新疆艾比湖水矿化度变化过程及原因分析

肖开提◦阿不都热衣木,汤世珍

(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;2.塔城地区水文水资源勘测局,新疆塔城 834700)

1 流域概况

艾比湖位于准噶尔盆地的西南隅,是艾比湖水系的尾闾湖。湖区南、西、北三面环山,东部与古尔班通古特沙漠相连。由于地处于欧亚大陆腹地,其多年平均降水量为105.17mm,蒸发量为1315mm。距艾比湖西北部6km的阿拉山口是我国西部地区唯一的铁路、公路并举的国家级一类口岸。乌鲁木齐—伊宁的312国道和新亚欧大陆桥北疆铁路古尔图—阿拉山口段均从艾比湖西南边缘通过[1]。

2 湖水矿化度及水化学特征变化

艾比湖面积从20世纪50年代初的1200km2至70年代时迅速萎缩到522km2,年平均缩小20.3km2,为自然干缩期的290多倍,储水量也由30多亿m3减少到7亿m3左右[1],如图1所示。湖水矿化度逐步升高,为100～136g/L,湖区东南、西北边缘的矿化度分别达145～314g/L、167～282g/L。这一时期湖水面积急速变化是由于流域人口剧增和大规模水土开发,入湖水量迅速减少所致。对比分析表明,1980年艾比湖流域人口为1949年的9.4倍,耕地扩大8.9倍[2]。

图1 艾比湖历年平均湖面积变化过程

20世纪80年代至21世纪初,随着艾比湖面积增大,矿化度增长速率有所减缓。总体来讲,艾比湖一直处在一个盐分累积过程中,矿化度不断上升,从20世纪50年代的ρ=70g/L上升到21世纪初期的ρ=136g/L,50多年间上升了近66g/L。说明此间艾比湖水面积变化和湖水含盐量之间有着直接的关系。

从20世纪50年代以来湖面面积与湖水矿化度的相关分析来看,可以计算出其为负相关序列,其相关系数达到-0.806,根据博州水文局的实测数据,艾比湖的湖水矿化度变化分别为50年代为70g/L,70年代为88.7g/L,80年代为109.7g/L,90年代为100～115g/L,2002～2007年为136g/L[3]。

3 气象资料分析

研究所用气候资料为艾比湖流域的温泉、阿拉山口、奎屯、乌苏4个气象站1960—2007年的历年月平均气温和月降水量。

3.1 气温变化

近47年来艾比湖流域气候存在着明显变暖的总趋势,尤其以20世纪90年代最为明显。艾比湖流域的气候变暖具有明显的季节性差异,增暖季节主要是在冬季,而春季变暖的趋势较为缓慢。艾比湖流域最高和最低气温的变化普遍存在不对称性。即最低气温明显上升,而最高气温上升不明显或呈下降趋势,并导致气温日较差显著减小。从图2的气温变化过程可以看出,各站月均气温振幅具有较好的同步性。经统计分析,各站年平均气温的趋势方程及相关系数,在0.05的置信度下均通过了显著性检验。

图2 气温变化过程

3.2 降水变化

艾比湖流域降水量47年来呈增长趋势,尤其是进入20世纪90年代后期,降水量明显偏多,其中夏季降水量增长率要高于冬季降水量增长率。该区降水在季节分配上发生了变化,而夏、冬两季是4个季节中平均降水量增加最多的季节,春季降水增加则比较缓慢。

艾比湖流域年际和四季蒸发量变化整体呈增加的趋势。依据1960—2007年降水量序列,由逐步回归向后剔除分析法,构建最佳重建方程如下:

Pt=724.592-1419.885HAXt+1607.697SETt-836.531SETt+2

式中:Pt是温泉气象站1～5月的降水量;HAXt、SETt和SETt+2分别为哈夏、沙尔陶勒盖当年和次年最大灰度标准化树轮年表序列。降水重建方程的复相关系数为0.661,上述重建方程具有可靠性。

艾比湖流域年降水量的变化除了精河、温泉外没有明显变化趋势,如图3所示。20世纪90年代与前30年相比,整个流域年降水量平均增加了9.3%,其中温泉增幅最大,为32.0%;而阿拉山口、博乐的降水呈减少趋势,分别减少13.8%和5.3%[4]。

图3 降水量变化过程

3.3 蒸发量变化

艾比湖流域蒸发量(实际反映的是蒸发能力)自20世纪60年代以来一直呈现出下降趋势。在艾比湖流域温度升高、降水增多的同时,蒸发量却在减少。就其平均值而言,20世纪90年代蒸发量比前30年(1961—1990年)平均值减少了9.2%。这是一个值得研究的非常特殊现象。

研究期间,湖水面积和温度、降水变化没有明显的相关关系,而艾比湖面积与流域平均蒸发的相关系数为0.4,说明蒸发对湖水面积有一定的影响。温度、降水变化对湖泊水资源的影响有限。

4 土壤盐碱度变化

湖区干旱环境下的积盐和盐化的成土过程表现显著。在调查过程中,盐土和盐渍化土占48.69%,其中,轻盐、中盐、渍化土各为2.9%,强盐渍化土为5.7%。

湖区表土层的土壤粒级组成则有细化现象(多为上风区),风蚀造成了表层土壤的进一步分化,下风区接受了细土的沉积。这些土壤的盐类主要属然而,大量排水工程的修建和大规模开采地下水,使地下水水位降低,致使水成土、半水成土转变为残余沼泽土、残余炭土。随着湖水面和缩小,湖盆气候进一步变干,盐化过程逐步加强,各类盐化土壤则演变为相应的沼泽盐、草甸盐土、胡杨林盐土等[5]。同时,由于土壤含盐量不断上升和地下水水位下降,原有的植被急剧衰败,逐渐为盐生植被所取代。

土壤理化性状空间异质性直接影响艾比湖地区的地形地貌。艾比湖的低山带和山前平原主要是荒漠草原和荒漠;远离艾比湖的冲、洪积平原是以超旱生植物为建群种的荒漠;艾比湖湖滨、河流入湖口附近及湖周冲洪积扇缘地带则发育着隐域性植被。

博河上游至中游,分别位于山麓地带(海拔1428m)、山前冲洪积平原上部(海拔1014m)和中部(海拔663m),海拔从高到低其土壤水热条件亦发生转变(干旱加剧和温度增高)、沙性增强、pH值相应增大,植被则由以针茅为主、蒿类植物为次的荒漠化草原递变为以耐盐碱类为主的小半灌木,人类活动频繁加剧了原来的植被严重破坏、消失,进一步退化为1年生杂草(猪毛菜、叉毛蓬等)为主的草被。梭梭荒漠是艾比湖流域分布最广的植物群落类型之一,伴生植物有盐柴类和一些1年生长营养期植物及短命植物,主要发育在冲、洪积平原中部、中下部的砾质戈壁、盐化沙壤土及沙土上。

从植被分布的差异可以看到,土壤盐渍化程度对梭梭群落组成影响很大。无盐渍化的样地植物种类多,植被盖度高(50%左右),而其他盐渍化土壤或盐土地的植物种类相对较少,除2块样地砾石比例小于10%外,其他多在17.08%～68.06%之间。分析样品的土壤粒度曲线(不包括＜2mm的砾石)显示,研究区域内艾比湖西北部及博河中上游区域,表土层土壤粒级组成均表现为粗化状,而艾比湖南部部分地块表土层土壤粒级组成则有细化现象。区内土壤遭受风蚀的现象是湖水萎缩、多风并缺乏植被保护的必然结果。

艾比湖地区生态环境变化过程中,非生物因子,土壤理化性状的空间异质性是植被空间分布差异的主要原因,其表现在土壤类型、结构、盐分、养分以及局部水分条件的改变所引起的植物群建群种和优势种的变化。也就是说,土壤发生粗化、干旱化、盐渍化、贫瘠化等,导致了乔木、灌木、半灌木、多年生草类等植物群落建群种和优势种演变为耐干旱、耐盐碱的小半灌木、盐柴类和1年生植物,植物种类减少、覆盖度降低。反过来,植被退化加剧了土壤的风蚀和肥力下降。因此,只有充分把握土壤-植被间的这种相应关系,才能有效恢复和重建艾比湖地区的生态环境。

5 结 语

研究表明,水质恶化造成湖滨带土壤盐渍化和湿地植被退化,湿地指示物种减少而盐生植物明显增多。由于流域植被覆盖稀疏,水土流失严重,在气候因素和人类活动的影响下艾比湖水面积总体呈缩小状态,盐度逐渐增大,对湖区生态系统产生了极大影响。因此,目前艾比湖的环境现状及发展趋势并不乐观,水资源的合理配置与开发已成为流域发展必须妥善处理的主要问题[6]。笔者提出以下几点整治措施以供参考:

a.保护水源。流域山区森林经营面积为37.47万hm2,占全流域面积1/6。山区天然林是艾比湖流域16条河流的发源地,稳定地发挥着水资源涵养、保持水土、调节气候、保护绿洲的不可替代的作用[7]。地面降水量约50%左右(23.6亿m3左右)形成径流,从这个意义上说,山区森林护卫着艾比湖现有湖面水量的稳定补给和生态经济的相对平衡。流域人工降水增雨的潜力很大。特别是在博河流域,若采取人工增雨和防雹相结合、火箭与高炮相匹配的措施,一般人工降水增雨效果为20%。

b.实施跨流域调水工程[6]。跨流域调水有2个方案:①“引额济克”工程同济艾比湖方案。在“引额济克”工程现行设计基础上,不需改变工程设计,仅增修一条110km输水干渠,从克拉玛依引水5亿m3入奎屯河补给艾比湖,这是投资少、见效快的工程。从改善克拉玛依和奎屯河下游生态环境的考虑,每年下泄5亿m3水量给艾比湖,是迟早要解决的问题。②“引喀济艾”调水方案。从伊犁喀什河调水10亿m3,从根本上解决艾比湖生态用水和艾比湖流域经济发展用水,这方案生态和经济效益兼优,长远效益好。但这项调水工程投资大,建设周期长。这两个方案的选择,取决于自治区总体布局和经济实力,但跨流域调水,根治艾比湖生态环境是必然抉择。

c.农业节水以节水增效、盐碱地改良、低产田改造为主攻方向,全面推进农业灌溉体系建设,加大对大型灌溉区投入。在技术层面上,通过建设山区调蓄水库和地表水与地下水联合调度运用,实现水资源在区域和流域内的合理配置,高效利用。

d.调整产业结构,实现优化配置。对新建、改建、扩建建设项目实行水资源论证制度,按照水资源条件调整现有经济结构(包括产业结构和种植业结构),优化配置水资源。如根据流域农业气候区划,海拔800m以上的是牧区,800～400m为半牧半农区,400m以下为农业区。建议海拔800m以上地区缩小农业规模,以发展畜牧业为主导产业。

e.建立生态保护和建设协调机构。完善艾比湖流域规划,对艾比湖流域水资源统一管理,合理配置经济用水和生态用水,协调各河流入湖水量比例,各流域之间科学分水,进行有效监督;对全流域的上中下游进行规范化开发,使局部利益和整体相结合。尤其作为一个环境承载力有限的封闭流域,退化具有某种程度的不可逆性,一旦破坏很难恢复。

[1] 王志杰.新疆地表水资源概评[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2] 王遵亲.中国盐渍土[M].北京:科学出版社,1993:132.

[3] 新疆维吾尔自治区水文水资源局.西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究:新疆水资源评价[R].乌鲁木齐:新疆维吾尔自治区水文水资源局,1998.

[4] 新疆水利水电规划设计管理中心.西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究:新疆水资源开发利用现状评价[R].乌鲁木齐:新疆水利水电规划设计管理中心,1999.

[5] 中国科学院新疆生态与地理研究所.博河、精河流域生态环境保护与治理研究专题报告[R].乌鲁木齐:中国科学院新疆生态与地理研究所,2001:31-32.

[6] 周聿超.新疆河流水文水资源[M].乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社,1997:76-78.

[7] 中国水利水电科学研究院.艾比湖流域水资源合理配置[R].北京:中国水利水电科学研究院,2002:12-44.