塔里木河下游應(yīng)急輸水前后生態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)分析

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1、塔里木河概況

　　塔里木河（以下簡(jiǎn)稱塔河）是我國(guó)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河，從它的源頭葉爾羌河算起，全長(zhǎng)2300km.主要支流阿克蘇河、葉爾羌河、和田河匯合于肖夾克，肖夾克以下到臺(tái)特瑪湖為塔河干流，總長(zhǎng)1321km[1].從阿拉爾至英巴扎為上游，長(zhǎng)度447km；英巴扎至卡拉為中游，長(zhǎng)度398km；卡拉至臺(tái)特瑪湖為下游，長(zhǎng)度428km.塔河在卡拉以上的上中游河段，大體上沿著塔克拉瑪干大沙漠的北部，由西向東；在卡拉以下的下游河段，則是沿著塔克拉瑪干大沙漠的東邊，由北向南，成為塔克拉瑪干與其東的庫(kù)木塔格大沙漠的分界線。

　　塔河干流兩岸并不產(chǎn)水，其水源完全來自發(fā)源于四周山區(qū)的各支流。據(jù)1981-1993年的水文資料，塔河在阿拉爾站的年均水量是42.99億m³，其中阿克蘇河提供33.58億m³，葉爾羌河0.23億m³，和田河9.18億m³.另外從孔雀河引入2.12億m³，因此塔河干流的總水量為45.11億m³[2].

　　2、塔河下游應(yīng)急輸水

　　塔河兩岸過去沒有農(nóng)田，盛長(zhǎng)胡楊、枝柳和草甸，形成喬灌草的綠色植被帶，是塔里木盆地四周人工綠洲的生態(tài)屏障，下游的南北向河道兩岸更是分隔塔克拉瑪干和庫(kù)木塔格兩大沙漠的綠色走廊。沿岸分布著8個(gè)縣市十多個(gè)團(tuán)場(chǎng)，養(yǎng)育了新疆總?cè)丝诘?4％。隨著人類活動(dòng)的加劇及水資源的過度利用，自20世紀(jì)50年代以來，雖然各支流的天然來水沒有減少，但由于源流區(qū)和干流上中游的用水不斷增加，塔河在卡拉下泄的水量，從12億m³（1957～1967）逐步減少到2.7億m³（1986～1995）。塔河最終從它的歸宿臺(tái)特瑪湖萎縮到了現(xiàn)在的大西海子水庫(kù)，塔河下游大西海子水庫(kù)以下河道于1972年斷流，臺(tái)特瑪湖于1974年干涸，下游320km河道由此消失。

　　伴隨著塔河的萎縮，河水的減少，斷流正改變著塔河流域特別是下游的生態(tài)環(huán)境。目前上游依靠攔截塔河的大閘，將塔河來水幾乎全部引入水庫(kù)，又從孔雀河修渠引水接濟(jì)，才得勉強(qiáng)維持，即使這樣，水源仍不能得到保證，而且受下游地區(qū)的沙化威脅，生態(tài)環(huán)境日益惡化，植被衰退、土地鹽堿化、沙塵肆虐、少雨干旱、沙進(jìn)人退。生態(tài)惡化的持續(xù)已經(jīng)引起了國(guó)家和新疆維吾爾自治區(qū)政府的高度重視，從1999年開始實(shí)施治理塔河的一系列重大項(xiàng)目，解決水資源的問題是搶救塔河下游不斷惡化生態(tài)的根本所在。

　　1998年以來，博斯騰湖源流開都河來水一直偏豐，使得博斯騰湖水位長(zhǎng)期居高不下，在湖水位不斷升高的同時(shí)，湖面面積也在不斷擴(kuò)大，最大時(shí)增至1700多km²，周圍及孔雀河沿岸部分地區(qū)不同程度的存在著防洪安全隱患，一部分沿湖地帶常被湖水淹沒。而為搶救塔河下游綠色走廊和生態(tài)系統(tǒng)正愁找不到水源，20世紀(jì)80年代以來為解決兵團(tuán)幾個(gè)團(tuán)場(chǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉問題，建成了連通孔雀河和塔河干流的庫(kù)塔干渠，這使得向塔河下游應(yīng)急輸水在水源和工程設(shè)施方面都成為可能。從2000年5月中旬開始到2003年6月，新疆自治區(qū)連續(xù)5次將博斯騰湖水引入塔河下游河道內(nèi)（5次輸水的詳細(xì)資料見表1）。

　　表1　塔河5次應(yīng)急輸水一覽

次號(hào)　 輸水開始時(shí)間　 輸水結(jié)束時(shí)間　 輸水量/億m³　 輸水至大西海子以下距離/km　 臺(tái)特瑪湖水面面積/km²　 第一次　 2000年5月　 2000年7月　 1.0　 102　 　　 第二次　 2000年11月　 2001年2月　 2.27　 216　 　　 第三次　 2001年4月　 2001年11月　 4.0　 360（至臺(tái)特瑪湖）　 10　 第四次　 2002年6月　 2002年11月　 3.3　 360（至臺(tái)特瑪湖）　 30　 第五次　 2003年3月　 2003年6月　 3.3　 360（至臺(tái)特瑪湖）　 280　

　　3、生態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)分析

　　利用遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行流域下游生態(tài)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)非常必要，通過衛(wèi)星遙感手段提供準(zhǔn)確的流域生態(tài)本底數(shù)據(jù)不僅事半功倍、快速有效，而且在一些無資料地區(qū)，對(duì)于大范圍的變化監(jiān)測(cè)又是不可替代的。為了解輸水效果及其對(duì)塔河下游的生態(tài)影響，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院遙感技術(shù)應(yīng)用中心針對(duì)連續(xù)3年的5次應(yīng)急輸水，通過地面實(shí)地調(diào)查并結(jié)合遙感信息資料的分析應(yīng)用，研究了塔河應(yīng)急輸水，恢復(fù)下游河道以后生態(tài)改善狀況的變化。

　　研究資料主要包括Landsat7-ETM全波段圖像和中巴資源衛(wèi)星圖像。選取1999年、2001年和2003年7月3個(gè)時(shí)相的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中1999年代表應(yīng)急輸水前的情況，2001年代表輸水過程中應(yīng)急輸水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，2003年代表輸水一段時(shí)間后（3年后）生態(tài)環(huán)境的情況。由于2003年5月，Landsat衛(wèi)星7號(hào)星發(fā)生故障，不能接收?qǐng)D像，所以2003年的圖像選用中巴資源衛(wèi)星代替。

　　合成后的三幅假彩色影像一方面反映出在應(yīng)急輸水工程實(shí)施后，塔河干流下游河道兩側(cè)植被有所改善。另一方面，從2003年的影像上可以明顯看出在部分原先干涸的河道中已經(jīng)有水，沿河兩側(cè)也出現(xiàn)了很多大小不一的湖泊，反映了河流生態(tài)的變化。除了通過宏觀上定性的觀察以外，通過遙感影像的解譯結(jié)果和植被指數(shù)等來定量探討應(yīng)急輸水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

　　3.1　影像解譯和分類　根據(jù)衛(wèi)星遙感TM影像，進(jìn)行土地利用分類解譯，分類包括：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地。其中林地包括有林地、灌木林和疏林地，草地包括高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地，水域包括河渠、湖泊和水庫(kù)，未利用土地包括沙地、戈壁等。

　　考慮到輸水影響范圍有限，經(jīng)過充分分析，提取從大西海子到臺(tái)特瑪湖之間的塔河干流，然后作緩沖區(qū)分析，將其兩側(cè)各10km的范圍作為影像解譯的區(qū)間，解譯結(jié)果形成專題圖。從分類圖可以看出，2001年與1999年的遙感影像相比，林地和草地的面積整體上變化不大，但沿著河道兩側(cè)局部范圍內(nèi)的林地面積有所增大（即局部綠色部分增多），2003年與2001年的遙感影像相比，林地和草地的面積整體上變化也不大，沿著河道兩側(cè)局部范圍內(nèi)的林地面積增加更為明顯。

　　根據(jù)圖1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到3個(gè)時(shí)相土地分類面積（表2），從中可以看出面積的變化，在塔河干流實(shí)施應(yīng)急工程輸水后生態(tài)環(huán)境有所改善，如輸水處下游河道兩側(cè)10km范圍內(nèi)灌木林面積1999年為25.0km²，2001年增加到34.9km²，2003年增加到44.5km²，疏林地面積1999年為128.2km²，2001年增加到130.7km²，2003年增加到181.7km².

表2　3個(gè)時(shí)相土地分類面積變化（單位：km²）
 

類型　 1999年　 2001年　 2003年　 類型　 1999年　 2001年　 2003年　 旱地　 5.59　 5.59　 5.34　 河渠　 1.32　 1.32　 6.50　 有林地　 10.04　 10.01　 10.04　 水庫(kù)　 42.93　 47.51　 44.48　 灌木地　 25.04　 34.91　 44.45　 農(nóng)村居民點(diǎn)　 0.29　 0.29　 0.29　 疏林地　 128.18　 130.65　 181.70　 沙地　 1926.39　 2062.72　 2026.59　 高覆蓋度草地　 25.73　 25.60　 22.15　 戈壁　 363.26　 237.85　 191.45　 中覆蓋度草地　 56.21　 56.82　 31.14　 沼澤地　 16.35　 12.70　 30.27　 低覆蓋度草地　 964.76　 940.11　 909.09　 0　 0　 0　 0　

　　3.2　植被指數(shù)及植被覆蓋度分析　植被指數(shù)（Vegetation Index）指從多光譜遙感數(shù)據(jù)中提取的有關(guān)地球表面植被狀況的定量數(shù)值。通常是用紅波段（R）和近紅外（IR）波段通過數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行線性或非線性組合得到的數(shù)值，用以表征地表植被的數(shù)量分配和質(zhì)量情況。常用的植被指數(shù)有很多種，如 RVI、GVI、DDVI、PVI、EVI及NDVI等。據(jù)前人的研究，經(jīng)綜合比較，選用NDVI（歸一化植被指數(shù)）。它能更好地適應(yīng)本地形區(qū)植被蓋度稀疏、蓋度差異懸殊的區(qū)域景觀特點(diǎn)，兼之其應(yīng)用最廣，所以運(yùn)算結(jié)果有較好的外延接軌前景，也容易從其他應(yīng)用效果中取得補(bǔ)充和印證，為長(zhǎng)期的脆弱生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)創(chuàng)造了方便條件。

　　求取NDVI前，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括圖像增強(qiáng)、幾何配準(zhǔn)、特征提取、統(tǒng)計(jì)分析等基礎(chǔ)性工作。需特別指出的是，由于兩種圖像的地面、光譜分辨率不同以及動(dòng)態(tài)分析的需要，兩個(gè)時(shí)相的圖像各數(shù)據(jù)層像素間需嚴(yán)格配準(zhǔn)，誤差必須小于一個(gè)像元，經(jīng)過計(jì)算后NDVI的值域在-1.0～1.0，將該值轉(zhuǎn)換成0～255[3].

　　以1999和2001年的NDVI圖像為例，圖像上NDVI值沿塔里河下游河道兩側(cè)距離近處值較高，反映了植被覆蓋較好，而離河道距離較遠(yuǎn)處，植被覆蓋較差，為沙地。

　　將植被指數(shù)應(yīng)用于資源環(huán)境的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，最好是賦予NDVI值以相應(yīng)的植被覆蓋度含義，由于植被指數(shù)既反映了特定景觀中群落面積同景觀總面積的比例關(guān)系，也反映了植物群落層片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即反映了植被的蓋度分布，同時(shí)也間接反映了植物的生物量高低。所以把植物指數(shù)轉(zhuǎn)化為植被蓋度等級(jí)，實(shí)際上是對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行綜合和簡(jiǎn)化，對(duì)于植被生態(tài)景觀面積變化的定量評(píng)價(jià)更為直觀。

　　為達(dá)到既不丟失信息少的灰度級(jí)，又便于等級(jí)劃分的目的，先將植被指數(shù)直方圖按高斯分布統(tǒng)一做直方圖規(guī)定化圖像增強(qiáng)處理，使二者輻射亮度值分布盡可能一致，利用Erdas遙感圖像處理軟件所提供的假彩色編輯功能在屏幕上進(jìn)行彩色編碼，就完成了植被蓋度數(shù)字圖像的編制，供植被生態(tài)景觀格局質(zhì)量變化的評(píng)價(jià)[4].

　　表3的4個(gè)等級(jí)植被蓋度是根據(jù)國(guó)家《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，全國(guó)《草場(chǎng)資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，《全國(guó)沙漠類型劃分原則》的有關(guān)條款為指導(dǎo)，并結(jié)合干旱區(qū)綠洲植被特有的生態(tài)特征來劃分的。

表3　植被指數(shù)灰度級(jí)與蓋度級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
 

級(jí)次　 4級(jí)　 3級(jí)　 2級(jí)　 1級(jí)　 灰度值區(qū)間　 0～10　 10～45　 45～90　 ＞90　 蓋度區(qū)間　 ＜5%　 5%～30%　 30%～60%　 ＞60%　 蓋度等級(jí)　 劣　 差　 中　 優(yōu)　

表4　塔河下游河道兩側(cè)10km范圍內(nèi)植被覆蓋分類面積（單位:km²）
 

　　從表4也可看出，植被覆蓋度劣的面積由1999年的2659.95km²降低到2003年的2282.26km²，植被覆蓋度差的面積由1999年的266.29km²增加到2003年的540.30km².植被覆蓋為中的面積由1999年的12.10km²增加到2003年的92.12km²，植被覆蓋優(yōu)的面積由1999年的2.40km²增加到2003年的25.03km².植被覆蓋劣的面積明顯下降，而植被覆蓋差、中、優(yōu)的面積明顯增大，說明應(yīng)急輸水對(duì)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)起到了積極的作用，使植被覆蓋情況明顯改善。通過時(shí)相間生態(tài)狀況動(dòng)態(tài)變化專題圖也可反映出輸水河道兩側(cè)大部分區(qū)域植被明顯好轉(zhuǎn)，尤其在下游的下部，應(yīng)急輸水以前河道基本處于干涸狀態(tài)，大片胡楊林死亡，應(yīng)急輸水工程使沿河兩岸更大面積的地表植被得到了滋養(yǎng)，對(duì)恢復(fù)塔河下游百年前的生態(tài)植被將起到加速作用。

　　4、結(jié)論和建議

　?。?）遙感作為一種多時(shí)相，快捷、及時(shí)的數(shù)據(jù)獲取方式在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要的作用，為我們提供了定性甚至定量的分析結(jié)果。從圖像解譯和分類的結(jié)果反映了輸水后植被和湖泊面積的擴(kuò)大以及河道長(zhǎng)度和寬度的變化。對(duì)植被指數(shù)和植被覆蓋度的分析表明，即使輸水后植被在面積上沒有大的變化，但是長(zhǎng)勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)。

　?。?）從遙感影像分析成果來看，連續(xù)3年的5次應(yīng)急輸水對(duì)塔河下游的生態(tài)恢復(fù)起到了關(guān)鍵的作用，既解除了博斯騰湖的“湖溢”危機(jī)，又使塔河下游斷流近30年的河道恢復(fù)流程。在距河道中心500～800m范圍，沿河兩側(cè)約800km2地下水得到補(bǔ)充，地下水位均有不同程度回升，說明輸水效果明顯。塔河下游植被因輸水后地下水位的抬高而得到一定恢復(fù)，據(jù)有關(guān)部門觀測(cè)，這對(duì)于胡楊林等植物的生長(zhǎng)至少可以維持5年到更長(zhǎng)的時(shí)間。塔河輸水為人們采取措施來綜合治理塔河、全面恢復(fù)塔河下游的生態(tài)系統(tǒng)贏得了寶貴時(shí)間。

　　（3）鑒于輸水帶來的良好的生態(tài)效果，建議在未來的一段時(shí)間內(nèi)，充分利用博斯騰湖豐水期的水量，節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉用水，將多余和節(jié)余的水源向塔河下游輸水，以進(jìn)一步恢復(fù)綠色走廊，為維護(hù)和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)輸水的“雙贏”。在輸水路線的選擇及輸水量的確定方面不應(yīng)只限于應(yīng)急，而是要力促環(huán)境趨向良性發(fā)展。同時(shí)應(yīng)該看到，因應(yīng)急輸水的水量有限，加之蒸發(fā)量大，前3次輸水補(bǔ)充的地下水位急劇下降，臺(tái)特瑪湖又再次干涸。只靠輸水來恢復(fù)塔河下游生態(tài)是不現(xiàn)實(shí)的，解決塔河生態(tài)用水的最根本途徑是科學(xué)治理塔河，采取有效嚴(yán)密的節(jié)水和定額用水措施，使塔河恢復(fù)全部流程，才是治本之策。

　　致謝：感謝中國(guó)水利水電科學(xué)研究院遙感中心李琳、張建立、徐美、付俊娥等人在遙感解譯、分類、處理和分析方面提供的大力幫助。

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孫濤