察汗淖爾湖泊演化機制研究

摘要：本文的研究對象為察汗淖爾湖泊。基于1990—2019年的Landsat的遙感影像提取察汗淖爾30年的湖泊面積并進行M—K突變檢驗得出突變年份為1998年。選取康保、尚義、張北、化德、商都五個地區的年氣溫與降雨數據；察汗淖爾流域30年的河流徑流量和地下水開采量，對1998年前后分別進行主成分分析。結果表明：（1）30年來，察汗淖爾流域的氣溫持續上升，降雨量總體呈下降趨勢，河流徑流量有所減少，地下水的開采量不斷增加；（2）通過主成分分析，發現在1990到1998年以及1999到2019年，氣溫變化均是影響因素中最重要的變量。

關鍵詞：察汗淖爾；湖泊面積；MK突變檢驗；主成分分析

我國湖泊眾多，類型多種多樣且分布廣泛［1］。全國湖泊面積超過1km2的天然湖泊有2683個，這些湖泊對國家的社會、經濟和自然系統發揮著非常重要的生態服務功能［23］。近年來由于氣候暖干化與人類活動的影響［4］，北方地區，尤其是內蒙古高原湖泊呈不斷萎縮趨勢［5］，誘發一系列生態環境問題［6］，如大量湖泊干涸，荒漠化問題嚴重，沙塵天氣頻發，對北方生態屏障的建設帶來嚴重安全隱患［7］。

而過去對內蒙古高原湖泊的研究主要是分析大時間尺度上湖泊萎縮的成因。但是，湖泊在不同階段萎縮成因具有較大差異性，需分不同階段來進行探究。因此本文基于1990—2019年的Landsat的遙感影像提取察汗淖爾這30年的湖泊面積，通過分段分析，綜合探究察汗淖爾流域湖泊萎縮成因。研究結果可為保護察汗淖爾流域生態環境提供科學依據。

1研究區概況

察汗淖爾湖泊位于河北省張家口市尚義縣大營盤鄉與內蒙古自治區烏蘭察布市商都縣交界處，約2/3的湖體在烏蘭察布市商都縣，1/3在張家口市尚義縣，屬內蒙古高原南緣［8］。察汗淖爾為蒙古語，意為“白色的湖”，是半干旱區典型的內陸湖［910］。察汗淖爾湖泊處于華北地區，擁有豐富的鹽生植物，其覆蓋范圍廣闊，因此，不僅能夠提供豐富的種質資源，還能有效地緩解當地的鹽堿地環境［11］。其流域總面積約6757km2，海拔在1270～1561m之間。由于流域的自然地形較為簡陋，抵御外界的影響較少，所以其生態非常薄弱。

2數據來源

遙感影像數據來源于地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn/），基于LandsatTM/ETM+/OLI遙感影像，提取察汗淖爾1990—2019年共30期的湖泊面積，構建湖泊面積演化序列。氣象數據選取的是康保、尚義、張北、化德、商都五個地區的氣象站點30年間的連續氣象資料，通過ArcGIS軟件的氣象數據插值獲得了察汗淖爾流域30年五個地區的年平均氣溫和年平均降雨量。河流徑流量數據選取的是察汗淖爾水系中的不凍河，位于商都縣境內，通過不凍河監測站獲得30年間的河流徑流量監測數據。地下水開采量是通過向地方政府收集獲取。

3數據分析

3.1湖泊面積變化

從1990—2019年，察汗淖爾的湖泊面積一直處于萎縮狀態，如圖1所示。

3.2氣象數據變化

察汗淖爾流域在全球變暖的趨勢下，整體的氣溫呈微弱的升高趨勢，年平均氣溫為3.56℃，由1990年的3.425℃上升至2019年的3.86℃。

1990—2019年察汗淖爾流域整體年平均降雨量為348.88mm，整體的降雨量變化呈波動下降趨勢，波動程度較大，但是下降趨勢并不明顯，且各地區年平均降雨量也有所差異。其中，康保和商都的年平均降雨量呈微弱的升高趨勢。尚義、張北、化德三個地區的年平均降雨量均處于波動下降趨勢，且波動幅度較大，但整體降雨量下降不明顯。

3.3河流徑流量變化

本文選取察汗淖爾水系中的不凍河觀察察汗淖爾流域河流徑流量的變化，得出1990—2019年察汗淖爾流域河流徑流量變化整體呈現波動下降趨勢。其中1990—1993年下降的最明顯，由0.175億m3下降到0.00752億m3。

3.4地下水開采量變化

1990—2019年察汗淖爾流域地下水開采量為逐步上升趨勢。地下水開采量1990年到2005年變化率基本保持不變，開采量在逐年增加，由0.33106億m3上升至0.976876億m3。在2005年至2010年，地下水開采量驟增，在2010年達到頂峰，年開采量為1.620685億m3。在2010年后開采量下降。

4湖泊萎縮成因分析

4.1M—K突變檢驗

對察汗淖爾1990—2019年湖泊面積進行M—K突變檢驗，如圖2所示。其中1998年為突變年份，說明在1998年時，察汗淖爾流域存在氣候突變，因此分1990—1998年和1999—2019年兩個時間段，對察汗淖爾流域的自然影響因素和人類活動進行研究。

4.2主成分分析

利用SPSS軟件對影響湖泊面積的各因素分1990—1998年和1999—2019年兩個時間段進行分析。

4.2.11990—1998年

通過對各個影響因子的總方差解釋可知，前三個影響因子對湖泊面積的解釋度高達86.293%，因此，我們將這三個因子作為主要的參考。其中，第一個因子的信息量最大，占比為35.383%。

通過將荷載矩陣的方差進行最大化，能更準確地描述它們之間的關系。

由表1可知，第一主成分中各地區氣溫的荷載值均＞0.9，其中商都年平均氣溫荷載值最大，為0.985，所以影響湖泊面積變化的第一主成分為氣；第二主成分中，地下水開采量（工業）的影響最大，荷載值為0.925；第三主成分中，尚義年平均降雨量的荷載值占最大，說明尚義的降雨量變化對湖泊面積有一定的影響。

4.2.21999—2019年

通過對各個影響因子的總方差解釋可知，前四個影響因子對湖泊面積的影響程度高達85.644%，因此，將這四個因子作為主要的參考依據。其中，第一個因子所提供的信息最多，占比為32.719%。

通過將荷載矩陣的方差進行最大化，能更準確地描述它們之間的關系。

由表2可知，第一主成分中各地區氣溫荷載值均＞0.8，其中化德年平均氣溫荷載值最大，為0.974，所以影響湖泊面積變化的第一主成分為氣溫；第二主成分中各地區降雨量都有較大荷載，受商都年平均降雨量的影響最大，荷載值為0.926；第三主成分中，地下水開采量（工業）的荷載值占最大，說明隨著工業的發展，工業用水量的變化會對湖泊面積產生影響；第四主成分中，地下水開采量（農業）的荷載值占最大，說明農業用水對湖泊面積也有一定的影響。

5結論

（1）近30年來，察汗淖爾流域呈現逐漸暖干化趨勢。氣溫在1998年最高，為4.78℃；降雨量在2003年時最高，達到了504.16mm。

（2）1990—2019年湖泊面積最大值出現在1991年，為50.5km2，最小值出現在2006年，僅0.01km2，湖泊的面積在過去幾年中顯著減少，最終幾乎完全枯竭。

（3）通過主成分分析可知，在兩個時間段內，氣溫均為影響湖泊面積變化的主要影響因素，但是在1998年之前，氣溫變化不顯著，降雨量基本穩定，地下水開采單一且開采量不大，這些因素共同導致河流徑流量變化有所起伏。但在1998年后，隨著氣溫的不斷升高，同時降雨量減少，地下水開采量的迅速增加，尤其是農業灌溉用水和工業用水量的增加尤為迅速，使得察汗淖爾的湖泊面積迅速萎縮。總之，氣溫升高是導致察汗淖爾湖泊面積減少的主要原因，而地下水的過量開采也是導致湖泊減少的重要因素。

參考文獻：

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基金項目：中國地質調查局地質調查項目（DD20221773）；中國地質科學院水文地質環境地質所基本科研業務費項目（SK202012）

作者簡介：吳俊（1998—），男，漢族，安徽宣城人，在讀研究生，研究方向：主要從事水文生態地質方面的研究。

*通訊作者：馬榮（1982—），男，漢族，陜西延安人，博士，研究員，研究方向：主要從事生態水文地質方面的研究。