生态输水工程对水系连通的多维影响：以塔里木河为例

胡瑞媛，畅建霞，邓铭江，2，周海鹰，郭爱军，王义民

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 研究背景

跨流域调水、生态输水等工程的实施，打破了当地原有的水资源时空分布格局，形成了水系连通的水网格局[1-2]。纵横交织的河湖水系的网络，改变了河流的自然形态特征，导致水系的形态、结构和功能连通发生变化，使流域具有行蓄洪水、排水输沙、灌溉供水、维护生态等多种功能，为系统调配水资源、高效利用水资源提供基础条件，为统筹解决水资源、水生态、水环境、水灾害问题，保障水安全、生态安全，提供有力支撑。我国水利发展“十二五”规划中曾正式提出河湖水系连通，将水系连通上升到江河治理重大战略层次[3-4]。

干旱区水资源短缺是经济社会发展的主要制约因子，区域内水资源时空分布不均，河流多为季节性河流，断流常有发生，生态环境极为脆弱[5-6]。与此同时，人类活动过度取用水资源，导致河流断流、植被退化和土地荒漠化等问题，严重威胁着干旱区流域生态安全[7]。干旱区流域的水系连通工程对于生态与经济社会可持续发展意义重大[8-9]。

目前对水系连通的研究大多关注湿润区平原河网地带[10]，如漫滩水体与湖泊之间的横向连通性[11]，水库调度与河流纵向连通性之间的关系[12]，极端洪水事件对河网水系连通的影响[13]。研究内容多从结构与功能两个方面展开[14-17]。结构连通是指湖泊、河流、水库、沼泽等湿地水体景观在空间层面上的连续性，目前研究主要从纵向、横向、垂向3个空间维度和1个时间维度展开[18]。水系功能连通指的是水系连通空间格局与流域之间相互作用对流域生态环境产生的影响，如供水功能、水质净化功能、生物多样性维持功能与水量调节功能等[19]。水系连通的研究方法主要有水文和水力学、连通性函数、图论、景观生态学等[18-20]。目前水系连通评价指标大多基于实测数据，需要耗费一定的人力物力资源，因此在对缺资料地区的应用往往受到限制；此外，现有研究大多侧重于横向或纵向某一维度或某几种功能的水系连通指标的构建。总体来看，从横向、纵向、垂向、时间多个维度构建结构连通评价指标，综合多种生态系统服务功能构建功能连通评价指标，是未来水系连通的研究方向。

本文旨在探究生态输水工程对水系连通的多维影响，以塔里木河干流生态输水工程为例，通过Landsat长时间序列遥感影像提取水体[21]，运用图论法[20]、景观格局指数法[22]构建评价指标，分析生态输水工程对水系连通的多维影响，主要内容包括：(1)从形态、结构、功能多个维度构建水系连通评价指标体系；(2)形态、结构、功能连通对生态输水工程的响应特征解析；(3)不同维度水系连通之间的相互作用机制探究。研究成果可以更加客观综合地反映水系连通随生态输水的演变特征，为生态输水实践提供支撑。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区与数据

2.1.1 研究区概况 塔里木河位于新疆南部，是干旱区内陆河之一。研究区域为塔里木河干流(39°30′— 43°08′N，73°10′— 94°05′E)，自三源流汇合口肖夹克到尾闾湖台特玛湖河段，全长1321 km[7]。干流分为上、中、下游，阿拉尔—英巴扎为上游，英巴扎—恰拉为中游，下游是恰拉到台特玛湖，河长分别为495、398和428 km(图1)。塔里木河流域属典型的温带大陆性干旱气候，研究区平均气温10～15 ℃，年降水量30～50 mm，年潜在蒸发量2000～2900 mm[8]，降水对径流的影响可以忽略不计，生态环境脆弱。区域土壤类型主要有棕沙漠土、草甸土和风沙土[23-24]，河流沿途下渗水量大，河流两岸分布有广阔的荒漠河岸林，是阻挡塔克拉玛干沙漠和库木塔格沙漠合拢的绿色屏障，被誉为“绿色走廊”[25-26]。

图1 研究区地理位置及流域概况图

2.1.2 塔里木河下游生态输水工程概况 1970年代，由于流域上中游水资源过度开发利用，以及下游大西海子水库的建设，导致塔里木河下游断流，植被退化。为了防止生态环境持续恶化，2000年起实施以生态恢复为目的的流域综合治理工程，包括节水改造、控制性枢纽工程建设、从源流向下游的生态输水工程和干流的生态闸引水工程等[23-24]。

2001年《塔里木河流域近期综合治理规划报告》[27](以下简称《规划报告》)指出塔里木河流域近期综合治理的目标是通过流域水资源统一管理，增加各源流汇入塔里木河的水量，保证大西海子生态水量指标。在多年平均来水条件下，塔里木河干流阿拉尔来水量达到46.5亿m3，开都—孔雀河向干流输水4.5亿m3，大西海子断面下泄水量3.5亿m3，水流到达台特玛湖，使塔里木河干流上、中游林草植被得到有效保护和恢复，下游生态环境得到初步改善。图2所示为1960—2020年阿拉尔断面年径流量变化图。在下游断流前(1960—1972年)阿拉尔断面多年平均来水量为51.24亿m3，1990年代在三源流山区来水比多年均值偏多10.8亿m3的情况下，阿拉尔年均径流量减少到43.09亿m3，导致干流下游断流。2001年综合治理实施工程之后，阿拉尔年径流量从39.93亿m3增加到51.09亿m3，达到了《规划报告》中46.5亿m3的目标，逐渐接近断流前的状态。

图2 1960—2020年阿拉尔断面年径流量

截至2022年，塔里木河流域已实施生态输水23次，累计输水水量达91.2亿m3，干流修建有生态闸近70座，主要用于沿岸农业和生态灌溉。至此，塔里木河流域逐渐形成以“库-闸-河-湖”互连互通，“三生用水”协调互济，源、干流丰枯互补的水系连通体系[4]，塔里木河下游河流廊道长度和连通时长增加，沿岸植被恢复，生态状况明显好转。

2.1.3 数据基础 本研究中水系形态、结构和功能连通指数计算需要的数据来源于遥感和实测数据，通过长时间序列遥感影像进行水体反演，采用改进的归一化水体指数(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)进行水体识别与提取。水体指数提取自1990—2020年Landsat遥感影像，空间分辨率为30 m，时间尺度为月。为了提高运算效率，以上指标在Google Earth Engine中编程运算，对原始影像进行云量过滤，选取云量小于5%的影像。MNDWI计算如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(1)

式中：Green为Landsat影像绿色波段的反射率，波长0.52～0.6 μm；MIR为Landsat影像中红外波段的反射率，波长1.55～1.75 μm。MNDWI的数值范围为-1～1，数值越高表示地物为水体的可能性越大，将MNDWI大于0.01分类为水体[21]。

以1990—2020年月尺度水体指数为底图，运用Arcgis矢量图像编辑器提取河流节点、廊道、斑块信息，作为水系形态连通度与结构连通度计算的基础。

水系功能连通度计算需要的数据包括水文站径流量、水库与生态闸特征数据、植被指数、植被覆盖度、香浓多样性指数、Simpson多样性指数、水域面积。NDVI(Normalized Difference Vegetative Index)植被指数(1990—2020年)基于Landsat遥感影像进行运算，筛选云量小于5%的影像，获取年最大NDVI值。NDVI计算公式如下：

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

(2)

式中：NIR为Landsat影像近红外波段(0.76～0.96 μm)的反射率；Red为Landsat影像红色波段(0.62～0.69 μm)的反射率；NDVI的数值范围为-1～1，数值越高表示地物为植被的可能性越大，通常NDVI大于0被认为是植被。

植被覆盖度FVC运用以下公式计算得到：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(3)

式中：NDVIveg为地表完全覆盖植被时的最大NDVI值；NDVIsoil为地表纯裸地(或无植被覆盖)时的最小NDVI值。

景观指数的计算以1990—2020年土地利用数据为基础。土地利用数据来源于逐年土地覆被产品(Landsat-derived annual land cover product of China(CLCD)，https://zenodo.org/record/5816591)[28]，空间分辨率为30 m，时间序列为1990—2020年。水系功能连通选取的景观多样性指标包括香浓多样性指数SHDI和辛普森多样性指数SIDI，计算公式如下：

(4)

(5)

式中：n为景观中斑块类型总数；pi为斑块类型i在景观中出现的频率。

实测数据包括径流、水库与生态闸相关数据，均来源于塔里木河流域管理局。数据清单如下：径流数据包括1990—2020年阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满、恰拉水文站月径流量、大西海子水库日下泄流量等；水库相关数据包括水库分布、数量、库容、水库建成时间等；生态闸数据包括生态闸数量、分布、建成时间、设计流量、灌溉面积等。

2.2 研究方法

2.2.1 基于拓扑空间网络的形态连通 根据水系连通特点，本文从形态、结构和功能三方面分析水系连通对输水工程的响应。其中，形态响应主要运用图论法和景观生态学理论，将河网水系抽象成节点、廊道、斑块，以此构建拓扑空间网络表征河流外观连通情况[18]，来反映河网发育程度与形态特征，这是流域物质循环、能量流动、生物迁移的物理基础。具体而言，水系形态连通响应指标有节点数量、廊道数量、斑块数量、水系环度、节点连接率、河网连接度、生态网络连通度等[14，18]，见表1。

表1 水系形态连通指标与计算公式

2.2.2 基于河流连续体的时空维结构连通 水系结构连通响应主要从空间和时间多个维度表征水系连通时空演变动态，包括空间上的横向、纵向与时间变化过程[18]。横向连通主要指河道-洪泛区在垂直于河流流向上的连通性，纵向连通主要指河源-尾闾湖/河口沿河流流向上的连通性；时间上，水系连通往往会随丰枯水期呈周期性节律变化。本文使用的结构连通指标与计算公式见表2。

表2 水系结构连通指标与计算公式

2.2.3 考虑生态系统服务功能的功能连通 水系功能连通主要运用生态系统服务功能理论[18]，从水系连通对生态系统服务功能的影响方面进行分析。联合国千年生态系统评估将生态系统服务功能划分为供给、调节、支持、文化四大类[18]。河流径流是流域生产、生活、生态供水的保障，水系连通会对河流供给功能产生影响。用地表径流指数、年平均径流保证率，河损率表征其供给功能。流域内水库，生态闸，引水渠等水利设施的建设，具有蓄滞洪水、削峰补枯、行洪排涝等调节洪水、缓解水旱灾害的功能。用水库调节能力、生态闸调节能力表征其调节功能。水系连通引起的河流形态、流速和水量的变化不仅会对河道内生态过程产生影响，而且会通过地下水位的变化影响河道外维持生物多样性以及提供生境的功能，用植被指数、植被覆盖度、香浓多样性指数等表征其支持功能。以湖泊、水库、河流等为核心打造的水景观有利于文化功能的发挥。以水域景观面积占比表征其文化功能。本文选取的水系功能连通指标与计算公式见表3。

表3 水系功能连通指标与计算公式

计算1990—2020年塔里木河干流上、中、下游26个水系连通指标值，运用归一化方法将以上指标进行无量纲化处理，将逆指标(河损率)转化为正指标，运用层次分析熵权法[29]确定权重，进而对三个维度的指标分别进行加权计算，即可得到每个维度的水系连通指标值。

3 结果分析

根据生态输水工程的实施阶段，将研究时段划分成1990—1999年、2000—2010年、2011—2020年，分别代表生态输水工程实施前、实施前期和后期；在空间上将流域分成上、中、下游进行分析。

3.1 水系形态连通对输水工程的响应图3为1990—1999年、2000—2010年、2011—2020年河流廊道和水域斑块分布及数量统计图。

图3 不同时段塔里木河干流上、中、下游河流廊道及水域斑块分布

水域斑块的变化趋势表明：2000年生态输水以来，上、中游小面积斑块数量增多，大面积斑块数量减少，即出现由大面积连续斑块向小面积破碎斑块转化；下游小面积水域斑块数量减少，大面积水域斑块数量增多。表明生态输水以来，在上中游沿途漫溢水量减少，水量主要沿河道向下游输送，因此保证了下游的水系连通和尾闾湖台特玛湖的水域面积。河流廊道的变化趋势表明，上、中、下游河流廊道数量整体增加，其中，中、下游主要以长度在150 km以内的河流廊道数量增加为主。上、中、下游水系形态连通度时段均值计算结果表明，生态输水后塔里木河干流形态连通度整体提升，下游增幅最为显著。其余水系形态连通指标计算结果见表4。

表4 水系形态连通响应结果

3.2 水系结构连通对输水工程的响应1990—2020年上、中、下游水域面积统计结果见图4。自2000年流域生态输水工程实施以来，干流总水域面积平均值呈递增趋势，但2000—2010年，上、中游水域面积平均值减少，这一时期下游水域面积增加。主要原因是为了确保下游大西海子以下多年平均下泄水量3.5亿m3的目标[8]，对干流上、中游引水量进行了控制，加之2006—2009年干流来水偏枯[24]，因此这一时期干流上、中游水域面积减少，下游水域面积增加。2011—2020年流域整体水域面积增加，这一时期径流来水偏丰，经过生态输水前11年的积累，下游断流有了明显改善，地下水位抬升，河流沿程耗水量减少[23-24]，下游维持了更大水域面积和更长时间的水系连通。

图4 1990-2020年塔里木河干流水域面积及年径流量变化图

根据水系连通时长占全年时长的百分比可得到连通时效，结果见图5。随着生态输水工程的实施，干流整体上持续和周期连通的水域面积均有增加。在生态输水初期，上、中、下游持续连通水域面积增幅超过10%。在生态输水后期，上、中游持续和周期连通水域面积增幅减小，这一时期下游持续和周期连通的水域面积增幅显著，增幅分别为11%和6%。后期，生态输水工程对上、中游水系连通的影响渐趋稳定，下游则表现出累积效应。生态输水后流域整体结构连通度呈上升趋势，增幅表现为下游最大，中游次之，上游最小。

3.3 水系功能连通对输水工程的响应计算各时段上、中、下游水系功能连通指标，对其进行归一化处理，按照供给、调节、支持、文化功能对指标进行分类，根据各指标权重(见表3)，进行加权求和，得到四类功能占比图(图6)。

(注：圆环自内而外分别代表1990—1999年、2000—2010年、2011—2020年)

结果表明，上、中游各6类功能变化趋势一致，以供给和支持功能占主导，供给功能呈先减后增趋势，调节和支持功能呈先增后减趋势，文化功能占比减小[30]。2000—2010年供给功能减小主要与地表径流量减少以及农业、生活需水量增加有关。调节功能增加，原因是，这一时期上、中游修建了大量生态闸，用于供给植被生态需水[23-24]。相应的，这一时期，植被长势良好，支持功能增加。2011—2020年径流来水偏丰，可以很好的满足农业、生活需水，因而供给功能增加。这一时期水库、生态闸建设趋于完善，调节功能逐渐稳定。植被长势与生物多样性保持良好[30]，支持功能变化不大。

下游不同时期各类功能占比不同。1990—1999年以调节和文化功能占主导，2000—2010年以调节和支持功能为主，2011—2020年供给功能显著增加，增幅为24%，且各类功能占比渐趋均衡。1990—2000年下游断流，仅大西海子水库有水，因此其调节和文化功能占主导；2000—2010实施生态输水工程，使下游河道连通，河流两岸修建了大量的生态闸，植被逐渐恢复，因此这一时期以调节和支持功能为主[26]；2011—2020年，来水量的增加和持续的生态输水使大西海子下泄水量增加，供给功能提升。随着生态输水工程的持续实施、输水水量的增加，塔里木河下游实现了由单通道生态输水向双通道与面状输水方式的转变，地表水补给地下水，地下水位抬升(从埋深大于9 m恢复到埋深4～6 m)[24]，恢复到植被可以吸收利用的高度，因而沿岸植被种类与数量增加，植被覆盖度与多样性指数升高，维持了沿岸植被长势与生物多样性[8]，这一时期各类功能占比均衡。

研究发现，调节和支持功能之间存在协同效应，供给功能与调节、支持功能之间存在权衡效应。流域植被长势与分布主要受地下水位的影响，植被生态需水主要来源于河道下渗与生态闸引水，因此流域内生态闸与水库的调节功能越完善，越有利于维持生物多样性等支持功能的发挥。农业、生活引水量的增加一方面会挤占生态用水，不利于支持功能的发挥，另一方面对水库调度提出了更高的要求，因而供给功能与调节和支持功能之间存在权衡效应。总体而言，流域功能连通度呈递增趋势，表明生态输水工程的实施，改善了下游断流局面，有利于下游生态恢复和可持续发展，使得各项生态系统服务功能处于协调均衡状态。

3.4 水系多维连通分析1990—2020年水系多维连通计算结果见表5和图7。结果表明上、中游水系连通指数变化趋势基本一致，生态输水后上、中游水系连通指数先上升后渐趋稳定。生态输水后期上、中游结构和功能连通指数持续上升，形态连通指数表现出下降趋势。随着生态输水工程的实施以及上、中游生态闸的建设，上、中游水系形态、结构、功能连通指数逐渐上升，但是水系节点、廊道、斑块等表征水系形态连通的指标值不会随着生态输水工程的实施持续增加，达到某一阈值之后水系形态连通指数将趋于稳定，而水系连通在结构与功能维度上的连通更加持久。2000年生态输水之前，下游长期处于断流状态，因此，水系连通指数呈下降趋势。生态输水工程实施之后，下游水系形态与结构连通指数快速上升，功能连通指数对生态输水的响应存在一定的滞后效应。由于功能连通指数中包含有表征生态系统支持功能的植被指数、植被覆盖与多样性指数等指标，植被恢复对于生态输水的响应存在一定的滞后期，因此水系功能连通指数滞后于生态输水。总体而言，水系连通对生态输水的响应首先体现在形态与结构连通维度，表现为河流廊道、水域斑块数量、水域面积以及连通频率的增加，其次表现在功能连通维度的供给、调节、支持与文化功能的响应。

表5 多维水系连通指数计算结果

图7 塔里木河干流水系多维连通指数计算结果

综合水系连通指数变化趋势与形态、结构、功能连通指数变化趋势一致，生态输水以来流域水系连通度整体提升，下游水系连通度改善最为显著。从趋势来看，上、中游水系连通指数先增加后趋于稳定，下游水系连通指数持续增加。生态输水水量与各维度水系连通指数均表现为正相关(图8)，相关性最大的是下游，依次为中游和上游，并且形态与结构连通指数对输水水量的变化响应更加敏感。因此，可以看出，生态输水对流域水系连通的提升具有积极效益。

(注：**表示显著性水平p<0.05，*表示显著性水平p<0.1)

4 结论

本文从大尺度水域空间格局演变出发，运用长时间序列遥感影像提取水体，结合图论与景观格局指数法，构建水系连通评价指标，研究了塔里木河干流生态输水工程实施前后，水系连通格局的时空演变过程。从形态、结构、功能三个维度构建水系连通评价指标体系，更加全面地反映了水系连通随生态输水的演变特征，可为生态输水实践提供技术支撑。

水系形态连通对输水工程的响应表现为，上、中游水域斑块由大面积连续斑块向小面积破碎斑块转化，下游水域斑块面积和数量增加。水系结构连通对输水工程的响应表明，水域面积随输水水量同步增减，生态输水初期，流域整体持续连通和周期连通的水域面积增加，生态输水后期，上、中游持续连通和周期连通的水域面积渐趋稳定，下游持续连通和周期连通的水域面积继续增加，表现出累积效应。水系功能连通的结果表明调节与支持功能之间存在协同效应，供给与调节和支持功能之间存在权衡效应，给流域管理者的启示是，需要合理分配农业、生活供水量与生态供水量才能充分发挥水系连通的各项生态系统服务功能，实现生态环境和社会经济可持续发展。

生态输水以来上、中游水系连通指数先上升后渐趋稳定。生态输水之前由于断流，下游各维水系连通指数均呈下降趋势，2000年生态输水以来下游水系连通指数开始上升，其中形态与结构连通指数响应较快，功能连通指数响应较慢。水系连通指数随生态输水工程的持续进行存在一定的阈值。水系连通对生态输水的响应首先体现在形态与结构连通维度，表现为河流廊道、水域斑块数量、水域面积以及连通频率的增加，其次表现在功能连通维度的供给、调节、支持与文化功能的响应。多维水系连通评价指标体系的构建，可为其他流域水系连通的研究提供参考借鉴。