阿克苏河流域胡杨林区生态输水效益评估

2022-05-07梁新平

水利规划与设计 2022年5期

梁新平

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830002)

阿克苏河是塔里木河水量最大的源流，上游有2大支流：北支库玛拉克河，西支托什干河。2河均发源于天山西段，河水由山地降水及冰雪融水补给。2河在温宿附近汇合称阿克苏河。阿克苏河流域生长了大量胡杨林，联合国粮农组织(FAO)林木基因资源专家组于1993年6月召开的例会上，确定了全世界最急需优先保护的林木基因资源，其中胡杨是干旱和半干旱地区保护的重点。新疆塔里木河流域的天然胡杨林分别占世界和中国胡杨林总面积的54%和89%，是世界上数量最多、分布面积最广的天然胡杨林资源基因库。然而近几十年来的绿洲扩张和水资源过度利用，天然胡杨林生境破碎、林地面积萎缩、生态功能退化，这不仅影响到塔里木河流域经济发展与社会稳定，更危及我国乃至世界生态安全，引起政府部门及国内外学者高度关注[1-3]。

为全面、科学、准确地评估阿克苏河流域生态输水效益，本文综合数据收集、实地调查和遥感监测等结果，从输水过程和淹灌效率、地下水和土壤水响应、植被生长与群落结构变化及生态环境质量的时空格局4个方面开展了阿克苏河流域生态输水效益评估，同时，结合输水情况、流域胡杨林退化现状及生态水供给条件等因素，甄别当前生态输水存在的问题，有针对性地提出了生态输水对策及建议。

1 研究方法

1.1 野外调查

共调查阿克苏河河流域生态输水区2个，调查内容包括艾西曼湖水域面积、塔里木灌区边缘胡杨林(稀疏胡杨林区)生长状况及物种多样性，见表1。

表1 生态输水区类别与野外调查内容

1.2 遥感数据收集处理

收集了生态输水前后的多源多尺度高频次遥感数据，包括Sentinel-1微波数据、Landsat-TM光学影像数据、Modis-EVI植被指数数据、Modis-LST地表温度数据、GEWEX-SRB地表辐射数据、CMORPH降水数据、AMSR-E辐射计数据、GRACE重力卫星数据等，数据周期介于5—16d，分辨率5～250m，数据总量达到25GB以上。经数据处理，获取输水区内淹灌范围、淹灌持续时间、湖泊水面面积、地下水储量、土壤水温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index，简称TVDI)、植被覆盖度、蒸散发、遥感生态指数(Remote Sensing Based Ecological Index，简称RSEI)等结果。

1.3 生态输水效益评价指标体系

为科学全面地评价生态输水取得的效益，从输水过程和淹灌效率、地下水和土壤水响应、植被生长与群落结构变化及生态环境质量的时空格局4个方面，构建了生态输水效益的评价指标体系，见表2。

表2 生态输水效益的评价指标体系

2 生态输水效益评估

2.1 生态输水与淹灌效果

(1)生态输水完成度。规划生态输水1.1亿m3。其中：通过南干渠向第一师塔里木灌区边缘胡杨林区输水0.6亿m3；通过胜利渠和阿瓦提第一分水闸向艾西曼湖输水0.5亿m3。阿克苏河实际输水1.16亿m3，生态输水超额完成6%。

(2)淹灌面积。借助Google GEE遥感大数据平台，集合Sentinel-1号卫星的微波数据(重访周期为6d，分辨率5～20m)及多源光学遥感时间序列数据共38期。计算阿克苏河流域胡杨林输水区水体指数并提取水面面积。通过ArcGIS对多期塔河南岸胡杨林输水区淹灌面积图层进行叠加，获得生态输水的最大淹灌面积21.05万亩。在已获取生态输水的最大淹灌范围的基础上，通过ArcGIS对获取的最大淹灌范围图层做1km缓冲区分析，获得输水区最大淹灌面积的影响范围60.75万亩。

(3)淹灌持续时间。利用38期塔河南岸胡杨林输水区遥感影像数据，通过人工解疑，提取淹灌水面从小到大的增长过程及从大到小的缩小过程的空间分布，据此确定生态输水最大淹灌范围、持续时长的空间分布。

根据研究结果，淹灌时长0—7d的区域面积最大达5.61万亩，占比26.67%，见表3。淹灌时间较短，处于输水区远离供水口的边缘地带；淹灌时长50d以上的区域，达3.49万亩，占比16.57%，主要集中在供水口附近，部分胡杨林存在过度淹灌。

表3 阿克苏河胡杨林淹灌时长及空间分异

其余不同淹灌时长的区域占比统计如下：淹灌时长8—14d的区域，达3.67万亩，占比17.42%；淹灌时长15—21d的区域，达2.97万亩，占比14.12%；淹灌时长22—28d的区域，达1.79万亩，占比8.49%；淹灌时长29—35d的区域，达1.96万亩，占比9.31%；淹灌时长36—42d的区域，达0.69万亩，占比3.29%；淹灌时长43—49d的区域，达0.87万亩，占比4.13%。可通过完善供水工程及配套设施，增加淹灌时长15—28d的区域占比，保障胡杨正常生长的所需水量，避免过度淹灌。

(4)艾西曼湖湖面积监测。艾西曼湖的水域面积在输水前后变化幅度不大，总体呈现缓慢增大的趋势，初始水面面积24.58km2，之后稳步增加至28.31km2，最后湖面积为27.63km2，有所下降。

2.2 地下水和土壤水响应

(1)地下水储量。通过GRACE和GLDAS水文模型反演得到研究区地下水储量变化的空间分布。在空间和时间域分析区域的质量变化。研究得出，阿克苏河流域地下水储量整体好转。

阿克苏河输水区(第一师塔里木灌区边缘胡杨林)输水后(2017—2021年)地下水储量变化情况总体优于输水前(2015—2016年)。2015—2016年南部地区出现地下水储量减小的情况，2017年南部地区减小情况好转，且北部区域地下水储量增加幅度整体提升。2018年南部地区地下水储量转为增加变化，其余区域地下水储量增量介于69～112mm之间。2019年全区地下水储量均在40mm以上，最高为113mm。2020年近一半区域的地下水储量增量达到120mm以上，2021年区域地下水储量最小也在60mm左右，最高可达159mm。

(2)土壤含水量。本文将TVDI指数划分为4个等级：小于0.6、0.6～0.75、0.75～0.9、大于0.9，分别表征轻旱、中旱、重旱、特旱4个干旱等级。根据研究结果分析，见表4，2015—2021年塔河南均无轻旱区(TVDI<0.6)，特旱区(TVDI>0.9)面积比例在2016年占比最高，达到45.6%，主要位于输水区的西南部和东北部地区；2015年特旱区(TVDI>0.9)面积占比其次，为10.1%；2018—2021年塔河南均无特旱区(TVDI>0.9)。特旱区向重旱区逐步转化重旱区(0.75

表4 阿克苏河流域输水区不同等级TVDI占比单位：%

2.3 群落结构和植被覆盖度

(1)群落结构

在该区域，将输水区分布的植被分为胡杨、灌木、多年生草本和一年生草本4种计算其重要值。不同输水频次下，塔河南岸胡杨林输水区的4种植被的重要值也显著不同。整个输水过程中，胡杨优势度无显著变化，其他3类植被的重要值随输水频次发生变化。输水前，该区域是以灌木为主的乔灌木群落；输水2年以后多年生和一年生植被增多，灌木呈减少趋势；输水4年时，以多年生草本为主形成灌草群落。结果表明输水有效提升了该区域的植被多样性水平。但是，长时间生态输水会使得该区域群落结构发生转变，体现在植被类型发生乔灌木群落向灌草群落的演变，其群落功能的稳定性等会有所减弱。

(2)胡杨林植被覆盖度。在阿克苏河流域，艾西曼湖对生态输水的响应主要体现在湖面面积变化等方面，而植被覆盖度变化主要体现在塔河南岸稀疏胡杨林区。因此，对于该区域植被覆盖度的分析，本文针对塔河南岸胡杨林区开展研究。通过比较生态输水前后2个区域的不同等级植被覆盖度的面积变化和月尺度植被覆盖度变化特征，阐明生态输水对植被覆盖度时空变化的影响。为细致刻画生态输水实施后，流域植被覆盖度的空间变化特征，将植被覆盖度划分为4个等级：小于5%、5%～10%、10%～20%、大于20%，分别代表极低植被覆盖度、低植被覆盖度、中植被覆盖度和高植被覆盖度，见表5。

表5 生态输水前后不同等级植被覆盖度面积及变化值单位：万亩

生态输水对该区域植被覆盖度有显著的促进作用。2016年和2021年不同等级植被覆盖度的面积变化所示，在整个生长盛期，相比于2016年，2021年流域整体植被覆盖度处于小于5%区间内的面积呈减少趋势，而植被覆盖度大于5%区间内的面积呈增加趋势。2021年植被覆盖度小于5%的区域面积减少了4.67万亩，而处于5%～10%、10%～20%、大于20%范围内的区域面积分别增加了2.77万、1.21万、0.68万亩，特别是植被覆盖度小于5%的面积减少47.2%(由9.90万亩到5.23万亩)。因此，生态输水对该区域植被覆盖度有显著的促进作用。

2.4 遥感生态指数(RSEI)

(1)生态水利用效率。生态输水促进了胡杨林的生态修复，例如：幼苗大面积萌发、胡杨林龄结构改善、胡杨林物种多样性增加等。胡杨林的生态修复，有利于将更多的生态水用于胡杨林植被的蒸腾耗散，提高生态水的利用效率。根据监测计算，塔河南岸输水区，生态水利用效率较低，仅为17.4%；而在胡杨林覆盖较高的夏玛勒林场、下河林场、沙雅、轮台和尉犁罗布淖尔输水区，生态水利用效率较高，分别达到29.30%、26.6%、32.1%、43.6%、37.23%。因此，为了提高稀疏胡杨林区的生态水利用效率，需要采取工程和非工程措施，加快退化胡杨林生态修复的进程，以减少裸地的无效蒸发。

(2)生态环境质量(RSEI)。参考2015年颁布的HJ/T 192—2006《生态环境状况评价技术规范》，以0.25为间隔划分生态环境质量(RSEI)等级如下：优[0.75～1]、良[0.5～0.75]、中[0.25～0.5]、差[0～0.25]。生态环境质量等级为优的胡杨林区仅满足其生态需水量即可，避免因过度灌溉导致胡杨林生长受到胁迫；生态环境质量等级为中、良的胡杨林输水区进行适度输水，满足胡杨林生长需求，逐渐改变其生长环境；生态环境质量等级为差的胡杨林进行重点输水，促使胡杨林生态环境质量状况呈现增加趋势，彻底扭转恶化局面。

阿克苏河胡杨林输水区生态质量状况整体为差，生态质量状况等级为优的区域达0.040万亩，占比仅为0.192%，生态质量状况等级为良的区域达0.501万亩，占比达2.380%，均主要分布于南干渠放水口附近。生态质量状况等级为优、良的区域占比低于5%，生态质量状况亟需扭转。生态质量状况等级为中、差的区域分别为6.543万、13.966万亩，占比31.083%、66.345%。总占比超过90%，需进行重点输水和分区轮灌，避免胡杨在受到严重的干旱胁迫后，胡杨自身的渗透调节能力、抗氧化能力及光合作用性能降低或丧失，以致生长受到极大抑制。在人工干预的情况下，促使胡杨林生态环境质量状况呈现变好趋势，扭转恶化局面，以此提升整个阿克苏河流域胡杨林输水区生态环境质量状况。

通过2016年和2021年阿克苏河流域输水区胡杨林生态环境质量状况的对比，输水后阿克苏河生态环境质量得到明显改善。RSEI均值从0.11增加至0.23，提升占比达109.09%，见表6。生态质量状况等级为优的区域，从0.004万亩增加至0.040万亩，增加0.036万亩，提升占比948.00%；生态质量状况等级为良的区域，从0.325万亩增加至0.501万亩，增加0.176万亩，提升占比54.39%；生态质量状况等级为中的区域，从6.179万亩增加至6.543万亩，增加0.364万亩，提升占比5.89%；生态质量状况等级为差的区域，从14.543万亩减少至13.966万亩，减少0.577万亩，下降占比3.97%；生态质量状况等级为差的区域逐渐转化为优、良、中区域，远离南干渠输水口的区域生态质量等级也在悄然发生改变，整个胡杨林输水区经历生态输水后的生态环境质量呈现变好趋势，输水效益比较显著。

表6 生态输水前后胡杨林输水区生态质量变化统计表

3 存在问题

(1)生态输水的靶向固化，局部区域存在水淹。根据胡杨林淹灌时长统计，塔河南胡杨林淹灌时长50d以上的区域，达3.49万亩，占比16.57%，主要集中在南干渠补水口附近。该区域胡杨林覆盖度较高，但存在过度淹灌，胡杨林生长受到一定胁迫。水量长期聚集在输水口附近，不利于水面的推进及改善整个区域胡杨林的生境状况。输水区生态需水与供水工程现状不匹配、输水通道不明确、配套工程不完善等，难以确保生态输水的精准性和靶向性，阻碍了生态输水效率的提高。

(2)生态输水监测体系不完善。缺少生态输水监测与效益评估体系。当前胡杨林生态输水大多以应急为主，没有建立长期、稳定和系统的生态监测体系。虽然当地的林业部门对第一师塔里木灌区胡杨林的输水淹灌范围进行了实地勘测，但若分析胡杨林对生态输水的生理、生态响应及水分转化方面，需布设固定样方和水文监测断面对其进行长期监测，从而为今后制定合理的生态输水方案以及开展生态输水效益评估提供数据支撑[4-5]。

4 对策与建议

(1)健全供水配套设施，扩大退化区胡杨林的淹灌面积。对生态输水区的供水工程进行宏观调控，确保核心区生态输水通道顺畅，避免胡杨林过度淹灌及生态水推进速度缓慢。完善南干渠输水口到核心区及次要输水区的供水通道，确保生态输水的精准性和靶向性，使远离输水口的胡杨林，获取足够的生态水补给，避免胡杨生长受到干旱胁迫。

(2)建立生态输水监测与效益评估体系，优化胡杨林生态输水实施方案。在流域胡杨林生态输水区，构建“多维度”(纵向水流演进-横向水量转化-竖向植被响应)、“多尺度”(胡杨个体-群落结构和功能-生态系统面积、质量和稳定性变化等)、“多生态要素”(水、土、气、生要素)、多技术手段(空-天-地一体化)的综合监测系统，确立胡杨林生态输水效益科学、精准、完整的评估指标体系[6-7]。

(3)建立分区轮灌体系。将流域生态输水化为3个等级：重点输水区(河湖湿地以及生态环境指数减小、植被覆盖度较高、距离河道近15～20km以内的胡杨林区)、次要输水区(生态环境指数减小、中和低等植被覆盖、距离河道15～20km以外区域)和无需输水区。阿克苏河流域重点输水区包括艾西曼湖以及分布在第一师塔里木灌区边缘胡杨林附近，艾西曼湖维持多年平均生态输水量0.5亿m3；胡杨林重点输水区共计23.67万亩，修复需水量0.71亿m3；次要输水区共计4.05万亩，生态修复需水量0.16亿m3。