博斯騰湖水鹽過程的自然與人為作用

博斯騰湖水鹽過程的自然與人為作用

開都河和孔雀河（以下簡稱“開孔河”）流域位于新疆巴音郭楞自治?。ㄒ韵潞喎Q巴州）管轄范圍內。開都河是焉耆盆地的主要河流和水源,焉耆盆地分盆地綠洲區(qū)和湖泊濕地(或稱“湖區(qū)”)兩大區(qū)域,湖泊濕地又分博斯騰湖和湖濱濕地,習慣上將大湖稱為博斯騰湖,小湖稱為湖濱濕地。故“博斯騰湖·中國最大的內陸淡水湖”(中國大百科全書,中國地理,1993-06)系指面積約1000km2的大湖。焉耆盆地是新疆天山山間盆地,地理位置介于東徑85°45′～87°30′、北緯41°45′～42°30′之間,行政區(qū)域隸屬于巴州的和碩縣、和靜縣、博湖縣、焉耆縣。整個盆地現(xiàn)狀灌溉面積13萬hm2,引水量11.2×108m3/a,人口40.25萬。博斯騰湖與湖濱濕地既是開都河的尾閭,又是孔雀河的源頭。博斯騰湖東西長達55km,南北平均寬20km,平均水深7.38m,2000年遙感解譯湖水位1048.2m時,湖面面積為1245km2,湖容量86×108m3;小湖區(qū)位于大湖區(qū)西南部,總面積350km2,其中水面葦沼318km2。根據(jù)焉耆盆地水系分布與主要控制性水文站位置,劃定盆地的計算分區(qū)如圖1所示。焉耆盆地現(xiàn)有水文站5個,均為國家級水文站,即大山口水文站、焉耆水文站、黃水溝水文站、克爾古提水文站、塔什店水文站;另有國家級水位站位于博斯騰湖入湖大河口(圖1)。除焉耆水文站建于1947年外,其它各站建于1956-1958年之間?，F(xiàn)有水文站可控制進入焉耆盆地、入湖、出盆地(入孔雀河)水量與鹽量的96%。自1960年至今,記錄有盆地綠洲區(qū)灌溉引水量、灌溉面積以及社會經濟發(fā)展狀況等資料。另外,為分析的需要,系統(tǒng)地解譯了1964年CORONA、1972年MMS、1990年TM和2000年的ETM遙感數(shù)據(jù)。比較完備的數(shù)據(jù)奠定了系統(tǒng)分析博斯騰湖與孔雀河水鹽演變的基礎條件。我們以歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)代系統(tǒng)分析手段為基礎,從不同層次分析了盆地、綠洲區(qū)、湖區(qū)、博斯騰湖與湖濱濕地的水鹽平衡與耗水,以正確認識博斯騰湖的咸淡演化過程。20世紀80年代前,有關博斯騰湖的研究幾乎是個空白。1980年后,博斯騰湖的相關研究成果才陸續(xù)出現(xiàn),對其水質及鹽化原因等做了定性研究與分析。1990年后,博斯騰湖的相關研究引起中外學者的極大興趣,其成果層出不窮,對其水環(huán)境的研究由定性逐漸轉向定量。隨著計算技術的發(fā)展,逐漸開始應用數(shù)學模型或數(shù)學方法對其進行模擬研究。綜觀上述研究成果,認為博斯騰湖在20世紀50年代到70年代中期是一個淡水湖,這一論斷幾乎成為定論。在系統(tǒng)地收集分析焉耆盆地近50年的水文、氣象、水土開發(fā)、社會經濟等地面數(shù)據(jù)的基礎上,應用干旱內陸區(qū)水鹽平衡模型從盆地、綠洲區(qū)、湖泊濕地等各層次分析了博斯騰湖的自然與人為作用的水鹽過程。分析表明,至少在20世紀50年代末,博斯騰湖已經成為了一個微咸水湖。1盆地耗水量變化首先從整個盆地對水鹽過程進行分析。根據(jù)盆地各水文站實測資料繪制的焉耆盆地總來水、來鹽與總出水、出鹽過程,如圖2所示。主要分析結果如下。1)焉耆盆地48年(1956-2003)平均總來水量41.5×108m3/a,其中開都河為35.1×108m3/a,占總來水量的85%,Cv值為0.16,Cs/Cv為4。從1956年至2003年大致經歷了豐、枯、微豐、偏枯、豐、枯、豐3個半周期變化,在每個周期中都是枯水段長而豐水段短。鹽隨水來,水量的豐枯確定了來鹽量的大小,多年平均進入盆地鹽量99.9×104t/a,河水礦化度0.24g/L。2)焉耆盆地多年平均輸出水量12.8×108m3/a,輸出鹽量89.1×104t/a。從圖2可知,進入盆地水量變化較大,經巨大的湖區(qū)調節(jié)后,出盆地水量比較平穩(wěn),短期豐水對于盆地出水量無明顯作用,連續(xù)豐水可使盆地出水量顯著增加。3)焉耆盆地多年平均總耗水量28.6×108m3/a,年際變化不大。近50年盆地綠洲區(qū)灌溉面積從4.4×104hm2增加到13×104hm2,引水量也從10.7×108m3/a增加到13.7×108m3/a,毛灌溉定額從25200m3/hm2降低到10500m3/hm2。灌溉面積增加并沒有明顯減少孔雀河水量,總耗水量也無明顯變化。4)焉耆盆地綠洲區(qū)耗水量增加,湖濱濕地耗水量減少。主要變化如下。(1)墾荒初期的沖洪積平原(現(xiàn)在的灌區(qū))地下水埋深從1950年的3～7m上升到目前的1～3m。2003年地下水埋深小于2m的面積占盆地綠洲區(qū)面積的62%,潛水蒸發(fā)量顯著增加,約4.5×108m3/a,占綠洲區(qū)耗水量的32%。(2)灌溉面積的增加致使耗水量加大。(3)湖區(qū)面積與耗水密切相關,在1976-1985年期間,博斯騰湖水位由1047.8m降低到1044.7m,湖水面積由1142km2減少到855km2。通過1972年TM和2000年ETM衛(wèi)星遙感解譯,湖濱濕地面積從500km2減少到350km2,減少了30%。(4)20世紀50年代湖濱濕地的蘆葦年產量(40～50)×104t,90年代減少到(15～20)×104t,耗水量減少直接影響著蘆葦生物量的大幅度減產。湖區(qū)的耗水減少量大致與綠洲區(qū)耗水增加量相當,是盆地總耗水量變化不大的主要原因。5)焉耆盆地多年平均積鹽量10.8×104t/a。1956-1981年盆地年均積鹽量52.3×104t/a,自1982年博斯騰湖西泵站運行以后,盆地整體上從積鹽過渡到脫鹽,年均脫鹽30.6×104t/a。盆地的脫鹽量轉移到孔雀河,從1982年的年均帶入鹽量48.6×104t/a增加到目前的129.6×104t/a,河水平均礦化度也由0.45g/L升至0.89g/L。綜上所述,從宏觀尺度分析,焉耆盆地近50年人類活動使盆地的水量消耗形式發(fā)生了較大變化,即湖泊濕地耗水轉移到綠洲區(qū)耗水,總耗水量無顯著變化;西泵站的投入運行改變了盆地水鹽運移過程,盆地脫鹽量增加。50年前,盆地人類活動較少,以自然水文過程為主,孔雀河為低礦化度的淡水,盆地來鹽量始終大于出鹽量,整個焉耆盆地處于一個積鹽過程。2下分層開發(fā)期1958-1979年焉耆盆地各河流來水量主要經綠洲區(qū)匯入湖區(qū),總入湖水量、鹽量等于盆地綠洲區(qū)排出水量和鹽量。其主要分析結果如下。1)焉耆盆地總來水量始終大于入湖水量(圖3),差值可視為盆地綠洲區(qū)耗水量,多年平均耗水量為14.2×108m3/a。2)焉耆盆地總來鹽量小于總入湖鹽量,多年平均綠洲區(qū)脫鹽量16.0×104t/a。在開發(fā)初期的1956-1965年,灌溉面積較小(平均約5.11×104hm2),毛灌溉定額約22170m3/hm2,大灌大排使灌區(qū)年脫鹽21.1×104t/a。1966-1980年期間,灌溉面積平均約7.27×104hm2,毛灌溉定額仍約19830m3/hm2(圖4)。由于這一時期排水工程建設滯后于灌溉面積的增長速度,潛水蒸發(fā)量增大,排水排鹽量減少,平均年脫鹽4.7×104t/a。自20世紀80年代以來,由于鹽漬化已嚴重制約著盆地綠洲區(qū)農業(yè)發(fā)展,加快了排水系統(tǒng)的建設,致使綠洲區(qū)年脫鹽20.7×104t/a。由此可以得出以下結論:盡管從整個盆地看,焉耆盆地近50年一直處于積鹽過程,但綠洲區(qū)始終處于脫鹽過程。3耗水與地質條件分析湖區(qū)水鹽平衡情況(圖5),主要結果如下。1)入湖水量隨焉耆盆地自然來水量而變化(圖3),但出湖水量經巨大的湖區(qū)調節(jié)后,年際變化不大(圖5)。多年平均入湖水量27.3×108m3/a,出湖水量11.4×108m3/a,湖區(qū)年耗水量15.9×108m3/a。湖區(qū)耗水與湖濱濕地的植被和博斯騰湖面積有著直接關系,它們從1956-1960年的平均20.4×108m3/a降低到1981-1985年的平均10.1×108m3/a,隨著河流豐水,湖區(qū)耗水又增加到90年代的20×108m3/a左右。湖區(qū)耗水主要與盆地來水、綠洲區(qū)灌溉面積增加、湖濱濕地植被面積與質量等關系密切。2)湖區(qū)多年平均積鹽量31.1×104t/a(見圖5)。1956-1980年平均年積鹽量高達68.6×104t/a,自1982年博斯騰湖西泵站運行,湖區(qū)由積鹽變?yōu)槊擕},1986-2003年平均脫鹽14.7×104t/a。尤其是1996年以來的豐水期和特大豐水期,加強了湖區(qū)水循環(huán),年脫鹽量達30.6×104t/a。3)近50年湖區(qū)耗水的減少量轉移到綠洲區(qū)農業(yè)耗水和潛水蒸發(fā)。由于湖泊濕地水面蒸發(fā)、蒸騰、濃縮作用,以及因農田排水(灌區(qū)脫鹽)將綠洲區(qū)土壤的鹽分排入湖區(qū)等,造成多年平均湖區(qū)積鹽15.1×104t/a;1956-1965年平均湖區(qū)積鹽45.9×104t/a;1986-2003年西泵站運行期間,年均湖區(qū)凈脫鹽量33.5×104t/a。由此可見,歷史上湖區(qū)就是一個積鹽過程,西泵站運行后變積鹽為脫鹽。4博斯騰湖消化過程分析博斯騰湖(大湖)和湖濱濕地(小湖)水鹽平衡情況,其主要結果見表1。1)博斯騰湖多年平均入湖水量17.9×108m3/a,其中河水16.3×108m3/a,排水1.6×108m3/a。出流有兩種形式,一種是從寶浪蘇木分水閘東支入湖后,經博斯騰湖局部循環(huán)從西泵站流入孔雀河;另一種是經大河口穿越小湖匯入孔雀河。西泵站建成前,在平水年份,經寶浪蘇木分水閘流入博斯騰湖水量以滿足大湖蒸發(fā)蒸騰為主,如1965-1980年平均入湖水量12.0×108m3/a,而這一時期耗水量9.5×108m3/a。在豐水期,除湖面蒸發(fā)蒸騰外,多余的水量經小湖流入孔雀河,如1956-1960年、1995-2003年的豐水期。入博斯騰湖水量大,經大湖循環(huán)由西泵站處排出水量并不多(占入湖水量的25%),其余部分除大湖消耗外,經小湖注入孔雀河。西泵站建成后,平水期主要出流是通過西泵站,1980-1995年經西泵站輸出水量占入湖水量的42%。2)多年博斯騰湖平均入鹽量82.7×104t/a,占入湖水量91%的入湖河水帶入博斯騰湖56%的鹽量,而9%排水入湖帶入鹽量的44%。出湖鹽也有兩種形式,一種是入湖后經大河口很快流入小湖并匯入孔雀河的淡水;另一種是經博斯騰湖局部循環(huán),從西泵站流入孔雀河的微咸水。在西泵站運行前,孔雀河水礦化度平均0.45g/L,1958年在大湖入河口實測湖水礦化度0.39g/L,這與大山口(0.26g/L)、焉耆站(0.27g/L)河水礦化度遞增規(guī)律相符。這些數(shù)據(jù)都充分表明,在西泵站運行前,小湖是開都河向孔雀河輸水的主要通道,大湖是主要耗水和積鹽區(qū)。若按湖水礦化度大于1g/L劃定咸淡水湖,則博斯騰湖近50年是一個微咸水湖。博斯騰湖曾是一個積鹽過程,經西泵站運行改變了湖區(qū)的水循環(huán)和鹽分積-脫關系。3)2000年衛(wèi)星遙感(TM)資料解釋分析,蘆葦和水生植物分布區(qū)占小湖總面積的91%。經寶浪蘇木分水閘西支輸入小湖的河水多年平均約9.1×108m3/a,農田排水0.32×108m3/a。西泵站建成前,水域是小湖區(qū)的輸水通道,也是向濕地和葦區(qū)供水河道,開都河輸送到孔雀河的大部分水量通過小湖區(qū),出小湖區(qū)水礦化度一般在0.3～0.5g/L。西泵站投入運行后,經小湖區(qū)輸送到孔雀河的水量大幅度減少,大部分水經大湖,由西泵站輸送到孔雀河,大湖水質逐年改善,小湖水質略有惡化,小湖區(qū)水礦化度在0.5～0.8g/L。5博斯騰湖微咸水湖以50年監(jiān)測和不同時期遙感數(shù)據(jù)為基礎,系統(tǒng)地分析了焉耆盆地既往水鹽變化規(guī)律,解釋了干旱區(qū)內陸盆地水-鹽-生態(tài)的自然與人為干擾的演變過程,其主要結論如下。1)雖然近50年盆地的灌溉面積從4.4×104hm2增加到13×104hm2,但是,盆地的總耗水量和孔雀河出流量并無明顯增減。綠洲區(qū)的耗水增加與湖濱濕地的耗水減少基本持平,即湖濱濕地生態(tài)耗水轉移到綠洲區(qū)農業(yè)耗水和潛水蒸發(fā)。2)由于特殊地形和農田排水,盆地綠洲區(qū)始終處于脫鹽狀態(tài)。1982年西泵站運行前,湖區(qū)是一個積鹽過程,焉耆盆地也是一個積鹽過程,鹽分主要聚集于博斯騰湖?？鄢祟惞喔扰潘披}的影響,博斯騰湖仍然是一個積鹽過程,農田排水又加劇了積鹽速度。若按照礦化度小于1g/L定義淡水湖,博斯騰湖20世紀50年代曾經就是一個微咸水湖。1982年西泵站運行后,改變了湖區(qū)水循環(huán),使焉耆盆地和博斯騰湖由積鹽轉變?yōu)槊擕},孔雀河水礦化度增高。3)1982年以前,孔雀河是一個低礦化度的淡水河流,1982年以后,湖區(qū)積鹽量轉移到孔雀河,使河水礦化度從0.45g/L增加到0.89g/L,這是內陸盆地的最大特點。盆地積鹽是不可逆轉的,水循環(huán)驅動鹽分再分布。4)應客觀地評價博斯騰湖西泵站正反兩個方