孔雀河流域天然植被生态需水量估算

周洪华 吾买尔江·吾布力 郝兴明 李卫红

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

孔雀河流域天然植被生态需水量估算

周洪华1吾买尔江·吾布力2郝兴明1李卫红1

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

生态需水量的正确估算是实现流域水资源科学管理、合理配置的关键前提。本文综合多种方法计算了孔雀河流域天然植被不同保育目标和保护范围下的生态需水量。结果表明：若要保护流域内的所有天然植被，每年需要最低生态需水量为4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3；若仅保护重点保护区内的天然植被，则每年需生态需水量为1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3；若实施生态输水抢救工程，以保护“抢救”保护范围的天然植被，则每年需生态输水量为1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

生态需水量；潜水蒸发；灌溉定额；天然植被；孔雀河

生态需水是当前生态学、水文学、环境学等领域的研究热点，凡是涉及水资源过程的生态系统保育和人类活动影响下的生态系统修复，以及生态脆弱区水资源的开发利用等，都不可避免地要回答有关生态需水的问题[1-2]。现阶段，人类对干旱区流域水资源呈现出不同程度的掠夺式开发，生产、生活用水和生态需水矛盾日益激化，生态需水的忽视导致了流域生态系统的退化，加剧了生态脆弱性[3-5]。因此，生态需水量的正确估算是实现流域水资源合理配置、促进流域水资源可持续开发利用的关键前提[6]。孔雀河是库尔勒-尉犁绿洲的重要水源，孔雀河流域以博斯腾湖为源头，包括库尔勒市、尉犁县、农二师5个团场以及大型石油工矿企业，流域面积3.32万平方公里，是塔里木河盆地北缘的重要社会、经济与区域政治中心，对区域稳定、可持续、和谐发展起着决定性作用。自2000年以来，孔雀河作为重要的输水通道承担着向塔里木河下游输水的重要功能，为整个区域的生态修复与治理起到了不可替代的重要作用。然而，近年来由于孔雀河源头-博斯腾湖入湖水量锐减造成孔雀河水量急剧减少，不但不能承担向塔里木河下游输水的功能，而且其自身也出现了严重的水资源危机，下游河道断流，部分河道淤塞，土地沙化严重，河岸植被出现了显著的退化[7]。孔雀河下游天然植被与塔里木河下游天然植被共同构成了一道“绿色屏障”，保障着重要交通线的畅通，同时也阻挡沙漠扩张，保障着绿洲的生态安全。因此，孔雀河下游天然植被的保育成为了当前亟待解决的问题。本文以孔雀河流域为研究区域，采用多种方法估算流域天然植被生态需水量，并提出不同保育目标下的天然植被生态需水量，为孔雀河流域水资源科学管理、合理配置提供科学指导和数据支撑。

1 研究区概况

孔雀河流域位于新疆巴音郭楞蒙古族自治州中部，塔里本盆地东北部，地处东经85°22′～86°48′，北纬41°14′～41°57′，北靠库鲁克塔格山，南接塔克拉玛干沙漠，地势由西北向东南倾斜，由绿洲生态系统、湖泊生态系统及荒漠生态系统等构成。孔雀河是罕见的无支流水系，其唯一源头来自博斯湖，从湖的西部溢出，故名孔雀河。它流经塔什市，穿越铁门关峡谷，进入库尔勒市，再经尉犁县，沿库鲁克山东流，最后，注入罗布泊，全程942公里。孔雀河流域总面积3.32×104km2，被称为新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)的母亲河，流经库尔勒市、贯穿尉犁县全境以及兵团农二师的28、29、30团场，是当地工业、农业、经济赖以发展的命脉。

孔雀河流域深居欧亚大陆腹地，远离海洋，属于典型的大陆性干旱气候，干旱少雨、蒸发量大、昼夜温差大。流域内日照时间长，光热资源丰富，四季分明，冬夏漫长，春秋短暂，并有春季升温快、秋季降温迅速、风沙较大等气候特征。孔雀河多年平均气温11℃，最高气温达26.2℃，最低气候温-30℃；多年平均降水量62.7mm，多年平均蒸发量高达2773mm。日照时间为2789.50h。平原区多年平均气温为6～12℃，无霜冻期170～226天，多年平均湿度为43%～57%。平原区最高气温可达40℃以上，最低气温-30℃左右。近十几年，随着孔雀河流域供需水矛盾进一步加剧，孔雀河断流河道逐年延长，下游植被衰败灭亡进程加速，下游生态系统重要建群种胡杨种群衰败严重，1999～2012年孔雀河流域胡杨有林地持续快速减少，平均每年减少0.25km2，导致整个孔雀河下游荒漠河岸林生态系统濒临崩溃。

2 材料与方法

2.1 天然植被空间分布解译

获取研究区2010年TM影像，按照Albers Conical Equal Area投影系统和GCS_WGS_1984坐标系统分别校正后，作为本研究的遥感数据源，其中TM影像空间分辨率30 m。土地利用分类信息提取及精度验证参照《土地利用现状分类(GB/T21010-2007)》标准，将研究区的土地分为12类，分别为河流、湖泊/水域、有林地、灌木林、疏林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、耕地、村镇、沼泽湿地和荒漠。运用人机交互式解译方法[8]，解译出研究区30m空间分辨率的土地利用图，建立空间拓扑关系，生成土地利用图形数据库和属性数据库。对研究区土地利用解译数据开展了野外验证，在研究区的累积调查面积约为0.05×104km2，调查面积约占研究区面积的30%，共采集了120个GPS点对2010年土地利用数据开展精度验证，解译精度为89.8%。

2.2 天然植被生态需水计算方法

本文采用多方法估算孔雀河下游天然植被生态需水量：

(1)潜水蒸发法

根据潜水蒸发量间接计算生态需水量。该方法适用于干旱区植被生存主要依赖地下水的情况。干旱区天然植被的实际蒸散可近似地用潜水蒸发量W表示。

(1)

式中，E为潜水蒸发强度(mm)，A为要维持或保护的植被面积。潜水蒸发与气象要素、土壤质地、土壤水分储量和地下水埋深等密切相关。目前潜水蒸发法常用的计算公式有：

①阿维里扬诺夫公式：

(2)

②阿克苏水平衡站公式：

(3)

式中，E为潜水蒸发强度(mm)；EΦ20为常规气象蒸发皿观测值(mm)；H为地下水埋深(m)，E20为20m2蒸发池水面蒸发量，使用阿克苏水平衡站多年实测平均值1292.2mm；Hmax为地下水极限埋深(m)，按5m计算；a，b为经验系数分别取a=0.62，b=2.8。以上公式计算结果均为裸地条件下的潜水蒸散发数值，若考虑不同植被覆盖条件下的潜水蒸散发，需通过植被系数对裸地条件下蒸散发计算结果进行修正。因孔雀河流域植被、土壤和地下水条件与塔里木河流域类似，故植被系数采用表1的塔里木河流域植被影响系数[3]。

(2)定额法

式中：p为植被需水保证率；Ai为i类的植被面积；mpi为相应保证率的植被需水定额；n为植被类型数。

表1 不同潜水埋深条件下的植被系数

根据生态用水的不同特点，特别是孔雀河两岸的自然植被主要依靠洪水漫溢和河道入渗补给地下水维持生机的特点，并参考潜水蒸发与水平衡公式计算的需水量结果，确定孔雀河流域现状条件下：有林地需水定额为200m3/亩；灌木林需水定额为150m3/亩；疏林地需水定额为100m3/亩；高盖度、中盖度与低盖度草地需水定额分别为200m3/亩，150m3/亩和100m3/亩。

3 结果与分析

3.1 天然植被空间分布及保育范围的确定

孔雀河流域2010年土地利用变化现状空间分布见图1，上游区域土地利用类型丰富，林地、草地均有分布，中下游区域植被类型单一，主要类型为地覆盖草地。根据流域天然植被分布现状及流域生态保护远期目标与近期目标，并结合规划年流域水资源供需平衡与配置情况，流域天然植被保护范围可划分为三个层次(表1)：

(1)天然植被保护总范围

综合考虑孔雀河流域平原区天然荒漠植被在保障绿洲生态安全、绿洲城市文明可持续发展以及区域生物多样性保育等方面的重要功能，确定天然植被保育的范围为流域内自然分布的全部天然林草。根据2010年流域土地利用图，流域内现有天然植被总面积415.22×104亩，其中林地39.99×104亩，包括有林地3.97×104亩，灌木林地12.97×104亩，疏林地23.05×104亩；草地总面积375.23×104亩，包括高盖度草地47.48×104亩，中盖度草地83.27×104亩，低盖度草地244.47×104亩。天然林草主要建群乔木种为胡杨；灌木物种以蔷薇、黑果枸杞、忍冬等为主；草本植物主要以芦苇、大蓟、苦豆子、芨芨草等为主。从植被类型与面积来看，流域天然植被主要以草地为主，占天然植被总面积的90.37%，其中低盖度草地面积最大，占天然植被总面积的58.88%，因此，流域内天然植被退化严重，大面积低盖度草地荒漠化趋势明显。

表2 孔雀河流域天然植被保护面积与植被类型 ×104亩

(2)天然植被重点保护范围

在现状条件下，为了逐步推进生态保护总目标，依据天然植被分布格局、水分来源，并考虑枯水年整个流域平原区天然植被生态需水供应可能面临不足的现实情况，流域天然植被保护范围可优先考虑下游具有极重要生态防护功能，同时又对水分条件响应敏感的生态脆弱区，即灌区以下集中连片分布的天然河岸植被。流域天然植被重点保护区位于阿恰水利枢纽以下(灌区以下)的河道两岸(图1)。该区域分布的天然植被为主要由以胡杨为主的乔木林、以柽柳为主的灌木林以及大面积草地组成，为荒漠地带特有的走廊式荒漠河岸林植被。重点保护区有天然植被168.21×104亩，其中林地35.61×104亩，包括有林地3.6×104亩，灌木林地10.05×104亩，疏林地21.96×104亩；草地132.6×104亩，包括高盖度草地26.5×104亩，中盖度草地45.6×104亩，低盖度草地60.5×104亩。重点保护区仍然以草地为主，面积比例达78.83%，其中低盖度草地占比为35.97%。重点保护区天然林面积占流域天然林总面积的81.26%。重点保护区林地面积占整个流域林地面积的90%左右，显然，流域内的天然林集中分布在灌区以下的河道两岸，是生态保育需重点关注的地方。

图1 孔雀河流域天然植被分布格局与保护范围

(3)应急输水条件下，天然植被抢救保护范围

在流域生态输水规划还未实施之前，可在丰水年或当恰拉水库满足塔里木下游生态输水且有余水的条件下，综合调度实施向孔雀河阿恰枢纽以下地区进行“抢救型”应急生态输水，主要目标是保护阿恰枢纽以下良好(有林地、灌木林地以及中盖度以上草地)天然植被不再退化。根据土地利用图(图1)及孔雀河下游天然植被分布频率图(图2)，可知，若应急输水天然植被抢救目标设定为保护下游区域良好天然植被，则保护范围为距离河道横向范围10km以内，自阿恰枢纽以下，沿河道纵向范围为180km以内，在这一范围内可抢救80%以上的有林地(灌木林)和全部的高(中)盖度草地。天然植被抢救保护范围有天然植被面积为83.26×104亩，其中林地11.16×104亩，草地72.10×104亩。

图2 孔雀河自阿恰 枢纽以下沿河道方向，随直线距离的增加天然植被分布频率变化情况

3.2 不同生态保育目标下的生态需水量计算

采用潜水蒸发法和定额法分别估算了孔雀河流域天然植被最低生态需水量，其中潜水蒸发法采用了阿克苏水平衡公式和阿维里扬诺夫公式(表3)。根据估算结果，如果以流域内分布的全部天然植被为保护目标，则阿克苏水平衡公式计算的最低生态需水量为2.31×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地生态需水量分别为0.09、0.15、0.12、1.04、0.97和1.32×108m3；阿维里扬诺夫公式计算的天然植被生态需水量为3.38×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地生态需水量分别为0.09、0.14、0.11、1.05、0.92和1.15×108m3；定额法计算的天然植被生态需水量为5.15×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地生态需水量分别为0.08、0.19、0.23、0.95、1.25和2.44×108m3。

为了避免单一计算方法的不确定性，将上述三种方法计算结果进行平均，最终流域天然植被最低生态需水量为4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3。

将阿恰枢纽以下的河岸植被作为流域天然植被重点保护区域，则重点保护区域内天然植被最低生态需水量计算结果为：阿克苏水平衡公式计算的生态需水量为1.76×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地生态需水量分别为0.08、0.12、0.12、0.58、0.53和0.33×108m3；阿维里扬诺夫公式计算的天然植被生态需水量为1.67×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地生态需水量分别为0.08、0.11、0.10、0.59、0.50和0.28×108m3；定额法计算的天然植被生态需水量为2.31×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地生态需水量分别为0.07、0.20、0.22、0.53、0.68和0.61×108m3。三种计算结果平均，重点区生态需水量为1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3。

表3 孔雀河流域不同保护范围最低生态需水量估算

将阿恰枢纽以下沿河道纵向直线距离180km、离河岸横向距离10-20km以内的良好河岸植被作为应急输水天然植被抢救保护范围，则抢救保护区域内天然植被最低生态需水量计算结果为：阿克苏水平衡公式计算的生态需水量为1.27×108m3；阿维里扬诺夫公式计算的天然植被生态需水量为1.25×108m3；定额法计算的天然植被生态需水量为1.43×108m3。三种计算结果平均，天然植被“抢救”保护范围生态需水量为1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

4 结 论

孔雀河流域天然植被主要分布在孔雀河沿岸，林地主要聚集中在上游，中下游主要为地覆盖草地。结合天然植被空间分布现状与流域生态保护规划，本文划定了不同层次的孔雀河流域天然植被保育范围：天然植被保护总范围、天然植被重点保护范围以及应急生态输水条件下的天然植被抢救保护范围。

根据不同的保护目标和保护范围，采用多种方法综合计算了天然植被的生态需水量。如果要保护流域内的所有天然植被，需要最低生态需水量为4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3；如果仅保护重点保护区内的天然植被，则需生态需水量为1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3；如果实施生态输水抢救工程，以保护“抢救”保护范围的天然植被，则需生态需水量为1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

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Estimation of Ecological Water Demand of Natural Vegetation in Konqi River Basin

ZHOU Honghua1WUBULI Wumaierjiang2HAO Xingming1LI Weihong1

(1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Xinjiang 830011 China； 2. Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau，Korla 841000，China)

Ecological water demand is the key for the water resources management. In this paper，the ecological water demands of natural vegetation for different conservation objectives and conservation areas in the Konqi River Basin were calculated by a variety of methods. The results showed：The lowest ecological water demand is 4.10×108m3per year for protecting all the natural vegetation in the Konqi River Basin，in which ecological water demand is 0.4×108m3for forest and it is 3.7×108m3for grass；The ecological water demand is 1.91×108m3per year if only protecting the priority protection zone，in which ecological water demand is 0.37×108m3for forest and it is 1.54×108m3for grass；The ecological water demand is 1.32×108m3per year if rescuing the natural vegetation under the ecological water transportation project，in which ecological water demand is 0.18×108m3for forest and it is 1.14×108m3for grass.

ecological water demand；diving evaporation；irrigation quota；natural vegetation；Konqi River

项目资助：国家科技支撑计划项目(2014BAC15B02)和中国科学院“率先行动”计划课题(TSS-2015-014-FW-2-3)

周洪华，博士，副研究员，从事干旱区生态水文过程研究

X21

A

1673-288X(2017)02-0140-05

引用文献格式：周洪华 等.孔雀河流域天然植被生态需水量估算[J].环境与可持续发展，2017，42(2)：140-144.