关键词
绿洲适宜规模;水热平衡;绿洲稳定性;玛纳斯河流域
基金项目
国家自然科学基金(41601579);国家重点研发计划专项(2017YFC0404303);新疆生产建设兵团高等学校优秀青年教师培养计划项目(CZ027204)
绿洲是人与自然相结合的产物,是干旱、半干旱地区发展建设的基础。近年来,国内外学者针对绿洲问题开展了大量的研究工作,主要集中在土地利用变化及驱动机理、风险分析以及土壤生物多样性等方面。国内学者针对绿洲景观格局演化、绿洲-荒漠转化机理以及土地利用/覆被变化等问题开展了大量的研究工作。随着人类活动和经济发展带来的绿洲环境压力和绿洲稳定性问题,绿洲适宜规模研究逐步成为研究的热点。胡顺军等通过水热、水土平衡,构建了渭干河平原绿洲适宜规模模型,并确定了适宜绿洲规模和耕地面积。凌红波等利用Z指数法和水热平衡模型,对克里雅河流域不同丰枯水平下的绿洲适宜规模进行确定。黄领梅等在对新疆和田绿洲适宜规模进行计算时发现,现状条件下和田绿洲规模超出适宜规模,应进行节水调控。陈亚宁在对塔里木河流域绿洲研究时发现,塔里木河流域绿洲规模已达到上限,耕地规模不应再扩大。
玛纳斯河流域是我国西北地区典型的农业灌溉绿洲,是我国膜下滴灌节水技术的发源地。近年来,随着节水技术的大面积推广,流域绿洲化进程发展迅速,高效节水灌溉面积达94.8%,在节水技术的推动下流域人工绿洲面积增加1.3倍,耕地面积年均增长速率较节水前增加了1.47倍。国内众多学者近年对玛纳斯河流域绿洲径流和气候变化、地表水、地下水及地表水-地下水转换机理、景观格局变化及生态效应、土地利用/覆被变化与植被碳储量变化、水盐运移及调控、景观格局演变与驱动机制等方面进行了大量研究。
在此基础上,本文以节水技术这一重要的人类活动为背景,针对节水技术条件下的绿洲适度规模问题,结合遥感影像分析了节水条件下玛纳斯河流域绿洲规模变化过程,以水热平衡理论为基础构建了绿洲适宜规模计算模型,计算确定了节水条件下玛纳斯河流域绿洲适度规模,为玛纳斯河流域绿洲的稳定和可持续发展提供了基础支撑和科学依据。
1 研究区域和研究方法
1.1 研究区概况
玛纳斯河流域地处新疆天山北坡中段,准噶尔盆地南缘,包括农八师石河子市、玛纳斯和沙湾两县及周边团场,地理坐标为N43°27′-N45°21′,E 85°01′-E86°32′。域内绿洲水源主要依靠分布在流域内的塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河4条内陆河流,形成的径流自南向北流经山区、平原区,最后在沙漠区消耗殆尽。
流域气候干燥,为中温带大陆性干旱气候。年均气温4.7～5.7℃,四季气温相差悬殊;降水时空分布差异性大,年均降水量远小于年均蒸发量,年均降水量115～200 mm,年均蒸发量1500～2100 mm(φ=20 cm 蒸发皿)[25-27]。
1.2 数据来源
文中所用的遥感影像源自于 NASA网站(https：//www.nasa.gov/),包括玛纳斯河流域一期的 MSS影像(1976年)和四期美国陆地卫星T M/ET M影像(1990年、2000年、2010年和2015年)。首先,对选定的五期三景(条带号为144-28、144-29、144-30)遥感影像进行几何粗校正、辐射定标、几何精校正、大气校正,去除云(阴影)象元,将三景遥感影像进行波段融合、影像镶嵌完成拼接,并按照研究区矢量边界对影像进行裁剪。然后,采用eCognition8.7遥感分类软件对生成的五期遥感影像进行多尺度分割和地物信息提取,通过Google Earth的高分辨率图像进行目视解译,并结合野外样点的实地考察对解译结果进行校正,最终,统计出不同时期的各地类面积。
文中所用的气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.cma.gov.cn/)。由于玛纳斯河流域仅有石河子国家气象观测站,因此另外选取了4个周边气象观测站进行数据近似比较,分别为克拉玛依观测站、乌苏观测站、巴音布鲁克观测站和巴仑台观测站。其他如水文数据来源于玛纳斯河流域管理处;统计数据来自于自治区和地方统计年鉴,主要包括《新疆统计年鉴》、《新疆建设兵团统计年鉴》以及《新疆生产建设兵团第八师水中长期供求规划报告》。
1.3 人工绿洲与天然绿洲的分类
根据绿洲发生机制将绿洲各土地利用类型划分为人工绿洲和天然绿洲。依据樊自立、王涛等学者对人工绿洲和天然绿洲的研究及我国土地资源分类系统的二级分类系统标准,结合玛纳斯河流域土地利用实际情况对人工绿洲和天然绿洲进行划分,见表1。
1.4 绿洲适宜规模计算模型构建
1.4.1 模型方程
水热平衡法是以生态系统的水热平衡原理为基础提出的，根据此种方法，国内学者王忠静等提
本文基于水热平衡方法,结合玛纳斯河流域实际情况,构建得到玛纳斯河流域绿洲适宜规模计算模型,其模型如下所示：
1.4.2 模型参数确定
依据《新疆统计年鉴》、《新疆生产建设兵团统计年鉴》、《新疆建设兵团第八师水中长期供求规划报告》等相关资料和不同时段流域多年平均径流量对模型中地表水和地下水可利用量进行确定,模型中工业用水、生活用水以及生态用水等耗水量经公式计算获取,其中部分模型参数从相应的年鉴资料和相关文献中选取确定。计算公式见表3。
2数据来源
2.1玛纳斯河流域绿洲面积变化
2.1.1 绿洲总面积变化
从整个研究时段来看,1976-2015年玛纳斯河流域绿洲面积呈现“增加-减小-增加”的变化趋势,但整体表现出扩张的态势,1976年绿洲面积为9 210.2 km2到2015年绿洲面积扩张至9 598.5 km2,扩张388.3 km2,见图1。进一步分析可以发现,节水前(1976-2000年),绿洲总面积处于扩张期,绿洲面积由1976年的9 210.2 km2扩张至2000年的9 627.8 km2,扩张417.6 km2。其中1976-1990年绿洲面积增长缓慢,年均增长 12.1 km2;1990-2000年绿洲面积增长较快,年均增长21.47 km2。节水后(2000-2015年),绿洲面积处于缓慢缩减期,绿洲面积由2000年的9 627.8 km2缩减至2015年的9 598.5 km2,缩减95.1 km2。其中 2000-2010年绿洲面积处于缩减阶段,绿洲面积由2000年的9 627.8 km2缩减至2010年的9 532.7 km2,年均减小8.6 km2;2010-2015年绿洲面积开始缓慢增长,在此期间,绿洲面积年均增长11.0 km2。
2.1.2 人工绿洲面积变化
由玛纳斯河流域人工绿洲面积变化可知(图1),1976-2015年玛纳斯河流域人工绿洲面积呈明显的递增趋势。40年间,人工绿洲面积增长3873.3 km2,年均增长96.8 km2,其中1976-1990年、1990-2000年、2000-2010年、2010-2015年四个时期分别增长1433.3 km2、628.7 km2、1 04.6 km2和506.7 km2。高效节水技术有力地推动了人工绿洲面积的扩大。高效节水前(1976-2000年),人工绿洲面积由1976年的2989.5 km2增加到2000年的5051.4 km2,年均增长82.5 km2;高效节水后(2000-2015年),人工绿洲面积由2000年的5051.4 km2增加到 2015年的6862.8 km2,年均增长113.2 km2。可见,膜下滴灌技术的大面积推广,积极的推动了人工绿洲的扩张。
2.1.3 天然绿洲面积变化
由玛纳斯河流域天然绿洲面积变化可知(图1),1976-2015年玛纳斯河流域天然绿洲面积呈持续递减态势,40年间,天然绿洲面积缩减3485.00 km2,年均缩减87.13 km2。其中,1976-1990年、1990-2000年、2000-2010年、2010-2015年四个时期分别缩减1251.9 km2、392.5 km2、1399.7 km2和440.9 km2。高效节水前(1976-2000年),天然绿洲面积由 1976年的6 220.7 km2减小到2000年的4 576.4 km2,年均缩减65.8 km2;高效节水后(2000-2015年),天然绿洲面积由2000年的4576.4 km2减小到2015年的2 735.7 km2,年均缩减115.0 km2。结合人工绿洲面积变化可知,高效节水技术的实施,促进人工绿洲面积的不断扩张的同时,挤占了天然绿洲耗水量,加快了天然绿洲面积的退化。
2.2玛纳斯河流域绿洲适宜规模的计算
2.2.1 绿洲可利用水资源总量及耗水量
对玛纳斯河流域绿洲可利用水资源总量和工业、生活以及生态耗水量进行计算,见表4。
由表4可以发现,玛纳斯河流域绿洲可利用水资源总量呈现波动变化,但波动幅度不大,工业用水和生活用水呈现波动增加的趋势,生态用水呈现波动减小的趋势。工业和生活用水量的增加,挤占了生态耗水量,造成绿洲生态环境的破坏。可见,工业和生活用水正逐渐成为绿洲耗水的一大动力。然而,节水技术的成熟和节水意识的增强,使流域用水效率由0.9提高到1.14,农业高效节水技术在一定程度上为流域充足用水提供了保障,缓解了绿洲水资源紧张的局面。
2.2.2 绿洲适宜规模
由表5可知,从整体上看,研究时段内玛纳斯河流域绿洲适宜耕地面积与适宜规模变化趋势基本一致,总体呈波动增加趋势。1976年玛纳斯河流域绿洲适宜规模为3 973.7 km2,适宜耕地面积为1 778.2 km2,到2015年绿洲适宜规模和适宜耕地面积分别增长到4 025.9 km2和1 801.6 km2,40年间,两者适宜面积增加了52.3 km2和23.4 km2。经分析可以发现,绿洲适宜面积的增加与节水方式的改变存在很大关系,1976年流域处于传统节水阶段,在这时期,流域采用库-渠-井联合灌溉,低效率的灌溉方式,导致大量水资源浪费,使可利用水资源量大大减少。自2000年膜下滴灌技术在流域被大面积推广之后,高效的灌溉方式增加了流域可利用水资源量,使绿洲适宜规模和适宜耕地面积得到增加。根据计算得到的绿洲稳定性指数可以发现,节水强度的提高,使绿洲稳定性有所增强,但五个时期的稳定性指数值仍小于临界稳定性数值0.5,表明绿洲处于亚稳定状态。由绿洲实际耕地面积可以知,1976年耕地面积仅为2 676.3 km2,到2015年耕地面积高达6 280.9 km2,40年间,耕地面积增加134.68%。结合绿洲实际规模可以发现,绿洲实际规模和实际耕地面积均已远远超出适宜规模和适宜耕地面积,绿洲呈现超负荷运行,流域可持续发展受到威胁。
3 结论
01 1976-2015年玛纳斯河流域绿洲面积呈现“增加-减小-增加”的变化趋势,但整体朝着扩张的态势发展,40年间,绿洲面积扩张388.30 km2。高效节水技术实施前,绿洲处于快速扩张期,面积扩张417.6 km2,年均扩张16.70 km2。高效节水技术实施后,绿洲处于缓慢缩减期,面积缩减95.1 km2,年均缩减 1.83 km2。
02 高效节水技术实施前,人工绿洲面积平均以每年82.48 km2的速度增长,天然绿洲面积平均以每年65.77 km2的速度减小;高效节水技术实施后,人工绿洲面积平均以每年113.21 km2的速度增长,天然绿洲面积平均以每年115.04 km2的速度减小。农业高效节水技术的实施有力推动了流域绿洲化进程。
03 1976-2015年玛纳斯河流域绿洲适宜规模和适宜耕地面积均远小于实际规模和实际耕地面积,提高节水强度,使绿洲稳定性有所增强,但仍小于临界稳定性数(H?=0.5),绿洲稳定性处于亚稳定状态。为保证绿洲稳定,玛纳斯河流域适宜的绿洲规模和灌溉面积应保持在4 025.9～4 499.8 km2和 1 801.6～ 2 013.7 km2。
