艾丁湖水環境生態演變與社會影響分析

周 蕾

(吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司,新疆 吐魯番 838000)

1 艾丁湖生態區概況

艾丁湖是我國著名的內陸咸水湖,位于新疆東部吐魯番盆地的最低點,平均海拔-154m,艾丁湖生態區主要涉及吐魯番市所轄高昌區、鄯善縣和托克遜縣,面積4.56萬km2。艾丁湖主要由鹽湖(主湖區、季節性湖區)、干鹽湖、河口濕地與鹽生草甸四部分區域組成,見圖1。

圖1 艾丁湖區域分布示意圖

生態區自然環境地理條件惡劣,大部分為戈壁荒漠,由于地勢高差變化,形成了顯著的植物自然地理垂直分布。山區巖石大部裸露,植被稀少;山前傾斜平原土質為粗顆粒砂礫石,下滲強烈,低洼處生長零星梭梭、鈴鐺刺、駱駝刺、鹽嵩等灌木或草本植被;平原區以荒漠戈壁為主,植被覆蓋程度較低,潛水埋深較淺處生長有片狀零星分布的紅柳、白刺、駱駝刺等耐旱植物[1]。

1.1 氣象與徑流

艾丁湖生態區為典型干旱荒漠氣候,夏季炎熱,冬季干冷,極端最高、最低氣溫分別為49.6℃、-25.3℃;多年平均各月氣溫年內分配極不均勻,區域降水十分稀少,蒸發十分強烈。多年平均年降水深82.6mm,年際變化較大,最大、最小年降水量相差16倍;平原區水面蒸發能力1800mm,多年年際變化相對穩定,但年內分配極不均勻,多年平均最大、最小月蒸發量相差25倍;區域內降水大部耗于蒸發。區域內多大風,常造成風災,多年年最大風速平均值23.0m/s、多年最大瞬時風速40m/s,風向北西。

艾丁湖生態區有大河沿河、塔爾朗河、煤窯溝河、黑溝河、恰勒坎河、二塘溝河、柯柯亞河、坎兒其河、白楊河、阿拉溝河等10條主要河流,流域總面積5.31萬km2,其中河流產水面積1.38萬km2。

1.2 水文地質

艾丁湖生態區非山區地下水區域按吐魯番北盆地、南盆地劃分。吐魯番北盆地和南盆地四周是以單一結構的潛水含水層為主的礫質平原,含水層巖性以卵礫石、砂礫石為主;南盆地中部是以多層結構的潛水—承壓水(自流)含水層為主的細土平原,含水層巖性以中砂、細砂和粉砂為主。

盆地平原區淺層地下水補給來源主要為河道滲漏,其次為山區河谷潛流的側向流入和大氣降水入滲補給,幾乎沒有山區地下水的側向流入補給。北盆地地下徑流方向為由北至南,以火焰山葡萄溝、勝金溝、吐峪溝、連木沁溝、樹柏溝等的發源處為中心形成匯流區并溢出地表形成泉集河;以鹽山與火焰山間的吐魯番構造缺口為主要匯流通道進入南盆地,并向艾丁湖及周邊地下水淺埋區匯流。盆地平原區淺層地下水排泄以潛水蒸發和人工開采為主,環艾丁湖地區細顆粒地層面積及地下水位埋藏小于5m區域面積較大,潛水蒸發量較大,長期以來形成結晶的芒硝、鹽堿地等;人工開采方式有坎兒井和機電井[2]。

北盆地和南盆地西部戈壁礫質平原區,大厚度潛水含水層最大厚度可達700m以上,深層地下潛水的補給來源是上部淺層潛水的垂向補給。北盆地和南盆地細土平原區分布有深層地下承壓水,由上游深層潛水側向流入補給;深層承壓水向艾丁湖區匯流,在環艾丁湖地下水淺埋區通過越流向淺層含水層排泄,消耗于淺層潛水蒸發。

由小于30m埋深的地下水等值線分布圖得到生態區不同蓋度植被在不同地下水埋深的分布格局(見圖2),可知高、中、低蓋度植被分別占湖濱植被的6.7%、42.8%、50.5%。地下水埋深小于1m植被分布占7.5%;大部分植被分布在地下水埋深1～30m之間,占87%;地下水埋深30～50m有5.5%植被分布[3]。

圖2 艾丁湖生態區地下水埋深與植物響應分布格局示意圖

1.3 生態系統

艾丁湖生態區是較完整的水鹽聚集生態系統,由湖泊、河口濕地、鹽生草甸、入湖河流、人工綠洲、火焰山、戈壁、天山等組成,湖泊由主湖區和副湖區、河口濕地、干鹽灘組成;河口濕地是白楊河口及在主湖區前形成的濕地;鹽生草甸是湖泊水體和人工綠洲間區域,現狀面積160萬畝,生長有以駱駝刺為主的旱生植被;人工綠洲包括農田、防護林、人工草地等,面積約179萬畝,現狀生態良好;農田和山區間為戈壁;山區現狀基本沒有人類活動。艾丁湖生態區近年來開展的生態保護主要是鹽生草甸即駱駝刺種群的保護,在重點地區建設圍欄工程,適當降低載畜量。近年來區域節水力度加大,但從入湖水量來看,各入湖河流中,現狀只有白楊河能夠形成有效徑流補給艾丁湖,總體并沒有明顯的改善。各類生態系統演變總體趨勢為不斷退化[4]。

2 艾丁湖生態區現狀及演變趨勢

2.1 湖面現狀

艾丁湖是典型的干旱區鹽湖,具有一定的季節性特征,從遙感影像與湖底地形看,西側有一相對較深的區域,經常有水,稱主湖區;東側約2/3湖底十分平坦,季節性有水,稱為副湖區。湖面面積受大風影響明顯,在4月大風季節到來時,主湖區湖面急劇減小,副湖區面積急劇增加,大部分湖水從主湖區搬到副湖區,同時強烈的蒸發作用使副湖區水量在年內基本上被蒸發干,因此導致湖面呈現出春季蓄水,主湖區面積逐漸增大,副湖區干枯;夏季大風搬運,主湖區面積逐漸縮小直至干枯,副湖區面積先增大后減小直至干枯,同時濕地及野生草甸面積逐漸增大;秋冬季主湖區緩速蓄水、面積逐漸增大,副湖區維持淺薄湖水或干涸的狀態。2017年遙感影像見圖3。

圖3 艾丁湖遙感影像

2.2 水資源現狀

艾丁湖生態區現狀多年平均地表徑流量為9.27億m3,其中入境水量3.51億m3,本地水量5.76億m3;地下水資源量5.44億m3;重復計算量3.61億m3,全區水資源總量11.10億m3?，F狀年艾丁湖流域人均、畝均水資源量分別為1758.56m3、664.67m3,其中托克遜縣人均、畝均水資源量最為豐富;高昌區和鄯善縣人均、畝均水資源量相差不大,非常緊缺。艾丁湖生態區水資源總量現狀見表1。隨著艾丁湖生態區在河流上修建水庫、產業結構調整和灌溉方式改變,艾丁湖生態區地下水補給量將呈現逐步減少趨勢[5]。

表1 艾丁湖生態區水資源總量現狀

2.3 水環境生態現狀

生態區地表徑流水質根據2010—2015年河流水質評價數據進行評價。吐魯番市參與評價的有12條河流,結果顯示水質類別為Ⅱ～Ⅲ類,河流水質良好,可滿足各類用途的水質要求。地下水水質具有明顯的分帶規律,從山區、山前戈壁礫石帶到盆地中部沖洪積平原,水質由良好逐漸變差。北盆地大部分地區地下水水質較好,南盆地溶解性總固體和硫酸根離子含量較高,主要以艾丁湖為中心分布。鄯善縣地下水水質問題較多,局部已形成高鐵區域。

艾丁湖水化學類型以SO4-Cl-Na型為主,近代湖盆地表由砂黏土和鹽殼組成,含鹽量大于60%,鹽殼1～2m以下為高礦化鹵水層。根據水質評價成果,近年艾丁湖主湖區的水體礦化度最高達到210g/L,多年平均水體礦化度為84.4g/L,湖水化學組成見表2。湖水季節性干涸導致水體礦化度變化劇烈,嚴重影響湖中微生物生存。近年來艾丁湖周邊大片蘆葦、紅柳、鹽節木、黑刺和駱駝刺枯死,土地荒蕪;鹽湖附近蘆葦枯死,植物由蘆葦向鹽節木演變[6]。

表2 艾丁湖湖水化學組成

隨著艾丁湖干涸及周邊生態退化,艾丁湖生態區土地沙化面積增加明顯。草地資源調查資料顯示,艾丁湖周邊駱駝刺生長范圍在20世紀80年代總面積達220萬畝;到2000年不足200萬畝,年均退化1萬畝;到2012年減少至160萬畝,年均退化3.3萬畝,目前僅有近90萬畝,生長狀態不良,植被退化趨勢明顯。

2.4 演變趨勢

艾丁湖是內陸流域尾閭湖泊,入湖水量是鹽湖生態系統的重要組成部分,流域水循環決定著艾丁湖生態區的水環境生態狀況。天然狀況下,流域水資源絕大部分進入尾閭湖泊,上游用水量大幅度增加,入湖水量顯著減少,生態區地下水補給不足,水位下降,導致湖泊各要素發生變化。

按照現有水資源開發利用模式,對艾丁湖生態區地下水進行數值模擬,分析區域生態演變趨勢,地下水水位和流場模擬結果見圖4;地下水降深預測結果見圖5。

圖5 艾丁湖流域平原區地下水降深模擬示意圖

從流場預測結果來看,由于盆地火焰山以南高昌區及鄯善縣地下水開發利用強度過大,未來艾丁湖生態區地下水匯流中心將逐漸向東北方向偏移,地下水匯流格局將會發生顯著變化,直至2050年左右在火焰山以南形成新的地下水匯流中心。因此導致從北盆地向南盆地匯流的地下水不再向艾丁湖匯流,而是匯入火焰山以南被人工開采,根據水勢梯度,艾丁湖周邊地下水位將不斷降低,火焰山南緣將形成大面積的地下水漏斗區,水位小于-200m范圍面積約為600km2[7]。

從地下水降深預測成果來看,北盆地總體處于不超采狀態,地下水埋深下降幅度很小;南盆地托克遜縣一帶存在部分超采;主要超采區分布在南盆地東部高昌區和鄯善縣內,未來該區域地下水埋深到2030年將累計下降40～50m;到2040年將累積下降60～70m;到2050年將累計下降80～100m,地下水超采造成的地下水位下降十分明顯,當前地下水開發利用模式不可持續。以降深超過30m的范圍保守估算,2030年以后,火焰山前現狀地下水埋深10～30m范圍分布的駱駝刺將會嚴重退化,約20萬畝草甸消失[8]。

3 生態環境治理與經濟社會發展關系

3.1 生態環境惡化危害

a.區域水循環失衡。吐魯番盆地內的水循環過程最低點為艾丁湖,湖水位高低和湖面積大小變化直接反映吐魯番盆地的水文豐枯變化和水循環狀況。由于人類活動和水資源開發利用強度不斷增強,進入湖泊的水量逐漸減少,20世紀50年代至21世紀初發生多次干涸。區域生態系統衰退與水循環強度減弱過程相互影響,湖區地貌類型向不利的方向演變,長期干涸,艾丁湖將成為第二個羅布泊,帶來嚴重的不可逆后果[9]。

b.區域氣候調節功能喪失。艾丁湖生態區日照強烈、氣候炎熱、大風盛行,由于艾丁湖湖水比熱較大、蒸發強烈,使得區域內溫度升降趨緩,區域溫度濕度得以調節。如艾丁湖水面進一步萎縮直至消失,地下水位隨之不斷下降、地表植被群落衰退,將形成巨大的干鹽灘,區域溫度陡增陡降,進一步加強區域對流,風災、沙(鹽)塵等災害性天氣發生概率逐漸增大。

c.物種種群群落退化,生物資源損失殆盡。近年來,生態區大片蘆葦、紅柳、鹽節木、黑刺和駱駝刺枯死,土地荒蕪;鹽湖附近蘆葦枯死,生長稀疏鹽節木,植物由蘆葦向鹽節木演替。隨著水域減少和濕地退化,生態區已查明的白鸛、大天鵝、鳶、紅隼等18種野生本土鳥類或候鳥及鵝喉羚等12種獸類目前均已絕跡,生態明顯惡化。艾丁湖作為少有的高礦化度富含硝酸鹽的鹽湖,存在一些特殊的生物分類單元和特有極端耐高溫、低溫、鹽堿微生物,是未來工業、農業、人類健康發展的物種基因庫,因區域生態惡化而導致其消亡的損失將無法估量[10]。

3.2 生態區社會經濟發展歷程

1984年艾丁湖生態區實行第一輪土地承包,耕地面積66.13萬畝;到1998年第二輪土地承包時,增加至67.06萬畝,較第一輪增加0.93萬畝,增長1.4%,增長幅度不大;至2015年初區域耕地面積為96.16萬畝,較1984年增加30.06萬畝,增長45.46%,農灌用水量大幅增加。生態區人口以農村人口為主,2004—2015年人口自然增長率為8‰～18‰,人口增長較為平緩。2015年規劃區域內總人口62.5萬人,其中城鎮人口23.4萬人,占37.4%;農村人口39.1萬人,占62.6%,高昌區占總人口比例最大。

至2015年底,艾丁湖生態區已建成中小型水庫16座,設計總庫容17677.66萬m3,其中高昌區7座、鄯善縣6座、托克遜縣3座;共建成渠首建筑物18座,控制灌溉面積118萬畝,其中高昌區6座46萬畝、鄯善縣3座28萬畝、托克遜縣9座44萬畝;共建成干、支、斗、農四級渠道6174.9km,防滲4970.0km,防滲率80.84%,其中干渠377.9km防滲率95%,支渠587.9km防滲率93.4%,斗渠1631.4km防滲率84.9%,農渠3577.6km防滲率74.8%。生態區供水總量13.56億m3,其中地表水供水量4.70億m3,占總量的34.7%;地下水供水量8.86億m3,占總量的65.3%;地表水供水量中河水供水量3.27億m3,水庫供水量1.43億m3。

隨著人口增長和社會經濟發展,生態區水資源開發利用規模呈持續緩慢上升態勢,變化趨勢與人口、工業產值等增長情況大致相符。區域供水總量由2004年的11.89億m3增加到2015年的13.56億m3,其中地表水供水量由7.30億m3下降到4.70億m3,地下水供水量由4.57億m3增加到8.86億m3。生態區用水總量中農業用水量12.51億m3,占總量的92.3%;工業用水量0.47億m3,占總量的3.5%;生活用水量0.33億m3,占總量的2.4%;生態環境用水0.24億m3,占總量的1.8%?，F狀高昌區用水量最大為4.89億m3,占全區域用水總量的36.1%;鄯善縣4.18億m3,占總量的30.8%;托克遜縣4.14億m3,占總量的33.1%。

3.3 艾丁湖保護與經濟社會發展關系分析

生態保護與經濟發展緊密相連、相互影響。艾丁湖生態區水量產生于山區,消耗于人工綠洲和自然生態系統,是一個包括自然水循環和社會水循環的二元水循環過程。天然情況下,自然水循環只服務于生態功能,人類對水資源的開發利用,產生了社會水循環,自然和社會水循環相互作用,社會水循環通量增加,造成自然水循環的通量減少,生態功能降低,尋找生態保護和社會經濟發展的相對平衡點尤為重要。

特殊地理環境造成相互競爭、矛盾突出。艾丁湖生態區產水面積占總面積的26%,平原區降水量僅為10～25mm/a,蒸發量達1600～1800mm/a,光熱資源非常充足,礦產資料極其豐富,發展農業、工業等社會經濟活動需水增加愿望強烈,同時艾丁湖生態區總水量對地表徑流依賴性極強,生態系統非常脆弱,因此社會經濟用水和生態用水矛盾突出。

經濟結構不合理加劇艾丁湖生態保護難度?，F狀艾丁湖生態區水資源總量11.1億m3,用水量13.56億m3,水資源開發利用率122%,已嚴重超過水資源承載力,生態用水被大量擠占。農業用水占用水總量的92.3%,比例過大,用水結構不合理,用水效率不高,單方水產出低下,新增生活、工業和第三產業用水難以保障,工業化、城市化進程受到威脅。保護艾丁湖生態,一方面需通過退地、大面積使用滴灌等措施減少農業用水量;另一方面要滿足生態水量、不斷增加的生活用水和基本工業用水,保護與治理難度很大。

流域生態系統多樣性導致保護工作更加復雜。艾丁湖生態區由湖泊、河口濕地、鹽生草甸、入湖河流、人工綠洲、戈壁、高山等組成,對山區,由于基本沒有人類活動,是流域的產水區,生態較為脆弱,需加強封育監測;對人工綠洲,需要控制合理規模和用水量;對河口濕地及鹽生草甸,需要維持其基本格局和基本生態功能,保護艾丁湖生態區基本環境;對河流,需要維持一定的入湖流量,補充艾丁湖湖區及相應地下水補給水量;各生態系統共同作用、相互影響,增加了保護工作的復雜性。

經濟社會增長需求具有長期性特點。艾丁湖生態區域礦產資源十分豐富,隨著“疆煤東運”“疆電東送”等國家戰略的實施,經濟社會發展需求急劇增長、潛力很大。根據《吐魯番市“十四五”水資源消耗總量和強度雙控行動方案》,到2025年艾丁湖生態區總人口將達到81.8萬人,其中城鎮人口45.8萬人,城鎮化率60%,生態區GDP將達到821.2億元,是2015年的3.9倍。社會經濟需水與艾丁湖生態需水矛盾將持續突出,人口與經濟社會增長需求使區域生態保護任重道遠。

4 艾丁湖生態環境保護與監測工程措施

主要思路是通過保障艾丁湖基本生態用水,優化艾丁湖“一湖三圈一縱”結構,即艾丁湖湖區(包括湖泊水體及河口濕地),湖濱自然綠洲植被圈、人工綠洲圈和山區水源涵養圈,艾丁湖補給水量的主要來源白楊河,保護艾丁湖上游鹽生草甸、入湖河流河濱區、湖體水生生態系統,維持其生態結構基本穩定,遏制惡化趨勢。

4.1 生態蓄水分析

通過分析2000—2015年艾丁湖的湖泊水面特征,認為2005—2008年湖泊水面特征是能夠維持艾丁湖天然狀況基本特征的年組,該年組下主湖區多年平均水面面積8.37km2,最大水面面積27.7km2,最小水面面積0km2;多年平均干湖月數為3個月,最大干湖月數為5個月,最小干湖月數為2個月。該年組保持每年湖泊不全部干涸,豐水年干湖月數為2個月,枯水年干湖月數為5個月,維持了常年性湖泊的基本水面特征,避免由于長年干涸導致的湖底風化、河口濕地生物多樣性毀滅危險,同時該年組下鹽生草甸面積維持在160萬畝,能夠避免引起大面積風沙。將該年組下艾丁湖湖泊水體、河口濕地、鹽生草甸狀態作為艾丁湖2025年生態保護目標狀態,其相應入湖水量為0.6億m3,河流水庫蒸發水量為0.54億m3,旱生植被需水量為3.37億m3,生態需水量共計4.51億m3,占出山口總徑流量的40.6%。規劃水平年各河流取水口末端斷面下泄水量見表3。

表3 規劃水平年各河流取水口末端斷面下泄水量成果

艾丁湖流域水資源時空分布不均,主要來水集中在6—10月,占水資源總量70%以上,現狀年因缺乏控制性山區水庫,流域水資源調節能力弱,大部分洪水和冬閑水無法有效利用,在寬淺河床、河漫灘、洪泛荒漠的流動過程中無效散失。此外,農田灌溉等活動導致地下水嚴重超采,地下水位持續下降,坎兒井和泉域涌水量大幅衰減甚至枯竭,嚴重影響冬閑水入湖?；谏鲜隹紤],在艾丁湖流域上游河道規劃建設水庫,大致形成1.91億m3總庫容,有效攔蓄并利用大部分中小洪水和冬閑水;同時實施“農業節水”和“退地減水”計劃,逐步合理壓減和科學控制地下水開采,促進坎兒井和火焰山一帶泉域涌水增量復流,增加冬季入湖的生態水量,逐步修復改善區域生態環境。

4.2 生態環境保護工程

a.水源地保護工程。積極開展3個區縣集中式飲用水水源保護區規范化建設,加快隔離防護工程建設;強化集中式飲用水水源保護區監管;關閉取締集中式飲用水水源一、二級保護區內排污口及與供水作業;完善主要水源地水質監測系統,加大水質監測頻率,提高水質監測自動化程度。

b.水資源水生態監測工程。加快地下水環境監測和預警應急系統建設,推進地下水污染防治工作;加大地下水環境自動監測儀器設備投入,配套建設地下水監測信息傳輸平臺,基本實現水質監測自動化、數據傳輸信息化,提升氨氮、COD、總氮、總磷等主要指標地下水環境預警監測能力。

c.防風林建設及沙化土地治理工程。近期規劃實施艾丁湖北部防沙化生態林工程,主要實施營造生態防護林3.7萬畝、沙化土地治理1.5萬畝、道路綠化0.1萬畝,建設造林用防風障170km等;遠期規劃實施艾丁湖沙化土地治理工程,總規模52.7萬畝,其中高昌區17萬畝、托克遜縣35.7萬畝,主要采取封禁保護和防沙治沙人工造林相結合方式,具體措施為草方格沙障等固沙壓沙建設,鐵絲圍欄、瞭望塔、固定界碑、警示牌和碑樁等管護基礎設施建設,選用紅柳、梭梭等抗風沙、耐鹽堿樹種實施防沙治沙造林和配套水利設施工程建設等。

d.駱駝刺草場保護工程。對艾丁湖駱駝刺草場進行全面禁牧,封禁圍欄面積130萬畝,人工飼草料地建設1萬畝,阻止駱駝刺草場沙化進程。

4.3 水資源與生態監測工程

規劃實施艾丁湖水資源與生態監測工程建設,主要包括自然水循環、社會水循環、水環境和水生態等四部分,自然水循環檢測體系包括降水監測站21處、蒸發監測站14處、墑情監測站34處(含試驗站1處、基本站27處、移動站6處)、河道水文站6處、水庫水文站41處、艾丁湖監測站12處(地下水位監測站、湖水位監測站和入湖水量監測站各4處);社會水循環監測體系包括斗、農渠取用水量監測設備328套,工業企業取用水量監測設備188套,排水水量監測設備29套;水環境檢測體系包括地表水水源地水質檢測設備6套、地下水水源地水質檢測設備9套、排水水質監測設備29套、水環境監測中心站1處;水生態檢測體系包括濕地生態系統觀測站10處。

對生態區內已建自動監測站盡量保留其原有通信通道;新建站點采用GPRS和GSM雙通道通信方式,移動信號不能覆蓋地區采用衛星通信。主要借助遙感技術對大面積蒸散發、駱駝刺植被、艾丁湖湖面面積及蓄水量、水庫庫容、水土流失等指標進行大面積動態監測,與地面單點觀測相結合。后續對數據源合理性選取、反演方法研究和地面試驗場觀測等關鍵環節進行研究和對比分析。

5 結 語

艾丁湖生態保護治理規劃實施后,將使艾丁湖基本生態功能得到恢復,鹽生草甸基本格局能夠維持,避免艾丁湖生物多樣性災難和大規模沙、鹽塵暴起源地產生,以艾丁湖生態區為社會經濟基礎的吐魯番地區得到保護,區域重要的絲綢之路和坎兒井歷史文化資源得到保護。艾丁湖生態區水資源得到合理利用,水環境生態得到根本保護,國家“一帶一路”倡議實施重要節點得到保護,可為全生態區自然生態和社會經濟發展提供堅實的水安全保障,為產業合理布局、新項目立項、改善投資環境、工業結構調整和國民經濟跨越式發展提供有效支撐。