紅堿淖水面面積演變及其原因

江維 李英杰 鄧彥 王佩 王亞萍 張玲

摘要：紅堿淖在涵養(yǎng)水源、防沙降塵和維持生物多樣性等方面具有重要作用，是目前全世界最大的遺鷗繁殖與棲息地。利用1989年以來6期遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合收集的湖泊面積等數(shù)據(jù)，研究了紅堿淖水面面積演變及其原因，并探討其未來的演變趨勢(shì)。結(jié)果表明：紅堿淖水面面積演變可分為3個(gè)階段：20世紀(jì)20-50年代的擴(kuò)大階段、60-90年代中期的穩(wěn)定階段和90年代末以來的萎縮階段。擴(kuò)大階段是降水較多和發(fā)展農(nóng)業(yè)挖渠排水使流域水資源在短時(shí)間內(nèi)快速集中所致：穩(wěn)定階段湖泊補(bǔ)給量和消耗量基本相當(dāng)：萎縮階段是人類活動(dòng)對(duì)紅堿淖流域的清水產(chǎn)流機(jī)制破壞嚴(yán)重，建壩、打井抽取地下水和礦產(chǎn)資源開采等大量截留水資源使入湖水量大量減少所致。按照當(dāng)前演變趨勢(shì)，若不采取措施，紅堿淖干涸的命運(yùn)不可避免。

關(guān)鍵詞：水面面積；演變；氣候；人類活動(dòng)；紅堿淖

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.017

隨著氣候變化和人類活動(dòng)增加，大量湖泊面臨萎縮甚至干涸的問題，湖泊生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重威脅。特別是干旱-半干旱區(qū)湖泊，白20世紀(jì)90年代以來，萎縮、干涸速度明顯加快，因而其環(huán)境變化和驅(qū)動(dòng)因素的研究受到廣泛關(guān)注。研究顯示，東亞季風(fēng)邊緣區(qū)的呼倫湖、岱海、達(dá)里湖等湖泊面積嚴(yán)重萎縮。桃力廟阿拉善海子、呼日查干淖爾不斷萎縮，近年來完全干涸，湖盆裸露，成為流域主要的沙塵暴、鹽塵暴物源區(qū)。位于陜蒙交界的紅堿淖是毛烏素沙地最大的湖泊，20世紀(jì)90年代以來，湖面不斷萎縮，魚類減少甚至消失，生物多樣性降低，嚴(yán)重影響了其生態(tài)與經(jīng)濟(jì)功能。如果水面持續(xù)萎縮，水質(zhì)惡化，目前在此棲息的遺鷗等鳥類將難以生存。本文根據(jù)1989年以來6期遙感解譯數(shù)據(jù)，結(jié)合收集到的紅堿淖湖泊水面等數(shù)據(jù)，研究紅堿淖水面面積演變及其原因，并探討紅堿淖未來的演變趨勢(shì)，為紅堿淖水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

紅堿淖位于毛烏素沙地東緣的陜蒙交界處（見圖1），流域面積約為1500km2，湖面高程1200m。歷史上湖面東西最寬達(dá)10km，南北最長(zhǎng)達(dá)12km，面積67km2，蓄水量6×lO8m3，是我國(guó)最大的沙漠淡水湖。氣候?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂?，年平均氣?.9℃，年降水量423mm，年蒸發(fā)量2000mm。流域內(nèi)居民約45000人，主要產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)。獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件，使得其在涵養(yǎng)水源、防沙降塵和維持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。近10a來，隨著鄂爾多斯遺鷗自然保護(hù)區(qū)內(nèi)桃阿海子的干涸，全球性瀕危物種遺鷗逐漸遷移到紅堿淖柄息，目前紅堿淖已成為世界最大的遺鷗繁殖與柄息地。

2 數(shù)據(jù)與方法

在收集的遙感影像中，選擇云量較少且成像時(shí)間在6-10月的TM、HJ影像用于紅堿淖水面面積的遙感解譯。分別選擇成像時(shí)間為1989年9月11日、1995年8月24日、2000年7月31日、2006年9月10日的TM/ETM+影像和2012年8月14日的HJ影像、2015年7月1日的Landsat8影像用于本研究。其他年份的水面面積數(shù)據(jù)、氣象和人類活動(dòng)數(shù)據(jù)等來源于文獻(xiàn)資料。紅堿淖水域目標(biāo)單一，特征明顯，故采取目視解譯方式進(jìn)行提取。根據(jù)遙感解譯和收集的數(shù)據(jù)建立長(zhǎng)序列湖泊面積和演變曲線，然后分析湖泊水面面積演變規(guī)律及其原因，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，從紅堿淖水面的形成機(jī)理出發(fā)分析紅堿淖水面面積變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水面面積演變

據(jù)記載，晚更新世早期，紅堿淖還是禿尾河上游的一個(gè)河谷盆地。到晚更新世晚期，風(fēng)沙堆積物沿木獨(dú)兔梁北麓向東移動(dòng)，逐漸將宮泊海子一帶的古河道堵塞，形成地表分水嶺。隨著紅堿淖湖盆的形成，逐漸積水，成為一片沼澤濕地。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)和遙感影像解譯的湖泊面積繪制紅堿淖水面近百年來的演變過程曲線（見圖2）。按照紅堿淖近百年面積變化曲線，其演變過程可分為三個(gè)階段：一是20世紀(jì)20年代到50年代的擴(kuò)大階段，二是20世紀(jì)60年代到90年代中期的穩(wěn)定階段，三是20世紀(jì)90年代末以來的萎縮階段。

3.2 水面空間變化

1989-2015年紅堿淖水面面積變化遙感解譯成果見圖3。從變化形態(tài)看，紅堿淖水域四周萎縮明顯，尤以北部和東南部最突出。1989年南部的一個(gè)島嶼到2006年變成了半島，2012年半島已消失。現(xiàn)狀湖岸線距離1969年湖岸線最遠(yuǎn)超過2000m。隨著水面面積的萎縮，湖泊的形態(tài)也發(fā)生了較大變化，湖岸線趨于平直，岸線發(fā)展系數(shù)降低。

4 水面面積演變?cè)蚍治?/p>

4.1 擴(kuò)大階段和穩(wěn)定階段

據(jù)汪勇等研究，紅堿淖形成于1929年，1929年至20世紀(jì)40年代因連續(xù)降水，故形成了約20km2的湖面。1954年以后，老百姓在紅堿淖周圍灘地大搞挖渠排水，發(fā)展農(nóng)業(yè)，至1960年形成了約60km2的湖面。因此，20世紀(jì)50年代湖泊快速擴(kuò)張系人為改造使流域水資源在短時(shí)間內(nèi)快速集中所致。到了20世紀(jì)60年代，降水較多，1969年紅堿淖水面面積達(dá)到最大值，約為67km2。穩(wěn)定階段水面面積相對(duì)穩(wěn)定，其原因是紅堿淖的湖泊補(bǔ)給量和消耗量基本相當(dāng)。

4.2 萎縮階段

4.2.1 氣候變化對(duì)湖泊面積的影響

1977年以來紅堿淖流域氣溫上升趨勢(shì)明顯。由圖4可知，20世紀(jì)90年代降水明顯減少，進(jìn)入了相對(duì)干旱氣候態(tài)，但2000年以來基本恢復(fù)。利用氣候參數(shù)對(duì)紅堿淖水面面積變化的模擬結(jié)果顯示，20世紀(jì)80年代紅堿淖水面面積平均為71.7km2。90年代為62.5km2，2000-2007年為48.8km2。分析降水量和水面面積的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，即使在某些降水增多的年份，紅堿淖水面面積也呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。因此，氣候變化不足以解釋紅堿淖水面面積的變化。

4.2.2 人類活動(dòng)對(duì)湖泊面積的影響

流域清水產(chǎn)流機(jī)制是湖泊流域水量平衡和污染物量平衡相互作用的復(fù)雜體系，是由清水產(chǎn)流區(qū)、清水養(yǎng)護(hù)區(qū)和湖濱緩沖區(qū)組成的有機(jī)整體。湖泊流域水資源量是有限的，隨著人口的增加、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，發(fā)源于山區(qū)的河流被人類越來越多地截流用于灌溉農(nóng)田、發(fā)展工業(yè)和生活。

1989年紅堿淖流域陜西境內(nèi)的灌溉面積不足33hm2，2000年已接近133hm2。目前，流域內(nèi)現(xiàn)有農(nóng)田灌溉面積5930hm2，80%以上的灌區(qū)沿河而建。為利用河水，流域內(nèi)沿河建壩非常普遍，減少了人湖水量。同時(shí)抽取地下水灌溉消耗了大量地下水資源。20世紀(jì)50年代主要利用溝渠方式灌溉農(nóng)田：到20世紀(jì)末期發(fā)展為中深井電力抽水澆地，井深由幾米發(fā)展到幾十米甚至上百米。據(jù)估計(jì)，地下水位下降導(dǎo)致地表徑流的減少量為每年861.0萬m3。紅堿淖原有7條季節(jié)性河流補(bǔ)給，其中扎莎克河和蟒蓋兔河約占流域總徑流量的60%。然而目前除七卜素河外，其余6條全部干涸。

生態(tài)環(huán)境建設(shè)也是流域內(nèi)截流利用水資源的一個(gè)方面。2000年以來，陜北和內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境建設(shè)成績(jī)顯著，廣泛實(shí)施封育、生態(tài)林建設(shè)和退耕還林還草工程。原來大片裸露的沙地降水人滲快，表層毛細(xì)作用弱，自身蒸發(fā)很少，下滲水很容易聚集流向海子。建成的人工植被主要依靠降水和土壤水生長(zhǎng)，甚至需要通過抽取地下水維護(hù)。除持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的特大暴雨有垂直徑流下滲外，強(qiáng)度為50mm/h以下的降水幾乎全部吸納在Im以內(nèi)的沙層中，被植物根系吸收消耗，少有余水下滲聚集到海子。

煤炭開采破壞了地下水系統(tǒng)，截留人湖水資源。在神東公司大柳塔礦井范圍內(nèi)雙溝村附近，原有一條泉水豐沛、樹木茂盛的濕溝，如今地表塌陷、巖層斷裂，地下水下泄、泉水干涸、樹木枯死。煤炭的高強(qiáng)度開采，導(dǎo)致神木縣和紅堿淖另一側(cè)的伊金霍洛旗都出現(xiàn)過大面積土地沉陷，這可能是紅堿淖水量驟減的另一個(gè)重要原因。

5 紅堿淖演變趨勢(shì)分析

有了毛烏素沙地，才有了以紅堿淖為代表的濕地的產(chǎn)生。沙地質(zhì)地均勻，孔隙發(fā)育，為大氣降水人滲提供了良好條件。同時(shí)疏松的流沙表層一經(jīng)干燥，其內(nèi)的毛細(xì)管被切斷，蒸發(fā)損失很少，借助沙地的貯積保護(hù)作用，沙區(qū)形成了豐富的地下徑流。水文資料顯示，沙地地下徑流貢獻(xiàn)了地表水體75%～97%的水資源量。這是在降水量和蒸發(fā)量對(duì)比如此懸殊的沙地，海子得以形成的重要原因。受地形、底板土質(zhì)滲水度的影響，地下徑流在一些周邊較高、存在河湖相沉積物的古土壤或硬黃土地，或草甸、泥炭墊層的沼澤土等不易滲水的低洼地（貯水結(jié)構(gòu)）滲出，形成季節(jié)性或長(zhǎng)年的積水濕地（湖淖和河灘）。目前紅堿淖流域內(nèi)水資源的開發(fā)存在筑壩建水庫(kù)和打井抽取地下水兩種主要方式。筑壩建水庫(kù)的方式僅僅是截流了地表水，相當(dāng)于減小了湖泊的流域面積。這種利用方式只能使湖泊水面減小，不會(huì)使湖泊干涸。由于沙地地表水和地下水聯(lián)系密切，打井抽取地下水不但消耗流域內(nèi)地下水，同時(shí)也消耗地表水，過量抽取地下水將耗干當(dāng)?shù)厮Y源，因此如不采取有效的保護(hù)措施，按照目前的演變趨勢(shì)，紅堿淖干涸的命運(yùn)不可避免，其周邊桃阿海子、哈達(dá)圖淖、烏蘭淖和巴嘎淖的干涸就是例證。

6 結(jié)語

紅堿淖水面面積經(jīng)歷了擴(kuò)大、穩(wěn)定和萎縮3個(gè)階段，擴(kuò)大階段是降水較多和發(fā)展農(nóng)業(yè)挖渠排水使流域水資源在短時(shí)間內(nèi)快速集中所致，之后穩(wěn)定階段是因湖泊補(bǔ)給量和消耗量基本相當(dāng)所致。20世紀(jì)90年代末以來湖面逐漸萎縮的主要原因是人類活動(dòng)對(duì)流域的清水產(chǎn)流機(jī)制的破壞，表現(xiàn)在建壩截流水資源和抽取地下水用于日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)：煤炭開采通過破壞地下水系統(tǒng)截留人湖水資源，將流域水資源截留在地下，或外排至流域外?？臻g變化分析顯示，紅堿淖水域萎縮尤以北部和東南部最為突出，湖泊的形態(tài)也發(fā)生了較大變化，一些島嶼變?yōu)榘雿u，最后完全與陸地融為一體。借助沙地的貯積和保護(hù)作用，毛烏素沙地的湖泊得以形成。流域降水減少和筑壩建水庫(kù)攔截河水只能使紅堿淖面積減小，而打井抽取地下水將耗完當(dāng)?shù)厮Y源。根據(jù)目前打井抽取利用地下水的程度，紅堿淖干涸的命運(yùn)不可避免。為了阻止紅堿淖水位持續(xù)下降，應(yīng)根據(jù)流域自然和經(jīng)濟(jì)社會(huì)特點(diǎn)，通過加強(qiáng)管理，恢復(fù)流域清水產(chǎn)流機(jī)制，對(duì)紅堿淖實(shí)施更全面的保護(hù)。