岱海湖水域面積萎縮原因初探

牛茹，李青豐，樊如月，蘇歡歡

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

湖泊不僅是地球濕地景觀的重要組成成分，也是全球水文循環(huán)不可或缺的部分[1]。濕地具有凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境等眾多生態(tài)作用，也被譽為“地球之腎”，其變化對局地環(huán)境的變化有著直接影響，進(jìn)而影響人類的生產(chǎn)和生活[2]。近些年來由于頻繁的人類活動加劇和全球氣候變化，一些湖泊面積明顯萎縮[3]。湖泊面積的萎縮甚至干枯，加劇了其流域區(qū)域環(huán)境惡化，對周邊生態(tài)環(huán)境影響甚大[4,5]。

岱海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣境內(nèi)（40°30'～40°45'N，112°30'～112°52'E），是內(nèi)蒙古自治區(qū)三大內(nèi)陸湖之一。岱海四周環(huán)山，西北部為蠻漢山，南部為馬頭山，東北部有黑頭山，中間連同鴻茅鎮(zhèn)為斷陷盆地，形成一個典型的封閉型內(nèi)陸流域，該流域原總面積2312.75km2（圖1）[6]。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒漫長，夏季炎熱短促，蒸發(fā)大、降水少、多風(fēng)，土壤呈堿性。歷史上岱海曾是水草豐茂的“塞外明珠”，在高原生態(tài)系統(tǒng)中具有重要地位。但近些年，岱海流域生態(tài)環(huán)境惡化，水體縮小，水質(zhì)持續(xù)惡化，已經(jīng)對當(dāng)?shù)匾约爸苓呑匀画h(huán)境產(chǎn)生巨大影響。本文擬對岱海流域土地類型、湖水水體變化和入湖水資源進(jìn)行分析，探討岱海湖泊生態(tài)變化的原因，為岱海的保護(hù)和管理提供參考。

圖1 岱海流域水系圖

1 研究方法

1.1 湖區(qū)各類土地面積及水體變化

選取2000年、2010年、2015年、2018年、2019年和2020年為代表年份，進(jìn)行衛(wèi)星遙感解譯，分析岱海湖區(qū)水面變化趨勢。基于對衛(wèi)星圖片等圖像資料的預(yù)判，岱海環(huán)湖有國道和省道等多條公路圍繞，阻隔了外圍區(qū)域與湖區(qū)的水文聯(lián)系。目前岱海的實際流域面積已局限于湖區(qū)路網(wǎng)[（環(huán)湖的S28（湖北側(cè)、東側(cè)）、S102（湖北側(cè)、東側(cè)），S208（湖西側(cè)）、G512 道路（湖南側(cè)）]之內(nèi)的區(qū)域（圖2）。故本研究選擇在這些公路之內(nèi)的區(qū)域，以2015年衛(wèi)星圖岱海湖水面向周邊延伸2km 限作為流域界線。在此流域界限之內(nèi)的流域總面積為142km2，以此面積作為分析比較的基況數(shù)據(jù)。根據(jù)《烏蘭察布市岱海水生態(tài)保護(hù)規(guī)劃》數(shù)據(jù)（1955-2014年）及涼城縣環(huán)保局提供數(shù)據(jù)（2015-2017年），對流域水體數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總。

圖2 岱?，F(xiàn)流域范圍圖

1.2 湖區(qū)氣象資料分析

根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)涼城縣氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)（1955-2020年），對流域氣溫和降水歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總，分析氣候因子對岱海湖水體變化的影響。

1.3 湖區(qū)水系調(diào)查

2018-2020年每年于枯水期（4-5月）、豐水期（7-8月）及結(jié)冰期（次年1月和2月），以湖區(qū)衛(wèi)星遙感圖片做參照，對圍繞岱海的水系進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查。記錄入湖河流、渠道水文情況，分析岱海入湖水系的供水情況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2016 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析計算，通過軟件ENVI、易康（e cognition）以及Arc GIS 10.2 對衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)解譯處理。運用Sigma Plot 12.5進(jìn)行繪圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖區(qū)各類土地面積變化

根據(jù)2000年、2010年、2015年、2018年、2019年和2020年6期遙感衛(wèi)星影像圖，對遙感圖像中的各類土地進(jìn)行分類評價。表1和圖3顯示，岱海湖區(qū)土地類型中面積占比較大的有水域、草地、耕地和灘涂，其它土地面積占比小于總土地面積的10%。

圖3 岱海流域2000-2020年六個不同時段土地類型

表1 岱海湖區(qū)地類變化

從地類變化趨勢看，與2000年相比，2010年、2015年、2018年、2019年和2020年水域面積是減少量最大的地類。水域由2000年的80.11km2，縮減至2020年的48.52km2，減少了39.43%，水陸比由2000年的0.56 降至2020年的0.34。草地是增加量最大的地類，由2000年的33.51km2，增至2020年的65.45km2，增加了95.31%。耕地面積在2000-2015年呈增長趨勢，之后有所減少，由2015年的峰值19.07km2減少至2020年的10.53km2，減少了44.78%。林地面積總體呈現(xiàn)出減少的趨勢，至2020年林地面積為1.56km2，占總陸地面積的1.10%。居民用地面積呈增長趨勢，2020年為4.53km2，比2000年增長了5倍多。

2.2 湖區(qū)水體變化

湖面面積從1974年以來一直呈現(xiàn)萎縮趨勢。由圖4可知，2015年后湖區(qū)水面為53.92km2，較1965-1974年的峰值期縮減了109.38km2，年均縮減2.38km2。自20世紀(jì)60年代中期至今湖面面積一直呈萎縮趨勢（圖4）。

圖4 湖面面積變化

與湖面面積變化趨勢一致，同期間岱海湖水位呈現(xiàn)為下降趨勢，平均以0.182m/a的速度下降（圖5）。

圖5 湖水水位變化

同時，岱海蓄水量也持續(xù)減少，平均以0.069 億m3/a 下降。2015年后湖區(qū)蓄水量為2.36 億m3，比峰值期的1965-1974年12.27 億m3下降了80.72%（圖6）。

圖6 湖水蓄水量變化

2.3 岱海湖區(qū)氣候變化

根據(jù)涼城氣象站的記錄，岱海周邊近66年氣候變化如圖7所示。1955-2020年期間年平均氣溫5.43 ±0.11℃，期間波動較大。但總體呈上升趨勢，每10年氣溫上升約0.87℃。年均降雨量沒有呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢，66年內(nèi)年均降雨量為364.93±11.45 mm（圖7）。

圖7 涼城氣象站1955-2020年氣溫及降水量

2.4 入湖水系變化

岱海是由多條水系匯集而成的典型內(nèi)陸封閉式湖泊。原流域區(qū)（圖1）共有22 條河流直接匯入岱海[7]。但根據(jù)2018-2020年在每年枯水期、豐水期和結(jié)冰期三個時期的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)階段有水的水系僅剩了弓壩河、大河沿河和天成河（石門水庫泄水溝）3 條（表2）。弓壩河是由流域外永興河調(diào)水300 萬m3·a 的最大補給水源。大河沿河常年有少量流水；天成河在2月枯水期調(diào)查時無水，5月和8月調(diào)查時有少量水；豐水期季節(jié)性有水的河道包含老洼營南溝、西三濟廟河等7條；全年干枯的河道12 條，超過總數(shù)的1/2。根據(jù)每年豐水期的調(diào)查，3 條常年有水的河道雖河道寬，但流量很?。? 條季節(jié)性支系僅僅在雨季時期具一定的泄洪功能；12 條常年無水河道已被用于種植、車道等其他用途。

表2 岱海入湖水系現(xiàn)狀

3 討論

3.1 流域氣候變化對岱海湖水體的影響

岱海是位于我國半干旱區(qū)典型的內(nèi)陸湖，地處岱海盆地中央，岱海水域面積會受到地形、氣候和人類活動的影響[8]。岱海水體主要補給方式主要以該流域降水為主，消耗主要以湖面蒸發(fā)和生產(chǎn)生活用水(農(nóng)田灌溉用水)等為主[9]。

近年來降雨量減少被認(rèn)為是造成岱海湖湖面萎縮的原因之一[10]。然而通過對岱海湖近年來面積變化情況并結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)分析，事實并非如此。1955-2020年66年期間年平均氣溫上升約3～4℃，年均降雨量沒有明顯變化。由此計算得到的蒸發(fā)量變化不足以解釋岱海水量的巨大損失。再者，過去66年來多有氣溫和降水波動較大的時期，而岱海的水域面積水量卻沒有隨氣候的波動出現(xiàn)相應(yīng)的跳躍式變化，而是出現(xiàn)持續(xù)的穩(wěn)定性下降。本研究結(jié)果與陳海英等[6]對1973-2018年天然降水與岱海湖面積的相關(guān)性分析結(jié)果相似，但與程玉琴等[10]對1959-2015年間天然降水與岱海湖面積的分析不一致。

3.2 流域土地格局變化對入湖水量的影響

岱海流域原總面積2312.75km2，按其年平均降水量為364.93mm、年蒸發(fā)量1861.3mm[11]，計算得出該區(qū)域可有84399.19 萬m3天然降水資源。岱海水面積峰值期163.3km2時湖面每年蒸發(fā)掉30395.03萬m3水資源，剩余54004.16萬m3的降水資源除去部分土地利用后，仍有部分降水可經(jīng)周邊水系匯入岱海。這是當(dāng)時維系湖區(qū)水量的主要水資源。而當(dāng)流域被多條道路圍封后，天然匯水面積大大縮小。如圖2所示，湖區(qū)現(xiàn)匯水流域面積僅為142km2，仍按降水量為364.93mm 計，則最多只有5182 萬m3天然降水資源可能成為岱海水源的潛在補給。

除道路外，岱海流域周邊還有大量農(nóng)田、林地和苗圃等生產(chǎn)性土地。這些土地除具有阻隔作用外，還具有吸收、利用天然降水的作用。農(nóng)田、林地甚至人工草地截留并消耗了大部分的天然降水，使其難以進(jìn)入岱海中。只有在多雨的夏季，可能有部分地表徑流進(jìn)入湖中。這可能是岱海流域水系斷水甚至水道消失的主要原因。本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)：目前流域原有的大部分水系溝道已干涸，僅大河沿河、天成河和弓壩河三條河道存在補水能力。而弓壩河為最大的補水河流，其流量也僅為300萬m3·a。

根據(jù)2020年岱海湖區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)：流域面積142km2，湖面48.52km2，湖區(qū)當(dāng)年降水水量為415.3mm，自由水面蒸發(fā)874.2mm。計算分析可知其年均天然降水資源量約為5897.26 萬m3，但僅在自由水面年均失水就可達(dá)4241.62萬m3?，F(xiàn)流域范圍內(nèi)除48.52km2的水域外，還有93.48km2的其它陸域地類（包括6546.67 hm2草地和1053.33 hm2耕地）。湖區(qū)陸域擁有1655.64 萬m3的天然降水資源，平均2178.47m3/ hm2。按普通作物需水量：玉米5925m3/hm2，豆類5700 m3/hm2，苜蓿5475m3/hm2[12]計算，這些天然降水，尚不足以支撐作物本身的生產(chǎn)需水，幾乎沒有向岱海補水的可能。綜上所述，通過現(xiàn)有流域內(nèi)天然降水補給岱海水體的設(shè)想是不現(xiàn)實的。

3.3 岱海湖區(qū)水體變化的趨勢

截至2020年，岱海湖水域面積為48.52km2，不足1965-1974年峰值期160.30km2面積的三分之一。1955-2020年，蓄水量年均減少688.23 萬m3，相應(yīng)湖水位年均下降0.182m，水域面積顯著減少。本研究再次證實了岱海水體多年來持續(xù)下降的趨勢。與周云凱和姜加虎二人對岱海近50年的生態(tài)環(huán)境變化的研究結(jié)果一致[13]。岱海湖區(qū)水生態(tài)的變化趨勢如何，水體萎縮能否得到遏制？對有關(guān)岱海湖區(qū)水體下降原因的探究已刻不容緩。

岱海作為一個盆地型內(nèi)陸湖，其水源主要為天然降水通過流域內(nèi)河流匯入補給。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近幾年岱海流域的水系溝道多已常年無水。雖2018-2020年間降水較多，但農(nóng)田、林地仍截留并消耗了絕大部分降水，使得降水無助于對岱海湖區(qū)的補水。綜上所述，岱海流域有效集水面積縮小，湖區(qū)周邊土地截留入湖水天然降水入湖，是岱海湖水體萎縮的主要原因。

目前流域僅有大河沿河、天成河和弓壩河三條河道存在補水能力。其中，弓壩河為最大的補水河流，流量也僅為300 萬m3·a。部分溝渠僅在降水集中的夏秋季通過其行洪、泄洪功能可向岱海補充少量水。據(jù)此判斷，弓壩河、大河沿河和天成河三條常年有水的河道補水量外加季節(jié)性支系河流匯入湖的年補水量僅有約1000 萬m3·a，如果想要維持現(xiàn)有的岱海湖面積，每年需給湖區(qū)補水約5000 萬m3。以此推算，現(xiàn)湖面面積約50km2需補水5000 萬m3，而湖區(qū)周邊三條常年有水支系每年向湖內(nèi)最多補水1000 萬m3，在三條支系每年持續(xù)補水的情況下，該補水能力僅能使湖區(qū)面積長期維持在10km2左右狀態(tài)且不至干涸。結(jié)合1955-2020年岱海湖面的萎縮情況，進(jìn)行指數(shù)預(yù)測湖面未來趨勢也證明了短期內(nèi)岱海不會因萎縮速度太快而干涸（圖8）。

圖8 2015-2020年岱海湖水體面積及未來變化趨勢

4 結(jié)論

本研究通過衛(wèi)星遙感圖像解析岱海流域的水域變化趨勢，分析歷史氣象數(shù)據(jù)，并結(jié)合實地水系及土地利用調(diào)查等手段對水域變化的原因進(jìn)行探討。結(jié)果表明:（1）水域是岱海流域減少量最大的地類，草地是增加量最大的地類；（2）多年來岱海湖面面積、湖水位、蓄水量均呈現(xiàn)下降趨勢，湖泊面積由峰值期的160.93km2萎縮至現(xiàn)今的48.52km2，萎縮嚴(yán)重；（3）氣象數(shù)據(jù)顯示：在過去的66年間，降水量沒有明顯變化，氣溫略有升高，氣候的變化不足以解釋岱海湖區(qū)水體大幅度萎縮的原因；（4）岱海入湖水系以季節(jié)性河流為主，超過半數(shù)以上干枯。由于土地格局變化引起的入湖水量減少是水體萎縮的直接原因。按現(xiàn)狀土地格局和氣候數(shù)據(jù)分析，如不及時采取有效的治理保護(hù)措施，岱海雖不至干涸，但面積僅能維持在10km2左右。