阿克蘇河流域生態過程對生態輸水的響應研究框架

黃衛東，蔣軍新，劉新華，徐先斌

（1. 塔里木河流域阿克蘇管理局,新疆 阿克蘇 843000；2.華中師范大學城市與環境科學學院,湖北 武漢 430079）

1 前言

水是維系生命活動和延續的重要組分,影響著生態系統的形成和演替,在保障區域生態功能的持續供給方面扮演著重要角色,尤其對于水資源短缺的干旱地區而言,水資源決定著生命的存在與維持。由于干旱區內陸河流域遠離海洋,降水主要發生在山區,直接影響著冰川的發育和河川徑流的形成,上游山區來水流經山前戈壁和綠洲區后注入終端湖,形成上中下游閉合的水循環系統,期間地表水和地下水轉化頻繁并在轉化過程不斷消耗[1]。同時,干旱區水資源調蓄能力極差,季節性缺水時常發生,水資源體量上的不足和時空上資源和需求的不匹配導致我國西北干旱區水資源供需矛盾極為突出[2],有水成綠洲,無水成荒漠,干旱半干旱地區的生態演替都取決于生態水文過程[3]。在全球增暖的大背景下,人口壓力和不合理的水土資源開發活動不斷增加,我國西北干旱半干旱地區的生活、生產嚴重擠占了生態用水,流域內的灌溉農業截留大量的來水,造成流域內天然植被和河流湖泊等天然水系急劇萎縮和退化,生態功能和環境承載力失去自我調節能力并退化成荒漠,西北地區的生態安全受到嚴重威脅,最后人類的生存環境、社會穩定和經濟的可持續發展也將難以維持。

阿克蘇河作為塔里木河水量最大的源流,其綠洲生態系統的發育和進化對塔里木河流域乃至整個新疆的生態環境建設的重要地位是不言而喻的,摸清阿克蘇河流域天然植被的生長和分布情況,掌握流域天然植被和天然湖泊的時空格局變化,對保護和恢復阿克蘇河流域生態環境、保障西北干旱區生態文明建設有著重要的生態意義。對生態退化的區域實施生態輸水工程,保證其一定質量和數量的生態用水能夠最小程度地改善生態環境,是促進西北干旱區生態系統恢復的基本措施和主要手段。生態保護是生態輸水工程的主要目標[4],因此,面向綠色生態的生態輸水能否改善西北干旱區域的生態環境、恢復生態功能,成為了學術界和決策者都密切關注的熱點問題。

阿克蘇地區自2017 年開始向艾西曼湖濕地補水,2019 年開始增設塔里木灌區邊緣胡楊林區域實施生態輸水,輸水后補水區的地下水位有明顯抬升,湖面增加,水質變好,生態環境有明顯的改善[5]。了解天然植被和天然湖泊的恢復程度,根據生態輸水對流域的生態環境影響現狀制定科學合理的調度計劃,成為指導下一步輸水工作的基礎,對阿克蘇地區生態輸水調度的實施安排,乃至整個塔里木河流域水資源統一管理和配置有著重要的現實意義。因此,探討阿克蘇河流域輸水后流域地下水位變動以及自然植被、天然湖泊的響應特征,構建阿克蘇河流域生態輸水調度優化框架,能夠擴大生態輸水效益,以求在理論研究和應用實踐上有所突破。

2 流域生態輸水現狀

新疆維吾爾族自治區于2017 年首次把阿克蘇河納入塔里木河流域胡楊林重點保護區生態補水區,至2020 年累計輸水3.5018 億m3。其中2017 年~2020 年向艾西曼湖區累計輸水2.2285 億m3,2019 年~2020 年向第一師塔里木灌區邊緣胡楊林累計輸水1.2733 億m3。

2.1 生態輸水灌區情況

阿克蘇河流域生態輸水調度實施目前主要通過四條輸水通道,向艾西曼湖濕地、第一師塔里木灌區邊緣胡楊林進行生態輸水。

（1）艾西曼湖

艾西曼湖位于阿克蘇地區阿瓦提縣英艾日克鄉和塔木托格拉克鄉交界處,是阿克蘇河流域最早進行生態輸水的灌區,灌區內主要包括艾西曼湖區和周邊濕地,湖區由薩依力克湖、皇宮湖、月亮湖等八個小湖泊相連而成,是新疆阿克蘇地區最大的淡水湖泊,也是重要的候鳥棲息地之一,是阿克蘇河流域的重要的生態組成部分。自2000 年起,隨著過度的水資源開發利用,艾西曼湖面快速縮減,相連的湖區逐漸演變成獨立的小湖甚至消失。因此,阿克蘇地區自2017 年開始利用主汛期和灌溉間歇期,從阿克蘇河引水至艾西曼湖濕地進行補水。

向艾西曼湖進行生態輸水的輸水通道有三條：一是從西大橋分水樞紐配水經勝利渠、阿音柯干渠到6 號閘、7 號閘向艾西曼湖區的薩依力克湖補水,通過8 號閘向艾西曼湖區的皇宮湖補水；二是通過勝利渠四十八分水閘向艾西曼湖區的一團海子濕地補水；三是從西大橋分水樞紐配水經老大河到第一分水閘經洋瓦力克渠到阿瓦提縣三號閘向艾西曼湖補水。

（2）第一師塔里木灌區

第一師塔里木灌區位于塔里木盆地西北邊緣,西起塔里木攔河閘,東至阿克蘇地區十四團,北接阿克蘇市荒地,南抵塔克拉瑪干沙漠。第一師塔里木灌區包括塔北灌區和塔南灌區,野生胡楊林和人工種植的生態胡楊林主要分布在塔南灌區的塔南二干渠以南沙漠邊緣,據當地統計,該灌區內分布著約50 萬畝的野生胡楊林和7000 畝的“三五九”人工種植生態胡楊林,是阿克蘇河流域生態建設的重要組成部分。由于灌區地處塔克拉瑪干沙漠邊緣,干旱少雨,沙漠化、水土流失嚴重,生態環境脆弱、胡楊林生境受到嚴重威脅,阿克蘇地區自2019 年開始向第一師塔里木灌區胡楊林區進行生態輸水,利用汛期從阿克蘇河引水至灌區內的胡楊林區。

目前向第一師塔里木灌區進行生態輸水的輸水通道分布在塔南灌區,主要依托塔南二干渠生態輸水通道進行輸水,由阿克蘇河從塔里木河攔河閘分水樞紐配水經南干渠,分別從塔南二干渠18.6 km南一支干、32 km南二支干、37 km南三支干、59 km七支干和塔南二干渠43 km五個輸水口向第一師塔里木灌區胡楊林區進行生態輸水。

2.2 生態輸水情況

阿克蘇地區自2017 年起開始實施生態輸水,最早生態輸水區域為阿瓦提縣艾西曼湖濕地,2019 年起增加第一師塔里木灌區胡楊林區進行生態輸水。主要輸水時段為6 月~9 月,視當年阿克蘇河主汛期的時間調整,易于平衡生態用水和農業用水。

各年份的輸水詳情見表1,阿克蘇地區生態輸水總量逐年增加,2017 年~2019 年,每年總的輸水時間為一個月左右,2018 年的輸水時間最長；輸水量在逐年遞增,2017 年向艾西曼湖濕地生態輸水共4160.16 萬m3,2020 年分別向艾西曼湖濕地生態輸水7011.61 萬m3,向第一師塔里木灌區生態輸水6180.46 萬m3；2020 年存在兩個輸水時間段,分別為6 月和8 月,6 月份的輸水時間較短,輸水總量和輸水流量都較小,8 月份為主要輸水時間段,輸水總量和輸水流量都較大。

表1 阿克蘇地區歷年生態輸水詳情 單位：萬m3；萬m3/d

3 生態過程對生態輸水的響應研究框架

為深入探討阿克蘇河流域生態過程對生態輸水的響應關系,基于阿克蘇河流域生態輸水工程的大背景,以GF-1 WFV遙感影像數據為主要數據源,以阿克蘇河流域輸水前后地下水位、植被生長、自然湖泊變化的響應為核心,評價生態輸水對阿克蘇河流域生態環境的影響和效果,探究地下水位、植被生長、自然湖泊對生態輸水的響應過程,基于流域輸水成效和生態恢復的需求,對阿克蘇河生態輸水調度優化方案進行初步探討,力求在生態修復和水資源管理上取得理論研究和實踐應用的突破。研究框架見圖1。

圖1 阿克蘇河流域生態過程對生態輸水的響應研究框架

（1）流域自然植被的時空演變特征

通過高分辨率遙感影像和地表覆被分類方法提取2015年~2020年阿克蘇河流域的自然植被,分析流域自然植被的時間、空間分布差異,動態監測2015年~2020年阿克蘇河流域自然植被的時空轉移特征,以識別流域自然植被重點區域和流域需要實施生態輸水的區域。

（2）流域生態輸水的生態響應規律

通過2015年~2020年地下水位、自然植被和自然湖泊水面在年際變化、季節變化上的動態變化,與流域生態輸水量、輸水時間進行綜合的對比分析,分析總結流域生態要素對生態輸水的響應特征,可為流域生態輸水實踐提供科學性參考。

（3）流域生態輸水調度的優化

生態輸水調度指的是將生態因素考慮到水庫調度和區域水資源配置中,是旨在恢復受損的生態系統,促進生態系統自我修復能力而實施的各項河流、水工程調度措施。結合阿克蘇河流域自然植被空間分布格局、自然湖泊水面變化特征和區域生態環境對生態輸水的響應規律,充分識別流域生態輸水和生態問題,基于流域生態修復目標,從生態需水調度、生態因子調度、水系連通性調度等關鍵角度入手,探討阿克蘇河流域生態輸水的數量、時序、空間分布等,構建阿克蘇河流域生態輸水調度方案的基本框架,以指導流域生態輸水工作的管理與實施。

4 結語

目前對生態輸水工程在西北干旱半干旱地區的生態效應評價和生態響應研究集中在塔里木河下游,針對塔里木河上游區域、受人為影響較大的綠洲流域的研究極少。阿克蘇河流域作為塔里木河主要的源流之一,通過分析阿克蘇河流域自然植被時空分布特征以及地下水變動、自然植被和自然湖泊對生態輸水的響應特征,構建流域生態輸水調度優化框架,能夠為阿克蘇河流域生態發展、塔里木河生態保障建設提供科學合理的參考。