新疆艾比湖水礦化度變化過程及原因分析

肖開提?阿不都熱衣木,湯世珍

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;2.塔城地區(qū)水文水資源勘測局,新疆塔城 834700)

1 流域概況

艾比湖位于準噶爾盆地的西南隅,是艾比湖水系的尾閭湖。湖區(qū)南、西、北三面環(huán)山,東部與古爾班通古特沙漠相連。由于地處于歐亞大陸腹地,其多年平均降水量為105.17mm,蒸發(fā)量為1315mm。距艾比湖西北部6km的阿拉山口是我國西部地區(qū)唯一的鐵路、公路并舉的國家級一類口岸。烏魯木齊—伊寧的312國道和新亞歐大陸橋北疆鐵路古爾圖—阿拉山口段均從艾比湖西南邊緣通過[1]。

2 湖水礦化度及水化學特征變化

艾比湖面積從20世紀50年代初的1200km2至70年代時迅速萎縮到522km2,年平均縮小20.3km2,為自然干縮期的290多倍,儲水量也由30多億m3減少到7億m3左右[1],如圖1所示。湖水礦化度逐步升高,為100～136g/L,湖區(qū)東南、西北邊緣的礦化度分別達145～314g/L、167～282g/L。這一時期湖水面積急速變化是由于流域人口劇增和大規(guī)模水土開發(fā),入湖水量迅速減少所致。對比分析表明,1980年艾比湖流域人口為1949年的9.4倍,耕地擴大8.9倍[2]。

圖1 艾比湖歷年平均湖面積變化過程

20世紀80年代至21世紀初,隨著艾比湖面積增大,礦化度增長速率有所減緩?？傮w來講,艾比湖一直處在一個鹽分累積過程中,礦化度不斷上升,從20世紀50年代的ρ=70g/L上升到21世紀初期的ρ=136g/L,50多年間上升了近66g/L。說明此間艾比湖水面積變化和湖水含鹽量之間有著直接的關系。

從20世紀50年代以來湖面面積與湖水礦化度的相關分析來看,可以計算出其為負相關序列,其相關系數達到-0.806,根據博州水文局的實測數據,艾比湖的湖水礦化度變化分別為50年代為70g/L,70年代為88.7g/L,80年代為109.7g/L,90年代為100～115g/L,2002～2007年為136g/L[3]。

3 氣象資料分析

研究所用氣候資料為艾比湖流域的溫泉、阿拉山口、奎屯、烏蘇4個氣象站1960—2007年的歷年月平均氣溫和月降水量。

3.1 氣溫變化

近47年來艾比湖流域氣候存在著明顯變暖的總趨勢,尤其以20世紀90年代最為明顯。艾比湖流域的氣候變暖具有明顯的季節(jié)性差異,增暖季節(jié)主要是在冬季,而春季變暖的趨勢較為緩慢。艾比湖流域最高和最低氣溫的變化普遍存在不對稱性。即最低氣溫明顯上升,而最高氣溫上升不明顯或呈下降趨勢,并導致氣溫日較差顯著減小。從圖2的氣溫變化過程可以看出,各站月均氣溫振幅具有較好的同步性。經統計分析,各站年平均氣溫的趨勢方程及相關系數,在0.05的置信度下均通過了顯著性檢驗。

圖2 氣溫變化過程

3.2 降水變化

艾比湖流域降水量47年來呈增長趨勢,尤其是進入20世紀90年代后期,降水量明顯偏多,其中夏季降水量增長率要高于冬季降水量增長率。該區(qū)降水在季節(jié)分配上發(fā)生了變化,而夏、冬兩季是4個季節(jié)中平均降水量增加最多的季節(jié),春季降水增加則比較緩慢。

艾比湖流域年際和四季蒸發(fā)量變化整體呈增加的趨勢。依據1960—2007年降水量序列,由逐步回歸向后剔除分析法,構建最佳重建方程如下:

Pt=724.592-1419.885HAXt+1607.697SETt-836.531SETt+2

式中:Pt是溫泉氣象站1～5月的降水量;HAXt、SETt和SETt+2分別為哈夏、沙爾陶勒蓋當年和次年最大灰度標準化樹輪年表序列。降水重建方程的復相關系數為0.661,上述重建方程具有可靠性。

艾比湖流域年降水量的變化除了精河、溫泉外沒有明顯變化趨勢,如圖3所示。20世紀90年代與前30年相比,整個流域年降水量平均增加了9.3%,其中溫泉增幅最大,為32.0%;而阿拉山口、博樂的降水呈減少趨勢,分別減少13.8%和5.3%[4]。

圖3 降水量變化過程

3.3 蒸發(fā)量變化

艾比湖流域蒸發(fā)量(實際反映的是蒸發(fā)能力)自20世紀60年代以來一直呈現出下降趨勢。在艾比湖流域溫度升高、降水增多的同時,蒸發(fā)量卻在減少。就其平均值而言,20世紀90年代蒸發(fā)量比前30年(1961—1990年)平均值減少了9.2%。這是一個值得研究的非常特殊現象。

研究期間,湖水面積和溫度、降水變化沒有明顯的相關關系,而艾比湖面積與流域平均蒸發(fā)的相關系數為0.4,說明蒸發(fā)對湖水面積有一定的影響。溫度、降水變化對湖泊水資源的影響有限。

4 土壤鹽堿度變化

湖區(qū)干旱環(huán)境下的積鹽和鹽化的成土過程表現顯著。在調查過程中,鹽土和鹽漬化土占48.69%,其中,輕鹽、中鹽、漬化土各為2.9%,強鹽漬化土為5.7%。

湖區(qū)表土層的土壤粒級組成則有細化現象(多為上風區(qū)),風蝕造成了表層土壤的進一步分化,下風區(qū)接受了細土的沉積。這些土壤的鹽類主要屬然而,大量排水工程的修建和大規(guī)模開采地下水,使地下水水位降低,致使水成土、半水成土轉變?yōu)闅堄嗾訚赏?、殘余炭土。隨著湖水面和縮小,湖盆氣候進一步變干,鹽化過程逐步加強,各類鹽化土壤則演變?yōu)橄鄳恼訚甥}、草甸鹽土、胡楊林鹽土等[5]。同時,由于土壤含鹽量不斷上升和地下水水位下降,原有的植被急劇衰敗,逐漸為鹽生植被所取代。

土壤理化性狀空間異質性直接影響艾比湖地區(qū)的地形地貌。艾比湖的低山帶和山前平原主要是荒漠草原和荒漠;遠離艾比湖的沖、洪積平原是以超旱生植物為建群種的荒漠;艾比湖湖濱、河流入湖口附近及湖周沖洪積扇緣地帶則發(fā)育著隱域性植被。

博河上游至中游,分別位于山麓地帶(海拔1428m)、山前沖洪積平原上部(海拔1014m)和中部(海拔663m),海拔從高到低其土壤水熱條件亦發(fā)生轉變(干旱加劇和溫度增高)、沙性增強、pH值相應增大,植被則由以針茅為主、蒿類植物為次的荒漠化草原遞變?yōu)橐阅望}堿類為主的小半灌木,人類活動頻繁加劇了原來的植被嚴重破壞、消失,進一步退化為1年生雜草(豬毛菜、叉毛蓬等)為主的草被。梭梭荒漠是艾比湖流域分布最廣的植物群落類型之一,伴生植物有鹽柴類和一些1年生長營養(yǎng)期植物及短命植物,主要發(fā)育在沖、洪積平原中部、中下部的礫質戈壁、鹽化沙壤土及沙土上。

從植被分布的差異可以看到,土壤鹽漬化程度對梭梭群落組成影響很大。無鹽漬化的樣地植物種類多,植被蓋度高(50%左右),而其他鹽漬化土壤或鹽土地的植物種類相對較少,除2塊樣地礫石比例小于10%外,其他多在17.08%～68.06%之間。分析樣品的土壤粒度曲線(不包括＜2mm的礫石)顯示,研究區(qū)域內艾比湖西北部及博河中上游區(qū)域,表土層土壤粒級組成均表現為粗化狀,而艾比湖南部部分地塊表土層土壤粒級組成則有細化現象。區(qū)內土壤遭受風蝕的現象是湖水萎縮、多風并缺乏植被保護的必然結果。

艾比湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化過程中,非生物因子,土壤理化性狀的空間異質性是植被空間分布差異的主要原因,其表現在土壤類型、結構、鹽分、養(yǎng)分以及局部水分條件的改變所引起的植物群建群種和優(yōu)勢種的變化。也就是說,土壤發(fā)生粗化、干旱化、鹽漬化、貧瘠化等,導致了喬木、灌木、半灌木、多年生草類等植物群落建群種和優(yōu)勢種演變?yōu)槟透珊?、耐鹽堿的小半灌木、鹽柴類和1年生植物,植物種類減少、覆蓋度降低。反過來,植被退化加劇了土壤的風蝕和肥力下降。因此,只有充分把握土壤-植被間的這種相應關系,才能有效恢復和重建艾比湖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

5 結 語

研究表明,水質惡化造成湖濱帶土壤鹽漬化和濕地植被退化,濕地指示物種減少而鹽生植物明顯增多。由于流域植被覆蓋稀疏,水土流失嚴重,在氣候因素和人類活動的影響下艾比湖水面積總體呈縮小狀態(tài),鹽度逐漸增大,對湖區(qū)生態(tài)系統產生了極大影響。因此,目前艾比湖的環(huán)境現狀及發(fā)展趨勢并不樂觀,水資源的合理配置與開發(fā)已成為流域發(fā)展必須妥善處理的主要問題[6]。筆者提出以下幾點整治措施以供參考:

a.保護水源。流域山區(qū)森林經營面積為37.47萬hm2,占全流域面積1/6。山區(qū)天然林是艾比湖流域16條河流的發(fā)源地,穩(wěn)定地發(fā)揮著水資源涵養(yǎng)、保持水土、調節(jié)氣候、保護綠洲的不可替代的作用[7]。地面降水量約50%左右(23.6億m3左右)形成徑流,從這個意義上說,山區(qū)森林護衛(wèi)著艾比湖現有湖面水量的穩(wěn)定補給和生態(tài)經濟的相對平衡。流域人工降水增雨的潛力很大。特別是在博河流域,若采取人工增雨和防雹相結合、火箭與高炮相匹配的措施,一般人工降水增雨效果為20%。

b.實施跨流域調水工程[6]?？缌饔蛘{水有2個方案:①“引額濟克”工程同濟艾比湖方案。在“引額濟克”工程現行設計基礎上,不需改變工程設計,僅增修一條110km輸水干渠,從克拉瑪依引水5億m3入奎屯河補給艾比湖,這是投資少、見效快的工程。從改善克拉瑪依和奎屯河下游生態(tài)環(huán)境的考慮,每年下泄5億m3水量給艾比湖,是遲早要解決的問題。②“引喀濟艾”調水方案。從伊犁喀什河調水10億m3,從根本上解決艾比湖生態(tài)用水和艾比湖流域經濟發(fā)展用水,這方案生態(tài)和經濟效益兼優(yōu),長遠效益好。但這項調水工程投資大,建設周期長。這兩個方案的選擇,取決于自治區(qū)總體布局和經濟實力,但跨流域調水,根治艾比湖生態(tài)環(huán)境是必然抉擇。

c.農業(yè)節(jié)水以節(jié)水增效、鹽堿地改良、低產田改造為主攻方向,全面推進農業(yè)灌溉體系建設,加大對大型灌溉區(qū)投入。在技術層面上,通過建設山區(qū)調蓄水庫和地表水與地下水聯合調度運用,實現水資源在區(qū)域和流域內的合理配置,高效利用。

d.調整產業(yè)結構,實現優(yōu)化配置。對新建、改建、擴建建設項目實行水資源論證制度,按照水資源條件調整現有經濟結構(包括產業(yè)結構和種植業(yè)結構),優(yōu)化配置水資源。如根據流域農業(yè)氣候區(qū)劃,海拔800m以上的是牧區(qū),800～400m為半牧半農區(qū),400m以下為農業(yè)區(qū)。建議海拔800m以上地區(qū)縮小農業(yè)規(guī)模,以發(fā)展畜牧業(yè)為主導產業(yè)。

e.建立生態(tài)保護和建設協調機構。完善艾比湖流域規(guī)劃,對艾比湖流域水資源統一管理,合理配置經濟用水和生態(tài)用水,協調各河流入湖水量比例,各流域之間科學分水,進行有效監(jiān)督;對全流域的上中下游進行規(guī)范化開發(fā),使局部利益和整體相結合。尤其作為一個環(huán)境承載力有限的封閉流域,退化具有某種程度的不可逆性,一旦破壞很難恢復。

[1] 王志杰.新疆地表水資源概評[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2] 王遵親.中國鹽漬土[M].北京:科學出版社,1993:132.

[3] 新疆維吾爾自治區(qū)水文水資源局.西北地區(qū)水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護研究:新疆水資源評價[R].烏魯木齊:新疆維吾爾自治區(qū)水文水資源局,1998.

[4] 新疆水利水電規(guī)劃設計管理中心.西北地區(qū)水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護研究:新疆水資源開發(fā)利用現狀評價[R].烏魯木齊:新疆水利水電規(guī)劃設計管理中心,1999.

[5] 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所.博河、精河流域生態(tài)環(huán)境保護與治理研究專題報告[R].烏魯木齊:中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,2001:31-32.

[6] 周聿超.新疆河流水文水資源[M].烏魯木齊:新疆科技衛(wèi)生出版社,1997:76-78.

[7] 中國水利水電科學研究院.艾比湖流域水資源合理配置[R].北京:中國水利水電科學研究院,2002:12-44.