水系连通工程下博斯腾湖矿化度时空变化及其驱动因素研究

陈世峰，陈亚宁，周洪华 ，夏振华，叶朝霞，程 勇,杨疆卫，邢延霞，甄炳仁，克帕也木·尔肯，高玉亮

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 研究背景

干旱区湖泊水环境问题是影响区域可持续发展的重大课题。博斯腾湖位于新疆天山南麓的焉耆盆地，曾是我国最大的内陆淡水湖，也是巴音郭楞蒙古自治州人民的“母亲湖”[1]。近几十年来，在人类水土开发活动和气候变化的综合影响下，博斯腾湖出现了水质咸化、有机污染及富营养化等一系列水环境问题，引起了学者和政府的高度关注[2-5]。矿化度是博斯腾湖的主要水质指标之一，反映湖水的盐度及受到的污染情况[6-8]。研究表明，博斯腾湖矿化度年际变化显著，1970年左右由淡水湖转变为微咸水湖，1987年矿化度达到了最高值(1.87 g/L)，2002年降低到1.17 g/L[4,9-10]，2003-2017年矿化度呈现先上升后下降的趋势。博斯腾湖矿化度年际变化受水盐基底、开都河来水、农田排水、湖区水位、孔雀河出流、气候变化等多种因素的影响，且人类活动改变了博斯腾湖的水盐、水量平衡关系，导致博斯腾湖矿化度年际变化加剧[5,10-12]。

博斯腾湖水环境不但影响流域生态环境安全，也关乎区域社会经济发展。为了改善博斯腾湖水环境，有学者先后提出了黄水沟引水工程和改变出湖口等措施，以促进水循环从而改善湖泊水质[6,13-15]。巴音郭楞蒙古自治州也相继采取一系列治理措施：2017年开展了黄水沟治污“会战”，控制入湖污染物排放；2018年疏通了黄水沟河道，通过该河道向博斯腾湖生态输水1.14×108m3；2019年4月4日启动了水系连通工程，将开都河部分水资源通过解放二渠调向黄水沟，同时通过夏尔吾逊分洪闸向黄水沟下泄生态水，两支河水混合后共同汇入博斯腾湖，此外打开大、小湖隔堤上的生态闸，实现了开都河-黄水沟-大湖区-小湖区的连通。截止2019年10月1日，经黄水沟累计向博斯腾湖生态输水1.742×108m3。

水系连通工程实施后，博斯腾湖矿化度在时空分布上发生了什么变化？矿化度是否得到了改善？导致矿化度时空变化的主要驱动因子是什么？针对这些问题，本文分析了2019年4-10月博斯腾湖矿化度的时空变化特征，评估了水系连通工程对矿化度的影响，并探讨了矿化度年内时空变化的驱动因素，以期为进一步改善博斯腾湖水环境提供科学指导。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

博斯腾湖位于新疆天山南麓的焉耆盆地，属中生代断陷湖，由大湖区和小湖区两部分组成。大湖区是湖体的主要部分，当水位为1 049.1 m时，东西长55 km，南北平均宽20 km，水面面积1 210.2 km2；湖盆呈深碟状，平均水深7.5 m，最大深度16 m。小湖区位于大湖区的西南部，由达吾松等16个小湖和大片芦苇沼泽湿地以及部分碱地、牧地等组成，总面积350 km2[1]。大湖西北岸是育苇区，也是博斯腾湖生态系统的重要组成部分，以东风干排为界，北面为黄水沟区，南面为大湖西岸区(简称西岸区)[5]。主要补给径流有开都河、黄水沟、清水河等，其中开都河是常年性河流，出山口多年平均径流量为35.05×108m3，在宝浪苏木分水枢纽分为东、西两支，东支进入大湖，西支进入小湖；黄水沟在1964年建成夏尔吾逊分洪闸后改道进入开都河，而原河道成为该地区的主要排污渠；清水河在洪水季节有少量洪水进入博斯腾湖[5]。湖区多年平均降水量为68.2 mm，年蒸发量为1 800～2 000 mm[16]。

博斯腾湖是我国芦苇主产地和新疆两大渔业基地之一，承担着向孔雀河流域提供农业、工业、生活、生态用水以及向塔里木河下游进行生态输水等功能，其作用和意义十分重大[17]。研究区博斯腾湖概况图如图1所示。

2.2 数据来源

于2019年4、6、8、10月，对博斯腾湖黄水沟区、西岸区、大湖区和小湖区进行了定点采样，检测指标包括矿化度(TDS)和水温(WT)。共布设样点75个，涵盖入湖口、出湖口、湖中心、旅游景区、河道、苇区、干排、扬排站等关键位置，基本能反映博斯腾湖矿化度空间分布情况，采样点分布见图1。除少数河道、干排等由于水浅或靠近岸边而采自水面下10 cm 外，其余大多数样点采自水面下50 cm左右，其中TDS采用DDBJ-350型便携式电导率仪(基本误差：±1.0%(FS))进行检测，水温由PHB-4便携式酸度计(精度：±1 ℃)测量。入湖、出湖水量及水位数据来源于塔里木河流域巴音郭楞管理局。

图1 研究区博斯腾湖概况图

2.3 研究方法

采用ArcGIS 10.6对矿化度进行空间插值，插值方法采用反距离权重法。以“平均值±标准差”的形式表示矿化度的平均值及离散程度。相关分析在SPSS软件中进行。入湖、出湖矿化度负荷量根据公式(1)～(3)进行计算。

VI=VH·TH+VB·TB

(1)

VO=VK·TK

(2)

VL=VI-VO

(3)

式中：VI、VO、VL分别为入湖、出湖和滞留湖泊的矿化度负荷量，104t；VH、VB、VK分别为黄水沟生态输水、宝浪苏木分水枢纽(东、西支)和孔雀河塔什店水文站水量，104m3；TH、TB、TK分别为南大闸、宝浪苏木和火电厂运煤桥采样点的矿化度，g/L。

3 博斯腾湖矿化度时空变化特征

3.1 矿化度空间变化特征

于2019年4月4日启动了博斯腾湖水系连通工程，图2为博斯腾湖2019年4-10月矿化度的空间分布情况。由图2可以看出：(1)生态输水初期(4月份)，黄水沟区大部分水域矿化度为2.0～3.0 g/L，部分农田排渠、扬排站和苇区达到了3.0 g/L以上；西岸区矿化度北部高，南部低，但是部分苇区也较高，为2.0～3.0 g/L；大湖区仅西南角小部分水域矿化度低于1.0 g/L，其余水域均为1.0～1.5 g/L；小湖区西部、中部及大、小湖区隔堤附近的大部分水域矿化度低于1.0 g/L，2号桥附近水域为1.5～2.0 g/L。(2)随着黄水沟生态输水(6月份)，黄水沟区主河道矿化度自西向东下降显著，但是部分扬排站和农田排渠仍然非常高；西岸区绝大部分水域矿化度在2.0 g/L以上，部分苇区达到了3.0 g/L以上；大湖区西北部、东北部及东南部矿化度高于西南角；小湖区西部、中部低，东部、东南部及察乡泵站苇区较高。(3)水系连通工程实施4个多月后(8月份)，黄水沟区的农田排渠和苇区矿化度均在3.0 g/L以上；西岸区苇区均在2.0 g/L以上，D苇区达到了10 g/L以上；大湖区西南部水域矿化度升至1.0～1.5 g/L，其余水域均为1.5～2.0 g/L；小湖区西北部、开都河西支入湖处及东北部矿化度较低，南部和察乡泵站苇区较高。(4)到了10月份，黄水沟区中部及南部部分苇区和农田排渠矿化度较高，在3.0 g/L以上，南大闸降低至1.0 g/L以下；西岸区北部、中部较低，南部较高；大湖区大部分水域矿化度为1.0～1.5 g/L，西南部小于1.0 g/L水域扩大十分明显，西北部出现了矿化度小于1.0 g/L的零星水域；小湖区绝大部分水域矿化度在1.0 g/L以下。

图2 2019年4-10月博斯腾湖矿化度空间分布

总体而言，2019年4-10月份，博斯腾湖大湖区矿化度为1.5～2.0 g/L的水域呈现出由西北向东北部、东南部，再向全湖扩散的趋势；小湖区矿化度为1.0～1.5 g/L的水域呈现出由东向西扩散的趋势；10月份大、小湖区矿化度均明显降低，表明开都河-黄水沟-大湖区-小湖区连通工程有效促进了大、小湖区水循环，降低了大、小湖区的矿化度。

3.2 矿化度时间变化特征

图3为2019年4-10月博斯腾湖各分区矿化度的平均值变化。由图3可以看出：4个分区的矿化度均在8月最高，黄水沟区矿化度6月最低，西岸区、大湖区和小湖区矿化度10月最低；4-6月，黄水沟区矿化度降低，而西岸区、大湖区和小湖区矿化度升高；6-8月，4个分区的矿化度均升高；8-10月，4个分区的矿化度均明显降低。表明博斯腾湖黄水沟区、西岸区、大湖区和小湖区4个分区的矿化度年内变化具有较高的同步性。

图3 2019年4-10月博斯腾湖各分区矿化度平均值变化

进一步分析2019年4-10月博斯腾湖在不同时段及整体矿化度时空变化特征，结果如图4所示。由图4可见，同一区域不同时段矿化度变化差异显著：(1)4-6月，黄水沟区77%的样点矿化度降低，主要分布于干排、苇区及黄水沟河道，而6连扬排站及其附近农田排渠矿化度升高；6-8月矿化度升高的样点增至71%，干排及苇区矿化度升高显著，而6连扬排站及其附近农田排渠矿化度降低；8-10月黄水沟区中部河道矿化度有所上升，其余样点均为降低，尤以苇区及部分干排矿化度降低明显；整个研究时段4-10月黄水沟区矿化度降低的样点占比为80%，干排和黄水沟河道矿化度降低明显，少数苇区有所上升。(2)西岸区4-6月D苇区矿化度上升幅度最大；6-8月大部分苇区矿化度升高，D苇区和W苇区升高最为明显；8-10月除乌兰乡干排略有升高外，其余样点矿化度均为降低，尤其是D苇区；整个研究时段4-10月西岸区样点矿化度均为降低，D苇区最为明显。(3)大湖区4-6月西南部样点矿化度降低，其余样点均为升高，尤其是黄水沟和清水河入湖处及落霞湾水域；6-8月黄水沟和清水河入湖处及落霞湾水域矿化度降低，其余水域均为升高，尤其是西南部；8-10月大湖区所有样点矿化度均为降低，西北部、金沙滩、中南部及隔堤旁矿化度降低较为明显；整个研究时段4-10月大湖区仅在开都河入湖处矿化度略有升高(升高0.05 g/L)，其余样点矿化度均为降低，西北部和东南部最为明显。(4)小湖区4-6月矿化度升高的样点占比为71%，察乡泵站苇区和2号桥附近水域矿化度升高最为明显，矿化度降低的样点在湖区北部，但变化值较小；6-8月东北部矿化度有所降低，其余样点均为升高，2号桥附近水域升高较为明显；8-10月小湖区所有样点矿化度均为降低，察乡泵站苇区和2号桥附近水域矿化度降低最为明显；整个研究时段4-10月小湖区东部矿化度降低，西部矿化度略有升高。

图4 2019年4-10月博斯腾湖在不同时段及整体矿化度变化特征

4 博斯腾湖矿化度驱动因素分析

4.1 水系连通工程对矿化度的影响

选取黄水沟河道6个关键采样点(1#～6#样点，见图1)，对2019年4-10月该6个关键采样点的矿化度变化进行分析，结果见图5。图5表明，向黄水沟生态输水有助于改善黄水沟河道矿化度，如南大闸(5#样点)矿化度从4月的1.975 g/L降低到了6-10月的平均值0.961 g/L。但黄水沟河道矿化度受排水的影响，输入黄水沟生态水为低矿化度水，属于淡水，但在汇入了黄水总干排等排水之后，矿化度升高明显，沿途整体呈递增趋势(图5)。表明排水入河是黄水沟矿化度升高的主要原因。在水系连通工程下，应严格控制入河排渠的水质。

图5 2019年4-10月黄水沟河道关键样点(1#～6#样点)矿化度变化

大湖区西北部由于水循环较差，尤其是农田排水、工业废水和生活污水的排入导致其成为全湖污染最为严重的水域，矿化度曾高达3.9 g/L；东南角由于水体交换缓慢，矿化度也较高[5-6,11,13]。在水系连通工程下，大湖区水体交换能力加强。初期(4-6月)由于黄水沟河道高矿化度水的输入，导致西北角矿化度升高；中后期(6-10月)随着黄水沟河道矿化度的改善，西北角矿化度也随之降低(图4)。但是由于西北部矿化度历史基底高，在水系连通工程下，水体受到扰动，加上风场等因素的共同驱动[5,18]，造成了1.5～2.0 g/L矿化度水体在湖区的扩散；到了10月份，大湖区水体得到置换和沉淀，矿化度明显改善(图2)。

小湖区部分水域水流缓慢、芦苇腐殖质较多[11]、土地盐碱化严重，在大湖区-小湖区连通工程下，有效促进了水循环，同时造成了1.0～1.5 g/L矿化度水体的扩散和水体的置换(图2)。4-10月东部矿化度下降明显，但一定程度上造成了西部矿化度略有上升(图4)。

综上所述，开都河-黄水沟-大湖区-小湖区连通工程对改善博斯腾湖矿化度空间分布作用显著，同时水体在空间的扩散也影响了矿化度年内随时间的变化。

4.2 水量与矿化度关系分析

影响博斯腾湖大、小湖区矿化度的水量因素有入湖流量、出湖流量和水位等。水系连通工程实施后，博斯腾湖大湖区的入湖径流主要是开都河东支和黄水沟，出湖口包括两个生态闸、两个泵站(在博斯腾湖管理处)，以泵站为主；小湖区的入湖口是开都河西支和两个生态闸，出湖口是达吾提闸和莲花闸。本文以汇合大、小湖区出湖水的塔什店水文站径流为出湖水量。

图6为2019年4-11月博斯腾湖入湖和出湖流量及水位变化。图6中依据时间顺序，将博斯腾湖水量变化划分为4个阶段：启动生态输水至第1次采样前为第1阶段，第1次采样后至第2次采样前为第2阶段，依次类推。黄水沟生态输水在第2阶段日均输水量最大，达到了126.0×104m3/d，其次依次为第4阶段、第1阶段和第3阶段(图6(a))。开都河东支在第3阶段的平均流量最大，为134.3 m3/s，其次依次为第2阶段、第4阶段和第1阶段(图6(b))。大湖区水位呈逐渐上升趋势，第4阶段平均水位最高，为1 048.23 m(图6(c))。开都河西支流量变化不同于东支，第2阶段平均流量最大，为55.5 m3/s，其次依次为第3阶段、第1阶段和第4阶段(图6(d))。小湖区水位整体上与大湖区水位变化规律一致，4个阶段呈逐渐上升趋势(图6(e))。塔什店水文站在第3阶段平均流量最大，为106.97 m3/s，其次依次为第2阶段、第1阶段和第4阶段(图6(f))。

图6 2019年4-11月博斯腾湖入湖和出湖流量及水位变化

博斯腾湖大、小湖区的矿化度与水量因素Pearson相关系数(表1)显示：大、小湖区矿化度与入湖、出湖流量均呈正相关，其中大湖区矿化度与出湖流量的相关性达到了极显著性水平；大、小湖区矿化度与水位均呈负相关，但均未通过显著性检验。表明入湖、出湖流量增加(减少)引起了矿化度升高(降低)，水位上升对矿化度具有微弱的稀释作用。但是根据前人研究，在年际变化上，入湖流量增大会稀释矿化度，出湖流量增大会通过促进水循环而降低矿化度，水位与矿化度呈极显著负相关[4,11]。如果没有其他因素影响大、小湖区矿化度，那么随着入湖、出湖流量的增加，矿化度会降低。但是在入湖、出湖径流均增加(减少)的情况下，矿化度也随之升高(降低)。这表明，在水系连通工程下，由于水体受到扰动、较高矿化度水体在湖区的扩散等因素，导致入湖、出湖流量对矿化度的影响不明显，直到第4阶段水位对矿化度的稀释作用才凸显出来。从这个意义上讲，出湖口水流矿化度能反映水系连通后水体扰动等情况。分析发现，孔雀河火电厂运煤桥处矿化度与大、小湖区矿化度均呈正相关，相关系数分别为0.997(p<0.01)和0.928。

表1 博斯腾湖大、小湖区矿化度与水量因素的相关系数

4.3 水温与矿化度关系分析

水温是湖泊物理、化学和生物过程的主要驱动力之一[19-20]。博斯腾湖2019年4-10月的平均水温(表2)显示：4-8月，大、小湖区水温逐渐升高，变化幅度分别为8.4 和5.8 ℃；8-10月，大、小湖区水温迅速降低，下降幅度分别为17.3 和15.9 ℃；育苇区4-6月升高5.4 ℃，6-8月变化幅度不大，8-10月下降13.8 ℃。表明博斯腾湖水温变化幅度依次为大湖区>小湖区>育苇区。博斯腾湖各区域矿化度与水温的散点图及线性关系见图7。分析图7可知：大、小湖区水温与矿化度均呈极显著正相关，相关系数分别为0.650和0.372(p<0.01)；育苇区水温与矿化度呈显著正相关，相关系数为0.229(p<0.05)，表明博斯腾湖矿化度与水温变化密切相关。在大、小湖区，可能是4-8月水温的逐渐升高引起了湖中可溶性盐类物质溶解加速，使得湖水矿化度逐渐升高；8-10月水温的迅速降低使得各种可溶性盐类的溶解性降低，故矿化度迅速减小[21]。同时，博斯腾湖地处极端干旱区，年均蒸发量可达9.5×108m3，且主要集中在4-8月[5]。随着湖中大量水分被蒸发，原溶解于被蒸发水中的可溶性盐仍滞留于湖中，导致湖水矿化度不断升高。两者共同作用导致了博斯腾湖矿化度随水温升高而增大，随水温降低而减小。

图7 博斯腾湖各区域矿化度与水温的散点图及线性关系

℃

表2 2019年4-10月博斯腾湖不同区域月平均水温

4.4 入湖、出湖矿化度负荷量分析

研究期各阶段博斯腾湖入湖、出湖水量及矿化度负荷量如表3。由表3可以看出，第1、第2、第3阶段入湖矿化度负荷量小于出湖矿化度负荷量，表明博斯腾湖矿化度排出量大于接收量；第4阶段在湖中滞留4.19×104t矿化度，表明入湖矿化度负荷量与大、小湖区矿化度年内变化密切相关，但出湖矿化度负荷量不是矿化度年内变化的主要原因；低矿化度入湖径流量增加有助于改善博斯腾湖的矿化度，严格控制入湖径流量尤其是黄水沟径流的矿化度，有助于减小博斯腾湖入湖矿化度的负荷量；出湖径流量增加有助于降低博斯腾湖矿化度；科学调控入湖、出湖水量并严格阻止污水入河、入湖是改善博斯腾湖矿化度的关键。

表3 研究期各阶段博斯腾湖入湖、出湖水量及矿化度负荷量

5 结 论

本文分析了开都河-黄水沟-大湖区-小湖区连通工程实施后博斯腾湖水质矿化度的时空变化，并探讨了驱动矿化度时空变化的影响因素，对进一步改善博斯腾湖水环境具有一定指导意义。主要结论如下：

(1)水系连通工程的实施使黄水沟河道(南大闸)矿化度降低了0.5～1.0 g/L，促进了博斯腾湖大、小湖区水循环，同时造成1.5～2.0 g/L和1.0～1.5 g/L矿化度水体分别在大、小湖区的扩散，但大、小湖区水体得到置换及沉淀后，矿化度改善明显，尤其是大湖区西北角和东南部、小湖区东部，分别下降了0.3～0.5 g/L和0～1.5 g/L。

(2)博斯腾湖黄水沟区、西岸区、大湖区和小湖区矿化度变化具有较高的同步性，均在8月最高，黄水沟区矿化度6月最低，西岸区、大湖区和小湖区矿化度10月最低。

(3)水系连通工程的实施对促进博斯腾湖水体交换，改善博斯腾湖矿化度空间分布作用显著；较高矿化度水体的扩散和湖水水位，尤其是水温等因素共同驱动了矿化度年内随时间的变化。通过水系连通工程，科学调控入湖、出湖水量并严格阻止污水入河、入湖是改善博斯腾湖水质矿化度的关键。