近40年昆仑山区湖泊面积变化及归因分析.pdf

年第 期水利规划与设计水文水资源:/近 年昆仑山区湖泊面积变化及归因分析徐生武(新疆塔里木河流域干流管理局 新疆 库尔勒)摘要:基于遥感影像 收集气象、水文、社会经济等资料 并结合文献查阅 分析导致典型新疆昆仑山区湖泊时空演变的核心驱动要素 明确年、月尺度下湖泊面积时空分布特征 甄别典型湖泊在保护进程中存在的关键问题 提出典型湖泊演变问题及保护对策 为维持干旱区水资源平衡提供科学依据 结果表明:近 年南疆昆仑山区湖泊面积均显著增长 山区湖泊面积变化主要受气候变化影响 与人类活动基本无关关键词:新疆 昆仑山区湖泊 面积变化 驱动要素中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()中国科学院“西部之光”基金()新疆重点研发项目()作者简介:徐生武(年)男 工程师:在干旱区 湖泊作为水资源的重要载体 维系着脆弱生态系统的平衡及人类经济社会发展的需求 是干旱区“山水林田湖草沙冰”系统中水分循环的重要组成部分 新疆由于深居中纬度欧亚大陆中心 来自海洋的湿润水汽难以到达 年均降水量不足 且空间分布不均 同时境内分布着全国面积最大的盆地 塔里木盆地干旱少雨、蒸发强烈的自然气候特征 使新疆长期处于水资源紧缺的制约环境中 作为天然水库和生态屏障 湖泊对协调新疆水资源时空平衡 维护地区生态健康 优化人类生活环境有举足轻重的作用针对目前新疆湖泊开发利用与保护过程中存在的湖面历史演变过程不清、归因不明等问题 本文基于遥感影像 通过地理信息系统、水资源管理学等学科的基础理论和科学分析方法 明确南疆昆仑山区湖泊现状下时空分布规律 研究湖泊时空演变规律与明确其演变的驱动要素 对推动实现新疆河湖长制“有名、有实、有能、有效”具有重要意义为维持干旱区水资源平衡和科学合理地开发利用及保护湖泊水资源提供科学依据 研究区概况新疆地处西北干旱区 是我国重要的湖群分布地之一 同时分布着众多的山系 北有阿尔泰山系 南有昆仑山系 中有横亘全境的天山山系 阿其格库格湖、阿牙克库木湖、鲸鱼湖与阿克萨依湖均分布在昆仑山山区 阿克萨依湖地处西昆仑山区 阿牙克库木湖、阿其格库格湖和鲸鱼湖地处中昆仑山区 克里雅河上源的阿什库勒盆地和阿尔金山自然保护区内的库木库里盆地 研究区属于大陆性干旱气候 湖泊主要以来降水及冰雪融水补给湖泊最大面积一般出现在秋季 最小面积一般出现在冬春季 湖泊水量大多来自暖季节高山带得冰雪融水地表径流补给 长时间尺度下 该区域湖泊的演化主要受高原构造隆升和全球气候变化二者共同作用的影响鲸鱼湖 因湖形酷似鲸鱼而得名 属高山内陆淡水湖 坐落于新疆若羌县东南部的新疆、青海、西藏三省交界处 南临昆仓山主山脊 北倚昆仑山支脉阿尔喀山 与北侧的阿牙克库木湖流域仅一山之隔 高寒缺氧 年平均降水 年平均气温在 以下 湖泊三面环山 小水系较为发育 北侧小河出山口距湖泊相对较远 发源于昆仑山主山脊东、北坡的河流则大多可直接补给湖泊阿牙克库木湖位于若羌县东南部 属高原内陆盐湖 坐落在羌塘高原库木库里盆地东北部最凹处阿尔金山与昆仑山之间库木库里盆地东部低洼处年平均气温约 年平均降水量为 入湖河流为依协克帕提河、色斯克亚河 流域内高山发水文水资源水利规划与设计 年第 期育的冰川有 条 冰川面积 冰储量约 阿其格库格湖位于若羌县南部 属硫酸镁亚型卤水盐湖 阿其格库格湖地处北倚库木巴彦山 南为昆仑山主山脊的库木库里盆地西南部年平均年降水量约 年平均气温在 以下 湖泊主要靠阿其格库格河、艾梗乌塔格能苏河、哈夏克力克河等河流和湖周地下水及湖面降水补给 阿克萨依湖位于新疆南部的和田县喀什塔什乡 帕米尔高原东缘部的和田县境内的昆仑山上 青藏高原西北部阿克赛钦流域西侧 是一个封闭型高原湖泊 属硫酸镁亚型内陆盐湖 该区域年平均气温约 年平均降水量 流域海拔高且气候干旱 导致湖区植被稀疏 且主要发育高寒荒漠植被 入湖河流为阿克赛钦 河 流 域 内 有 冰 川 条 冰 川 面 积 为 冰储量为 冰川融水经地表径流大量补给湖泊 数据及研究方法 基于大数据云计算平台提取月尺度湖泊面积本文基 于 谷 歌 地 球 引 擎()与 像 素 专 家 引 擎()两大遥感大数据与云计算平 台 提 取 湖 泊 月 尺 度 面 积 ()数据集包含 年水面 的 范 围 和 变 化 的 统 计 数 据 该 数 据 集 由 年 月 日 年 月 日期间采集的 、和 的 个场景生成(时间分辨率:年 月 年 月 空间分辨率:)本 文 使 用 的 ()数据集包缺失 年前的数据为了弥补 年前的湖泊面积数据 下载 年后的 影像 并对 影像中的湖泊采取人工勾画()无数据()非水体()水体()()式中()原始影像()分割后的影像 其中 代表没有数据 代表有数据 不是水体 代表有数据 是水体本文基于 卫星影像 利用改进的归一化差异水体指数()提取特殊日期的湖泊水体面积 并利用大津算法()自动阈值分割来消除人工判读阈值产生的主观性偏差 指数的计算公式如下:()式中 中红外波段 绿波段通过计算 利用 算法自动识别阈值 进而分割出水体与非水体区域 检验法 检验法是一种广泛用于水文、气象数据趋势和突变分析的非参数检验方法 对于时间序列()构造一秩序 表示第 个样本中 ()的累计数 表达式为:()()在时 间 序 列 独 立 随 机 的 假 定 下()()()()()则统计量 公式定义为:()()()()为标准正态分布 给定显著性水平 若 则表明时间序列存在明显的趋势变化 大于零 表示序列呈上升趋势 小于零表示是下降趋势 将 在时间坐标轴上绘制成一条曲线然后将时间序列逆序排列成 按上述方法制作逆序系列的统计量 曲线对生成的 系列进行检验 给定显著性水平 在置信区间 的范围内如果两条曲线出现交叉点 则该点对应的时间为序列发生突变的时间点 结果与分析 典型湖泊面积年际变化 个湖泊 年面积趋势变化见表 典型年份湖面面积变化如图 所示表 年湖泊面积趋势变化表湖泊名称平均水体面积/海拔/变化率/(/)变化趋势显著性阿其格库格湖 极显著扩张 阿牙克库木湖 极显著扩张 鲸鱼湖 极显著扩张 阿克萨依湖 极显著扩张 年第 期水利规划与设计水文水资源图 典型年份湖面面积变化图 由图、表 可知 阿牙克库木湖扩张趋势极显著 平均湖面面积为 年 湖面面积从 扩张到 湖面面积扩张率在 个湖泊中增长最大 增长率高达 /从空间变化来看 湖面范围扩张尤其在入湖口处 水体范围显著扩大阿其格库格湖湖面面积呈扩张趋势 从趋势现状变化来看 增长率为 /趋势检验结果显示扩张极显著()平均湖面面积为 年以后湖面面积超过平均湖面面积 最低湖面面积为 最高湖面面积为 从阿其格库格湖典型年份的湖面空间变化来看 空间变化差异性显著 湖面边界整体呈扩张趋势 尤其在湖泊东西两头 湖面水体范围增加显著鲸鱼湖多年湖面面积呈增加趋势 平均值为 年湖泊面积低于平均值 年及以后 鲸鱼湖湖面面积呈显著上升趋势 年最大湖面面积 为 经检验 扩张趋势极显著()增长率为 /从空间变化来看 鲸鱼湖湖面面积显著扩张 水体分布范围空间差异性极为明显 尤其在湖东南处水体分布范围扩张显著阿克萨依湖湖泊面积扩张较为显著 平均湖面面积为 年以前阿克萨依湖湖面面积低于 最低面积出现在 年 为 年开始湖面面积超过 且一直处于上升趋势 年达到最大值 为 整体来看以/的增长率增加 呈极显著的扩张趋势()从空间变化来看 在东南方向入湖口处阿克萨依湖水体范围扩张较为显著 湖面整体增大 年内变化湖泊面积年内变化如图 所示 月尺度湖面面积多年均值和变异系数见表 由图、表 可知 年阿其格库格湖逐 月 湖 面 面 积 呈 线 性 增 加 趋 势 最 小 面 积 最大湖面面积为 异常低值主要出现在冬季月份 这主要是由于该湖泊为高原湖泊主要受冬季冰雪覆盖和冬季湖面结冰等原图 湖泊面积年内变化图水文水资源水利规划与设计 年第 期因 除去异常低值 阿其格库格湖湖面面积呈显著的线 性 增 长 趋 势 年 增 长 率 最 高 在 月 为/最低在 月 为 /从平均值和变异系数来看 月多年湖面面积均值在以上 最大均值在 月为 、月湖面面积变异系数为 、月变异系数分别为 、且 月最大为 从结果可以看出来 夏季月份湖面面积分散程度高 面积变化波动较大 年阿牙克库木湖面积最大出现在 年 月 为 异常低值主要分布在、月 去除异常低值后 月份多年湖面面积变化如图 所示 月尺度湖面面积呈较好的线性增加趋势 月份 月份 为 其他月份 均大于 湖泊年扩张率在 月最高达/、月湖面面积在年左右出现异常低值 月多年湖面面积均值最大为 最小值出现在 月为 月尺度变异系数整体超过 其中 月变异系数最大 年鲸鱼湖最大湖面面积在 年 月 为 异常低值主要分在各个年份的 月 部分异常低值出现在 月份 年以 后 异 常 低 值 在 逐 渐 减 小 保 持 在以上 除了 月湖面面积呈减少趋势外 月和 月湖面面积均呈增加趋势 从表 可知 月湖面面积均值超过 月最小为 月为 月湖面面积变异系数最大为 表明 月鲸鱼湖湖面面积变化波动较大 年阿克萨依湖月尺度面积呈波动增加变化 年 月 波动增加至 年 月的 其中异常低值主要出现在 月份 其中 年各月份值大多低于 年以后 异常低值也逐渐增加 去除 以下的异常低值以后 各月湖面面积在多 年 尺 度 上 呈 增 加 趋 势 月 增 幅 最 大 为/最 小 增 幅 在 月 为 /月份 异常低值较多 主要在 年左右从 表 可 知 月 湖 面 面 积 均 值 最 大 为 最小在 月为 月变异系数大于 湖面面积变化波动较大 多年湖面面积分布较为分散表 月尺度湖面面积多年均值和变异系数湖泊名称月份平均值变异系数阿其格库格湖 月 月 月 月 月 月 阿牙克库木湖 月 月 月 月 月 月 鲸鱼湖 月 月 月 月 月 月 阿克萨依湖 月 月 月 月 月 月 驱动因素分析中昆仑山区湖泊由鲸鱼湖、阿牙克库木湖和阿其格库格湖组成 因此本文将三者作为中昆仑山区湖泊进行讨论 年中昆仑山区湖泊流域的年平均温度呈极显著上升(值为 )年降水量呈不显著减少(值为 )如图 所示 中昆仑山区湖泊流域年平均温度在 之间波动 最高值出现在 年 最低值出现在 年 年间中昆仑山区湖泊流域年平均温度大体呈上升趋势 增幅为 中昆仑山区湖泊流域年降水量 之间波动 最大值出现在 年 最低值出现在 年 年间中昆仑山区湖泊流域年降水量大体呈上升趋势 增幅为 中昆仑山区湖泊流域年平均温度突变点为 年 突变趋势为不显著的突变上升 年降水量突变点为 年 突变趋势 年第 期水利规划与设计水文水资源为不显著的突变增加图 年中昆仑山区气温降水变化如图 所示 年阿克萨依湖流域的年平均温度呈极显著上升(值为 )年降水量呈不显著增加(值为 )阿克萨依湖流域年平均温度在 之间波动 最高值出现在 年 最低值出现在 年 年间阿克萨依湖流域年平均温度大体呈上升趋势 增幅为 阿克萨依湖流域年降水量在 之间波动 最大值出现在 年 最低值出现在 年 年间阿克萨依湖流域年降水量大体呈上升趋势 增幅为 阿克萨依湖流域年平均温度突变点为 年 突变趋势为不显著的突变上升 年降水量突变点为 年 突变趋势为不显著的突变增加如图 所示 年 个湖泊流域的年图 年阿克萨依湖气温降水变化平均温度均呈极显著上升()中昆仑山区湖泊流域和阿克萨依湖流域增幅分别为 和 中昆仑山区湖泊流域和阿克萨依湖流域气温显著突变升高的年份分别为 年和 年 气温多在、年表现出周期性 主周期为 年在 年的周期中 气温的负 正相位变化发生在 年和 年 中昆仑山区湖泊和阿克萨依湖流域气温变化对湖泊面积的影响均为显著()的正向效应(路径系数分别为 、)其中鲸鱼湖和阿克萨依湖的为极显著正向效应()流域年降水量大体均呈上升趋势 增幅均为 不显著突变增加的年份分别为 年和 年 中昆仑山区湖泊在 年和 年表现出周期性 阿克萨依湖在、年表现出周期性 主周期分别为、年 中昆仑山区流域降水在 世纪初之前呈减少趋势 之后呈增加趋势 阿克萨依湖流域降水在 年前呈增加趋势 年呈减少趋势 之后呈增加趋势 降水的变化对山区湖泊面积的影响不显著()甚至存在负向效应 这主要是降雨减弱了气温的正效应引起的如图 所示 存在问题与对策气候变化的负效应在高山湖泊和高原湖泊中逐渐显露 山区湖泊逐年扩张 湖泊扩大导致边界区域发生湖岸所受的水力侵蚀加剧 浅岸的湿地及草场不断被侵蚀、高处的湖岸坍塌并不断向外扩展 甚至危及到西部离湖岸较近的公路 同时大量泥沙、草场营养物质被带入湖中 湖滨区湿地植被退化明显 湖泊水质遭受污染 降水的增长加大了对草场及地表的冲刷 湖区周边草原过度放牧使得土壤的抗侵蚀能力降低 而且过量的带来的超量的排泄物 大量的氮磷和有机营养物质随雨水汇入湖泊 加剧了湖泊富营养化因此在受人类活动较小的高山和高原区 保证不破坏生态环境的前提下 加强湖泊水资源开发与利用 该区域随着气温升高 湖面长期处于扩大趋势也会产生不利的一面 如对周围山体的冲刷容易产生水体富营养化等问题 为了合理利用水资源 合理修建山区水库等 根据水量变化合理调蓄 充分利用湖泊水资源图 湖泊面积驱动因素结构方程模型分析结果(下转第 页)年第 期水利规划与设计水文水资源参考文献 .():.吴家阳 李安强 刘佳明.深圳罗湖中心区排水防涝现状与治理方案研究.水利科技():.焦胜 马伯 黎贝.中国城市内涝成因和防控策略研究进展.生态经济():.赵超辉 万金红 张云霞 等.城市内涝特征、成因及应对研究综述.灾害学():.马超 赵凯 齐文超 等.基于示踪方法的沿海城市内涝防灾方案研究.水资源保护():.杨燕芳.深圳“河流导向”洪涝治理思路变迁与优化策略.水利技术监督():.王雯军 张升堂 张景洲 等.基于 的刚性非淹没植被排列方式对地表水流影响分析.水电能源科学():.朱磊 刘会欣.基于 模型的风暴潮增减水模拟研究:以“”号台风为例.海洋湖沼通报():.:.():.傅春 付耀宗 肖存艳 等.基于 模型的鹰潭市内涝弹性分析.水利水电科技进展():.潘笑文 禹浩 王礼兵 等.基于可变模糊聚类模型的内涝风险分析方法.水利规划与设计():.栾震宇 金秋 赵思远 等.基于 耦合模型的城市内涝模拟.水资源保护():.王登敏 王若飞.深圳市南联第六工业区内涝整治工程研究.水利规划与设计():.胡彩虹 姚依晨 刘成帅 等.降雨雨型对城市内涝的影响.水资源保护():.刘胜 黄铎 陈涛 等.下垫面因素对城市内涝的影响探究:以广州市黄埔区为例.给水排水():.():.():.(上接第 页)结论()近 年来鲸鱼湖、阿牙克库木湖、阿其格库格湖和阿克萨依湖均呈极显著扩张趋势 其中阿牙克库木湖平均湖面面积为 是 个湖泊中最大的 同时其变化率也是最大 山区湖泊是气候变化的前哨 这些湖泊受人类活动的影响较小且多数位于封闭的内流区 对气候与冰冻圈变化的响应极为迅速 是研究圈层相互作用的重要纽带因此 山区湖泊面积可间接反映该区气候的改变()从月尺度来看 鲸鱼湖、阿牙克库木湖、阿其格库格湖和阿克萨依湖面积变异主要发生在 月前 异常低值主要出现在冬季月份 这主要是由于该湖泊为山区湖泊 主要受冬季冰雪覆盖和冬季湖面结冰等原因 除去异常低值 阿其格库格湖湖面面积整体呈显著的线性增长趋势 鲸鱼湖和阿克萨依湖面积整体呈减小趋势 阿牙克库木湖基本维持不变()山区湖泊受人类活动影响极小 由于地理位置等影响 气候变化是山区湖泊变化的主导因素 气温变化对山区湖泊面积的影响均为显著()的正向效应 气温显著升高 冰雪融化导致入湖水量增加而促进湖面面积增大 降水增加则会减弱气温的正效应 因此 山区湖泊需要针对湖水上涨和降水的冲刷对湖岸和土壤造成的损害开展相应的保护措施参考文献 吴智文 春喜 梁文俊 等.我国干旱区湖泊演化研究综述.湿地科学与管理 ():.陈栋栋 赵军.我国西北干旱区湖泊变化时空特征.遥感技术与应用 ():.王玉洁 秦大河.气候变化及人类活动对西北干旱区水资源影响研究综述.气候变化研究进展 ():.姚俊强 陈静.新疆气候水文变化趋势及面临问题思考.冰川冻土 ():.朱刚 高会军 曾光.近 来新疆干旱区湖泊变化及原因分析.干旱区地理():.韩飞 刘铁 黄粤 等.高山湖泊生态系统气候响应研究进展.干旱区地理 ():.庞雪敏 刘华民 刘旭隆 等.近 年岱海湖泊面积动态变化及其驱动力分析.内蒙古大学学报(自然科学版)():.邓亚丽.新疆昆仑山冰川积雪下降对和田对气候变化的响应.中文科技期刊数据库(文摘版)自然科学():.付菊平 米维军 贾海锋 等.喀喇昆仑山地区地表水资源特征及饮用条件.新疆地质 ():.刘建军.南疆地区水资源保障问题和对策分析.水资源开发与管理():.