生態(tài)輸水對(duì)臺(tái)特瑪湖面積和植被的影響

董宗煒,徐至遠(yuǎn),張 鵬

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

塔里木河流域作為中國(guó)乃至世界上生態(tài)最為脆弱的地區(qū)之一，由于人口增加，耕地面積增大，流向下游的水逐年減少，曾在20世紀(jì)多次發(fā)生斷流，臺(tái)特瑪湖作為塔里木河的尾閭湖也多次發(fā)生干涸[1]。尾閭湖水域面積的變化能直觀反映其源河流域自然環(huán)境變化[2]，臺(tái)特瑪湖是塔里木河下游生態(tài)恢復(fù)的重要標(biāo)志[3]。李麗君等[4-5]認(rèn)為應(yīng)急輸水對(duì)塔河下游的生態(tài)植被恢復(fù)有著明顯影響；崔亞莉等[6]、陳亞寧等[7]指出包括臺(tái)特瑪湖在內(nèi)的塔里木河下游地區(qū)的植被組成、分布及長(zhǎng)勢(shì)與地下水埋深有著密切的關(guān)系。陳國(guó)亮[8]對(duì)1973—2006年臺(tái)特瑪湖周邊環(huán)境進(jìn)行了分析，阿布都米吉提等[9]、張鵬飛等[10]分析了近幾十年臺(tái)特瑪湖水面積的變化特征；王慧玲等[11]和霍天賜等[12]討論了2020年臺(tái)特瑪湖水域面積變化及其對(duì)周圍動(dòng)物和氣候環(huán)境的影響。但前人相關(guān)研究沒(méi)有進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列下與湖面積相關(guān)的供水量、地下水位和湖周邊植被面積的變化及成因分析。張沛等[13]認(rèn)為塔里木河干流生態(tài)環(huán)境狀況處于較差的級(jí)別，其特點(diǎn)即為植被覆蓋較差、嚴(yán)重干旱少雨、物種較少，存在明顯限制人類生存的因素；阿布都米吉提等[9]、張鵬飛等[10]基于1973—2014遙感影像并結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)指出：即使在2004年臺(tái)特瑪湖形成約300km2規(guī)模時(shí)，這個(gè)湖泊仍然處在一個(gè)生物多樣性喪失和極端沙漠化階段。為維護(hù)塔里木河下游及其尾閭臺(tái)特瑪湖的生態(tài)環(huán)境，國(guó)務(wù)院從2001年啟動(dòng)了塔里木河流域近期綜合治理工程，截止2020年共進(jìn)行了19次生態(tài)輸水[14]。本文通過(guò)分析20年來(lái)的生態(tài)輸水對(duì)臺(tái)特瑪湖湖面積、地下水及其周邊植被覆蓋的變化，旨在為在其他地區(qū)開(kāi)展類似的工程提供參考。

1 研究區(qū)域概況

臺(tái)特瑪湖位于若羌縣以北約50km處塔里木盆地南邊，所在區(qū)域名為羅布莊，位于2大沙漠之間，東為庫(kù)魯克沙漠，西為塔克拉瑪干沙漠，并在2大沙漠中起到隔斷作用[15]，地勢(shì)平坦，氣候干旱，日照時(shí)間長(zhǎng)，屬于極端干旱的大陸性氣候，年均降水量25mm，蒸發(fā)潛力2500mm，日差最大可達(dá)24℃[2]。由于上游對(duì)塔里木河流域水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致河流下游及尾閭湖干涸[11]，與羅布泊相通的臺(tái)特瑪湖湖心曾被沙漠掩埋。為拯救當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)，自2000年以來(lái)塔里木河下游得到了持續(xù)輸水，目前臺(tái)特瑪湖水源受塔里木河干流大西海子水庫(kù)及河車爾臣河補(bǔ)給。

2 研究方法

湖面積數(shù)據(jù)獲取：研究區(qū)周圍主要是水域和沙漠，基于2000—2017年影像地形圖、衛(wèi)星遙感影像等解譯出20余次湖面面積。

植被覆蓋度數(shù)據(jù)獲?。褐脖桓采w面積的增加已是生態(tài)恢復(fù)的重要標(biāo)志，本文以2000—2016年臺(tái)湖流域MODIS-EVI的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析臺(tái)湖流域覆蓋面積的時(shí)空變化特征。提取臺(tái)特瑪湖植被覆蓋度時(shí)利用的植被指數(shù)數(shù)據(jù)為MOD13Q1產(chǎn)品的EVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250m，時(shí)間序列為2001年1月至2016年12月。對(duì)獲取的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行EVI預(yù)處理，如研究區(qū)域的格式轉(zhuǎn)換、拼接、投影、投影轉(zhuǎn)換和提取，為減少錯(cuò)誤信息，對(duì)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)Savitzkky-Golay濾波和MVC綜合處理，得到代表植被生長(zhǎng)最佳狀態(tài)的年度EVI數(shù)據(jù)。通過(guò)使用像素二分模型計(jì)算植被覆蓋度，其計(jì)算公式如下:

(1)

式中，F(xiàn)c—植被覆蓋度，本文用2個(gè)十進(jìn)制數(shù)表示。EVIsoil—研究區(qū)純裸地像元的EVI值，EVIveg—純植被像元的EVI值。本文采用研究區(qū)域EVI圖像直方圖5%和95%的EVI值來(lái)表示EVIsoil值和EVIveg值。提取面積數(shù)據(jù)時(shí)將植被覆蓋度劃分為5個(gè)梯度：低覆蓋度(0.1<蓋度<0.2)、中低覆蓋度(0.2<蓋度<0.4)、中覆蓋度(0.4<蓋度<0.6)、中高覆蓋度(0.6<蓋度<0.8)、高覆蓋度(0.8<蓋度<1)。

3 結(jié)果與分析

3.1 近20年臺(tái)特瑪湖面積及供水量變化特征

為維持臺(tái)特瑪湖周圍生態(tài)平衡，防止兩大沙漠合攏，于2000年實(shí)施了流域綜合治理，至2018年底共實(shí)施生態(tài)輸水19次，大西海子水庫(kù)共計(jì)下泄水量77.67億m3，平均每年下泄4.32億m3，實(shí)現(xiàn)了塔里木河綜合治理規(guī)劃所定的3.5億m3的下泄水量目標(biāo)，其中，2000—2006年大西海子水庫(kù)共下泄22.81億m3，年均下泄3.26億m3，如圖1所示。

在此期間，由于車爾臣河來(lái)水偏豐亦可供水給臺(tái)特瑪湖，車爾臣河25%、50%和75%來(lái)水頻率下的徑流量分別為6.228億、5.061億、4.221億m3。且末縣車爾臣河2020年用水總量指標(biāo)為30366萬(wàn)m3，按照用水總量指標(biāo)在滿足且末縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水后，車爾臣河25%、50%及75%來(lái)水頻率下分別結(jié)余31944萬(wàn)、20244萬(wàn)、11844萬(wàn)m3，下泄給臺(tái)特瑪湖?？傊磕暧伤锬竞庸┧o臺(tái)特瑪湖的水量不是一定值，而是由大西海子水庫(kù)的下泄量所決定，且車爾臣河的供水量亦不是一定值，因車爾臣河的豐-枯變化而變化。

隨著生態(tài)輸水工程的進(jìn)行和流域綜合治理的開(kāi)展，湖面面積已由2000年的58.79km2增長(zhǎng)到2020年的340km2，并在2017年達(dá)到511km2。其中，2000—2006年間，湖面面積總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；2007—2009年由于來(lái)水偏枯湖面積有所下降；2010—2018年以后因豐水年份偏多的緣故，湖面積總體呈上升趨勢(shì)；2019年來(lái)水偏少、湖面積變小，如圖2所示。

圖2 臺(tái)特瑪湖面積變化圖

3.2 生態(tài)輸水以來(lái)地下水位變化特征

與2000年相比塔河下游各斷面地下水埋深均有明顯抬升：2018年英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干和依干不及麻斷面地下水埋深在離河50m處各斷面分別增加了2.28、3.31、5.23、5.05m，在離河1050m處各斷面地下水埋深分別增加了0.52、0.65、1.28、1.65m，如圖3所示。

圖3 各斷面地下水位抬升量

同時(shí)，臺(tái)特瑪湖周邊地下水位也得到了抬升，這一點(diǎn)用距離臺(tái)特瑪湖最近的考干斷面1眼監(jiān)測(cè)井(J3)地下水位的變化來(lái)反映：生態(tài)輸水后J3平均地下水埋深分別為6.39m，較輸水前抬升了45.53%,如圖4所示。

圖4 臺(tái)特瑪湖附近考干斷面地下水埋深變化

將以上監(jiān)測(cè)井地下水埋深與湖面積建立關(guān)系如圖5所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)J3井地下水埋深與湖面積間的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.79(P<0.01)，表明地下水埋深與湖面積間有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即湖面積越大、地下水埋深越淺。

圖5 考干斷面地下水埋深與湖面積關(guān)系

3.3 湖周邊植被面積變化

經(jīng)過(guò)生態(tài)輸水后，臺(tái)特瑪湖周邊地下水埋深在抬升的同時(shí)，對(duì)沿湖周邊植被的生長(zhǎng)也有一定的影響。2000—2016年，各梯度等級(jí)下的植被覆蓋面積均為增加的態(tài)勢(shì)，如圖6所示，表明植被呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。其中，2000年至2010年期間，雖然生態(tài)輸水對(duì)于植被的生長(zhǎng)起到一定的促進(jìn)作用，但這種作用并不明顯；2010年后，地下水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期補(bǔ)給，逐漸開(kāi)始有所抬升，隨后幾年中抬升效果愈發(fā)顯著。

圖6 臺(tái)特瑪湖不同覆蓋度植被面積變化圖

4 討論

臺(tái)特瑪湖位于兩大沙漠之間，位于218國(guó)道與315國(guó)道的銜接地，也是塔里木河下游水生動(dòng)植物重要的棲息地和物種基因庫(kù)，無(wú)論在豐水年或枯水年，維持一定規(guī)模具有重大的戰(zhàn)略意義。但是，臺(tái)特瑪湖的修復(fù)至今仍面臨以下問(wèn)題：

(1)隨著2000年生態(tài)輸水工程的開(kāi)展，臺(tái)特瑪湖地下水大幅度抬升。但由于處于長(zhǎng)期干旱的條件下生態(tài)環(huán)境及其惡劣，短期內(nèi)無(wú)法進(jìn)行有效的恢復(fù)。2002—2010年，臺(tái)特瑪湖周邊地下水埋深依然保持在7.2m左右(圖4)，即生態(tài)輸水10年后臺(tái)特瑪湖周邊地下水位才能得到響應(yīng)。

(2)隨著近幾十年的治理，2017年臺(tái)特瑪湖的面積曾達(dá)到511km2，成效顯著。湖面面積過(guò)大的同時(shí)也意味著湖面蒸發(fā)量大，過(guò)多上游節(jié)省出來(lái)的水資源被浪費(fèi)在湖面蒸發(fā)中，若不定期進(jìn)行輸水補(bǔ)給，其湖面面積將會(huì)迅速減小，即使在一年之中不同的時(shí)間不同的季節(jié)湖面面積都會(huì)有明顯的差距，沿岸植被的生長(zhǎng)也會(huì)因此受到限制。在維持臺(tái)特瑪湖湖面面積的同時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)上游的生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水量有嚴(yán)重影響，并且整個(gè)塔里木河流域全長(zhǎng)1321km，年蒸發(fā)潛勢(shì)多在1800～2900mm，水量?jī)H18.6～50mm，水量下泄過(guò)程中勢(shì)必會(huì)因天然蒸發(fā)和滲漏產(chǎn)生巨大損耗，對(duì)于其中的生態(tài)水無(wú)法進(jìn)行高效利用，尤其在枯水年期間更會(huì)加劇水資源矛盾，因此出現(xiàn)了“花錢(qián)多，效益低”的局面。

5 結(jié)論

在近20年來(lái)對(duì)于臺(tái)特瑪湖的輸水已有顯著成效，2000—2019年大西海子下泄水量、湖面積大體呈增加趨勢(shì)。隨生態(tài)輸水的進(jìn)行和湖面積的增大，地下水埋深較輸水之前有著顯著抬升，典型監(jiān)測(cè)井(J3和J4)地下水埋深分別較輸水前抬升了45.53%、40.91%。通過(guò)建立關(guān)系，地下水埋深與湖面積間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為-0.79、-0.70)。湖周邊植被覆蓋面積顯著增加，無(wú)論是低覆蓋度(0～20%、20%～40%)，還是中、高覆蓋度(40%～60%、60%～100%)，植被面積均為增加趨勢(shì)。