巴尔喀什湖近30余年动态变化遥感监测与分析

高彦华　王洪亮　周　旭　周春艳　杨　旻

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京　100094；2.国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京　100101；

3.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京　100083；4.国家基础地理信息中心，北京　100830)



巴尔喀什湖近30余年动态变化遥感监测与分析

高彦华1，2王洪亮3周旭4周春艳1，2杨旻1，2

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094；2.国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京100101；

3.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083；4.国家基础地理信息中心，北京100830)

【摘要】20世纪中后期，伊犁—巴尔喀什湖流域由于气候变化和人类活动影响加剧，生态问题日益突出，其中巴尔喀什湖的水量、水质都受到了不同程度的影响，成为中哈两国关注的焦点。本文运用遥感技术，监测巴尔喀什湖自1977年以来面积及湖岸的动态变化，并分析巴尔喀什湖近三十余年变化的主要原因。监测与分析结果表明：自1977年以来巴尔喀什湖面积呈现明显萎缩后略有恢复的变化过程。1977年到1998年的21年间湖面萎缩明显，共减少594km2，平均每年减少约28.3km2。1998年后湖面积有所回升，但至今湖面积相较1977年仍减少279km2。面积变化原因分析表明，巴尔喀什湖面积变化受全球气候变化和人类活动的双重影响。区域气候变化对湖面积变化存在一定影响，而人类活动的影响，加剧了巴尔喀什湖水位的变化过程。此外，湖岸变化的监测结果表明，湖面西部有向北推移的趋势，主要是由于伊犁河由南面汇入巴尔喀什湖西部，带来大量泥沙淤积，使西部湖面向北推进。东部主要由其他河流补给，湖面萎缩较明显。

【关键词】巴尔喀什湖；遥感监测；动态变化

1引言

巴尔喀什湖位于哈萨克斯坦共和国东南部，流域面积达41.3×104km2，其中85%的面积在哈萨克斯坦境内，15%在中国境内[1]。巴尔喀什湖作为中亚地区最大的内陆湖泊，在中亚的气候调节中起着重要作用。巴尔喀什湖是流域各河流的尾闾湖，最重要的补给源为伊犁河，湖水位变化主要取决于伊犁河入湖水量的变化。伊犁河是流经中国和哈萨克斯坦两国的国际性内陆河，其上游位于我国境内，从南面注入巴尔喀什湖的西半部，入湖水量占总入湖水量的78.4%[2]。伊犁河-巴尔喀什湖流域是世界上最大的湖泊生态系统之一，生态景观独一无二，湖水位作为巴尔喀什湖流域生态系统及其保护的主要指标，备受世人关注[3]。20世纪中后期，由于受到气候变化以及人类活动的影响，巴尔喀什湖水位下降迅速，引发了一系列的生态问题，三角洲生态环境退化，绿洲面积减少，荒原沙漠面积增加，成为中哈两国关注的焦点。因此，为掌握近30余年巴尔喀什湖动态变化及现状，本文应用遥感技术，对巴尔喀什湖自1977年来湖泊面积变化及周边生态环境现状进行遥感监测。分析影响湖泊面积变化的主要因素，为巴尔喀什湖流域的生态保护提供参考信息和决策支持。

2研究区与数据处理

2.1巴尔喀什湖概况巴尔喀什湖位于哈萨克斯坦共和国东南部，地理位置73°21′～79°30′E，44°45′～46°44′N之间[4]。该湖是一个内陆冰川堰塞湖，世界上第四长湖，总长约600km，最宽处约71km。其入水主要来自于伊犁河，从南面注入巴尔喀什湖的西半部。湖水位变化主要取决于伊犁河入湖水量的变化。湖东部因河流注入较少，加之湖区气候干旱，湖水大量蒸发而使湖水含盐量增多，因而形成了西淡东咸的一湖两水现象。巴尔喀什湖南岸与东岸广泛分布着固定和半固定的沙漠与盐碱地。由于地处欧亚大陆内部，远离海洋，尤其东南缘高山阻隔印度洋、太平洋暖湿气流，因此湖区及周边呈现典型的温带沙漠、草原大陆性气候，湖区年平均降水量约140mm，蒸发量约1000mm，气候较为干旱。因流域内高山山脉和盆地交错分布而构成的山-盆体系的存在，使得高山冰雪融水形成众多河流，流域内主要河流有伊犁河、卡拉塔尔河、列普瑟河、阿克苏河、阿亚古兹河，除伊犁河流入西巴尔喀什湖，其它各河均流入东巴尔喀什湖[4]。

图1　巴尔喀什湖流域水系示意图

2.2数据源

遥感影像数据主要来源于NASA网站，影像数据包括1977年9月的MSS数据(空间分辨率80m)、1990年9月的TM数据(空间分辨率30m)、1998年9月的TM数据、2011年的9月TM数据、以及2014年9月Landsat8的数据(空间分辨率30m)。其中，部分影像因数据质量问题，选取时间上最临近的数据补充。本文用到的气象数据主要来自于巴尔喀什气象站(BALHASH)的温度和降水资料统计而来。

2.3数据处理

对遥感影像数据预处理包括镶嵌、图像配准等。图像配准方法是以2011年的TM影像图为基准图，1977年MSS影像、1990年的TM影像、1998年TM影像、2014年的TM影像为配准图进行图像配准。由于30余年以来巴尔喀什湖湖泊变迁，不同时相的影像景物变化较大，故尽可能选取地物变化不大的标志点，如山脊线转折处、湖中小岛以及湖北岸的工矿厂等标志点。采用三次卷积内插运算对图像进行重采样，完成图像配准，配准误差控制在一个像元之内。在配准好的图像上提取水体。

湖泊面积提取采用基于植被指数提取水体的方法，运用植被指数作为规则集，最大限度的突出植被、水体信息。采用Easy Interpretation面向对象提取的分类软件，新建分类工程，多尺度分割，规则建立以及查看特征值，确定最佳阈值，最后分类信息提取以及数据输出。

图2　不同时期巴尔喀什湖遥感影像图与湖泊提取矢量图

3结果与分析

3.1监测结果

3.1.1巴尔喀什湖面积变化

为掌握近30余年巴尔喀什湖面积的动态变化，基于ArcGIS对输出的湖泊矢量数据进行面积统计(图3)。统计结果表明，巴尔喀什湖面积从1977年至2014年经历了大幅缩减后又有所恢复的过程。从1977年到1998年的21年间湖区面积减少尤为明显，平均每年减少28.3km2。从1998年至2014年的16年间，巴尔喀什湖进入一个丰水期，面积有逐步增加的趋势，但相较于1977年，2014年巴尔喀什湖面积仍缩减了279km2。此外，相关研究资料也显示，研究期内，巴尔喀什湖流域中下游用水量在1990年接近80×108m3，随后呈现15a左右的剧烈下降，自2005年后呈现快速的恢复性增长，2008年巴尔喀什湖流域中下游用水量约65×108m3左右，已逐步恢复到20世纪80年代中期水平[5]。

图3　巴尔喀什湖面积变化图

3.1.2巴尔喀什湖湖岸变化

为监测和掌握巴尔喀什湖湖岸推移或退缩的具体变化情况，围绕湖面四周选取14个岸边参照点(图4)，监测1990年、1998年、2011年、2014年湖岸参照点到湖面最短距离，以1977年参照点到湖岸距离为参考距离，计算各参照点到湖面距离的变化，分析巴尔喀什湖不同位置湖面扩张与萎缩情况。经监测和分析，发现巴尔喀什湖面除局部有扩张的情况外，总体上相较1977年呈萎缩的趋势(图5，正值为湖岸向内萎缩，负值为向外扩张)。同时，需要注意的是，参考点10和11明显萎缩，而参考点12、13、14向外扩张，说明巴尔喀什湖西部湖面有向西北推移的趋势。主要原因在于巴尔喀什湖西部是伊犁河的主要补给区，伊犁河由西南面汇入巴尔喀什湖，带来大量泥沙淤积于入湖区域，使湖面有明显向西北推进的趋势。巴尔喀什湖东部主要由其他河流补给，而东部也是湖面萎缩较明显的区域。

图4　巴尔喀什湖岸边参照点分布图

图5　巴尔喀什湖湖岸动态变化

3.2变化原因分析

3.2.1区域气候变化的影响

为分析区域气候变化对巴尔喀什湖面积变化的影响，以巴尔喀什气象站(BALHASH)的气温与降水数据为基础，分析了巴尔喀什湖区域自1951年来的降水和1973年来气温的变化趋势(数据来源：http：//gis.ncdc.noaa.gov)。分析结果表明，巴尔喀什湖区域多年气温呈逐渐升高的趋势(图6)，同时，为分析区域温度对湖泊面积的影响，并考虑到区域温度对湖泊面积的影响是长期的、滞后的，通常不是实时的，因此，分别提取了1977年、1990年、1998年、2011年、2014年当年与之前2年的(共3年)的年平均气温做了均值，进而分析5个时期区域气温变化与湖泊面积的相关性。图7表明区域气温的变化与巴尔喀什湖面积存在弱的负相关(R2=0.1874)。区域气温升高不是巴尔喀什湖面积变化的主要原因，但可在18.74%的程度上解释巴尔喀什湖面积的萎缩，区域气温升高仅是巴尔喀什湖面积萎缩的原因之一。

图6　巴尔喀什气象站年平均气温变化图

图7　湖面积与气温相关性

此外，巴尔喀什湖区域年降水量较少，多年降水量虽有波动但变化趋势不明显(图8)。巴尔喀什湖区域降水量年际、年内分布不均[6]，巴尔喀什湖流域降水量的年内分布曲线呈双峰型[7]，该地区多雨期一般为春夏交替的4～7月和秋冬交替的10～12月，少雨期一般在夏秋换季的8～9月和冬季的1～2月[8]。为进一步明确巴尔喀什湖区域的降水量对湖泊面积的影响，同时考虑到区域降水量对湖泊面积的影响是长期的、非实时的，因此，分别提取了1977年、1990年、1998年、2011年、2014年当年与之前2年的(共3年)的年降水量做了均值，进而分析5个时期区域降水量变化与湖泊面积的相关性。图9表明区域年降水量的变化与巴尔喀什湖面积没有明显的相关性，因此，区域降水量对巴尔喀什湖面积的影响不显著。原因在于该地区位于沙漠干旱区，降水量偏少，蒸散量大，而且巴尔喀什湖的水来源主要为伊犁河等外部的补给，所以仅有的少量降水显得微不足道。

图8　巴尔喀什站统计的年平均降水量

图9　湖面积与降雨量相关性

3.2.2伊犁河中下游地区土地利用变化的影响

根据相关文献资料，近40年来(1970-2007年)伊犁河中下游地区土地利用变化显著，其中耕地面积变化显著，经历了“增加—减少—增加”的变化过程。1970-1990年伊犁河中下游地区耕地面积增加约6.51×104hm2[9]。灌溉区面积的大量增加，加之在伊犁河中下游、巴尔喀什湖的上游地区建立了大型的水利设施(卡普恰盖水库)，耗水量增长明显，期间属于巴尔喀什湖区的枯水期。这也是导致1977年至1998年期间巴尔喀什湖湖区大面积萎靡的主要原因。1990-2000年，该区域土地利用面积变化最大的是耕地和低覆盖度林草地，其中耕地减少10.6×104hm2，低覆盖度林草地增加11.2×104hm2。2000-2007年间，耕地已开始缓慢增加，但2007年耕地规模还未超过规模最高的20世纪90年代[9]。相关研究也表明，九十年代后随着苏联的解体、哈萨克斯坦经济衰退，农业灌溉面积减少[10]，加之丰水期的到来，降雨量相对增多，湖区面积有所增加。因此，本文遥感监测的巴尔喀什湖面积变化，与伊犁河中下游地区土地利用面积变化，尤其是耕地面积的变化过程存在很大的相关性。

3.2.3伊犁河流域水利设施建设的影响

中国境内的伊犁河段地处我国新疆的西北部。从中国方面来看，新疆地区极为缺水，伊犁河与额尔齐斯河作为新疆最大的两条河流，是当地社会经济生活中的基础资源和重要枢纽。伊犁河和额尔齐斯河的多年平均地表径流量占全疆地表径流总量的1/3，出、入境河川径流量分别占全疆国际河流总出、入境量的91.3%和27.2%。其次，长期以来我国西北地区国际河流总体处于待开发的状态，新疆国际河流水资源利用不到地表径流量的1/4，远远低于新疆地区其它任何非国际河流[12]。从20世纪90年代开始，为了加快新疆地区经济发展，改善地区供水、用水分布，新疆就在北部地区正式启动了相关调水工程建设，主要是对伊犁河与额尔齐斯河的开发。根据近几年统计数据，新疆的水利投资和建设都有大幅度增长，农田灌溉面积每年增加，2008-2010年连续三年实现粮食丰收增产，到2007年建成大中小水库达到492个，合计库容860013万m3[13]。但自20世纪90年代中国开始修建水利设施以来，却是巴尔喀什湖面积逐渐恢复增加的阶段。相较中下游，伊犁河上游水资源开发利用有限，对下游影响不大，因此，中方对巴尔喀什湖面积变化的影响不明显。

图10　伊犁河水系示意图

伊犁河中下游处于哈萨克斯坦境内，伊犁河流域著名的卡普恰盖水库位于阿拉木图境内，地处伊犁河中下游、巴尔喀什湖的上游，于70年代建成投入使用，面积1850平方公里，水库总库容281.4亿m3，库长180km，最大宽度为22km，平均深度为15.2m，最大深度为45m，水位变幅约为4m，水电站总装机容量43.2万千瓦。阿拉木图农业灌溉和城市工业、生活用水极大依赖于水库及上游供水，水库的建成也为农业灌溉面积的增加奠定了基础。同时，卡普恰盖水库每年会耗掉大量蒸散。根据相关资料，1970年至1990年的20年间，三角洲湿地面积减少1/3，珍稀动物急剧减少，给三角洲生态和生物多样性造成了严重的破坏。该时间段也是巴尔喀什湖严重萎缩的时期，因此，70年代至90年代巴尔喀什湖的变化以及三角洲的变化与卡普恰盖水库的影响是分不开的。

4结论

以巴尔喀什湖1977年、1990年、1998年、2011年、2014年为时间序列的遥感影像为数据源，对湖泊面积进行提取，并分析其面积变化的原因。得到的主要结论如下：

(1)巴尔喀什湖面积从1977至今，除局部有扩张的情况外，总体上相较1977年呈萎缩的趋势。1977年到1998年的21年间湖面萎缩明显，共减少594km2，平均每年减少约28.3km2。1998年后湖面积有所回升，但至今湖面积相较1977年仍减少279km2。湖面西部有向北推移的趋势，主要是由于伊犁河由南面汇入巴尔喀什湖西部，带来大量泥沙淤积，使西部湖面向北推进。东部主要由其他河流补给，湖面萎缩较明显。

(2)巴尔喀什湖面积变化受全球气候变化和人类活动的双重影响。区域气候变化对湖面积变化存在一定影响，而人类活动的影响，加剧了巴尔喀什湖水位的变化过程。巴尔喀什湖区域多年气温呈升高的趋势，降水量较少，气温升高是巴尔喀什湖面积萎缩的原因之一。

(3)整个伊犁河流域30年以来耕地面积变化经历了“增加-减少-恢复性增长”的过程，其中哈方在伊犁河中下游地区农业开发、水库工程建设等活动对湖面积变化的影响尤为明显，是导致1977年至1998年湖面大面积萎缩的主要原因。九十年代后，随着苏联的解体、哈萨克斯坦经济衰退，农业灌溉面积减少，加之丰水期的到来，降雨量相对增多，湖区面积有所增加。

(4)近年来随着伊犁河流域水资源开发不断推进，伊犁河流域生态环境压力不断加大，有必要进一步利用天地一体化技术手段，对流域开发状况及其影响进行持续的遥感监测与评估，为伊犁河流域生态环境健康与管理提供技术支持。

参考文献：

[1]付颖昕，杨恕.苏联时期哈萨克斯坦伊犁-巴尔喀什湖流域开发述评[J].兰州大学学报(社会科学版)，2009，37(4)：16-24.

[2]肖婷婷，夏自强，郭利丹，等.巴尔喀什湖流域1936-2005年气温特征[J].河海大学学报(自然科学版)，2011，39(4)：391-396.

[3]龙爱华，邓铭江，谢蕾，王姣妍，李湘权.巴尔喀什湖水量平衡研究，冰川冻土，2011，33(6)：1341-1352.

[4]王姣妍，龙爱华，邓铭江，李湘权，谢蕾.巴尔喀什湖分湖水平衡及其影响与优化保护研究，冰川冻土，2011，33(6)：1353-1362.

[5]雪克来提·巴斯托夫，龙爱华，邓铭江，李湘权，章毅.基于Google Earth的巴尔喀什湖流域中下游水资源开发利用研究，干旱区地理，2012，35(3)：388-398.

[6]周文婧，夏自强，黄峰，陈起川，赵萍.巴尔喀什湖流域降水量及其年内分配的变化特征，水电能源科学，2013，31(6)：10-13.

[7]叶玮，袁玉江.新疆伊犁地区现代气候特征与300a 来的干湿变化规律[J].中国沙漠，1999，19(2)：97-103.

[8]郭利丹，夏自强，李捷，唐志坚.巴尔喀什湖流域气候变化特征分析，河海大学学报(自然科学版)，2008，36(3)：316-321.

[9]朱磊，罗格平，陈曦，许文强，冯异星，郑青华，王继燕，周德成，尹昌应.伊犁河中下游近40年土地利用与覆被变化，地理科学进展，2010，29(3)：292-300.

[10]郭利丹.咸海与巴尔喀什湖水文变化与环境效应的对比[A].水科学发展，2011，22(6)：765-770.

[11]董文福.伊犁河流域的水电开发与环境保护，干旱环境监测，2012，26(2)：115-117.

[12]张健荣.由新疆国际河流水利开发引发的思考[J].社会观察，2007(11)：18.

[13]中国水利部发展研究中心.2007年已建成水库[EB/OL].(2008-11-19) [2011-01-10]. http：//www.waterinfo.com.cn/ sltj/Document/49149/49149.html

Remote Sensing Monitoring and Analyses of the Dynamic

Change of Balkhash Lake in the last 30 years

GAO Yanhua1，2WANG Hongliang3ZHOU Xu4ZHOU Chunyan1，2YANG Min1，2

(1.Satellite Environment Center，Ministry of Environment Protection，Beijing 100094，China；

2.Key Laboratory of Satellite Environment Remote Sensing，Ministry of Environment Protection，Beijing 100101，China；

3.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；

4.National Geomatics Center of China，Beijing 100830，China)

Abstract：At the end of 20th century，as a result of the increasing influence of global climate changes and human activities on Yili-Balkhash basin，ecological problems have become increasingly prominent. Both the quantity and the quality of lakes' water resources are being threatened in different degrees，which have become the focus of attention both in China and Kazakhstan.This paper strives to monitor the dynamic changes of area and shoreline of Lake Balkhash since 1977 with the use of satellite remote sensing technology，and analyze reasons which lead to those changes over the 30s years.The results of monitoring and analysis showed that the area of Lake Balkhash experienced a large decrease and then a slow recovery.Area of Lake Balkhash shrank apparently during 1977 and 1998，which decreased 594km2in total and the annual average deduction was about 28.3km2. Area of the lake increased a bit after 1998，however it was still 279km2less than that in 1977.Analysis of the changes indicated that double factors of human activities and climate changes both of them made a great influence on the changes.Regional climate change had an influence on the changes of area of the lake，in the mean time，human activities aggravated the fall of water level of Lake Balkhash.In addition，the result of monitoring on the shoreline showed that the west of the lake had a northward tendency.Because of the water of Yili river pours into south of Lake Balkhash，and it brings a lot of silt，and causes northward of south shoreline.East of the lake clearly shrank which is fed by other rivers.

Keywords：Lake Balkhash；Remote Sensing monitoring；Dynamic Change

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)01-0102-05

作者简介：高彦华，博士后，高级工程师，主要从事生态环境遥感方面研究

项目资助：863项目“全球变化敏感区生态环境要素监测与评估技术”资助

引用文献格式：高彦华等.巴尔喀什湖近30余年动态变化遥感监测与分析[J].环境与可持续发展，2016，41(1)：102-106.