生態(tài)輸水前后臺特瑪湖生態(tài)環(huán)境變化探究分析

王慧玲，吐爾遜·哈斯木

新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046

0 前言

干旱地區(qū)湖泊的變化反映了流域水量的變化，是全球氣候變化和人類活動對該地區(qū)水資源影響的綜合表現(xiàn)[1]。內陸湖特別是尾閭湖泊，處于相對獨立的內陸濕度循環(huán)系統(tǒng)中，受氣候變化和人類活動的綜合作用[2-3]。內陸湖泊是干旱西北地區(qū)氣候和環(huán)境變化的敏感指標，其表面和水位的變化客觀地反映了干旱河流流域的水量平衡過程[4]。近幾十年來，由于全球氣候變化和人類活動的影響，內陸湖泊產(chǎn)生了一些生態(tài)問題，如湖面積減少，野生動物和植物多樣性減少，氣候災害頻發(fā)[5-6]。因此，及時掌握尾閭湖泊的動態(tài)變化以及生態(tài)環(huán)境狀況，對于尾閭湖泊治理、管理具有重要意義。

依照普氏和彼氏1887年及以后數(shù)年的觀察記述可以得知當時并沒有臺特瑪湖，因此臺特瑪湖是 19世紀末形成的，1962年臺特瑪湖的面積為 88 km2[7]，1968年后逐漸干涸，1973年全干[8]，直到1999年因車爾臣河洪水漫入，在公路兩側形成了一定面積的水域。阿布都米吉提[9]等在“近40年臺特瑪—康拉克湖泊群水域變化遙感監(jiān)測”中指出自1973—1998年的25年間臺特瑪湖一直處于干涸狀態(tài)，馬明國[10]等在“1973—2006年新疆若羌湖泊群遙感動態(tài)監(jiān)測研究”中提到臺特瑪湖及其相鄰區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞，陳亞寧[11]等在“干旱區(qū)內陸河流域的生態(tài)安全與生態(tài)需水量研究——兼談塔里木河生態(tài)需水量問題”中指出湖泊生物多樣性喪失和湖泊沿岸地區(qū)沙漠化惡化等問題。塔里木下游日益嚴重的生態(tài)退化問題引起了中國政府和社會各界的關注。為此，中國政府已投入 107億元用于塔里木河流域的生態(tài)改造[12-13]，并于2000年5月啟動了塔里木河下游生態(tài)輸水工程，隨著生態(tài)輸水的推進湖泊面積發(fā)生了很大變化，生態(tài)環(huán)境明顯改善[14-16]。

本文結合 1998年至今對研究區(qū)域多次實地考察經(jīng)驗以及前人研究的成果資料，對生態(tài)輸水前后臺特瑪湖湖區(qū)水域面積變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響進行了分析。并為今后塔河流域的管理與治理提供了基礎的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)地理位置

臺特瑪湖位于巴音郭楞蒙古自治州若羌縣以北約50 km，地處塔里木盆地東南緣，周圍環(huán)繞著沙漠和山脈。其東為庫魯克沙漠，西為塔克拉瑪干沙漠，南臨阿爾金山。在《新疆圖志》(1911年)中稱臺特瑪湖為“阿不旦海子”或“黑風海子”[17]。從歷史上看，臺特瑪湖的主要供應來源是塔里木河，車爾臣河以及瓦石峽河、若羌河及米蘭河等阿爾金山諸河水量也匯入其中，湖泊范圍最大時臺特瑪湖可循塔里木河古道東入羅布泊[18-19]。

臺特瑪湖由臺特瑪湖湖區(qū)、康拉克湖群組成，本文為了更好分析臺特瑪湖水域變化與塔里木河生態(tài)輸水供給關系，以及生態(tài)輸水對臺特瑪湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境的影響，選擇以塔里木河為來水源且涵蓋國道218東西兩側湖區(qū)為主要研究區(qū)，如圖1所示。

1.2 氣候特征和水文條件

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Study area schematic

臺特瑪湖地處中緯度西風帶，具有典型的暖溫帶大陸極端干旱性氣候的特征，氣候干旱，降水稀少，蒸發(fā)強烈，日照充足。根據(jù)臺特瑪湖最近的若羌縣氣象臺2015年資料顯示，該區(qū)最冷的1月，平均氣溫為-6.1℃；最熱的 7 月，平均氣溫為 28.7℃，年較差為 35℃，年平均氣溫 12.2℃；年平均降水量17.4 mm，年蒸發(fā)量高達 2902.3 mm，平均相對濕度為 41.1%，屬暖溫帶極干旱區(qū)。受蒙古高壓影響，全年盛行東北風，全年風速≥17.2 m·s-1日數(shù)為37.1 d。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

根據(jù)研究區(qū)的數(shù)據(jù)質量、湖泊季節(jié)性變化、云干擾以及氣象水文特征等信息，選取覆蓋全區(qū)10月前后的 24期遙感影像作為干旱區(qū)水域及植被信息提取的遙感數(shù)據(jù)源。其中1990—2011年的21期遙感影像為 Landsat的TM/ETM+數(shù)據(jù)；2012年為HJ的 CCD數(shù)據(jù)，2014—2018年為Landsat8的OLI數(shù)據(jù)，分辨率都為30 M。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)( http:/ /data.cma.cn /)。生態(tài)輸水數(shù)據(jù)來源于各類參考文獻及塔里木河流域管理局。

2.2 研究方法

研究區(qū)的植被，水域和沙漠占大多數(shù)，其他類型的覆蓋占很小的比例。因此，覆蓋類型分為三類:植被，水，沙漠。用于湖泊監(jiān)測的遙感方法是將水體與周圍的地物分開并準確地確定水體面積。

為了快速提取本區(qū)的水域面積，且因受到其他地物影響較小，本文選用自動提取方法。該區(qū)域的水域是利用二分法提取的，即決策樹分類法是對一個或多個波段設置一個閾值對水域面積進行提取[20-22]。本文參考多數(shù)西北干旱區(qū)湖泊面積提取文獻[23-25]，選擇徐涵秋[26]在對 Mcfeeters 提出的歸一化差值水體指數(shù)(NDWI) 分析的基礎上，提出的改進的歸一化差值水體指數(shù) MNDWI，其可以更好的區(qū)分陰影與水體，正值為水體，負值為非水體。公式如下:

式中，Green 為遙感影像中綠波段 ，MIR為中紅外波段。

3 結果與討論

3.1 生態(tài)輸水前臺特瑪湖區(qū)生態(tài)環(huán)境

由文獻可知，在20世紀60年代之前，塔里木河仍有大量水量匯入臺特瑪湖，而車爾臣河河每年也有水量流入其中，1962年臺特瑪湖水面面積為88 km2[5]。1959年由國家測繪總局航拍，1962年測繪的1 ∶ 1 00000地形圖顯示，218國道穿過湖泊的中心，將其分成由塔里木河供水的東側湖區(qū)，以及由車爾臣河供水的西側湖區(qū)，東西兩湖區(qū)水域面積合計可達 183 km2，當時的臺特瑪湖是候鳥從喜馬拉雅山飛往天山的一個棲息地。春天更是有大批候鳥絡繹不絕地從飛到臺特瑪湖，沙塵暴天氣也極少出現(xiàn)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展需要，1972年塔里木河大溪海子水庫建成，由于塔里木河流域水資源的不合理分配，造成其下游河道逐漸斷流(表1)，阿爾金山脈其他河流諸如車爾臣河也因其上游社會經(jīng)濟用水量增加，抵達臺特瑪湖的水量逐漸減少，最終造成臺特瑪湖逐漸干涸。自1998年團隊對該地區(qū)的實地考察中，發(fā)現(xiàn)干涸的湖泊很快就埋沒在沙漠中，湖心淹沒并形成一片沙海。湖區(qū)濕地上的蘆葦?shù)戎脖蝗諠u枯萎、死亡，臺特瑪湖周圍只剩下殘存的紅柳、胡楊根系固定的沙包堆，湖面則成了龜裂的鹽殼。在干涸期內，東北方的庫魯克沙漠向西南侵襲，風沙堆積使原湖面抬高，變成沙海和鹽殼，新月型沙丘大量發(fā)育，沙丘逐漸侵入湖區(qū)內，干涸的湖底為0.5—1.5 m高的低矮沙丘。

表1 20世紀下半期塔里木河下游河段來水變化[27]Table1 Changes of inflow into lower reaches of Tarim river in the second half of the 20th century[27]

90年代該地區(qū)年風沙災害日數(shù) 12.9 d，浮塵日數(shù) 122.4 d，年起沙風速 5.0 m·s-1有 1074 次，起沙風年總合成風速 9.21 m·s-1，從 3 月開始 9 月結束，地表受到吹蝕長達 8個月，為塔里木盆地沙塵暴次數(shù)最多，時間最長的地區(qū)。在20世紀90年代，沙塵暴天數(shù)為 122.4 d，浮塵年日數(shù)共 122.4 的，每年起沙風速≥5.0 m·s-11074次。地表受到風沙吹蝕長達 8個月，是塔里木盆地受影響最嚴重的地區(qū)。因此，臺特瑪湖被稱作“黑風海子”，穿過臺特瑪湖公路東側，上風向路肩完全被沙埋，形成1—2 m高的沙堆，路面有30—50 cm厚的積沙。1999年，經(jīng)過臺特瑪湖的 218國道大橋全部被沙堆掩埋，橋面上積沙厚度1 m多。

3.2 生態(tài)輸水后臺特瑪湖水體面積的變化及其生態(tài)環(huán)境的影響

3.2.1 生態(tài)輸水后臺特瑪湖水體面積的變化

塔河流域下游為改善生態(tài)平衡，特別是逆轉荒漠化土地，挽救瀕臨滅絕的自然植被，于 2000年 5月開始實施塔河下游應急生態(tài)輸水工程，到2018年10月共向該地區(qū)生態(tài)輸水19次，因塔河下游距離較長，直到第 3次輸水水流才到達臺特瑪湖，使得干涸了32a的臺特瑪湖重新得到滋潤?；谶b感影像提取的過去近30年研究區(qū)的水域面積表示，臺特瑪湖區(qū)在1990年的水域面積僅為15 km2，2005年湖區(qū)面積增加至 230 km2，2014年湖區(qū)面積急劇縮小至56.8 km2，2018年湖區(qū)是歷年最大面積為271.6 km2。(圖2)

1982—1999年水域面積受天然降水的影響，根據(jù)圖3所示，2000年以前水域面積曲線保持穩(wěn)定，臺特瑪湖一直處于干涸的狀態(tài)；2000—2005年塔里木河應急性生態(tài)輸水后，臺特瑪湖水域平均面積為128 km2，這一階段主要是借助開都河水量連續(xù)幾年偏豐，博斯騰湖水位持續(xù)上漲的好時機，從博斯騰湖通過揚水站到孔雀河輸水，再經(jīng)庫塔干渠向塔里木河下游實施搶救性生態(tài)輸水。2007—2009年塔里木河阿拉爾徑流量分別減少為 31.5×108m3，28×108m3和13.6×108m3，博斯騰湖水位下降，生態(tài)輸水無法到達臺特瑪湖(表2)，使得臺特瑪湖又出現(xiàn)連續(xù)3年干涸，在風力蝕積作用下，湖底形成 0.3—0.5 m 高的新月形沙丘，達到輕度荒漠化。

圖2 臺特瑪湖土地覆蓋空間變化Figure 2 change of land cover space in Tema Lake

2010—2012年后塔里木河上游的3條源流阿克蘇河、葉爾羌河、和田河此時進入了豐水期，加之近年來塔里木河下游生態(tài)治理工程的開展與深入，下游水量逐年增多，源流輸水代替了博斯騰湖的應急性輸水，而后逐漸轉變?yōu)槌B(tài)化生態(tài)輸水，臺特瑪湖水域面積逐漸擴大。2014年臺特瑪湖水域面積巨減，這與大西海子水庫至臺特瑪湖之間的部分生態(tài)閘口關閉和從齊文闊爾河向其文闊爾(湖)輸水，導致流入臺特瑪湖水量減少有關。塔里木河下段沿大溪海子水庫分為東西兩段，西支老塔里木河；東支為其文闊爾河，是塔里木河在下游的主要支流。這兩條河大致平行并在阿拉干相匯，其文闊爾河在喀爾達依斷面附近向東分出一條長 12 km 的汊流，流向其文闊爾(湖)。自 2017年以來，新疆維吾爾自治區(qū)已連續(xù)兩年實施和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、開都—孔雀河及塔河干流的全流域生態(tài)輸水。2018年臺特瑪湖湖區(qū)水域面積恢復至271.6 km2，全年水域面積最大時，可達500多km2，臺特瑪湖現(xiàn)已成為南疆第二大湖泊。臺特瑪湖的生態(tài)恢復對增強環(huán)塔克拉瑪干沙漠的‘綠色屏障’意義重大。

圖3 多年臺特瑪湖水體面積與生態(tài)輸水量變化Figure 3 Changes of water area and ecological water transport in Tema Lake for many years

表2 塔里木河下游歷次生態(tài)輸水統(tǒng)計表Table 2 Statistical tables of ecological water transport in the lower reaches of the Tarim River

3.2.2 臺特瑪湖水體面積變化對動植物的影響

生態(tài)輸水結束了下游河道連續(xù)干涸 32a的歷史，水頭15次到達尾閭臺特瑪湖，累計輸水量70×108m3。2017年，隨著塔里木河流域管理局的良好機制作用與豐水年的相互結合，大西海子水庫下泄生態(tài)水10.87×108m3，臺特瑪湖湖面與濕地總面積達到511 km2，是 60年代以來歷史最大值。臺特瑪湖湖區(qū)水域面積逐漸增大，使周圍地下水得到了有效補給，隨著地下水位的抬升、地下水的水質逐漸變好，水環(huán)境得到明顯改善，湖區(qū)周圍大量死亡或瀕臨死亡的植被復蘇，而植被對生態(tài)輸水的響應范圍擴展到 1000 m以上[28]。通過遙感影像提取多年植被覆蓋度的結果顯示(圖2)，隨著塔里木河下游的持續(xù)輸水，臺特瑪湖區(qū)域植被逐漸恢復，植被覆蓋區(qū)面積持續(xù)增加，由 2000年的 318 km2增加至 2018年的327 km2。其中，2010年植被覆蓋區(qū)面積達到了最大值329 km2，2011年以后基本保持穩(wěn)定。特別是高覆蓋度植被區(qū)面積顯著增加，自2000年以來呈穩(wěn)定上升趨勢，由 2000年的 1.44 km2增加至 2018年的21.88 km2，增加近 14 倍(圖4)。

湖區(qū)四周植被面積如紅柳、胡楊、蘆葦?shù)炔粩嘣黾?，野生動物及鳥類:塔里木兔、沙鼠、跳鼠、沙蜥、赤嘴潛鴨、紅嘴鷗、灰鶴、文須雀等近30種，其數(shù)量保持穩(wěn)定增長態(tài)勢臺特瑪湖湖區(qū)生態(tài)環(huán)境日益改善，一定程度上遏制了塔克拉瑪干沙漠和庫魯克塔格沙漠的合攏，有力保障了若羌縣經(jīng)濟社會發(fā)展和“絲綢之路經(jīng)濟帶”建設。

臺特瑪湖維持一定的水域面積，可以促進生態(tài)環(huán)境恢復，減少野生動植物、魚類滅絕的風險。“新疆大頭魚”過去主要出現(xiàn)于羅布泊和臺特瑪湖，近年在車爾臣河及離羅布莊不遠的康納克濕地有發(fā)現(xiàn)[17]，現(xiàn)在臺特瑪湖已經(jīng)被列為國家一類保護動物“新疆大頭魚”的生存繁衍基地。臺特瑪湖若保持常年有水，會形成育葦基地，蘆葦是良好的造紙原料，同時也是濕地的象征，蘆葦?shù)姆泵L不僅意味著生態(tài)環(huán)境的恢復，更為為若羌縣帶來新的經(jīng)濟效益。

3.2.3 臺特瑪湖水體面積變化對氣候環(huán)境的影響

若羌縣位于塔里木河下游，曾是風沙災害嚴重的地區(qū)之一。臺特瑪湖干涸之后，這里逐漸演變成了荒漠，一年內有 8個月地表可受到吹蝕，是塔里木盆地沙塵暴次數(shù)最多，時間最長的地區(qū)。一旦起大風，漫天的風沙，能見度極低，這樣的惡劣天氣加上沙漠化土地不斷擴張使得臺特瑪湖湖區(qū)周圍的農(nóng)戶開始搬遷。

在過去的十幾年中，通過實施塔里木河生態(tài)交通項目，改善了臺特瑪湖附近地區(qū)的小氣候。隨著若羌縣的沙塵天總數(shù)減少，風力強度降低，空氣濕度從 30%顯著上升到約 40%。濕地面積擴大，植被覆蓋度增加，兩岸植被逐漸被修復，部分流動沙丘轉為半固定沙丘，土壤濕度增加，弱化了風蝕沙化，臺特瑪湖周圍的綠洲已經(jīng)形成，惡劣災害性天氣隨著荒漠化土地逆轉得到很大程度的改善，臺特瑪湖地區(qū)的沙塵暴天氣出現(xiàn)頻率降低(圖5)。臺特瑪湖湖區(qū)由原來的風沙區(qū)變成了風景區(qū)，隨著若羌縣的生態(tài)環(huán)境改善，帶動了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。

臺特瑪湖作為塔里木河的尾閭，是各種鹽分的富集之地，臺特瑪湖的鹽堿濃度一旦超過大多數(shù)生命的容忍程度，富集的鹽堿就會暴露在地表，造成鹽塵暴。因此，臺特瑪湖湖區(qū)周圍的生態(tài)穩(wěn)定性還有待更多的進行研究，使得該地區(qū)能夠持續(xù)穩(wěn)定的恢復其生態(tài)環(huán)境。

4 結論

圖4 臺特瑪湖區(qū)域植被覆蓋及高植被覆蓋區(qū)面積變化圖[29]Figure 4 Variation map of vegetation cover and area of high vegetation cover in Taitema lake area[29]

(1)通過對近30年的臺特瑪湖水域面積變化過程分析可知，由于上游對塔里木河流域水資源的過度開發(fā)利用，導致河流下游及尾閭湖干涸；2000年開始進行生態(tài)輸水，臺特瑪湖湖區(qū)水域面積逐漸增大，隨著塔里木河下游生態(tài)治理工程的開展與深入，下游水量逐年增多，2017年以來，連續(xù)兩年的全流域生態(tài)輸水后，臺特瑪湖現(xiàn)已成為南疆第二大湖泊。

圖5 若羌各時期沙塵暴變化Figure 5 Sandstorm changes in various periods in Ruoqiang

(2)生態(tài)輸水前臺特瑪湖曾經(jīng)干涸到只剩一片“鹽殼”，大范圍鹽堿、沙化的土地上，生態(tài)輸水后道路兩旁湖區(qū)周圍大量死亡或瀕臨死亡的植被復蘇，植被覆蓋度擴大以及植物多樣性增加，濕地范圍明顯擴大。

(3)當時年沙塵暴日數(shù)、浮塵日數(shù)為塔里木盆地次數(shù)最多、時間最長，被稱作“黑風海子”的臺特瑪湖，隨著生態(tài)輸水，水域面積逐漸增大，濕地面積擴大，裸露的鹽堿地減少，沙塵暴日數(shù)明顯減少，惡劣的災害性氣候過程也得到了明顯的改善，臺特瑪湖的生態(tài)恢復增強了環(huán)塔克拉瑪干沙漠的‘綠色屏障’。