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。湖區南、西、北三面環山,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,蒸發量為1315mm。距艾比湖西北部6km的阿拉山口是我國西部地區唯一的鐵路、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模水土開發,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性差異,增暖季節主要是在冬季,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。該區降水在季節分配上發生了變化,而夏、冬兩季是4個季節中平均降水量增加最多的季節,春季降水增加則比較緩慢。

艾比湖流域年際和四季蒸發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 蒸發量變化

艾比湖流域蒸發量(實際反映的是蒸發能力)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,蒸發量卻在減少。就其平均值而言,20世紀90年代蒸發量比前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的相關系數為0.4,說明蒸發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

湖區干旱環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%。

湖區表土層的土壤粒級組成則有細化現象(多為上風區),風蝕造成了表層土壤的進一步分化,下風區接受了細土的沉積。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、半水成土轉變為殘余沼澤土、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為相應的沼澤鹽、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為以耐鹽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年生長營養期植物及短命植物,主要發育在沖、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,研究區域內艾比湖西北部及博河中上游區域,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。

艾比湖地區生態環境變化過程中,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、養分以及局部水分條件的改變所引起的植物群建群種和優勢種的變化。也就是說,土壤發生粗化、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勢種演變為耐干旱、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的生態環境。

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,鹽度逐漸增大,對湖區生態系統產生了極大影響。因此,目前艾比湖的環境現狀及發展趨勢并不樂觀,水資源的合理配置與開發已成為流域發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。流域山區森林經營面積為37.47萬hm2,占全流域面積1/6。山區天然林是艾比湖流域16條河流的發源地,穩定地發揮著水資源涵養、保持水土、調節氣候、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,山區森林護衛著艾比湖現有湖面水量的穩定補給和生態經濟的相對平衡。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環境的考慮,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用水和艾比湖流域經濟發展用水,這方案生態和經濟效益兼優,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,取決于自治區總體布局和經濟實力,但跨流域調水,根治艾比湖生態環境是必然抉擇。

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

d.調整產業結構,實現優化配置。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(包括產業結構和種植業結構),優化配置水資源。如根據流域農業氣候區劃,海拔800m以上的是牧區,800～400m為半牧半農區,400m以下為農業區。建議海拔800m以上地區縮小農業規模,以發展畜牧業為主導產業。

e.建立生態保護和建設協調機構。完善艾比湖流域規劃,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,進行有效監督;對全流域的上中下游進行規范化開發,使局部利益和整體相結合。尤其作為一個環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] 新疆維吾爾自治區水文水資源局.西北地區水資源合理開發利用與生態環境保護研究:新疆水資源評價[R].烏魯木齊:新疆維吾爾自治區水文水資源局,1998.

[4] 新疆水利水電規劃設計管理中心.西北地區水資源合理開發利用與生態環境保護研究:新疆水資源開發利用現狀評價[R].烏魯木齊:新疆水利水電規劃設計管理中心,1999.

[5] 中國科學院新疆生態與地理研究所.博河、精河流域生態環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.