阿克蘇河流域生態(tài)過程對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)研究框架

黃衛(wèi)東，蔣軍新，劉新華，徐先斌

（1. 塔里木河流域阿克蘇管理局,新疆 阿克蘇 843000；2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079）

1 前言

水是維系生命活動(dòng)和延續(xù)的重要組分,影響著生態(tài)系統(tǒng)的形成和演替,在保障區(qū)域生態(tài)功能的持續(xù)供給方面扮演著重要角色,尤其對(duì)于水資源短缺的干旱地區(qū)而言,水資源決定著生命的存在與維持。由于干旱區(qū)內(nèi)陸河流域遠(yuǎn)離海洋,降水主要發(fā)生在山區(qū),直接影響著冰川的發(fā)育和河川徑流的形成,上游山區(qū)來水流經(jīng)山前戈壁和綠洲區(qū)后注入終端湖,形成上中下游閉合的水循環(huán)系統(tǒng),期間地表水和地下水轉(zhuǎn)化頻繁并在轉(zhuǎn)化過程不斷消耗[1]。同時(shí),干旱區(qū)水資源調(diào)蓄能力極差,季節(jié)性缺水時(shí)常發(fā)生,水資源體量上的不足和時(shí)空上資源和需求的不匹配導(dǎo)致我國西北干旱區(qū)水資源供需矛盾極為突出[2],有水成綠洲,無水成荒漠,干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)演替都取決于生態(tài)水文過程[3]。在全球增暖的大背景下,人口壓力和不合理的水土資源開發(fā)活動(dòng)不斷增加,我國西北干旱半干旱地區(qū)的生活、生產(chǎn)嚴(yán)重?cái)D占了生態(tài)用水,流域內(nèi)的灌溉農(nóng)業(yè)截留大量的來水,造成流域內(nèi)天然植被和河流湖泊等天然水系急劇萎縮和退化,生態(tài)功能和環(huán)境承載力失去自我調(diào)節(jié)能力并退化成荒漠,西北地區(qū)的生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅,最后人類的生存環(huán)境、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也將難以維持。

阿克蘇河作為塔里木河水量最大的源流,其綠洲生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和進(jìn)化對(duì)塔里木河流域乃至整個(gè)新疆的生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要地位是不言而喻的,摸清阿克蘇河流域天然植被的生長和分布情況,掌握流域天然植被和天然湖泊的時(shí)空格局變化,對(duì)保護(hù)和恢復(fù)阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境、保障西北干旱區(qū)生態(tài)文明建設(shè)有著重要的生態(tài)意義。對(duì)生態(tài)退化的區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)輸水工程,保證其一定質(zhì)量和數(shù)量的生態(tài)用水能夠最小程度地改善生態(tài)環(huán)境,是促進(jìn)西北干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的基本措施和主要手段。生態(tài)保護(hù)是生態(tài)輸水工程的主要目標(biāo)[4],因此,面向綠色生態(tài)的生態(tài)輸水能否改善西北干旱區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)生態(tài)功能,成為了學(xué)術(shù)界和決策者都密切關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

阿克蘇地區(qū)自2017 年開始向艾西曼湖濕地補(bǔ)水,2019 年開始增設(shè)塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)輸水,輸水后補(bǔ)水區(qū)的地下水位有明顯抬升,湖面增加,水質(zhì)變好,生態(tài)環(huán)境有明顯的改善[5]。了解天然植被和天然湖泊的恢復(fù)程度,根據(jù)生態(tài)輸水對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境影響現(xiàn)狀制定科學(xué)合理的調(diào)度計(jì)劃,成為指導(dǎo)下一步輸水工作的基礎(chǔ),對(duì)阿克蘇地區(qū)生態(tài)輸水調(diào)度的實(shí)施安排,乃至整個(gè)塔里木河流域水資源統(tǒng)一管理和配置有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此,探討阿克蘇河流域輸水后流域地下水位變動(dòng)以及自然植被、天然湖泊的響應(yīng)特征,構(gòu)建阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化框架,能夠擴(kuò)大生態(tài)輸水效益,以求在理論研究和應(yīng)用實(shí)踐上有所突破。

2 流域生態(tài)輸水現(xiàn)狀

新疆維吾爾族自治區(qū)于2017 年首次把阿克蘇河納入塔里木河流域胡楊林重點(diǎn)保護(hù)區(qū)生態(tài)補(bǔ)水區(qū),至2020 年累計(jì)輸水3.5018 億m3。其中2017 年~2020 年向艾西曼湖區(qū)累計(jì)輸水2.2285 億m3,2019 年~2020 年向第一師塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林累計(jì)輸水1.2733 億m3。

2.1 生態(tài)輸水灌區(qū)情況

阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度實(shí)施目前主要通過四條輸水通道,向艾西曼湖濕地、第一師塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林進(jìn)行生態(tài)輸水。

（1）艾西曼湖

艾西曼湖位于阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣英艾日克鄉(xiāng)和塔木托格拉克鄉(xiāng)交界處,是阿克蘇河流域最早進(jìn)行生態(tài)輸水的灌區(qū),灌區(qū)內(nèi)主要包括艾西曼湖區(qū)和周邊濕地,湖區(qū)由薩依力克湖、皇宮湖、月亮湖等八個(gè)小湖泊相連而成,是新疆阿克蘇地區(qū)最大的淡水湖泊,也是重要的候鳥棲息地之一,是阿克蘇河流域的重要的生態(tài)組成部分。自2000 年起,隨著過度的水資源開發(fā)利用,艾西曼湖面快速縮減,相連的湖區(qū)逐漸演變成獨(dú)立的小湖甚至消失。因此,阿克蘇地區(qū)自2017 年開始利用主汛期和灌溉間歇期,從阿克蘇河引水至艾西曼湖濕地進(jìn)行補(bǔ)水。

向艾西曼湖進(jìn)行生態(tài)輸水的輸水通道有三條：一是從西大橋分水樞紐配水經(jīng)勝利渠、阿音柯干渠到6 號(hào)閘、7 號(hào)閘向艾西曼湖區(qū)的薩依力克湖補(bǔ)水,通過8 號(hào)閘向艾西曼湖區(qū)的皇宮湖補(bǔ)水；二是通過勝利渠四十八分水閘向艾西曼湖區(qū)的一團(tuán)海子濕地補(bǔ)水；三是從西大橋分水樞紐配水經(jīng)老大河到第一分水閘經(jīng)洋瓦力克渠到阿瓦提縣三號(hào)閘向艾西曼湖補(bǔ)水。

（2）第一師塔里木灌區(qū)

第一師塔里木灌區(qū)位于塔里木盆地西北邊緣,西起塔里木攔河閘,東至阿克蘇地區(qū)十四團(tuán),北接阿克蘇市荒地,南抵塔克拉瑪干沙漠。第一師塔里木灌區(qū)包括塔北灌區(qū)和塔南灌區(qū),野生胡楊林和人工種植的生態(tài)胡楊林主要分布在塔南灌區(qū)的塔南二干渠以南沙漠邊緣,據(jù)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì),該灌區(qū)內(nèi)分布著約50 萬畝的野生胡楊林和7000 畝的“三五九”人工種植生態(tài)胡楊林,是阿克蘇河流域生態(tài)建設(shè)的重要組成部分。由于灌區(qū)地處塔克拉瑪干沙漠邊緣,干旱少雨,沙漠化、水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱、胡楊林生境受到嚴(yán)重威脅,阿克蘇地區(qū)自2019 年開始向第一師塔里木灌區(qū)胡楊林區(qū)進(jìn)行生態(tài)輸水,利用汛期從阿克蘇河引水至灌區(qū)內(nèi)的胡楊林區(qū)。

目前向第一師塔里木灌區(qū)進(jìn)行生態(tài)輸水的輸水通道分布在塔南灌區(qū),主要依托塔南二干渠生態(tài)輸水通道進(jìn)行輸水,由阿克蘇河從塔里木河攔河閘分水樞紐配水經(jīng)南干渠,分別從塔南二干渠18.6 km南一支干、32 km南二支干、37 km南三支干、59 km七支干和塔南二干渠43 km五個(gè)輸水口向第一師塔里木灌區(qū)胡楊林區(qū)進(jìn)行生態(tài)輸水。

2.2 生態(tài)輸水情況

阿克蘇地區(qū)自2017 年起開始實(shí)施生態(tài)輸水,最早生態(tài)輸水區(qū)域?yàn)榘⑼咛峥h艾西曼湖濕地,2019 年起增加第一師塔里木灌區(qū)胡楊林區(qū)進(jìn)行生態(tài)輸水。主要輸水時(shí)段為6 月~9 月,視當(dāng)年阿克蘇河主汛期的時(shí)間調(diào)整,易于平衡生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水。

各年份的輸水詳情見表1,阿克蘇地區(qū)生態(tài)輸水總量逐年增加,2017 年~2019 年,每年總的輸水時(shí)間為一個(gè)月左右,2018 年的輸水時(shí)間最長；輸水量在逐年遞增,2017 年向艾西曼湖濕地生態(tài)輸水共4160.16 萬m3,2020 年分別向艾西曼湖濕地生態(tài)輸水7011.61 萬m3,向第一師塔里木灌區(qū)生態(tài)輸水6180.46 萬m3；2020 年存在兩個(gè)輸水時(shí)間段,分別為6 月和8 月,6 月份的輸水時(shí)間較短,輸水總量和輸水流量都較小,8 月份為主要輸水時(shí)間段,輸水總量和輸水流量都較大。

表1 阿克蘇地區(qū)歷年生態(tài)輸水詳情 單位：萬m3；萬m3/d

3 生態(tài)過程對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)研究框架

為深入探討阿克蘇河流域生態(tài)過程對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)關(guān)系,基于阿克蘇河流域生態(tài)輸水工程的大背景,以GF-1 WFV遙感影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,以阿克蘇河流域輸水前后地下水位、植被生長、自然湖泊變化的響應(yīng)為核心,評(píng)價(jià)生態(tài)輸水對(duì)阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境的影響和效果,探究地下水位、植被生長、自然湖泊對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)過程,基于流域輸水成效和生態(tài)恢復(fù)的需求,對(duì)阿克蘇河生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化方案進(jìn)行初步探討,力求在生態(tài)修復(fù)和水資源管理上取得理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的突破。研究框架見圖1。

圖1 阿克蘇河流域生態(tài)過程對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)研究框架

（1）流域自然植被的時(shí)空演變特征

通過高分辨率遙感影像和地表覆被分類方法提取2015年~2020年阿克蘇河流域的自然植被,分析流域自然植被的時(shí)間、空間分布差異,動(dòng)態(tài)監(jiān)測2015年~2020年阿克蘇河流域自然植被的時(shí)空轉(zhuǎn)移特征,以識(shí)別流域自然植被重點(diǎn)區(qū)域和流域需要實(shí)施生態(tài)輸水的區(qū)域。

（2）流域生態(tài)輸水的生態(tài)響應(yīng)規(guī)律

通過2015年~2020年地下水位、自然植被和自然湖泊水面在年際變化、季節(jié)變化上的動(dòng)態(tài)變化,與流域生態(tài)輸水量、輸水時(shí)間進(jìn)行綜合的對(duì)比分析,分析總結(jié)流域生態(tài)要素對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)特征,可為流域生態(tài)輸水實(shí)踐提供科學(xué)性參考。

（3）流域生態(tài)輸水調(diào)度的優(yōu)化

生態(tài)輸水調(diào)度指的是將生態(tài)因素考慮到水庫調(diào)度和區(qū)域水資源配置中,是旨在恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng),促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力而實(shí)施的各項(xiàng)河流、水工程調(diào)度措施。結(jié)合阿克蘇河流域自然植被空間分布格局、自然湖泊水面變化特征和區(qū)域生態(tài)環(huán)境對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)規(guī)律,充分識(shí)別流域生態(tài)輸水和生態(tài)問題,基于流域生態(tài)修復(fù)目標(biāo),從生態(tài)需水調(diào)度、生態(tài)因子調(diào)度、水系連通性調(diào)度等關(guān)鍵角度入手,探討阿克蘇河流域生態(tài)輸水的數(shù)量、時(shí)序、空間分布等,構(gòu)建阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度方案的基本框架,以指導(dǎo)流域生態(tài)輸水工作的管理與實(shí)施。

4 結(jié)語

目前對(duì)生態(tài)輸水工程在西北干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)和生態(tài)響應(yīng)研究集中在塔里木河下游,針對(duì)塔里木河上游區(qū)域、受人為影響較大的綠洲流域的研究極少。阿克蘇河流域作為塔里木河主要的源流之一,通過分析阿克蘇河流域自然植被時(shí)空分布特征以及地下水變動(dòng)、自然植被和自然湖泊對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)特征,構(gòu)建流域生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化框架,能夠?yàn)榘⒖颂K河流域生態(tài)發(fā)展、塔里木河生態(tài)保障建設(shè)提供科學(xué)合理的參考。