节水条件下玛纳斯河流域绿洲变化及适宜规模分析

环境修复网讯:干旱区节水灌溉技术的大面积推广,有效的推动了绿洲化进程,使绿洲规模不断扩大。针对节水条件下流域尺度绿洲适度规模问题,以膜下滴灌技术的发源地玛纳斯河流域为例,利用1976-2015年五期卫星遥感影像,分析了节水条件下流域绿洲面积变化过程,基于水热平衡理论构建了绿洲适宜规模计算模型,确定了节水条件下流域绿洲适宜发展规模。结果表明：1976-2015年玛纳斯河流域绿洲总面积扩张388.3 km2,人工绿洲面积扩张3873.3 km2,天然绿洲面积缩减3485.0 km2;计算得出玛纳斯河流域绿洲适宜规模为4025.9～4 99.8 km2,目前绿洲实际规模超出绿洲适宜规模的3.4倍,且绿洲稳定指数H₀为0.46,表明绿洲处于亚稳定状态;为了进一步保证绿洲稳定性,玛纳斯河流域适宜耕地面积应为1801.6～2013.7 km2。研究结果说明,不合理的绿洲开发,威胁到整个绿洲的稳定,确定绿洲适宜规模,可以为绿洲的稳定和可持续发展提供基础科学依据。

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。