王慧玲，吐爾遜·哈斯木

新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046

0 前言

干旱地區(qū)湖泊的變化反映了流域水量的變化，是全球氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)該地區(qū)水資源影響的綜合表現(xiàn)[1]。內(nèi)陸湖特別是尾閭湖泊，處于相對(duì)獨(dú)立的內(nèi)陸濕度循環(huán)系統(tǒng)中，受氣候變化和人類活動(dòng)的綜合作用[2-3]。內(nèi)陸湖泊是干旱西北地區(qū)氣候和環(huán)境變化的敏感指標(biāo)，其表面和水位的變化客觀地反映了干旱河流流域的水量平衡過程[4]。近幾十年來(lái)，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，內(nèi)陸湖泊產(chǎn)生了一些生態(tài)問題，如湖面積減少，野生動(dòng)物和植物多樣性減少，氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)[5-6]。因此，及時(shí)掌握尾閭湖泊的動(dòng)態(tài)變化以及生態(tài)環(huán)境狀況，對(duì)于尾閭湖泊治理、管理具有重要意義。

依照普氏和彼氏1887年及以后數(shù)年的觀察記述可以得知當(dāng)時(shí)并沒有臺(tái)特瑪湖，因此臺(tái)特瑪湖是 19世紀(jì)末形成的，1962年臺(tái)特瑪湖的面積為 88 km2[7]，1968年后逐漸干涸，1973年全干[8]，直到1999年因車爾臣河洪水漫入，在公路兩側(cè)形成了一定面積的水域。阿布都米吉提[9]等在“近40年臺(tái)特瑪—康拉克湖泊群水域變化遙感監(jiān)測(cè)”中指出自1973—1998年的25年間臺(tái)特瑪湖一直處于干涸狀態(tài)，馬明國(guó)[10]等在“1973—2006年新疆若羌湖泊群遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究”中提到臺(tái)特瑪湖及其相鄰區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，陳亞寧[11]等在“干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生態(tài)安全與生態(tài)需水量研究——兼談塔里木河生態(tài)需水量問題”中指出湖泊生物多樣性喪失和湖泊沿岸地區(qū)沙漠化惡化等問題。塔里木下游日益嚴(yán)重的生態(tài)退化問題引起了中國(guó)政府和社會(huì)各界的關(guān)注。為此，中國(guó)政府已投入 107億元用于塔里木河流域的生態(tài)改造[12-13]，并于2000年5月啟動(dòng)了塔里木河下游生態(tài)輸水工程，隨著生態(tài)輸水的推進(jìn)湖泊面積發(fā)生了很大變化，生態(tài)環(huán)境明顯改善[14-16]。

本文結(jié)合 1998年至今對(duì)研究區(qū)域多次實(shí)地考察經(jīng)驗(yàn)以及前人研究的成果資料，對(duì)生態(tài)輸水前后臺(tái)特瑪湖湖區(qū)水域面積變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行了分析。并為今后塔河流域的管理與治理提供了基礎(chǔ)的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)地理位置

臺(tái)特瑪湖位于巴音郭楞蒙古自治州若羌縣以北約50 km，地處塔里木盆地東南緣，周圍環(huán)繞著沙漠和山脈。其東為庫(kù)魯克沙漠，西為塔克拉瑪干沙漠，南臨阿爾金山。在《新疆圖志》(1911年)中稱臺(tái)特瑪湖為“阿不旦海子”或“黑風(fēng)海子”[17]。從歷史上看，臺(tái)特瑪湖的主要供應(yīng)來(lái)源是塔里木河，車爾臣河以及瓦石峽河、若羌河及米蘭河等阿爾金山諸河水量也匯入其中，湖泊范圍最大時(shí)臺(tái)特瑪湖可循塔里木河古道東入羅布泊[18-19]。

臺(tái)特瑪湖由臺(tái)特瑪湖湖區(qū)、康拉克湖群組成，本文為了更好分析臺(tái)特瑪湖水域變化與塔里木河生態(tài)輸水供給關(guān)系，以及生態(tài)輸水對(duì)臺(tái)特瑪湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境的影響，選擇以塔里木河為來(lái)水源且涵蓋國(guó)道218東西兩側(cè)湖區(qū)為主要研究區(qū)，如圖1所示。

1.2 氣候特征和水文條件

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Study area schematic

臺(tái)特瑪湖地處中緯度西風(fēng)帶，具有典型的暖溫帶大陸極端干旱性氣候的特征，氣候干旱，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照充足。根據(jù)臺(tái)特瑪湖最近的若羌縣氣象臺(tái)2015年資料顯示，該區(qū)最冷的1月，平均氣溫為-6.1℃；最熱的 7 月，平均氣溫為 28.7℃，年較差為 35℃，年平均氣溫 12.2℃；年平均降水量17.4 mm，年蒸發(fā)量高達(dá) 2902.3 mm，平均相對(duì)濕度為 41.1%，屬暖溫帶極干旱區(qū)。受蒙古高壓影響，全年盛行東北風(fēng)，全年風(fēng)速≥17.2 m·s-1日數(shù)為37.1 d。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

根據(jù)研究區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量、湖泊季節(jié)性變化、云干擾以及氣象水文特征等信息，選取覆蓋全區(qū)10月前后的 24期遙感影像作為干旱區(qū)水域及植被信息提取的遙感數(shù)據(jù)源。其中1990—2011年的21期遙感影像為 Landsat的TM/ETM+數(shù)據(jù)；2012年為HJ的 CCD數(shù)據(jù)，2014—2018年為L(zhǎng)andsat8的OLI數(shù)據(jù)，分辨率都為30 M。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)( http:/ /data.cma.cn /)。生態(tài)輸水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于各類參考文獻(xiàn)及塔里木河流域管理局。

2.2 研究方法

研究區(qū)的植被，水域和沙漠占大多數(shù)，其他類型的覆蓋占很小的比例。因此，覆蓋類型分為三類:植被，水，沙漠。用于湖泊監(jiān)測(cè)的遙感方法是將水體與周圍的地物分開并準(zhǔn)確地確定水體面積。

為了快速提取本區(qū)的水域面積，且因受到其他地物影響較小，本文選用自動(dòng)提取方法。該區(qū)域的水域是利用二分法提取的，即決策樹分類法是對(duì)一個(gè)或多個(gè)波段設(shè)置一個(gè)閾值對(duì)水域面積進(jìn)行提取[20-22]。本文參考多數(shù)西北干旱區(qū)湖泊面積提取文獻(xiàn)[23-25]，選擇徐涵秋[26]在對(duì) Mcfeeters 提出的歸一化差值水體指數(shù)(NDWI) 分析的基礎(chǔ)上，提出的改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù) MNDWI，其可以更好的區(qū)分陰影與水體，正值為水體，負(fù)值為非水體。公式如下:

式中，Green 為遙感影像中綠波段 ，MIR為中紅外波段。

3 結(jié)果與討論

3.1 生態(tài)輸水前臺(tái)特瑪湖區(qū)生態(tài)環(huán)境

由文獻(xiàn)可知，在20世紀(jì)60年代之前，塔里木河仍有大量水量匯入臺(tái)特瑪湖，而車爾臣河河每年也有水量流入其中，1962年臺(tái)特瑪湖水面面積為88 km2[5]。1959年由國(guó)家測(cè)繪總局航拍，1962年測(cè)繪的1 ∶ 1 00000地形圖顯示，218國(guó)道穿過湖泊的中心，將其分成由塔里木河供水的東側(cè)湖區(qū)，以及由車爾臣河供水的西側(cè)湖區(qū)，東西兩湖區(qū)水域面積合計(jì)可達(dá) 183 km2，當(dāng)時(shí)的臺(tái)特瑪湖是候鳥從喜馬拉雅山飛往天山的一個(gè)棲息地。春天更是有大批候鳥絡(luò)繹不絕地從飛到臺(tái)特瑪湖，沙塵暴天氣也極少出現(xiàn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，1972年塔里木河大溪海子水庫(kù)建成，由于塔里木河流域水資源的不合理分配，造成其下游河道逐漸斷流(表1)，阿爾金山脈其他河流諸如車爾臣河也因其上游社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量增加，抵達(dá)臺(tái)特瑪湖的水量逐漸減少，最終造成臺(tái)特瑪湖逐漸干涸。自1998年團(tuán)隊(duì)對(duì)該地區(qū)的實(shí)地考察中，發(fā)現(xiàn)干涸的湖泊很快就埋沒在沙漠中，湖心淹沒并形成一片沙海。湖區(qū)濕地上的蘆葦?shù)戎脖蝗諠u枯萎、死亡，臺(tái)特瑪湖周圍只剩下殘存的紅柳、胡楊根系固定的沙包堆，湖面則成了龜裂的鹽殼。在干涸期內(nèi)，東北方的庫(kù)魯克沙漠向西南侵襲，風(fēng)沙堆積使原湖面抬高，變成沙海和鹽殼，新月型沙丘大量發(fā)育，沙丘逐漸侵入湖區(qū)內(nèi)，干涸的湖底為0.5—1.5 m高的低矮沙丘。

表1 20世紀(jì)下半期塔里木河下游河段來(lái)水變化[27]Table1 Changes of inflow into lower reaches of Tarim river in the second half of the 20th century[27]

90年代該地區(qū)年風(fēng)沙災(zāi)害日數(shù) 12.9 d，浮塵日數(shù) 122.4 d，年起沙風(fēng)速 5.0 m·s-1有 1074 次，起沙風(fēng)年總合成風(fēng)速 9.21 m·s-1，從 3 月開始 9 月結(jié)束，地表受到吹蝕長(zhǎng)達(dá) 8個(gè)月，為塔里木盆地沙塵暴次數(shù)最多，時(shí)間最長(zhǎng)的地區(qū)。在20世紀(jì)90年代，沙塵暴天數(shù)為 122.4 d，浮塵年日數(shù)共 122.4 的，每年起沙風(fēng)速≥5.0 m·s-11074次。地表受到風(fēng)沙吹蝕長(zhǎng)達(dá) 8個(gè)月，是塔里木盆地受影響最嚴(yán)重的地區(qū)。因此，臺(tái)特瑪湖被稱作“黑風(fēng)海子”，穿過臺(tái)特瑪湖公路東側(cè)，上風(fēng)向路肩完全被沙埋，形成1—2 m高的沙堆，路面有30—50 cm厚的積沙。1999年，經(jīng)過臺(tái)特瑪湖的 218國(guó)道大橋全部被沙堆掩埋，橋面上積沙厚度1 m多。

3.2 生態(tài)輸水后臺(tái)特瑪湖水體面積的變化及其生態(tài)環(huán)境的影響

3.2.1 生態(tài)輸水后臺(tái)特瑪湖水體面積的變化

塔河流域下游為改善生態(tài)平衡，特別是逆轉(zhuǎn)荒漠化土地，挽救瀕臨滅絕的自然植被，于 2000年 5月開始實(shí)施塔河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程，到2018年10月共向該地區(qū)生態(tài)輸水19次，因塔河下游距離較長(zhǎng)，直到第 3次輸水水流才到達(dá)臺(tái)特瑪湖，使得干涸了32a的臺(tái)特瑪湖重新得到滋潤(rùn)。基于遙感影像提取的過去近30年研究區(qū)的水域面積表示，臺(tái)特瑪湖區(qū)在1990年的水域面積僅為15 km2，2005年湖區(qū)面積增加至 230 km2，2014年湖區(qū)面積急劇縮小至56.8 km2，2018年湖區(qū)是歷年最大面積為271.6 km2。(圖2)

1982—1999年水域面積受天然降水的影響，根據(jù)圖3所示，2000年以前水域面積曲線保持穩(wěn)定，臺(tái)特瑪湖一直處于干涸的狀態(tài)；2000—2005年塔里木河應(yīng)急性生態(tài)輸水后，臺(tái)特瑪湖水域平均面積為128 km2，這一階段主要是借助開都河水量連續(xù)幾年偏豐，博斯騰湖水位持續(xù)上漲的好時(shí)機(jī)，從博斯騰湖通過揚(yáng)水站到孔雀河輸水，再經(jīng)庫(kù)塔干渠向塔里木河下游實(shí)施搶救性生態(tài)輸水。2007—2009年塔里木河阿拉爾徑流量分別減少為 31.5×108m3，28×108m3和13.6×108m3，博斯騰湖水位下降，生態(tài)輸水無(wú)法到達(dá)臺(tái)特瑪湖(表2)，使得臺(tái)特瑪湖又出現(xiàn)連續(xù)3年干涸，在風(fēng)力蝕積作用下，湖底形成 0.3—0.5 m 高的新月形沙丘，達(dá)到輕度荒漠化。

圖2 臺(tái)特瑪湖土地覆蓋空間變化Figure 2 change of land cover space in Tema Lake

2010—2012年后塔里木河上游的3條源流阿克蘇河、葉爾羌河、和田河此時(shí)進(jìn)入了豐水期，加之近年來(lái)塔里木河下游生態(tài)治理工程的開展與深入，下游水量逐年增多，源流輸水代替了博斯騰湖的應(yīng)急性輸水，而后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)化生態(tài)輸水，臺(tái)特瑪湖水域面積逐漸擴(kuò)大。2014年臺(tái)特瑪湖水域面積巨減，這與大西海子水庫(kù)至臺(tái)特瑪湖之間的部分生態(tài)閘口關(guān)閉和從齊文闊爾河向其文闊爾(湖)輸水，導(dǎo)致流入臺(tái)特瑪湖水量減少有關(guān)。塔里木河下段沿大溪海子水庫(kù)分為東西兩段，西支老塔里木河；東支為其文闊爾河，是塔里木河在下游的主要支流。這兩條河大致平行并在阿拉干相匯，其文闊爾河在喀爾達(dá)依斷面附近向東分出一條長(zhǎng) 12 km 的汊流，流向其文闊爾(湖)。自 2017年以來(lái)，新疆維吾爾自治區(qū)已連續(xù)兩年實(shí)施和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、開都—孔雀河及塔河干流的全流域生態(tài)輸水。2018年臺(tái)特瑪湖湖區(qū)水域面積恢復(fù)至271.6 km2，全年水域面積最大時(shí)，可達(dá)500多km2，臺(tái)特瑪湖現(xiàn)已成為南疆第二大湖泊。臺(tái)特瑪湖的生態(tài)恢復(fù)對(duì)增強(qiáng)環(huán)塔克拉瑪干沙漠的‘綠色屏障’意義重大。

圖3 多年臺(tái)特瑪湖水體面積與生態(tài)輸水量變化Figure 3 Changes of water area and ecological water transport in Tema Lake for many years

表2 塔里木河下游歷次生態(tài)輸水統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical tables of ecological water transport in the lower reaches of the Tarim River

3.2.2 臺(tái)特瑪湖水體面積變化對(duì)動(dòng)植物的影響

生態(tài)輸水結(jié)束了下游河道連續(xù)干涸 32a的歷史，水頭15次到達(dá)尾閭臺(tái)特瑪湖，累計(jì)輸水量70×108m3。2017年，隨著塔里木河流域管理局的良好機(jī)制作用與豐水年的相互結(jié)合，大西海子水庫(kù)下泄生態(tài)水10.87×108m3，臺(tái)特瑪湖湖面與濕地總面積達(dá)到511 km2，是 60年代以來(lái)歷史最大值。臺(tái)特瑪湖湖區(qū)水域面積逐漸增大，使周圍地下水得到了有效補(bǔ)給，隨著地下水位的抬升、地下水的水質(zhì)逐漸變好，水環(huán)境得到明顯改善，湖區(qū)周圍大量死亡或?yàn)l臨死亡的植被復(fù)蘇，而植被對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)范圍擴(kuò)展到 1000 m以上[28]。通過遙感影像提取多年植被覆蓋度的結(jié)果顯示(圖2)，隨著塔里木河下游的持續(xù)輸水，臺(tái)特瑪湖區(qū)域植被逐漸恢復(fù)，植被覆蓋區(qū)面積持續(xù)增加，由 2000年的 318 km2增加至 2018年的327 km2。其中，2010年植被覆蓋區(qū)面積達(dá)到了最大值329 km2，2011年以后基本保持穩(wěn)定。特別是高覆蓋度植被區(qū)面積顯著增加，自2000年以來(lái)呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，由 2000年的 1.44 km2增加至 2018年的21.88 km2，增加近 14 倍(圖4)。

湖區(qū)四周植被面積如紅柳、胡楊、蘆葦?shù)炔粩嘣黾?，野生?dòng)物及鳥類:塔里木兔、沙鼠、跳鼠、沙蜥、赤嘴潛鴨、紅嘴鷗、灰鶴、文須雀等近30種，其數(shù)量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)臺(tái)特瑪湖湖區(qū)生態(tài)環(huán)境日益改善，一定程度上遏制了塔克拉瑪干沙漠和庫(kù)魯克塔格沙漠的合攏，有力保障了若羌縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)。

臺(tái)特瑪湖維持一定的水域面積，可以促進(jìn)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，減少野生動(dòng)植物、魚類滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。“新疆大頭魚”過去主要出現(xiàn)于羅布泊和臺(tái)特瑪湖，近年在車爾臣河及離羅布莊不遠(yuǎn)的康納克濕地有發(fā)現(xiàn)[17]，現(xiàn)在臺(tái)特瑪湖已經(jīng)被列為國(guó)家一類保護(hù)動(dòng)物“新疆大頭魚”的生存繁衍基地。臺(tái)特瑪湖若保持常年有水，會(huì)形成育葦基地，蘆葦是良好的造紙?jiān)希瑫r(shí)也是濕地的象征，蘆葦?shù)姆泵L(zhǎng)不僅意味著生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，更為為若羌縣帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.3 臺(tái)特瑪湖水體面積變化對(duì)氣候環(huán)境的影響

若羌縣位于塔里木河下游，曾是風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)之一。臺(tái)特瑪湖干涸之后，這里逐漸演變成了荒漠，一年內(nèi)有 8個(gè)月地表可受到吹蝕，是塔里木盆地沙塵暴次數(shù)最多，時(shí)間最長(zhǎng)的地區(qū)。一旦起大風(fēng)，漫天的風(fēng)沙，能見度極低，這樣的惡劣天氣加上沙漠化土地不斷擴(kuò)張使得臺(tái)特瑪湖湖區(qū)周圍的農(nóng)戶開始搬遷。

在過去的十幾年中，通過實(shí)施塔里木河生態(tài)交通項(xiàng)目，改善了臺(tái)特瑪湖附近地區(qū)的小氣候。隨著若羌縣的沙塵天總數(shù)減少，風(fēng)力強(qiáng)度降低，空氣濕度從 30%顯著上升到約 40%。濕地面積擴(kuò)大，植被覆蓋度增加，兩岸植被逐漸被修復(fù)，部分流動(dòng)沙丘轉(zhuǎn)為半固定沙丘，土壤濕度增加，弱化了風(fēng)蝕沙化，臺(tái)特瑪湖周圍的綠洲已經(jīng)形成，惡劣災(zāi)害性天氣隨著荒漠化土地逆轉(zhuǎn)得到很大程度的改善，臺(tái)特瑪湖地區(qū)的沙塵暴天氣出現(xiàn)頻率降低(圖5)。臺(tái)特瑪湖湖區(qū)由原來(lái)的風(fēng)沙區(qū)變成了風(fēng)景區(qū)，隨著若羌縣的生態(tài)環(huán)境改善，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

臺(tái)特瑪湖作為塔里木河的尾閭，是各種鹽分的富集之地，臺(tái)特瑪湖的鹽堿濃度一旦超過大多數(shù)生命的容忍程度，富集的鹽堿就會(huì)暴露在地表，造成鹽塵暴。因此，臺(tái)特瑪湖湖區(qū)周圍的生態(tài)穩(wěn)定性還有待更多的進(jìn)行研究，使得該地區(qū)能夠持續(xù)穩(wěn)定的恢復(fù)其生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

圖4 臺(tái)特瑪湖區(qū)域植被覆蓋及高植被覆蓋區(qū)面積變化圖[29]Figure 4 Variation map of vegetation cover and area of high vegetation cover in Taitema lake area[29]

(1)通過對(duì)近30年的臺(tái)特瑪湖水域面積變化過程分析可知，由于上游對(duì)塔里木河流域水資源的過度開發(fā)利用，導(dǎo)致河流下游及尾閭湖干涸；2000年開始進(jìn)行生態(tài)輸水，臺(tái)特瑪湖湖區(qū)水域面積逐漸增大，隨著塔里木河下游生態(tài)治理工程的開展與深入，下游水量逐年增多，2017年以來(lái)，連續(xù)兩年的全流域生態(tài)輸水后，臺(tái)特瑪湖現(xiàn)已成為南疆第二大湖泊。

圖5 若羌各時(shí)期沙塵暴變化Figure 5 Sandstorm changes in various periods in Ruoqiang

(2)生態(tài)輸水前臺(tái)特瑪湖曾經(jīng)干涸到只剩一片“鹽殼”，大范圍鹽堿、沙化的土地上，生態(tài)輸水后道路兩旁湖區(qū)周圍大量死亡或?yàn)l臨死亡的植被復(fù)蘇，植被覆蓋度擴(kuò)大以及植物多樣性增加，濕地范圍明顯擴(kuò)大。

(3)當(dāng)時(shí)年沙塵暴日數(shù)、浮塵日數(shù)為塔里木盆地次數(shù)最多、時(shí)間最長(zhǎng)，被稱作“黑風(fēng)海子”的臺(tái)特瑪湖，隨著生態(tài)輸水，水域面積逐漸增大，濕地面積擴(kuò)大，裸露的鹽堿地減少，沙塵暴日數(shù)明顯減少，惡劣的災(zāi)害性氣候過程也得到了明顯的改善，臺(tái)特瑪湖的生態(tài)恢復(fù)增強(qiáng)了環(huán)塔克拉瑪干沙漠的‘綠色屏障’。