節(jié)水條件下瑪納斯河流域綠洲變化及適宜規(guī)模分析

環(huán)境修復網(wǎng)訊:干旱區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣,有效的推動了綠洲化進程,使綠洲規(guī)模不斷擴大。針對節(jié)水條件下流域尺度綠洲適度規(guī)模問題,以膜下滴灌技術(shù)的發(fā)源地瑪納斯河流域為例,利用1976-2015年五期衛(wèi)星遙感影像,分析了節(jié)水條件下流域綠洲面積變化過程,基于水熱平衡理論構(gòu)建了綠洲適宜規(guī)模計算模型,確定了節(jié)水條件下流域綠洲適宜發(fā)展規(guī)模。結(jié)果表明：1976-2015年瑪納斯河流域綠洲總面積擴張388.3 km2,人工綠洲面積擴張3873.3 km2,天然綠洲面積縮減3485.0 km2;計算得出瑪納斯河流域綠洲適宜規(guī)模為4025.9～4 99.8 km2,目前綠洲實際規(guī)模超出綠洲適宜規(guī)模的3.4倍,且綠洲穩(wěn)定指數(shù)H₀為0.46,表明綠洲處于亞穩(wěn)定狀態(tài);為了進一步保證綠洲穩(wěn)定性,瑪納斯河流域適宜耕地面積應(yīng)為1801.6～2013.7 km2。研究結(jié)果說明,不合理的綠洲開發(fā),威脅到整個綠洲的穩(wěn)定,確定綠洲適宜規(guī)模,可以為綠洲的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞

綠洲適宜規(guī)模;水熱平衡;綠洲穩(wěn)定性;瑪納斯河流域

基金項目

國家自然科學基金(41601579);國家重點研發(fā)計劃專項(2017YFC0404303);新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團高等學校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃項目(CZ027204)

綠洲是人與自然相結(jié)合的產(chǎn)物,是干旱、半干旱地區(qū)發(fā)展建設(shè)的基礎(chǔ)。近年來,國內(nèi)外學者針對綠洲問題開展了大量的研究工作,主要集中在土地利用變化及驅(qū)動機理、風險分析以及土壤生物多樣性等方面。國內(nèi)學者針對綠洲景觀格局演化、綠洲-荒漠轉(zhuǎn)化機理以及土地利用/覆被變化等問題開展了大量的研究工作。隨著人類活動和經(jīng)濟發(fā)展帶來的綠洲環(huán)境壓力和綠洲穩(wěn)定性問題,綠洲適宜規(guī)模研究逐步成為研究的熱點。胡順軍等通過水熱、水土平衡,構(gòu)建了渭干河平原綠洲適宜規(guī)模模型,并確定了適宜綠洲規(guī)模和耕地面積。凌紅波等利用Z指數(shù)法和水熱平衡模型,對克里雅河流域不同豐枯水平下的綠洲適宜規(guī)模進行確定。黃領(lǐng)梅等在對新疆和田綠洲適宜規(guī)模進行計算時發(fā)現(xiàn),現(xiàn)狀條件下和田綠洲規(guī)模超出適宜規(guī)模,應(yīng)進行節(jié)水調(diào)控。陳亞寧在對塔里木河流域綠洲研究時發(fā)現(xiàn),塔里木河流域綠洲規(guī)模已達到上限,耕地規(guī)模不應(yīng)再擴大。

瑪納斯河流域是我國西北地區(qū)典型的農(nóng)業(yè)灌溉綠洲,是我國膜下滴灌節(jié)水技術(shù)的發(fā)源地。近年來,隨著節(jié)水技術(shù)的大面積推廣,流域綠洲化進程發(fā)展迅速,高效節(jié)水灌溉面積達94.8%,在節(jié)水技術(shù)的推動下流域人工綠洲面積增加1.3倍,耕地面積年均增長速率較節(jié)水前增加了1.47倍。國內(nèi)眾多學者近年對瑪納斯河流域綠洲徑流和氣候變化、地表水、地下水及地表水-地下水轉(zhuǎn)換機理、景觀格局變化及生態(tài)效應(yīng)、土地利用/覆被變化與植被碳儲量變化、水鹽運移及調(diào)控、景觀格局演變與驅(qū)動機制等方面進行了大量研究。

在此基礎(chǔ)上,本文以節(jié)水技術(shù)這一重要的人類活動為背景,針對節(jié)水技術(shù)條件下的綠洲適度規(guī)模問題,結(jié)合遙感影像分析了節(jié)水條件下瑪納斯河流域綠洲規(guī)模變化過程,以水熱平衡理論為基礎(chǔ)構(gòu)建了綠洲適宜規(guī)模計算模型,計算確定了節(jié)水條件下瑪納斯河流域綠洲適度規(guī)模,為瑪納斯河流域綠洲的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域地處新疆天山北坡中段,準噶爾盆地南緣,包括農(nóng)八師石河子市、瑪納斯和沙灣兩縣及周邊團場,地理坐標為N43°27′-N45°21′,E 85°01′-E86°32′。域內(nèi)綠洲水源主要依靠分布在流域內(nèi)的塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河4條內(nèi)陸河流,形成的徑流自南向北流經(jīng)山區(qū)、平原區(qū),最后在沙漠區(qū)消耗殆盡。

流域氣候干燥,為中溫帶大陸性干旱氣候。年均氣溫4.7～5.7℃,四季氣溫相差懸殊;降水時空分布差異性大,年均降水量遠小于年均蒸發(fā)量,年均降水量115～200 mm,年均蒸發(fā)量1500～2100 mm(φ=20 cm 蒸發(fā)皿)[25-27]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中所用的遙感影像源自于 NASA網(wǎng)站(https：//www.nasa.gov/),包括瑪納斯河流域一期的 MSS影像(1976年)和四期美國陸地衛(wèi)星T M/ET M影像(1990年、2000年、2010年和2015年)。首先,對選定的五期三景(條帶號為144-28、144-29、144-30)遙感影像進行幾何粗校正、輻射定標、幾何精校正、大氣校正,去除云(陰影)象元,將三景遙感影像進行波段融合、影像鑲嵌完成拼接,并按照研究區(qū)矢量邊界對影像進行裁剪。然后,采用eCognition8.7遙感分類軟件對生成的五期遙感影像進行多尺度分割和地物信息提取,通過Google Earth的高分辨率圖像進行目視解譯,并結(jié)合野外樣點的實地考察對解譯結(jié)果進行校正,最終,統(tǒng)計出不同時期的各地類面積。

文中所用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn/)。由于瑪納斯河流域僅有石河子國家氣象觀測站,因此另外選取了4個周邊氣象觀測站進行數(shù)據(jù)近似比較,分別為克拉瑪依觀測站、烏蘇觀測站、巴音布魯克觀測站和巴侖臺觀測站。其他如水文數(shù)據(jù)來源于瑪納斯河流域管理處;統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于自治區(qū)和地方統(tǒng)計年鑒,主要包括《新疆統(tǒng)計年鑒》、《新疆建設(shè)兵團統(tǒng)計年鑒》以及《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師水中長期供求規(guī)劃報告》。

1.3 人工綠洲與天然綠洲的分類

根據(jù)綠洲發(fā)生機制將綠洲各土地利用類型劃分為人工綠洲和天然綠洲。依據(jù)樊自立、王濤等學者對人工綠洲和天然綠洲的研究及我國土地資源分類系統(tǒng)的二級分類系統(tǒng)標準,結(jié)合瑪納斯河流域土地利用實際情況對人工綠洲和天然綠洲進行劃分,見表1。