塔里木河干流生態(tài)輸水響應(yīng)研究

李麗君

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

胡楊是干旱及半干旱地區(qū)重點(diǎn)保護(hù)的林木資源，是阻止沙漠?dāng)U張的森林衛(wèi)士，我國境內(nèi)的天然胡楊林主要分布在西北地區(qū)的塔里木河流域，約占中國胡楊林總面積的54%[1-2]。隨著塔里木河流域大規(guī)模的水土開發(fā)，流域內(nèi)天然胡楊林生境破碎、面積減少、生態(tài)功能退化，不僅影響到新疆社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，更危及我國乃至世界的生態(tài)安全[3-4]。因此，自2000起，國家實(shí)施了塔里木河流域近期綜合治理，為了加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)的力度，2016年自治區(qū)啟動(dòng)塔里木河流域胡楊林生態(tài)保護(hù)專項(xiàng)行動(dòng)[5]。隨著生態(tài)輸水的持續(xù)實(shí)施，優(yōu)化生態(tài)水的調(diào)度、提高輸水生態(tài)效益的需求越來越迫切，因此急需開展塔里木河干流胡楊林區(qū)生態(tài)輸水效益評估[6]。本研究基于數(shù)據(jù)搜集、野外調(diào)查和遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，從水文響應(yīng)[7-9]、植被響應(yīng)[10]及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空格局變化3個(gè)方面對2022年度塔里木河干流生態(tài)輸水效益進(jìn)行評估，并甄別當(dāng)前生態(tài)輸水存在的問題，有針對性地提出了2023年度生態(tài)輸水的對策及建議[11-13]。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域地處中國西北干旱內(nèi)陸盆地，是我國最大的內(nèi)陸河流域，北接天山，南靠昆侖山，西臨帕米爾高原，流域面積達(dá)到了102.7萬km2。塔里木河流域共包括九大源流，總計(jì)144條水系?，F(xiàn)狀下，除和田河、阿克蘇河及葉爾羌河在肖塔匯入塔里木河干流，博斯騰湖通過人為引水至孔雀河與塔里木河干流實(shí)現(xiàn)了人為水力聯(lián)系外，喀什噶爾河、迪那河、克里雅河、車爾臣河以及渭干-庫車河均已逐漸失去了與塔里木河干流的地表水聯(lián)系[14-15]。塔里木河流域面積廣闊，基本囊括了南疆和田地區(qū)、喀什地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、阿克蘇地區(qū)和巴音郭楞蒙古自治州等五地州，這里孕育了多姿多彩的南疆文明，是南疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，如圖1所示。

圖1 塔里木河干流研究區(qū)概況圖

2 基本數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 基本數(shù)據(jù)

本研究收集了生態(tài)輸水前后的多源多尺度高頻次遙感數(shù)據(jù)，包括Modis-EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)、Modis-LST地表溫度數(shù)據(jù)、GEWEX-SRB地表輻射數(shù)據(jù)、CMORPH降水?dāng)?shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)周期介于5～16d，分辨率5～250m，數(shù)據(jù)總量達(dá)到100GB以上。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲取輸水區(qū)內(nèi)地下水儲(chǔ)量、土壤水(TVDI)、植被覆蓋度、植被初級生產(chǎn)力(NPP)、植被葉面積指數(shù)(LAI)、植被景觀指數(shù)以及生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)(RSEI)等結(jié)果。

2.2 生態(tài)輸水效益評價(jià)指標(biāo)體系

為科學(xué)全面地評價(jià)2022年生態(tài)輸水取得的效益，從水文響應(yīng)、植被響應(yīng)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空格局變化的角度上構(gòu)建生態(tài)輸水效益的評價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

表1 生態(tài)輸水效益的評價(jià)指標(biāo)體系

3 結(jié)果與分析

3.1 水文響應(yīng)

2022年塔里木河干流生態(tài)輸水后地下水埋深顯著提升。如圖2所示，地下水埋深較輸水前平均抬升0.37m。其中烏斯?jié)M斷面由-2.26m抬升至-1.38m，阿其克由-2.3m抬升至-2.25m，庫爾干斷面抬升0.74m。

圖2 塔里木河上中游輸水區(qū)地下水埋深變化

地下水儲(chǔ)量以2015年地下水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，計(jì)算得出2022年塔里木河干流(上中游)地下水儲(chǔ)量變化的空間分布結(jié)果。塔里木河上中游輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量均呈現(xiàn)增加變化，且上游輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量增量總體高于中游輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量增量。塔里木河輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量增量最高可達(dá)801mm，最低為51mm。塔里木河輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量增量集中在200～300mm，占比為59.6%，主要分布于中游輸水區(qū)；其次為300～400mm，占比為24.6%，主要分布于上游輸水區(qū)；地下水儲(chǔ)量增量大于700mm的區(qū)域面積占比為7.0%，主要分布于上游輸水區(qū)北部；地下水儲(chǔ)量增量小于100mm的區(qū)域面積占比僅3.5%，主要分布于上中游輸水區(qū)交匯處的南部。

2015—2022年間，塔里木河干流輸水區(qū)輸水后干旱程度明顯減弱。根據(jù)表2所示，塔里木河干流輸水區(qū)無旱區(qū)和輕旱區(qū)面積比例增加，分別提升到2.3%、8.0%。重旱區(qū)由19.2%減少到12.3%，特旱區(qū)由4.3%減少到0.5%。綜上，塔里木河干流區(qū)域由特旱、重旱區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為輕旱和無旱區(qū)，土壤呈濕潤化發(fā)展。

表2 塔里木河干流輸水區(qū)不同等級TVDI占比 單位：%

3.2 植被響應(yīng)

2015—2022年塔里木河干流的植被覆蓋整體上呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，見表3。其中2015—2022年的7—9月植被高覆蓋度面積占比增長22.7%，極低、低、中覆蓋度分別減少了10.9%、5.8%、5.9%。表明生態(tài)輸水后，隨著地下水位抬升，塔里木河干流輸水區(qū)的植被生長態(tài)勢明顯變好。

表3 2022年7—9月各輸水不同覆蓋度胡楊林平均植被覆蓋度面積占比變化 單位：%

凈初級生產(chǎn)量又稱凈初級生產(chǎn)力。是指在初級生產(chǎn)中，除去其新陳代謝所消耗的能量(呼吸量)后剩余的能量。生態(tài)輸水促進(jìn)了胡楊林初級生產(chǎn)力提升，塔里木河干流NPP由17.85gC/(m2·d-1)增加到20.86gC/(m2·d-1)，增加了16.88%，固碳能力(NPP)顯著提高。

葉面積指數(shù)控制著生物理化過程，是干旱半干旱地區(qū)植被退化和恢復(fù)的敏感指標(biāo)。根據(jù)胡楊的葉面積指數(shù)情況，劃分為低、中，高和極高葉面積指數(shù)四類，見表4。流域葉面積指胡楊林葉面積指數(shù)整體略有回落。2015—2022年間，低等級葉面積指數(shù)面積由84.42%增加到87.07%，中等級葉面積指數(shù)面積從10.95%減少到8.44%，高等級葉面積指數(shù)面積占比基本不變，極高等級葉面積指數(shù)面積從1.29%減少至1.13%。流域葉面積指數(shù)由中等級向低等級轉(zhuǎn)移，高、極高等級無明顯變化趨勢，整體葉面積指數(shù)略有回落。

表4 塔里木河上中游各等級葉面積指數(shù)占比 單位：%

生態(tài)輸水促使胡楊林植被景觀由小斑塊向大斑塊聚集，大斑塊植被景觀的蔓延趨勢增加，見表5。塔里木河干流的最大斑塊指數(shù)由2.52增加到15.84，植被大斑塊景觀數(shù)量顯著增加。蔓延度指數(shù)從29.49(2015年)增至56.43(2022年)。在生態(tài)輸水后，分離度指數(shù)減小，破碎化程度下降；均勻度和多樣性指數(shù)減少。分離度、均勻度和多樣性指數(shù)分別減少1.17、0.37和0.52。

表5 塔里木河上中游流域植被景觀指數(shù)匯總

3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量

2022年塔里木河干流(上中游)胡楊林輸水區(qū)的生態(tài)質(zhì)量狀況主要以良[0.4～0.6]等級為主，其占比達(dá)77.4%，見表6。相較于2015、2022年塔里木河干流輸水區(qū)胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了明顯改善。2015—2022年間塔里木河干流RSEI等級為差等的面積占比由5.5%下降至0.2%，中等區(qū)面積占比由34.9%下降至18.0%，等級為良的面積占比由59.1%上升至77.4%，優(yōu)等區(qū)面積占比由0.6%增至4.4%；塔里木河干流(上中游)區(qū)域RSEI由差和中等級向優(yōu)、良等級轉(zhuǎn)化。

表6 2016—2022年塔里木河干流胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化統(tǒng)計(jì)表 單位：%

4 存在的不足與建議

4.1 存在的不足

經(jīng)過多年的努力，塔里木河干流沿線的生態(tài)保護(hù)工作取得一定的成效，但仍然存在許多問題亟待解決。通過調(diào)查研究，生態(tài)輸水工作存在以下問題：

(1)生態(tài)輸(用)水責(zé)任主體不明確、水量監(jiān)測手段缺失和聯(lián)動(dòng)協(xié)商機(jī)制不完善。目前，已基本形成了“輸水計(jì)劃制定(地方林草部門)→復(fù)核(塔管局)→審批(自治區(qū)水利廳和林草局)→實(shí)施(塔管局與地方林草水利部門)→效益評估(第三方科研機(jī)構(gòu))”的生態(tài)輸水運(yùn)行機(jī)制，但應(yīng)注意到的是在生態(tài)輸水過程中仍然存在以下問題：①生態(tài)輸水、用水責(zé)任主體不明確；②生態(tài)輸水、用水監(jiān)管不到位，實(shí)際生態(tài)輸水量監(jiān)測手段缺失；③反饋協(xié)商機(jī)制不健全：當(dāng)遭遇偏枯或偏豐年份，實(shí)際生態(tài)輸水量將發(fā)生明顯變化，“干流局—地方林草—地方國土”未形成有效及時(shí)的反饋協(xié)商機(jī)制。

(2)生態(tài)供水工程仍不完善，閘群調(diào)控方案缺失。2022年塔河流域胡楊林生態(tài)輸水量超額完成，計(jì)劃輸水量5.07億m3，生態(tài)輸水累計(jì)14.96億m3，完成度達(dá)295%。但部分區(qū)域因生態(tài)引水工程因設(shè)計(jì)不合理、維護(hù)不到位，導(dǎo)致生態(tài)閘無法發(fā)揮作用，部分生態(tài)閘超負(fù)荷引水。以塔里木河干流為例，帕恰恰克生態(tài)閘設(shè)計(jì)供水量為4611.16萬m3，但實(shí)際供水量僅為217.97萬m3；而部分生態(tài)閘引水壓力過大，如艾買塔克塔設(shè)計(jì)引水量為2134.42萬m3，但實(shí)際供水量達(dá)到了7159.89萬m3。同時(shí)2022年流域來水偏豐，容易導(dǎo)致過度淹灌。地方生態(tài)用水部門(地方林草局)，在生態(tài)輸水過程中沒有及時(shí)地疏導(dǎo)引流，造成生態(tài)受水區(qū)呈現(xiàn)淹灌不足和過度淹灌共存的現(xiàn)象。

4.2 建議

為了綜合提升塔里木河干流胡楊林生態(tài)輸水成效，提高水資源利用率，提出以下建議：

(1)建立健全生態(tài)輸水監(jiān)督考核及聯(lián)動(dòng)協(xié)商機(jī)制。為達(dá)到胡楊林重點(diǎn)保護(hù)區(qū)生態(tài)輸水和流域下泄指標(biāo)要求，協(xié)調(diào)組織水利、林草、國土等相關(guān)部門建立多部門聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)的生態(tài)輸水保障機(jī)制。各地各部門要堅(jiān)定堅(jiān)決貫徹落實(shí)自治區(qū)黨委、自治區(qū)人民政府關(guān)于塔里木河流域胡楊林生態(tài)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)的安排部署，各司其職、各負(fù)其責(zé)，確保生態(tài)輸水達(dá)到事半功倍的成效。

(2)健全胡楊林區(qū)供水配套設(shè)施。塔里木河干流輸水區(qū)供水工程及配套設(shè)施相較于其他流域較為完善，但需要重點(diǎn)關(guān)注核心區(qū)生態(tài)輸水通道是否順暢，避免出現(xiàn)過度淹灌現(xiàn)象。從流域角度出發(fā)，綜合生態(tài)需水量、生態(tài)供水模式等要素，構(gòu)建源流“集中同步組合以實(shí)現(xiàn)總流域增流”、各支流“閘群聯(lián)合調(diào)度以實(shí)現(xiàn)分段耗水控制”、下游“生態(tài)輸水，達(dá)到地下水位的調(diào)節(jié)”生態(tài)水調(diào)控總體方案。

5 結(jié)論

2022年度塔河干流生態(tài)輸水效益評估如下：

(1)生態(tài)輸水抬升了地下水埋深、增加地下水儲(chǔ)量，減輕干旱程度，促進(jìn)土壤濕潤化發(fā)展。2015—2022年干流輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量以增加200～300mm為主，占比為59.6%，主要分布于中游輸水區(qū)；重旱面積占比由19.2%降低至12.3%，輕旱區(qū)面積占比由25.8%增加至33.8%。

(2)胡楊的植被覆蓋度及固碳能力提高，葉面積指數(shù)整體增強(qiáng)，植被長勢向好發(fā)展，植被景觀由小斑塊向大斑塊聚集，促進(jìn)了流域生態(tài)修復(fù)。胡楊林高覆蓋面積占比由44.4%增加到67.1%，顯著提升了胡楊林高植被覆蓋占比；NPP由17.85gC/(m2·d-1)增加到20.86gC/(m2·d-1)，增加了16.88%，胡楊林的固碳能力得到顯著提高。胡楊林葉面積指數(shù)整體略有回落；高等級葉面積指數(shù)面積占比基本不變，低等級葉面積指數(shù)面積由84.42%增加到87.07%，中等級葉面積指數(shù)面積從10.95%減少到8.44%。生態(tài)輸水后，大斑塊指數(shù)由2.52增加到15.84，增加了13.32，蔓延度指數(shù)增加26.94，促進(jìn)胡楊林植被景觀由小斑塊向大斑塊聚集，大斑塊植被景觀的蔓延趨勢增加。

(3)輸水區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況由差和中等級向優(yōu)、良等級轉(zhuǎn)化。2015—2022年間RSEI等級為差等的面積占比由5.5%下降至0.2%，中等區(qū)面積占比由34.9%下降至18.0%，等級為良的面積占比由59.1%上升至77.4%，優(yōu)等區(qū)面積占比由0.6%增至4.4%；塔河干流區(qū)域RSEI由差、中等級向優(yōu)良等級轉(zhuǎn)化。