A湖泊流域在水資源變化下的流域生態安全分析

張國瑞

（新疆伊犁哈薩克自治州南岸干渠灌區管理處,新疆 伊寧 835000）

0 引言

“水是萬物之源”，是所有生物生存的物質基礎[1]。但隨著溫室效應的加重，干旱地帶越來越容易受到氣候變化的影響，如導致暴雨、干旱及暴雪等惡劣天氣和洪水、泥石流及區域缺水等災害現象。增加了水資源的不確定性[2]。尤其是西北干旱區，氣候變化最為敏感。全球變暖和西北干旱區水資源短缺的情況會逐漸嚴重，將給當地的生態安全造成嚴重的影響，破壞生態環境的平衡。為了解決這一問題，對水資源變化下，新疆A湖泊流域的的生態安全問題進行探討。

1 基本概況

新疆A湖泊流域位于干旱地帶，氣候干燥。從山區到荒漠區，降水、氣溫和蒸發量的增減趨勢各不相同。其中，降水逐級遞減，在103.6 mm～192.0 mm之間；氣溫逐級遞增，在3.98℃～9.00℃之間；蒸發量逐級遞增，在1138.4 mm～4026.4 mm之間。該流域的主要生物有天然植被、野生動物、人工植被和家禽。主要土壤類型為：風沙土、灰漠土、灰棕漠土和灌耕土。結合該流域的氣候條件及地域特征，A湖泊流域的一些地段已出現了沙漠化和鹽漬化現象。

從水資源來看，A湖泊流域有462 條冰川，面積為305.48 km2，總儲水量達到了16.54 km3，但受到溫室效應及人類活動的影響，目前A流域的冰川正在逐漸削減，年均地表水為22.96 億m3。其中，有20 條河流的徑流量大于0.09 億m3。地下水主要由地下徑流、雨滲、河滲以及井泉滲等匯集而成。其中，除了雨天的天然補給外，其余補給均為轉化補給，就轉化補給而言，每年大約能有9.26億m3的水資源匯集成地下水，而天然補給每年大約能有1.88億m3的水資源補充。綜合來看，A湖泊流域的基本狀況良好，但仍存在部分沙漠化和鹽漬化的問題。

2 研究方法

借助土地利用變化幅度公式（1）與土地利用變化動態度公式（2）來逐步挖掘計算A湖流域水資源變化對生態安全造成的影響[8～9]。

式中：Uα和Ub表示不同時間段的土地利用數據；T表示時間。

所有土地類型間的數量通過土地類型轉移矩陣（3）進行描述，并相互轉化：

式中：P表示面積；n表示土地利用的類型數；i,j表示初期研究與末期研究的土地利用類型。

通過歸一化植被指數來獲取農作物的營養情況、生長趨勢、植被覆蓋度等方面的信息，對氮肥的使用量具有良好的指導意義[10]。對應的計算公式：

式中：NIR表示近紅外波段的反射值；R表示紅光波段的反射值。

3 土地利用變化分析

3.1 土地利用數據的分類和解析

以A湖泊流域多年來的歷史數據作為此次使用的遙感數據，但由于這類數據的獲取工具和手段不同，導致數據獲取的時期、分辨率以及來源渠道有所差異，故需要對這類數據和影像進行融合、配準等處理。根據A湖泊流域的實際狀況和各影像特征，分析水域中湖泊、河流以和水庫面積變化的數據。為更加深入了解A湖泊流域荒漠的原因，分別提取了該流域鹽漬化、沙漠化以及裸地的相關數據，得到了具有11種景觀類型的影像，如河流、湖泊、水庫、裸地、鹽澤地、耕地、建設用地等。結果顯示，A湖泊流域1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年這 6 期土地利用數據的Kappa系數超過了0.88，精度在85%以上，同時，還對這6 期遙感影像數據進行了矢量化處理，并進行了相應的解釋。

3.2 土地利用各種情況的比較分析

通過式（1）～式（3），得出A湖泊流域土地利用6 期的幅度、動態度以及轉移矩陣變化情況，見圖1。

圖1 A湖泊流域11種土地利用類型在6期內變化情況

從圖1可以看出，從1990 年～2020 年，沙漠、城市化建筑用地、裸地、鹽堿地以及耕地的面積均存在上漲的趨勢。其中城鄉建筑用地就擴大了110.5 km2，裸地和鹽堿地分別增加了303.65 km2和102.84 km2，耕地和沙漠分別擴大了1658.67 km2和21.64 km2；河流、冰川、湖泊以及草地的面積呈現出下降的趨勢。其中，河流在這6 期內下降了10.87 km2，冰川下降了 9.56km2，湖泊下降了115.69 km2，草地下降了2123.23 km2。每種土地的增加或減少都是相互轉化的過程，即一種類型土地面積的增多，勢必會造成另一種類型土地面積的減少，簡稱土地的相互轉化。例如：通過開墾荒漠草地來增加耕地的面積；通過退耕還林來增加林地的面積；沼澤荒草地轉化成鹽堿地；林地的砍伐導致沙漠化面積的增多等。在該期間內，荒漠河岸、前山地帶、湖盆沼澤這三個區域周邊的天然綠洲不斷退化，人工林草、農田、城市人工綠洲以及鄉村不斷增多，但這些擴張均會受到A湖泊流域特殊的地理環境影響，如鹽漬化、沙漠化以及干旱缺水等。因此，大多數農田綠洲很難維持增長，會被迫出現退耕的退縮現象。加之為了滿足人口的需水量及社會經濟發展的需要，水資源過度開發，進一步加快了A湖泊流域土沙漠化的進程，給生態系統造成不同程度的破壞。

4 生態安全問題

4.1 A湖泊的面積干縮問題

根據當地水文局給出關于A湖泊面積監測得到的歷史資料，及結合相關研究文獻對A湖泊的面積變化進行了統計分析，對2020 年該湖泊面積的走勢進行了預測，結果見圖2。

圖2 A湖泊流域的湖泊面積走勢

從圖2 可以看出，從1940 年～1970 年，A湖泊的面積干縮的幅度較大，雖然在2002 年～2005 年間得到了一定的恢復，湖泊面積進一步增長，但是這種增長趨勢維持的并不久，2005 年過后湖泊面積又開始減少。造成這種干縮現象的因素有兩種：①自然因素，A湖泊坐落于干旱地帶，每個季節的降水、氣溫以及蒸發量等都會存在較大的差異性，水資源也會呈現出不同的分部情況，即使是同一年，不同的月份，該湖泊的面積也會有所不同；②人為因素，高強度的人類活動，如開拓大規模的綠洲、在A湖泊流域上游興建攔河壩以及水庫等，都會抑制水量的流入，成為A湖泊面積干縮的主要原因。

4.2 天然植被退化問題

近年來，由于過度開墾，流域的植被面積極大程度削減，降低了植被的覆蓋程度，導致高大的喬、灌木逐步演化成低矮的灌叢。如蘆葦僅存16%左右，保持較完整的荒漠林僅有4.25×104hm2，其余植被正逐步向沙漠化轉變，轉化速度高達4028 hm2/a。本文通過植被在不同時間段的歸一化植被指數（NDVI）來獲悉植被的變化情況，見表1。

表1 A湖泊流域在不同時間段的NDVI值

從表1 中的NDVI值可以看出，該流域從3 月份NDVI值開始上升，并在7 月份出現最大值，而后逐漸削減，到10月份出現最小值。通過對比2015 年和2016 年3 月～10 月份的NDVI值可以發現，山區和湖泊外圍荒漠區的NDVI值有所降低，農區的NDVI值有所增加，進一步說明了天然植被在人類高強度活動的干擾下逐漸消失的觀點。

4.3 土地荒漠化加劇問題

從土地利用變化分析可知，A湖泊流域鹽漬化和沙漠化程度和面積不斷上升。大水漫灌是該流域農田灌溉的主要方式，加大了地下水與A湖泊中的高鹽度湖水交換頻率，加劇了土地的鹽漬化程度。此外，A湖泊干涸湖底存在大量的松散沉積物，成為了沙塵暴的物質來源，當湖水退縮時，會促進沙塵暴的生成，加大沙塵暴的強度。同時由于社會經濟的發展，人口數量的增加，該流域中上游實施了大規模的水資源開發活動，削弱了下游地表水量，加快了下游地段土地沙漠化進程。

5 對策建議

通過上文的分析，提出以下幾點建議：

（1）流域水資源管理部門應當嚴格遵循水質、水量以及用水效率的相關制度，并加以落實；

（2）制定水權轉移的保障制度或條例，確保水權的良好轉移，完成水資源的再分配與共享；

（3）提高水價，從側面鼓勵居民節約用水，健全水資源相應的收費制度及處罰力度；

（4）對地下水和流域地表水進行集中化管理，構建水資源合理地動態監測系統和預警體系，并堅持對湖泊進行生態注水；

（5）修建山區地下水庫，使A湖泊流域水資源的分配、調蓄以及防洪等能得到有效改善。