3S技術(shù)在新疆塔里木河下游生態(tài)環(huán)境動態(tài)中應(yīng)用

近幾十年來,塔里木河下游河道斷流,地下水水位劇烈下降,天然植被衰退,為恢復(fù)和重建塔里木河下游嚴重受損的生態(tài)系統(tǒng),從2001~2006年,先后進行了8次生態(tài)應(yīng)急輸水。在實地考察和前人研究的資料基礎(chǔ)上,對塔里木河下游生態(tài)輸水的背景進行介紹,通過對生態(tài)輸水后地下水位恢復(fù)情況、地下水礦化度變化、植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)以及生態(tài)輸水對土地沙漠化情況影響的分析,由此反映生態(tài)輸水的效益,從而對塔河下游生態(tài)輸水中存在的問題進行探討。

塔里木河是我國最長的內(nèi)陸河，下游357km河道斷流近30年，近些年，塔里木河生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，我國為促進塔里木河流域退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，搶救生態(tài)環(huán)境，多次向下游實施應(yīng)急輸水。本文在掌握塔里木河概況的基礎(chǔ)上，研究塔里木河下游應(yīng)急輸水的基本情況，并以此研究生態(tài)輸水對下游水生態(tài)環(huán)境影響，希望對塔里木河的生態(tài)保護有所幫助。

塔里木河下游是新疆生態(tài)環(huán)境問題比較突出的地區(qū)。為改善該地區(qū)惡化的生態(tài)環(huán)境,國家自2000年起向塔里木河下游實施了18次以生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護為目的的生態(tài)輸水工程。近20a來,塔里木河下游地下水位隨輸水次數(shù)增加呈不斷上升趨勢,生態(tài)植被不斷修復(fù),生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)。尤其是2017年實施第18次生態(tài)輸水后,下輸水量及其影響范圍取得較大突破,引起社會高度關(guān)注。通過近20a的斷面來水監(jiān)測資料,從水量、水質(zhì)、地下水變化、植被恢復(fù)等方面,初步分析輸水對生態(tài)環(huán)境的影響。同時,對前人研究的成果進行梳理和延展,使其對今后塔里木河下游的生態(tài)調(diào)度和科學(xué)管理起到指導(dǎo)作用。經(jīng)分析得出以下結(jié)論:(1)雖然生態(tài)輸水量基本都補給了生態(tài)植被和河道兩側(cè)的地下水,但持續(xù)性輸水才是保證下游脆弱的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的根本途徑。(2)輸水使下游生態(tài)環(huán)境得到改善,現(xiàn)生態(tài)植被正在恢復(fù),地下水位逐步抬升,地下水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。(3)采用汛期輸水和間歇機動式調(diào)度,可使輸水效益達到最大化。

根據(jù)塔里木河下游的地下水位、植物調(diào)查數(shù)據(jù),對比分析了塔里木河下游生態(tài)輸水后地下水位、生物量、物種多樣性變化。結(jié)果表明:實施生態(tài)輸水工程后,地下水位對生態(tài)輸水的響應(yīng)顯著,地下水位逐漸抬升,下降趨勢得以控制。草本植物生物量的變化趨勢與每次輸水量變化趨勢基本一致,即隨著輸水量的增加草本植物的生物量也相應(yīng)增加,草本植物生物量對生態(tài)輸水的響應(yīng)程度與輸水的時間、輸水量的多少有密切關(guān)系。地下水位埋深上升,物種多樣性也呈上升趨勢,但二者并不是同步,物種多樣性上升趨勢滯后于地下水位的上升,這表明地下水位的抬升有利于植物多樣性的增加,但是地下水位變化對植物多樣性的影響是一個漸變的過程。

依據(jù)樊自立等人對人工綠洲、天然綠洲的定義及分類,對塔里木河下游人工綠洲、天然綠洲包含的要素進行提取,并根據(jù)前人對干旱區(qū)人工、天然綠洲適宜配比的研究,結(jié)合相應(yīng)的遙感影像數(shù)據(jù),對塔里木河下游1990—2000年、2000—2010年人工綠洲和天然綠洲的變化規(guī)律及其比例進行分析,探討該區(qū)人工綠洲和天然綠洲的適宜配比。主要結(jié)果為:1990—2010年期間,塔里木河下游人工綠洲平均以19.09km~2/a的速率增加,而天然綠洲平均以13.20km~2/a的速率減少。輸水前在生態(tài)系統(tǒng)的退化過程中,高覆蓋草地面積減少了43.91%,湖泊面積100%消失,同時水庫面積減少了45.28%；輸水后,高覆蓋草地面積減少量大有好轉(zhuǎn),10a間只減少了6.79%,水庫面積增加了392.44%。塔里木河下游流域在生態(tài)輸水前,耕地增加了12.31%,生態(tài)輸水后,耕地增加了30.37%。1990—2010年間,而綠洲總面積(人工+天然)不變,變化主要是發(fā)生在人工綠洲與天然綠洲之間的相互轉(zhuǎn)化,天然綠洲逐漸被人工綠洲替代,平均每增加1份面積的人工綠洲就要失去1.1份天然綠洲。

以塔里木河下游為研究區(qū)域,分析了生態(tài)輸水工程實施以來該區(qū)地下水埋深、水質(zhì)、植被生長狀況的不同響應(yīng)程度。研究表明:生態(tài)輸水工程使得原本較低的地下水位在一段時間內(nèi)得到抬升,局部生態(tài)環(huán)境得到改善,尤其在輸水中期(2003-2005年),植被物種組成發(fā)生變化,物種多樣性增加,植被蓋度提高,地下水水質(zhì)有所好轉(zhuǎn);但2007年以后,尤其是2008年,隨著輸水的間斷,下游地下水位開始回落,草本植物物種數(shù)量又開始減少,因此,生態(tài)輸水工程必須持續(xù)進行才能真正挽救塔里木河下游生態(tài)環(huán)境。

塔里木河是我國最長的內(nèi)陸河。為了搶救塔里木河下游生態(tài)環(huán)境,2000~2003年向斷流30余年的下游500km左右的天然河道,實施了5次應(yīng)急輸水。在收集了對5次輸水后生態(tài)修復(fù)評價的大量資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合第6次和第7次輸水,對生態(tài)響應(yīng)進行了進一步研究,并提出了進一步擴大輸水生態(tài)修復(fù)影響范圍的人工輔助措施,通過分河段、分區(qū)域合理配置水資源,以實現(xiàn)塔河流域生態(tài)修復(fù)的總體目標。

基于塔里木河下游8次生態(tài)輸水資料和植被調(diào)查,從輸水時間與天然植被落種時間的生態(tài)默契角度,分析了8次輸水時間、水量以及博斯騰湖與塔里木河來水的規(guī)律,并根據(jù)塔里木河下游32種植物的落種時間,分別從不同喬、灌、多年生草本和一年生草本植物的落種與河道過水時間的相關(guān)性,對目前輸水時間的合理性進行了評判,從塔里木河下游天然植被生態(tài)恢復(fù)的角度,提出了塔里木河下游最適宜的輸水時間。結(jié)果顯示:①由于調(diào)水沿途損耗較大,目前輸水正以博斯騰湖調(diào)水向依靠塔里木河來水轉(zhuǎn)變,因此,塔里木河有沒有水向下游輸送是生態(tài)輸水的先決條件;②前8次輸水過程中,過水時間主要集中在4-6月和8-10月兩個時間段,這是由于博斯騰湖水量49.73%在4-6月;而塔里木河水量82.33%集中在8-10月;③從8次輸水看,由于沒有考慮到天然植被的落種更新問題,因此,河道過水時間與天然植被的相關(guān)性偏低,塔里木河來水的輸水時間較博斯騰湖更為合理;④從下游喬、灌、草落種時間看,最適宜的輸水時間是7-9月;從塔里木河給水時間的可行性看,每年最佳的給水時間是8月中旬到9月底。

塔里木河下游大西海子水庫以下河段自1972年至2000年發(fā)生的持續(xù)斷流是綠色走廊生態(tài)劣變的主要原因。從2000年5月至2011年11月,塔里木河下游共進行了10次生態(tài)輸水。本文利用輸水期間的地下水監(jiān)測資料,運用水均衡法對大西海子以下河段歷次輸水過程中的水量轉(zhuǎn)化進行了計算,量化了河道水量的轉(zhuǎn)化項與塔里木河下游地下水的恢復(fù)程度,揭示了塔里木河下游河道徑流-補給轉(zhuǎn)化-蒸騰耗散的水文過程,文中結(jié)論可為今后進一步優(yōu)化輸水方案、合理配置區(qū)域水資源以及植被的有序恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

塔里木河下游生態(tài)應(yīng)急輸水的思考——塔里木河是我國最大的內(nèi)陸河，干流總長1321km，流域總面積102萬km2，多年平均天然徑流量398.3億m3，水資源總量429億m3。塔里木河流域歷史上植被較好，但長期以來人們在發(fā)展經(jīng)濟的過程中對水資源開發(fā)利用不盡合理，使流域生態(tài)...

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，科技工作者對產(chǎn)品的研發(fā)力度不斷加大，這些科技產(chǎn)品為我們的工作生活提供了便利，其中，3s技術(shù)更是在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。本文對其進行了探究，以期3s技術(shù)為今后的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作做出貢獻。

為有效實現(xiàn)四川省生態(tài)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測,運用rs、gis和gps技術(shù),以2004年中巴資源衛(wèi)星(cbers-02)遙感影像數(shù)據(jù)為信息源,2000年tm遙感影像解譯的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對2004年遙感影像進行解譯,修改2000年數(shù)據(jù)庫;手持gps接收機,在野外對解譯成果進行驗證,更新數(shù)據(jù)庫;利用gis技術(shù)的空間分析功能,提取出2000～2004年期間土地利用/覆被變化信息,得到2000～2004年期間四川省高精度的土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)庫。最后對四川省土地利用/覆被變化信息進行分析,對四川省生態(tài)環(huán)境的下一步研究指名了方向。

以塔里木河下游生態(tài)輸水后胡楊披針形葉和寬卵形葉作為實驗材料,對這兩種異形葉水勢的日、月變化規(guī)律進行了比較研究。結(jié)果表明,兩種異形葉水勢的日變化趨勢基本一致,大體上略呈單峰形,在午后14:00—18:00期間出現(xiàn)全天最低值;胡楊兩種異形葉水勢的月變化趨勢也大體相同,表現(xiàn)為從5—8月阿拉干斷面胡楊兩種異形葉水勢均呈先降低后增高的趨勢;亞合浦馬汗斷面b1和b2井位處胡楊葉水勢呈逐漸增高趨勢,b3井位處胡楊披針形葉水勢先降低后增高,7月最低。運用國際通用軟件spss10.0對氣溫、地下水埋深與胡楊兩種異形葉水勢之間的關(guān)系進行了相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)它們之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。該研究對了解不同環(huán)境因子對胡楊兩種異形葉水勢的影響效應(yīng)以及生態(tài)輸水對塔里木河下游不同斷面局部小氣候的調(diào)節(jié)和改善作用有一定的參考意義。

根據(jù)連續(xù)多年監(jiān)測獲得的塔里木河下游地下水位、植被數(shù)據(jù),對比分析了塔里木河下游生態(tài)輸水后地下水位、生物量、物種多樣性的變化。結(jié)果表明:實施生態(tài)輸水工程后,地下水位變化顯著,地下水位逐漸抬升,下降趨勢得以控制。草本植物生物量的變化趨勢與每次輸水量變化趨勢基本一致,即隨著輸水量的增加草本植物的生物量也相應(yīng)增加,輸水的時間、輸水量的多少對草本植物生物量有較強影響。地下水位埋深上升,物種多樣性也呈上升趨勢,但二者并不同步,物種多樣性上升趨勢滯后于地下水位的上升,這表明地下水位的抬升有利于植物多樣性的增加,但是地下水位變化對植物多樣性的影響是一個漸變的過程。

3s技術(shù)可實現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變各要素的綜合、動態(tài)、實時監(jiān)測,是進行生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與研究領(lǐng)域不可替代的重要觀測手段和信息處理工具。本文通過介紹生態(tài)環(huán)境監(jiān)測必要性、3s發(fā)展歷程及總結(jié)該技術(shù)在生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與演變分析研究中的優(yōu)勢及特點,對3s技術(shù)在我國生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了綜合分析；基于對地綜合觀測系統(tǒng)的全球發(fā)展視角,從監(jiān)測內(nèi)容尺度、技術(shù)研究方法、監(jiān)測分析手段及多源技術(shù)融合等方面闡述了3s技術(shù)在我國生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域面臨的機遇與挑戰(zhàn)。

以生態(tài)輸水后地下水動態(tài)變化引起的地表植被生物量差異為出發(fā)點,探討生態(tài)輸水對塔里木河下游植被恢復(fù)價值的影響。首先,利用生態(tài)輸水前后地下水動態(tài)變化和地表植被響應(yīng)的長期監(jiān)測資料,以塔里木河下游考干斷面為例,在垂直于河道方向上長2000m、平行河道方向?qū)?00m的樣帶內(nèi),選取2000年10月、2007年9—10月、2015年10月的植被監(jiān)測與稱重資料數(shù)據(jù);其次,借鑒國內(nèi)外生態(tài)經(jīng)濟價值量化方法,綜合地表植被響應(yīng)價值和地下水抬升的潛在價值計算輸水后地表植被恢復(fù)價值。結(jié)果顯示:(1)在塔里木河下游地區(qū),生態(tài)輸水使得地下水位明顯抬升,水位的抬升幅度隨著距河道距離的增加逐漸降低,植被蓋度也隨著距河道距離的增加呈現(xiàn)降低趨勢;在距河道1000m以外,地下水位與植被蓋度變化不明顯;(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%,并且這兩個時段植被新增生物量與距河道距離均呈現(xiàn)顯著相關(guān);(3)根據(jù)16次生態(tài)輸水監(jiān)測資料,計算出2007年與2015年該區(qū)間100m寬的樣帶因輸水而投入的水資源價值分別為8266.5元、14805元,輸水后植被總體恢復(fù)價值分別為53811.67元、83334.62元,投入產(chǎn)出比分別為1∶6.507、1∶5.63,說明生態(tài)輸水的經(jīng)濟效益十分明顯。

針對傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方法的不足,論述了\"3s\"技術(shù)的特點與優(yōu)勢,并結(jié)合\"四川省岷江中上游生態(tài)環(huán)境遙感綜合調(diào)查與評價\"項目,介紹了應(yīng)用\"3s\"技術(shù)進行生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的方法和流程。

為有效緩解塔里木河(以下簡稱“塔河”)下游生態(tài)進一步惡化,在塔河流域綜合治理期間實施向塔河下游生態(tài)應(yīng)急輸水任務(wù)。項目實施后塔河下游“綠色走廊”生態(tài)有了明顯改善,有效遏制了塔河下游生態(tài)環(huán)境日益惡化的趨勢,對保護塔河下游生態(tài)環(huán)境及人們生存環(huán)境起到舉足輕重的作用,對本地區(qū)、新疆乃至全國產(chǎn)生重要影響。

“塔里木河下游應(yīng)急輸水與生態(tài)改善監(jiān)測評估研究”屬水利部“十五”科技創(chuàng)新項目，由新疆水利廳、新疆水利水電科學(xué)研究院、新疆塔里木河流域管理局、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、河海大學(xué)共同完成，獲2004年度大禹水利科學(xué)技術(shù)獎二等獎。

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,生態(tài)環(huán)境越來越被人們所重視.在環(huán)境監(jiān)測中傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)逐漸跟不上時代發(fā)展的腳步,現(xiàn)階段中準確安全、全面的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)為3s監(jiān)測技術(shù),3s監(jiān)測技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物.本文從城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測來說明3s監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用做出相應(yīng)的分析.

采用現(xiàn)代化高新技術(shù)對流域生態(tài)環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測,是流域規(guī)劃和綜合治理的重要依據(jù)。本文以塔里木河下游地區(qū)的三期遙感影像及基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于遙感和gis技術(shù),通過分類體系劃分、遙感解譯、生態(tài)模型構(gòu)建,實現(xiàn)了塔里木河下游地區(qū)多源、多類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的定性、定量分析。分析結(jié)果表明:應(yīng)急輸水工程實施后,隨著累計輸水量的逐漸增加,塔里木河下游地區(qū)的中、高植被覆蓋度面積也逐漸增加,非沙漠化和輕度沙漠化面積擴大,而中度沙漠化面積縮小,生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。

2000—2005年,塔里木河流域管理局先后7次向塔里木河下游斷流區(qū)進行了生態(tài)輸水,輸水河道兩岸的植被得到了一定的恢復(fù).以2000—2005的中巴資源衛(wèi)星ccd影像為主要數(shù)據(jù)源,獲得了6a的植被/非植被二值圖,并計算各年的景觀格局指數(shù),分析了6a植被景觀格局的變化.結(jié)果表明:植被景觀動態(tài)度在第四時段(2003—2004年)最大,為47.83%;在第三時段(2002—2003年)最小,為-1.39%;2000—2005年植被景觀的動態(tài)變化呈正向趨勢.2000—2005年,植被景觀斑塊個數(shù)與景觀形狀指數(shù)增加,蔓延度指數(shù)下降了36.9,斑塊結(jié)合度指數(shù)均高于99,表明研究區(qū)的植被景觀破碎化程度、分離程度增加,而景觀類型聯(lián)通性較高.植被斑塊面積均處于增加趨勢且遠離河道植被恢復(fù)率越小,但植被景觀的比重仍小于50%,說明非植被類型是研究區(qū)的基質(zhì)類型,組成了景觀的最大斑塊.針對緩沖區(qū)zone1,植被景觀的平均分維數(shù)處于減小趨勢且2005年的斑塊個數(shù)最小,斑塊結(jié)合度指數(shù)處于增加趨勢,表明近河道區(qū)域植被較為穩(wěn)定,受生態(tài)輸水的干擾度較小,植被景觀斑塊之間越來越聚集.6a間zone1的植被最大斑塊指數(shù)均大于10%,遠高于其它5個緩沖帶,表明離河道越近植被景觀的優(yōu)勢度最大.