艾克拜尔·买提尼牙孜, 阿里木江·卡斯木, 依克木·买买提
〔1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054;
2.日本千叶大学环境遥感中心(CEReS), 日本 千叶 263-8522; 3.皮山县水利局, 新疆 皮山 845150〕
新疆皮山县绿洲需水量变化与绿洲稳定性
艾克拜尔·买提尼牙孜1,2, 阿里木江·卡斯木1, 依克木·买买提3
〔1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054;
2.日本千叶大学环境遥感中心(CEReS), 日本 千叶 263-8522; 3.皮山县水利局, 新疆 皮山 845150〕
摘要:[目的] 探讨和评价新疆地区皮山县在水资源供需平衡状况和水资源约束条件下的绿洲稳定性,为该区域生态环境保护提供决策支持与科学依据。 [方法] 基于1998—2012年Landsat TM/ETM+遥感影像数据和基础地理数据,在RS技术的支持下对皮山县绿洲进行了土地利用信息提取,结合水文和气象数据(气温、降水数据)估算皮山县绿洲15 a来的社会经济和自然生态系统综合需水量,并在此基础上进行分析。 [结果] 皮山县绿洲渠系利用系数低,耕地灌溉定额高,耕地耗水比例大,且社会经济耗水量不断增加。15 a间皮山县绿洲需水量增加了2.73×108m3,现状供给量存在很大的缺口。2010年缺水总量到达2.74×108m3,虽然2012年缺水有所缓解,但自然生态环境缺水量增加,占到水资源总缺水量的59.75%,供需表现出很大的不平衡性。[结论] 从现有的绿洲面积看,水资源供给量存在较大的缺口,绿洲已处于极不稳定状态。
关键词:皮山县绿洲; 水资源; 生态需水量; 遥感
干旱区绿洲由于远离海洋和四周高山环绕阻隔,气候干旱,水资源短缺,绿洲面积的大小取决于水量的多少,因而水资源已经成为该区环境与发展最大的制约因子。随着人口的增加、社会经济活动规模与强度的加大,水资源供需矛盾日益突出,社会经济用水又挤占生态环境用水,导致水资源分配严重失衡,引发了众多的生态环境问题,如天然植被退化、土地荒漠化加剧等[1]。近年来,随着皮山县土地沙化和风沙灾害的威胁日益加重,人地矛盾突出,如何保证该地区短缺的水资源和耕地资源的可持续利用是迫切需要解决的问题。准确掌握该区域水资源的特点、用水结构和绿洲需水量的变化状况对做好该区域的沙漠化防治和沙漠化土地的有效治理,从根本上减轻风沙灾害的威胁,改善生态环境等工作具有重要意义。在遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS)技术的支持下,将遥感数据与基础地理数据相结合,分别从概念、方法、功能、空间特征及影响因素等方面分析较大区域绿洲生态环境变化,查明生态系统的水分需求是目前最为活跃的研究途径[2-8]。本研究采用皮山县1998—2012年不同时期遥感影像,分析该县绿洲近15 a来的绿洲土地利用变化状况,对绿洲生态需水量进行定量计算和定性分析,并在此基础上对水资源供需平衡状况和水资源约束条件下的绿洲稳定性进行评价,为该区域土地合理开发及可持续利用、生态环境保护提供决策支持与科学依据。
1研究区概况
皮山县位于塔克拉玛干大沙漠南缘,喀喇昆仑山北麓。地处东经77°31′—79°38′,北纬35°22′—39°1′。县境南北长423 km,东西宽144.5 km,总面积为4.14×104km2。皮山县境内地势西南高,东北低,南部为冰山雪岭,中部为高山和山前河谷,北部为平原及戈壁沙漠,属暖温带极干旱气候区。年平均气温11.9 ℃,极端最高气温41.0 ℃,极端最低气温-22.9 ℃,年平均降水量48.2 mm,蒸发量达到2 493.4 mm,是降水量的60倍,年平均沙尘暴日数30.4 d。该县土壤共分13个土类,主要包括灌淤土、潮土、风沙土、棕漠土、草甸土、盐土等。优势土类是灌淤土,主要土种是淡黄沙土,也是皮山县分布最广的农业土壤,占该县耕地面积的70%以上。皮山县境内有山溪性中小河流5条,由西向东依次是阔什塔克河、苏勒尕牧河、桑珠河、坡斯喀河、杜瓦河。5条河均发源于喀喇昆仑山的冰川雪源,靠雪水融化补给,年均流量为7.5×108m3, 全县地下水年平均补给量为2.5×108m3,可开采量为1.6×108m3,水资源开发利用率100%时的可利用水资源总量为9.1×108m3。皮山县有大小型水库10座,其中雅普泉水库和桑株水库在供应农业用水方面起着极为重要的作用。
2研究方法
考虑到遥感影像的可得性以及数据的清晰度,所采集的遥感数据为1998—2012年时间序列的美国陆地资源卫星Landsat-5 TM,Landsat-7 ETM+影像。Landsat TM/ETM数据尽量选择在8—9月份,该时间条件下皮山县绿洲以少云晴朗天气为主,影像易于获取且云量低于10%的比例较高。根据研究内容及数据的可得性,所收集的地理数据主要有:覆盖研究区范围的1∶10万行政区划图、地形图及相关矢量化数据、皮山县气象局提供的1998—2012年研究区气象资料(气温、降水数据)和皮山县水利局提供的水文资料、野外考察资料等。
由于2003年5月31日,Landsat-7 ETM+机载扫描行校正器(scan lines corrector, SLC)突然发生故障,导致获取的图像出现大约25%的数据丢失(称之为缝隙数据)。对于已经丢失的数据,没有可能找回实际数据,因此,只能利用缝隙填充的方式进行差值,尽量弥补缺失的数据部分,并且使相对完好的70%~80%数据可用[9-10]。在遥感图像处理软件ENVI 4.5的支持下,对2010年的Landsat TM影像图做辐射纠正和几何校正,其他Landsat TM/ETM+影像均以校正好的2010年Landsat TM影像为基准进行影像间的配准和对比校正,精度控制在0.3个像元内。参考影像(需要修复的Landsat-7 ETM+影像)和没有缝隙的TM或2003年5月31日之前获取的ETM+影像必须完全匹配的条件下通过美国Terrainmap Earth Imaging LLC开发的遥感影像处理软件Pancroma软件平台,运用Hayes方法,从没有缝隙的TM影像或2003年5月31日之前获取的ETM+影像中提取对应象元值来填充Landsat-7 ETM+SLC-off图像中对应位置丢失的数据,对2003年以后的Landsat-7 ETM+图像进行缝隙恢复工作,并进行平移锐化处理。最后根据主要研究内容从拼接图中切割出研究区水资源分布比较集中的区域。
皮山县绿洲土地利用信息提取,在所收集的地理数据和野外实地观测资料的基础上,利用Envi 4.7图像处理软件,分析遥感图像上的地物信息光谱特征,采用Isodata算法获取地物先验知识、选取训练样本,然后使用监督分类最大似然法进行分类。最后参考Google earth软件大比例尺截图,结合目视解译进行修改,得到研究区土地利用结构分布图。共分为7类:建设用地、草地、耕地、林地、湖泊沼泽、河流和裸地。为了客观地评价其精确程度,对每一个分类好的结果均选择200个训练样本点进行检验,解译的精度比较理想,解译出来的图像清晰,能够满足该区域土地利用变化评价的要求。
2.3.1绿洲需水分类皮山县绿洲依据地带性划分,表现为山区—平原—荒漠的典型内陆河流域结构。由于在流域内生态系统的主体是绿洲,因此可以认为干旱区内陆流域生态需水量,应指流域内一定时期内存在的天然绿洲生态体系以及人工绿洲内防护植被体系等维持其正常生存与繁衍所需要的水量[11]。计算绿洲需水量,实质上就是要计算生态保护区维持生物群落稳定和在经济发展中维持人工绿洲所需要的需水量。绿洲需水一般包括生活需水、工业需水、农业灌溉需水以及自然生态系统需水等。人工绿洲系统由农田和农田防护林体系组成;自然生态系统则由天然绿洲系统、荒漠植被生态以及河湖生态等组成。结合研究区实际情况,将研究区生态环境体系生态需水划分为水库沼泽生态需水、河道最小生态需水、天然草地生态需水共3类进行生态需水量估算。人畜需水、城镇、工业和农业灌溉需水统称为社会经济需水。
2.3.2绿洲自然生态系统需水量计算自然生态系统是在一定时间和空间范围内,依靠自然调节能力维持的相对稳定的生态系统。干旱区绿洲是人工灌溉系统和自然灌溉系统构成的复杂系统,为了维持绿洲的稳定性,需要一定的耗水量和耗水水平。计算自然生态系统需水量,主要根据水量平衡原理进行计算。
(1) 水库沼泽生态需水量。皮山县境内的10座平原小型水库主要功能是灌溉和调蓄洪水冬闲水。因此生态需水按照水域面积上地蒸发量来计算。
Q=(E-P)A
(1)
式中:Q——水库沼泽生态需水量 (m3);E——水面蒸发量 (mm) 。由于皮山县沼泽地面积非常有限,在这植物蒸腾忽略不计;P——研究时段内的年平均降水量 (mm) ;A——研究时段内的水库沼泽地平均面积 (km2) 。
(2) 河道最小生态需水量。河道最小生态需水量是保障河流生态系统遭受损害后可恢复的下限。Tennant法也称Montana法,是非现场测定的标准方法,它是建立在历史流量统计的基础上,通常可用于定性评价其他方法的计算结果。Tennant 法要求以受人类干扰较小时期10 a以上的历史流量。根据Tennant 法,将皮山县水利局实测的境内中小5条河流15 a平均流量的10%作为河道最小生态需水量进行计算[12-14]:
Qm=10%×Qa
(2)
式中:Qm——河道最小需水量 (m3);Qa——河道多年平均流量(m3) 。
(3) 天然草地生态需水量。皮山县天然草地生态系统,可分为浅山区干草原、河泛地及水库滩灌丛低湿草甸、盐化灌丛、杂类草草地等。天然草地主要分布在绿洲—荒漠过渡带,皮山绿洲年降水量极少,不能满足植物正常生长需水,无论是天然绿洲还是人工绿洲,其植被生长都依靠灌溉或地下水维持。当有作物覆盖时,某地下水埋深条件下的潜水蒸发量与作物覆盖面积的乘积就是该植被生态需水量[15],潜水蒸发是在热力作用下水分从潜水面上升到土壤表面进入大气的过程,一般来讲,当地下水位大于5 m时,潜水蒸发量非常有限,可忽略不计。考虑到干旱平原区天然与大部分人工植被的类型众多,潜水埋深不同生存与繁衍主要依赖于消耗地下水,采用阿维里扬诺夫公式计算:
(3)
式中:W植被——天然植被生态需水量(104m3); A——天然植被研究时段内的平均面积(m2); H——潜水埋深(m); Hmax——潜水蒸发极限埋深(m),通过进行实地考察,本研究H值采用不同草地类型潜水埋深的平均值2.5m; Hmax值采用5m; E601——当地年均水面蒸发量(mm)(E601型蒸发皿实测);a,b——与植被、土质相关的经验系数,应通过分析合理选用。皮山县草地土质以砂壤土为主,根据张凯等[16]在计算民勤绿洲生态需水时提供的不同埋深时植物对潜水的影响系数和毛晓敏等人[17]对叶尔羌河流域裸地潜水蒸发规律进行了试验研究,本研究a和b值分别采用1.45,3.10。
2.3.3绿洲社会经济需水量的计算绿洲水资源配置的框架是合理配置其社会经济系统和自然生态系统的耗水量,合理配置其社会经济系统各用水单位和用水部门耗水量。分析历年社会经济用水状况,以及《城市居民生活用水量标准(GB/T50331—2002)》和《农村生活饮用水量卫生标准(GB11730—89)》的相关规定[18],结合皮山县水利局的相关资料,确定皮山县社会经济用水定额。
(1) 农田防护林和耕地的需水根据最小灌溉量(灌溉定额)和灌溉面积进行计算[19]。
M=mA
(4)
式中:M——灌溉地需水量 (104m3);m——最小灌溉量 (104m3/hm2);A——灌溉面积(hm2)。皮山绿洲耕地和农业防护林的规划灌溉定额分别为1.13×104m3/hm2, 8.70×103m3/hm2。
(2) 城乡生活需水包括:城镇人口需水、农村人口需水和牲畜需水,用水定额分别为60 L/(人·d),40 L/(人·d) ,6.5 L/(头·d);根据人口、牲畜数量与用水定额进行计算。
(3) 工业需水根据工业毛用水定额和工业产值进行计算,工业毛用水定额为48 m3/104元。
3结果与分析
土地利用的变化是绿洲与荒漠的变化关系。根据1998—2012年时间序列的遥感影像解译结果分别进行统计(表1),从遥感影像切割出的研究区总面积为1.65×104km2。皮山县是干旱区受沙漠化危害最为严重的沙漠化防治重点区域之一。由于其独特的自然地理环境,人口都集中在有限的绿洲内部,其他均为沙漠、戈壁以及山区。沙漠面积占该县土地总面积的40.08%,整个绿洲被沙漠、戈壁分割成互不相联的53块小绿洲,脆弱的生态环境是皮山县绿洲经济发展面临的最大挑战之一[20]。从表1可以看出,研究区主要土地利用类型中,1998—2012年裸地面积占93.4%~96.2%,绿洲面积仅占3.8%~6.6%,其中耕地面积变化最为显著,且随时间的变化呈增加趋势,15 a间面积增加了198.08 km2,占到绿洲总面积的51.5%~59.6%,除了耕地之外林地面积和城乡建设用地面积也随时间的变化呈增加趋势,城乡建设用地面积由1998年的4.19 km2增加到2012年的12.16 km2,增长了3倍,但所占比例始终很低,仅占到研究区绿洲面积的1%。林地面积由1998年的91.14 km2上升至2012年的145.78 km2,15 a间增加面积达54.64 km2。水域的面积变化相对较小,水域面积受人为因素和自然气象条件的制约,一直处于波动状态,面积的增加主要是修建水库以及建设水渠引起的。草地面积的变化具有明显的阶段性,草地面积变化幅度最大,最高和最低值分别为2010年的375.99 km2,2006年的100.45 km2,其主要原因是2006年平均气温出现极端最高值,降水量少从而使荒漠、半荒漠草地大面积枯死;2010年是高峰值是因为降水量出现极端最高值,平均气温较低,这种自然条件中对气象因素变化极度敏感的草地得到了较好的生长环境。
表1 皮山绿洲1998-2012年土地利用结构面积变化 km2
利用上述方法计算出皮山县绿洲1998—2012年各耗水结构需水量(表2—3),可以看出15 a间皮山县绿洲需水量增加了2.73×108m3,与土地利用类型变化趋势一致。流域绿洲耗水结构表现出以下总体特征:在绿洲总需水量中社会经济需水量约占71.03%~79.45%,其中灌溉地需水量约占70.33%~78.76%,生活与工业需水量约占0.64%~0.69%;在绿洲总需水量中自然生态系统中的水域生态需水量约占12.2%~17.21%,天然草地生态需水量约占8.35%~11.77%;社会经济需水量不断增加造成自然生态需水量在绿洲总需水量中占的比例逐年减少。皮山县经济以灌溉农业为典型特点的绿洲农业为主体,农业耗水量占比重较大,而绿洲内工业和人畜耗水量占绿洲总耗水量比率不到1%。值得关注的是整个研究时期社会经济需水量不断增加,绿洲总需水量也随之增加,自然生态需水量在绿洲总需水量中占的比例减少。随着流域绿洲经济的发展相应的用水和耗水量不断增加,自然生态的可用水量不断减少,在绿洲中社会经济系统与自然生态系统咋在需水方面的对立和水资源的供需不平衡日益突出,这对生态环境保护与经济发展带来很大的压力。
表2 皮山绿洲自然生态系统各组分需水量 104 m3
表3 皮山绿洲1998-2012年社会经济系统各组分需水量变化 104 m3
干旱区绿洲水资源的供需平衡是保护绿洲生态安全和社会经济可持续发展的关键,也是人民生存环境的保障,尤其对作为干旱区受沙漠化危害最为严重的沙漠化防治重点区域来说水资源短缺已成为制约其社会经济发展的重要瓶颈。
根据皮山县水利局2010和2012年的供水资料和各耗水结构需水量的计算结果对皮山县绿洲水资源供需平衡进行评价(表4)。由表4可知,保证绿洲农业、工业、生活和生态环境健康运转的需水量相比现状绿洲水资源供给量存在较大缺口,供需表现出极大的不平衡性。除了工业需水量基本上得到满足之外,其他3项在2010和2012年的缺水量就分别高达2.74×108m3和2.31×108m3。整个绿洲而言自然生态环境缺水比例最高2010和2012年分别占总缺水量的50.00%和59.75%,其次是农业缺水分别为49.10%和39.46%,生活缺水所占比例最低分别为0.96%和0.76%。与2010年相比2012年总缺水量减少了0.43×108m3,其中农业用水得到一定的缓解,缺水量减少了4.30×107m3,生态环境缺水量增加了1.30×107m3,这说明自然生态系统与社会经济系统之间在用水方面出现更加激烈地竞争,生态环境恶化更加严重。目前皮山县绿洲水资源利用已出现过度开发和绿洲生态衰退的情况,2012年皮山县农田灌溉用水占总用水量的91.56%以上,而工业和生态用水则明显不足,仅以不到8%的水资源推进工业化与城市化进程,严重阻碍了当地社会经济的发展。在供水量不可能大幅增加的情况下,工业和城乡生活所需水量只能通过减少农业用水来获取,而农业用水挤占生态需水来满足需水量。
表4 皮山县绿洲现状水资源供需平衡
3.4.1气候异常,水资源短缺皮山县绿洲水资源的问题主要表现为水资源的空间分布不均,自然降水十分稀少,全年降水量的80%以上集中于5—8月高温时期、10月至翌年1月最少、季节性明显、年际变化大。皮山县年平均降水量为48.2 mm,蒸发量达到2 493.4 mm,年平均沙尘暴日数30.4 d。由于极端干旱的气候,风沙大,日照强烈,绿洲边缘土地的干旱缺水,植被分散而且稀疏,地表覆盖率很低。该县地下水年平均补给量为2.5×108m3,可开采量为1.6×108m3,境内5条小河流近15 a地表水平均径流量为7.39×108m3,利用率70%时,可利用地表水资源量约为5.17×108m3,可利用水资源总量约为6.77×108m3。但这些水不能仅用于流域绿洲的建设和发展,必须留出部分用于维持绿洲外围的过渡带和流域下游的荒漠生态环境的稳定性。随着人口的不断增加,不断垦荒,对水资源的需求量增加,水资源日渐不能满足所需。源源不断的沙物质来源,以及水资源利用不能保证对绿洲边缘供水,能源短缺所带来的荒漠化、对天然植被(薪材)的持久掠夺使过渡带丧失、沙丘复活、沙地风蚀。流沙形成和移动等的影响,造成在皮山绿洲边缘地带耕地受到沙漠侵害,耕地质量下降。
3.4.2水利建设相对滞后,农艺措施弱皮山县气候干旱缺水,降雨主要集中在7—8月份,水源和灌区距离较长等因素,直接影响着对该县农业生产的供水工作。皮山县灌溉方式主要为传统的地面灌溉,供水设施陈旧老化,蒸发量和下渗量较高,水资源的利用率低。皮山县有中小型水库10座,由于水库建设的规划不合理,迫使周围地域的地下水位升高,土壤盐渍化日益严重,对绿洲未来的发展带来一定的影响。
根据水量平衡原理计算可得出,现状下的绿洲区可利用水资源总量约为8.99×108m3,其中境内5条小河流近15 a地表水平均径流量为7.39×108m3,地下水可开采量为1.6×108m3,以此为基础可进行水资源约束条件下的绿洲稳定性分析。由于人类活动对绿洲稳定性的影响主要是通过改变绿洲土地利用结构而产生的,因此水资源可承载的绿洲面积应以绿洲耗水大户农业灌溉面积数据进行评价较为合适。2012年皮山县5条小河流域耕地需水量在绿洲总需水量中约占65.27%,林地约占13.49%,其他耗水结构需水量为21.24×108m3。水资源可承载的绿洲面积约为734.43 km2,其中可承载的灌溉地面积约为512.33 km2,耕地面积约为403.91 km2。皮山县绿洲现状灌溉面积约为911.02 km2,比水资源可承载量多出176.59 km2,差值占绿洲现状灌溉面积的24.04%,这些是没有考虑水面蒸发等损耗水量条件下的估算结果。从现有的绿洲面积看,水资源供给量存在较大的缺口,绿洲已处于极不稳定状态。虽然地下水资源丰富,但在利用率低、耕地用水比例大、灌溉定额高、社会经济耗水量不断增加的情况下很难维持绿洲农业的可持续发展。
4结论与讨论
(1) 1998—2012年皮山县绿洲需水量增加了2.73×108m3,现状供给量存在很大的缺口。2010年缺水总量到达2.74×108m3,虽然2012年缺水有所缓解,但自然生态环境缺水量增加,占到水资源总缺水量的59.75%,供需表现出很大的不平衡性。对处于不稳定状态的皮山县绿洲来说优化农业产业结构,发展现代生态农业,扩大高效节水灌溉面积是减轻水资源承载压力的最优途径。
(2) 在对水资源的竞争中,相比于社会经济系统,自然生态系统处于弱势地位。因而,对于经济落后、受沙漠化危害严重、生态环境极其脆弱的皮山县绿洲来说,保持其生态环境安全与社会经济发展的协调关系十分重要。如果自然生态系统需水量长期得不到满足,生态与环境的恶化是不可避免的。
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Change of Water Demand and Stability of Pishan Oasis in Xinjiang Region
Aikebaier·Maitiniyazi1,2, Alimujiang·Kasimu1, Yikemu·Maimaiti3
〔1.InstituteofGeographicSciences,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054,China; 2.CenterforEnvironmentalRemoteSensing(CEReS),ChibaUniversity,Chiba263-8522,Japan; 3.PishanCountyWaterConservancyBureau,Pishan,Xinjiang845150,China〕
Abstract:[Objective] Oasis stability in Pishan County of Xinjiang Wei Autonomous Region was evaluated in terms of the balance between supply and demand of water resources under the condition of water resource constraint in order to provide scientific basis for the protection of local ecological environment and associated decision making in this region. [Methods] Data of land use types in Pishan oasis from 1998 to 2012 were elicited from Landsat TM/ETM+remote sensing images and other basic geographic data based on RS technology. Combined with the hydrological and meteorological data(temperature, precipitation data), comprehensive water demand of social economy and natural ecological system in Pishan oasis were estimated. Upon these, the balance between supply and demand of water resources and oasis stability were preliminary discussed. [Results] The canal system utilization coefficient of Pishan oasis was estimated at low level, farmland irrigation quota and arable land water consumption proportion were high, also the social and economic water consumption were increasing. The water demand had increased 2.73×108m3in recent 15 years, and there were big insufficiency on the supply of status quo. The total water deficit reached 2.74×108m3in 2010. In 2012, it was eased, but the yearly water deficits of natural ecological environment were at an overall increasing tendency. Deficit of natural environment accounted for 59.75% of the total water deficit, and it had great imbalance between supply and demand. [Conclusion] According to the present oasis area, a big gap in supply of water resources existed, the oasis was in an unstable state.
Keywords:Pishan oasis; water resource; ecological water demand; remote sensing
文献标识码:A
文章编号:1000-288X(2015)06-0329-06
中图分类号:TV213, Q148
通信作者:阿里木江·卡斯木(1976—),男(维吾尔族),新疆自治区克拉玛依市人,博士,教授,主要从事环境遥感方面的研究。E-mail:alimkasim@gmail.com。
收稿日期:2014-06-13修回日期:2014-07-03
资助项目:国家自然科学基金项目“环塔里木盆地城市用地空间扩展动态监测及模拟研究”(41361043); 国家自然科学基金重点项目(NSFC-联合项目)(U1138302); 新疆维吾尔自治区重点实验室开放基金项目(XJDX0909-2010-01); 教育部回国人员科研启动项目; 新疆维吾尔自治区青年科技创新人才培养工程优秀青年科技人才项目
第一作者:艾克拜尔·买提尼牙孜(1988—),男(维吾尔族),新疆自治区皮山县人,硕士研究生,研究方向为资源环境遥感。E-mail:akbar120311@gmail.com。