壩上高原察汗淖爾湖泊面積變化及驅(qū)動(dòng)要素分析

陳鵬, 張冰*, 馬榮, 石建省, 司樂天

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 石家莊 050061; 2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050061; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局第四紀(jì)年代與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050061; 4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心, 北京 100083; 5.河北地質(zhì)大學(xué)城市地質(zhì)與工程學(xué)院, 石家莊 050031)

湖泊作為干旱-半干旱地區(qū)重要的水資源,是氣候和環(huán)境變化的重要指示器[1],湖泊萎縮不僅使?jié)竦孛娣e減少,更加劇了土壤鹽漬化的產(chǎn)生,裸露的湖床還會(huì)為鹽塵暴的產(chǎn)生提供物源基礎(chǔ)[2],對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅。因此探索湖泊演變的驅(qū)動(dòng)要素,對(duì)湖泊濕地的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進(jìn)來年,在全球變化和人類活動(dòng)的雙重影響下,導(dǎo)致干旱-半干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊萎縮、干涸[3]。許多學(xué)者對(duì)湖泊變化展開了研究[4],對(duì)各種自然與人為因素對(duì)湖泊演化的影響進(jìn)行了討論[5],但缺少針對(duì)驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)率及其動(dòng)態(tài)變化的定量解析。李想等[6]分析了過去40年貝加爾湖周邊氣候變化及其對(duì)水位的影響,認(rèn)為氣候變化是驅(qū)動(dòng)貝加爾湖水位變化的背景條件。張恒等[7]將過去30年京津冀地區(qū)湖泊變化分為3個(gè)階段,認(rèn)為1987—1996年湖泊變化主要由自然因素主導(dǎo),1997—2009年與2010—2017年兩個(gè)階段主要由人為因素主導(dǎo)。Su等[8]認(rèn)為高農(nóng)業(yè)用水量是導(dǎo)致咸海持續(xù)萎縮的原因。周璟等[9]認(rèn)為降水量是驅(qū)動(dòng)青藏高原湖泊擴(kuò)張的主要因素。與此同時(shí),針對(duì)察汗淖爾湖泊的研究也相對(duì)較少。王奕璇等[10]和劉一等[11]通過Mann-Kendall 檢驗(yàn)法分析了氣象要素的變化對(duì)察汗淖爾湖泊面積的影響;陳曉璐[12]則認(rèn)為農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致地下水位快速下降,使湖泊呈現(xiàn)出快速萎縮。這些研究都對(duì)驅(qū)動(dòng)湖泊變化的要素分析較為全面,但缺乏對(duì)驅(qū)動(dòng)要素的定量貢獻(xiàn)的核算。

現(xiàn)通過遙感影像提取察汗淖爾湖泊面積變化過程,結(jié)合收集察汗淖爾流域內(nèi)氣象及地下水資料,利用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Spearman相關(guān)性分析等方法識(shí)別湖泊面積與各影響因素間的響應(yīng)特征,利用多元線性回歸法分階段分析各影響因素對(duì)湖泊面積變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率,為認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變、湖泊濕地的保護(hù)與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壩上高原是北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的核心區(qū)域,也是首都的水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)屏障區(qū),生態(tài)環(huán)境較為脆弱,以農(nóng)業(yè)開墾為主的高強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)本地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力,導(dǎo)致一系列生態(tài)安全問題[13]。湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)是以人類為主要要素的典型復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng),其在自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等循環(huán)中扮演重要角色,隨著人類活動(dòng)的不斷增強(qiáng),諸如地下水開采、土地利用類型、種植模式等因素造成流域內(nèi)不同程度生態(tài)系統(tǒng)退化[14]。因此,對(duì)壩上高原典型湖泊察汗淖爾開展演變及驅(qū)動(dòng)要素貢獻(xiàn)率分析,將對(duì)未來流域的可持續(xù)發(fā)展起到重要的指導(dǎo)作用,對(duì)壩上高原生態(tài)屏障的建設(shè)起支撐作用。

察汗淖爾流域位于壩上高原西側(cè),流域總面積約6 757.6 km2,地勢(shì)四周高中間低,切割較強(qiáng)烈,溝谷發(fā)育,中部為商-張盆地[15](圖1)。流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,光照充足,晝夜溫差大,干旱、多風(fēng)、少水、無霜期短,多年平均氣溫-0.3～3.7 ℃,多年平均降水量361.61 mm,主要集中在6～9月,多年平均蒸發(fā)量為1 902.88 mm,為降水量的5.26倍,無霜期100 d左右。流域內(nèi)水資源總量為1.812×108m3,其中地下水資源量1.384×108m3,占流域水資源量的76%,農(nóng)業(yè)用水量占流域內(nèi)總用水量的80%。該地區(qū)土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重,主要地帶性土壤為栗鈣土,優(yōu)勢(shì)物種主要有堿蓬、鹽爪爪、芨芨草與克氏針茅等。土地利用類型以耕地為主,主要種植作物為馬鈴薯、甜菜與莜麥等[16]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)獲取

遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)及美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)(http://www.usgs.gov/)Landsat系列遙感影像,如圖2所示,時(shí)空分辨率為 8 d、250 m,行列號(hào)為 h26、V04。氣象資源主要來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn)。地下水?dāng)?shù)據(jù)來源于察汗淖爾流域20口地下水監(jiān)測(cè)井1990—2020年長(zhǎng)時(shí)間序列5日觀測(cè)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》等。

圖2 1984—2019年察汗淖年際遙感影像

1.3 研究方法

主要采用Mann-Kendall檢驗(yàn)[17]分析氣候變化趨勢(shì)的顯著性和突變性,通過Spearman相關(guān)性分析識(shí)別各影響因素與湖泊水面變化之間的響應(yīng)特征,最后運(yùn)用多元線性回歸法[18]分析各影響因素對(duì)湖泊面積變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率,從而找出影響湖泊面積的主要驅(qū)動(dòng)因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊面積變化特征分析

通過資料收集與察汗淖爾遙感影像分析,在1984—2020年察汗淖爾湖泊面積呈萎縮趨勢(shì),每年面積減少0.94 km2(圖3),總體上察汗淖爾湖泊的水面變化特征可分為3個(gè)階段。第一階段:湖泊水面呈自然交替變化階段(1984—1999年),湖面季節(jié)性凸顯,察汗淖爾最大水體面積波動(dòng)于20～50 km2。此階段下,流域內(nèi)地下水開采量較小,察汗淖爾湖泊具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源,在降水量較少的干旱年份也能維持一定的水面面積。第二階段:湖泊水面呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)階段(2000—2005年),其變異系數(shù)為0.809。此階段下,流域內(nèi)地下水大量開采,導(dǎo)致其對(duì)湖泊補(bǔ)給量減少,進(jìn)而成為影響湖泊變化的主要因子,湖泊季節(jié)性變化明顯。第三階段:湖泊干涸-恢復(fù)交替階段(2006—2020年),此階段下湖泊失去了地下水的補(bǔ)給,在2006—2009年間湖泊基本處于干涸狀態(tài),隨后在人類活動(dòng)的干預(yù)下,流域內(nèi)水庫(kù)向下游排水,使得湖泊水面短暫恢復(fù)(15～34 km2),隨后在2014—2017年水庫(kù)除險(xiǎn)加固后長(zhǎng)期無下泄水量,導(dǎo)致湖泊又快速萎縮。

圖3 察汗淖爾豐水期水面面積變化特征

2.2 氣候變化對(duì)察汗淖爾的影響分析

通過察汗淖爾周邊氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù),分析氣候變化對(duì)察汗淖爾面積的影像(圖4和圖5)。1990—2020年研究區(qū)內(nèi)年平均氣溫整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),速率為每10年上升0.2 ℃,年降水量整體變化趨勢(shì)不明顯,呈波動(dòng)狀態(tài)。通過Mann-Kendall檢驗(yàn),自1998年以來,年平均氣溫呈上升趨勢(shì)但并不顯著(0

圖4 年平均氣溫變化及其Mann-Kendall檢驗(yàn)

通過實(shí)地調(diào)查以及對(duì)湖盆高程的分析,湖泊面積對(duì)降雨的響應(yīng)快速,因此對(duì)流域內(nèi)降雨類型變化進(jìn)行分析。根據(jù)中國(guó)氣象局規(guī)定的降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)化德縣氣象站過去30年內(nèi)降水類型的變化情況(圖6)。由圖6可知,1990—2020年內(nèi)流域內(nèi)小雨、中雨和大雨除個(gè)別年份外沒有明顯變化,小雨多年平均為68.5次,中雨多年平均為7.8次,大雨多年平均為1.9次,暴雨次數(shù)則顯著下降,由1990年的59次下降為2020年的2次,下降速率為每年減少1.5次。

圖6 不同雨型年際變化

以上結(jié)果表明,流域內(nèi)氣候暖干化趨勢(shì)并不顯著,但降雨類型卻顯著變化,暴雨次數(shù)顯著減少,溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)量變大,不利于察汗淖爾湖泊水面面積的維持,加之人類活動(dòng)的影響,導(dǎo)致湖泊水體收支不平衡,造成察汗淖爾不斷萎縮。

2.3 地下水對(duì)湖泊的支撐作用

察汗淖爾流域內(nèi)的商都、尚義、張北等縣是華北地區(qū)主要的蔬菜種植基地,從20世紀(jì)90年代開始,大規(guī)模地下水開采,逐漸改變流域水循環(huán)模式,進(jìn)而對(duì)區(qū)域內(nèi)河流、湖泊、地下水環(huán)境等帶來顯著影響。如圖7(a)所示,過去30年間,流域內(nèi)水澆地面積由16.36×104hm2增加到156.83×104hm2,增加了近10倍,其中2010年急劇增加,較2009年增加42.76×104hm2,年平均增加4.68×104hm2,流域內(nèi)蔬菜種植面積由6.47×104hm2增加到26.30×104hm2,增加了近4倍,年平均增加0.66×104hm2。大規(guī)模蔬菜種植與水澆地的增加,導(dǎo)致流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)增高,地下水高強(qiáng)度開采,導(dǎo)致流域內(nèi)地下水位持續(xù)下降。如圖7(b)所示,過去30年間農(nóng)業(yè)用水量由2 315×104m3增加為3 503×104m3,其中2009年到達(dá)峰值6 184×104m3,年平均增加39.6×104m3,相對(duì)應(yīng)地,流域內(nèi)地下水埋深由3.6 m下降為11.0 m,年平均下降0.25 m。

圖7 農(nóng)業(yè)種植及地下水埋深變化

由于流域內(nèi)潛水含水層厚度較小,在大規(guī)模地下水開采中,地下水位持續(xù)下降,水循環(huán)模式發(fā)生顯著變化(圖8)。20世紀(jì)70—80年代,流域內(nèi)地下水尚未進(jìn)行大規(guī)模開采,水動(dòng)力場(chǎng)基本處于自然狀態(tài)。20世紀(jì)90年代,流域內(nèi)開始大規(guī)模種植西芹、甜菜、蘿卜等高耗水作物,采補(bǔ)失衡,地下水位持續(xù)下降,水動(dòng)力場(chǎng)與水循環(huán)模式亦發(fā)生改變,至2005年地下水潛水面低于察汗淖爾湖底,湖泊失去地下水補(bǔ)給。

圖8 1975—2021年察汗淖爾流域地下水潛水面演化

2.4 徑流量對(duì)湖泊面積的影響

流域范圍內(nèi)主要入湖河流有大清河、五臺(tái)河、六臺(tái)河、不凍河、十八頃河、公雞河、特布烏拉河以及統(tǒng)領(lǐng)地河等,均為季節(jié)性河流,常年流量較小,長(zhǎng)度為28～85 km,上游河流區(qū)域建設(shè)有大青溝、武家村、哈拉溝等水庫(kù),2014—2017 年水庫(kù)除險(xiǎn)加固后長(zhǎng)期無下泄水量,導(dǎo)致地表水系連通性較差。

從圖9(a)可知:通過對(duì)1975—2020年不凍河河道徑流量與降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:在1986年極端干旱的年份(當(dāng)年降水量?jī)H為235.8 mm)河道依然能維持75×104m3的年徑流量,說明在人類活動(dòng)還不強(qiáng)烈時(shí),河道接受地下水的補(bǔ)給;河道徑流量在1990年達(dá)到峰值,但隨后在1991年降雨量較上一年由439.8 mm減小為400.18 mm,降水量小幅減小,河道徑流量卻呈斷崖式下跌,由1 750×104m3減小為113×104m3,減小了約15倍,說明隨著人類活動(dòng)逐漸增強(qiáng),改變了地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系;在2003年,降水量較前一年由295.1 mm增加至505.3 mm,河道徑流量卻由323×104m3減小為97×104m3,說明隨著地下水位持續(xù)下降,大氣降水無法有效轉(zhuǎn)化為地表徑流。通過圖9(b)可知,徑流量與湖泊面積相關(guān)性不大(相關(guān)系數(shù)R2=0.21),說明地表徑流對(duì)于維持湖泊面積作用有限,湖泊主要依賴于地下水和大氣降水,在失去地下水的補(bǔ)給后,湖泊迅速萎縮、干涸,變?yōu)閮H在降水充沛時(shí)才有水面的季節(jié)性湖泊。

圖9 察汗淖爾流域徑流量變化及與湖泊面積的關(guān)系

2.5 湖泊面積與影響因素間響應(yīng)特征及貢獻(xiàn)率分析

對(duì)察汗淖爾面積與各影響因素進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析(圖10)。察汗淖爾面積變化主要與農(nóng)業(yè)用水量與地下水埋深呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.71與-0.67;與徑流量呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.57,這說明農(nóng)業(yè)用水量對(duì)察汗淖爾面積影響最大,農(nóng)業(yè)用水量越大,察汗淖爾面積越小。另外,農(nóng)業(yè)用水量與地下水埋深正相關(guān),與徑流量負(fù)相關(guān),地下水埋深與徑流量負(fù)相關(guān)。

圖10 湖泊面積與各驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)性分析

通過多元線性回歸對(duì)湖泊面積變化與各影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行擬合[式(1)],擬合回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.49,再利用各影響因素的系數(shù)確定其貢獻(xiàn)率(圖11),數(shù)據(jù)處理與分析采用SPSS 22軟件(https://www.ibm.com)進(jìn)行。

圖11 湖泊面積變化驅(qū)動(dòng)要素貢獻(xiàn)率

(1)

由圖11可知,在近30年間,高額的農(nóng)業(yè)用水量是導(dǎo)致察汗淖爾湖泊萎縮的主要影響因素,其貢獻(xiàn)率為51.1%,大量開采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉活動(dòng)導(dǎo)致流域內(nèi)局部地下水超采嚴(yán)重,地下水位普遍下降,使地下水埋深成為驅(qū)動(dòng)察汗淖爾變化的次要影響因素,其貢獻(xiàn)率為33.3%。各影響因素貢獻(xiàn)率大小依次為農(nóng)業(yè)用水量>地下水埋深>降水量>徑流量>年均溫,這說明察汗淖爾湖泊萎縮受主要受人類活動(dòng)的影響。

3 討論

3.1 氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)湖泊的影響

干旱-半干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊的萎縮與干涸是一個(gè)復(fù)雜的過程,驅(qū)動(dòng)要素眾多[19],在湖泊變化的動(dòng)態(tài)過程中,各驅(qū)動(dòng)要素對(duì)湖泊變化的貢獻(xiàn)率不同。首先,眾多學(xué)者的研究表明,在湖泊變化的過程中,氣候條件是湖泊萎縮或干涸的重要背景因素[20]。察汗淖爾湖泊周邊氣候變化已有眾多研究成果[21],本文研究通過Mann-Kendall檢驗(yàn)與降水類型變化分析,得出氣候變化不利于察汗淖爾湖泊水面面積的維持。其次,流域內(nèi)人類活動(dòng),如地下水開采、修建水庫(kù)等進(jìn)一步加劇湖泊萎縮[22]。從20世紀(jì)90年代以來,流域范圍內(nèi)開始發(fā)展錯(cuò)季蔬菜種植,耗水蔬菜的種植造成了地下水的大量消耗,導(dǎo)致地下水位普遍下降,減少了地下水對(duì)湖泊的補(bǔ)給,導(dǎo)致湖泊萎縮。在研究區(qū)附近的岱海流域,岱海湖面面積萎縮主要受人類社會(huì)生產(chǎn)生活影響較大,其次為自然因素[23],與本次研究結(jié)果相一致。

3.2 人工林對(duì)流域水循環(huán)的影響

眾多學(xué)者的研究表明:大規(guī)模植樹造林對(duì)區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生影響,造成一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[24]。察汗淖爾流域所在的壩上高原是北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型區(qū)域,生態(tài)環(huán)境脆弱,同時(shí)兼具京津地區(qū)重要的生態(tài)屏障和供水源地的特殊作用,自退耕還林工程在全國(guó)范圍內(nèi)開展以來,在流域范圍內(nèi)種植大量人工林,在同樣位于壩上高原的月亮湖,隨著造林面積的增加,月亮湖水域的面積呈減小趨勢(shì)[25]。察汗淖爾流域內(nèi)人工林主要呈斑塊狀分布,面積為308.09 km2,占流域面積的4.56%,具有一定防風(fēng)固沙的生態(tài)效益,以小葉楊與小葉錦雞兒為主,根據(jù)調(diào)查訪問,主要種植與20世紀(jì)80年代。

采用ArcGIS 10.2(http://www.esri.com)Toolbox “分區(qū)統(tǒng)計(jì)”功能,對(duì)流域2000—2020年蒸發(fā)量按不同土地覆蓋類型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),計(jì)算不同土地覆蓋類型的蒸發(fā)量平均值。由圖12可知,林地蒸發(fā)量>草地>裸地,在壩上地區(qū)氣候暖干化的背景條件下[21],流域2000—2020年蒸發(fā)量呈明顯增加趨勢(shì),其中2013年蒸發(fā)量達(dá)到峰值,林地蒸發(fā)量為389.89 mm,草地為370.27 mm,裸地為354.69 mm。人工林雖然增加了水源涵養(yǎng)能力,但會(huì)截留降水的10%～40%[26],減少總徑流量,同時(shí)通過蒸散發(fā)消耗土壤水分和地下水[27],經(jīng)估算,察汗淖爾流域人工林每年蒸發(fā)消耗水資源約0.95×108m3,因此造成流域范圍內(nèi)匯入湖泊的水量相對(duì)減少,造成湖泊萎縮。

圖12 地表植被蒸發(fā)量變化

3.3 湖泊變化對(duì)環(huán)境的反饋

湖泊變化分為湖泊萎縮與湖泊擴(kuò)張[9],本次主要討論湖泊萎縮對(duì)環(huán)境的反饋。干旱-半干旱區(qū)湖泊的萎縮往往意味著土壤鹽漬化的產(chǎn)生[28],Wang等[29]的研究表明:湖泊水量的變化將導(dǎo)致土壤鹽漬化的加劇,帶來巨大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),造成湖泊周圍植被退化,裸露的湖床還會(huì)為鹽塵暴的產(chǎn)生提供物源基礎(chǔ)[30]。劉浩等[31]的研究還表明:咸海的萎縮導(dǎo)致沿湖岸邊界30 km的范圍內(nèi)地表溫度顯著升高,溫度的升高導(dǎo)致湖泊蒸發(fā)量增大,將造成湖泊的進(jìn)一步萎縮。

4 結(jié)論

(1)察汗淖爾在過去30年間逐漸萎縮,幾乎干涸。主要經(jīng)歷了3個(gè)階段的變化:湖泊水面呈自然交替變化階段(1984—1999年);湖泊水面呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)階段(2000—2005年);湖泊干涸-恢復(fù)交替階段(2006—2020年)。湖泊面積最大值出現(xiàn)在1991年,約為50.5 km2,最小值出現(xiàn)在2006年、2007—2008年,約為0.01 km2。

(2)氣候變化不利于察汗淖爾湖泊水面面積的維持,高額的農(nóng)業(yè)用水量是導(dǎo)致湖泊萎縮的主要原因。由于大量開采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,地下水潛水面于2005年低于察汗淖爾湖底,湖泊失去地下水補(bǔ)給。農(nóng)業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)為-0.71,貢獻(xiàn)率為51.1%,地下水埋深相關(guān)系數(shù)為-0.67,貢獻(xiàn)率為33.3%。

(3)以察汗淖爾湖泊為研究對(duì)象,圍繞湖泊面積變化特征,對(duì)驅(qū)動(dòng)湖泊面積變化的因素展開研究,確定了各驅(qū)動(dòng)要素對(duì)湖泊面積變化的貢獻(xiàn)率,為同類型內(nèi)陸湖泊濕地的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。