3S技术在新疆塔里木河下游生态环境动态中应用

近几十年来,塔里木河下游河道断流,地下水水位剧烈下降,天然植被衰退,为恢复和重建塔里木河下游严重受损的生态系统,从2001~2006年,先后进行了8次生态应急输水。在实地考察和前人研究的资料基础上,对塔里木河下游生态输水的背景进行介绍,通过对生态输水后地下水位恢复情况、地下水矿化度变化、植被对生态输水的响应以及生态输水对土地沙漠化情况影响的分析,由此反映生态输水的效益,从而对塔河下游生态输水中存在的问题进行探讨。

塔里木河是我国最长的内陆河，下游357km河道断流近30年，近些年，塔里木河生态环境持续恶化，我国为促进塔里木河流域退化生态系统的恢复，抢救生态环境，多次向下游实施应急输水。本文在掌握塔里木河概况的基础上，研究塔里木河下游应急输水的基本情况，并以此研究生态输水对下游水生态环境影响，希望对塔里木河的生态保护有所帮助。

塔里木河下游是新疆生态环境问题比较突出的地区。为改善该地区恶化的生态环境,国家自2000年起向塔里木河下游实施了18次以生态建设和环境保护为目的的生态输水工程。近20a来,塔里木河下游地下水位随输水次数增加呈不断上升趋势,生态植被不断修复,生态环境逐步好转。尤其是2017年实施第18次生态输水后,下输水量及其影响范围取得较大突破,引起社会高度关注。通过近20a的断面来水监测资料,从水量、水质、地下水变化、植被恢复等方面,初步分析输水对生态环境的影响。同时,对前人研究的成果进行梳理和延展,使其对今后塔里木河下游的生态调度和科学管理起到指导作用。经分析得出以下结论:(1)虽然生态输水量基本都补给了生态植被和河道两侧的地下水,但持续性输水才是保证下游脆弱的生态环境稳定好转的根本途径。(2)输水使下游生态环境得到改善,现生态植被正在恢复,地下水位逐步抬升,地下水质明显好转。(3)采用汛期输水和间歇机动式调度,可使输水效益达到最大化。

根据塔里木河下游的地下水位、植物调查数据,对比分析了塔里木河下游生态输水后地下水位、生物量、物种多样性变化。结果表明:实施生态输水工程后,地下水位对生态输水的响应显著,地下水位逐渐抬升,下降趋势得以控制。草本植物生物量的变化趋势与每次输水量变化趋势基本一致,即随着输水量的增加草本植物的生物量也相应增加,草本植物生物量对生态输水的响应程度与输水的时间、输水量的多少有密切关系。地下水位埋深上升,物种多样性也呈上升趋势,但二者并不是同步,物种多样性上升趋势滞后于地下水位的上升,这表明地下水位的抬升有利于植物多样性的增加,但是地下水位变化对植物多样性的影响是一个渐变的过程。

依据樊自立等人对人工绿洲、天然绿洲的定义及分类,对塔里木河下游人工绿洲、天然绿洲包含的要素进行提取,并根据前人对干旱区人工、天然绿洲适宜配比的研究,结合相应的遥感影像数据,对塔里木河下游1990—2000年、2000—2010年人工绿洲和天然绿洲的变化规律及其比例进行分析,探讨该区人工绿洲和天然绿洲的适宜配比。主要结果为:1990—2010年期间,塔里木河下游人工绿洲平均以19.09km~2/a的速率增加,而天然绿洲平均以13.20km~2/a的速率减少。输水前在生态系统的退化过程中,高覆盖草地面积减少了43.91%,湖泊面积100%消失,同时水库面积减少了45.28%；输水后,高覆盖草地面积减少量大有好转,10a间只减少了6.79%,水库面积增加了392.44%。塔里木河下游流域在生态输水前,耕地增加了12.31%,生态输水后,耕地增加了30.37%。1990—2010年间,而绿洲总面积(人工+天然)不变,变化主要是发生在人工绿洲与天然绿洲之间的相互转化,天然绿洲逐渐被人工绿洲替代,平均每增加1份面积的人工绿洲就要失去1.1份天然绿洲。

以塔里木河下游为研究区域,分析了生态输水工程实施以来该区地下水埋深、水质、植被生长状况的不同响应程度。研究表明:生态输水工程使得原本较低的地下水位在一段时间内得到抬升,局部生态环境得到改善,尤其在输水中期(2003-2005年),植被物种组成发生变化,物种多样性增加,植被盖度提高,地下水水质有所好转;但2007年以后,尤其是2008年,随着输水的间断,下游地下水位开始回落,草本植物物种数量又开始减少,因此,生态输水工程必须持续进行才能真正挽救塔里木河下游生态环境。

塔里木河是我国最长的内陆河。为了抢救塔里木河下游生态环境,2000~2003年向断流30余年的下游500km左右的天然河道,实施了5次应急输水。在收集了对5次输水后生态修复评价的大量资料的基础上,结合第6次和第7次输水,对生态响应进行了进一步研究,并提出了进一步扩大输水生态修复影响范围的人工辅助措施,通过分河段、分区域合理配置水资源,以实现塔河流域生态修复的总体目标。

基于塔里木河下游8次生态输水资料和植被调查,从输水时间与天然植被落种时间的生态默契角度,分析了8次输水时间、水量以及博斯腾湖与塔里木河来水的规律,并根据塔里木河下游32种植物的落种时间,分别从不同乔、灌、多年生草本和一年生草本植物的落种与河道过水时间的相关性,对目前输水时间的合理性进行了评判,从塔里木河下游天然植被生态恢复的角度,提出了塔里木河下游最适宜的输水时间。结果显示:①由于调水沿途损耗较大,目前输水正以博斯腾湖调水向依靠塔里木河来水转变,因此,塔里木河有没有水向下游输送是生态输水的先决条件;②前8次输水过程中,过水时间主要集中在4-6月和8-10月两个时间段,这是由于博斯腾湖水量49.73%在4-6月;而塔里木河水量82.33%集中在8-10月;③从8次输水看,由于没有考虑到天然植被的落种更新问题,因此,河道过水时间与天然植被的相关性偏低,塔里木河来水的输水时间较博斯腾湖更为合理;④从下游乔、灌、草落种时间看,最适宜的输水时间是7-9月;从塔里木河给水时间的可行性看,每年最佳的给水时间是8月中旬到9月底。

塔里木河下游大西海子水库以下河段自1972年至2000年发生的持续断流是绿色走廊生态劣变的主要原因。从2000年5月至2011年11月,塔里木河下游共进行了10次生态输水。本文利用输水期间的地下水监测资料,运用水均衡法对大西海子以下河段历次输水过程中的水量转化进行了计算,量化了河道水量的转化项与塔里木河下游地下水的恢复程度,揭示了塔里木河下游河道径流-补给转化-蒸腾耗散的水文过程,文中结论可为今后进一步优化输水方案、合理配置区域水资源以及植被的有序恢复提供科学依据。

塔里木河下游生态应急输水的思考——塔里木河是我国最大的内陆河，干流总长1321km，流域总面积102万km2，多年平均天然径流量398.3亿m3，水资源总量429亿m3。塔里木河流域历史上植被较好，但长期以来人们在发展经济的过程中对水资源开发利用不尽合理，使流域生态...

随着科学技术的不断进步，科技工作者对产品的研发力度不断加大，这些科技产品为我们的工作生活提供了便利，其中，3s技术更是在环境监测中发挥了至关重要的作用。本文对其进行了探究，以期3s技术为今后的生态环境监测工作做出贡献。

为有效实现四川省生态环境的动态监测,运用rs、gis和gps技术,以2004年中巴资源卫星(cbers-02)遥感影像数据为信息源,2000年tm遥感影像解译的数据为基础,对2004年遥感影像进行解译,修改2000年数据库;手持gps接收机,在野外对解译成果进行验证,更新数据库;利用gis技术的空间分析功能,提取出2000～2004年期间土地利用/覆被变化信息,得到2000～2004年期间四川省高精度的土地利用/覆被变化数据库。最后对四川省土地利用/覆被变化信息进行分析,对四川省生态环境的下一步研究指名了方向。

以塔里木河下游生态输水后胡杨披针形叶和宽卵形叶作为实验材料,对这两种异形叶水势的日、月变化规律进行了比较研究。结果表明,两种异形叶水势的日变化趋势基本一致,大体上略呈单峰形,在午后14:00—18:00期间出现全天最低值;胡杨两种异形叶水势的月变化趋势也大体相同,表现为从5—8月阿拉干断面胡杨两种异形叶水势均呈先降低后增高的趋势;亚合浦马汗断面b1和b2井位处胡杨叶水势呈逐渐增高趋势,b3井位处胡杨披针形叶水势先降低后增高,7月最低。运用国际通用软件spss10.0对气温、地下水埋深与胡杨两种异形叶水势之间的关系进行了相关性分析,发现它们之间存在显著的相关关系。该研究对了解不同环境因子对胡杨两种异形叶水势的影响效应以及生态输水对塔里木河下游不同断面局部小气候的调节和改善作用有一定的参考意义。

根据连续多年监测获得的塔里木河下游地下水位、植被数据,对比分析了塔里木河下游生态输水后地下水位、生物量、物种多样性的变化。结果表明:实施生态输水工程后,地下水位变化显著,地下水位逐渐抬升,下降趋势得以控制。草本植物生物量的变化趋势与每次输水量变化趋势基本一致,即随着输水量的增加草本植物的生物量也相应增加,输水的时间、输水量的多少对草本植物生物量有较强影响。地下水位埋深上升,物种多样性也呈上升趋势,但二者并不同步,物种多样性上升趋势滞后于地下水位的上升,这表明地下水位的抬升有利于植物多样性的增加,但是地下水位变化对植物多样性的影响是一个渐变的过程。

3s技术可实现对区域生态环境演变各要素的综合、动态、实时监测,是进行生态环境动态监测与研究领域不可替代的重要观测手段和信息处理工具。本文通过介绍生态环境监测必要性、3s发展历程及总结该技术在生态环境动态监测与演变分析研究中的优势及特点,对3s技术在我国生态环境动态监测领域的应用现状进行了综合分析；基于对地综合观测系统的全球发展视角,从监测内容尺度、技术研究方法、监测分析手段及多源技术融合等方面阐述了3s技术在我国生态环境动态监测领域面临的机遇与挑战。

以生态输水后地下水动态变化引起的地表植被生物量差异为出发点,探讨生态输水对塔里木河下游植被恢复价值的影响。首先,利用生态输水前后地下水动态变化和地表植被响应的长期监测资料,以塔里木河下游考干断面为例,在垂直于河道方向上长2000m、平行河道方向宽100m的样带内,选取2000年10月、2007年9—10月、2015年10月的植被监测与称重资料数据;其次,借鉴国内外生态经济价值量化方法,综合地表植被响应价值和地下水抬升的潜在价值计算输水后地表植被恢复价值。结果显示:(1)在塔里木河下游地区,生态输水使得地下水位明显抬升,水位的抬升幅度随着距河道距离的增加逐渐降低,植被盖度也随着距河道距离的增加呈现降低趋势;在距河道1000m以外,地下水位与植被盖度变化不明显;(2)2000—2007年植被新增生物量占2000—2015年植被新增生物量的57.02%,并且这两个时段植被新增生物量与距河道距离均呈现显著相关;(3)根据16次生态输水监测资料,计算出2007年与2015年该区间100m宽的样带因输水而投入的水资源价值分别为8266.5元、14805元,输水后植被总体恢复价值分别为53811.67元、83334.62元,投入产出比分别为1∶6.507、1∶5.63,说明生态输水的经济效益十分明显。

针对传统生态环境动态监测方法的不足,论述了\"3s\"技术的特点与优势,并结合\"四川省岷江中上游生态环境遥感综合调查与评价\"项目,介绍了应用\"3s\"技术进行生态环境动态监测的方法和流程。

对塔里木河下游不同离河距离成过熟胡杨和输水后更新胡杨胸径、地径、树高、冠幅、枯枝比以及优势胡杨百分比的调查表明:随离河距离增加(地下水埋深增加),胡杨(大树)枯枝比增加,优势胡杨百分比降低;胸径、树高、冠幅随离河距离增加,增减规律不明显。输水后萌蘖更新胡杨的树高、冠幅和地径均随离河距离增加而降低。以上调查指标确定胡杨输水后恢复等级,离河50~300m胡杨整体恢复"优",离河300~500m胡杨恢复"良",离河500~1050m胡杨恢复"中",离河1050~1500m胡杨对输水响应微弱,整体恢复"差"。胡杨具明显的随离河距离增加恢复等级降低的梯度响应特征,生态输水促进了河畔带胡杨的恢复,水是制约塔里木河下游胡杨生长与恢复的关键因子。

以塔里木河下游10次生态输水的效果为背景,根据近5a在塔里木河下游阿拉干断面的大量野外调查数据,分析了胡杨冠幅对应急生态输水的响应。结果显示:随着输水次数的增加,胡杨冠幅呈梯度变化的趋势,输水对增加胡杨叶量和活枝有一定的促进作用,不同冠幅级的胡杨主要分布在距河道200m的范围,且其分布都与离河道距离呈显著负相关关系,由于离河道距离的不同,胡杨冠幅对输水响应也不一样;总体趋势为,随着离河道距离(地下水埋深)的增加,胡杨冠幅变化幅度不明显。

文章以塔里木河下游12次应急生态输水资料为背景,以塔里木河下游英苏、阿拉干、依干不及麻3个断面为例,根据实地观测得到的地下水资料,对3个断面的地下水埋深的变化、地下水矿化度和ph值等水质指标的变化进行了分析。结果表明:随着输水次数的增加,地下水埋深有抬升的趋势;地下水矿化度与输水量的多少有密切的关系,输水量越多矿化度越低,且地下水矿化度随着离河道距离的增加而增大;地下水ph值的变化与输水次数与输水量成正比。

为有效缓解塔里木河(以下简称“塔河”)下游生态进一步恶化,在塔河流域综合治理期间实施向塔河下游生态应急输水任务。项目实施后塔河下游“绿色走廊”生态有了明显改善,有效遏制了塔河下游生态环境日益恶化的趋势,对保护塔河下游生态环境及人们生存环境起到举足轻重的作用,对本地区、新疆乃至全国产生重要影响。

“塔里木河下游应急输水与生态改善监测评估研究”属水利部“十五”科技创新项目，由新疆水利厅、新疆水利水电科学研究院、新疆塔里木河流域管理局、新疆农业大学、清华大学、河海大学共同完成，获2004年度大禹水利科学技术奖二等奖。