喀什湖西北部和南部、卡普恰盖水库入水口和境内流域；2015年流域面积相对2001年增加了411 km2，主要增加在巴尔喀什湖的南部；2020年流域面积相对2001年增加了661 km2，主要增加在巴尔喀什湖南部和境内流域。

3.2 伊犁河流域主要湖泊和水库面积变化特征

研究对比2001～2020年伊犁河流域湖库的个数和面积变化，20 a间伊犁河流域面积大于1 km2的陆表水域平均为142个，面积大于5 km2的陆表水域平均为36个。相比2001年，2020年面积大于1 km2的陆表水域增加了41个，大于5 km2的陆表水域增加了14个。

伊犁河流域湖泊和水库主要是巴尔喀什湖和卡普恰盖水库，图4反映了2001～2020年巴尔喀什湖和卡普恰盖水库水体面积变化。结果表明：巴尔喀什湖水体面积总体呈先增加后平稳趋势，其中2001～2005年巴尔喀什湖水体面积增加127 km2，2005～2020年巴尔喀什湖水体面积呈小幅波动趋势，平均水体面积为16 847 km2，水体面积变化波动在90 km2内；2001～2020年卡普恰盖水库水体面积呈减少的趋势，2020年相比2001年水体面积减少了64 km2，其中2014年卡普恰盖水库面积达到近20 a的最小值，水体面积为1 143 km2，相对2001年缩减了9%。分析发现随着巴尔喀什湖水体面积的增加，卡普恰盖水库水体面积在减少，无论境外陆表水域面积呈增加或减少的趋势，巴尔喀什湖水体面积始终保持在一个平稳的状态。

3.3 伊犁河流域陆表水域面积变化与气候因素分析

3.3.1 降水和温度变化特征

伊犁河流域降水和温度的空间分布特征如图5所示，伊犁河流域年降水量在143～1 118 mm之间，降水主要集中在山区和伊犁河谷地区［30-31］，巴尔喀什湖地区降水较少。流域年均溫度在-7.5～15.4 ℃之间，低温主要集中在山区和伊犁河谷地区，巴尔喀什湖地区温度较高，但是相关研究发现，由于流域植被覆盖度的不均匀导致流域蒸散量呈境内流域高于流境外流域的趋势［32］。伊犁河流域的降水和温度空间分布不均匀主要受流域地形地貌的影响，新疆伊犁河谷三面环山，受大西洋西风带的影响使得境内流域降水充沛温度低［33］。

2001～2020年伊犁河流域年降水量和年均温度变化如图6所示，近20 a境内流域年降水量变化波动较大，平均年降水量为452 mm，波动范围在350～553 mm之间，2016年达到最高值，2020年达到最低值；境外流域平均年降水量为315 mm，波动范围在212～407 mm之间，在2016年达到最高值，2020年达到最低值，同时发现境外陆表水域面积与年降水量的变化趋势不一致；境内流域年均温度相对稳定，年平均气温在4.0～5.5 ℃之间；境外流域年均温度变化幅度较大，年均温度在6.2～8.8 ℃之间。

3.3.2 陆表水域面积与气候因素的相关性分析

相关性分析结果可以有效反映陆表水域面积与气候因素的相关程度。研究发现2001～2020年伊犁河境内境外流域降水和温度的变化趋势不同，因此分别分析境内和境外流域陆表水域面积与降水和温度的相关性。如表1所列，境外流域陆表水域面积与降水和温度呈负相关（r<0），说明境外流域陆表水域面积变化与降水和温度变化相反；境内流域陆表水域面积与降水和温度呈正相关（r>0），说明境内流域陆表水域面积一定程度上受降水和温度的影响。境内境外流域陆表水域面积与降水和气温均未通过显著性水平（P<0.05）检验，说明流域陆表水域面积与降水和温度没有显著相关性。

3.4 流域陆表水域面积变化与人类活动因素分析

3.4.1 土地利用变化特征

2001～2020年伊犁河流域6类土地利用类型面积变化见图7，伊犁河境内流域总面积为57 388 km2，2001～2020年流域土地利用变化整体呈裸地和草地大幅度减少、耕地和城镇急速增加的趋势。20 a间境内流域草地面积占比最大，占总面积的48%，草地面积逐年减少，20 a间减少了3 119 km2；林地面积在2001～2008年急剧增加1 630 km2，后缓慢增长；水体面积变化趋势与林地相似，在2004～2006年急剧增加33 km2，后缓慢增长；2020年相比2001年城镇面积增加311 km2，面积增长率高达634%，耕地面积增加1 107 km2，裸地面积减少371 km2。伊犁河境外流域面积为358 127 km2，2001～2020年流域土地利用变化整体呈裸地大幅度减少，耕地、草地和城镇急速增加的趋势。20 a间境外流域草地面积占比最大，占总面积的37%，草地面积增加4 544 km2；林地面积仅次于草地面积，占总面积的33%，其中2001～2012年急剧增加4 359 km2，2012～2020年呈减少的趋势，面积减少2 311 km2；水体面积变化幅度较小，2001～2013年面积增加187 km2，2013～2020年面积减小58 km2；裸地面积占总面积的8%，面积减少10 954 km2，面积减少率高达29%；2020年相比2001年城镇面积增加了424 km2，面积增长率高达190%，耕地面积增加6 525 km2。总体来看，伊犁河境内境外流域土地利用变化呈现出裸地减少、耕地和城镇增加的趋势，在草地面积的变化上，境内流域呈减少趋势，境外流域呈增加趋势，同时发现伊犁河流域林地和水体面积变化趋势相似。

3.4.2 陆表水域面积与人类活动的相关性分析

相关性分析结果可以有效反映陆表水域面积与土地利用相关程度。上述研究发现2001～2020年伊犁河境内境外流域土地利用变化趋势不同，因此分别分析境内和境外流域陆表水域面积与土地利用相关性。

如表2所列，境内陆表水域面积与耕地、林地和城镇呈显著正相关（P<0.01，r>0），其中林地相关性最高（P<0.01，r=0.750），结合境内流域实际情况，过去20 a境内流域实行退耕还林政策，林地面积增加显著，减缓了境内流域水土流失，提高了境内流域水源涵养能力［34］，使境内陆表水域面积增加。境内陆表水域面积和水体的变化具有强相关性（P<0.01，r=0.875），说明本研究陆表水域面积提取方法可行有效。境内陆表水域面积与草地和裸地呈显著负相关（P<0.01，r<0），说明随着境内草地和裸地面积的减少，境内流域水资源消耗在减少，裸地面积减少减缓了境内流域水土流失［35］，使境内陆表水域面积增加。境外流域陆表水域面积与耕地和水体呈显著正相关（P<0.05，r>0），说明境外流域陆表水域面积变化受耕地面积变化的影响，而境外陆表水域面积与林地、草地、裸地和城镇均未通过显著性水平检验；境外陆表水域面积与裸地呈负相关，说明随着裸地面积减少，境外陆表水域面积在增加。

4 结 论

本文利用全球地表水数据集分析2001～2020年伊犁河流域陆表水域面积时空变化，探究了气候和人类活动对流域陆表水域面积变化的影响，为伊犁河流域水资源确权和分配提供依据，对构建中哈水安全命运共同体具有重要意义。主要结论如下：

（1） 伊犁河流域陆表水域面积多年均值为19 786 km2，波动范围在19 165～20 127 km2之间，流域陆表水域面积整体呈增加趋势，2020年相比2001年面积增加了661 km2，主要增加在巴尔喀什湖南部和境内流域。流域陆表水域面积空间分布不均衡，境内陆表水域面积多年均值为243 km2，占總面积的1.2%，境外陆表水域面积多年均值为19 542 km2，占总面积的98.8%。

（2） 2001～2020年伊犁河流域大于1 km2的陆表水域增加了41个，大于5 km2的陆表水域增加了14个。巴尔喀什湖水体面积多年均值为16 847 km2，波动范围在16 754～16 887 km2之间，呈先增加后稳定的趋势；卡普恰盖水库水体面积总体呈减少趋势，2020年相比2001年水体面积减少了64 km2。

（3） 受到跨境流域复杂的自然人文环境影响，伊犁河流域境内境外导致陆表水域面积变化的驱动因素也不同。境内陆表水域面积受气候因素影响较小，土地利用类型变化是影响陆表水域面积变化的主导因素；耕地面积变化是影响境外陆表水域面积变化的主导因素。

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（编辑：谢玲娴）

Spatio-temporal variation and driving force analysis of water area on land surface in Ili River Basin

ZHONG Tao1，LI Moyan1，LI Jianhao1，DONG Fang1，ZHENG Jianghua1，2

（1.College of Geography and Remote Sensing Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China； 2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract：

To explore the spatio-temporal variation and driving force for water area on land surface in the Ili River Basin，and to provide a basis for the right confirmation and allocation of transboundary water resources，the global surface water dataset was used to study the spatio-temporal variation of land surface water area in the Ili River Basin from 2001 to 2020，during which the precipitation，temperature and land use data were taken into consideration.The results showed that：① The land surface water area in the Ili River Basin increased by 661 km2 from 2001 to 2020，the growth mainly located in the southern part of Balkhash Lake outside China and the basin inside China.② In the past 20 years，the number of water range larger than 1 km2 increased by 41 while that of larger than 5 km2 increased by 14.The water area of Balkhash Lake showed a fluctuation of increasing and then stabilizing，and the water area of Kapchagay Reservoir showed a declining trend.③ The land surface water area inside China was rarely affected by climatic factors，the alteration of land use types was the dominant factor causing the change of water range.The change of arable land area was the dominant factor affecting the waters range outside China.The research results can provide scientific support for land use planning and rational allocation of water resources in the Ili River Basin.

Key words： water area on land surface；spatio-temporal characteristic；trend analysis；climate change；human activity；Ili River Basin

收稿日期：2022-05-27

基金項目：国家社会科学基金重大项目（17ZDA064）

作者简介：仲 涛，男，硕士研究生，研究方向为跨境水资源监测与分配。E-mail：zhongtao776@163.com

通信作者：郑江华，男，教授，博士，研究方向为干旱区水资源利用研究。E-mail：Zheng_jianghua@126.com