生态输水前后台特玛湖生态环境变化探究分析

2020-03-19王慧玲吐尔逊哈斯木

生态科学 2020年1期

王慧玲，吐尔逊·哈斯木

新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046

0 前言

干旱地区湖泊的变化反映了流域水量的变化，是全球气候变化和人类活动对该地区水资源影响的综合表现[1]。内陆湖特别是尾闾湖泊，处于相对独立的内陆湿度循环系统中，受气候变化和人类活动的综合作用[2-3]。内陆湖泊是干旱西北地区气候和环境变化的敏感指标，其表面和水位的变化客观地反映了干旱河流流域的水量平衡过程[4]。近几十年来，由于全球气候变化和人类活动的影响，内陆湖泊产生了一些生态问题，如湖面积减少，野生动物和植物多样性减少，气候灾害频发[5-6]。因此，及时掌握尾闾湖泊的动态变化以及生态环境状况，对于尾闾湖泊治理、管理具有重要意义。

依照普氏和彼氏1887年及以后数年的观察记述可以得知当时并没有台特玛湖，因此台特玛湖是 19世纪末形成的，1962年台特玛湖的面积为 88 km2[7]，1968年后逐渐干涸，1973年全干[8]，直到1999年因车尔臣河洪水漫入，在公路两侧形成了一定面积的水域。阿布都米吉提[9]等在“近40年台特玛—康拉克湖泊群水域变化遥感监测”中指出自1973—1998年的25年间台特玛湖一直处于干涸状态，马明国[10]等在“1973—2006年新疆若羌湖泊群遥感动态监测研究”中提到台特玛湖及其相邻区域的生态环境受到严重破坏，陈亚宁[11]等在“干旱区内陆河流域的生态安全与生态需水量研究——兼谈塔里木河生态需水量问题”中指出湖泊生物多样性丧失和湖泊沿岸地区沙漠化恶化等问题。塔里木下游日益严重的生态退化问题引起了中国政府和社会各界的关注。为此，中国政府已投入 107亿元用于塔里木河流域的生态改造[12-13]，并于2000年5月启动了塔里木河下游生态输水工程，随着生态输水的推进湖泊面积发生了很大变化，生态环境明显改善[14-16]。

本文结合 1998年至今对研究区域多次实地考察经验以及前人研究的成果资料，对生态输水前后台特玛湖湖区水域面积变化及其对生态环境的影响进行了分析。并为今后塔河流域的管理与治理提供了基础的科学依据。

1 研究区概况及数据

1.1 研究区地理位置

台特玛湖位于巴音郭楞蒙古自治州若羌县以北约50 km，地处塔里木盆地东南缘，周围环绕着沙漠和山脉。其东为库鲁克沙漠，西为塔克拉玛干沙漠，南临阿尔金山。在《新疆图志》(1911年)中称台特玛湖为“阿不旦海子”或“黑风海子”[17]。从历史上看，台特玛湖的主要供应来源是塔里木河，车尔臣河以及瓦石峡河、若羌河及米兰河等阿尔金山诸河水量也汇入其中，湖泊范围最大时台特玛湖可循塔里木河古道东入罗布泊[18-19]。

台特玛湖由台特玛湖湖区、康拉克湖群组成，本文为了更好分析台特玛湖水域变化与塔里木河生态输水供给关系，以及生态输水对台特玛湖区的生态环境的影响，选择以塔里木河为来水源且涵盖国道218东西两侧湖区为主要研究区，如图1所示。

1.2 气候特征和水文条件

图1 研究区示意图Figure 1 Study area schematic

台特玛湖地处中纬度西风带，具有典型的暖温带大陆极端干旱性气候的特征，气候干旱，降水稀少，蒸发强烈，日照充足。根据台特玛湖最近的若羌县气象台2015年资料显示，该区最冷的1月，平均气温为-6.1℃；最热的 7 月，平均气温为 28.7℃，年较差为 35℃，年平均气温 12.2℃；年平均降水量17.4 mm，年蒸发量高达 2902.3 mm，平均相对湿度为 41.1%，属暖温带极干旱区。受蒙古高压影响，全年盛行东北风，全年风速≥17.2 m·s-1日数为37.1 d。

2 数据及研究方法

2.1 数据源

根据研究区的数据质量、湖泊季节性变化、云干扰以及气象水文特征等信息，选取覆盖全区10月前后的 24期遥感影像作为干旱区水域及植被信息提取的遥感数据源。其中1990—2011年的21期遥感影像为 Landsat的TM/ETM+数据；2012年为HJ的 CCD数据，2014—2018年为Landsat8的OLI数据，分辨率都为30 M。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网( http:/ /data.cma.cn /)。生态输水数据来源于各类参考文献及塔里木河流域管理局。

2.2 研究方法

研究区的植被，水域和沙漠占大多数，其他类型的覆盖占很小的比例。因此，覆盖类型分为三类:植被，水，沙漠。用于湖泊监测的遥感方法是将水体与周围的地物分开并准确地确定水体面积。

为了快速提取本区的水域面积，且因受到其他地物影响较小，本文选用自动提取方法。该区域的水域是利用二分法提取的，即决策树分类法是对一个或多个波段设置一个阈值对水域面积进行提取[20-22]。本文参考多数西北干旱区湖泊面积提取文献[23-25]，选择徐涵秋[26]在对 Mcfeeters 提出的归一化差值水体指数(NDWI) 分析的基础上，提出的改进的归一化差值水体指数 MNDWI，其可以更好的区分阴影与水体，正值为水体，负值为非水体。公式如下:

式中，Green 为遥感影像中绿波段，MIR为中红外波段。

3 结果与讨论

3.1 生态输水前台特玛湖区生态环境

由文献可知，在20世纪60年代之前，塔里木河仍有大量水量汇入台特玛湖，而车尔臣河河每年也有水量流入其中，1962年台特玛湖水面面积为88 km2[5]。1959年由国家测绘总局航拍，1962年测绘的1 ∶ 1 00000地形图显示，218国道穿过湖泊的中心，将其分成由塔里木河供水的东侧湖区，以及由车尔臣河供水的西侧湖区，东西两湖区水域面积合计可达 183 km2，当时的台特玛湖是候鸟从喜马拉雅山飞往天山的一个栖息地。春天更是有大批候鸟络绎不绝地从飞到台特玛湖，沙尘暴天气也极少出现。随着社会经济的发展需要，1972年塔里木河大溪海子水库建成，由于塔里木河流域水资源的不合理分配，造成其下游河道逐渐断流(表1)，阿尔金山脉其他河流诸如车尔臣河也因其上游社会经济用水量增加，抵达台特玛湖的水量逐渐减少，最终造成台特玛湖逐渐干涸。自1998年团队对该地区的实地考察中，发现干涸的湖泊很快就埋没在沙漠中，湖心淹没并形成一片沙海。湖区湿地上的芦苇等植被日渐枯萎、死亡，台特玛湖周围只剩下残存的红柳、胡杨根系固定的沙包堆，湖面则成了龟裂的盐壳。在干涸期内，东北方的库鲁克沙漠向西南侵袭，风沙堆积使原湖面抬高，变成沙海和盐壳，新月型沙丘大量发育，沙丘逐渐侵入湖区内，干涸的湖底为0.5—1.5 m高的低矮沙丘。

表1 20世纪下半期塔里木河下游河段来水变化[27]Table1 Changes of inflow into lower reaches of Tarim river in the second half of the 20th century[27]

90年代该地区年风沙灾害日数 12.9 d，浮尘日数 122.4 d，年起沙风速 5.0 m·s-1有 1074 次，起沙风年总合成风速 9.21 m·s-1，从 3 月开始 9 月结束，地表受到吹蚀长达 8个月，为塔里木盆地沙尘暴次数最多，时间最长的地区。在20世纪90年代，沙尘暴天数为 122.4 d，浮尘年日数共 122.4 的，每年起沙风速≥5.0 m·s-11074次。地表受到风沙吹蚀长达 8个月，是塔里木盆地受影响最严重的地区。因此，台特玛湖被称作“黑风海子”，穿过台特玛湖公路东侧，上风向路肩完全被沙埋，形成1—2 m高的沙堆，路面有30—50 cm厚的积沙。1999年，经过台特玛湖的 218国道大桥全部被沙堆掩埋，桥面上积沙厚度1 m多。

3.2 生态输水后台特玛湖水体面积的变化及其生态环境的影响

3.2.1 生态输水后台特玛湖水体面积的变化

塔河流域下游为改善生态平衡，特别是逆转荒漠化土地，挽救濒临灭绝的自然植被，于 2000年 5月开始实施塔河下游应急生态输水工程，到2018年10月共向该地区生态输水19次，因塔河下游距离较长，直到第 3次输水水流才到达台特玛湖，使得干涸了32a的台特玛湖重新得到滋润。基于遥感影像提取的过去近30年研究区的水域面积表示，台特玛湖区在1990年的水域面积仅为15 km2，2005年湖区面积增加至 230 km2，2014年湖区面积急剧缩小至56.8 km2，2018年湖区是历年最大面积为271.6 km2。(图2)

1982—1999年水域面积受天然降水的影响，根据图3所示，2000年以前水域面积曲线保持稳定，台特玛湖一直处于干涸的状态；2000—2005年塔里木河应急性生态输水后，台特玛湖水域平均面积为128 km2，这一阶段主要是借助开都河水量连续几年偏丰，博斯腾湖水位持续上涨的好时机，从博斯腾湖通过扬水站到孔雀河输水，再经库塔干渠向塔里木河下游实施抢救性生态输水。2007—2009年塔里木河阿拉尔径流量分别减少为 31.5×108m3，28×108m3和13.6×108m3，博斯腾湖水位下降，生态输水无法到达台特玛湖(表2)，使得台特玛湖又出现连续3年干涸，在风力蚀积作用下，湖底形成 0.3—0.5 m 高的新月形沙丘，达到轻度荒漠化。

图2 台特玛湖土地覆盖空间变化Figure 2 change of land cover space in Tema Lake

2010—2012年后塔里木河上游的3条源流阿克苏河、叶尔羌河、和田河此时进入了丰水期，加之近年来塔里木河下游生态治理工程的开展与深入，下游水量逐年增多，源流输水代替了博斯腾湖的应急性输水，而后逐渐转变为常态化生态输水，台特玛湖水域面积逐渐扩大。2014年台特玛湖水域面积巨减，这与大西海子水库至台特玛湖之间的部分生态闸口关闭和从齐文阔尔河向其文阔尔(湖)输水，导致流入台特玛湖水量减少有关。塔里木河下段沿大溪海子水库分为东西两段，西支老塔里木河；东支为其文阔尔河，是塔里木河在下游的主要支流。这两条河大致平行并在阿拉干相汇，其文阔尔河在喀尔达依断面附近向东分出一条长 12 km 的汊流，流向其文阔尔(湖)。自 2017年以来，新疆维吾尔自治区已连续两年实施和田河、叶尔羌河、阿克苏河、开都—孔雀河及塔河干流的全流域生态输水。2018年台特玛湖湖区水域面积恢复至271.6 km2，全年水域面积最大时，可达500多km2，台特玛湖现已成为南疆第二大湖泊。台特玛湖的生态恢复对增强环塔克拉玛干沙漠的‘绿色屏障’意义重大。

图3 多年台特玛湖水体面积与生态输水量变化Figure 3 Changes of water area and ecological water transport in Tema Lake for many years

表2 塔里木河下游历次生态输水统计表Table 2 Statistical tables of ecological water transport in the lower reaches of the Tarim River

3.2.2 台特玛湖水体面积变化对动植物的影响

生态输水结束了下游河道连续干涸 32a的历史，水头15次到达尾闾台特玛湖，累计输水量70×108m3。2017年，随着塔里木河流域管理局的良好机制作用与丰水年的相互结合，大西海子水库下泄生态水10.87×108m3，台特玛湖湖面与湿地总面积达到511 km2，是 60年代以来历史最大值。台特玛湖湖区水域面积逐渐增大，使周围地下水得到了有效补给，随着地下水位的抬升、地下水的水质逐渐变好，水环境得到明显改善，湖区周围大量死亡或濒临死亡的植被复苏，而植被对生态输水的响应范围扩展到 1000 m以上[28]。通过遥感影像提取多年植被覆盖度的结果显示(图2)，随着塔里木河下游的持续输水，台特玛湖区域植被逐渐恢复，植被覆盖区面积持续增加，由 2000年的 318 km2增加至 2018年的327 km2。其中，2010年植被覆盖区面积达到了最大值329 km2，2011年以后基本保持稳定。特别是高覆盖度植被区面积显著增加，自2000年以来呈稳定上升趋势，由 2000年的 1.44 km2增加至 2018年的21.88 km2，增加近 14 倍(图4)。

湖区四周植被面积如红柳、胡杨、芦苇等不断增加，野生动物及鸟类:塔里木兔、沙鼠、跳鼠、沙蜥、赤嘴潜鸭、红嘴鸥、灰鹤、文须雀等近30种，其数量保持稳定增长态势台特玛湖湖区生态环境日益改善，一定程度上遏制了塔克拉玛干沙漠和库鲁克塔格沙漠的合拢，有力保障了若羌县经济社会发展和“丝绸之路经济带”建设。

台特玛湖维持一定的水域面积，可以促进生态环境恢复，减少野生动植物、鱼类灭绝的风险。“新疆大头鱼”过去主要出现于罗布泊和台特玛湖，近年在车尔臣河及离罗布庄不远的康纳克湿地有发现[17]，现在台特玛湖已经被列为国家一类保护动物“新疆大头鱼”的生存繁衍基地。台特玛湖若保持常年有水，会形成育苇基地，芦苇是良好的造纸原料，同时也是湿地的象征，芦苇的繁茂生长不仅意味着生态环境的恢复，更为为若羌县带来新的经济效益。

3.2.3 台特玛湖水体面积变化对气候环境的影响

若羌县位于塔里木河下游，曾是风沙灾害严重的地区之一。台特玛湖干涸之后，这里逐渐演变成了荒漠，一年内有 8个月地表可受到吹蚀，是塔里木盆地沙尘暴次数最多，时间最长的地区。一旦起大风，漫天的风沙，能见度极低，这样的恶劣天气加上沙漠化土地不断扩张使得台特玛湖湖区周围的农户开始搬迁。

在过去的十几年中，通过实施塔里木河生态交通项目，改善了台特玛湖附近地区的小气候。随着若羌县的沙尘天总数减少，风力强度降低，空气湿度从 30%显着上升到约 40%。湿地面积扩大，植被覆盖度增加，两岸植被逐渐被修复，部分流动沙丘转为半固定沙丘，土壤湿度增加，弱化了风蚀沙化，台特玛湖周围的绿洲已经形成，恶劣灾害性天气随着荒漠化土地逆转得到很大程度的改善，台特玛湖地区的沙尘暴天气出现频率降低(图5)。台特玛湖湖区由原来的风沙区变成了风景区，随着若羌县的生态环境改善，带动了当地的经济发展。

台特玛湖作为塔里木河的尾闾，是各种盐分的富集之地，台特玛湖的盐碱浓度一旦超过大多数生命的容忍程度，富集的盐碱就会暴露在地表，造成盐尘暴。因此，台特玛湖湖区周围的生态稳定性还有待更多的进行研究，使得该地区能够持续稳定的恢复其生态环境。

4 结论

图4 台特玛湖区域植被覆盖及高植被覆盖区面积变化图[29]Figure 4 Variation map of vegetation cover and area of high vegetation cover in Taitema lake area[29]

(1)通过对近30年的台特玛湖水域面积变化过程分析可知，由于上游对塔里木河流域水资源的过度开发利用，导致河流下游及尾闾湖干涸；2000年开始进行生态输水，台特玛湖湖区水域面积逐渐增大，随着塔里木河下游生态治理工程的开展与深入，下游水量逐年增多，2017年以来，连续两年的全流域生态输水后，台特玛湖现已成为南疆第二大湖泊。