阿克苏河流域生态过程对生态输水的响应研究框架

黄卫东，蒋军新，刘新华，徐先斌

（1. 塔里木河流域阿克苏管理局,新疆 阿克苏 843000；2.华中师范大学城市与环境科学学院,湖北 武汉 430079）

1 前言

水是维系生命活动和延续的重要组分,影响着生态系统的形成和演替,在保障区域生态功能的持续供给方面扮演着重要角色,尤其对于水资源短缺的干旱地区而言,水资源决定着生命的存在与维持。由于干旱区内陆河流域远离海洋,降水主要发生在山区,直接影响着冰川的发育和河川径流的形成,上游山区来水流经山前戈壁和绿洲区后注入终端湖,形成上中下游闭合的水循环系统,期间地表水和地下水转化频繁并在转化过程不断消耗[1]。同时,干旱区水资源调蓄能力极差,季节性缺水时常发生,水资源体量上的不足和时空上资源和需求的不匹配导致我国西北干旱区水资源供需矛盾极为突出[2],有水成绿洲,无水成荒漠,干旱半干旱地区的生态演替都取决于生态水文过程[3]。在全球增暖的大背景下,人口压力和不合理的水土资源开发活动不断增加,我国西北干旱半干旱地区的生活、生产严重挤占了生态用水,流域内的灌溉农业截留大量的来水,造成流域内天然植被和河流湖泊等天然水系急剧萎缩和退化,生态功能和环境承载力失去自我调节能力并退化成荒漠,西北地区的生态安全受到严重威胁,最后人类的生存环境、社会稳定和经济的可持续发展也将难以维持。

阿克苏河作为塔里木河水量最大的源流,其绿洲生态系统的发育和进化对塔里木河流域乃至整个新疆的生态环境建设的重要地位是不言而喻的,摸清阿克苏河流域天然植被的生长和分布情况,掌握流域天然植被和天然湖泊的时空格局变化,对保护和恢复阿克苏河流域生态环境、保障西北干旱区生态文明建设有着重要的生态意义。对生态退化的区域实施生态输水工程,保证其一定质量和数量的生态用水能够最小程度地改善生态环境,是促进西北干旱区生态系统恢复的基本措施和主要手段。生态保护是生态输水工程的主要目标[4],因此,面向绿色生态的生态输水能否改善西北干旱区域的生态环境、恢复生态功能,成为了学术界和决策者都密切关注的热点问题。

阿克苏地区自2017 年开始向艾西曼湖湿地补水,2019 年开始增设塔里木灌区边缘胡杨林区域实施生态输水,输水后补水区的地下水位有明显抬升,湖面增加,水质变好,生态环境有明显的改善[5]。了解天然植被和天然湖泊的恢复程度,根据生态输水对流域的生态环境影响现状制定科学合理的调度计划,成为指导下一步输水工作的基础,对阿克苏地区生态输水调度的实施安排,乃至整个塔里木河流域水资源统一管理和配置有着重要的现实意义。因此,探讨阿克苏河流域输水后流域地下水位变动以及自然植被、天然湖泊的响应特征,构建阿克苏河流域生态输水调度优化框架,能够扩大生态输水效益,以求在理论研究和应用实践上有所突破。

2 流域生态输水现状

新疆维吾尔族自治区于2017 年首次把阿克苏河纳入塔里木河流域胡杨林重点保护区生态补水区,至2020 年累计输水3.5018 亿m3。其中2017 年~2020 年向艾西曼湖区累计输水2.2285 亿m3,2019 年~2020 年向第一师塔里木灌区边缘胡杨林累计输水1.2733 亿m3。

2.1 生态输水灌区情况

阿克苏河流域生态输水调度实施目前主要通过四条输水通道,向艾西曼湖湿地、第一师塔里木灌区边缘胡杨林进行生态输水。

（1）艾西曼湖

艾西曼湖位于阿克苏地区阿瓦提县英艾日克乡和塔木托格拉克乡交界处,是阿克苏河流域最早进行生态输水的灌区,灌区内主要包括艾西曼湖区和周边湿地,湖区由萨依力克湖、皇宫湖、月亮湖等八个小湖泊相连而成,是新疆阿克苏地区最大的淡水湖泊,也是重要的候鸟栖息地之一,是阿克苏河流域的重要的生态组成部分。自2000 年起,随着过度的水资源开发利用,艾西曼湖面快速缩减,相连的湖区逐渐演变成独立的小湖甚至消失。因此,阿克苏地区自2017 年开始利用主汛期和灌溉间歇期,从阿克苏河引水至艾西曼湖湿地进行补水。

向艾西曼湖进行生态输水的输水通道有三条：一是从西大桥分水枢纽配水经胜利渠、阿音柯干渠到6 号闸、7 号闸向艾西曼湖区的萨依力克湖补水,通过8 号闸向艾西曼湖区的皇宫湖补水；二是通过胜利渠四十八分水闸向艾西曼湖区的一团海子湿地补水；三是从西大桥分水枢纽配水经老大河到第一分水闸经洋瓦力克渠到阿瓦提县三号闸向艾西曼湖补水。

（2）第一师塔里木灌区

第一师塔里木灌区位于塔里木盆地西北边缘,西起塔里木拦河闸,东至阿克苏地区十四团,北接阿克苏市荒地,南抵塔克拉玛干沙漠。第一师塔里木灌区包括塔北灌区和塔南灌区,野生胡杨林和人工种植的生态胡杨林主要分布在塔南灌区的塔南二干渠以南沙漠边缘,据当地统计,该灌区内分布着约50 万亩的野生胡杨林和7000 亩的“三五九”人工种植生态胡杨林,是阿克苏河流域生态建设的重要组成部分。由于灌区地处塔克拉玛干沙漠边缘,干旱少雨,沙漠化、水土流失严重,生态环境脆弱、胡杨林生境受到严重威胁,阿克苏地区自2019 年开始向第一师塔里木灌区胡杨林区进行生态输水,利用汛期从阿克苏河引水至灌区内的胡杨林区。

目前向第一师塔里木灌区进行生态输水的输水通道分布在塔南灌区,主要依托塔南二干渠生态输水通道进行输水,由阿克苏河从塔里木河拦河闸分水枢纽配水经南干渠,分别从塔南二干渠18.6 km南一支干、32 km南二支干、37 km南三支干、59 km七支干和塔南二干渠43 km五个输水口向第一师塔里木灌区胡杨林区进行生态输水。

2.2 生态输水情况

阿克苏地区自2017 年起开始实施生态输水,最早生态输水区域为阿瓦提县艾西曼湖湿地,2019 年起增加第一师塔里木灌区胡杨林区进行生态输水。主要输水时段为6 月~9 月,视当年阿克苏河主汛期的时间调整,易于平衡生态用水和农业用水。

各年份的输水详情见表1,阿克苏地区生态输水总量逐年增加,2017 年~2019 年,每年总的输水时间为一个月左右,2018 年的输水时间最长；输水量在逐年递增,2017 年向艾西曼湖湿地生态输水共4160.16 万m3,2020 年分别向艾西曼湖湿地生态输水7011.61 万m3,向第一师塔里木灌区生态输水6180.46 万m3；2020 年存在两个输水时间段,分别为6 月和8 月,6 月份的输水时间较短,输水总量和输水流量都较小,8 月份为主要输水时间段,输水总量和输水流量都较大。

表1 阿克苏地区历年生态输水详情 单位：万m3；万m3/d

3 生态过程对生态输水的响应研究框架

为深入探讨阿克苏河流域生态过程对生态输水的响应关系,基于阿克苏河流域生态输水工程的大背景,以GF-1 WFV遥感影像数据为主要数据源,以阿克苏河流域输水前后地下水位、植被生长、自然湖泊变化的响应为核心,评价生态输水对阿克苏河流域生态环境的影响和效果,探究地下水位、植被生长、自然湖泊对生态输水的响应过程,基于流域输水成效和生态恢复的需求,对阿克苏河生态输水调度优化方案进行初步探讨,力求在生态修复和水资源管理上取得理论研究和实践应用的突破。研究框架见图1。

图1 阿克苏河流域生态过程对生态输水的响应研究框架

（1）流域自然植被的时空演变特征

通过高分辨率遥感影像和地表覆被分类方法提取2015年~2020年阿克苏河流域的自然植被,分析流域自然植被的时间、空间分布差异,动态监测2015年~2020年阿克苏河流域自然植被的时空转移特征,以识别流域自然植被重点区域和流域需要实施生态输水的区域。

（2）流域生态输水的生态响应规律

通过2015年~2020年地下水位、自然植被和自然湖泊水面在年际变化、季节变化上的动态变化,与流域生态输水量、输水时间进行综合的对比分析,分析总结流域生态要素对生态输水的响应特征,可为流域生态输水实践提供科学性参考。

（3）流域生态输水调度的优化

生态输水调度指的是将生态因素考虑到水库调度和区域水资源配置中,是旨在恢复受损的生态系统,促进生态系统自我修复能力而实施的各项河流、水工程调度措施。结合阿克苏河流域自然植被空间分布格局、自然湖泊水面变化特征和区域生态环境对生态输水的响应规律,充分识别流域生态输水和生态问题,基于流域生态修复目标,从生态需水调度、生态因子调度、水系连通性调度等关键角度入手,探讨阿克苏河流域生态输水的数量、时序、空间分布等,构建阿克苏河流域生态输水调度方案的基本框架,以指导流域生态输水工作的管理与实施。

4 结语

目前对生态输水工程在西北干旱半干旱地区的生态效应评价和生态响应研究集中在塔里木河下游,针对塔里木河上游区域、受人为影响较大的绿洲流域的研究极少。阿克苏河流域作为塔里木河主要的源流之一,通过分析阿克苏河流域自然植被时空分布特征以及地下水变动、自然植被和自然湖泊对生态输水的响应特征,构建流域生态输水调度优化框架,能够为阿克苏河流域生态发展、塔里木河生态保障建设提供科学合理的参考。