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1、1塔里木河下游应急输水前后生态变化遥 感监测分析摘要：本文介绍了塔里木河的水资源和生态恶化现状，分析了向塔河应急输水的必要性和可行性，根据 3 个时相的遥感影像，从图像解译、分类以及植被指数、植被覆盖度两个主要方面对塔河下游输水前后 3 年来的生态变化作了定性和定量分析，对输水效果进行了评价并提出了建议。结果表明：5 次应急输水对塔河下游生态恢复起到了巨大的推动作用，有效地遏制了生态的继续恶化，为我国综合治理塔河赢得了宝贵的时间。 关键词：塔里木河 应急输水 遥感监测 生态变化 1 塔里木河概况塔里木河（以下简称塔河）是我国最长的内陆河，从它的源头叶尔羌河算起，全长 2300km。主要支流阿克
2、苏河、叶尔羌河、和田河汇合于肖夹克，肖夹克以下到台特玛湖为塔河干流，总长 1321km1。从阿拉尔至英巴扎为上游，长度 447km；英巴扎至卡拉为中游，长度 398km；卡拉至台特玛湖为下游，长度 428km。塔河在卡拉以上的上中游河段，大体上沿着塔克拉玛干大沙漠的北部，由西向东；在卡拉以下的下游河段，则是沿着塔克拉玛干大沙漠的东边，由北向南，成为塔克拉玛干与其东的库木塔格大沙漠的分界线。塔河干流两岸并不产水，其水源完全来自发源于四周山区的各支流。据19811993 年的水文资料，塔河在阿拉尔站的年均水量是 42.99 亿 m3，其中阿克2苏河提供 33.58 亿 m3，叶尔羌河 0.23 亿
3、 m3，和田河 9.18 亿 m3。另外从孔雀河引入 2.12 亿 m3，因此塔河干流的总水量为 45.11 亿 m32。2 塔河下游应急输水塔河两岸过去没有农田，盛长胡杨、枝柳和草甸，形成乔灌草的绿色植被带，是塔里木盆地四周人工绿洲的生态屏障，下游的南北向河道两岸更是分隔塔克拉玛干和库木塔格两大沙漠的绿色走廊。沿岸分布着 8 个县市十多个团场，养育了新疆总人口的 44。随着人类活动的加剧及水资源的过度利用，自 20 世纪 50 年代以来，虽然各支流的天然来水没有减少，但由于源流区和干流上中游的用水不断增加，塔河在卡拉下泄的水量，从 12 亿 m3（19571967）逐步减少到 2.7 亿m3
4、（19861995）。塔河最终从它的归宿台特玛湖萎缩到了现在的大西海子水库，塔河下游大西海子水库以下河道于 1972 年断流，台特玛湖于 1974 年干涸，下游320km 河道由此消失。伴随着塔河的萎缩，河水的减少，断流正改变着塔河流域特别是下游的生态环境。目前上游依靠拦截塔河的大闸，将塔河来水几乎全部引入水库，又从孔雀河修渠引水接济，才得勉强维持，即使这样，水源仍不能得到保证，而且受下游地区的沙化威胁，生态环境日益恶化，植被衰退、土地盐碱化、沙尘肆虐、少雨干旱、沙进人退。生态恶化的持续已经引起了国家和新疆维吾尔自治区政府的高度重视，从1999 年开始实施治理塔河的一系列重大项目，解决水资源的
5、问题是抢救塔河下游不断恶化生态的根本所在。1998 年以来，博斯腾湖源流开都河来水一直偏丰，使得博斯腾湖水位长期居高不下，在湖水位不断升高的同时，湖面面积也在不断扩大，最大时增至 1700 多3km2，周围及孔雀河沿岸部分地区不同程度的存在着防洪安全隐患，一部分沿湖地带常被湖水淹没。而为抢救塔河下游绿色走廊和生态系统正愁找不到水源，20世纪 80 年代以来为解决兵团几个团场的农业灌溉问题，建成了连通孔雀河和塔河干流的库塔干渠，这使得向塔河下游应急输水在水源和工程设施方面都成为可能。从 2000 年 5 月中旬开始到 2003 年 6 月，新疆自治区连续 5 次将博斯腾湖水引入塔河下游河道内(5
6、 次输水的详细资料见表 1）。表 1 塔河 5 次应急输水一览次号输水开始时间输水结束时间输水量/亿 m3输水至大西海子以下距离/km台特玛湖水面面积/km2第一次2000 年 5 月2000 年 7 月1.04102第二次2000 年 11 月2001 年 2 月2.27216第三次2001 年 4 月2001 年 11 月4.0360(至台特玛湖)10第四次2002 年 6 月2002 年 11 月3.3360(至台特玛湖)530第五次2003 年 3 月2003 年 6 月3.3360(至台特玛湖)2803 生态变化遥感监测分析利用遥感等现代信息技术进行流域下游生态动态变化监测非常必要，
7、通过卫星遥感手段提供准确的流域生态本底数据不仅事半功倍、快速有效，而且在一些无资料地区，对于大范围的变化监测又是不可替代的。为了解输水效果及其对塔河下游的生态影响，中国水利水电科学研究院遥感技术应用中心针对连续 3 年的5 次应急输水，通过地面实地调查并结合遥感信息资料的分析应用，研究了塔河应急输水，恢复下游河道以后生态改善状况的变化。研究资料主要包括 Landsat7-ETM 全波段图像和中巴资源卫星图像。选取1999 年、2001 年和 2003 年 7 月 3 个时相的图像数据进行分析。其中 1999 年代表应急输水前的情况，2001 年代表输水过程中应急输水对生态环境的影响，2003
8、年代表输水一段时间后（3 年后）生态环境的情况。由于 2003 年 5 月，Landsat 卫星 7号星发生故障，不能接收图像，所以 2003 年的图像选用中巴资源卫星代替。合成后的三幅假彩色影像一方面反映出在应急输水工程实施后，塔河干流下6游河道两侧植被有所改善。另一方面，从 2003 年的影像上可以明显看出在部分原先干涸的河道中已经有水，沿河两侧也出现了很多大小不一的湖泊，反映了河流生态的变化。除了通过宏观上定性的观察以外，通过遥感影像的解译结果和植被指数等来定量探讨应急输水对生态环境的影响。3.1 影像解译和分类 根据卫星遥感 TM 影像，进行土地利用分类解译，分类包括：耕地、林地、草地
9、、水域、城乡、工矿、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，草地包括高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地，水域包括河渠、湖泊和水库，未利用土地包括沙地、戈壁等。考虑到输水影响范围有限，经过充分分析，提取从大西海子到台特玛湖之间的塔河干流，然后作缓冲区分析，将其两侧各 10km 的范围作为影像解译的区间，解译结果形成专题图。从分类图可以看出，2001 年与 1999 年的遥感影像相比，林地和草地的面积整体上变化不大，但沿着河道两侧局部范围内的林地面积有所增大（即局部绿色部分增多），2003 年与 2001 年的遥感影像相比，林地和草地的面积整体上变化也不大，沿着河道两侧局部
10、范围内的林地面积增加更为明显。根据图 1 进行统计得到 3 个时相土地分类面积（表 2），从中可以看出面积的变化，在塔河干流实施应急工程输水后生态环境有所改善，如输水处下游河道两侧10km 范围内灌木林面积 1999 年为 25.0km2，2001 年增加到 34.9km2，2003 年增加到 44.5km2，疏林地面积 1999 年为 128.2km2，2001 年增加到 130.7km2，2003年增加到 181.7km2。7图 1 土地利用分类表 2 3 个时相土地分类面积变化（单位：km2）类型1999 年2001 年2003 年类型1999 年2001 年2003 年旱地5.595.
11、595.34河渠81.321.326.50有林地10.0410.0110.04水库42.9347.5144.48灌木地25.0434.9144.45农村居民点0.290.290.29疏林地9128.18130.65181.70沙地1926.392062.722026.59高覆盖度草地25.7325.6022.15戈壁363.26237.85191.45中覆盖度草地56.2156.8231.14沼泽地1016.3512.7030.27低覆盖度草地964.76940.11909.0900003.2 植被指数及植被覆盖度分析 植被指数（Vegetation Index）指从多光谱遥感数据中提取的有关
12、地球表面植被状况的定量数值。通常是用红波段(R）和近红外（IR）波段通过数学运算进行线性或非线性组合得到的数值，用以表征地表植被的数量分配和质量情况。常用的植被指数有很多种，如 RVI、GVI、DDVI、PVI、EVI及 NDVI 等。据前人的研究，经综合比较，选用 NDVI（归一化植被指数）。它能更好地适应本地形区植被盖度稀疏、盖度差异悬殊的区域景观特点，兼之其应用最广，所以运算结果有较好的外延接轨前景，也容易从其他应用效果中取得补充和印证，为长期的脆弱生态环境监测创造了方便条件。求取 NDVI 前，进行图像数据预处理，包括图像增强、几何配准、特征提取、统计分析等基础性工作。需特别指出的是，
13、由于两种图像的地面、光谱分辨率不同以及动态分析的需要，两个时相的图像各数据层像素间需严格配准，误差必须小于11一个像元，经过计算后 NDVI 的值域在-1.01.0，将该值转换成 02553。以 1999 和 2001 年的 NDVI 图像为例（见图 2），图像上 NDVI 值沿塔里河下游河道两侧距离近处值较高，反映了植被覆盖较好，而离河道距离较远处，植被覆盖较差，为沙地。图 2 不同时相 NDVI 将植被指数应用于资源环境的监测和评价，最好是赋予 NDVI 值以相应的植被覆盖度含义，由于植被指数既反映了特定景观中群落面积同景观总面积的比例关系，也反映了植物群落层片结构的特点，即反映了植被的盖
14、度分布，同时也间接反映了植物的生物量高低。所以把植物指数转化为植被盖度等级，实际上是对植被指数进行综合和简化，对于植被生态景观面积变化的定量评价更为直观。为达到既不丢失信息少的灰度级，又便于等级划分的目的，先将植被指数直方图按高斯分布统一做直方图规定化图像增强处理，使二者辐射亮度值分布尽可能一致，利用 Erdas 遥感图像处理软件所提供的假彩色编辑功能在屏幕上进行彩色编码，就完成了植被盖度数字图像的编制，供植被生态景观格局质量变化的评价4。表 3 的 4 个等级植被盖度是根据国家土地利用现状调查技术规程，全国草场资源调查技术规程， 全国沙漠类型划分原则的有关条款为指导，并结合干旱12区绿洲植被
15、特有的生态特征来划分的。表 3 植被指数灰度级与盖度级的对应关系级次4 级3 级2 级1 级灰度值区间0101045459090盖度区间5%5%30%30%60%1360%盖度等级劣差中优表 4 塔河下游河道两侧 10km 范围内植被覆盖分类面积(单位:km2)分类1999 年2001 年2003 年劣2659.952373.042282.26差14266.29234.03540.30中12.1018.4992.12优2.403.2025.03注：统计范围为大西海子水库以下至台特玛湖之间。图 3 不同时相植被盖度从图 3 可明显看出，2001 年与 1999 年相比，提供输水水源的大西海子水库
16、以上区域，生态状况变化不大，这是因为应急输水没有对这些区域造成影响。塔河干15流下游河道两侧植被明显好转，其中靠近大西海子水库以下区域植被覆盖多由差变为中，再往下游河道两侧多由劣变差，植被覆盖情况明显好转。2003 年专题图与 1999 年和 2001 年相比，植被覆盖继续好转，河道两侧一定范围内许多区域植被覆盖度由劣或差变为中。从表 4 也可看出，植被覆盖度劣的面积由 1999 年的 2659.95km2 降低到 2003年的 2282.26km2，植被覆盖度差的面积由 1999 年的 266.29km2 增加到 2003 年的 540.30km2。植被覆盖为中的面积由 1999 年的 12.10km2 增加到 2003 年的92.12km2，植被覆盖优的面积由 1999 年的 2.40km2 增加到 2003 年的 25.03km2。植被覆盖劣的面积明显下降，而植被覆盖差、中、优的面积明显增大，说明应急输水对生态环境的恢复起到了积极的作用，使植被覆盖情况明显改善。通过时相间生态状况动态变化专题图也可反映出输水河道两侧大部分区域
