岱海湖水位對(duì)氣候要素與土地利用的響應(yīng)

劉柏君，夏 軍，黃生志，朱非林

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；5.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

湖泊在防洪、水資源調(diào)蓄與配置、凈化水質(zhì)、保護(hù)生態(tài)濕地、維護(hù)生物物種多樣性等方面具有不可替代的作用[1-2]，使其成為維系區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康的關(guān)鍵紐帶[3]。半干旱區(qū)湖泊由于本底環(huán)境的復(fù)雜性，區(qū)域水文氣象數(shù)據(jù)通常十分有限[4]，而半干旱區(qū)湖泊復(fù)雜的水循環(huán)過(guò)程使湖泊水位對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)更為顯著[5]，探究氣候要素與土地利用觸發(fā)湖泊水文過(guò)程異常的可能性是當(dāng)前的一個(gè)重要命題[6-7]。劉美萍等[8]認(rèn)為，氣候暖干化是內(nèi)蒙古查干淖爾湖水量、面積和水位波動(dòng)的主要原因；張宇瑾等[9]發(fā)現(xiàn)，烏梁素海在降水減少和流域水利工程建設(shè)的影響下，流域入湖水量有明顯降低的特征；Satgé等[10]認(rèn)為，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是導(dǎo)致半干旱區(qū)Poopó湖干涸的主要因素之一；魏學(xué)[11]分析了半干旱地區(qū)達(dá)里諾爾湖湖面演變過(guò)程，其變化與降水量、氣溫、蒸發(fā)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系；曹國(guó)亮等[12]通過(guò)分析艾丁湖湖泊面積、湖容、湖面蒸發(fā)變化特征發(fā)現(xiàn)，氣溫變化是影響干旱區(qū)湖泊面積變化的決定性因素；霍天賜等[13]認(rèn)為自然變化和人類活動(dòng)分別是輸水前、輸水后臺(tái)特瑪湖水域面積變化的主要影響因素；梁旭等[14]認(rèn)為，濕地、林地等對(duì)岱海湖水質(zhì)改善具有積極的作用；Cao等[15]模擬發(fā)現(xiàn)，入湖徑流、湖面蒸發(fā)和湖面降水共同影響了呼倫湖水位的升降。綜合來(lái)看，半干旱區(qū)湖泊水位變化規(guī)律不盡相同，而引起水位變化的驅(qū)動(dòng)因素也有很大差異，開(kāi)展半干旱區(qū)湖泊水位對(duì)氣候要素與土地利用的響應(yīng)關(guān)系研究，對(duì)于湖泊綜合管理具有重要意義。本文以典型半干旱區(qū)湖泊岱海湖為研究對(duì)象，分析湖區(qū)水位演變趨勢(shì)，探究湖泊水位對(duì)氣候要素與土地利用變化的響應(yīng)，以期為半干旱區(qū)湖泊生態(tài)保護(hù)與水資源管理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

岱海湖是內(nèi)蒙古第三大內(nèi)陸湖和中國(guó)典型的半干旱區(qū)湖泊，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，岱海湖流域面積為2 312.75 km2，地理位置為東經(jīng)112°30′～112°52′、北緯40°30′～40°45′，行政區(qū)劃涉及涼城縣、豐鎮(zhèn)市和卓資縣，其中涼城縣境內(nèi)面積占全流域面積的85.1%(圖1)。岱海湖屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季炎熱短促，降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在6—9月，占年降水量的72.7%，其中7—8月的降水量占年降水量的50.7%。岱海湖現(xiàn)有22條入湖河溝，其中索代溝、水草溝、目花河、天成河、步量河、土城子河、五號(hào)河和弓壩河等是其主要入湖河流。

圖1 岱海湖地理位置概況Fig.1 Location of Daihai Lake

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

涼城、北水泉、三蘇木、五號(hào)村、壩底、麻迷圖等氣象站1959—2018年氣溫、降水、蒸發(fā)、日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，三蘇木水位站1959—2018年水位數(shù)據(jù)(基于中國(guó)黃海高程)，以及岱海湖流域DEM數(shù)據(jù)(精度為90 m)、土壤類型數(shù)據(jù)(比例尺1∶100萬(wàn)，分辨率1 km，1984大地坐標(biāo)系)來(lái)自內(nèi)蒙古涼城縣水務(wù)局；岱海湖流域1988年、1998年、2008年和2018年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院。

2 研究方法

2.1 數(shù)值分析

本文采用基于有序聚類法的t檢驗(yàn)分析水位突變性[16]，通過(guò)Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)[17]和Hurst系數(shù)法[18]分析水位趨勢(shì)性。考慮到水位的影響要素較多，采用Partial Mantel檢驗(yàn)[19]分析水位與各影響要素間的相關(guān)關(guān)系。Partial Mantel檢驗(yàn)可通過(guò)添加特定變量作為控制矩陣，能夠消除變量間可能存在的間接影響，從而更加明確地檢測(cè)成對(duì)目標(biāo)變量間的相關(guān)性。Partial Mantel法檢驗(yàn)有p和r兩個(gè)檢測(cè)參數(shù)，p為顯著性水平，p越小表示相關(guān)性越顯著；r為相關(guān)性水平，r越大表示越相關(guān)。Partial Mantel檢驗(yàn)通過(guò)R語(yǔ)言中的vegan模型實(shí)現(xiàn)。

土地利用影響分析采用SWAT模型模擬實(shí)現(xiàn)[20]?？紤]到半干旱區(qū)湖泊可能存在缺少實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)問(wèn)題，湖泊月均流量采用水量平衡公式估算：

(1)

其中

AcR=ΔV-ALP+ALE

式中：Q為月平均流量，m3/s；Ac為流域面積，km2；R為徑流深度，mm；ΔV為湖泊蓄水月變化量，m3；AL為湖泊面積，km2；P為月平均降水量，mm；E為月平均蒸發(fā)量，mm；T為月份天數(shù)。ΔV和AL可由湖泊水位-面積-湖容曲線推求。

(a) DEM數(shù)據(jù)

表1 模型參數(shù)率定結(jié)果Table 1 Model parameter calibration results

2.2 湖泊流域水文模型

考慮到岱海湖冬季湖水補(bǔ)給源為地下水和降水，但部分降水以積雪狀態(tài)在地表覆蓋，不發(fā)生下滲或產(chǎn)流過(guò)程，為了優(yōu)化模型搭建，假定岱海湖表面所有的冰雪在春季都融化完畢。同時(shí)，由于岱海湖匯入河流缺乏水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而SWAT模型要求設(shè)定一個(gè)出口流量，因此，將岱海湖按照最終匯入點(diǎn)考慮，以式(1)推求的岱海湖月均流量作為模型率定與驗(yàn)證的依據(jù)?；跉庀?、水文、DEM、土地利用、土壤類型數(shù)據(jù)(圖2)，分別完成SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)和氣象數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建[20-21]。其中，岱海湖流域土地利用重分類為6類，即草地、林地、耕地、水域，建設(shè)用地和未利用地；土壤類型重分類為8類，即栗鈣土、栗褐土、灰褐土、山地草甸土、石質(zhì)土、草甸土、潮土和水域；氣象數(shù)據(jù)庫(kù)搭建由模型自帶的天氣發(fā)生器完成。

利用SWAT-CUP中的全局敏感性分析法對(duì)岱海湖流域SWAT模型參數(shù)敏感性進(jìn)行分析[21]，選用決定系數(shù)R2和納什效率系數(shù)Ens評(píng)價(jià)模型模擬效果，一般而言，當(dāng)Ens>0.5且R2> 0.6，即認(rèn)為模擬取得了良好效果[21]。選用推求的1959—1960年岱海湖流量系列為緩沖期，1961—1982年流量系列為率定期，1983—2018年流量系列為驗(yàn)證期，參數(shù)率定結(jié)果如表1所示。

由圖3可知，模型率定期R2和Ens分別為0.72和0.70，驗(yàn)證期R2和Ens分別為0.70和0.69，故認(rèn)為SWAT模型在岱海湖流域有良好的適用性，可用于分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)岱海湖水位的影響。模型模擬值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差的原因可能為：①岱海湖流域降水時(shí)空分布不均勻、暴雨中心范圍較小，模型對(duì)降水的響應(yīng)會(huì)有所偏差；②將具有開(kāi)放性且受地下水影響的岱海湖流域認(rèn)定為不透水邊界；③模型采用SCS-CN徑流曲線法定義降水事件，只考慮一天的降水總量，未考慮降水事件的強(qiáng)度和降水量。這些因素都會(huì)對(duì)模擬精度造成一定的影響。

圖3 岱海湖流量率定期和驗(yàn)證期模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果Fig.3 Comparison of simulated and measured flows in calibration and verification periods in Daihai Lake

3 結(jié)果與分析

3.1 水位演變及趨勢(shì)分析

3.1.1演變分析

岱海湖1959—2018年多年平均水位為1 221.79 m，最高水位是1962年的1 225.26 m，最低水位是2018年的1 214.48 m；M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示，岱海湖水位Z值為-10.41，通過(guò)0.01置信水平檢驗(yàn)，說(shuō)明岱海湖水位呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。圖4顯示，岱海湖3月水位最高，2月、3月、4月、8月水位均超過(guò)多年平均水位；6月、7月、10月、11月、12月水位都低于多年平均水位，而12月水位最低，比多年平均水位低0.13 m。岱海湖月均水位不同年代間均呈現(xiàn)降低特征，其中，2010—2018年與2000—2009年水位下降最明顯，年內(nèi)下降值為3.10～3.34 m；1970—1979年與1960—1969年水位下降微弱，年內(nèi)下降值為0.33～0.50 m。四季之中，岱海湖春季水位最高，為1 221.84 m；秋季水位最低，為1 221.75 m；夏季與冬季水位分別為1 221.80 m和1 221.78 m。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，岱海湖秋季水位下降最為明顯，其次為夏季，然而，夏季是岱海湖產(chǎn)流的主要季節(jié)，夏季水位的異常下降可能與氣候變化、湖泊周邊用水量增加有關(guān)。

3.1.2突變?cè)\斷

突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1982年和2005年是岱海湖水位突變點(diǎn)(均通過(guò)0.01置信水平檢驗(yàn))，由圖4可知，1959—1982年，岱海湖水位呈現(xiàn)微弱下降的特征，但水位變化整體較為穩(wěn)定；1983—2005年，岱海湖水位呈現(xiàn)陡坡式下降，雖然在2005年有所回升，但仍無(wú)法改變整體下降的趨勢(shì)；2006年后，岱海湖水位再次呈現(xiàn)陡坡式下降，直至2018年降至歷史系列水位最低值。1982年之前，岱海湖受人類活動(dòng)影響較小，1982年之后，針對(duì)岱海湖的資源性開(kāi)發(fā)逐漸加強(qiáng)，這是岱海湖水位在1982年發(fā)生突變的主要原因；2005年之后，岱海湖流域取用水量顯著增加，造成岱海湖水位在2005年發(fā)生了突變性降低。

(a) 水位年際變化

3.1.3變化趨勢(shì)推斷

利用Hurst系數(shù)法分析岱海湖水位變化趨勢(shì)。岱海湖水位的Hurst系數(shù)H為0.79，表示湖泊歷史水位變化對(duì)未來(lái)產(chǎn)生持續(xù)效應(yīng)，即岱海湖水位未來(lái)可能繼續(xù)出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。若不采取有效措施，未來(lái)岱海湖湖區(qū)面積將面臨消失的巨大風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、生態(tài)環(huán)境健康極為不利。

3.2 水位對(duì)氣候要素的響應(yīng)

圖5顯示，1959—2018年岱海湖流域多年平均氣溫為5.58℃，最大值和最小值分別為7.32℃(1998年)和4.35℃(1959年)，年際整體呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)；多年平均降水量為417.73 mm，最大值和最小值分別為669.40 mm(2003年)和201.00 mm(1965年)，年際波動(dòng)十分顯著且整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；多年平均蒸發(fā)量為1 804.29 mm，最大值和最小值分別為2 214.60 mm(1966年)和1 215.70 mm(1963年)，年際整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)并在1966年發(fā)生增加式突變；多年平均日照時(shí)長(zhǎng)為8.11 h，最大值和最小值分別為9.18 h(1965年)和7.02 h(1961年)，年際整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

partial Mantel檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(表2)，4個(gè)單一要素中，氣溫與岱海湖水位呈現(xiàn)較為顯著的相關(guān)性，日照與水位呈現(xiàn)中等的顯著性相關(guān)，降水與水位相關(guān)性較差，這可能與流域徑流的下滲強(qiáng)度有關(guān)；2個(gè)組合要素中，包含氣溫的要素組合與岱海湖水位均呈現(xiàn)顯著性相關(guān)，降水與日照、蒸發(fā)與日照的要素組合與水位相關(guān)性一般；3個(gè)組合要素中，氣溫、降水和日照要素組合與岱海湖水位呈現(xiàn)顯著相關(guān)性；在4個(gè)要素的共同作用下，岱海湖水位同樣發(fā)生明顯變化。由此推斷，氣溫是岱海湖水位演變的主導(dǎo)因素，日照與蒸發(fā)是次要因素，說(shuō)明氣溫、日照或兩者的共同變化可能引起岱海湖水位發(fā)生顯著變化，同時(shí)，岱海湖水位對(duì)氣溫的強(qiáng)敏感性也從側(cè)面反映了單一氣候要素的作用效應(yīng)高于多要素交互作用的可能性；而岱海湖水位對(duì)降水變化反應(yīng)遲鈍或滯后，說(shuō)明岱海湖流域現(xiàn)有產(chǎn)匯流過(guò)程較為復(fù)雜，降水過(guò)程不會(huì)立刻以徑流的形式體現(xiàn)，流域降水-產(chǎn)流-下滲的交互作用是未來(lái)研究的核心內(nèi)容之一。

表2 氣候要素對(duì)岱海湖水位的影響Table 2 Impacts of climatic factors on water level of Daihai Lake

3.3 水位對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

由表3可知，岱海湖流域1998年水域面積比1988年減少了19.27%，2008年水域面積比1998年減少了15.80%，2018年水域面積比2008年減少了6.25%，說(shuō)明岱海湖流域水量不斷減少；流域耕地面積、未利用土地面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，而林地面積、草地面積、建設(shè)用地面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，特別是1988—2018年建設(shè)用地面積增加了79.09%，增加幅度十分顯著，說(shuō)明岱海湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城鎮(zhèn)化進(jìn)展速度較快。由此推斷，岱海湖水位的不斷減少與人類活動(dòng)影響密不可分；同時(shí)，流域耕地、未利用地面積主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，水域面積主要向林地、草地轉(zhuǎn)換，這與湖泊面積萎縮后實(shí)施的植樹種草工程有關(guān)。

表3 岱海湖流域土地利用類型動(dòng)態(tài)變化Table 3 Dynamic changes of land use types in Daihai Lake Basin

將1988年、1998年、2008年和2018年岱海湖流域的土地利用數(shù)據(jù)輸入SWAT模型分析土地轉(zhuǎn)化對(duì)岱海湖水位的影響。假設(shè)在土地利用變化過(guò)程中，流域其他影響產(chǎn)匯流過(guò)程的要素相對(duì)穩(wěn)定或不變。表4顯示，在土地利用變化作用下，1998年、2008年和2018年岱海湖水量比1988年分別減少了6.70%、10.66%和12.48%，這也意味著岱海湖流域林地和草地面積增加導(dǎo)致流域降水截留能力增強(qiáng)、水源涵養(yǎng)能力提高、產(chǎn)流能力下降等可能是岱海湖水位降低的重要因素。綜上，氣候變化與水土資源開(kāi)發(fā)利用是影響半干旱區(qū)湖泊水位變化的主要因素。

表4 岱海湖水量模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of water quantity in Daihai Lake

4 結(jié) 論

a.1959—2018年間岱海湖水位在1982年和2005年出現(xiàn)突變，年際間呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，且水位在未來(lái)仍可能不斷降低。岱海湖水位3月最高，12月最低；春季由于融雪效應(yīng)，水位維持在較高水平；秋季由于用水影響，水位維持在較低水平，同時(shí)，秋季水位降低最為明顯。

b.氣候變化與水土資源開(kāi)發(fā)利用是影響半干旱區(qū)湖泊水位變化的主要因素。在氣候變化條件下，岱海湖水位對(duì)氣溫變化最為敏感，對(duì)日照變化的響應(yīng)次之；由于岱海湖流域降水-產(chǎn)流-下滲機(jī)制較為復(fù)雜，岱海湖水位對(duì)降水變化的響應(yīng)具有滯后性。此外，岱海湖流域林地和草地面積增加可能是引發(fā)岱海湖水位降低的重要因素。

c.考慮到岱海湖水位未來(lái)可能出現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)，無(wú)外源引水情況下，未來(lái)若出現(xiàn)連續(xù)枯水年份，岱海湖湖面會(huì)出現(xiàn)不斷萎縮的風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要規(guī)劃外調(diào)水工程以避免湖泊消亡。

d.合理規(guī)劃岱海湖流域土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化土地利用布局、嚴(yán)格管控流域工業(yè)用水、加強(qiáng)節(jié)水改造也是應(yīng)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)帶來(lái)的水位負(fù)效應(yīng)的有效方式。