生態輸水對臺特瑪湖面積和植被的影響

董宗煒,徐至遠,張 鵬

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 830052；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

塔里木河流域作為中國乃至世界上生態最為脆弱的地區之一，由于人口增加，耕地面積增大，流向下游的水逐年減少，曾在20世紀多次發生斷流，臺特瑪湖作為塔里木河的尾閭湖也多次發生干涸[1]。尾閭湖水域面積的變化能直觀反映其源河流域自然環境變化[2]，臺特瑪湖是塔里木河下游生態恢復的重要標志[3]。李麗君等[4-5]認為應急輸水對塔河下游的生態植被恢復有著明顯影響；崔亞莉等[6]、陳亞寧等[7]指出包括臺特瑪湖在內的塔里木河下游地區的植被組成、分布及長勢與地下水埋深有著密切的關系。陳國亮[8]對1973—2006年臺特瑪湖周邊環境進行了分析，阿布都米吉提等[9]、張鵬飛等[10]分析了近幾十年臺特瑪湖水面積的變化特征；王慧玲等[11]和霍天賜等[12]討論了2020年臺特瑪湖水域面積變化及其對周圍動物和氣候環境的影響。但前人相關研究沒有進行長時間序列下與湖面積相關的供水量、地下水位和湖周邊植被面積的變化及成因分析。張沛等[13]認為塔里木河干流生態環境狀況處于較差的級別，其特點即為植被覆蓋較差、嚴重干旱少雨、物種較少，存在明顯限制人類生存的因素；阿布都米吉提等[9]、張鵬飛等[10]基于1973—2014遙感影像并結合實地調查數據指出：即使在2004年臺特瑪湖形成約300km2規模時，這個湖泊仍然處在一個生物多樣性喪失和極端沙漠化階段。為維護塔里木河下游及其尾閭臺特瑪湖的生態環境，國務院從2001年啟動了塔里木河流域近期綜合治理工程，截止2020年共進行了19次生態輸水[14]。本文通過分析20年來的生態輸水對臺特瑪湖湖面積、地下水及其周邊植被覆蓋的變化，旨在為在其他地區開展類似的工程提供參考。

1 研究區域概況

臺特瑪湖位于若羌縣以北約50km處塔里木盆地南邊，所在區域名為羅布莊，位于2大沙漠之間，東為庫魯克沙漠，西為塔克拉瑪干沙漠，并在2大沙漠中起到隔斷作用[15]，地勢平坦，氣候干旱，日照時間長，屬于極端干旱的大陸性氣候，年均降水量25mm，蒸發潛力2500mm，日差最大可達24℃[2]。由于上游對塔里木河流域水資源的過度開發利用，導致河流下游及尾閭湖干涸[11]，與羅布泊相通的臺特瑪湖湖心曾被沙漠掩埋。為拯救當地生態，自2000年以來塔里木河下游得到了持續輸水，目前臺特瑪湖水源受塔里木河干流大西海子水庫及河車爾臣河補給。

2 研究方法

湖面積數據獲取：研究區周圍主要是水域和沙漠，基于2000—2017年影像地形圖、衛星遙感影像等解譯出20余次湖面面積。

植被覆蓋度數據獲取：植被覆蓋面積的增加已是生態恢復的重要標志，本文以2000—2016年臺湖流域MODIS-EVI的數據為基礎，分析臺湖流域覆蓋面積的時空變化特征。提取臺特瑪湖植被覆蓋度時利用的植被指數數據為MOD13Q1產品的EVI數據，空間分辨率為250m，時間序列為2001年1月至2016年12月。對獲取的遙感數據進行EVI預處理，如研究區域的格式轉換、拼接、投影、投影轉換和提取，為減少錯誤信息，對數據圖像進行遙感數據Savitzkky-Golay濾波和MVC綜合處理，得到代表植被生長最佳狀態的年度EVI數據。通過使用像素二分模型計算植被覆蓋度，其計算公式如下:

(1)

式中，Fc—植被覆蓋度，本文用2個十進制數表示。EVIsoil—研究區純裸地像元的EVI值，EVIveg—純植被像元的EVI值。本文采用研究區域EVI圖像直方圖5%和95%的EVI值來表示EVIsoil值和EVIveg值。提取面積數據時將植被覆蓋度劃分為5個梯度：低覆蓋度(0.1<蓋度<0.2)、中低覆蓋度(0.2<蓋度<0.4)、中覆蓋度(0.4<蓋度<0.6)、中高覆蓋度(0.6<蓋度<0.8)、高覆蓋度(0.8<蓋度<1)。

3 結果與分析

3.1 近20年臺特瑪湖面積及供水量變化特征

為維持臺特瑪湖周圍生態平衡，防止兩大沙漠合攏，于2000年實施了流域綜合治理，至2018年底共實施生態輸水19次，大西海子水庫共計下泄水量77.67億m3，平均每年下泄4.32億m3，實現了塔里木河綜合治理規劃所定的3.5億m3的下泄水量目標，其中，2000—2006年大西海子水庫共下泄22.81億m3，年均下泄3.26億m3，如圖1所示。

在此期間，由于車爾臣河來水偏豐亦可供水給臺特瑪湖，車爾臣河25%、50%和75%來水頻率下的徑流量分別為6.228億、5.061億、4.221億m3。且末縣車爾臣河2020年用水總量指標為30366萬m3，按照用水總量指標在滿足且末縣國民經濟用水后，車爾臣河25%、50%及75%來水頻率下分別結余31944萬、20244萬、11844萬m3，下泄給臺特瑪湖。總之，每年由塔里木河供水給臺特瑪湖的水量不是一定值，而是由大西海子水庫的下泄量所決定，且車爾臣河的供水量亦不是一定值，因車爾臣河的豐-枯變化而變化。

隨著生態輸水工程的進行和流域綜合治理的開展，湖面面積已由2000年的58.79km2增長到2020年的340km2，并在2017年達到511km2。其中，2000—2006年間，湖面面積總體呈現上升趨勢；2007—2009年由于來水偏枯湖面積有所下降；2010—2018年以后因豐水年份偏多的緣故，湖面積總體呈上升趨勢；2019年來水偏少、湖面積變小，如圖2所示。

圖2 臺特瑪湖面積變化圖

3.2 生態輸水以來地下水位變化特征

與2000年相比塔河下游各斷面地下水埋深均有明顯抬升：2018年英蘇、喀爾達依、阿拉干和依干不及麻斷面地下水埋深在離河50m處各斷面分別增加了2.28、3.31、5.23、5.05m，在離河1050m處各斷面地下水埋深分別增加了0.52、0.65、1.28、1.65m，如圖3所示。

圖3 各斷面地下水位抬升量

同時，臺特瑪湖周邊地下水位也得到了抬升，這一點用距離臺特瑪湖最近的考干斷面1眼監測井(J3)地下水位的變化來反映：生態輸水后J3平均地下水埋深分別為6.39m，較輸水前抬升了45.53%,如圖4所示。

圖4 臺特瑪湖附近考干斷面地下水埋深變化

將以上監測井地下水埋深與湖面積建立關系如圖5所示，結果發現J3井地下水埋深與湖面積間的Pearson相關系數分別為-0.79(P<0.01)，表明地下水埋深與湖面積間有極顯著的負相關關系，即湖面積越大、地下水埋深越淺。

圖5 考干斷面地下水埋深與湖面積關系

3.3 湖周邊植被面積變化

經過生態輸水后，臺特瑪湖周邊地下水埋深在抬升的同時，對沿湖周邊植被的生長也有一定的影響。2000—2016年，各梯度等級下的植被覆蓋面積均為增加的態勢，如圖6所示，表明植被呈現出好轉趨勢。其中，2000年至2010年期間，雖然生態輸水對于植被的生長起到一定的促進作用，但這種作用并不明顯；2010年后，地下水經過長期補給，逐漸開始有所抬升，隨后幾年中抬升效果愈發顯著。

圖6 臺特瑪湖不同覆蓋度植被面積變化圖

4 討論

臺特瑪湖位于兩大沙漠之間，位于218國道與315國道的銜接地，也是塔里木河下游水生動植物重要的棲息地和物種基因庫，無論在豐水年或枯水年，維持一定規模具有重大的戰略意義。但是，臺特瑪湖的修復至今仍面臨以下問題：

(1)隨著2000年生態輸水工程的開展，臺特瑪湖地下水大幅度抬升。但由于處于長期干旱的條件下生態環境及其惡劣，短期內無法進行有效的恢復。2002—2010年，臺特瑪湖周邊地下水埋深依然保持在7.2m左右(圖4)，即生態輸水10年后臺特瑪湖周邊地下水位才能得到響應。

(2)隨著近幾十年的治理，2017年臺特瑪湖的面積曾達到511km2，成效顯著。湖面面積過大的同時也意味著湖面蒸發量大，過多上游節省出來的水資源被浪費在湖面蒸發中，若不定期進行輸水補給，其湖面面積將會迅速減小，即使在一年之中不同的時間不同的季節湖面面積都會有明顯的差距，沿岸植被的生長也會因此受到限制。在維持臺特瑪湖湖面面積的同時，勢必會對上游的生態和農業用水量有嚴重影響，并且整個塔里木河流域全長1321km，年蒸發潛勢多在1800～2900mm，水量僅18.6～50mm，水量下泄過程中勢必會因天然蒸發和滲漏產生巨大損耗，對于其中的生態水無法進行高效利用，尤其在枯水年期間更會加劇水資源矛盾，因此出現了“花錢多，效益低”的局面。

5 結論

在近20年來對于臺特瑪湖的輸水已有顯著成效，2000—2019年大西海子下泄水量、湖面積大體呈增加趨勢。隨生態輸水的進行和湖面積的增大，地下水埋深較輸水之前有著顯著抬升，典型監測井(J3和J4)地下水埋深分別較輸水前抬升了45.53%、40.91%。通過建立關系，地下水埋深與湖面積間存在極顯著的負相關關系(相關系數分別為-0.79、-0.70)。湖周邊植被覆蓋面積顯著增加，無論是低覆蓋度(0～20%、20%～40%)，還是中、高覆蓋度(40%～60%、60%～100%)，植被面積均為增加趨勢。