1980—2016年宁夏主要湖泊演变规律与驱动因素分析

王生鑫 徐涛 张海涛 段丽婷 张华 马思佳 赵宇翔

摘要 基于1980—2016年宁夏地区湖泊数据，结合Google Earth影像处理、Mann-Kendall趋势分析法研究近37年宁夏湖泊空间分布特征和主要湖泊面积变化状况，并进一步探讨气候变化、径流条件和人类活动对湖泊演变的影响。结果表明：宁夏地区湖泊以永久性淡水湖为主，主要分布在银川和石嘴山市。1980—2016年面积在1.00 km2以上的湖泊的总面积呈增加趋势；其中，有84%的湖泊面积呈现增加趋势，16%的湖泊面积呈减小趋势。宁夏湖泊面积变化是由自然因素和人为因素共同引起的，湖泊面积与年均气温、年降雨量的变化趋势相同，与年径流量的变化趋势相反；不同类型的人类活动对湖泊面积的影响不同，但总体上对湖泊面积增加起到了促进作用。

关键词 湖泊；演变规律；驱动因素；宁夏

中图分类号 TV213.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）03-0057-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.014

Analysis of the Evolution Rule and Driving Factors of Major Lakes in Ningxia from 1980 to 2016

Abstract Based on lake data in Ningxia from 1980 to 2016， combined with Google Earth image processing and Mann-Kendall trend analysis， this study explored the spatial distribution characteristics and changes in the main lake areas of Ningxia from 1980 to 2016， and further explored the impact of climate change， runoff conditions and human activities on lake evolution.The results showed that the lakes in Ningxia were mainly permanent freshwater lakes， mainly distributed in Yinchuan and Shizuishan cities. The total area of lakes with an area of over 1.00 km2 showed an increasing trend from 1980 to 2016; among them， 84% of the lake area showed an increasing trend， while 16% of the lake area showed a decreasing trend.The change in lake area in Ningxia was caused by both natural and human factors. The trend of lake area was the same as that of annual temperature and rainfall， but opposite to that of annual runoff; the impact of different types of human activities on lake area varied， but overall， they had a promoting effect on the increase of lake area.

Key words Lakes;Evolution rule;Driving factor;Ningxia

湖泊作为湿地的一种类型，既是重要的自然资源，又具有蓄洪补枯、调节水量、降解净化等明显的生态保护作用，旅游、养殖等经济和生态效益显著［1］。干旱区的湖泊不仅对气候变化反应更加敏感，更是抵御人类活动干扰的第一道防线，对生态与环境变化有着直接作用和重大影响［2-3］。宁夏属干旱半干旱区，水资源短缺严重，对黄河水源依赖性强，随着经济发展、城市建设，地下水过度开采，导致地下水位不断下降，形成区域性漏斗，湖泊湿地面积逐年缩小；工业废水、生活污水随意排放，农药化肥大量使用，湖泊水质变差；导致生态环境越发脆弱，水资源供需矛盾日益突出。因此，对宁夏地区进行湖泊水生态调查，分析湖泊演变规律及其驱动因素，对该地区制定生态环境保护规划有重要意义。近年来，也有诸多学者对宁夏湖泊进行了研究，获得了不少成果。如田巍等［4］以宁夏重点湖泊为研究对象，建立宁夏湖泊湿地生态系统健康评价指标体系，对宁夏重点湖泊进行生态健康评价，结果显示沙湖、星海湖、阅海、腾格里湖为亚健康状态，鸣翠湖和宝湖为健康状态；王世强［5］通过对太阳山湿地水样的数据采集，采用主成分分析法和综合污染指数法，分析各湖区的水污染状况，结果发现东湖区和小南湖区污染较严重，西湖区和南湖区污染程度较轻。此外，还有学者针对沙湖［6］、文萃湖［7］等湖泊进行了研究。但目前研究多针对宁夏个别湖泊的水质状况进行判别检测，对于宁夏全区湖泊面积变化分析较少。因此，笔者选取1980—2016年湖泊面积数据，结合Google Earth影像，对宁夏全区湖泊进行系统分析，研究近37年宁夏湖泊演变规律，并分析气候变化和人类活动对湖泊演变的影响。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

宁夏地处西北内陆、黄河上中游，与陕西、甘肃和内蒙古接壤，是连接华北和西北的重要桥梁。地理位置为104°17′～107°40′E、35°14′～39°23′N，南北相距456 km，东西相距250 km，总面积6.64万km2［8］。地势由南向北依次为六盘山山地、黄土高原、鄂尔多斯台地、宁夏平原、贺兰山山地，南高北低，高差近1 000 m，呈阶梯状下降。三面环沙，深居内陆，属于典型的温带大陆性干旱、半干旱气候，多年平均降雨量为160～610 mm，由南向北递减，多年平均气温5～9 ℃，年日照时数2 254～3 112 h，水面年蒸发量800～1 600 mm。境内黄河干流自西向北，贯穿宁夏北部，祖厉河、清水河、红柳沟、苦水河等黄河支流遍布，西干渠、唐徕渠、汉延渠等灌溉沟渠纵横。同时，宁夏境内湖泊众多，据宁夏水利科学研究院2017年调查数据，全区湖泊数量达234个，总面积178.08 km2，主要分布在黃河干支流的附近，多为永久性淡水湖，也有部分湖泊是季节性积水形成的季节性淡水湖、季节性咸水湖（图1）。湖泊水量的补给主要依赖于引入的黄河水或其通过渠道、农田渗漏为地下水的补给，以及黄河河床水流对地下水的侧向补给，洪水、再生水等水源，水面面积受降水、灌溉以及天气情况等因素影响，年内变化剧烈。

1.2 数据来源

1.2.1 湖泊水文数据。

该研究使用的湖泊数据来源于宁夏回族自治区水利厅有关部门，缺失年份的湖泊数据采用对应年份Google Earth影像量算湖泊面积，个别变化较大湖泊选择邻近年份面积均值。水文数据来源于黄河水利委员会网站。对黄河干流及其支流水文站1980—2016年年径流数据进行统计分析，获得宁夏全区逐年径流数据。

1.2.2 气象与统计年鉴数据。

气象数据来源于国家气象数据中心网站。选取1980—2016年宁夏区内25个国家气象站点（惠农、银川、陶乐、中卫、中宁、盐池、海源、同心、固原、西吉等）的气温、降雨量数据作为宁夏气候变化的数据源。由于宁夏的降雨量和气温等气候要素均存在由南到北的变化趋势，地区差异明显，且湖泊多集中于北部引黄灌区和中部地区，因此仅收集分布在宁夏中部和北部的气象站数据。此外，宁夏区内湖泊的形成与人类活动密切相关，选用1998—2016年宁夏全区年末人口数、生产总值和农作物总播种面积数据来定量分析人类活动对湖泊演变的影响；数据均来源于国家统计局的中国统计年鉴。

1.3 Mann-Kendall趋势分析法

Mann-Kendall趋势检验法是一种典型的非参数检验方法，该检验方法在水文领域得以广泛应用［9］。对某一给定的时间系列Xt（t=1，2，…，n），其检验的统计变量S为：

S服从正态分布，其均值为0，方差计算公式如下：

当n>10时，标准正态统计变量表示为：

数据序列的变化速率大小可以用梯度系列的中位数来表示：

采用双边检验，零假设为不存在趋势，在给定的α显著性水平上，如果|Zc|>Z1-α/2则拒绝原假设，Zc的绝对值在大于2.58时，分别表示通过了置信度99%的显著性检验，序列数据存在明显的上升（Zc>0）或下降（Zc<0）趋势。

2 结果与分析

2.1 湖泊现状分析

将宁夏全区不同类型湖泊按行政区划分统计结果分析（表1），2017年宁夏全区234个湖泊，永久淡水湖数量最多，占比为66.24%，其次是人工湖泊和季节性咸水湖，数量占比为14.96%和11.96%，季节性淡水湖和永久性咸水湖数量最少，占比均为3.42%，湖泊总面积达178.08 km2。其中银川市湖泊面积最大，86个湖泊占全区湖泊总面积的41.66%；石嘴山市湖泊数量21个，占全区湖泊总面积的36.07%；银川市和石嘴山市拥有宁夏全区大部分的湖泊面积，占比达77.73%。吴忠市湖泊数量较多（84个），占湖泊总数量的35.90%，但是面积仅占湖泊总面积的12.73%；中卫市和固原市拥有的湖泊数量分别占湖泊总数量的16.24%、2.14%，面积分别占湖泊总面积的8.40%、1.14%。

2.2 湖泊面积和数量变化

根据统计数据，宁夏常年水域面积在1.00 km2以上的湖泊有25个，1980—2000年总面积均值为124.82 km2，2001—2016年总面积均值为190.15 km2，相比于1980—2000年湖泊面积增加52.34%，增加趋势显著。对25个湖泊在2个时间段内湖面面积及其变化率进行分析，结果发现（表2），湖面面积在10.00 km2以上的湖泊有5个，星海湖、沙湖和哈巴湖在1980—2016年面积均值均保持在10.00 km2以上，阅海湖和腾格里湖在1980—2000年湖面面积均值小于10.00 km2，2000年之后增长至10.00 km2以上。1980—2000年哈巴湖湖面面积均值最大，为25.86 km2，2001—2016年沙湖湖面面积均值最大，为34.09 km2。其中84%的湖泊面积呈现增长趋势，以阅海湖的增长趋势最为显著，达到961.46%。阅海湖面积的剧烈增长可能受到该湖泊在2003—2016年先后实施了湖泊清淤除坝、退池还湖、阅海典农河水系连通工程等湿地生态恢复建设的重大影响。16%的湖泊面积呈减少趋势，但减少趋势较微弱，分别是鹤泉湖、天湖、清水湖和明水湖，其原因可能是城市建设占地，蓄水量变化，导致湖泊水量减少，湖泊面积出现萎缩。

2.3 驱动因素分析

2.3.1 气候和水文变化。

1980—2016年宁夏年均气温、年降雨量和年径流量随时间的变化过程如图2所示。近37年宁夏年均气温整体呈现上升趋势，根据Mann-Kendall参数检验法计算得到统计量Zc=4.88，通过了99%的显著性检验，说明年均气温的上升趋势显著；近37年宁夏多年平均气温为8.66 ℃，年均最低气温出现在1984年，为7.06 ℃，年均最高气温出现在2013年，为9.80 ℃，2016年年均气温相比1980年增加1.86 ℃，年均变化幅度为0.05 ℃。从5年滑动平均曲线看，2000年处存在明显的转折点，2000—2016年年均气温的上升速度降低，曲线趋于平缓（图2a）。近37年宁夏年降雨量基本圍绕多年均值上下波动，且1991年前变化幅度明显大于1991年之后。计算得到Mann-Kendall统计量Zc=0.49，未通过99%的显著性检验，说明年降雨量的上升趋势不显著；根据降雨量的5年滑动平均曲线，近37年降雨量呈现先增后减再增的趋势；多年平均降雨量为270.86 mm，最小年降雨量出现在1982年，为160.41 mm，最大年降雨量出现在1985年，为381.85 mm（图2b）。

从图2c可以看出，近37年宁夏全区年径流量整体上呈现先增后减的趋势，计算得到Mann-Kendall统计量Zc=-1.32，未通过99%的显著性检验，说明年径流量的下降趋势并不显著；多年平均年径流量为8.34×108 m3，年径流量的最小值和最大值分别出现在1982和1996年，分别为5.1×108和12×108 m3；径流量的年际变化具有明显的丰枯交替变化特点，1980—2016年的37年中小于均值的年份有22年，大于均值的年份有15年。2004—2012年，径流连续9年偏枯，多年平均径流量为7.04×108 m3，相比全序列的年均径流量减少15.59%。宁夏河川径流量的主要补给来源为降水，径流的季节变化与降水的季节变化关系十分密切。由于气温的不断上升，水面蒸发能力也会随之增强，年蒸发量大于年降雨量［10］，年径流量出现持续偏枯。

气温、降雨量、径流量等要素对湖泊的影响并不是独立作用的，是多种要素的耦合作用［11］。将长序列分为2个时段（1980—2000和2001—2016年），分析湖泊面积与各要素之间的变化关系。由表3可知，在2个时段内，湖泊面积与年均气温、年降雨量具有相同的变化趋势，表现为年均气温上升10.88%，年降雨量增加1.46%，湖泊面积增大52.34%；湖泊面积与年径流量的变化趋势相反，表现为年径流量减少10.21%。湖泊面积逐渐扩大，说明生态环境向好的态势转变。

2.3.2 人类活动。

人口数量、经济建设、耕地面积和生态保护工程等人类因素引起的变化都会对湖泊产生重要影响。该研究主要选取年末人口总数、生产总值和农作物总播种面积作为评价人类活动对湖泊演变影响的指标进行分析（图3）。由图3可知，宁夏全区生产总值、年末人口数和农作物总播种面积在1998—2016年整体上均呈现上升趋势。宁夏生产总值曲线变化呈现先缓慢增长再快速增长最后平缓增长，宁夏生产总值和人口数分别由1998年的227.46亿元、538万人增长至2016年的3 168.96亿元、675万人，分别增长1 293.19%、25.46%。农作物总播种面积在2005年之前变化波动较大，在2005年之后则呈现持续的增长趋势；相比于1998年，2016年的农作物总播种面积增长了26.85%。由播种面积增加引起的灌溉水量消耗增加和经济发展导致城市建设的扩张，以及地下水的过度开采都会导致湖泊面积的减小，使湖泊萎缩。因此，为保护湖泊的水生态环境，2000年以来宁夏开展了多项生态保护和水系疏通工程。2003—2016年，阅海湖先后实施了湖泊清淤除坝、退池还湖、阅海典农河水系连通工程等湿地生态恢复建设和栖息地修复、鸟类监测等生态保护工作；并且星海湖在2003年后恢复治理。这对阅海湖、星海湖等湖泊的面积增长起了重要作用。同时，由于黄河补水量的增加修复了湖泊湿地环境，对湖泊面积的增加有促进作用。这正是导致宁夏区域内大部分湖泊面积增大、小部分湖泊面积出现减小但并不明显的重要原因。

3 结论

（1）2017年宁夏湖泊数量为234个，主要分布在银川市和石嘴山市，分别占全区湖泊面积的41.66%和36.07%；湖泊类型以永久性淡水湖为主，占全区湖泊数量的66.24%。

（2）1980—2016年宁夏地区面积常年大于1.00 km2的湖泊的总面积呈增加趋势，其中84%的湖泊面积呈现增长趋势；16%的湖泊受到城市建设占地，蓄水量变化的影响，面积呈减少趋势，但减少趋势较微弱。

（3）宁夏湖泊面积变化受到自然因素和人为因素影响。湖泊面积与年均气温、年降雨量的变化趋势相同，与年径流量的变化趋势相反。经济发展、人口增加、耕地播种面积的增加和生态环境工程建设等人类活动对湖泊面积的影响作用存在差异，但从总体上看，人类活动有助于增加湖泊面积。今后将继续深入探究影响宁夏地区湖泊变化的驱动机制，为宁夏生态环境治理修复提供依据。

参考文献

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