艾丁湖水环境生态演变与社会影响分析

周 蕾

(吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司,新疆 吐鲁番 838000)

1 艾丁湖生态区概况

艾丁湖是我国著名的内陆咸水湖,位于新疆东部吐鲁番盆地的最低点,平均海拔-154m,艾丁湖生态区主要涉及吐鲁番市所辖高昌区、鄯善县和托克逊县,面积4.56万km2。艾丁湖主要由盐湖(主湖区、季节性湖区)、干盐湖、河口湿地与盐生草甸四部分区域组成,见图1。

图1 艾丁湖区域分布示意图

生态区自然环境地理条件恶劣,大部分为戈壁荒漠,由于地势高差变化,形成了显著的植物自然地理垂直分布。山区岩石大部裸露,植被稀少;山前倾斜平原土质为粗颗粒砂砾石,下渗强烈,低洼处生长零星梭梭、铃铛刺、骆驼刺、盐嵩等灌木或草本植被;平原区以荒漠戈壁为主,植被覆盖程度较低,潜水埋深较浅处生长有片状零星分布的红柳、白刺、骆驼刺等耐旱植物[1]。

1.1 气象与径流

艾丁湖生态区为典型干旱荒漠气候,夏季炎热,冬季干冷,极端最高、最低气温分别为49.6℃、-25.3℃;多年平均各月气温年内分配极不均匀,区域降水十分稀少,蒸发十分强烈。多年平均年降水深82.6mm,年际变化较大,最大、最小年降水量相差16倍;平原区水面蒸发能力1800mm,多年年际变化相对稳定,但年内分配极不均匀,多年平均最大、最小月蒸发量相差25倍;区域内降水大部耗于蒸发。区域内多大风,常造成风灾,多年年最大风速平均值23.0m/s、多年最大瞬时风速40m/s,风向北西。

艾丁湖生态区有大河沿河、塔尔朗河、煤窑沟河、黑沟河、恰勒坎河、二塘沟河、柯柯亚河、坎儿其河、白杨河、阿拉沟河等10条主要河流,流域总面积5.31万km2,其中河流产水面积1.38万km2。

1.2 水文地质

艾丁湖生态区非山区地下水区域按吐鲁番北盆地、南盆地划分。吐鲁番北盆地和南盆地四周是以单一结构的潜水含水层为主的砾质平原,含水层岩性以卵砾石、砂砾石为主;南盆地中部是以多层结构的潜水—承压水(自流)含水层为主的细土平原,含水层岩性以中砂、细砂和粉砂为主。

盆地平原区浅层地下水补给来源主要为河道渗漏,其次为山区河谷潜流的侧向流入和大气降水入渗补给,几乎没有山区地下水的侧向流入补给。北盆地地下径流方向为由北至南,以火焰山葡萄沟、胜金沟、吐峪沟、连木沁沟、树柏沟等的发源处为中心形成汇流区并溢出地表形成泉集河;以盐山与火焰山间的吐鲁番构造缺口为主要汇流通道进入南盆地,并向艾丁湖及周边地下水浅埋区汇流。盆地平原区浅层地下水排泄以潜水蒸发和人工开采为主,环艾丁湖地区细颗粒地层面积及地下水位埋藏小于5m区域面积较大,潜水蒸发量较大,长期以来形成结晶的芒硝、盐碱地等;人工开采方式有坎儿井和机电井[2]。

北盆地和南盆地西部戈壁砾质平原区,大厚度潜水含水层最大厚度可达700m以上,深层地下潜水的补给来源是上部浅层潜水的垂向补给。北盆地和南盆地细土平原区分布有深层地下承压水,由上游深层潜水侧向流入补给;深层承压水向艾丁湖区汇流,在环艾丁湖地下水浅埋区通过越流向浅层含水层排泄,消耗于浅层潜水蒸发。

由小于30m埋深的地下水等值线分布图得到生态区不同盖度植被在不同地下水埋深的分布格局(见图2),可知高、中、低盖度植被分别占湖滨植被的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之间,占87%;地下水埋深30～50m有5.5%植被分布[3]。

图2 艾丁湖生态区地下水埋深与植物响应分布格局示意图

1.3 生态系统

艾丁湖生态区是较完整的水盐聚集生态系统,由湖泊、河口湿地、盐生草甸、入湖河流、人工绿洲、火焰山、戈壁、天山等组成,湖泊由主湖区和副湖区、河口湿地、干盐滩组成;河口湿地是白杨河口及在主湖区前形成的湿地;盐生草甸是湖泊水体和人工绿洲间区域,现状面积160万亩,生长有以骆驼刺为主的旱生植被;人工绿洲包括农田、防护林、人工草地等,面积约179万亩,现状生态良好;农田和山区间为戈壁;山区现状基本没有人类活动。艾丁湖生态区近年来开展的生态保护主要是盐生草甸即骆驼刺种群的保护,在重点地区建设围栏工程,适当降低载畜量。近年来区域节水力度加大,但从入湖水量来看,各入湖河流中,现状只有白杨河能够形成有效径流补给艾丁湖,总体并没有明显的改善。各类生态系统演变总体趋势为不断退化[4]。

2 艾丁湖生态区现状及演变趋势

2.1 湖面现状

艾丁湖是典型的干旱区盐湖,具有一定的季节性特征,从遥感影像与湖底地形看,西侧有一相对较深的区域,经常有水,称主湖区;东侧约2/3湖底十分平坦,季节性有水,称为副湖区。湖面面积受大风影响明显,在4月大风季节到来时,主湖区湖面急剧减小,副湖区面积急剧增加,大部分湖水从主湖区搬到副湖区,同时强烈的蒸发作用使副湖区水量在年内基本上被蒸发干,因此导致湖面呈现出春季蓄水,主湖区面积逐渐增大,副湖区干枯;夏季大风搬运,主湖区面积逐渐缩小直至干枯,副湖区面积先增大后减小直至干枯,同时湿地及野生草甸面积逐渐增大;秋冬季主湖区缓速蓄水、面积逐渐增大,副湖区维持浅薄湖水或干涸的状态。2017年遥感影像见图3。

图3 艾丁湖遥感影像

2.2 水资源现状

艾丁湖生态区现状多年平均地表径流量为9.27亿m3,其中入境水量3.51亿m3,本地水量5.76亿m3;地下水资源量5.44亿m3;重复计算量3.61亿m3,全区水资源总量11.10亿m3。现状年艾丁湖流域人均、亩均水资源量分别为1758.56m3、664.67m3,其中托克逊县人均、亩均水资源量最为丰富;高昌区和鄯善县人均、亩均水资源量相差不大,非常紧缺。艾丁湖生态区水资源总量现状见表1。随着艾丁湖生态区在河流上修建水库、产业结构调整和灌溉方式改变,艾丁湖生态区地下水补给量将呈现逐步减少趋势[5]。

表1 艾丁湖生态区水资源总量现状

2.3 水环境生态现状

生态区地表径流水质根据2010—2015年河流水质评价数据进行评价。吐鲁番市参与评价的有12条河流,结果显示水质类别为Ⅱ～Ⅲ类,河流水质良好,可满足各类用途的水质要求。地下水水质具有明显的分带规律,从山区、山前戈壁砾石带到盆地中部冲洪积平原,水质由良好逐渐变差。北盆地大部分地区地下水水质较好,南盆地溶解性总固体和硫酸根离子含量较高,主要以艾丁湖为中心分布。鄯善县地下水水质问题较多,局部已形成高铁区域。

艾丁湖水化学类型以SO4-Cl-Na型为主,近代湖盆地表由砂黏土和盐壳组成,含盐量大于60%,盐壳1～2m以下为高矿化卤水层。根据水质评价成果,近年艾丁湖主湖区的水体矿化度最高达到210g/L,多年平均水体矿化度为84.4g/L,湖水化学组成见表2。湖水季节性干涸导致水体矿化度变化剧烈,严重影响湖中微生物生存。近年来艾丁湖周边大片芦苇、红柳、盐节木、黑刺和骆驼刺枯死,土地荒芜;盐湖附近芦苇枯死,植物由芦苇向盐节木演变[6]。

表2 艾丁湖湖水化学组成

随着艾丁湖干涸及周边生态退化,艾丁湖生态区土地沙化面积增加明显。草地资源调查资料显示,艾丁湖周边骆驼刺生长范围在20世纪80年代总面积达220万亩;到2000年不足200万亩,年均退化1万亩;到2012年减少至160万亩,年均退化3.3万亩,目前仅有近90万亩,生长状态不良,植被退化趋势明显。

2.4 演变趋势

艾丁湖是内陆流域尾闾湖泊,入湖水量是盐湖生态系统的重要组成部分,流域水循环决定着艾丁湖生态区的水环境生态状况。天然状况下,流域水资源绝大部分进入尾闾湖泊,上游用水量大幅度增加,入湖水量显著减少,生态区地下水补给不足,水位下降,导致湖泊各要素发生变化。

按照现有水资源开发利用模式,对艾丁湖生态区地下水进行数值模拟,分析区域生态演变趋势,地下水水位和流场模拟结果见图4;地下水降深预测结果见图5。

图5 艾丁湖流域平原区地下水降深模拟示意图

从流场预测结果来看,由于盆地火焰山以南高昌区及鄯善县地下水开发利用强度过大,未来艾丁湖生态区地下水汇流中心将逐渐向东北方向偏移,地下水汇流格局将会发生显著变化,直至2050年左右在火焰山以南形成新的地下水汇流中心。因此导致从北盆地向南盆地汇流的地下水不再向艾丁湖汇流,而是汇入火焰山以南被人工开采,根据水势梯度,艾丁湖周边地下水位将不断降低,火焰山南缘将形成大面积的地下水漏斗区,水位小于-200m范围面积约为600km2[7]。

从地下水降深预测成果来看,北盆地总体处于不超采状态,地下水埋深下降幅度很小;南盆地托克逊县一带存在部分超采;主要超采区分布在南盆地东部高昌区和鄯善县内,未来该区域地下水埋深到2030年将累计下降40～50m;到2040年将累积下降60～70m;到2050年将累计下降80～100m,地下水超采造成的地下水位下降十分明显,当前地下水开发利用模式不可持续。以降深超过30m的范围保守估算,2030年以后,火焰山前现状地下水埋深10～30m范围分布的骆驼刺将会严重退化,约20万亩草甸消失[8]。

3 生态环境治理与经济社会发展关系

3.1 生态环境恶化危害

a.区域水循环失衡。吐鲁番盆地内的水循环过程最低点为艾丁湖,湖水位高低和湖面积大小变化直接反映吐鲁番盆地的水文丰枯变化和水循环状况。由于人类活动和水资源开发利用强度不断增强,进入湖泊的水量逐渐减少,20世纪50年代至21世纪初发生多次干涸。区域生态系统衰退与水循环强度减弱过程相互影响,湖区地貌类型向不利的方向演变,长期干涸,艾丁湖将成为第二个罗布泊,带来严重的不可逆后果[9]。

b.区域气候调节功能丧失。艾丁湖生态区日照强烈、气候炎热、大风盛行,由于艾丁湖湖水比热较大、蒸发强烈,使得区域内温度升降趋缓,区域温度湿度得以调节。如艾丁湖水面进一步萎缩直至消失,地下水位随之不断下降、地表植被群落衰退,将形成巨大的干盐滩,区域温度陡增陡降,进一步加强区域对流,风灾、沙(盐)尘等灾害性天气发生概率逐渐增大。

c.物种种群群落退化,生物资源损失殆尽。近年来,生态区大片芦苇、红柳、盐节木、黑刺和骆驼刺枯死,土地荒芜;盐湖附近芦苇枯死,生长稀疏盐节木,植物由芦苇向盐节木演替。随着水域减少和湿地退化,生态区已查明的白鹳、大天鹅、鸢、红隼等18种野生本土鸟类或候鸟及鹅喉羚等12种兽类目前均已绝迹,生态明显恶化。艾丁湖作为少有的高矿化度富含硝酸盐的盐湖,存在一些特殊的生物分类单元和特有极端耐高温、低温、盐碱微生物,是未来工业、农业、人类健康发展的物种基因库,因区域生态恶化而导致其消亡的损失将无法估量[10]。

3.2 生态区社会经济发展历程

1984年艾丁湖生态区实行第一轮土地承包,耕地面积66.13万亩;到1998年第二轮土地承包时,增加至67.06万亩,较第一轮增加0.93万亩,增长1.4%,增长幅度不大;至2015年初区域耕地面积为96.16万亩,较1984年增加30.06万亩,增长45.46%,农灌用水量大幅增加。生态区人口以农村人口为主,2004—2015年人口自然增长率为8‰～18‰,人口增长较为平缓。2015年规划区域内总人口62.5万人,其中城镇人口23.4万人,占37.4%;农村人口39.1万人,占62.6%,高昌区占总人口比例最大。

至2015年底,艾丁湖生态区已建成中小型水库16座,设计总库容17677.66万m3,其中高昌区7座、鄯善县6座、托克逊县3座;共建成渠首建筑物18座,控制灌溉面积118万亩,其中高昌区6座46万亩、鄯善县3座28万亩、托克逊县9座44万亩;共建成干、支、斗、农四级渠道6174.9km,防渗4970.0km,防渗率80.84%,其中干渠377.9km防渗率95%,支渠587.9km防渗率93.4%,斗渠1631.4km防渗率84.9%,农渠3577.6km防渗率74.8%。生态区供水总量13.56亿m3,其中地表水供水量4.70亿m3,占总量的34.7%;地下水供水量8.86亿m3,占总量的65.3%;地表水供水量中河水供水量3.27亿m3,水库供水量1.43亿m3。

随着人口增长和社会经济发展,生态区水资源开发利用规模呈持续缓慢上升态势,变化趋势与人口、工业产值等增长情况大致相符。区域供水总量由2004年的11.89亿m3增加到2015年的13.56亿m3,其中地表水供水量由7.30亿m3下降到4.70亿m3,地下水供水量由4.57亿m3增加到8.86亿m3。生态区用水总量中农业用水量12.51亿m3,占总量的92.3%;工业用水量0.47亿m3,占总量的3.5%;生活用水量0.33亿m3,占总量的2.4%;生态环境用水0.24亿m3,占总量的1.8%。现状高昌区用水量最大为4.89亿m3,占全区域用水总量的36.1%;鄯善县4.18亿m3,占总量的30.8%;托克逊县4.14亿m3,占总量的33.1%。

3.3 艾丁湖保护与经济社会发展关系分析

生态保护与经济发展紧密相连、相互影响。艾丁湖生态区水量产生于山区,消耗于人工绿洲和自然生态系统,是一个包括自然水循环和社会水循环的二元水循环过程。天然情况下,自然水循环只服务于生态功能,人类对水资源的开发利用,产生了社会水循环,自然和社会水循环相互作用,社会水循环通量增加,造成自然水循环的通量减少,生态功能降低,寻找生态保护和社会经济发展的相对平衡点尤为重要。

特殊地理环境造成相互竞争、矛盾突出。艾丁湖生态区产水面积占总面积的26%,平原区降水量仅为10～25mm/a,蒸发量达1600～1800mm/a,光热资源非常充足,矿产资料极其丰富,发展农业、工业等社会经济活动需水增加愿望强烈,同时艾丁湖生态区总水量对地表径流依赖性极强,生态系统非常脆弱,因此社会经济用水和生态用水矛盾突出。

经济结构不合理加剧艾丁湖生态保护难度。现状艾丁湖生态区水资源总量11.1亿m3,用水量13.56亿m3,水资源开发利用率122%,已严重超过水资源承载力,生态用水被大量挤占。农业用水占用水总量的92.3%,比例过大,用水结构不合理,用水效率不高,单方水产出低下,新增生活、工业和第三产业用水难以保障,工业化、城市化进程受到威胁。保护艾丁湖生态,一方面需通过退地、大面积使用滴灌等措施减少农业用水量;另一方面要满足生态水量、不断增加的生活用水和基本工业用水,保护与治理难度很大。

流域生态系统多样性导致保护工作更加复杂。艾丁湖生态区由湖泊、河口湿地、盐生草甸、入湖河流、人工绿洲、戈壁、高山等组成,对山区,由于基本没有人类活动,是流域的产水区,生态较为脆弱,需加强封育监测;对人工绿洲,需要控制合理规模和用水量;对河口湿地及盐生草甸,需要维持其基本格局和基本生态功能,保护艾丁湖生态区基本环境;对河流,需要维持一定的入湖流量,补充艾丁湖湖区及相应地下水补给水量;各生态系统共同作用、相互影响,增加了保护工作的复杂性。

经济社会增长需求具有长期性特点。艾丁湖生态区域矿产资源十分丰富,随着“疆煤东运”“疆电东送”等国家战略的实施,经济社会发展需求急剧增长、潜力很大。根据《吐鲁番市“十四五”水资源消耗总量和强度双控行动方案》,到2025年艾丁湖生态区总人口将达到81.8万人,其中城镇人口45.8万人,城镇化率60%,生态区GDP将达到821.2亿元,是2015年的3.9倍。社会经济需水与艾丁湖生态需水矛盾将持续突出,人口与经济社会增长需求使区域生态保护任重道远。

4 艾丁湖生态环境保护与监测工程措施

主要思路是通过保障艾丁湖基本生态用水,优化艾丁湖“一湖三圈一纵”结构,即艾丁湖湖区(包括湖泊水体及河口湿地),湖滨自然绿洲植被圈、人工绿洲圈和山区水源涵养圈,艾丁湖补给水量的主要来源白杨河,保护艾丁湖上游盐生草甸、入湖河流河滨区、湖体水生生态系统,维持其生态结构基本稳定,遏制恶化趋势。

4.1 生态蓄水分析

通过分析2000—2015年艾丁湖的湖泊水面特征,认为2005—2008年湖泊水面特征是能够维持艾丁湖天然状况基本特征的年组,该年组下主湖区多年平均水面面积8.37km2,最大水面面积27.7km2,最小水面面积0km2;多年平均干湖月数为3个月,最大干湖月数为5个月,最小干湖月数为2个月。该年组保持每年湖泊不全部干涸,丰水年干湖月数为2个月,枯水年干湖月数为5个月,维持了常年性湖泊的基本水面特征,避免由于长年干涸导致的湖底风化、河口湿地生物多样性毁灭危险,同时该年组下盐生草甸面积维持在160万亩,能够避免引起大面积风沙。将该年组下艾丁湖湖泊水体、河口湿地、盐生草甸状态作为艾丁湖2025年生态保护目标状态,其相应入湖水量为0.6亿m3,河流水库蒸发水量为0.54亿m3,旱生植被需水量为3.37亿m3,生态需水量共计4.51亿m3,占出山口总径流量的40.6%。规划水平年各河流取水口末端断面下泄水量见表3。

表3 规划水平年各河流取水口末端断面下泄水量成果

艾丁湖流域水资源时空分布不均,主要来水集中在6—10月,占水资源总量70%以上,现状年因缺乏控制性山区水库,流域水资源调节能力弱,大部分洪水和冬闲水无法有效利用,在宽浅河床、河漫滩、洪泛荒漠的流动过程中无效散失。此外,农田灌溉等活动导致地下水严重超采,地下水位持续下降,坎儿井和泉域涌水量大幅衰减甚至枯竭,严重影响冬闲水入湖。基于上述考虑,在艾丁湖流域上游河道规划建设水库,大致形成1.91亿m3总库容,有效拦蓄并利用大部分中小洪水和冬闲水;同时实施“农业节水”和“退地减水”计划,逐步合理压减和科学控制地下水开采,促进坎儿井和火焰山一带泉域涌水增量复流,增加冬季入湖的生态水量,逐步修复改善区域生态环境。

4.2 生态环境保护工程

a.水源地保护工程。积极开展3个区县集中式饮用水水源保护区规范化建设,加快隔离防护工程建设;强化集中式饮用水水源保护区监管;关闭取缔集中式饮用水水源一、二级保护区内排污口及与供水作业;完善主要水源地水质监测系统,加大水质监测频率,提高水质监测自动化程度。

b.水资源水生态监测工程。加快地下水环境监测和预警应急系统建设,推进地下水污染防治工作;加大地下水环境自动监测仪器设备投入,配套建设地下水监测信息传输平台,基本实现水质监测自动化、数据传输信息化,提升氨氮、COD、总氮、总磷等主要指标地下水环境预警监测能力。

c.防风林建设及沙化土地治理工程。近期规划实施艾丁湖北部防沙化生态林工程,主要实施营造生态防护林3.7万亩、沙化土地治理1.5万亩、道路绿化0.1万亩,建设造林用防风障170km等;远期规划实施艾丁湖沙化土地治理工程,总规模52.7万亩,其中高昌区17万亩、托克逊县35.7万亩,主要采取封禁保护和防沙治沙人工造林相结合方式,具体措施为草方格沙障等固沙压沙建设,铁丝围栏、瞭望塔、固定界碑、警示牌和碑桩等管护基础设施建设,选用红柳、梭梭等抗风沙、耐盐碱树种实施防沙治沙造林和配套水利设施工程建设等。

d.骆驼刺草场保护工程。对艾丁湖骆驼刺草场进行全面禁牧,封禁围栏面积130万亩,人工饲草料地建设1万亩,阻止骆驼刺草场沙化进程。

4.3 水资源与生态监测工程

规划实施艾丁湖水资源与生态监测工程建设,主要包括自然水循环、社会水循环、水环境和水生态等四部分,自然水循环检测体系包括降水监测站21处、蒸发监测站14处、墒情监测站34处(含试验站1处、基本站27处、移动站6处)、河道水文站6处、水库水文站41处、艾丁湖监测站12处(地下水位监测站、湖水位监测站和入湖水量监测站各4处);社会水循环监测体系包括斗、农渠取用水量监测设备328套,工业企业取用水量监测设备188套,排水水量监测设备29套;水环境检测体系包括地表水水源地水质检测设备6套、地下水水源地水质检测设备9套、排水水质监测设备29套、水环境监测中心站1处;水生态检测体系包括湿地生态系统观测站10处。

对生态区内已建自动监测站尽量保留其原有通信通道;新建站点采用GPRS和GSM双通道通信方式,移动信号不能覆盖地区采用卫星通信。主要借助遥感技术对大面积蒸散发、骆驼刺植被、艾丁湖湖面面积及蓄水量、水库库容、水土流失等指标进行大面积动态监测,与地面单点观测相结合。后续对数据源合理性选取、反演方法研究和地面试验场观测等关键环节进行研究和对比分析。

5 结 语

艾丁湖生态保护治理规划实施后,将使艾丁湖基本生态功能得到恢复,盐生草甸基本格局能够维持,避免艾丁湖生物多样性灾难和大规模沙、盐尘暴起源地产生,以艾丁湖生态区为社会经济基础的吐鲁番地区得到保护,区域重要的丝绸之路和坎儿井历史文化资源得到保护。艾丁湖生态区水资源得到合理利用,水环境生态得到根本保护,国家“一带一路”倡议实施重要节点得到保护,可为全生态区自然生态和社会经济发展提供坚实的水安全保障,为产业合理布局、新项目立项、改善投资环境、工业结构调整和国民经济跨越式发展提供有效支撑。