近40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 841000)

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[1]，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200mm，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[2-3]，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。

1 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[4]，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[5]。

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200～300mm，年平均气温在0℃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0℃，年平均降水量为75mm。入湖河流为依协克帕提河、色斯克亚河。流域内高山发育的冰川有300条，冰川面积338km2，冰储量约38km3。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150mm，年平均气温在0℃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-8℃，年平均降水量25～50mm。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129条，冰川面积为709.1km2，冰储量为136.3km3，冰川融水经地表径流大量补给湖泊。

2 数据及研究方法

2.1 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(Google Earth Engine，GEE)与像素专家引擎(Pixel Information Expert Engine，PIE-Engine)两大遥感大数据与云计算平台提取湖泊月尺度面积。JRC Monthly Water History(V1.3)数据集包含1984—2020年水面的范围和变化的统计数据。该数据集由1984年3月16日—2020年12月31日期间采集的Landsat 5、7和8的4453989个场景生成(时间分辨率：1984年3月—2020年12月，空间分辨率：30m)。本文使用的JRC Monthly Water History(V1.3)数据集包缺失1990年前的数据，为了弥补1990年前的湖泊面积数据，下载1984年后的landsat影像，并对landsat影像中的湖泊采取人工勾画。

(1)

式中，f(x，y)—原始影像；g(x，y)—分割后的影像，其中0代表没有数据；1代表有数据，不是水体；2代表有数据，是水体。

本文基于Sentinel-2卫星影像，利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取特殊日期的湖泊水体面积，并利用大津算法(OTSU)自动阈值分割来消除人工判读阈值产生的主观性偏差。MNDWI指数的计算公式如下：

(2)

式中，MIR—中红外波段；Green—绿波段。

通过计算MNDWI，利用OSTU算法自动识别阈值，进而分割出水体与非水体区域。

2.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall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Xi(i=1，2，……，n)，构造一秩序Sk。Sk表示第i个样本中Xi>Xj(1≤j≤i)的累计数，表达式为：

(3)

则统计量UFk公式定义为：

(4)

UF为标准正态分布，给定显著性水平，若|UFk|>Ua则表明时间序列存在明显的趋势变化，UF大于零，表示序列呈上升趋势，小于零表示是下降趋势。将UF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xn，xn-1，……，x1按上述方法制作逆序系列的统计量UBk曲线。对生成的Uk系列进行检验，给定显著性水平a=0.05，在置信区间|U|≤1.96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。

3 结果与分析

3.1 典型湖泊面积年际变化

4个湖泊1986—2020年面积趋势变化见表1，典型年份湖面面积变化如图1所示。

图1 典型年份湖面面积变化图

表1 1986—2020年湖泊面积趋势变化表

由图1、表1可知，阿牙克库木湖扩张趋势极显著，平均湖面面积为769.79km2。1986—2020年，湖面面积从556.82km2扩张到1062.62km2，湖面面积扩张率在4个湖泊中增长最大，增长率高达17.32km2/a，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7.96km2/a，趋势检验结果显示扩张极显著(p<0.01)。平均湖面面积为444.91km2，2005年以后湖面面积超过平均湖面面积，最低湖面面积为331.43km2，最高湖面面积为588.5km2，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218.94km2，1989—2004年湖泊面积低于平均值，2005年及以后，鲸鱼湖湖面面积呈显著上升趋势，2020年最大湖面面积，为290.9km2。经检验，扩张趋势极显著(p<0.01)，增长率为3.25km2/a，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198.1km2，2005年以前阿克萨依湖湖面面积低于200km2，最低面积出现在2002年，为160.27km2；2006年开始湖面面积超过200km2，且一直处于上升趋势，2020年达到最大值，为238.49km2。整体来看，以3.82km2/a的增长率增加，呈极显著的扩张趋势(p<0.01)。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。

3.2 年内变化

湖泊面积年内变化如图2所示，月尺度湖面面积多年均值和变异系数见表2。

图2 湖泊面积年内变化图

表2 月尺度湖面面积多年均值和变异系数

由图2、表2可知，1987—2020年阿其格库格湖逐月湖面面积呈线性增加趋势最小面积65.59km2，最大湖面面积为586.37km2。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7月，为12.27km2/a；最低在5月，为7.86km2/a。从平均值和变异系数来看，5—10月多年湖面面积均值在420km2以上，最大均值在9月为456.12km2；5、9月湖面面积变异系数为0.18、0.17；6、7、8、10月变异系数分别为0.21、0.21、0.22、0.20，且8月最大为0.22。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。

1986—2020年阿牙克库木湖面积最大出现在2020年10月，为1011.11km2，异常低值主要分布在3、5、6、11月。去除异常低值后，5—10月份多年湖面面积变化如图2所示，月尺度湖面面积呈较好的线性增加趋势。5—10月份，6月份R2为0.62，其他月份R2均大于0.8；湖泊年扩张率在5月最高达23.68km2/a，5、6、9月湖面面积在2010年左右出现异常低值。8月多年湖面面积均值最大为825.33km2，最小值出现在6月为773.6km2；月尺度变异系数整体超过0.2，其中6月变异系数最大。

1986—2020年鲸鱼湖最大湖面面积在2020年8月，为291.58km2，异常低值主要分在各个年份的3—5月，部分异常低值出现在11月份。2014年以后，异常低值在逐渐减小，保持在100km2以上。除了6月湖面面积呈减少趋势外，5月和7—10月湖面面积均呈增加趋势。从表2可知，6—9月湖面面积均值超过200km2，5月最小为159.26km2，10月为198.94km2；5月湖面面积变异系数最大为0.19，表明5月鲸鱼湖湖面面积变化波动较大。

1990—2020年阿克萨依湖月尺度面积呈波动增加变化，1990年8月17.84km2波动增加至2020年10月的234.74km2。其中异常低值主要出现在3—4月份，其中2002年各月份值大多低于100km2。2013年以后，异常低值也逐渐增加。去除100km2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，7月增幅最大为5.31km2/a，最小增幅在8月，为3.57km2/a。5—7月份，异常低值较多，主要在2005年左右。从表2可知，10月湖面面积均值最大为201.93km2；最小在5月为181.04km2；5—7月变异系数大于0.2，湖面面积变化波动较大，多年湖面面积分布较为分散。

3.3 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。1985—2020年中昆仑山区湖泊流域的年平均温度呈极显著上升(Z值为3.72)，年降水量呈不显著减少(Z值为-0.02)，如图3所示。中昆仑山区湖泊流域年平均温度在-5.55～-4.01℃之间波动，最高值出现在2006年，最低值出现在1985年，36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0.03。中昆仑山区湖泊流域年降水量106.34～236.64mm之间波动，最大值出现在2019年，最低值出现在1994年，36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0.50。中昆仑山区湖泊流域年平均温度突变点为2000年，突变趋势为不显著的突变上升；年降水量突变点为2001年，突变趋势为不显著的突变增加。

图3 1985—2020年中昆仑山区气温降水变化

如图4所示，1985—2020年阿克萨依湖流域的年平均温度呈极显著上升(Z值为4.26)，年降水量呈不显著增加(Z值为1.16)。阿克萨依湖流域年平均温度在-6.08～-8.41℃之间波动，最高值出现在2016年，最低值出现在1989年，36年间阿克萨依湖流域年平均温度大体呈上升趋势，增幅为0.06。阿克萨依湖流域年降水量在5.16～21.65mm之间波动，最大值出现在1987年，最低值出现在2009年，36年间阿克萨依湖流域年降水量大体呈上升趋势，增幅为0.05。阿克萨依湖流域年平均温度突变点为1998年，突变趋势为不显著的突变上升；年降水量突变点为1988年，突变趋势为不显著的突变增加。

图4 1985—2020年阿克萨依湖气温降水变化

如图5所示，1985—2020年4个湖泊流域的年平均温度均呈极显著上升(p<0.001)，中昆仑山区湖泊流域和阿克萨依湖流域增幅分别为0.03和0.06；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2000年和1998年。气温多在17、21年表现出周期性，主周期为21年。在21年的周期中，气温的负-正相位变化发生在2001年和2005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(p<0.05)的正向效应(路径系数分别为0.42、0.58)，其中鲸鱼湖和阿克萨依湖的为极显著正向效应(p<0.001)。表明气温的升高和山区湖泊面积的增加密切相关，2000年左右山区气温显著升高，冰雪融化导致入湖水量增加而促进2010年左右湖面面积增大，也表明湖泊面积对气温变化也有一定的滞后期。

图5 1985—2020年中昆仑山区湖泊和阿克萨依湖气温小波分析

如图6所示，1985—2020年4个湖泊流域的年降水量均呈不显著增加(p>0.1)，流域年降水量大体均呈上升趋势，增幅均为0.05；不显著突变增加的年份分别为2001年和1988年。中昆仑山区湖泊在13年和21年表现出周期性，阿克萨依湖在5、17、21年表现出周期性；主周期分别为6、13、5年。中昆仑山区流域降水在21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1992年前呈增加趋势，1992—2008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(p>0.1)，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7所示。

图6 1985—2020年中昆仑山区湖泊和阿克萨依湖降水小波分析

图7 湖泊面积驱动因素结构方程模型分析结果

4 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[6]，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[7]，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[8]。

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[9]。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[10]。

5 结论

(1)近40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769.79km2，是4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。

(2)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8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。

(3)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(p<0.05)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。