周洪華，李衛(wèi)紅，陳亞寧，付愛(ài)紅

(中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011)

博斯騰湖(41°44' ～42°14'N，86°19' ～87°28'E;以下簡(jiǎn)稱(chēng)博湖)位于新疆天山山脈中段南麓的一個(gè)半封閉山間盆地——焉耆盆地的最低凹處，曾是我國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖泊，也是我國(guó)干旱區(qū)最具代表性的湖泊之一.博湖既是開(kāi)都河的尾閭，又是孔雀河的發(fā)源地，是新疆巴音郭勒蒙古自治州各族人民生活、生產(chǎn)的主要水源，同時(shí)也對(duì)該區(qū)抗旱、防洪有著重要的調(diào)節(jié)作用.博湖作為中國(guó)“塔里木河流域綜合治理”項(xiàng)目最重要的水源地，已納入21 世紀(jì)“湖泊治理規(guī)劃議程”和新疆“1311”環(huán)保行動(dòng)計(jì)劃[1]，2012年被列入國(guó)家首批“生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點(diǎn)湖泊”.

在過(guò)去幾十年的大規(guī)模開(kāi)發(fā)過(guò)程中，博湖發(fā)揮著巨大的生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.然而，在開(kāi)發(fā)的同時(shí)也導(dǎo)致了一系列的環(huán)境問(wèn)題，如湖水水位波動(dòng)劇烈[2-3]、富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇、礦化度增加[4]、生物多樣性減少[5]，逐漸咸化的湖水嚴(yán)重影響著該區(qū)人民生活用水和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展.盡管不少學(xué)者就博湖生態(tài)環(huán)境開(kāi)展了一系列研究，如博湖水量和水質(zhì)變化趨勢(shì)[6-14]、生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)[15]、湖水面積動(dòng)態(tài)變化[16-17]、濕地演變[18-20]等，也有學(xué)者通過(guò)對(duì)湖相沉積物的研究，反演了博湖水環(huán)境和氣象的變化歷史[21-23].但這些研究多基于湖水現(xiàn)狀或歷史時(shí)間序列的描述性分析，對(duì)博湖水量與水質(zhì)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和變化趨勢(shì)涉及較少，這將不利于博湖未來(lái)水資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)與管理.因此，本文分析了近60年(1951-2011年)博湖水位和湖水礦化度的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及影響因素，探討了氣候變化對(duì)博湖水量與水質(zhì)的驅(qū)動(dòng)作用，并提出了在未來(lái)氣候變化趨勢(shì)下的博湖水資源管理建議，以期為綜合治理博湖流域生態(tài)環(huán)境及實(shí)現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)和管理提供科學(xué)決策依據(jù).

1 研究區(qū)概況

博湖地處歐亞大陸中心，以博湖為水源中心的博斯騰湖流域橫跨北四縣，包括博湖縣、和靜縣、和碩縣和焉耆縣，轄區(qū)為內(nèi)陸荒漠氣候，熱量豐沛，空氣干燥，雨量稀少.湖區(qū)多年平均氣溫達(dá)8.4℃，多年平均降水量為94.7 mm，年均潛在蒸散發(fā)量為1800 mm(以靠近博湖最近的博湖縣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)).博湖呈深碟狀，水域遼闊，東西長(zhǎng)達(dá)55 km，南北平均寬20 km，博湖水位在海拔1048.75 m 時(shí)，水域面積為1002.4 km2，容積為88×108m3，平均水深為8.8 m，最深為17 m.博湖入湖河流有開(kāi)都河、黃水溝、清水河等，常年性入湖河流只有開(kāi)都河，孔雀河是博湖的唯一出湖口.隨著焉耆盆地人類(lèi)活動(dòng)的大規(guī)模開(kāi)展和全球氣候變化的作用，湖泊濕地退化、湖水礦化度升高、富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)加劇，生態(tài)環(huán)境急劇惡化，嚴(yán)重影響了流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生態(tài)服務(wù)功能.

2 數(shù)據(jù)收集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

博湖流域(本文指和碩、和靜、焉耆和博湖北四縣所轄區(qū)域)氣溫和降水等氣象數(shù)據(jù)取自四縣氣象站(代表平原區(qū))和巴音布魯克氣象站(代表高山區(qū))的平均值，計(jì)算平均值時(shí)某氣象站某年沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的按缺省值處理;開(kāi)都河大山口徑流量、博湖入湖水量、出湖水量、湖泊水位、湖水礦化度、湖泊水域面積等來(lái)自塔里木河流域管理局和巴音郭楞蒙古自治州水利局;農(nóng)業(yè)灌溉面積、農(nóng)業(yè)灌溉引水量、農(nóng)業(yè)廢水排放量、工業(yè)廢水排放量、生活污水排放量和地下水井、渠道損失率等數(shù)據(jù)來(lái)自巴音郭楞蒙古自治州水資源管理處;1951-1957、1959-1974、1976-1979年湖水礦化度采用線性插值獲取[9].

2.2 數(shù)據(jù)分析

趨勢(shì)檢驗(yàn)采用非參數(shù)Mann-Kendall 方法，時(shí)間序列突變分析采用GPS 7.05 軟件的非參數(shù)Mann-Kendall-Sneyers 突變檢驗(yàn)[24]，相關(guān)分析等其他數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 13.0 完成;作圖采用Sigmaplot 12.0 完成.其中Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)是世界通用的廣泛用于評(píng)估氣象因素和水文因素時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)顯著性的檢測(cè)方法.對(duì)于一時(shí)間序列X={x2，x3，x4……xn}，其中n ＞10，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)量Z 定義為:

其中，

式中，t 是給定時(shí)間序列里等值數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù).統(tǒng)計(jì)量Z 為正值表示呈增加趨勢(shì)，負(fù)值表示呈減少趨勢(shì).|Z|≥1.96 表示在α=5%上具有顯著水平.

Mann-Kendall-Sneyers 突變檢驗(yàn)具體計(jì)算方法如下:

設(shè)有一時(shí)間序列如下:x2，x3，x4……xn，構(gòu)造一秩序列 rj，rj表示 xi＞xj(1≤j≤i)的樣本累積數(shù).Sk定義為:

Sk均值E(Sk)以及方差var(Sk)定義為:

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立假定下，定義統(tǒng)計(jì)量為:

式中，U1=0，Uk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定一顯著水平α，查正態(tài)分布表得到臨界值Uα，當(dāng)|Uk| ＞Uα?xí)r，表明序列存在一個(gè)明顯的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)，所有Uk將組成一條曲線，x 通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其是否具有趨勢(shì).把此方法引用到反序列中，再重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，并使計(jì)算值乘以-1，得到U-k.分析繪出的Uk和U-k曲線圖，若Uk值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0 則表明序列呈下降趨勢(shì);當(dāng)Uk超過(guò)信度線時(shí)，即表示存在明顯的上升或下降趨勢(shì);在超過(guò)信度線基礎(chǔ)上，若Uk和U-k的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開(kāi)始.

3 結(jié)果與分析

3.1 博湖流域氣候變化趨勢(shì)

焉耆縣氣象局建站于1951年，和靜縣、和碩縣氣象局建立于1960年，博湖縣氣象局成立于1996年，巴音布魯克氣象站建站于1958年.四縣氣象局的數(shù)據(jù)代表平原區(qū)，巴音布魯克氣象站數(shù)據(jù)代表高山區(qū).由于平原區(qū)和高山區(qū)的氣溫與降水空間分布差異比較大，因此為使博湖流域的氣象數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上更具有可比性，流域年降水量和年均氣溫的趨勢(shì)分析和突變分析從1960年開(kāi)始.博湖流域氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，1960s以來(lái)，博湖流域氣溫呈上升趨勢(shì)(圖1A)，Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，近50年年均氣溫上升趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平，Z 值為4.33(表1)，增加趨勢(shì)為0.30℃/10 a.進(jìn)一步用Mann-Kendall-Sneyers 突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣溫的突變點(diǎn)在1993年(圖1B).根據(jù)突變時(shí)間，可將氣溫分為兩個(gè)變化階段，1960-1993年平均氣溫為5.05℃，1994-2010年平均氣溫達(dá)5.92℃，升高幅度達(dá)17.23%.

Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)和曲線擬合結(jié)果表明，1960年以來(lái)的近50年間，博湖流域年均降水變化趨勢(shì)以5.71 mm/10 a 的速率也呈增加趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)并未達(dá)到顯著水平(圖2A 和表1);M-K 突變檢驗(yàn)也顯示，降水在50年來(lái)并沒(méi)有明顯的突變點(diǎn)(圖2B).這表明博湖流域降水在長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化中有升高的趨勢(shì)，但與溫度變化過(guò)程不同，降水的變化過(guò)程是循序漸進(jìn)的，并未表現(xiàn)出明顯的突變.

圖1 博斯騰湖流域年均氣溫變化趨勢(shì)(A)及突變檢驗(yàn)(B)Fig.1 Change trend(A)and M-K Sneyers test(B)of annual average temperature in Lake Bosten basin

表1 博斯騰湖流域氣溫和降水M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of M-K trend test of temperature and precipitation in Lake Bosten basin

圖2 博斯騰湖流域年降水量變化趨勢(shì)(A)及突變檢驗(yàn)(B)Fig.2 Change trend(A)and M-K Sneyers test(B)of annual precipitation in Lake Bosten basin

3.2 博湖水位動(dòng)態(tài)變化及對(duì)氣候變化的響應(yīng)

M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)表明，博湖水位在過(guò)去60年里呈極顯著下降趨勢(shì)，Z 值為-3.25(P ＜0.01).M-K 突變檢驗(yàn)顯示，60年來(lái)博湖水位經(jīng)歷了兩個(gè)突變點(diǎn)，分別為1974年和1994年(圖3B).根據(jù)突變點(diǎn)，可以將博湖水位變化過(guò)程分為3 個(gè)階段(圖3A).1951-1974年博湖平均水位為1047.78 m，處于較穩(wěn)定水平;1975-1994年博湖水位急劇下降，平均水位降至1046.11 m，下降速率為0.09 m/a，1987年博湖水位下降到歷史最低值，為1044.73 m，比1975年前最高水位下降了3.71 m;1995-2011年博湖水位再次上升，且上升速度較快，平均水位為1047.24 m，2002年博湖達(dá)到了歷史最高水位，為1049.26 m.另外，從M-K 突變圖和趨勢(shì)圖還可以看出，從2003年開(kāi)始，博湖水位又開(kāi)始出現(xiàn)突然下降的趨勢(shì)，2009年下降到1045.35 m，比東西揚(yáng)水泵站的最低運(yùn)行水位僅高出0.35 m.

圖3 博斯騰湖流域水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)(A)及突變檢驗(yàn)(B)Fig.3 Change trend(A)and M-K Sneyers test(B)of water level in Lake Bosten basin

博湖水位與氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.01).從博湖水量平衡關(guān)系可知(表2)，影響湖泊水位變化的因素是多方面的，但有些影響因素在水量平衡中所占比重較大，有些影響因素比重很小，還有一些因素的多年變化不大.基于此，本文可將驅(qū)動(dòng)博湖水位變化的因素分為三類(lèi):一是入湖水量，二是出湖水量，三是湖面蒸發(fā)量.下面本文將分別分析這三大要素的變化及其對(duì)流域氣溫變化的響應(yīng).

3.2.1 博湖入湖水量對(duì)氣候變化的響應(yīng) 博湖入湖水量主要包括三部分，一為河流匯入量，二為農(nóng)田排水量，三為承壓補(bǔ)給和湖面降水.其中第二、三部分所占比重較小，多年來(lái)承壓補(bǔ)給和湖面降水量較穩(wěn)定，變化并不顯著，盡管農(nóng)田排水量近幾十年來(lái)有增加的趨勢(shì)，但其占入湖總水量的比重也未超過(guò)10%，且直接排入大湖的量相對(duì)較小，如2007年北四縣共向博湖排入污水共3.5×108m3，其中，排入小湖區(qū)1.35×108m3，排入黃水區(qū)1.92×108m3，排入大湖區(qū)0.23×108m3[25].因此，本文的入湖水量主要考慮河流向博湖的匯入量.

表2 博斯騰湖1996年水量平衡狀況*Tab.2 Water balance of Lake Bosten in 1996

1980-2011年博湖入湖水量變化趨勢(shì)與湖水水位基本一致，1980s 至1994年，博湖入湖水量呈減少趨勢(shì)，年均入湖水量為19.99×108m3;1995年后，入湖水量呈增加趨勢(shì)，年均入湖水量為26.12×108m3，較1980-1994年年均入湖水量增加了30.67%，到2002年入湖水量達(dá)到歷史最高，為44.90×108m3(圖4A)，與水位變化相同，2002年后入湖水量開(kāi)始下降.

從入湖水量的組成來(lái)看，博湖水源主要有開(kāi)都河、黃水溝和清水河等.開(kāi)都河多年(1956-2004年)平均出山徑流量為34.8×108m3，占博湖流域總徑流量的近85%，是博湖主要的常年性補(bǔ)給水源[26]，其他補(bǔ)給因素的影響相對(duì)較小，且補(bǔ)給不穩(wěn)定.開(kāi)都河出山口(大山口水文站)水文資料表明(圖4B)，開(kāi)都河徑流量在1955-2011年間呈增加趨勢(shì)，M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)的Z 值為2.87，達(dá)到0.01 的顯著水平.M-K 突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)都河徑流量的突變時(shí)間為1993年[24].根據(jù)突變點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，1955-1993年開(kāi)都河年均徑流量為33.41×108m3，而1994-2011年均徑流量為40.46×108m3，較前一階段增加了7.96×108m3，增幅達(dá)20%以上.Pearson 相關(guān)分析結(jié)果顯示，開(kāi)都河徑流量與入湖水量呈極顯著正相關(guān)(P ＜0.01)，且兩者均與湖區(qū)水位呈顯著正相關(guān)(P ＜0.05)，這表明開(kāi)都河徑流量是影響博湖入湖水量和水位變化的直接因素.

圖4 博斯騰湖年入湖水量(A)和開(kāi)都河出山口年徑流量(B)的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Change trend of annual inflow in Lake Bosten(A)and annual runoff from mountainous watershed in Kaidu River(B)

開(kāi)都河發(fā)源于天山中部的依連哈比爾尕山和薩爾賓山，冰川融雪水占出山徑流量的比重較大，達(dá)15%以上[25].從突變時(shí)間點(diǎn)來(lái)看，博斯騰湖的氣溫和大山口年徑流量的突變時(shí)間一致，均為1993年.1993年前氣溫較低，冰川積雪消融較慢，開(kāi)都河年徑流量一直處于較穩(wěn)定水平，1990s 隨著氣溫顯著升高，冰川積雪加速消融，加之降水量也逐漸增加，開(kāi)都河出山口年徑流量不斷增加，到2002年達(dá)到60年來(lái)年徑流量的歷史最高值，為57.13×108m3，同期博湖入湖水量和湖水水位也達(dá)到了歷史最高值.然而，隨著氣溫的持續(xù)升高，盡管中山帶降水有增加趨勢(shì)，但冰川面積快速消退，雪線上移，積雪面積急劇減少，使得開(kāi)都河出山口徑流量仍然呈現(xiàn)了不可逆的減少趨勢(shì)，僅2006年10月至2007年4月，開(kāi)都河流域徑流量減少42% ～70.5%，入湖水量為 13.97×108m3，比 2006年 4月入湖水量減少 1.75×108m3，減幅為 11%[27].

3.2.2 博湖出湖水量對(duì)氣候變化的響應(yīng) 博湖的出湖水量包括兩部分，一是通過(guò)揚(yáng)水泵站向湖外的輸水量(出流量)，二是湖水外滲量.博湖出流量主要分為兩大方面，一是博湖經(jīng)東西揚(yáng)水泵站出湖進(jìn)入孔雀河，負(fù)責(zé)孔雀河流域的的工農(nóng)業(yè)和生活用水;二是2000年開(kāi)始，為拯救塔里木河下游生態(tài)環(huán)境，塔里木河流域管理局決定每年從博湖向塔里木河下游進(jìn)行生態(tài)輸水4.5×108m3.從出湖水量(1980-2009年)分析來(lái)看(圖5A)，近20年來(lái)博湖的輸出水量呈顯著增加趨勢(shì)，2000年之前出湖水量增加幅度相對(duì)比較緩慢，年均出湖水量為11.01×108m3，但2000年后，博湖出湖水量大幅度增加，尤其是2000-2004年的4年間，年均出湖水量達(dá)25.26×108m3，較2000年前增加2 倍多，這主要是由于此期向塔里木河下游輸送生態(tài)用水導(dǎo)致的，2005年后由于博湖水資源緊張，向塔里木河下游輸水較少，總輸出水量相對(duì)減少并趨于穩(wěn)定.Pearson 相關(guān)分析結(jié)果表明出湖水量與湖區(qū)水位呈顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.05)，這表明湖泊出流量的增加也是導(dǎo)致湖區(qū)水位降低的主要因素之一.

博湖流域農(nóng)業(yè)灌溉面積和灌溉引水量動(dòng)態(tài)變化表明(圖5B)，1950s-1980s 期間，博湖流域耕地面積不斷擴(kuò)張，灌溉定額的居高不下使得灌溉用水呈持續(xù)增加趨勢(shì)，這是導(dǎo)致博湖1990s 前湖泊輸出水量增加的主要因素;1980s 后期開(kāi)始，盡管灌溉面積呈持續(xù)增加態(tài)勢(shì)，但由于流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水工程大面積實(shí)施和節(jié)水技術(shù)不斷提高以及巴州水資源管理嚴(yán)格限制農(nóng)業(yè)用水總量，灌溉引水量開(kāi)始逐漸減少并趨于穩(wěn)定，這應(yīng)該是導(dǎo)致2005年后博湖出流量趨于穩(wěn)定的關(guān)鍵原因.

在湖水外滲方面，1955-1995年博湖的多年湖水外滲量平均值為0.52×108m3/a[28]，所占比例較小，且地下水抽取點(diǎn)距開(kāi)都河及博湖都比較遠(yuǎn)，因此對(duì)博湖水位的影響很小，可以忽略不計(jì)[29].然而自1990s 以來(lái)，由于當(dāng)?shù)卣畬?duì)開(kāi)都河-孔雀河流域農(nóng)業(yè)用水總量的嚴(yán)格限制，使得灌區(qū)內(nèi)多開(kāi)荒的土地不得不采用大量抽取地下水的方式進(jìn)行灌溉.開(kāi)都河沿岸、博湖周邊和孔雀河沿岸現(xiàn)有機(jī)井6000 余眼，人工壓井2000 余眼.1996-2003年，開(kāi)都河平均河道損失率為6.41%，2003-2011年河道損失率高達(dá)14.1%，特別是近幾年，開(kāi)都河出山口至博斯騰湖入湖口河段水量損失達(dá)到8×108m3，孔雀河河道輸水平均損失率達(dá)31.5%，河道水量損失量較1998年前增加了3×108m3(數(shù)據(jù)來(lái)自巴州水管處).對(duì)于開(kāi)都河-孔雀河流域這樣降水匱乏，地下水完全依賴(lài)地表徑流補(bǔ)給的地區(qū)，地下水大量的抽取，無(wú)疑會(huì)大幅度增加湖水外滲量，加速博湖水位的降低，尤其是開(kāi)都河地表徑流補(bǔ)給不足的情況下.

圖5 博斯騰湖年出湖水量(A)及流域農(nóng)業(yè)灌溉面積和農(nóng)業(yè)引水量變化(B)Fig.5 Change trend of annual outflow(A)，agricultural irrigation area and diverted water(B)in Lake Bosten basin

3.2.3 博湖蒸發(fā)量對(duì)氣候變化的響應(yīng) 1996年的博湖水量平衡數(shù)據(jù)顯示，大小湖的蒸發(fā)蒸騰量高達(dá)13.09×108m3，是湖泊出流量的1.15 倍，占博湖總?cè)牒康?8.67%，這充分表明博湖蒸發(fā)蒸騰對(duì)于湖泊水位具有重要影響.采用王容利用焉耆縣E601 型水面蒸發(fā)桶、20 mm 蒸發(fā)皿和阿克蘇上游水庫(kù)水平衡實(shí)驗(yàn)站20 m2蒸發(fā)池觀測(cè)資料折算的博湖水面蒸發(fā)系數(shù)0.4680[30]，結(jié)合焉耆國(guó)家氣象站20 mm 蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)和博湖大湖區(qū)的水域面積計(jì)算了1980-2001年博湖的水面實(shí)際蒸發(fā)量(圖6)，結(jié)果表明博湖水面蒸發(fā)量呈顯著增加趨勢(shì)，M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)的Z 值為 2.43(P ＜ 0.05).Pearson 相關(guān)性分析表明，博湖水面蒸發(fā)量與流域氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.403，sig.值為0.063，顯著性水平達(dá)0.1.因此，在流域氣溫持續(xù)升高的狀態(tài)下，博湖的水面蒸發(fā)量有可能會(huì)呈升高的趨勢(shì)，將直接增加博湖的水量損失，導(dǎo)致博湖水位降低，但這在很大程度上還取決于水域面積的大小(其大小受水位直接控制).因?yàn)樵谖磥?lái)氣溫升高的趨勢(shì)下，開(kāi)都河徑流將面臨減少趨勢(shì)，導(dǎo)致博湖的入湖水量減小，使得水位可能面臨降低的局面，這有可能沖抵氣溫對(duì)水面蒸發(fā)量的影響，甚至?xí)购嬲舭l(fā)損耗變小.

圖6 博斯騰湖水面蒸發(fā)量變化趨勢(shì)Fig.6 Change trend of evaporation in Lake Bosten

3.3 湖水礦化度動(dòng)態(tài)變化及對(duì)氣候變化的響應(yīng)

M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)顯示，博湖湖水礦化度Z 值為3.09，呈極顯著升高趨勢(shì)(P ＜0.01).由1955-2011年博湖湖水礦化度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程可看出(圖7A)，湖水礦化度也主要經(jīng)歷了三個(gè)階段的變化.1955-1988年，礦化度呈上升趨勢(shì)，其中1970s 以前，博湖湖水礦化度低于1.0 g/L，是典型的淡水湖，而自1970s 后，湖水礦化度持續(xù)上升，博湖由淡水湖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑾趟?980s 湖水礦化度達(dá)到最高，湖區(qū)平均高達(dá)1.87 g/L;1989-2003年，湖水礦化度出現(xiàn)降低趨勢(shì)，2003年出現(xiàn)了1972年以來(lái)的(過(guò)去30年)最低值，為1.17 g/L;2004年后，湖水礦化度又開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

對(duì)比博湖水位變化趨勢(shì)可以看出，湖水礦化度變化趨勢(shì)與湖泊水位相反，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.01).1955-1987年博湖水位下降，1955-1988年湖水礦化度增加;1988-2002年，博湖水位上升，1989-2003年湖水礦化度呈下降趨勢(shì);2003年后水位又開(kāi)始下降，而2004年后湖水礦化度也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，表明湖水礦化度的變化滯后于水位變化1年.

圖7 博斯騰湖湖水礦化度(A)和湖泊含鹽量(B)變化趨勢(shì)Fig.7 Change trend of water mineralizition(A)and salt content(B)in Lake Bosten

湖泊含鹽量變化趨勢(shì)與湖水礦化度變化趨勢(shì)一致(圖7B)，兩者呈極顯著正相關(guān)(P ＜0.01).湖泊含鹽量主要源自北四縣的廢水排入，相關(guān)分析表明，博湖湖水礦化度與工業(yè)廢水、生活廢水和農(nóng)業(yè)廢水排入有顯著關(guān)系(表3)，表明廢水排放是影響湖水水質(zhì)的一大主要因素.博湖流域1999-2009年廢水排放量表明(圖8)，博湖流域2000-2002年廢水排放量呈下降趨勢(shì)，2003年開(kāi)始，廢水排放量開(kāi)始逐年增加，2009年達(dá)到2002年的近2 倍，其通過(guò)地表徑流或地下水最終流入博湖，污染博湖水體，致使博湖水質(zhì)惡化，其中農(nóng)業(yè)廢水排放量是廢水排放總量的主體.

表3 博斯騰湖湖水礦化度與其影響因素的Pearson 相關(guān)性分析Tab.3 Pearson correlation analysis between the water salinity of Lake Bosten and their effect factors

圖8 博斯騰湖流域1999-2009年廢水排放量Fig.8 The waste water quantity from 1999 to 2009 in Lake Bosten basin

博湖湖水礦化度與溫度呈顯著正相關(guān)，與大山口來(lái)水量、出湖水量、湖泊水位和湖面蒸發(fā)量均呈顯著負(fù)相關(guān)(表3，P ＜0.01).由于大山口水量、出湖水量與湖面蒸發(fā)量都直接控制著湖泊水位，且氣溫與開(kāi)都河徑流以及湖面蒸發(fā)量也呈顯著負(fù)相關(guān)，這表明氣溫主要通過(guò)改變湖泊水位來(lái)調(diào)控湖水水質(zhì).當(dāng)氣溫升高時(shí)，主要由冰雪融水和降水組成的開(kāi)都河徑流增大，大量的低礦化度淡水進(jìn)入博湖，使得湖泊保持水位高，排污量得到有效稀釋?zhuān)|(zhì)變好，但當(dāng)氣溫持續(xù)升高，開(kāi)都河冰川積雪面積銳減后，開(kāi)都河徑流將減少，這將導(dǎo)致博湖水位降低，加之博湖的出湖水量穩(wěn)中有升和高居不下的農(nóng)業(yè)污水排放量，湖水水質(zhì)將面臨急劇惡化的態(tài)勢(shì).

4 討論與建議

博湖是一個(gè)典型的內(nèi)陸吞吐型湖泊，區(qū)域內(nèi)降水稀少，對(duì)湖區(qū)水位貢獻(xiàn)不顯著，湖泊水位主要受入湖水量、出湖水量和蒸發(fā)量三者綜合影響.入湖水量主要來(lái)自于開(kāi)都河徑流向博湖的淡水輸入.開(kāi)都河徑流主要由冰川積雪和降雨補(bǔ)給，冰川作為開(kāi)都河上游重要的水資源形式，造就了開(kāi)都河穩(wěn)定的基流，因此對(duì)氣候變化非常敏感，尤其是氣溫[24].1963-1986年，開(kāi)都河流域的8 條典型冰川只有2 條冰川呈后退趨勢(shì)，后退速度不超過(guò)5 m/a;而1986-2000年中有 7 條冰川表現(xiàn)為后退，平均后退速度為 10 ～15 m/a 左右[26].同時(shí)，全球氣候變化使得開(kāi)都河流域的積雪面積在2000-2010年呈線性下降趨勢(shì)，且氣溫是影響開(kāi)都河流域積雪面積變化的主要因素[31].氣溫升高過(guò)程中產(chǎn)生的冰川融水和積雪融化加劇了1990s 以來(lái)開(kāi)都河的徑流增勢(shì)，博湖也呈現(xiàn)水位持續(xù)上升趨勢(shì)[32].盡管有研究稱(chēng)，未來(lái)由于氣候變暖，開(kāi)都河流域降水可能會(huì)增多[33]，開(kāi)都河年徑流量將呈38.6%增大趨勢(shì)，其中夏季增加71.8%，冬季增加11.4%[34].然而，當(dāng)開(kāi)都河流域上游山區(qū)冰雪消融到一定程度，冰蓋變薄雪線升高，形成新的平衡，尤其是對(duì)氣溫變化最為敏感的低海拔中小冰川消失殆盡時(shí)，這種氣溫升高導(dǎo)致的冰雪快速消融引發(fā)的弊要大于氣溫升高導(dǎo)致的降水增加引發(fā)的利，冰雪融水補(bǔ)給效應(yīng)將會(huì)減弱，開(kāi)都河徑流已于2003年開(kāi)始減少，造成了博湖水位的持續(xù)下降[35].SDSM 統(tǒng)計(jì)降尺度模型預(yù)測(cè)2020s、2050s、2090s 氣溫和降水趨勢(shì)表明，博湖流域未來(lái)幾十年日均氣溫將明顯上升，且A2 情景下氣溫增幅略大于B2 情景，但年降水量呈明顯減少趨勢(shì)[36]，這表明博湖水位將進(jìn)一步面臨降低的危險(xiǎn).事實(shí)上，據(jù)焉耆大橋水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示(數(shù)據(jù)來(lái)自巴州水利局和巴州水管處)，2012年開(kāi)都河來(lái)水比2011年同期減少20%，由于受開(kāi)都河來(lái)水少和上游電站發(fā)電調(diào)峰影響，截止11月底，開(kāi)都河全年斷流32 d，特別是9月28日至10月9日，開(kāi)都河下游段河道持續(xù)斷流12 d，導(dǎo)致焉耆盆地呼爾墩渠春灌斷流61 d，夏灌斷流65 d，秋、冬灌斷流45 d;友誼渠春灌斷流34 d，夏灌斷流13 d，秋、冬灌斷流22 d;五號(hào)渠春灌斷流8 d，秋、冬灌斷流17 d;永寧渠秋、冬灌斷流8 d.2009年以來(lái)，博湖水位一再下降，已臨近東西揚(yáng)水泵站的臨界運(yùn)行水位，2012年開(kāi)都河若無(wú)水輸送入博湖，博湖水位很可能再度達(dá)到歷史最低值，東西泵站將無(wú)法正常揚(yáng)水，孔雀河流域?qū)⑾萑肴鏀嗔鞯奈＞?

從出湖水量來(lái)看，1990s 前，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)湖泊水位的影響較大.博湖流域水土大規(guī)模開(kāi)發(fā)主要集中在1950s-1960s 中期和 1970s 后期至 1980s 初期，到 2002年灌溉面積較 1958年增加了近 2 倍[29].博湖流域灌區(qū)引水量以1970s 最高，1980s 次之，1990s 后趨于穩(wěn)定(圖5).若按引水量占開(kāi)都河同期徑流量的比例來(lái)看，1970s、1980s 比例大致相當(dāng)，但1980s 湖泊水位下降量大于1970s.1990s 以來(lái)開(kāi)都河徑流量有較大幅度的增加，而開(kāi)都河灌區(qū)進(jìn)水量卻比1980s 減少了12.8%，致使博湖水位上升[29].因此，自1958年以來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)博湖水位變化的影響經(jīng)歷了弱-強(qiáng)-弱的變化過(guò)程，其中1970s-1980s 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水位變化影響最為顯著，1990s 以后影響強(qiáng)度有所減弱.

結(jié)合入湖水量和出湖水量的分析，1993年前博湖流域氣溫相對(duì)較低，開(kāi)都河徑流量相應(yīng)較低，尤其是1974-1986年間，開(kāi)都河徑流屬于偏枯年，但博湖流域的農(nóng)業(yè)灌溉引水量較大，尤其是1970s-1980s.因此在1993年前博湖水位主要受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響，1994年后灌區(qū)農(nóng)業(yè)引水量趨于穩(wěn)定，博湖水位主要是受流域氣溫變化的影響，這與Chen 等[24]研究提出的1990s 后人類(lèi)活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河流域地表徑流影響率不到10%的結(jié)論是一致的.由于流域氣溫的顯著升高，冰川融雪快速消融，開(kāi)都河徑流激增，導(dǎo)致了此期博湖水位的迅速增加，到2002年達(dá)到歷史最高值，然而2003年后氣溫持續(xù)升高導(dǎo)致了中小冰川的快速消失，開(kāi)都河徑流減小，博湖水位降低，尤其是2009年后，博湖水位一直徘徊在1045 ～1046 m 之間.因此，在未來(lái)氣候變化下，要維持博湖水位，必須繼續(xù)嚴(yán)格控制灌區(qū)引水量，減少出湖水量;控制地下水水井的數(shù)量，禁止對(duì)依靠地表水補(bǔ)給的地下水的大量無(wú)序開(kāi)采，提高河道輸水效率，以增加入湖水量和減少湖水外滲.

根據(jù)入湖量與湖面蒸騰蒸發(fā)量的比例來(lái)看，博湖的蒸發(fā)蒸騰損耗對(duì)于博湖的水位變化有著非常重要的影響.僅大湖而言，1980-2001年的年均蒸發(fā)損耗量為8.36×108m3，約占開(kāi)都河年均徑流量的25%，占年均入湖水量的30%以上.除此之外，大湖周?chē)臐竦刂参铮绕涫翘J葦?shù)雀邨U水生植物，耗水量極大.僅1985年博湖大小湖的周邊濕地面積為3.58×104hm2，蘆葦?shù)戎参锏恼趄v量即達(dá)到近3×108m3[37-38].近年來(lái)，有學(xué)者提出為保護(hù)濕地生態(tài)功能的正常發(fā)揮和發(fā)揮蘆葦?shù)乃|(zhì)凈化作用大量營(yíng)建人工蘆葦，擴(kuò)大人工蘆葦面積[18].然而，在營(yíng)建蘆葦時(shí)其強(qiáng)烈的蒸騰耗水量不容小覷.截止2012年博湖周邊人工種植蘆葦超過(guò)4×104hm2，根據(jù)博湖沼澤蘆葦?shù)脑抡舭l(fā)量[39]，粗略估算蘆葦?shù)哪暾趄v耗水量已超過(guò)5×108m3.這些蒸騰損耗量將直接由博湖水資源供給，對(duì)于降低博湖水位有著直接作用.濕地的生態(tài)功能與博湖水位高低相互反饋，相互制約.因此，為減少博湖蒸騰損耗，不應(yīng)盲目擴(kuò)大蘆葦?shù)葷竦刂参锏姆N植面積.

當(dāng)水域面積較大時(shí)，湖面的蒸發(fā)量也大，尤其是在氣溫較高時(shí).因此，如何協(xié)調(diào)湖泊水位和湖面蒸發(fā)量之間的關(guān)系，是減少水資源損失，提高利用率的一個(gè)有效方法.研究表明開(kāi)都河年徑流量主要集中在夏季(6-8月)，此時(shí)氣溫高，冰川積雪融化加速，降雨頻率較高，夏季發(fā)生洪水危險(xiǎn)大大增加[34].此時(shí)也正好是主要農(nóng)作物生長(zhǎng)季，以及孔雀河流域農(nóng)業(yè)灌溉的高峰時(shí)期.因此，可以利用此規(guī)律，在調(diào)水時(shí)間分配上，將博湖向孔雀河的調(diào)水時(shí)間集中在5-9月.即在主要農(nóng)作物生長(zhǎng)季且湖水蒸發(fā)最強(qiáng)的5-9月進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)水，在10月之前將博湖保持在最低的水位，這樣既能有效避免湖水泛溢，也能在氣溫最高時(shí)段縮小博湖水域面積，從而有效減少蒸發(fā)損耗，提高水資源利用率;進(jìn)入農(nóng)作物已收獲的秋季后(10-次年3月)，使博湖大量蓄水，在冬季保持最高水位，此時(shí)，氣溫低、湖區(qū)蒸發(fā)弱，可以有效減少湖水的蒸發(fā)損耗.

另外，由湖水礦化度與出湖水量的關(guān)系可知，降低湖水礦化度的一個(gè)有效方式是加速湖水循環(huán)，維持湖水的快速更新.集中時(shí)間調(diào)水(5-9月)可實(shí)現(xiàn)此目的.集中調(diào)水期間，大量湖水被調(diào)出，既可以帶走湖水中的大量礦物質(zhì)和鹽分，還可以促進(jìn)湖水的快速流動(dòng)，使得開(kāi)都河徑流帶入博湖的淡水能迅速與湖水進(jìn)行交換，加速湖水的周轉(zhuǎn)率和更新速度，有效降低湖水礦化程度.而且，北四縣排入博湖的農(nóng)業(yè)灌溉廢水也集中在作物生長(zhǎng)期內(nèi)，在此期間進(jìn)行大量調(diào)水可以使農(nóng)業(yè)廢水中的鹽分得以快速擴(kuò)散并隨水調(diào)出湖區(qū)，在進(jìn)入10月后的蓄水期后，大量的淡水匯入也可有效地稀釋湖水的礦化度，改善博湖水質(zhì).未來(lái)氣溫升高情景下，由于博湖水位面臨降低趨勢(shì)，大量農(nóng)業(yè)廢水的排入必然將導(dǎo)致湖水礦化度的升高，因此，要緩解博湖湖水礦化度，還必須進(jìn)一步致力于焉耆盆地排水系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，合理施肥，控制農(nóng)田化肥、農(nóng)藥的使用量，減少氮、磷元素流失和入湖量;再次，采取田間工程措施，控制灌溉廢水進(jìn)入博湖;另外，對(duì)工、礦企業(yè)嚴(yán)格實(shí)施達(dá)標(biāo)排放、加大管理檢查和執(zhí)法力度，加大對(duì)污染物達(dá)標(biāo)排放情況、污染源排放情況、污染轉(zhuǎn)移情況的監(jiān)督和檢查，制定管理審批制度，對(duì)新建項(xiàng)目嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度，限定保護(hù)區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)活動(dòng)，包括石油勘探開(kāi)發(fā)、工農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)等，以真正從根本上使博湖水質(zhì)最終走向良性循環(huán).

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