柴達木盆地湖泊天然生態水文特性辨識

陳一迪，諸葛亦斯，石岳峰，杜 強，張馨予，聶 睿

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.中國水利水電科學研究院水生態環境研究所，北京 100038；3.黃河生態環境科學研究所，河南 鄭州 450000)

位于我國西北部的柴達木盆地是青藏高原的重要組成部分，是我國湖泊分布最密集的地區之一，也是全球鹽湖最集中的地區[1-2]，屬于全球氣候變化敏感、生態環境脆弱的地區，區域內的氣象水文變化直接影響青藏高原的水文循環系統。近年來由于受氣候變化和人類活動等諸多因素的影響，盆地內的湖泊瀕臨絕境、甚至消亡[3]。位于柴達木盆地中部的東、西臺吉乃爾湖為那棱格勒河的尾閭湖泊，湖區內富含硼、鉀、鋰、鎂等資源[4]。鹽礦企業自2003年陸續入駐湖區進行開發，為保護企業生產安全，分別在東、西臺吉乃爾湖的西側和東側筑起攔水壩，使上游來水在兩湖之間蓄積形成鴨湖滯洪區，出現了“水上雅丹”的景觀。生物多樣性隨著鴨湖面積的不斷增加而增加，趨于成為一個穩定的生態系統。由于鴨湖水位上升過快會造成洪水，因此多余的湖水沿西臺吉乃爾湖東側的苦水溝流向西臺吉乃爾湖西北側的一里坪，致使常年處于干涸狀態的干鹽湖開始出現湖表鹵水。同時，上游來水減少導致東、西臺吉乃爾湖持續萎縮，逐漸向干鹽湖轉化[5-7]。鹽湖資源的開發逐漸改變了天然生態系統，而資源開發與生態保護之間的平衡關系也是目前研究的熱點。在人為活動逐漸強烈的情況下，東、西臺吉乃爾湖區形成了人為次生湖泊生態系統，人為生態系統能否替代天然生態系統是目前亟待研究的問題，為更好地解決該問題，需要準確識別湖泊的天然狀態。

目前對于湖泊天然狀態的研究集中在基于長序列觀測數據下對湖泊面積、水位等動態變化特征及影響因素的分析。柴達木盆地氣候惡劣、地形復雜、基礎設施相對落后，觀測站點稀疏，缺少長序列的實測數據，是典型的缺資料地區[8]。補充缺測數據常用的手段是構建流域模型[9-11]。目前，也有學者針對缺資料地區高原尾閭湖泊進行了一些研究，如Wang等[12]對缺資料地區尾閭湖泊流域基于遙感流量估算方法模擬湖泊水量；Zhang等[13]以尕海為研究對象，基于遙感影像及衛星測高數據構建了湖泊面積—水位曲線；Wang等[14]以艾比湖流域為研究對象，分析河流演變對湖泊水位變化的響應。這些研究對了解缺資料地區湖泊動態變化研究方法具有重要的參考價值，但是缺資料地區湖泊天然狀態的辨識研究成果較少。

鑒于此，本文以柴達木盆地的東、西臺吉乃爾湖區為研究區域，利用未開發時期的1990—2002年全年Landsat遙感影像數據(1996年、1997年影像數據缺失)，分析湖泊面積的動態變化及水量平衡，辨識缺資料地區的湖泊在不同保證率下的天然狀態，以期為解決柴達木盆地內鹽湖資源開發布局與生態空間矛盾提供參考。

1 研究區概況

青海省海西州東、西臺吉乃爾湖為柴達木盆地內最大河流——那棱格勒河的尾閭湖泊(圖1)，位于東經93°49′～94°01′、北緯37°24′～37°36′，平均海拔2 683 m，兩湖近似三角形，呈西北-南東向分布。湖區及周邊人口極少，地質構造復雜，基礎設施相對落后，是典型的缺資料地區。根據距離湖區最近的小灶火氣象站統計資料，該地區年均氣溫4.4℃，平均風速3.6 m/s，平均降水量29.8 mm，蒸發量2 600 mm，為典型的高原大陸性干旱氣候。

(a) 1990年

(b) 2020年圖1 東、西臺吉乃爾湖不同時期遙感影像Fig. 1 Remotesensing images of East-Taijiner Lake and West-Taijiner Lake in different periods

鹽礦企業為保證生產安全，在東、西臺吉乃爾湖的西側和東側自建攔水壩，截斷了東臺吉乃爾河與兩湖的直接水力聯系，導致上游來水在兩湖之間蓄水形成鴨湖。由于季節性洪水及采礦活動使湖泊喪失了儲水調節功能，迅速向干鹽湖轉化。區域內水文特征發生長期不可逆轉的不利轉變，同時鴨湖面積逐年增加，水位逐漸升高，對企業生產設施帶來防洪隱患，嚴重影響東、西臺吉乃爾湖的周邊生態環境。

2 研究數據與研究方法

2.1 數據來源

選擇Landsat衛星系列影像為主要數據來源，為提高湖泊水體數據提取的準確性，優先選擇云量不超過10%的遙感影像。由于1990年以前遙感數據嚴重不足，選取東、西臺吉乃爾湖區域1990—2002年(除1996年和1997年)全年遙感影像，計算每年的湖泊平均面積。

選取距離東、西臺吉乃爾湖最近的小灶火氣象站實測數據進行氣候要素變化分析，包括降水量、蒸發量、風速及氣溫的逐日數據，資料系列為1990—2002年。

那棱格勒河水文站于1958年設立，1964年撤銷，此后沒有監測資料，水文資料嚴重不足，因此選取附近的奈金河納赤臺站、格爾木河格爾木站、香日德河香日德站作為參證站在實測數據的基礎上進行水文數據的插補延長。

2.2 數據處理與分析

利用ENVI 5.3軟件對遙感影像依次進行假彩色合成處理、幾何校正、輻射定標和大氣校正[15]。選用改進的歸一化差異水體指數(modified normalized difference water index， MNDWI)對水體信息進行提取，該方法被證實可以更好地應用于干旱區水體信息提取[16-17]，其表達式為

(1)

式中：IMND為MNDWI值；ρgr、ρMIR分別為綠光波段和中紅外波段的反射率。

為分析氣象因素對湖泊面積變化的影響，采用Pearson相關性分析法，相關系數r的大小可以反映兩個變量之間線性相關程度的強弱。r的取值范圍為r|≤1，r|越接近于1，變量間的相關程度越高。一般情況下，r|≥0.8為極強相關；0.6≤r|<8為強相關；0.4≤r|<0.6為中等強度相關；0.2≤r|<0.4為弱相關；0≤r|<0.2為不相關。

為分析水量平衡變化原因，引入累積距平值Si[20]檢驗實測數據系列平均值發生突變的情況，表達式為

(2)

當實測值大于長系列平均值時斜率為正，反之為負，持續的正負斜率用來鑒別系列平均值的中間突變。

2.3 水量平衡計算

東、西臺吉乃爾湖屬于干旱區的半封閉式湖泊，湖泊補給量主要來自降水、地表水入湖和地下水補給，排泄量主要是湖面的蒸發損失和地下水滲流[18-19]。由于研究區資料有限，將地下水的補給與滲流量合并為地下水交換量，其量值為庫容差與其他水平衡項的差，正項表示補給量多于滲流量，反之則為滲流量多于補給量。水量平衡方程為

V=P+R+W-E

(3)

式中：V為湖泊水量變化量；P為湖面降水量；R為入湖徑流量；W為地下水交換量；E為湖面蒸發量。

由于東、西臺吉乃爾湖缺乏湖面降水量的氣象觀測資料，選用小灶火氣象站的降水量觀測值和遙感影像提取的湖面面積計算湖面降水量：

P=P小A

(4)

式中：P小為小灶火氣象站的降水量觀測值，m；A為湖面面積，m3。

由于湖面未布設蒸發皿或蒸發池，因此利用小灶火氣象站的小型蒸發皿(20 m2)觀測的蒸發量來計算湖面實際蒸發量，滿足世界氣象組織觀測湖泊水面蒸發量的要求[21]，則東、西臺吉乃爾湖的湖面蒸發量E計算公式為

E=E小F

(5)

其中

F=1-0.011(1-r1)-0.379B′e1.001

式中：E小為小灶火氣象站的小型蒸發皿觀測蒸發量，mm；F為鹵水蒸發折算系數，反映水體含鹽量對水面蒸發的影響；r1為空氣相對濕度；B′e為含鹽量，用波美度表示，1波美度相當于1 L水含10 g氯化鈉。

2.4 湖泊天然狀態識別方法

通過對湖泊水量的計算得出湖泊上游來水補給的變化和地表水地下水的交換量，結合湖水的補給路徑和湖區地形，可以分析東、西臺吉乃爾湖在天然狀態下的湖泊面積、湖容和兩湖的空間布局關系。將1990—2002年提取出的湖泊面積分為19組，計算各組出現的次數及頻率，將各組頻率相加，其累積頻率就是湖泊面積保證率，即湖泊面積在多年期間可以得到滿足的程度，可以繪制湖泊面積保證率曲線。選取不同的保證率可以確定天然狀態時的湖泊面積，根據水量平衡方程和長序列的氣象水文數據計算得出湖容，結合補水路徑和地形進一步確定兩湖的空間布局關系。東、西臺吉乃爾湖的鹽湖資源開發可以根據該保證率確定開發程度，從而保證天然湖泊生態系統的穩定和湖泊水量的平衡。

3 結果與分析

3.1 氣候變化特征

選取小灶火氣象站1990—2002年降水量、氣溫、蒸發和風速4個氣象因子繪制逐月變化曲線，如圖2所示。從圖2可見，降水量集中在4—9月，最大降水量出現在7—9月。降水年際變化傾向率為每10年11 mm，呈下降趨勢，1997年降水量達到最大值37 mm，在2000年產生突變，以2000年為分界線，1990—2000年年均降水量為27.33 mm，2000—2002年年均降水量為11.67 mm。蒸發量為降水量的80倍，集中在4—9月，6—8月達到峰值。以26 mm/a的速率呈上升趨勢，1990—1997年蒸發量大部分低于均值，1992年蒸發量最小，為2 319.5 mm，2000年后蒸發量逐漸增加，2002年達到最大值2 892.1 mm。氣溫在每年3、4月左右達0℃以上，11月下降到0℃以下，7—8月氣溫達到峰值。2000年7月氣溫最高，為20.18℃，1995年1月氣溫最低，為-13.36℃，1990—1997年氣溫變化幅度不明顯，1997年以后氣溫以每10 a 0.6℃的速度上升。風速的峰值集中在5—7月，以西-西北風和西北風為主，共占研究時段內的51.64%。1990—2002年風速年均下降0.16 m/s，1991年年均風速最大，為39.72 m/s，1998年風速最小，為32.65 m/s。

(a) 降水量和蒸發量逐月變化

(b) 氣溫和風速逐月變化

(c) 蒸發量和降水量年際變化

(d) 氣溫和風速年際變化圖2 小灶火氣象站氣象因素變化Fig.2 Variation ofmeteorological factors at Xiaozaohuo Meteorological Station

3.2 水量平衡計算結果

由于缺少實測湖盆數據，通過構建湖盆數字高程模型得到面積-庫容曲線，根據遙感影像提取出的湖泊面積確定水量變化量V。具體步驟為：通過DEM信息插值計算遙感影像提取出水體邊界線高程值，對不同時間序列的湖泊邊界圖層進行疊加，生成湖泊等水位圖，再通過ArcGIS軟件構建湖泊的不規則三角網(triangulated irregular network，TIN)模型，計算不同湖泊面積對應的庫容[23]。東、西臺吉乃爾湖的水量平衡方程內各項變化情況見圖3。

(a) 蒸發量

(b) 降水量

(c) 徑流量

(d) 湖容變量

(e) 地下水交換量圖3 水量平衡各項變化情況Fig.3 Changesin items of water balance

水量平衡的計算結果表明，東臺吉乃爾湖的地下地表水交換量平均值為0.05億m3，補給量最大值為0.53億m3，滲流量最大值為0.78億m3；西臺吉乃爾湖的地下地表水交換量平均值為0.01億m3，補給量最大值為0.34億m3，最大滲流量為0.32億m3，地下水交換量呈現不確定性。兩湖的庫容差呈現正常的波動狀態，2000年以后變化增大，地下水交換更加劇烈，是由于2000年后兩湖的面積都發生了突變，水平衡各項需要進行調整從而確定新的平衡點。

3.3 湖泊面積動態變化

圖4和圖5分別為東、西臺吉乃爾湖面積年內和年際變化。由圖4圖5可見，兩湖總面積在140 km2以上，1990—2002年兩個湖泊總面積變化具有波動性特征，不同時段的年內波動振幅與均值有顯著差異。1990—2002年，東臺吉乃爾湖在1990年2月面積最小，2000年后面積呈擴大趨勢，最大值為261.70 km2；西臺吉乃爾湖呈萎縮趨勢，面積最大值出現在1992年7月，2001年1—3月湖泊干涸，除此之外面積最小值出現在2000年2月。東臺吉乃爾湖面積變化可以分為3個階段：1990—1992年湖泊面積以33 km2/a的速率擴張；1993—1999年湖泊面積逐漸萎縮，每年縮小6 km2；2000—2002年湖泊面積變化較劇烈，湖泊面積年均擴張2.19 km2。西臺吉乃爾湖在1992年急劇擴張，此后面積由118.41 km2逐漸下降到25.55 km2，即使1994年和2001年有短暫的擴張，也沒有改變湖泊總體萎縮趨勢。兩湖總面積以1.3 km2/a的速率萎縮。

(a) 湖泊面積逐月變化

(b) 湖泊面積月均值變化圖4 東、西臺吉乃爾湖面積年內變化Fig.4 Annual changes of area of East-Taijiner Lake and West-Taijiner Lake

(a) 東臺吉乃爾湖

(b) 西臺吉乃爾湖圖5 東、西臺吉乃爾湖面積年際變化Fig.5 Interannual changes of area of East-Taijiner Lake and West-Taijiner Lake

3.4 湖泊邊界動態變化

那棱格勒河發源于昆侖山北部，位于柴達木盆地西南，由西南流向東北，多年平均流量32.92 m3/s，出山口后有60%～80%的水量滲漏，少量河水到下游與臺吉乃爾河匯流，最終在湖盆海拔最低處形成東、西臺吉乃爾湖[24]。選擇1990年、1992年、1994年和2000年中面積最大月份的湖泊邊界，分析東、西臺吉乃爾湖的空間變化情況。東、西臺吉乃爾湖是發育在柴達木盆地中部的構造斷陷湖泊，湖區及周邊地質構造復雜，北部為雅丹地貌群，南部為河流區，東、西側為鹽灘-荒漠區，湖盆邊緣平均海拔2 700 m，主要是砂質泥巖和砂質黏土，湖盆內部平均海拔2 680 m，以黏土和鹽類沉積為主[25]。

圖6為湖泊邊界變化情況，由圖6可見，東臺吉乃爾湖西南側地勢平坦，湖岸線變化明顯，其東部為近50 km2的沙質干鹽灘，厚15～20 m，坡度較陡，湖岸線變化不明顯；西臺吉乃爾湖西北高東南低，因此湖岸線變化主要發生在西北側，上游來水在南側向湖泊內補給，湖岸線變化不明顯。當兩湖水量充足時均呈現為三角形，當水量減少時，東臺吉乃爾湖依然以近似三角形的形狀向內縮小，由于東南側海拔較高，因此面積萎縮時湖岸線變化較明顯，而西臺吉乃爾湖則逐漸變為橢圓形。由此可見，湖泊水量的變化不僅影響湖泊面積，還影響湖泊的形態分布。

圖6 湖泊邊界變化情況Fig.6 Change of lake boundary

4 討 論

4.1 水量平衡

1990—2002年東、西臺吉乃爾湖的月水量平衡計算結果(圖7)表明，兩個湖泊庫容差變化不一，沒有持續萎縮，處于正常波動狀態。2000年后兩湖的水量變化劇烈，采用累積距平法進行分析，結果表明，東臺吉乃爾湖的湖面蒸發量、降水量、徑流量和庫容的平均值分別為0.208億m3、0.003億m3、0.159億m3和1.496億m3。其中，蒸發量、徑流量和庫容的變化趨勢幾乎一致，1990年開始呈下降趨勢，在2000年前后達到最小值，此后逐漸上升，而降水量的變化趨勢完全相反，說明東臺吉乃爾湖庫容發生變化的主要原因是蒸發量和徑流量。西臺吉乃爾湖的湖面蒸發量、降水量、徑流量和庫容的平均值分別為0.099億m3、0.002億m3、0.085億m3和0.360億m3。庫容變化與降水量和蒸發量的變化趨勢相似，1992年開始急劇上升，1999年前后達到最大值，此后逐漸下降，而徑流量較穩定，呈先下降后上升的趨勢，說明西臺吉乃爾湖的水量變化主要取決于降水量和蒸發量。由于2003年以前湖區處于天然狀態，并且徑流量、降水量、蒸發量的突變幾乎在同一時期發生，表明引起湖泊水量的變化主要原因是氣候變化。

(b) 西臺吉乃爾湖圖7 水平衡各項累積變化Fig.7 Cumulative changes in items of water balance

4.2 湖泊天然狀態識別

由于東、西臺吉乃爾湖區域年均降水量僅為30 mm左右，蒸發量是降水量的80倍，所以降水量的影響可以忽略不計。湖泊的徑流量年內變化出現兩次峰值：第一次峰值在4月，由于氣溫上升使冰雪融水量增加，第二次在7月，與汛期降水量導致地表產流量增加有關。相關研究表明，由于冰雪融水參加徑流過程會導致年內徑流過程有兩次峰值，這也是高寒地區水文過程的特征之一[26-27]。同時柴達木盆地近年增溫速度明顯高于青藏高原整體水平[27]，那棱格勒河流域位于昆侖山脈附近，周圍有冰川分布，氣溫的變化對流域積雪的凍融過程貢獻較大，因此兩湖泊面積從3月開始隨著氣溫的增加逐漸擴大，至7月達到峰值。

相關性分析結果表明，兩湖泊年內面積變化與氣溫和徑流量均呈正相關關系，并且相關性系數均通過了置信度為0.01的雙側檢驗。選擇氣溫和徑流量作為自變量，湖泊面積作為因變量，分別對東、西臺吉乃爾湖湖泊面積年內變化建立多元線性回歸方程：

A1=142.243+48.35R+0.246T

(6)

A2=64.049+28.695R+0.736T

(7)

式中：A1、A2分別為東、西臺吉乃爾湖湖泊面積，km2；T為氣溫，℃。

擬合面積的峰值出現在8月，主要是兩湖徑流量在8月份達到最大值所致。根據回歸系數t檢驗結果，徑流量對年內變化的貢獻率較大；經方差分析，兩湖的線性回歸模型總體達到極顯著水平(p<0.01)；Durbin-Waton檢驗值表明模型擬合效果較好，預測值的方差獨立。

根據年蒸發量等氣象因素與湖泊面積年際變化相關性分析結果，選擇相關性較高的因子對兩湖年際面積變化建立多元線性回歸方程：

A1=717.179-0.146E-2.209T-5.920w
+41.220R

(8)

A2=542.801-0.108E-9.606T-4.561w
+6.651R

(9)

式中w為風速，m/s。

經分析，方程擬合結果較符合實際，西臺吉乃爾湖2000年的擬合值大于實際值是由于模型中未考慮降水因素，而2000年年均降水量驟減至8.7 mm，對湖泊面積產生了一定的影響。經方差分析，模型總體達到極顯著水平(p<0.01)；Durbin-Waton檢驗值表明模型擬合效果較好，預測值的方差獨立。

圖8為東、西臺吉乃爾湖面積累積頻率分布?？梢?，東臺吉乃爾湖面積為180～220 km2，西臺吉乃爾湖面積為130～140 km2。由于地形的原因，天然狀態下兩湖的位置保持在湖區的海拔最低處，當人為筑起攔水壩阻隔上游來水時，會在人為規定的空間范圍內海拔最低點處蓄水形成新湖泊，即鴨湖，其平均海拔為2 685 m。因此，天然狀態時的湖泊面積和形態隨水量的變化而改變。表1為選取25%、50%、75%和90%的湖泊面積保證率情況下辨識的東、西臺吉乃爾湖湖泊面積、湖容及空間形態的結果。

表1 不同湖泊面積保證率下的湖泊天然狀態Table 1 Lake States under Different Guarantee Rates

圖8 東、西臺吉乃爾湖面積累積頻率分布Fig.8 Accumulative frequency distribution of area of East-Taijiner Lake and West-Taijiner Lake

5 結 論

a.在湖泊面積變化方面，東臺吉乃爾湖面積以2.19 km2/a的速率呈增加趨勢，面積為180～220 km2，西臺吉乃爾湖面積以3.50 km2/a的速率縮小，面積為130～140 km2。兩湖面積在7月出現峰值，4月為次峰值；選取相關性較高的氣象水文因子分別對東、西臺吉乃爾湖面積的年際和年內變化建立了線性回歸方程，擬合度較高。

b.在湖泊空間布局方面，東、西臺吉乃爾湖呈西北-南東向分布，湖泊水量充足時兩湖均近似為三角形，水量減少時，東臺吉乃爾湖以原有的湖泊形態向內縮小，而西臺吉乃爾湖逐漸萎縮成橢圓形。由于湖區周圍地形和上游來水補給路徑的原因，兩湖邊界變化較明顯，主要在東臺吉乃爾湖的西南側和西臺吉乃爾湖的西北側發生變化。

c.研究時間范圍內湖泊水量維持在一個有正有負的相對平衡的狀態，結合由長序列的湖泊面積變化繪制出的湖泊面積保證率曲線，以25%、50%、75%和90%的保證率為例，識別天然狀態的湖泊面積、湖容及空間形態。該保證率曲線可為鹽湖資源開發過程中保護天然湖泊生態系統提供一定的參考。