坝上高原察汗淖尔湖泊面积变化及驱动要素分析

陈鹏, 张冰*, 马荣, 石建省, 司乐天

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 石家庄 050061; 2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室, 石家庄 050061; 3.中国地质调查局第四纪年代与水文环境演变重点实验室, 石家庄 050061; 4.中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心, 北京 100083; 5.河北地质大学城市地质与工程学院, 石家庄 050031)

湖泊作为干旱-半干旱地区重要的水资源,是气候和环境变化的重要指示器[1],湖泊萎缩不仅使湿地面积减少,更加剧了土壤盐渍化的产生,裸露的湖床还会为盐尘暴的产生提供物源基础[2],对生态环境造成威胁。因此探索湖泊演变的驱动要素,对湖泊湿地的保护与可持续发展具有重要意义。进来年,在全球变化和人类活动的双重影响下,导致干旱-半干旱区内陆湖泊萎缩、干涸[3]。许多学者对湖泊变化展开了研究[4],对各种自然与人为因素对湖泊演化的影响进行了讨论[5],但缺少针对驱动因素贡献率及其动态变化的定量解析。李想等[6]分析了过去40年贝加尔湖周边气候变化及其对水位的影响,认为气候变化是驱动贝加尔湖水位变化的背景条件。张恒等[7]将过去30年京津冀地区湖泊变化分为3个阶段,认为1987—1996年湖泊变化主要由自然因素主导,1997—2009年与2010—2017年两个阶段主要由人为因素主导。Su等[8]认为高农业用水量是导致咸海持续萎缩的原因。周璟等[9]认为降水量是驱动青藏高原湖泊扩张的主要因素。与此同时,针对察汗淖尔湖泊的研究也相对较少。王奕璇等[10]和刘一等[11]通过Mann-Kendall 检验法分析了气象要素的变化对察汗淖尔湖泊面积的影响;陈晓璐[12]则认为农业灌溉导致地下水位快速下降,使湖泊呈现出快速萎缩。这些研究都对驱动湖泊变化的要素分析较为全面,但缺乏对驱动要素的定量贡献的核算。

现通过遥感影像提取察汗淖尔湖泊面积变化过程,结合收集察汗淖尔流域内气象及地下水资料,利用Mann-Kendall检验、Spearman相关性分析等方法识别湖泊面积与各影响因素间的响应特征,利用多元线性回归法分阶段分析各影响因素对湖泊面积变化的相对贡献率,为认识区域生态环境的演变、湖泊湿地的保护与恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

坝上高原是北方农牧交错带的核心区域,也是首都的水源涵养功能区和生态屏障区,生态环境较为脆弱,以农业开垦为主的高强度人类活动对本地区生态环境造成了巨大的压力,导致一系列生态安全问题[13]。湖泊流域生态系统是以人类为主要要素的典型复合型生态系统,其在自然、经济、社会等循环中扮演重要角色,随着人类活动的不断增强,诸如地下水开采、土地利用类型、种植模式等因素造成流域内不同程度生态系统退化[14]。因此,对坝上高原典型湖泊察汗淖尔开展演变及驱动要素贡献率分析,将对未来流域的可持续发展起到重要的指导作用,对坝上高原生态屏障的建设起支撑作用。

察汗淖尔流域位于坝上高原西侧,流域总面积约6 757.6 km2,地势四周高中间低,切割较强烈,沟谷发育,中部为商-张盆地[15](图1)。流域属中温带大陆性季风气候,光照充足,昼夜温差大,干旱、多风、少水、无霜期短,多年平均气温-0.3～3.7 ℃,多年平均降水量361.61 mm,主要集中在6～9月,多年平均蒸发量为1 902.88 mm,为降水量的5.26倍,无霜期100 d左右。流域内水资源总量为1.812×108m3,其中地下水资源量1.384×108m3,占流域水资源量的76%,农业用水量占流域内总用水量的80%。该地区土壤风蚀较为严重,主要地带性土壤为栗钙土,优势物种主要有碱蓬、盐爪爪、芨芨草与克氏针茅等。土地利用类型以耕地为主,主要种植作物为马铃薯、甜菜与莜麦等[16]。

图1 研究区地理位置

1.2 数据获取

遥感影像数据来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)及美国地质调查局官网(http://www.usgs.gov/)Landsat系列遥感影像,如图2所示,时空分辨率为 8 d、250 m,行列号为 h26、V04。气象资源主要来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn)。地下水数据来源于察汗淖尔流域20口地下水监测井1990—2020年长时间序列5日观测数据。统计数据主要来源于《内蒙古统计年鉴》《河北农村统计年鉴》《河北经济年鉴》等。

图2 1984—2019年察汗淖年际遥感影像

1.3 研究方法

主要采用Mann-Kendall检验[17]分析气候变化趋势的显著性和突变性,通过Spearman相关性分析识别各影响因素与湖泊水面变化之间的响应特征,最后运用多元线性回归法[18]分析各影响因素对湖泊面积变化的相对贡献率,从而找出影响湖泊面积的主要驱动因素。

2 结果与分析

2.1 湖泊面积变化特征分析

通过资料收集与察汗淖尔遥感影像分析,在1984—2020年察汗淖尔湖泊面积呈萎缩趋势,每年面积减少0.94 km2(图3),总体上察汗淖尔湖泊的水面变化特征可分为3个阶段。第一阶段:湖泊水面呈自然交替变化阶段(1984—1999年),湖面季节性凸显,察汗淖尔最大水体面积波动于20～50 km2。此阶段下,流域内地下水开采量较小,察汗淖尔湖泊具有稳定的补给源,在降水量较少的干旱年份也能维持一定的水面面积。第二阶段:湖泊水面呈现剧烈波动阶段(2000—2005年),其变异系数为0.809。此阶段下,流域内地下水大量开采,导致其对湖泊补给量减少,进而成为影响湖泊变化的主要因子,湖泊季节性变化明显。第三阶段:湖泊干涸-恢复交替阶段(2006—2020年),此阶段下湖泊失去了地下水的补给,在2006—2009年间湖泊基本处于干涸状态,随后在人类活动的干预下,流域内水库向下游排水,使得湖泊水面短暂恢复(15～34 km2),随后在2014—2017年水库除险加固后长期无下泄水量,导致湖泊又快速萎缩。

图3 察汗淖尔丰水期水面面积变化特征

2.2 气候变化对察汗淖尔的影响分析

通过察汗淖尔周边气象站点观测数据,分析气候变化对察汗淖尔面积的影像(图4和图5)。1990—2020年研究区内年平均气温整体呈波动上升趋势,速率为每10年上升0.2 ℃,年降水量整体变化趋势不明显,呈波动状态。通过Mann-Kendall检验,自1998年以来,年平均气温呈上升趋势但并不显著(0

图4 年平均气温变化及其Mann-Kendall检验

通过实地调查以及对湖盆高程的分析,湖泊面积对降雨的响应快速,因此对流域内降雨类型变化进行分析。根据中国气象局规定的降雨强度等级划分标准,统计化德县气象站过去30年内降水类型的变化情况(图6)。由图6可知,1990—2020年内流域内小雨、中雨和大雨除个别年份外没有明显变化,小雨多年平均为68.5次,中雨多年平均为7.8次,大雨多年平均为1.9次,暴雨次数则显著下降,由1990年的59次下降为2020年的2次,下降速率为每年减少1.5次。

图6 不同雨型年际变化

以上结果表明,流域内气候暖干化趋势并不显著,但降雨类型却显著变化,暴雨次数显著减少,温度升高导致蒸发量变大,不利于察汗淖尔湖泊水面面积的维持,加之人类活动的影响,导致湖泊水体收支不平衡,造成察汗淖尔不断萎缩。

2.3 地下水对湖泊的支撑作用

察汗淖尔流域内的商都、尚义、张北等县是华北地区主要的蔬菜种植基地,从20世纪90年代开始,大规模地下水开采,逐渐改变流域水循环模式,进而对区域内河流、湖泊、地下水环境等带来显著影响。如图7(a)所示,过去30年间,流域内水浇地面积由16.36×104hm2增加到156.83×104hm2,增加了近10倍,其中2010年急剧增加,较2009年增加42.76×104hm2,年平均增加4.68×104hm2,流域内蔬菜种植面积由6.47×104hm2增加到26.30×104hm2,增加了近4倍,年平均增加0.66×104hm2。大规模蔬菜种植与水浇地的增加,导致流域内农业用水量持续增高,地下水高强度开采,导致流域内地下水位持续下降。如图7(b)所示,过去30年间农业用水量由2 315×104m3增加为3 503×104m3,其中2009年到达峰值6 184×104m3,年平均增加39.6×104m3,相对应地,流域内地下水埋深由3.6 m下降为11.0 m,年平均下降0.25 m。

图7 农业种植及地下水埋深变化

由于流域内潜水含水层厚度较小,在大规模地下水开采中,地下水位持续下降,水循环模式发生显著变化(图8)。20世纪70—80年代,流域内地下水尚未进行大规模开采,水动力场基本处于自然状态。20世纪90年代,流域内开始大规模种植西芹、甜菜、萝卜等高耗水作物,采补失衡,地下水位持续下降,水动力场与水循环模式亦发生改变,至2005年地下水潜水面低于察汗淖尔湖底,湖泊失去地下水补给。

图8 1975—2021年察汗淖尔流域地下水潜水面演化

2.4 径流量对湖泊面积的影响

流域范围内主要入湖河流有大清河、五台河、六台河、不冻河、十八顷河、公鸡河、特布乌拉河以及统领地河等,均为季节性河流,常年流量较小,长度为28～85 km,上游河流区域建设有大青沟、武家村、哈拉沟等水库,2014—2017 年水库除险加固后长期无下泄水量,导致地表水系连通性较差。

从图9(a)可知:通过对1975—2020年不冻河河道径流量与降水量数据进行分析:在1986年极端干旱的年份(当年降水量仅为235.8 mm)河道依然能维持75×104m3的年径流量,说明在人类活动还不强烈时,河道接受地下水的补给;河道径流量在1990年达到峰值,但随后在1991年降雨量较上一年由439.8 mm减小为400.18 mm,降水量小幅减小,河道径流量却呈断崖式下跌,由1 750×104m3减小为113×104m3,减小了约15倍,说明随着人类活动逐渐增强,改变了地表水-地下水转化关系;在2003年,降水量较前一年由295.1 mm增加至505.3 mm,河道径流量却由323×104m3减小为97×104m3,说明随着地下水位持续下降,大气降水无法有效转化为地表径流。通过图9(b)可知,径流量与湖泊面积相关性不大(相关系数R2=0.21),说明地表径流对于维持湖泊面积作用有限,湖泊主要依赖于地下水和大气降水,在失去地下水的补给后,湖泊迅速萎缩、干涸,变为仅在降水充沛时才有水面的季节性湖泊。

图9 察汗淖尔流域径流量变化及与湖泊面积的关系

2.5 湖泊面积与影响因素间响应特征及贡献率分析

对察汗淖尔面积与各影响因素进行Spearman相关性分析(图10)。察汗淖尔面积变化主要与农业用水量与地下水埋深呈显著负相关,相关系数为-0.71与-0.67;与径流量呈显著正相关,相关系数为0.57,这说明农业用水量对察汗淖尔面积影响最大,农业用水量越大,察汗淖尔面积越小。另外,农业用水量与地下水埋深正相关,与径流量负相关,地下水埋深与径流量负相关。

图10 湖泊面积与各驱动因素相关性分析

通过多元线性回归对湖泊面积变化与各影响因素之间的关系进行拟合[式(1)],拟合回归方程相关系数R2=0.49,再利用各影响因素的系数确定其贡献率(图11),数据处理与分析采用SPSS 22软件(https://www.ibm.com)进行。

图11 湖泊面积变化驱动要素贡献率

(1)

由图11可知,在近30年间,高额的农业用水量是导致察汗淖尔湖泊萎缩的主要影响因素,其贡献率为51.1%,大量开采地下水进行农业灌溉活动导致流域内局部地下水超采严重,地下水位普遍下降,使地下水埋深成为驱动察汗淖尔变化的次要影响因素,其贡献率为33.3%。各影响因素贡献率大小依次为农业用水量>地下水埋深>降水量>径流量>年均温,这说明察汗淖尔湖泊萎缩受主要受人类活动的影响。

3 讨论

3.1 气候变化与人类活动对湖泊的影响

干旱-半干旱区内陆湖泊的萎缩与干涸是一个复杂的过程,驱动要素众多[19],在湖泊变化的动态过程中,各驱动要素对湖泊变化的贡献率不同。首先,众多学者的研究表明,在湖泊变化的过程中,气候条件是湖泊萎缩或干涸的重要背景因素[20]。察汗淖尔湖泊周边气候变化已有众多研究成果[21],本文研究通过Mann-Kendall检验与降水类型变化分析,得出气候变化不利于察汗淖尔湖泊水面面积的维持。其次,流域内人类活动,如地下水开采、修建水库等进一步加剧湖泊萎缩[22]。从20世纪90年代以来,流域范围内开始发展错季蔬菜种植,耗水蔬菜的种植造成了地下水的大量消耗,导致地下水位普遍下降,减少了地下水对湖泊的补给,导致湖泊萎缩。在研究区附近的岱海流域,岱海湖面面积萎缩主要受人类社会生产生活影响较大,其次为自然因素[23],与本次研究结果相一致。

3.2 人工林对流域水循环的影响

众多学者的研究表明:大规模植树造林对区域水循环产生影响,造成一定的生态风险[24]。察汗淖尔流域所在的坝上高原是北方农牧交错带的典型区域,生态环境脆弱,同时兼具京津地区重要的生态屏障和供水源地的特殊作用,自退耕还林工程在全国范围内开展以来,在流域范围内种植大量人工林,在同样位于坝上高原的月亮湖,随着造林面积的增加,月亮湖水域的面积呈减小趋势[25]。察汗淖尔流域内人工林主要呈斑块状分布,面积为308.09 km2,占流域面积的4.56%,具有一定防风固沙的生态效益,以小叶杨与小叶锦鸡儿为主,根据调查访问,主要种植与20世纪80年代。

采用ArcGIS 10.2(http://www.esri.com)Toolbox “分区统计”功能,对流域2000—2020年蒸发量按不同土地覆盖类型进行分区统计,计算不同土地覆盖类型的蒸发量平均值。由图12可知,林地蒸发量>草地>裸地,在坝上地区气候暖干化的背景条件下[21],流域2000—2020年蒸发量呈明显增加趋势,其中2013年蒸发量达到峰值,林地蒸发量为389.89 mm,草地为370.27 mm,裸地为354.69 mm。人工林虽然增加了水源涵养能力,但会截留降水的10%～40%[26],减少总径流量,同时通过蒸散发消耗土壤水分和地下水[27],经估算,察汗淖尔流域人工林每年蒸发消耗水资源约0.95×108m3,因此造成流域范围内汇入湖泊的水量相对减少,造成湖泊萎缩。

图12 地表植被蒸发量变化

3.3 湖泊变化对环境的反馈

湖泊变化分为湖泊萎缩与湖泊扩张[9],本次主要讨论湖泊萎缩对环境的反馈。干旱-半干旱区湖泊的萎缩往往意味着土壤盐渍化的产生[28],Wang等[29]的研究表明:湖泊水量的变化将导致土壤盐渍化的加剧,带来巨大的生态风险,造成湖泊周围植被退化,裸露的湖床还会为盐尘暴的产生提供物源基础[30]。刘浩等[31]的研究还表明:咸海的萎缩导致沿湖岸边界30 km的范围内地表温度显著升高,温度的升高导致湖泊蒸发量增大,将造成湖泊的进一步萎缩。

4 结论

(1)察汗淖尔在过去30年间逐渐萎缩,几乎干涸。主要经历了3个阶段的变化:湖泊水面呈自然交替变化阶段(1984—1999年);湖泊水面呈现剧烈波动阶段(2000—2005年);湖泊干涸-恢复交替阶段(2006—2020年)。湖泊面积最大值出现在1991年,约为50.5 km2,最小值出现在2006年、2007—2008年,约为0.01 km2。

(2)气候变化不利于察汗淖尔湖泊水面面积的维持,高额的农业用水量是导致湖泊萎缩的主要原因。由于大量开采地下水进行农业灌溉,地下水潜水面于2005年低于察汗淖尔湖底,湖泊失去地下水补给。农业用水量相关系数为-0.71,贡献率为51.1%,地下水埋深相关系数为-0.67,贡献率为33.3%。

(3)以察汗淖尔湖泊为研究对象,围绕湖泊面积变化特征,对驱动湖泊面积变化的因素展开研究,确定了各驱动要素对湖泊面积变化的贡献率,为同类型内陆湖泊湿地的保护与可持续发展提供依据。