艾丁湖流域綠洲變化與地下水開發(fā)利用關(guān)系分析

梁珂 徐志俠 王海軍 楊國瑞 闞光遠

摘要 由于長期以來水資源開發(fā)活動日益增強，艾丁湖生態(tài)區(qū)入湖水量不斷減少，湖面萎縮;區(qū)域土地沙化、沙漠化趨勢未根本扭轉(zhuǎn);地下水位不斷下降，生態(tài)、生活用水風險增大;陸生、水生物種消亡趨勢加劇;干熱風等災(zāi)害性天氣呈不斷增加趨勢;沙塵、鹽塵天氣爆發(fā)風險不斷累積增大，使得艾丁湖生態(tài)區(qū)生態(tài)壓力不斷增大，生態(tài)惡化趨勢明顯?；诟叻直媛蔬b感影像、地理信息技術(shù)以及現(xiàn)場取樣調(diào)查，分析了艾丁湖流域土地利用與植被覆蓋度時空變化特征，探明了自然植被蓋度退化情況。結(jié)果表明，天然植被的平均覆蓋度在1976—1995年呈減小趨勢，在1995—2010年呈增大趨勢，在2010—2019年轉(zhuǎn)為減小趨勢;高蓋度植被由南向北發(fā)生遷移;天然植被退化的主要原因是地下水埋深逐漸加大，且受不到山區(qū)的地表水補充，以及由于城鄉(xiāng)工礦用地的擴張導致天然植被減少。

關(guān)鍵詞 水資源;地下水埋深;自然植被覆蓋度;土地利用類型

中圖分類號 P-641.8? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）22-0205-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.052

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Analysis on the Relationship between Groundwater Depth and Xerophyte Coverage in Aiding Lake Region

LIANG Ke? XU Zhi-xia WANG Hai-jun3 et al ?（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038;2.Beijing IWHR Corporation， Beijing 100048;3.Luanping Water Bureau， Luanping，Hebei 068250）

Abstract Due to the increasing disorderly activities of human beings， the amount of water entering the lake is decreasing and the lake surface is shrinking; the trend of regional land desertification and desertification has not been fundamentally reversed; the underground water level is continuously falling， the risk of ecological and domestic water use is increasing; the trend of terrestrial and aquatic biological plants is disappearing; the trend of dry hot wind and other disastrous weather is increasing; the risk of sand dust and salt dust weather outbreak is also increasing With the increasing accumulation， the ecological pressure of Aiding Lake ecological area is increasing， and the ecological deterioration trend is obvious. Based on high-resolution remote sensing images， geographic information technology and field sampling survey， the spatial and temporal variation characteristics of land use and vegetation coverage in Aiding Lake Basin were analyzed， and the statistical relationship between natural vegetation coverage change and groundwater depth was explored. The results show that the average coverage of natural vegetation decreased from 1976 to 199 ?increased from 1995 to 2010， and decreased from 2010 to 2019. The high coverage vegetation migrated from south to north. The main reasons for the degradation of natural vegetation is the gradual increase of groundwater depth and the lack of surface water supplement in mountainous areas;and the expansion of industrial and mining land in urban and rural areas led to the reduction of natural vegetation.

Key words Water resources;Groundwater depth;Natural vegetation coverage;Land use types

由于人類無序活動日益增強，艾丁湖生態(tài)區(qū)入湖水量不斷減少[1]，湖面萎縮;區(qū)域土地沙化、沙漠化趨勢未根本扭轉(zhuǎn);地下水位[2]不斷下降，生態(tài)、生活用水風險增大;陸生與水生物種植被消亡趨勢加劇;干熱風等災(zāi)害性天氣呈不斷增加趨勢;沙塵、鹽塵天氣爆發(fā)風險不斷累積增大，使得艾丁湖生態(tài)區(qū)生態(tài)壓力不斷增大，生態(tài)惡化趨勢明顯[3]。流域內(nèi)地下水嚴重超采[4]、地下水取水成本大幅增加、地下水面臨枯竭的危險，導致艾丁湖環(huán)境惡化，已經(jīng)影響吐魯番市經(jīng)濟發(fā)展與市民的生活。

環(huán)艾丁湖周邊的地下水主要是由吐魯番北部盆地向南的地下水匯流和來自南部盆地向東的地下水匯流補給構(gòu)成[5]。若這些地下水匯流在到達艾丁湖之前被人工開采截留，則環(huán)艾丁湖周邊的地下埋深將會加大。地下水埋深[6]是吐魯番南部盆地植被生態(tài)系統(tǒng)依存的一個重要因素[7]，地下水埋深的加大必將影響到吐魯番盆地植被生態(tài)系統(tǒng)的維系。因此，亟待分析艾丁湖區(qū)域土地利用[8]、自然綠洲面積[9]、植被覆蓋度[10-11]等變化，建立綠洲濕地植被蓋度與地下水埋深之間的統(tǒng)計學關(guān)系，服務(wù)于地下水開發(fā)利用與生態(tài)功能保護的水位和水量雙控臨界指標體系的建立。

1 研究概況

1.1 艾丁生態(tài)區(qū)概況

艾丁湖生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)由湖泊、河口濕地、鹽生草甸、入湖河流、人工綠洲、火焰山、戈壁、天山組成。湖泊有主湖區(qū)和副湖區(qū)、河口濕地、干鹽灘組成[12]。河口濕地是白楊河進入主湖區(qū)前形成的濕地。鹽生草甸是湖泊水體和人工綠洲之間的區(qū)域，現(xiàn)狀面積10.67萬hm 生長有以駱駝刺為主的旱生植被[13]?，F(xiàn)狀只有白楊河徑流補給艾丁湖。自然綠洲包括自然生長的草地、林地、灌木地、濕地水域[14-15]。人工綠洲包括農(nóng)田、防護林、人工草地、城市，人工綠洲現(xiàn)狀生態(tài)良好，在農(nóng)田和山區(qū)之間是戈壁，山區(qū)基本沒有人類活動。

1.2 土地利用類型及植被覆蓋度數(shù)據(jù)

通過遙感影像獲取土地利用類型及植被覆蓋度數(shù)據(jù)。用遙感分類方法對艾丁湖流域（吐魯番地區(qū)）遙感影像進行地物分類，并以專題圖的形式展示其地域中的1976—2019年的地物變化。同時利用2018—2019年數(shù)次采樣所獲得的大量地表植被覆蓋度實測數(shù)據(jù)，采樣點個數(shù)約200個，采樣時間集中在2018年4—5月、10月及2019年5月，包括的植物種類主要有疏葉駱駝刺鹽生草甸、蘆葦鹽生草甸、黑果枸杞灌叢、檉柳灌叢、梭梭荒漠和鹽爪爪荒漠等。根據(jù)對應(yīng)點位處Landsat遙感影像特征波段的光譜信息，在星地協(xié)同觀測的基礎(chǔ)上使用隨機森林方法構(gòu)建地表植被覆蓋度遙感定量反演模型，反演艾丁湖流域1976—2019年的地表植被覆蓋度信息。

2 研究內(nèi)容

2.1 地下水-包氣帶水補給天然植被的作用機理

在干旱及半干旱區(qū)，天然植被的生長依賴地下水及包氣帶水。地下水通過由土壤孔隙形成的毛管水上升形成土壤水，從而被植被根系吸收，包氣帶的厚度受地下潛水面的變動而變動。

陳敏建等[16]提出了地下水補給植被的物理機制為：只要潛水影響層與根系作用層相交，就會發(fā)生地下水補給植被。因此，潛水影響層與根系作用層只有保持接觸，植被才能持續(xù)得到水分補給。如果地下水位下降導致二者脫離接觸，則植被的水分供給中斷。因此，維持地下水補給植被的條件就是要保證潛水影響層與根系層能夠有交叉。

由張立運等[17]的研究成果可知，駱駝刺最初的發(fā)生環(huán)境是荒漠平原地區(qū)河流的河漫灘，駱駝刺主要分布在亞洲荒漠和半荒漠的平原地區(qū)。研究學者在和田河和阿克蘇河交匯處的河漫灘上，觀察到了駱駝刺種子的實生苗。目前，大多數(shù)地區(qū)的駱駝刺群落衰退的主要原因之一是由于地下水位下降、生境干燥。

艾丁湖流域現(xiàn)在的地貌狀況和不同植被類型分布區(qū)的地下水位并不能夠反映其植被萌發(fā)時相應(yīng)的地下水位分布狀況。這些植被原先是依靠河流的地表水泛濫而發(fā)生的，依靠地下水生存。經(jīng)調(diào)查分析，2017年研究區(qū)天然植被區(qū)蒸發(fā)蒸騰量ET總量為168.57 mm，而長期以來，研究區(qū)年蒸騰蒸發(fā)量遠高于多年平均降水量10 mm，在沒有地表水補充的情況下，包氣帶蓄水量變化量為負值，包氣帶由上自下土壤含水量逐漸減少，植被的根系生長深度也隨之適應(yīng)性加深，植被的根系吸收包氣帶儲存的土壤水生存，因此當?shù)叵滤裆钤谝欢ǚ秶鷥?nèi)時，現(xiàn)存的植被仍能存活;但當?shù)叵滤裆畛^一定范圍內(nèi)時，植被的根系只能靠吸收包氣帶儲存的土壤

水生存，隨著地下水位的下降，包氣帶中的水分逐漸減少，

因此植被可以吸收的水分越來越少，植被將逐漸衰退，以至于無法自然更新，當包氣帶水全部被耗盡，植被將無法存活。

2.2 1976—2019年植被覆蓋度時空變化

艾丁湖流域內(nèi)，天然植被主要為灌木地、草地，人工植被主要為耕地、林地。由圖1可知，人工植被的平均覆蓋度高于天然植被的平均覆蓋度。

2.2.1 人工植被（耕地、林地）。1976—2019年，隨著人類對水資源開發(fā)利用效率和耕作技術(shù)水平的提升，進入21世紀后人工植被的平均覆蓋度呈明顯增長趨勢。

2.2.2 天然植被（灌木地、草地）。由圖1可以看出天然植被平均覆蓋度的變化歷程，可將其分為3個變化周期：1976—1995年，天然植被的平均覆蓋度呈減小趨勢;1995—2010年，天然植被的平均覆蓋度呈增大趨勢;2010—2019年，天然植被的平均覆蓋度又轉(zhuǎn)為減小趨勢。 2017年天然植被的平均覆蓋度為低谷值，1976、2010年天然植被的平均覆蓋度為峰值。

由圖2可如，1976—2019年艾丁湖流域天然植被覆蓋度的變化情況，1976—2019年土地利用類型均為天然植被且沒有發(fā)生變化，覆蓋度增大的區(qū)域與覆蓋度減小的區(qū)域面積相當，覆蓋度增大的區(qū)域主要分布在植被覆蓋度減小的區(qū)域的北部，1976—2019年高蓋度植被由南向北發(fā)生遷移。

2.3 1976—2019年綠洲面積變化與地下水開發(fā)利用關(guān)系

由圖3可知，隨著艾丁湖流域社會經(jīng)濟的發(fā)展，艾丁湖流域平原區(qū)土地利用變化表現(xiàn)為：天然綠洲面積在1976—2010年呈減少的趨勢，在2010—2019年呈增大的趨勢;人工綠洲面積在1976—2019年呈增大的趨勢;天然綠洲與人工綠洲面積比值整體上呈先下降后上升趨勢;在2010年左右比值最小。

2010年以前，該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較為粗放，再加上人口的增長增加了糧食的需求量，促使耕地面積擴張，使得人工綠洲面積呈現(xiàn)遞增趨勢。2010年以后，當?shù)卣岢霾⒉扇×松鷳B(tài)保護的政策和科學的治理方略，推進了約束地下水資源開采、地下水回灌等地下水合理開發(fā)利用方案的實施，近年來艾丁湖生態(tài)區(qū)開展的生態(tài)保護主要是針對鹽生草甸即駱駝刺的保護，在重點地區(qū)建設(shè)圍欄工程，適當調(diào)整載畜量，使天然綠洲的面積開始回升。

由圖4可知，1976—2019年艾丁湖流域天然植被分布，主要分為不變范圍、擴張范圍及衰退范圍?？傮w來說，1976—2019年天然植被的衰退范圍為1 181 km2、擴張范圍為379 km 衰退范圍遠大于擴張范圍，從分布面積上看呈整體退化趨勢。天然植被的衰退范圍主要分布在西區(qū)郭勒布依鄉(xiāng)西部、吐托公路南側(cè)、中區(qū)艾丁湖的北部以及東區(qū)達朗坎鄉(xiāng)和迪坎鄉(xiāng)南部。

天然植被范圍分布發(fā)生變化的原因主要是由于長期以來艾丁湖生態(tài)區(qū)人類活動、水資源開發(fā)利用強度不斷增強，局部地區(qū)地下水超采程度日益嚴峻，進入湖泊的水量逐漸減少，艾丁湖生態(tài)系統(tǒng)明顯惡化，盡管近年來艾丁湖生態(tài)區(qū)在重點地區(qū)開展了鹽生草甸即駱駝刺的保護、建設(shè)圍欄工程、適當調(diào)整載畜量等舉措，但是1976—2019年天然植被分布仍然呈明顯退化趨勢。

1976—2018年艾丁湖流域水資源利用量、地下水開采量、人類總耗水量與天然綠洲、人工綠洲的面積比的變化過程見圖5。

由圖5可知，在1976—2018年，人工綠洲面積隨著地下水開采量的先增加后減少呈現(xiàn)先增大后保持穩(wěn)定的趨勢;而天然綠洲面積則隨著地下水開采量的先增大又逐漸減小呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。由此可見，天然綠洲面積與地下水開采量呈相反變化趨勢。

3 結(jié)論

（1）天然綠洲面積在1976—2010年呈減少的趨勢，在2010—2019年呈增大的趨勢;人工綠洲面積在1976—2019年呈增大的趨勢。天然綠洲與人工綠洲面積比值整體上呈先下降后上升趨勢，在2010年左右比值最小。（2）天然植被范圍分布發(fā)生變化的原因主要是長期以來艾丁湖生態(tài)區(qū)人類活動、水資源開發(fā)利用強度不斷增強，局部地區(qū)地下水超采程度日益嚴峻，進入湖泊的水量逐漸減少，艾丁湖生態(tài)系統(tǒng)明顯惡化。盡管近年來艾丁湖生態(tài)區(qū)在重點地區(qū)開展了鹽生草甸即駱駝刺的保護、建設(shè)圍欄工程、適當調(diào)整載畜量等舉措，但是1976—2019年天然植被分布面積仍然呈明顯退化趨勢。

（3）天然植被的平均覆蓋度在1976—1995年呈減小趨勢，在1995～2010年呈增大趨勢，在2010—2019年又轉(zhuǎn)為減小趨勢。1976—2019年期間植被覆蓋度增大的區(qū)域主要分布在覆蓋度減小區(qū)域的北部，說明1976—2019年高蓋度植被由南向北發(fā)生遷移。天然植被退化的主要原因是地下水埋深逐漸加大，且受不到山區(qū)的地表水補充;以及由于城鄉(xiāng)工礦用地的擴張導致天然植被減少。

（4）在1976—2012年，艾丁湖流域的社會經(jīng)濟進入了一個迅速發(fā)展的時期，隨著流域內(nèi)人口對水資源以及糧食的需求不斷地增大，地下水資源的開采量、人工綠洲面積及人工植被覆蓋度均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢。由于多年平均降水量呈輕微減少的趨勢，且地下水開采量的明顯增大，是導致此期間天然植被面積及天然植被覆蓋度呈減小趨勢的原因。到了2012年左右，地下水開采量達到極大值，隨后在2012—2018年，由于當?shù)卣岢霾⒉扇×松鷳B(tài)保護的政策和科學的治理方略，推進了約束地下水資源開采、地下水合理開發(fā)利用、退耕還林、退牧還草的方案，地下水開采量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，盡管人工綠洲面積仍保持穩(wěn)定，但人工植被覆蓋度明顯開始回落，天然綠洲的面積及天然植被覆蓋度均開始回升，生態(tài)環(huán)境逐漸改善。

參考文獻

[1]

傅小鋒.吐魯番盆地水資源利用與綠洲經(jīng)濟發(fā)展探討[J].地理研究，199 15（4）：74-81.

[2] 長林，周鐵樁.陳巴爾虎草原地下水影響因子分析與預(yù)測[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，202 49（3）：59-63.

[3] 趙恒山，瓦哈甫·哈力克，姚一平.吐魯番綠洲水資源利用與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)關(guān)系研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2015（11）：65-69.

[4] 王昱丁. 人類活動干擾下的西北干旱區(qū)綠洲遷移演化研究[D].北京：清華大學，2018.

[5] 徐偉偉.吐魯番市艾丁湖生態(tài)保護治理對策研究[J].中華建設(shè)科技，2017（6）：187-188.

[6] 馬興波.淺談吐魯番地區(qū)水環(huán)境變化及應(yīng)對措施[J].新疆水利，2013（3）：4-8.

[7] 錢正英.西北地區(qū)水資源配置、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國水利，2003（9）：17-24.

[8] 孫棟元，張云亮，葛成彥，等.疏勒河中游綠洲生態(tài)功能分區(qū)研究[J].中國農(nóng)學通報，201 32（21）：117-123.

[9] 熱比亞木·買買提. 坎兒井與吐魯番綠洲生態(tài)環(huán)境關(guān)系研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2014.

[10] 宋鵬飛，白利平，王國強，等.黑河流域地下水埋深與氣候變化對植被覆蓋的影響研究[J]. 北京師范大學學報（自然科學版），201 50（5）：549-554.

[11] 孟婧瑩，康博，楊浩北，等.基于GIS平臺的地下水埋深與植被蓋度響應(yīng)關(guān)系研究[J].節(jié)水灌溉，2012（6）：30-34.

[12] 原杰輝.礦區(qū)開發(fā)對下游湖庫入湖水量的影響與保護：以艾丁湖為例[J].山西科技，2017，32（6）：113-115.

[13] 陳立，劉亮，張明江.艾丁湖流域植被與地下水埋深關(guān)系分析[J].地下水，2019，41（4）：37-39.

[14] 楊少敏，楚新正，張揚.近65年來吐魯番市氣溫降水變化特征分析[J].生態(tài)科學，2018，37（3）：44-50.

[15] 郭玉川，楊鵬年，李霞.干旱區(qū)地下水埋深空間分布對天然植被覆蓋度影響研究：以塔里木河下游為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，201 25（12）：161-165.

[16] 陳敏建，張秋霞，汪勇，等.西遼河平原地下水補給植被的臨界埋深[J].水科學進展，2019，30（1）：24-33.

[17] 張立運，買買提，安尼瓦爾，等.夏季灌溉對駱駝刺形態(tài)學特征群落生態(tài)結(jié)構(gòu)和天然更新的影響[J].干旱區(qū)研究，199 12（4）：34-40.