生态输水对台特玛湖面积和植被的影响

董宗炜,徐至远,张 鹏

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 830052；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；3.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

塔里木河流域作为中国乃至世界上生态最为脆弱的地区之一，由于人口增加，耕地面积增大，流向下游的水逐年减少，曾在20世纪多次发生断流，台特玛湖作为塔里木河的尾闾湖也多次发生干涸[1]。尾闾湖水域面积的变化能直观反映其源河流域自然环境变化[2]，台特玛湖是塔里木河下游生态恢复的重要标志[3]。李丽君等[4-5]认为应急输水对塔河下游的生态植被恢复有着明显影响；崔亚莉等[6]、陈亚宁等[7]指出包括台特玛湖在内的塔里木河下游地区的植被组成、分布及长势与地下水埋深有着密切的关系。陈国亮[8]对1973—2006年台特玛湖周边环境进行了分析，阿布都米吉提等[9]、张鹏飞等[10]分析了近几十年台特玛湖水面积的变化特征；王慧玲等[11]和霍天赐等[12]讨论了2020年台特玛湖水域面积变化及其对周围动物和气候环境的影响。但前人相关研究没有进行长时间序列下与湖面积相关的供水量、地下水位和湖周边植被面积的变化及成因分析。张沛等[13]认为塔里木河干流生态环境状况处于较差的级别，其特点即为植被覆盖较差、严重干旱少雨、物种较少，存在明显限制人类生存的因素；阿布都米吉提等[9]、张鹏飞等[10]基于1973—2014遥感影像并结合实地调查数据指出：即使在2004年台特玛湖形成约300km2规模时，这个湖泊仍然处在一个生物多样性丧失和极端沙漠化阶段。为维护塔里木河下游及其尾闾台特玛湖的生态环境，国务院从2001年启动了塔里木河流域近期综合治理工程，截止2020年共进行了19次生态输水[14]。本文通过分析20年来的生态输水对台特玛湖湖面积、地下水及其周边植被覆盖的变化，旨在为在其他地区开展类似的工程提供参考。

1 研究区域概况

台特玛湖位于若羌县以北约50km处塔里木盆地南边，所在区域名为罗布庄，位于2大沙漠之间，东为库鲁克沙漠，西为塔克拉玛干沙漠，并在2大沙漠中起到隔断作用[15]，地势平坦，气候干旱，日照时间长，属于极端干旱的大陆性气候，年均降水量25mm，蒸发潜力2500mm，日差最大可达24℃[2]。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[11]，与罗布泊相通的台特玛湖湖心曾被沙漠掩埋。为拯救当地生态，自2000年以来塔里木河下游得到了持续输水，目前台特玛湖水源受塔里木河干流大西海子水库及河车尔臣河补给。

2 研究方法

湖面积数据获取：研究区周围主要是水域和沙漠，基于2000—2017年影像地形图、卫星遥感影像等解译出20余次湖面面积。

植被覆盖度数据获取：植被覆盖面积的增加已是生态恢复的重要标志，本文以2000—2016年台湖流域MODIS-EVI的数据为基础，分析台湖流域覆盖面积的时空变化特征。提取台特玛湖植被覆盖度时利用的植被指数数据为MOD13Q1产品的EVI数据，空间分辨率为250m，时间序列为2001年1月至2016年12月。对获取的遥感数据进行EVI预处理，如研究区域的格式转换、拼接、投影、投影转换和提取，为减少错误信息，对数据图像进行遥感数据Savitzkky-Golay滤波和MVC综合处理，得到代表植被生长最佳状态的年度EVI数据。通过使用像素二分模型计算植被覆盖度，其计算公式如下:

(1)

式中，Fc—植被覆盖度，本文用2个十进制数表示。EVIsoil—研究区纯裸地像元的EVI值，EVIveg—纯植被像元的EVI值。本文采用研究区域EVI图像直方图5%和95%的EVI值来表示EVIsoil值和EVIveg值。提取面积数据时将植被覆盖度划分为5个梯度：低覆盖度(0.1<盖度<0.2)、中低覆盖度(0.2<盖度<0.4)、中覆盖度(0.4<盖度<0.6)、中高覆盖度(0.6<盖度<0.8)、高覆盖度(0.8<盖度<1)。

3 结果与分析

3.1 近20年台特玛湖面积及供水量变化特征

为维持台特玛湖周围生态平衡，防止两大沙漠合拢，于2000年实施了流域综合治理，至2018年底共实施生态输水19次，大西海子水库共计下泄水量77.67亿m3，平均每年下泄4.32亿m3，实现了塔里木河综合治理规划所定的3.5亿m3的下泄水量目标，其中，2000—2006年大西海子水库共下泄22.81亿m3，年均下泄3.26亿m3，如图1所示。

在此期间，由于车尔臣河来水偏丰亦可供水给台特玛湖，车尔臣河25%、50%和75%来水频率下的径流量分别为6.228亿、5.061亿、4.221亿m3。且末县车尔臣河2020年用水总量指标为30366万m3，按照用水总量指标在满足且末县国民经济用水后，车尔臣河25%、50%及75%来水频率下分别结余31944万、20244万、11844万m3，下泄给台特玛湖。总之，每年由塔里木河供水给台特玛湖的水量不是一定值，而是由大西海子水库的下泄量所决定，且车尔臣河的供水量亦不是一定值，因车尔臣河的丰-枯变化而变化。

随着生态输水工程的进行和流域综合治理的开展，湖面面积已由2000年的58.79km2增长到2020年的340km2，并在2017年达到511km2。其中，2000—2006年间，湖面面积总体呈现上升趋势；2007—2009年由于来水偏枯湖面积有所下降；2010—2018年以后因丰水年份偏多的缘故，湖面积总体呈上升趋势；2019年来水偏少、湖面积变小，如图2所示。

图2 台特玛湖面积变化图

3.2 生态输水以来地下水位变化特征

与2000年相比塔河下游各断面地下水埋深均有明显抬升：2018年英苏、喀尔达依、阿拉干和依干不及麻断面地下水埋深在离河50m处各断面分别增加了2.28、3.31、5.23、5.05m，在离河1050m处各断面地下水埋深分别增加了0.52、0.65、1.28、1.65m，如图3所示。

图3 各断面地下水位抬升量

同时，台特玛湖周边地下水位也得到了抬升，这一点用距离台特玛湖最近的考干断面1眼监测井(J3)地下水位的变化来反映：生态输水后J3平均地下水埋深分别为6.39m，较输水前抬升了45.53%,如图4所示。

图4 台特玛湖附近考干断面地下水埋深变化

将以上监测井地下水埋深与湖面积建立关系如图5所示，结果发现J3井地下水埋深与湖面积间的Pearson相关系数分别为-0.79(P<0.01)，表明地下水埋深与湖面积间有极显著的负相关关系，即湖面积越大、地下水埋深越浅。

图5 考干断面地下水埋深与湖面积关系

3.3 湖周边植被面积变化

经过生态输水后，台特玛湖周边地下水埋深在抬升的同时，对沿湖周边植被的生长也有一定的影响。2000—2016年，各梯度等级下的植被覆盖面积均为增加的态势，如图6所示，表明植被呈现出好转趋势。其中，2000年至2010年期间，虽然生态输水对于植被的生长起到一定的促进作用，但这种作用并不明显；2010年后，地下水经过长期补给，逐渐开始有所抬升，随后几年中抬升效果愈发显著。

图6 台特玛湖不同覆盖度植被面积变化图

4 讨论

台特玛湖位于两大沙漠之间，位于218国道与315国道的衔接地，也是塔里木河下游水生动植物重要的栖息地和物种基因库，无论在丰水年或枯水年，维持一定规模具有重大的战略意义。但是，台特玛湖的修复至今仍面临以下问题：

(1)随着2000年生态输水工程的开展，台特玛湖地下水大幅度抬升。但由于处于长期干旱的条件下生态环境及其恶劣，短期内无法进行有效的恢复。2002—2010年，台特玛湖周边地下水埋深依然保持在7.2m左右(图4)，即生态输水10年后台特玛湖周边地下水位才能得到响应。

(2)随着近几十年的治理，2017年台特玛湖的面积曾达到511km2，成效显著。湖面面积过大的同时也意味着湖面蒸发量大，过多上游节省出来的水资源被浪费在湖面蒸发中，若不定期进行输水补给，其湖面面积将会迅速减小，即使在一年之中不同的时间不同的季节湖面面积都会有明显的差距，沿岸植被的生长也会因此受到限制。在维持台特玛湖湖面面积的同时，势必会对上游的生态和农业用水量有严重影响，并且整个塔里木河流域全长1321km，年蒸发潜势多在1800～2900mm，水量仅18.6～50mm，水量下泄过程中势必会因天然蒸发和渗漏产生巨大损耗，对于其中的生态水无法进行高效利用，尤其在枯水年期间更会加剧水资源矛盾，因此出现了“花钱多，效益低”的局面。

5 结论

在近20年来对于台特玛湖的输水已有显著成效，2000—2019年大西海子下泄水量、湖面积大体呈增加趋势。随生态输水的进行和湖面积的增大，地下水埋深较输水之前有着显著抬升，典型监测井(J3和J4)地下水埋深分别较输水前抬升了45.53%、40.91%。通过建立关系，地下水埋深与湖面积间存在极显著的负相关关系(相关系数分别为-0.79、-0.70)。湖周边植被覆盖面积显著增加，无论是低覆盖度(0～20%、20%～40%)，还是中、高覆盖度(40%～60%、60%～100%)，植被面积均为增加趋势。