1980—2016年寧夏主要湖泊演變規(guī)律與驅(qū)動(dòng)因素分析

王生鑫 徐濤 張海濤 段麗婷 張華 馬思佳 趙宇翔

摘要 基于1980—2016年寧夏地區(qū)湖泊數(shù)據(jù)，結(jié)合Google Earth影像處理、Mann-Kendall趨勢分析法研究近37年寧夏湖泊空間分布特征和主要湖泊面積變化狀況，并進(jìn)一步探討氣候變化、徑流條件和人類活動(dòng)對湖泊演變的影響。結(jié)果表明：寧夏地區(qū)湖泊以永久性淡水湖為主，主要分布在銀川和石嘴山市。1980—2016年面積在1.00 km2以上的湖泊的總面積呈增加趨勢；其中，有84%的湖泊面積呈現(xiàn)增加趨勢，16%的湖泊面積呈減小趨勢。寧夏湖泊面積變化是由自然因素和人為因素共同引起的，湖泊面積與年均氣溫、年降雨量的變化趨勢相同，與年徑流量的變化趨勢相反；不同類型的人類活動(dòng)對湖泊面積的影響不同，但總體上對湖泊面積增加起到了促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 湖泊；演變規(guī)律；驅(qū)動(dòng)因素；寧夏

中圖分類號(hào) TV213.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2024）03-0057-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.014

Analysis of the Evolution Rule and Driving Factors of Major Lakes in Ningxia from 1980 to 2016

Abstract Based on lake data in Ningxia from 1980 to 2016， combined with Google Earth image processing and Mann-Kendall trend analysis， this study explored the spatial distribution characteristics and changes in the main lake areas of Ningxia from 1980 to 2016， and further explored the impact of climate change， runoff conditions and human activities on lake evolution.The results showed that the lakes in Ningxia were mainly permanent freshwater lakes， mainly distributed in Yinchuan and Shizuishan cities. The total area of lakes with an area of over 1.00 km2 showed an increasing trend from 1980 to 2016; among them， 84% of the lake area showed an increasing trend， while 16% of the lake area showed a decreasing trend.The change in lake area in Ningxia was caused by both natural and human factors. The trend of lake area was the same as that of annual temperature and rainfall， but opposite to that of annual runoff; the impact of different types of human activities on lake area varied， but overall， they had a promoting effect on the increase of lake area.

Key words Lakes;Evolution rule;Driving factor;Ningxia

湖泊作為濕地的一種類型，既是重要的自然資源，又具有蓄洪補(bǔ)枯、調(diào)節(jié)水量、降解凈化等明顯的生態(tài)保護(hù)作用，旅游、養(yǎng)殖等經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益顯著［1］。干旱區(qū)的湖泊不僅對氣候變化反應(yīng)更加敏感，更是抵御人類活動(dòng)干擾的第一道防線，對生態(tài)與環(huán)境變化有著直接作用和重大影響［2-3］。寧夏屬干旱半干旱區(qū)，水資源短缺嚴(yán)重，對黃河水源依賴性強(qiáng)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)，地下水過度開采，導(dǎo)致地下水位不斷下降，形成區(qū)域性漏斗，湖泊濕地面積逐年縮小；工業(yè)廢水、生活污水隨意排放，農(nóng)藥化肥大量使用，湖泊水質(zhì)變差；導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境越發(fā)脆弱，水資源供需矛盾日益突出。因此，對寧夏地區(qū)進(jìn)行湖泊水生態(tài)調(diào)查，分析湖泊演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素，對該地區(qū)制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃有重要意義。近年來，也有諸多學(xué)者對寧夏湖泊進(jìn)行了研究，獲得了不少成果。如田巍等［4］以寧夏重點(diǎn)湖泊為研究對象，建立寧夏湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系，對寧夏重點(diǎn)湖泊進(jìn)行生態(tài)健康評價(jià)，結(jié)果顯示沙湖、星海湖、閱海、騰格里湖為亞健康狀態(tài)，鳴翠湖和寶湖為健康狀態(tài)；王世強(qiáng)［5］通過對太陽山濕地水樣的數(shù)據(jù)采集，采用主成分分析法和綜合污染指數(shù)法，分析各湖區(qū)的水污染狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)東湖區(qū)和小南湖區(qū)污染較嚴(yán)重，西湖區(qū)和南湖區(qū)污染程度較輕。此外，還有學(xué)者針對沙湖［6］、文萃湖［7］等湖泊進(jìn)行了研究。但目前研究多針對寧夏個(gè)別湖泊的水質(zhì)狀況進(jìn)行判別檢測，對于寧夏全區(qū)湖泊面積變化分析較少。因此，筆者選取1980—2016年湖泊面積數(shù)據(jù)，結(jié)合Google Earth影像，對寧夏全區(qū)湖泊進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究近37年寧夏湖泊演變規(guī)律，并分析氣候變化和人類活動(dòng)對湖泊演變的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏地處西北內(nèi)陸、黃河上中游，與陜西、甘肅和內(nèi)蒙古接壤，是連接華北和西北的重要橋梁。地理位置為104°17′～107°40′E、35°14′～39°23′N，南北相距456 km，東西相距250 km，總面積6.64萬km2［8］。地勢由南向北依次為六盤山山地、黃土高原、鄂爾多斯臺(tái)地、寧夏平原、賀蘭山山地，南高北低，高差近1 000 m，呈階梯狀下降。三面環(huán)沙，深居內(nèi)陸，屬于典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，多年平均降雨量為160～610 mm，由南向北遞減，多年平均氣溫5～9 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 254～3 112 h，水面年蒸發(fā)量800～1 600 mm。境內(nèi)黃河干流自西向北，貫穿寧夏北部，祖厲河、清水河、紅柳溝、苦水河等黃河支流遍布，西干渠、唐徠渠、漢延渠等灌溉溝渠縱橫。同時(shí)，寧夏境內(nèi)湖泊眾多，據(jù)寧夏水利科學(xué)研究院2017年調(diào)查數(shù)據(jù)，全區(qū)湖泊數(shù)量達(dá)234個(gè)，總面積178.08 km2，主要分布在黃河干支流的附近，多為永久性淡水湖，也有部分湖泊是季節(jié)性積水形成的季節(jié)性淡水湖、季節(jié)性咸水湖（圖1）。湖泊水量的補(bǔ)給主要依賴于引入的黃河水或其通過渠道、農(nóng)田滲漏為地下水的補(bǔ)給，以及黃河河床水流對地下水的側(cè)向補(bǔ)給，洪水、再生水等水源，水面面積受降水、灌溉以及天氣情況等因素影響，年內(nèi)變化劇烈。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 湖泊水文數(shù)據(jù)。

該研究使用的湖泊數(shù)據(jù)來源于寧夏回族自治區(qū)水利廳有關(guān)部門，缺失年份的湖泊數(shù)據(jù)采用對應(yīng)年份Google Earth影像量算湖泊面積，個(gè)別變化較大湖泊選擇鄰近年份面積均值。水文數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會(huì)網(wǎng)站。對黃河干流及其支流水文站1980—2016年年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得寧夏全區(qū)逐年徑流數(shù)據(jù)。

1.2.2 氣象與統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站。選取1980—2016年寧夏區(qū)內(nèi)25個(gè)國家氣象站點(diǎn)（惠農(nóng)、銀川、陶樂、中衛(wèi)、中寧、鹽池、海源、同心、固原、西吉等）的氣溫、降雨量數(shù)據(jù)作為寧夏氣候變化的數(shù)據(jù)源。由于寧夏的降雨量和氣溫等氣候要素均存在由南到北的變化趨勢，地區(qū)差異明顯，且湖泊多集中于北部引黃灌區(qū)和中部地區(qū)，因此僅收集分布在寧夏中部和北部的氣象站數(shù)據(jù)。此外，寧夏區(qū)內(nèi)湖泊的形成與人類活動(dòng)密切相關(guān)，選用1998—2016年寧夏全區(qū)年末人口數(shù)、生產(chǎn)總值和農(nóng)作物總播種面積數(shù)據(jù)來定量分析人類活動(dòng)對湖泊演變的影響；數(shù)據(jù)均來源于國家統(tǒng)計(jì)局的中國統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 Mann-Kendall趨勢分析法

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法是一種典型的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該檢驗(yàn)方法在水文領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用［9］。對某一給定的時(shí)間系列Xt（t=1，2，…，n），其檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S為：

S服從正態(tài)分布，其均值為0，方差計(jì)算公式如下：

當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量表示為：

數(shù)據(jù)序列的變化速率大小可以用梯度系列的中位數(shù)來表示：

采用雙邊檢驗(yàn)，零假設(shè)為不存在趨勢，在給定的α顯著性水平上，如果|Zc|>Z1-α/2則拒絕原假設(shè)，Zc的絕對值在大于2.58時(shí)，分別表示通過了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升（Zc>0）或下降（Zc<0）趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊現(xiàn)狀分析

將寧夏全區(qū)不同類型湖泊按行政區(qū)劃分統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析（表1），2017年寧夏全區(qū)234個(gè)湖泊，永久淡水湖數(shù)量最多，占比為66.24%，其次是人工湖泊和季節(jié)性咸水湖，數(shù)量占比為14.96%和11.96%，季節(jié)性淡水湖和永久性咸水湖數(shù)量最少，占比均為3.42%，湖泊總面積達(dá)178.08 km2。其中銀川市湖泊面積最大，86個(gè)湖泊占全區(qū)湖泊總面積的41.66%；石嘴山市湖泊數(shù)量21個(gè)，占全區(qū)湖泊總面積的36.07%；銀川市和石嘴山市擁有寧夏全區(qū)大部分的湖泊面積，占比達(dá)77.73%。吳忠市湖泊數(shù)量較多（84個(gè)），占湖泊總數(shù)量的35.90%，但是面積僅占湖泊總面積的12.73%；中衛(wèi)市和固原市擁有的湖泊數(shù)量分別占湖泊總數(shù)量的16.24%、2.14%，面積分別占湖泊總面積的8.40%、1.14%。

2.2 湖泊面積和數(shù)量變化

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，寧夏常年水域面積在1.00 km2以上的湖泊有25個(gè)，1980—2000年總面積均值為124.82 km2，2001—2016年總面積均值為190.15 km2，相比于1980—2000年湖泊面積增加52.34%，增加趨勢顯著。對25個(gè)湖泊在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)湖面面積及其變化率進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2），湖面面積在10.00 km2以上的湖泊有5個(gè)，星海湖、沙湖和哈巴湖在1980—2016年面積均值均保持在10.00 km2以上，閱海湖和騰格里湖在1980—2000年湖面面積均值小于10.00 km2，2000年之后增長至10.00 km2以上。1980—2000年哈巴湖湖面面積均值最大，為25.86 km2，2001—2016年沙湖湖面面積均值最大，為34.09 km2。其中84%的湖泊面積呈現(xiàn)增長趨勢，以閱海湖的增長趨勢最為顯著，達(dá)到961.46%。閱海湖面積的劇烈增長可能受到該湖泊在2003—2016年先后實(shí)施了湖泊清淤除壩、退池還湖、閱海典農(nóng)河水系連通工程等濕地生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的重大影響。16%的湖泊面積呈減少趨勢，但減少趨勢較微弱，分別是鶴泉湖、天湖、清水湖和明水湖，其原因可能是城市建設(shè)占地，蓄水量變化，導(dǎo)致湖泊水量減少，湖泊面積出現(xiàn)萎縮。

2.3 驅(qū)動(dòng)因素分析

2.3.1 氣候和水文變化。

1980—2016年寧夏年均氣溫、年降雨量和年徑流量隨時(shí)間的變化過程如圖2所示。近37年寧夏年均氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，根據(jù)Mann-Kendall參數(shù)檢驗(yàn)法計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)量Zc=4.88，通過了99%的顯著性檢驗(yàn)，說明年均氣溫的上升趨勢顯著；近37年寧夏多年平均氣溫為8.66 ℃，年均最低氣溫出現(xiàn)在1984年，為7.06 ℃，年均最高氣溫出現(xiàn)在2013年，為9.80 ℃，2016年年均氣溫相比1980年增加1.86 ℃，年均變化幅度為0.05 ℃。從5年滑動(dòng)平均曲線看，2000年處存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2000—2016年年均氣溫的上升速度降低，曲線趨于平緩（圖2a）。近37年寧夏年降雨量基本圍繞多年均值上下波動(dòng)，且1991年前變化幅度明顯大于1991年之后。計(jì)算得到Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量Zc=0.49，未通過99%的顯著性檢驗(yàn)，說明年降雨量的上升趨勢不顯著；根據(jù)降雨量的5年滑動(dòng)平均曲線，近37年降雨量呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢；多年平均降雨量為270.86 mm，最小年降雨量出現(xiàn)在1982年，為160.41 mm，最大年降雨量出現(xiàn)在1985年，為381.85 mm（圖2b）。

從圖2c可以看出，近37年寧夏全區(qū)年徑流量整體上呈現(xiàn)先增后減的趨勢，計(jì)算得到Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量Zc=-1.32，未通過99%的顯著性檢驗(yàn)，說明年徑流量的下降趨勢并不顯著；多年平均年徑流量為8.34×108 m3，年徑流量的最小值和最大值分別出現(xiàn)在1982和1996年，分別為5.1×108和12×108 m3；徑流量的年際變化具有明顯的豐枯交替變化特點(diǎn)，1980—2016年的37年中小于均值的年份有22年，大于均值的年份有15年。2004—2012年，徑流連續(xù)9年偏枯，多年平均徑流量為7.04×108 m3，相比全序列的年均徑流量減少15.59%。寧夏河川徑流量的主要補(bǔ)給來源為降水，徑流的季節(jié)變化與降水的季節(jié)變化關(guān)系十分密切。由于氣溫的不斷上升，水面蒸發(fā)能力也會(huì)隨之增強(qiáng)，年蒸發(fā)量大于年降雨量［10］，年徑流量出現(xiàn)持續(xù)偏枯。

氣溫、降雨量、徑流量等要素對湖泊的影響并不是獨(dú)立作用的，是多種要素的耦合作用［11］。將長序列分為2個(gè)時(shí)段（1980—2000和2001—2016年），分析湖泊面積與各要素之間的變化關(guān)系。由表3可知，在2個(gè)時(shí)段內(nèi)，湖泊面積與年均氣溫、年降雨量具有相同的變化趨勢，表現(xiàn)為年均氣溫上升10.88%，年降雨量增加1.46%，湖泊面積增大52.34%；湖泊面積與年徑流量的變化趨勢相反，表現(xiàn)為年徑流量減少10.21%。湖泊面積逐漸擴(kuò)大，說明生態(tài)環(huán)境向好的態(tài)勢轉(zhuǎn)變。

2.3.2 人類活動(dòng)。

人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、耕地面積和生態(tài)保護(hù)工程等人類因素引起的變化都會(huì)對湖泊產(chǎn)生重要影響。該研究主要選取年末人口總數(shù)、生產(chǎn)總值和農(nóng)作物總播種面積作為評價(jià)人類活動(dòng)對湖泊演變影響的指標(biāo)進(jìn)行分析（圖3）。由圖3可知，寧夏全區(qū)生產(chǎn)總值、年末人口數(shù)和農(nóng)作物總播種面積在1998—2016年整體上均呈現(xiàn)上升趨勢。寧夏生產(chǎn)總值曲線變化呈現(xiàn)先緩慢增長再快速增長最后平緩增長，寧夏生產(chǎn)總值和人口數(shù)分別由1998年的227.46億元、538萬人增長至2016年的3 168.96億元、675萬人，分別增長1 293.19%、25.46%。農(nóng)作物總播種面積在2005年之前變化波動(dòng)較大，在2005年之后則呈現(xiàn)持續(xù)的增長趨勢；相比于1998年，2016年的農(nóng)作物總播種面積增長了26.85%。由播種面積增加引起的灌溉水量消耗增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致城市建設(shè)的擴(kuò)張，以及地下水的過度開采都會(huì)導(dǎo)致湖泊面積的減小，使湖泊萎縮。因此，為保護(hù)湖泊的水生態(tài)環(huán)境，2000年以來寧夏開展了多項(xiàng)生態(tài)保護(hù)和水系疏通工程。2003—2016年，閱海湖先后實(shí)施了湖泊清淤除壩、退池還湖、閱海典農(nóng)河水系連通工程等濕地生態(tài)恢復(fù)建設(shè)和棲息地修復(fù)、鳥類監(jiān)測等生態(tài)保護(hù)工作；并且星海湖在2003年后恢復(fù)治理。這對閱海湖、星海湖等湖泊的面積增長起了重要作用。同時(shí)，由于黃河補(bǔ)水量的增加修復(fù)了湖泊濕地環(huán)境，對湖泊面積的增加有促進(jìn)作用。這正是導(dǎo)致寧夏區(qū)域內(nèi)大部分湖泊面積增大、小部分湖泊面積出現(xiàn)減小但并不明顯的重要原因。

3 結(jié)論

（1）2017年寧夏湖泊數(shù)量為234個(gè)，主要分布在銀川市和石嘴山市，分別占全區(qū)湖泊面積的41.66%和36.07%；湖泊類型以永久性淡水湖為主，占全區(qū)湖泊數(shù)量的66.24%。

（2）1980—2016年寧夏地區(qū)面積常年大于1.00 km2的湖泊的總面積呈增加趨勢，其中84%的湖泊面積呈現(xiàn)增長趨勢；16%的湖泊受到城市建設(shè)占地，蓄水量變化的影響，面積呈減少趨勢，但減少趨勢較微弱。

（3）寧夏湖泊面積變化受到自然因素和人為因素影響。湖泊面積與年均氣溫、年降雨量的變化趨勢相同，與年徑流量的變化趨勢相反。經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、耕地播種面積的增加和生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)等人類活動(dòng)對湖泊面積的影響作用存在差異，但從總體上看，人類活動(dòng)有助于增加湖泊面積。今后將繼續(xù)深入探究影響寧夏地區(qū)湖泊變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為寧夏生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)提供依據(jù)。

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