承德坝上高原东部月亮湖湖面萎缩原因及应对建议

2020-12-12殷志强刘文波李瑞敏田钰琛

水文地质工程地质 2020年6期

殷志强，赵磊，刘文波，李瑞敏，邵海，彭超，田钰琛

(1.中国地质环境监测院，北京 100081；2.河北省地矿局第四地质大队，河北承德 067000；3.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

坝上高原位于浑善达克沙地边缘，是京津冀最近的沙源区和生态环境脆弱敏感区，范围包括承德市围场县、丰宁县的部分地区和张家口市的康保、尚义、沽源和张北县的绝大部分地区[1]。这里属于我们北方内蒙古高原与燕山山地农牧交错带、季风与非季风交汇区、生态脆弱区和环境过渡带[2]，是京津冀重要的水源涵养区和生态环境支撑区[3]。历史时期这里经历了湿润-冷干等多期次环境恶化和反转事件[4-5]。近年来，随着大规模人工林种植、农业种植面积扩张、旅游开发强度提高，坝上高原逐渐出现了土地沙化、草地退化、自然湖泊面积萎缩、地下水位下降等趋势[6-10]。关于这些问题，多位专家学者开展了深入研究，如鲁晨曦等[10]研究认为人工林的蒸散量要普遍高于当地自然植被的蒸散量，大规模的人工造林活动会降低地下水位高度。Huang等[11]评估了干旱半干旱地区植树造林对地下水补给的影响。高素改[12]研究认为坝上高原地区在1984—1996年间湖淖面积扩大，但在1996—2015年间，湖泊面积明显萎缩，两个时段湖面面积波动分别受控于气候变化和人类活动影响。坝上高原地区的湖泊具有涵养水源、发展自然旅游的重要意义，但伴随着全球气候暖干与人类活动加剧，该地区的湖泊面积严重萎缩，直接制约了其生态功能的发挥和当地经济的可持续发展[13-17]。

月亮湖是承德坝上高原东部较典型的湖泊之一，关于该湖泊的湖面面积变化及成因机制，前人缺乏专门研究。本文在区域生态环境演变分析的基础上，以月亮湖及周边环境为例，结合收集的温度降水数据和植树造林、旅游开发等人类活动数据，探讨近年来湖泊面积快速萎缩的原因，研究湖泊萎缩的主要驱动力，提出生态平衡、科学保护湖泊资源的对策建议。

1 月亮湖区及周边环境

位于承德坝上高原东部的月亮湖是该地区最大的高原型湖泊，该湖原名“沙脑泡子”，是一处因地形低洼汇水而成的封闭型咸水湖，具有高生态价值和高脆弱性特征。月亮湖所处的位置恰好位于坝上高原与燕山山地的过渡带(图1)，也是冬季风与夏季风的交汇区[1]。冬季风搬运的粉尘沉降到坝上高原和燕山山地，

而来自太平洋的夏季风携带的水汽在地形影响下降落到坝上高原和燕山山地过渡带形成锋面雨，为湖区提供了丰富的大气降水。整个湖区汇水面积约为 2.48 km2，主要靠大气降水补给，其原为小滦河支流如意河的源头，但现因湖面萎缩不再为下游补给水源。

月亮湖所处的坝上高原，地势较平坦，流水侵蚀微弱，风蚀强烈，多风蚀洼地，地表呈波状起伏。由地形地貌可知，月亮湖、桃山湖、安固里淖[17-18]等坝上高原的湖泊所处地理位置海拔都属于高原湖泊，具有高生态价值和高脆弱性特征(图2)。湖区周边表层的第四系砂质地层主要为0.8～1.0 m的松散腐殖土，2.0～12.9 m的黑褐色中-细砂层；再下部为中新世汉诺坝灰黑色玄武岩，孔洞发育，微风化层厚1.0～3.0 m。砂层的含水率为12.6%～40.1%，比重平均2.65，黏聚力平均10.32 MPa，摩擦角平均值26.08°；新鲜玄武岩的抗压强度5.87～11.67 MPa，岩石质量等级Ⅲ级，工程地质条件较好。

2 月亮湖面积变化及补给特征

2.1 月亮湖水域面积变化

多期次7—11月份的遥感影像解译数据显示：1975年以来，月亮湖湖泊面积先增大后减小，湖面面积在1993年为最大，后逐渐萎缩减小；2018年与1993年同期相比，月亮湖水域面积减少了93%。近40年来，湖泊面积由1975年的0.21 km2增加到1993年的0.43 km2，然后又减少到2018年的0.03 km2。综合分析认为：1975—1993年为湖面较快增长期，1993—2013年为缓慢萎缩期，之后为较快萎缩期(图3)。

图3 月亮湖湖面面积1975—2018年变化曲线Fig.3 Variation curve of the water area of Moon Lake from 1975 to 2018

2.2 湖区周边植被及水位补给特征

月亮湖区周边植被主要为樟子松和落叶松人工林，湖东部和南部的落叶松栽种距今约60 a。湖西部和北部的落叶松树龄主要为41～50 a和11～20 a(图4)。

图4 月亮湖西部和北部主要乔木年龄分组Fig.4 Age groups of major forest in the west and north of Moon Lake

月亮湖旅游区于2004年开始运行，多年6—10月份每天游客量平均约7500人。湖周边有2口取水井供旅游开发和生活用水使用，湖东侧水井(图5中2#水井)已近干涸，湖西侧的水井(图5中1#水井)地下水位也呈波动式下降态；湖区周边原设有跑马场，常有牲畜前来饮水。近年来，由于自然气候变化和旅游开发、道路修筑、森林种植等因素，月亮湖的水面面积和深度均呈下降趋势，水面萎缩明显，由原来的湖变成了现在的水坑，已达历史极低水位，且湖中水草茂盛，水体呈富营养化。

2019年对月亮湖及周边的地下水位进行了调查，发现湖面水位标高为1 687.5 m，湖西侧的1#水井地下水位标高为1 682.71 m，湖西南约2 000 m处的泉眼标高为1 597.41 m，湖东侧2#水井地下水位标高为1 672.73 m，地下水位等值线及地下水流向如图5所示，月亮湖区水文地质条件见图6。因此可以推测，月亮湖水面相对较高，可能会向周边的水井补给地下水。在月亮湖向如意河补给通道上钻孔揭示的地下水位显示，月亮湖的水位与钻孔揭示的水位水力梯度接近1%，仍有可能向下游补给，实际上遥感影像显示如意河上游仍然是湿地，可能与月亮湖的补给有一定联系。根据2016—2019年月亮湖西侧游乐场1#水井水位的监测数据可知，该井水位动态变化较大(图7)，初步推测可能是人为开采影响所致。湖区东侧游乐场水井的地下水位埋深监测数据显示该井的地下水位呈现总体下降趋势(图7)。

图5 月亮湖周边地下水位等值线及地下水流向图Fig.5 Contour map of groundwater level and their flow directions around Moon Lake

图6 月亮湖区水文地质剖面图Fig.6 Hydrogeological section of Moon Lake area

图7 月亮湖东侧游乐场水井(1#)地下水位埋深动态曲线Fig.7 Dynamic curve of groundwater levels at the 1 # well on the east side of Moon Lake

3 月亮湖周边人工林

建国初期，为了阻挡频袭北京的沙尘暴，防止呈扇形围聚在北京北面的巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、浑善达克等沙地南侵，1962年国家选择在坝上地区的塞罕坝组建大型机械化林场，在玄武岩风化壳区、第四系风成黄土区和河流冲洪积地带植树造林。截至2016年，在坝上高原植树造林约9.8×104ha，其中1962—1978年为快速植树造林阶段，1979—2003年为较慢速增加阶段，之后植树造林增加面积更为缓慢(图8)。建成了红松洼、塞罕坝、木兰围场、御道口等国家级和省级自然保护区，打造出了世界上面积最大的人工森林，生态环境明显好转。月亮湖就位于塞罕坝机械林场的人工林区，月亮湖区周边均为1962年以来不同年份种植的人工林。

图8 塞罕坝地区1962—2016年人工植树造林面积统计Fig.8 Statistical curves of artificial afforestation area in Saihanba area from 1962 to 2016

4 月亮湖面积萎缩原因

4.1 湖面面积与区域温度和降水关系

距离月亮湖12 km外的塞罕坝气象站完整记录了1975年以来的逐月温度和降水数据，可以为分析月亮湖的湖面面积变化及成因提供依据。从该气象站记录的降水量数据可以看出，1975年以来的降水总体呈增加趋势，1975—2018年年降水量增加了约50 mm，其中1975—1993年为缓慢增加期、1993—2003年为缓慢下降期、2003年以来为基本稳定期(图9a)。1975—2018年坝上高原塞罕坝地区年均气温升高约0.8 ℃，各个季节升温差异较大，其中春季上升约0.5 ℃，夏季上升约0.7 ℃，秋季上升约0.5 ℃，冬季上升约0.4 ℃(图9b)。

图9 塞罕坝地区1975—2018年年降水量(a)和年均温(b)变化曲线Fig.9 Variation curves of annual precipitation (a) and average annual temperature (b) from 1975 to 2018 in Saihanba area

通过与月亮湖最近的塞罕坝地区的气象数据进行对比，显示1975年以来该地区的降水量总体上呈增加趋势，说明汇入月亮湖中的大气降水是增加的。其中1993年以前湖面面积增大与降水量增加基本同步，1993—2003年间二者也有相似波动趋势，2003年之后二者之间没有必然联系。该地区温度也呈增加的态势，由于温度升高会导致蒸发量增强，温度升高导致的蒸发加强可能对气候干旱化的影响更加明显[19]，因此2003年之后湖泊面积萎缩可能与自然因素中的温度升高导致增发量增大有一定关系。综合比较湖泊面积多项式拟合曲线和蒸发量拟合曲线可见，月亮湖湖面面积大小变化与蒸发量关系更密切(图10)。

图10 塞罕坝地区1975—2018年湖面面积、降水量和蒸发量变化特征Fig.10 Variation characteristics of lake size, precipitation and evaporation in Saihanba area from 1975 to 2018

图11 塞罕坝地区累计造林面积与年降水量和温度变化关系Fig.11 Relationship between cumulative afforestation areas and annual precipitation and temperature in Saihanba area

4.2 湖面面积与植树造林关系

月亮湖周边的植被类型主要为1962年以来陆续种植的人工林，其次为天然草地和湿地。该地区1975—2016年，人工林种植面积增加了5.7×104ha，分析认为该地区降水量的增加可能与不断增加的人工森林有着正相关关系(图11)，但随着造林面积的增加，月亮湖水域的面积呈减小趋势(图8)，但二者是否有直接相关性还需要进一步深入研究。另外一种推测可能是温度升高后更有利于森林生长，随着森林面积扩大和树龄增加，虽然降水量增加了，但森林增加了水源涵养能力，抑制了降水后的地表径流量，同时通过叶面蒸腾作用将水分散发到空气中[20-21]，因此会造成月亮湖汇水范围内入湖的水量相应减少。

4.3 旅游开发对湖泊的影响

2013年7月30日影像显示水域面积为3.4×105m2，2018年6月29日影像显示水域面积为7.5×104m2，从2013—2018年的5年间，月亮湖水面面积缩小趋势明显(图12)。月亮湖面积减少的原因除了蒸发等自然因素外，可能与人类活动密切相关。人类活动对该湖泊的影响主要表现在：(1)湖区周边围湖造房、游乐场和马场等旅游项目较多，硬化的水泥路面阻断了湖泊周边的地表天然径流补给通道，隔断了两侧地表水力联系，人为缩小并限定了湖区补水范围，这种影响在干旱半干旱区尤其明显。(2)湖区东北侧(2#，见图5)和西侧(1#)的2口水井抽取地下水，2009—2018年间，湖区东北侧水井每年7—10月份抽取地下水约200 m3，湖区西侧水井每年7—10月份抽取地下水约162 m3，抽取的地下水主要用于旅游经营者和游客使用。(3)据不完全统计，月亮湖区6—10月份每天平均用水人数为50人，每天按照50 L定额估算，每年(6月1日—10月10日共 132 d)用水330 m3；马匹200头，按照每天每头10 L定额估算，每年用水量264 m3，人蓄饮水量每年约为594 m3，2口井抽取的地下水每年合计362 m3，缺口232 m3应该主要由月亮湖提供。因此，每年月亮湖除了需要补给地下水外，还需要提供约232 m3的水为旅游服务。

图12 2013年和2018年月亮湖水域面积对比(底图为Google earth影像)Fig.12 Comparison images of the water area of Moon Lake in 2013 and 2018 (base map from Google Earth)

5 坝上高原湖泊萎缩应对建议

月亮湖水面萎缩有自然和人为双重因素，但笔者认为更重要的是人为因素造成了月亮湖快速萎缩。主要表现在：(1)近年来的旅游开发，抽取地下水和牲畜大量饮用湖区地表水对该湖泊影响较大，造成湖区周边地下水位下降、泉水干涸，这是人类活动直接作用的结果；(2)湖区周边山坡的原始植被为草地，现绝大部分已改为人工林，由于人工林的蒸散量要普遍高于当地草地等自然植被的蒸散量(鲁晨曦等，2017)[10]，叶面蒸腾作用加强；(3)湖区的游乐场等地原为如意河上游的湿地和草地，现已退化为沙地，沙质裸露，水源涵养能力下降。

综合分析认为：地下水开采和旅游开发(牲畜)用水增多是湖泊萎缩的主要原因，这在坝上高原具有典型性和普遍性，也是全球气候变化与人类旅游活动的综合体现。因此，建议坝上地区发展生态节水旅游，实施湖区及周边地区地下水禁限采，强化水源涵养保护，以更好地发挥坝上高原是京津冀重要的水源涵养区和生态环境支撑区的功能。