胡尔西别克·孜依纳力， 毋兆鹏,2， 哈孜亚·包浪提将

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054； 2.新疆维吾尔自治区干旱区湖泊环境与资源重点实验室，乌鲁木齐 830054)

0 引言

湖泊是地球五大圈层相互作用的连接点，由于其形成与消失、扩张与收缩引起的生态环境演化过程也必将是全球、区域和局部人类活动与气候事件共同作用的结果[1]。在我国西北部干旱区，脆弱的生态系统更易受到周围环境变化的影响，作为干旱区生态系统完整性的重要指标，湖泊具有特殊的生态和经济意义。但随着这一区域社会经济的迅速发展，河流下游湖泊水域面积急速萎缩、水质恶化，甚至导致湖泊干涸等生态问题日益严重。在此过程中，湖泊水域面积的变化因能直观反映流域自然环境变化而受到了研究人员的广泛关注[2-5]。

新疆玛纳斯河流域位于天山北坡经济带的核心区域，为新疆最大的绿洲农耕区和我国第四大灌溉农业区[6]。近50 a来，随着流域内绿洲迅速扩大，水资源过度开发利用，致使下游尾闾玛纳斯湖因入湖水量锐减而迅速萎缩并干涸。由于该湖既处于准噶尔盆地荒漠生态系统中部，又处于盆地老风口上，湖泊湿地丧失使干涸湖底成为沙尘物源地，在西风影响下给周围生态环境和经济发展带来毁灭性打击。因此，玛纳斯湖水域面积减小而引起的区域性生态环境问题，已成为当前丝绸之路经济带核心区建设前提下关系到新疆社会经济可持续发展全局的紧迫问题。

1 研究区概况

玛纳斯湖地处新疆伊犁哈萨克自治州和布克赛尔蒙古自治县南部，克拉玛依市东部，准噶尔拗陷内，位于N 45°40′～45°57′，E 85°4 0′～86°15′之间，又名阿兰诺尔、阿雅尔诺尔、伊赫哈克明湖。湖长为51 km，最大宽度为15.2 km，文献记载玛纳斯湖最大水域面积出现在20世纪50年代，达550 km2[7]。湖区属温带干旱气候，年平均气温为8.8 ℃，1月平均气温为-20 ℃，极端最低气温为-38.0 ℃； 7月平均气温为25.6 ℃，极端最高气温为42.0 ℃。研究区年日照时数为2 742.2 h，无霜期为174 d； 年均降水量为63.7 mm，蒸发量为3 110.5 mm，相对湿度为48%。盛行西北风，年均风速为3.3 m/s。研究区位置如图1所示。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

2 数据来源及研究方法

2.1 数据获取

选取Landsat MSS，TM，ETM+和OLI系列8期遥感影像作为主要的数据源(表1)，数据条件为研究区域范围内无云雾等影响。利用ENVI4.8对遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何精校正、图像镶嵌和图像裁剪等预处理工作。其中2003年5月31日以后的Landsat7卫星ETM+数据存在条带噪声影响，对2003年，2006年和2008年的ETM+数据进行了修复。由于研究区景观类型比较单一，大部分区域以湖泊和裸地为主，所以修复后对研究结果影响不大，可以满足实际应用要求。气象数据取自中国气象科学数据共享服务网，社会、经济和人口等数据来自新疆统计年鉴和相关政府公报。

表1 遥感影像数据源Tab.1 Remote sensing images

2.2 水体信息提取

玛纳斯湖为咸水湖，湖水盐度高，表面及周围存在盐沼与盐壳，其边界在遥感影像上并不明显，若仅通过水体指数(normalized difference water index，NDWI)和改进的归一化水体指数(modified normalized difference water index，MNDWI)提取研究区水域面积，可能无法抑制与水体无关的背景信息，会造成检测结果不精确。

在遥感水体边界识别中，水体界线一般通过遥感影像的近红外波段来确定，在光谱波段值上，玛纳斯湖区遥感影像的每个波段都出现了水体与湖边盐壳的突变，易于识别水体与盐壳的界线； 在Landsat TM/ETM+数据的B4，B5，B7和Landsat8 OLI数据的B5—B7波段均出现了滩地与水体的突变，有助于正确识别水体与滩地界线(图2)。

(a) 2011年Landsat TM近红外波段灰度影像 (b) 2011年Landsat TM数据

(c) 2003年Landsat ETM+数据 (d) 2013年Landsat8 OLI数据

图2遥感数据的波段突变曲线

Fig.2Bandcatastrophecurveofremotesensingimages

从图2可以看出，Landsat TM和ETM+遥感影像中除了B4波段以外，其他波段水体与盐壳之间没有明显的突变，因此归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)能更有效地识别湖泊水体与盐壳和盐沼的界线。Landsat8 OLI影像中在B5波段水体与盐壳、滩地之间的突变更为明显，结果表明其近红外波段最适合识别OLI影像水体与盐壳、滩地的界线。首先，对1972—2011年间遥感影像利用NDVI指数提取水体，对2013年和2014年的遥感影像借助近红外波段(B5波段)利用单波段灰度阈值法[8]进行水体检测(表2)； 然后，结合人工目视解译对检测结果进行修正； 最后，对检测结果进行面积计算(图3)。

表2 遥感影像波段阈值范围Tab.2 Bands threshold range of remote sensing images

(a) 19720901 (b) 20000706(c) 20030731(d) 20060605

(e) 20080610 (f) 20110713(g) 20130702(h) 20140721

图3玛纳斯湖水域面积时空变化

Fig.3SpatialevolutioninManasLake

3 结果与分析

3.1 玛纳斯湖水域面积时空变化

利用8期遥感影像检测的结果表明，玛纳斯湖近40 a间水域面积变化可分为3个阶段(图4)。

第一阶段是从20世纪70年代至1999年，表现为湖泊迅速萎缩并干涸。1972年玛纳斯湖水域面积为9.41 km2； 从1973—1999年长达26 a间玛纳斯湖为干涸状态。

第二阶段是2000—2008年间，表现为湖泊迅速增大后开始递减。从1999年开始玛纳斯湖水域恢复，2000年湖泊水域面积达248.69 km2，2000年以后玛纳斯湖水域面积开始萎缩，2003年，2006年和2008年分别为199.91 km2，73.51 km2和5.15 km2。

第三阶段是从2009年至今，表现为水域面积呈现波动性变化。2009—2010年间湖水干涸，2011年湖水又得到恢复，水域面积为243.48 km2。从2013年开始玛纳斯湖再次出现水域面积减小的情况，2013年和2014年的水域面积分别为108.12 km2和5.48 km2，2015年玛纳斯湖已经干涸，形成盐沼和盐壳为主的景观。因此，推测玛纳斯湖在近几十a来，已演变成为间歇性湖泊，当洪水期或补给河流中上游水量富余时，该湖可被水充填，但水面很浅，周期大约3～4 a。

重心点是研究物体运动变化的一个重要指标。通过采用重心点转移模型来研究不同时期湖泊的空间变化，既可以反映湖泊水域面积在空间上的均势程度，还可以说明湖泊水域在空间上的扩张或退缩情况。利用湖泊重心转移模型[9]对玛纳斯湖进行研究，模型表达式为

(1)

(2)

式中：Xt和Yt分别为第t年湖泊分布重心的经纬度坐标；Cti为第t年第i个湖泊水域的面积；Xi和Yi分别为第i个湖泊水域的经纬度坐标。玛纳斯湖重心位移结果如图5所示。

图5 玛纳斯湖重心位移Fig.5 Lake center migration of Manas Lake

从图5可以发现，在1972—2014年近40 a间，玛纳斯湖水域重心主要往西南方向偏移。其中除1972年和水域面积较大的2000年、2011年湖泊重心点在湖盆的东北部分外，在其他研究时期，玛纳斯湖重心由于水域面积的缩小和修建于干涸湖盆上盐场的不断扩大而一直往西南方向转移。

3.2 湖泊水域面积变化分析

为了更好地描述不同时期湖泊水域面积的变化程度,引入了变化幅度指数(R)和动态度指数(Rs)[10]。R主要用以反映水域面积变化总态势，Rs则用以进一步表达一定时间内湖泊面积变化的速度，其表达式分别为

R=(Ub-Ua)/Ua×100%,

(3)

Rs=(Ub-Ua)/UaT×100%,

(4)

式中：Ua和Ub分别为研究初期和末期水域面积；T为研究时间段。近40 a间研究区湖泊水域面积变化幅度和动态度的计算结果如表3所示。

表3 玛纳斯湖水域面积变化、变化幅度和动态度Tab.3 Area change and change extent of waterarea of Manas Lake

玛纳斯湖水域面积呈现明显“增加—减小—增加—减小”变化态势。其中1972—2000年间，变化幅度为2 542.83%，这主要是由于1999年玛纳斯河上游水库溃坝，大量洪水流入湖泊后[11]，水域面积得到了大幅增长，使得玛纳斯湖水域面积的变化幅度发生了研究期间的第一次突变，水域面积也达到了有记录以来的第二次高点(248.69 km2)。2000—2008年间，玛纳斯湖水域面积保持着持续减小的趋势，至2008年，已有92.99%水域面积干涸，在此时间段内年均减少幅度为24.70%。2008—2011年间，玛纳斯湖水域面积出现了研究期间第二次突变，变化幅度高达4 627.77%，其原因依然是由于2010年8—9月间玛纳斯河流域中上游遭遇洪水灾害，水库向下游大量放水所致，这也使得玛纳斯湖重新得到了恢复，水域面积达到了有记录以来的第三次高点(243.48 km2)。2011—2014年间，玛纳斯湖水域面积又开始出现减幅趋势。但对比2000—2008年间，在此时间段内年均减少幅度为61.36%，远高于前者的年均减少幅度，且仅在2013—2014年1 a间就有94.93%水域面积消失，表明在此时间段玛纳斯湖萎缩态势较之以前呈现明显加剧。从1972—2014年间总体上看，玛纳斯湖有99.44%的水域面积发生过干涸，几乎经历了再生湖的过程。

4 湖泊水域面积变化驱动因素分析

4.1 自然因素

众多干旱区气候的近期研究结果表明，干旱区气候正在由暖干转向暖湿[12]。玛纳斯湖所处的流域也同样经历着这种气候转型，即在温度持续升高的影响下降水与蒸发均出现增加，并由此导致冰川消融加快，河川径流量增加，玛纳斯河上游肯斯瓦特水文站的年径流量从1954年的9.8×108m3增长到2010年的16.61×108m3也证明了这一点(图6)。

图6 玛纳斯河肯斯瓦特水文站年径流量Fig.6 Runoff volume of Kensiwate hydrological station

但作为尾闾湖的玛纳斯湖却与此相反，近40 a间水域面积不仅没有增长和保持，却不断萎缩，并多次出现干涸。采用相关分析法分析水域面积与气温、降水及蒸发的相关关系。与气温、降水量呈正相关，相关系数分别为0.211和0.563，与蒸发量呈负相关(-0.287)， 但相关性均不显著。

然而，研究表明自20世纪80年代中期以来，新疆极端气候事件频繁发生，暴雨及其导致的洪灾呈上升趋势[13]。受此影响，玛纳斯河流域的夏季洪水，尤其是超标准洪水(超过多年最大洪峰流量平均值的洪水)的发生频率也不断增多，玛纳斯河多年最大洪峰流量平均值为369.4 m3·s-1[14]，玛纳斯河极值洪峰流量如图7所示。

图7 玛纳斯河极值洪峰流量Fig.7 Maximum runoff of Manas River

由图7可以看出，以1993年为界，之前的21 a间只出现2次超标准洪水，而之后的17 a间就出现有12次超标准洪水，且无论从频次还是规模上，后者都远大于前者。对比玛纳斯湖水域面积变化，2000年和2011年出现的2次峰值，原因皆是由于1999年和2010年8—9月份玛纳斯河流域中上游发生的特大洪水灾害。由此可以认为，在仅考虑自然因素的前提下，玛纳斯湖水域面积变化与气温和降水的关系并不密切，但与极端高温和降水天气引起的超标准洪水关系密切。

4.2 人文因素

玛纳斯河流域主要包括玛纳斯县、沙湾县、石河子市以及兵团农8师的部分团场。1970年流域内只有28.95万人，2014年底流域内总人口则达到了103.43万人(图8)。

图8 玛纳斯河流域1970—2014年间人口数量和GDP变化Fig.8 Changes of population and GDP in Manas River basin from 1970 to 2014

该流域国内生产总值从1970年的0.51亿元增长到2014年的559.4亿元，流域内耕地面积持续增加，从1960年的1 882.25 km2、占流域总面积的13.85%，增长到2014 年的6 532.84 km2、占流域总面积的48.07%，人工干渠和支渠总长度分别由1976年的920 km和722 km增长到2014年的1 170 km和1 260 km。根据2014年统计数据，该流域内第一、第二和第三产业的增加值分别为206亿元、195亿元和153亿元，3种产业结构比为37∶35∶28，流域内主导经济为农业。而由玛纳斯河多年放水统计资料提供的流量及沿河各灌区引水分配情况来看，玛纳斯河水绝大部分被人工利用，剩余水量按70%的河道损耗并考虑蒸发、下渗因素，理论上平均每年补给玛纳斯湖的径流量不足0.4×108m3，引水后的玛纳斯河水对湖泊的贡献微乎其微。因此，随着天山北坡经济带的发展、人口的增多和城市化趋势的日益增长，玛纳斯河流域中上游天然河网多数已被人工河网替代，流域土地被开垦为农业用地，发展灌溉农业，最终导致玛纳斯河下游断流，从而无水补给玛纳斯湖。

5 结论与讨论

1)根据遥感数据分析，玛纳斯湖近40 a间水域面积变化可分为3个阶段： 第一阶段是从20世纪70年代至1999年，表现为湖泊迅速萎缩并干涸的逆向演化； 第二阶段是2000—2008年间，表现为湖泊迅速恢复的正向演化后再次进入逆向递减； 第三阶段是从2009年至今，表现为水域波动性变化周期。根据面积变化幅度和动态度的计算表明，玛纳斯湖水域面积的退缩周期在缩短，退缩速度在加快。

2)近40 a间，玛纳斯湖水域面积的变化趋势与玛纳斯河水量的变化趋势不一致，表明玛纳斯湖水域面积变化整体受气候变化的影响不大，但与极端高温和降水天气引起的超标准洪水关系密切。

3)流域内人类活动依然是玛纳斯湖演化的主要原因，并且受此影响，使得玛纳斯河上游对下游及玛纳斯湖的供给水资源功能不断下降。同时，玛纳斯湖水域重心不断往西南方向偏移，也是由于1958年在湖盆上建设盐场，担负着新疆重要的原盐及食盐生产供应重任，其盐场面积的不断扩张打破了玛纳斯湖原有的重心位置范围，从而进一步加剧了玛纳斯湖萎缩的局面。

4)在内陆干旱区，由于大量人工渠网修建及流域水量不合理分配和使用而导致的下游湖泊萎缩、干涸，必将引起很多甚至是毁灭性的环境问题。玛纳斯湖地处主要风口上，干涸的湖底则更容易成为沙尘起源地。因此，进一步研究准噶尔盆地内湖泊变化与流域水资源优化调控，对改善湖泊生态环境、协调湖泊流域可持续发展及支撑丝绸之路经济带核心区建设等方面具有重要的生态意义。

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