穆尼熱·賽買提

(新疆巴音郭楞水文勘測局，新疆 巴音郭楞 841000)

水文系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)是自然界中的兩個(gè)十分復(fù)雜的、又相互交叉的大系統(tǒng)。水量多少、水質(zhì)好壞直接影響生態(tài)系統(tǒng)狀況。反過來，生態(tài)系統(tǒng)(本文中的蘆葦覆蓋率)又影響水的良性循環(huán)。博斯騰湖地處我國的西北干旱區(qū)，水資源相對比較短缺，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。博斯騰湖蘆葦與濕地的其他生態(tài)資源一起形成一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。通過這些資源之間的相互協(xié)同作用，使博斯騰湖濕地表現(xiàn)出天然的生態(tài)功能。蘆葦是湖內(nèi)植物的優(yōu)勢種，其生物量大，分布廣，對博斯騰湖濕地起控制作用，其生態(tài)功能突出體現(xiàn)在調(diào)節(jié)氣候，凈化污水，促淤防蝕，防洪固堤，維持生物多樣性等方面。

博斯騰湖蘆葦區(qū)是個(gè)屬于博斯騰湖的小型生態(tài)系統(tǒng)。所謂的小型系統(tǒng)是否能正常發(fā)展，不致被破壞，又與湖泊水質(zhì)，水量息息相關(guān)。為了定量表示他們之間的關(guān)系，需要建立數(shù)學(xué)模型。從總體來看，對于博斯騰湖蘆葦?shù)难芯枯^少，資料缺乏。建立模型十分困難。所以本文在模型中與水質(zhì)，水量有關(guān)的蘆葦面積為參數(shù)，通過調(diào)查及詢問，分析參數(shù)影響因素剪得相關(guān)關(guān)系，再插補(bǔ)一些年份資料，用ANN人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來模擬與預(yù)測。該方法的特點(diǎn)是：可描述由蘆葦形成的小型生態(tài)系統(tǒng)等復(fù)雜的非線性關(guān)系；模型建立主要依賴于資料，不需要單個(gè)實(shí)驗(yàn)和識別參數(shù)；模型有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能，當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，只需輸入新的資料讓模型再學(xué)習(xí)即可很快跟蹤系統(tǒng)的變化，可操作性強(qiáng)；可以預(yù)測未來當(dāng)輸入因子變化時(shí)生態(tài)系統(tǒng)輸出因子的變化趨勢。

1 博斯騰湖蘆葦變化趨勢

圖1為博斯騰湖1990-2014年年均蘆葦變化圖。從圖中可以看出，1990年至1994年，蘆葦面積幾乎沒有波動變化；1994至1997年間，出現(xiàn)蘆葦面積緩慢增加的趨勢，究其原因，此時(shí)的湖泊來水豐富，人類破壞度較小，周圍居民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度所帶來的湖泊污染現(xiàn)象還未出現(xiàn)。1998-2009年間，出現(xiàn)蘆葦面積大幅下降的趨勢，此時(shí)的湖泊來水十分緊張，多次投入大量人力和物力進(jìn)行抗旱。2010-2014年，蘆葦面積出現(xiàn)換面增長的趨勢。

2 影響因素分析

蘆葦?shù)纳L發(fā)育與環(huán)境條件密切關(guān)系，在不同環(huán)境條件下，蘆葦生長發(fā)育也互不相同。目前來看，蘆葦生育的好壞主要受水水位、溫度、鹽堿等幾個(gè)因子影響。

2.1 氣候因子影響

氣候因子決定蘆葦類型和空間分布。降水量、溫度、太陽輻射等氣候因子的相互作用會對蘆葦生長產(chǎn)生復(fù)雜作用。

溫度不僅決定蘆葦空間分布，而且適度溫度促進(jìn)蘆葦生長，溫度升高蒸散會加強(qiáng)。博斯騰湖年均氣溫總體變化較小，呈緩慢下降趨勢，與蘆葦面積的變化趨勢基本一致。多年平均氣溫11.5℃，年均最低溫度1998年1月份平均溫度達(dá)(-5.0℃),最高則2000年7月份平均溫度達(dá)(35℃)。植物生長離不開光照，日照強(qiáng)度和日照時(shí)間在植物生長過程中起著重要作用。博斯騰湖流域年均太陽輻射總體變化小，年均太陽輻射總量4.186 8 KJ/cm2，2000年出現(xiàn)峰值(6.472 8 KJ/cm2)，最低值出現(xiàn)在1995年(3.980 0 KJ/cm2)。由于博斯騰湖年均溫度與日照變幅不大，氣候因素中主要影響蘆葦生長因素是降雨量波動中的水位升降變化(見圖2)。

圖1 博斯騰湖1965-2000年年均蘆葦面積變化曲線 圖2 水位-蘆葦面積變化趨勢

2.2 水位—礦化度的影響

巴音郭楞自治州環(huán)境監(jiān)測站從2000年對博斯騰湖進(jìn)行檢測，從評價(jià)結(jié)果來看，博斯騰湖水質(zhì)總體為Ⅲ～Ⅳ類，主要污染物是鹽分(總硬度，氯化物和硫酸鹽)與有機(jī)質(zhì)(高錳酸鹽指數(shù))，湖水存在富營養(yǎng)化趨勢；其變化的主要影響因素很多，從相關(guān)性分析來看，與湖泊水位變化關(guān)系密切。博斯騰湖在1990～1999年間，出現(xiàn)連續(xù)低水位，此時(shí)的湖泊來水量較小，用水十分緊張。而從2000年以來，又出現(xiàn)連續(xù)的高水位，目前仍處于防洪線上。由于博斯騰湖水位較高，導(dǎo)致周圍大片農(nóng)田和村莊淹沒，土壤鹽堿化加重。鹽澤區(qū)的葦籽繁殖就受到阻礙，蘆葦莖稈灰綠色，葉粗糙脆硬，節(jié)間變短，鹽量再增加，這類蘆葦死亡率很高(見圖3)。

圖3 礦化度-蘆葦面積 圖4 人口與蘆葦面積2次多項(xiàng)

變化趨勢式變化趨勢

2.3 人類活動影響

博斯騰湖是巴州重要水源地，全州80%的經(jīng)濟(jì)水量和人口依賴于博斯騰湖水生存或發(fā)展。

如圖4看出，人口與蘆葦面積變化進(jìn)行一元回歸分析，擬合度,相關(guān)度 ,這表明蘆葦面積與人口變化趨勢呈顯著性正相關(guān)。1993年隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖區(qū)周圍居民，農(nóng)民開始大幅度破壞蘆葦生長，使蘆葦面積逐步縮減，部分蘆葦?shù)馗煽?，產(chǎn)量呈下降這一情況持續(xù)到2000年末。之后國家重度關(guān)系博斯騰湖水量，水質(zhì)，嚴(yán)禁人類繼續(xù)破壞博斯騰湖胡蘆葦增長。2003年開始蘆葦面積恢復(fù)1980年的蘆葦面積。

3 ANN模型預(yù)測蘆葦面積及模型檢驗(yàn)

利用ANN模型，根據(jù)博斯騰湖氣候因子——降水(總?cè)牒?、水位與礦化度和人口等作為輸入量，預(yù)測博斯騰湖蘆葦覆蓋面積(見表1)。

在博斯騰湖蘆葦區(qū)，做過三次比較詳細(xì)的調(diào)查，分別是1965年，1981年，1992年。1988年也做過粗略調(diào)查。從總體來看，對博斯騰湖蘆葦研究較少，資料相對缺乏。然而，利用已有的資料，通過調(diào)查以及相關(guān)分析等措施，插補(bǔ)一些年份資料，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測和模擬。

圖5 ANN模型模旱地與沼澤地?cái)M值與預(yù)測值擬合度

圖6 沼澤地蘆葦面積ANN模型模擬值與實(shí)值對比曲線 圖7 旱地蘆葦面積ANN模型模擬值與實(shí)值對比曲線

表1 蘆葦分類面積預(yù)測結(jié)果(1998-2000年) 104 m2

從圖5～圖7可以看出，ANN模型模擬效果較好，預(yù)測結(jié)果與1995-1997年實(shí)測值對比(作為參考年)，基本符合最近幾年的實(shí)際。從圖8看出，殘差分布沒有一定的規(guī)律性，都對零隨機(jī)分布，模擬值與預(yù)測值很接近，說明模型有很好的預(yù)測性。

圖8 沼澤與旱地蘆葦面積殘差圖

4 結(jié)語

本文先對蘆葦覆蓋率各影響因素進(jìn)行一元回歸相關(guān)性分析，水位與礦化度用spss13.0對訓(xùn)練集做相關(guān)分析，最后對蘆葦覆蓋率用ANN人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行模擬與預(yù)測。對博斯騰湖蘆葦覆蓋率進(jìn)行科學(xué)客觀的分析，并通過對多年數(shù)據(jù)的分析建立了蘆葦覆蓋率影響因素間的相關(guān)性分析，還對覆蓋率等復(fù)雜的非線性的生態(tài)成分進(jìn)行了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬和預(yù)測。模型的預(yù)測值和模擬值很吻合?？梢灶A(yù)測未來當(dāng)輸入因子發(fā)生變化時(shí)生態(tài)系統(tǒng)輸出因子的變化趨勢也就蘆葦覆蓋面積變化趨勢。這為合理的調(diào)控博斯騰湖生態(tài)環(huán)境提供合理的理論依據(jù)。對巴音郭楞自治州(一下簡稱巴州)的經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

(1)由于博斯騰湖蘆葦氣候因素(氣候，太陽輻射)等因素多年均變化總體變化很小，所以本文主要對入湖總水量(降雨量)年均變化對蘆葦覆蓋變化進(jìn)行相關(guān)性分析。分析結(jié)果降雨-蘆葦面積極相關(guān)關(guān)系，相關(guān)度P=0.000 607。根據(jù)多年資料進(jìn)一步對總?cè)牒?降雨量)引起的水位變幅與礦化度進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果水位-礦化度擬合的很好，擬合度R2=0.946。再進(jìn)一步對礦化度與蘆葦面積變化進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果礦化度-蘆葦面積極相關(guān)關(guān)系，相關(guān)度P=5.86E-0.6。

(2)博斯騰湖蘆葦早期是巴州人口依靠生存的主要資源，后期開始又是個(gè)發(fā)展生活條件與旅游的基地。所以不斷擴(kuò)大農(nóng)田開發(fā)占用蘆葦?shù)?，使蘆葦面積逐步縮減。對人類因素引起的蘆葦覆蓋面積變化相關(guān)性分析，分析結(jié)果人口-蘆葦面積正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)度P=0.032 9，擬合度R2=0.948 2。

(3)博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)是既復(fù)雜又非線性的大系統(tǒng)。水量(總?cè)牒?-水質(zhì)(礦化度)-生態(tài)(蘆葦)關(guān)系就是一個(gè)非線性的生態(tài)系統(tǒng)。因此本文對蘆葦面積變化用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行模擬與預(yù)測。模擬值與預(yù)測值擬合的很好。

[1]夏軍.水文非線性系統(tǒng)理論與方法.武漢：武漢大學(xué)出版社.2002.

[2]曲煥林.中國干旱半干旱地區(qū)地下水資源評價(jià).北京：科學(xué)出版社.1992.

[3]錢正英.西北地區(qū)水資源配置.生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究.中國水利.2003.5.A刊.17-24.

[4]左其亭,夏軍,邵民成,等.博斯騰湖水資源可持續(xù)利用調(diào)度系統(tǒng).水利水電技術(shù). 2003.34(2):1-4.

[5]左其亭,夏軍,等.路面降水～水質(zhì)～生態(tài)耦合系統(tǒng)模型研究.水利學(xué)報(bào). 2002 (2):61-65.

[6]程其疇.博斯騰湖研究.南京:河海大學(xué)出版社.1995.

[7]羅曉曙.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論[M].桂林:廣西師范大學(xué)出版社.2005.

[8]孫艷龍,郭鵬,延曉,等.內(nèi)蒙古植被覆蓋變化及其氣候.人類活動的關(guān)系(自認(rèn)資源學(xué)報(bào)).2010.