劉美萍，哈 斯，春 喜

(1: 北京師范大學資源學院，北京 100875)(2: 內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特 010022)(3: 內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化實驗室，呼和浩特 010022)

近50年來內(nèi)蒙古查干淖爾湖水量變化及其成因分析*

劉美萍1，哈 斯1**，春 喜2,3

(1: 北京師范大學資源學院，北京 100875)(2: 內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特 010022)(3: 內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化實驗室，呼和浩特 010022)

內(nèi)蒙古查干淖爾湖是位于季風邊緣區(qū)干旱與半干旱過渡帶的封閉湖泊，對氣候變化響應極為敏感.利用1958-2010年的查干淖爾湖21期遙感影像以及湖泊流域1955-2010年的3個氣象站點和1個水文站點的氣溫、降水、蒸發(fā)和徑流等數(shù)據(jù)，分析查干淖爾湖近50余年的湖泊水量、面積/水位波動及其原因.結(jié)果表明，近50年來在區(qū)域氣候暖干化的背景下，查干淖爾湖不斷萎縮，流域生態(tài)環(huán)境退化.1958-2010年湖泊容積以2×106m3/a的速度銳減66.9%(從124.1×106m3降到41.1×106m3)，湖泊面積縮小73.3%(從105.3km2降到28.1km2)，平均縮減速度為1.8km2/a；流域年均氣溫上升了2.5℃，年降水量下降了36.6mm.湖泊水量與流域氣溫和蒸發(fā)量顯著負相關(guān).查干淖爾湖分為東西兩部分，中間由天然堤壩相連，東湖在水閘的人為控制下水位波動范圍不超過1m.西湖水位波動則相對劇烈，湖面下降7.6m，于2002年徹底干涸，湖盆裸露，已成為鹽塵暴、沙塵暴源地.

查干淖爾湖；湖泊波動；氣候變化；人類活動

湖泊不僅為生命提供了必要的水源，也記錄了氣候變化的重要信息，因而對全球變化與區(qū)域響應、水資源評估、環(huán)境和生物多樣性研究具有重要的意義.目前，隨著氣候變化和人類活動，大量湖泊面臨著污染、萎縮，甚至干涸的問題[1-5]，湖泊生態(tài)環(huán)境遭受嚴重威脅[6-9].研究報道近50年來國內(nèi)湖泊變化顯著[10-12]，自第一次全國湖泊調(diào)查(1960s-1980s)到21世紀初，我國面積1km2以上的湖泊總面積減少了9605km2[13].由于受氣候暖干化的影響[14]，青藏高原的青海湖[15-17]，干旱與半干旱區(qū)的博斯騰湖[18-19]、艾比湖[20-21]等諸多湖泊，近幾十年來水位下降，環(huán)境質(zhì)量逐步退化[22]；東亞季風邊緣區(qū)的岱海[23]、達里諾爾[24]、呼倫湖[25]等湖泊出現(xiàn)嚴重萎縮，其周緣的濕地面積也經(jīng)歷了嚴重縮減的過程.

查干淖爾是位于中緯度季風邊緣區(qū)的終閭湖，其對環(huán)境變化的響應相當敏感，湖泊水位變化明顯，2002年查干淖爾西湖徹底干涸，湖盆裸露，成為流域主要的塵暴源地，出現(xiàn)嚴重的生態(tài)環(huán)境問題.目前，關(guān)于該湖的變遷及流域環(huán)境研究較少，本文利用不同時期的影像資料，對近50余年查干淖爾湖泊波動及其原因進行分析和初步探討，為深入認識區(qū)域自然環(huán)境演化過程，以及為環(huán)境治理和水資源的可持續(xù)利用提供參考.

1 研究區(qū)概況

圖1 查干淖爾湖流域位置Fig.1 Location of Lake Qehan basin

圖2 查干淖爾湖盆DEM圖Fig.2 The lake pan DEM of Lake Qehan

查干淖爾湖(43°24′10″N，114°50′30″E)，又名呼日查干淖爾湖，位于內(nèi)蒙古高原中北部，湖泊盆地南接渾善達克沙地，北鄰阿巴嘎熔巖臺地(圖1)，是處于東亞季風邊緣區(qū)干旱與半干旱氣候過渡帶的封閉鹽湖，對氣候變化響應極為敏感.湖盆呈NE-SW向延伸的狹長形，地勢東高西低.該湖分為西湖和東湖，其中，西湖湖底較為平坦，湖岸較陡，湖底海拔1009m；東湖湖底(海拔1015m)較西湖高(圖2).而且，兩湖之間由天然堤壩相隔，中間有水閘控制東湖向西湖注水，該堤壩于2.42 ka B.P.前后出現(xiàn)，并奠定了現(xiàn)代湖盆形態(tài)的基礎(chǔ)[26].查干淖爾流域面積1.4×104km2，流域總?cè)丝诩s3.4萬人(2010年)，以放牧為主，無灌溉農(nóng)業(yè)，2008年前無工業(yè).湖泊水源主要靠高格斯臺河和恩格爾河補給，恩格爾河流經(jīng)巴潤查干淖爾湖，由南岸向北注入查干淖爾西湖，目前恩格爾河在西湖入口段已經(jīng)干涸；高格斯臺河發(fā)源于正藍旗，流經(jīng)阿巴嘎旗紅格爾高勒鎮(zhèn)，進入查干淖爾東湖，為季節(jié)性河流.

查干淖爾湖泊流域夏季受東南季風影響，溫和且降水集中，冬季受蒙古高壓控制，干冷多風，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候.據(jù)內(nèi)蒙古阿巴嘎旗氣象站多年(1955-2010年)觀測數(shù)據(jù)(圖3)，湖區(qū)年平均氣溫1.3℃，氣溫年較差較大(-21.3～20.9℃)；年平均降水量280mm，年際變化大(年變率達25.9%)，年內(nèi)分配不均，降水主要集中在6、7、8月份(占全年降水總量的69.4%)；多年平均蒸發(fā)量為1977.2mm，是降水量的7.1倍；常年盛行偏西風，僅6-8月為東北風，年平均風速為3.3m/s.地帶性土壤為淡栗鈣土，此外還有沼澤性土、沙質(zhì)草旬土和風沙土等非地帶性土壤.植被為荒漠草原，有沙米、沙篙、冰草、小葉錦雞兒、蘆葦、雜類草及柴樺灌叢.

圖3 1955-2010年研究區(qū)(阿巴嘎旗)氣象要素的月變化Fig.3 The variations of monthly meteorological data of Abaga Banner during 1955-2010

2 資料與方法

2.1 資料

本文利用的資料主要有：1958、1959年的航空相片；1973年11月、1975年9月、1977年6月的MSS遙感影像；1991年8月、1993年9月、1999-2003年(6、7和8月份)、2005-2010年(7、8、9月份)的TM/ETM+遙感影像；研究區(qū)1∶5萬地形圖；2004年1∶1萬查干淖爾湖底實測高程圖；1955-2010年查干淖爾湖泊周圍的阿巴嘎旗、蘇尼特左旗和正藍旗3個氣象站點的氣象資料(氣溫、降水量、蒸發(fā)量等)以及查干淖爾鎮(zhèn)昌圖廟站徑流量數(shù)據(jù).野外考察在當?shù)厥占纳鐣宋?人口、牲畜數(shù)量)數(shù)據(jù)以及對當?shù)鼐用裾{(diào)研訪談的資料.研究區(qū)影像挑選原則：(1) 單景影像的平均云量小于5%，湖泊上空無云覆蓋；(2) 衛(wèi)星遙感資料獲取之前，無較大的異常強降雨或干旱，并在影像能獲得的前提下選擇信息量豐富的夏季時相影像；(3) 以空間分辨率30m的衛(wèi)星影像(如Landsat TM/ETM+)為主，其他影像為輔.

2.2 方法

2010年6月至2011年9月對研究區(qū)進行兩次共計半個月的野外考察，對湖泊流域自然和社會情況進行實地考察.在此基礎(chǔ)上，對各期遙感影像數(shù)據(jù)進行預處理，對湖泊面積、水量和水位進行提取和數(shù)據(jù)分析.

在ENVI圖像處理軟件的支撐下，對所有經(jīng)過假彩色圖像合成的影像資料，以1988年出版的1∶5萬地形圖作為底圖，進行幾何精校正，坐標統(tǒng)一采用ALBERS等面積投影和相應參數(shù)下的1954年北京坐標系，并對校正后的圖像進行邊緣增強、灰度變換等處理.

利用ArcGIS軟件對影像進行目視解譯，提取1958-2010年查干淖爾湖泊邊界；建立湖泊DEM(Digital Elevation Model)，獲取湖泊面積、水量和水位信息.

利用SPSS、Excel、Origin等軟件，對得到的湖泊波動指標(湖泊面積、水量及水位)及湖泊變遷驅(qū)動因子(流域氣溫、降水、蒸發(fā)量、人口、牲畜頭數(shù))進行相關(guān)分析和主成分分析，探討該湖泊波動的驅(qū)動機制.

3 結(jié)果

近50余年來查干淖爾湖雖有湖泊擴張發(fā)生，但湖泊總體呈下降趨勢(圖4、5).1958-2010年湖泊總面積銳減73.3%(從105.3km2降至28.1km2)，總面積在2000—2002年出現(xiàn)急劇下降，平均每年下降28km2，在這前后湖面的變化趨勢都很平穩(wěn)；湖泊總?cè)莘e減少66.9%(從124.1×106m3降至41.1×106m3)，總?cè)莘e波動趨勢以1999年為界，之前下降幅度較大(平均下降2.3×106m3/a)，之后變化相對平緩(平均0.6×106m3/a).1959年湖泊總面積與總?cè)莘e是近50余年的最高值，分別為111.8km2和151.9×106m3；2007年湖泊總面積與總?cè)莘e達到最低，分別為26km2和33.7×106m3.

圖4 查干淖爾湖近50年湖泊面積波動Fig.4 Lake Qehan area changes over the past 50 years

圖5 查干淖爾湖湖泊總面積與容積的波動Fig.5 The lake area and volume changes of Lake Qehan

近50余年來查干淖爾東湖經(jīng)歷了降-升-降-升的波動變遷：1958-1977年，東湖湖泊面積、容積和水位分別下降了5.8km2、13.3×106m3和0.4m，在1959年明顯波動上升，出現(xiàn)近50余年來的最高值，隨后大幅下降(水量降幅高達64.8%)，1977年為東湖面積、容積和水位的最低年；1977-2002年，東湖逐漸擴張，26年間湖泊面積、容積和水位分別增加11km2、56.7×106m3和1m；2002-2007年間，湖泊水位和容積分別以0.07m/a和2.2×106m3/a的速率不斷下降，面積則保持相對平穩(wěn)；2007-2010年，東湖容積以每年增加1.8×106m3的速度上升了7.3×106m3，湖泊水位在4年內(nèi)迅速上升了0.4m，面積年際波動最大不超過1.2km2，相對穩(wěn)定(圖6).

2002年查干淖爾西湖干涸，湖盆裸露，在過去的54年里西湖不斷萎縮，湖泊容積、水位和面積分別減少80.2×106m3、7.4m和93.2km2，發(fā)生了劇烈的變化.西湖面積與水位在1969-1975年呈現(xiàn)上升波動，分別上升3km2和0.6m.54年里容積變化曲線則呈現(xiàn)降-升-降的趨勢，1958-1969年的下降過程中，1959年有所上升，上升了1.1×106m3；1969-1975年容積增加19.9×106m3，1975年后劇烈下降，至2002年干涸，27年間容積減少了87.8×106m3(圖6).

圖6 查干淖爾湖東湖和西湖湖泊面積、容積和水位的波動

4 討論

據(jù)上述分析，50余年來查干淖爾湖經(jīng)歷了逐漸萎縮的過程.湖泊總面積、總?cè)莘e與西湖面積、容積表現(xiàn)出較高的相關(guān)性(R2>0.93)，與東湖相關(guān)性較小(R2<0.27)，且東、西湖與總湖泊面積之間的相關(guān)性較容積間的相關(guān)性好，東、西湖湖泊水位與面積和容積間的相關(guān)性均較好(R2≈0.95).

一般情況下湖泊水量的流失是湖盆構(gòu)造斷裂引起的湖水下滲，人畜飲用，入湖徑流減少以及流域氣溫、蒸發(fā)量升高，降水量降低等因素綜合作用的結(jié)果.對查干淖爾湖容積和面積與自然和人為要素進行相關(guān)分析及主成分分析(表1)，結(jié)果表明：湖泊容積與鄉(xiāng)村人口、氣溫和徑流量呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，與蒸發(fā)量呈顯著相關(guān)(P<0.05)；湖泊面積卻只與氣溫呈極顯著相關(guān)，與蒸發(fā)量呈顯著相關(guān).氣候因素作為影響湖泊波動的第一主成分，其中高絕對值載荷指標有蒸發(fā)量、徑流量和氣溫；人為因素為第二主成分，鄉(xiāng)村人口與牲畜頭數(shù)為高絕對值載荷指標.結(jié)合相關(guān)分析與主成分分析的結(jié)果，可知查干淖爾湖的變化主要是受鄉(xiāng)村人口及徑流量、蒸發(fā)量和氣溫共同作用，且氣候因素的貢獻率大.下面分別探討各因素對湖面波動的作用.

表1 近50余年來查干淖爾湖變遷與各要素的相關(guān)系數(shù)及主成分分析

**為相關(guān)性顯著水平達到0.01，*為相關(guān)性顯著水平達到0.05.

4.1 構(gòu)造因素

查干淖爾積水盆地是以中生代凹陷盆地為基礎(chǔ)的新生代坳陷盆地[27]，受第三紀構(gòu)造運動影響，構(gòu)建湖盆框架[28]，于中、晚更新世區(qū)域升降作用下形成[29]，至全新世穩(wěn)定.所以，查干淖爾現(xiàn)代湖盆地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，不構(gòu)成近50年來湖泊水量減少、湖面波動的原因.

4.2 流域蒸發(fā)、降水和氣溫作用

根據(jù)1955-2010年流域(阿巴嘎旗、蘇尼特左旗和正藍旗)氣象站點的資料統(tǒng)計，50余年來查干淖爾流域年平均氣溫上升了2.5℃，平均每10年上升0.5℃，多年平均降雨量略有下降，多年平均蒸發(fā)量是降水量的8.1倍，并隨氣溫的升高而增加(圖7).可知，近50多年來查干淖爾流域氣候變化特征呈暖干化.

湖泊水量與面積變化同湖面降雨和蒸發(fā)緊密相關(guān)，一般情況降水增加湖泊補給，有利于湖泊擴張；而蒸發(fā)作用減少湖水補給量，促使湖面下降.1959年降水量最多，達422.4mm，比平均降水量高出156.9mm，氣溫與蒸發(fā)量相對較低，湖泊面積與容積為近50余年來最大值.21世紀初，流域降水量下降，蒸發(fā)量升高，查干淖爾湖泊經(jīng)歷了一次劇烈萎縮.2001年，降水量降至近50余年的最低值168.7mm，蒸發(fā)量升高至2409.8mm，湖面比2000年湖面減小33.7%.2002年，蒸發(fā)量較高，降水量較低，分別為2124.5mm和187.8mm，西湖干涸，湖泊面積驟減約1/2.湖泊容積與氣溫(R=-0.689，P<0.01)呈極顯著負相關(guān)，與蒸發(fā)量呈顯著負相關(guān)(R=-0.546，P<0.05)，湖泊變化與氣候波動有很好的相關(guān)性.可知，近50年來查干淖爾湖泊萎縮.流域濕地面積銳減與流域氣候的暖干化趨勢基本一致.

圖7 1955-2010年昌圖廟站年徑流量和查干淖爾流域3個氣象站年降水量、年均氣溫與年蒸發(fā)量的變化Fig.7 The annual runoff data from Changtumiao hydrological station and annul precipitation, evaporation and temperature data from three meteorological stations during 1955-2010

4.3 徑流補給

查干淖爾湖水源由恩格爾河和高格斯臺河兩河流補給.據(jù)2010年野外考察得知恩格爾河在西湖入湖口處已經(jīng)干涸，該河發(fā)源于正藍旗，流經(jīng)巴潤查干淖爾湖，最后注入查干淖爾湖，是典型的內(nèi)流河.據(jù)實地訪談和影像判讀，1970s末巴潤查干淖爾湖周圍濕地部分被開墾成農(nóng)田，并修建水渠，引河水進行灌溉，農(nóng)田面積約10km2，占流域面積的0.07%，且河流下游建有一個瓦窯，也使用河水(圖8).恩格爾河在氣候暖干化的影響下，徑流減小(圖7).所以，恩格爾河斷流是人為與氣候雙重因素導致的.

高格斯臺河發(fā)源于正藍旗，流經(jīng)阿巴嘎旗紅格爾高勒鎮(zhèn)，匯入查干淖爾東湖.1955-2010年查干淖爾鎮(zhèn)昌圖廟站徑流數(shù)據(jù)(圖7)顯示，流域多年平均徑流量4267.7×106m3，略有下降，1955年至今下降653.4×106m3.根據(jù)近30年來的流域土地利用情況，得知流域內(nèi)耕地和人為活動用地面積僅占流域面積的0.5%左右，而且并沒有主要分布在高格斯臺河附近.相關(guān)分析得到湖泊容積與徑流量(R=0.57，P<0.01)呈極顯著相關(guān)；第一主成分中徑流量載荷絕對值最大，為0.846，是影響湖泊波動的主要原因.所以，河流徑流量與湖泊波動密切相關(guān)，且徑流量的減少主要受流域氣候暖干化的影響.

圖8 恩格爾河下游情況(2014年Google Earth地圖)Fig.8 The downstream condition of Enger River(Map from Google Earth,2014)

4.4 人類活動的影響

原本由天然堤壩相連的查干淖爾湖，自查干淖爾東湖漁場建立，便東、西湖各自獨立，東湖向西湖的水補給受堤壩水閘的人為控制(放水時間和水量沒有記錄).所以，東湖水位在人為控制下保持1m范圍的波動，而西湖缺少了來自東湖的主要補給，水位持續(xù)下降，水位波動變幅高達7.6m.

研究區(qū)在2008年前并無工業(yè)，且流域人口稀少，1958年僅1.9萬人，1985年增至4萬人，之后不斷減少，至2010年人口為3.4萬，人均占地面積0.4km2.牲畜頭數(shù)以1999年為分界點，先增加后驟減，2010年研究區(qū)大小牲畜頭數(shù)37萬(圖9).根據(jù)國務(wù)院研究室農(nóng)村經(jīng)濟司課題組制定的2010年全國農(nóng)村人均用水量70L/d，牲畜飲水量30L/d的標準，2010年查干淖爾湖流域人口用水量和牲畜飲水量分別為0.87×106m3和4.28×106m3，僅為徑流量的0.1%.按此標準計算的近50余年來流域年人為飲用水量約為徑流量的0.2%，相對較少.對流域土地利用狀況進行分析，人類活動用地(居民地和耕地)只占流域面積的0.5%.相關(guān)分析表明湖泊面積與鄉(xiāng)村人口和牲畜頭數(shù)均無相關(guān)性，湖泊容積與鄉(xiāng)村人口(R=-0.569，P<0.01)呈極顯著負相關(guān).主成分分析顯示，第二主成分(人為因素)中鄉(xiāng)村人口與牲畜頭數(shù)的載荷值分別為0.877和0.780，前者較后者作用大.第一主成分與第二主成分對查干淖爾湖泊波動的累計貢獻率為69.12%，人為因素貢獻率僅為27.1%.因此，人為活動對該湖泊波動影響較小.

圖9 1955-2010年查干淖爾流域人口及牲畜頭數(shù)變化曲線Fig.9 The changes of annual population and livestocks of Lake Qehan basin from 1955 to 2010

5 結(jié)論

近50余年來查干淖爾湖經(jīng)歷了逐漸萎縮的過程，1958-2010年湖泊總水量銳減66.9%(從124.1×106m3降至41.1×106m3)，湖泊總面積縮小73.3%(從105.3km2降至28.1km2)，西湖水位銳減7.6m，東湖水位波動范圍不超過1m.湖區(qū)氣候暖干化，年平均氣溫上升2.5℃，年降水量下降36.6mm.查干淖爾湖容積與氣溫和鄉(xiāng)村人口呈極顯著負相關(guān)，與徑流量呈極顯著正相關(guān)，且氣候變化作為影響湖泊波動的第一主成分貢獻率比人類活動的大，所以，研究區(qū)湖泊萎縮、濕地面積減少是氣候變化與人類活動共同作用的結(jié)果，且氣候暖干化起主要作用.在全球氣候變暖的背景下，查干淖爾湖流域生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化是不可否認的事實.尤其是2002年，西湖干涸，裸露湖盆導致的鹽塵暴危害嚴重，極大地污染了空氣、食物、土壤和水源等，應采取措施重點保護.

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Variation and causation of Lake Qehan， Inner Mongolia over the recent 50 years

LIU Meiping1, HASI Eerdun1& CHUN Xi2,3

(1:CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,P.R.China)(2:CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,P.R.China)(3:KeyLaboratoryofMongolianPlateauEnvironmentandGlobalChange,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,P.R.China)

Lake Qehan, an inland closed lake located in the arid and semi-arid area and the marginal belt of southeast monsoon in Inner Mongolia, is very sensitive to climatic change,but little work has been conducted in this lake. This study aimed to investigate the lake volume, area and level variation and identify the causes for the lake fluctuation during the past 50 years, based on 19 MSS/TM/ETM+ images and two aerial photographs from 1958 to 2010 and the meteorological and hydrological data of three representative meteorological stations and one hydrological station around the lake basin from 1955 to 2010. The results showed that Lake Qehan has experienced severe shrink and environmental depravation over the recent 50 years, and human activities was not the main factors of lake shrunk,but the increasingly warm and dry climate was the principal cause of the reduced lake area and volume. The mean annual temperature increased 2.5℃ and the annual precipitation declined about 36.6 mm during 1955-2010. While the lake volume decreased 66.9% (from 124.1×106m3to 41.1×106m3), by an average reduction rate of 2×106m3/a, the lake area reduced from 105.3 km2in 1958 to 28.1 km2in 2010 by an average reduction rate of 1.8 km2/a. The variation of lake volume was highly negatively correlated to temperature and evaporation, the correlation coefficients were -0.689 and -0.546,respectively. Lake Qehan has two parts, the west one and the east one, there was a significant lake-level decline in west lake by 7.6 m(from 1016.6m to 1009 m a.s.l.), and it has dried up in 2002, and exposed extensive expanses of former lakebed and has created salty surface, which lead to saline dust storms.The ecological environment of the study area was getting much worse then. While under the control of the water gate, there was a relatively slight lake-level fluctuation in the east lake, just about 1m.

Lake Qehan; lake variation; climate change; human activities

*國家“十二五”科技支撐項目(2012BAD16B02)和國家自然科學基金項目(41171002)聯(lián)合資助.2014-02-21收稿；2014-09-11收修改稿. 劉美萍(1988～)，女，博士研究生；E-mail：liump2013@mail.bnu.edu.cn.

**通信作者；E-mail：hasi@ bnu.edu.cn.