塔里木河流域绿洲水土资源匹配特征及稳定性分析

阿不都艾尼·阿不力孜，任 强，王义成，於嘉闻，4，龙爱华，张 继，5

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.新疆维吾尔自治区阿克陶县水利局，新疆 阿克陶县 845550；3.新疆维吾尔自治区水资源中心，新疆 乌鲁木齐 830000；4.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；5.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

1 研究背景

绿洲是内陆干旱与半干旱地区人类活动和经济发展的核心区。在我国，绿洲面积仅占干旱区总面积的4%，但却汇集了干旱区90%以上的人口[1]。近年来专家学者们对绿洲开展了大量工作，包括其景观格局变化[2]、生态系统服务功能评价[3]、土壤水盐运移模拟[4]及水环境与土地利用/覆被变化的响应关系等[5-6]。特别是2015年起，我国政府颁布了《关于加快推进生态文明建设的意见》等相关政策措施，使得绿洲水土资源安全及其生态保护问题逐渐成为该领域的研究热点[7]。

塔里木河流域是我国典型的农业绿洲区，也是生态环境极为脆弱、敏感的地区。流域长期的耕地开垦和农业生产消耗了大量水资源，引发了河道断流、水质恶化、土地荒漠化、生物多样性降低和沙化加剧等一系列问题[8]。这些问题不仅会直接影响流域的自然水文过程[9]，还会导致当地水土资源关系的不匹配及绿洲整体稳定性发生变化。过去专家学者们对当地水土资源的研究多集中在流域的自然水文过程及其影响上[10]，而基于社会水文学过程对流域水足迹和土地规模的研究仍处于起步阶段[11-12]，鉴于影响流域绿洲水土资源变化的因素较多，迄今为止，国内外对干旱地区水土资源的相关研究多集中在时空分布特征和资源间的匹配方面。李慧等[13]通过构建洛伦兹曲线和计算农业水土资源错配模型对延安市农业水土资源状况进行评估，他们发现，在同一时期农业水土资源错配程度高于全国平均水平，空间错配程度存在明显空间差异，总体呈由南向北逐渐改善的趋势。Du等[14]人从重心模型的角度分析了中国宁夏省灌溉水与农田资源的匹配程度。结果表明，灌溉用水和有效灌溉面积的重心均向东南方向移动，它们之间的空间匹配程度优于灌溉用水与农田面积。Zhang等[15]人通过构建基尼系数模型与空间错配模型研究了中亚可再生水资源与农田面积的匹配模式，他们认为，中亚国家之间水资源分配和利用的匹配程度存在较大空间差异，土地资源的过度开发，最终导致了严重的水资源危机问题。

本文基于1990—2015年的地理信息系统空间数据，试图对塔里木河流域绿洲水土资源的时空变化特征及其驱动机制进行研究；分析农业水足迹分别与天然绿洲和人工绿洲的空间错配程度，并结合敏感性分析，探究农业水足迹变化对天然绿洲和人工绿洲规模变化的响应；从绿洲农业水足迹的角度对绿洲稳定性进行评价；提出合理控制人工绿洲规模和保障绿洲结构稳定性的可持续发展建议。结果有助于从全流域的角度指导绿洲水土资源开发利用，为绿洲水土资源的管理和制定绿洲生态安全相关政策提供思路。

2 研究区概况

塔里木河流域地处天山地槽与塔里木地台之间的山前凹陷区，是我国境内最大的内陆河流域，流域面积102万km2。塔里木河流域主要由阿克苏河、渭干河、开孔河、车尔臣河、克里亚河、和田河、叶尔羌河、喀什噶尔河等子流域、塔里木河干流以及塔克拉玛干沙漠等共同构成。流域常年气候干燥，属暖温带大陆性干旱气候。年太阳辐射总量5200～6200 MJ·m-2，年日照时数2400～3250 h，年均气温10.6～11.5℃。全流域降水时空分布不均，年降水量（＜70 mm）远低于年蒸发量（2300～3000 mm）。当地年均水资源量为428.4亿m3，其中河川径流量408.1亿m3，地下水资源量262.0亿m3，不重复计算水资源量20.4亿m3。2015年流域境内粮食和棉花总产量分别为815.66万t和271.44万t，其中棉花产量占我国棉花总产量的48.4%。截止到2015年，全流域人均GDP为2.61万元，仅占全国人均GDP的52.2%；人口为1127.20万人，年人口净增长率21.0‰，增速位居全国前列；城镇化率30.1%，低于全国平均水平[16]。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源气象数据来自于1990—2015年塔里木河流域境内37个气象站点的逐月实测数据。水资源开发利用数据来自于新疆水利厅发布的《新疆水资源公报》，水资源开发利用数据、人口数、区域GDP、农业生产数据、生态需水量及用水量等统计数据来自于《新疆统计年鉴》《新疆生产建设兵团统计年鉴》和《塔里木河流域生态保护重点工程规划布局战略咨询报告》等。

选取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年六期的遥感影像数据。DEM数据来自于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）的ASTER GDEM V2数据，空间分辨率为30 m。采用eCognition 8.7遥感分类软件对生成的六期遥感影像进行多尺度分割和地物信息提取，结合同期的Google Earth高分辨率图像进行目视解译。将提取的绿洲土地利用类型按照天然绿洲和人工绿洲进行分类，通过现场查勘和野外随机采样的方法评估分类精度，精度在90%以上。

3.2 绿洲的分类根据绿洲的形成机制及我国《土地利用现状分类标准》（GB/T 21010-2017）对塔里木河流域绿洲的土地利用/覆被类型进行划分，其中天然绿洲包括天然生长的林草地（落叶阔叶灌木林、常绿针叶林、草甸和草原）及天然水域（河流、湖泊和沼泽地）；人工绿洲包括耕地（水田和旱地）、人工林地（乔木园林地和灌木绿地）、已开发土地（城乡居民用地和其它建设用地）及人工水域（人工沟渠、水库和坑塘）。

3.3 绿洲农业水足迹核算由于塔里木河流域处于相对封闭的“自然-社会”水循环及水热平衡系统中，因此本研究采用联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）开发的CROPWAT模型核算了当地的农业水足迹（WFa）。有研究表明，WFa以及生态用水等是驱动和改变当地绿洲结构稳定性的主要因素；反之，居民用水、工业用水等非植被型用水对绿洲整体稳定性及植被生长过程的影响相对较小[17-18]。依据上述概念，得到各参数的计算公式如下:

式中：WFc为作物生产水足迹，亿m3；WFl为畜牧业生产水足迹，亿m3；WFblue为蓝水足迹，m3/t；WFgreen为绿水足迹，m3/t；Pi为作物产量，t；ETc为Penman公式确定的作物蒸散发量，mm；Peff为有效降水量，mm；Y为单位面积作物产量，t/ha；WAfeed为饲料的虚拟水量，m3/t；WAdrink为牲畜的饮水虚拟水量，m3/t；WAserve为牲畜服务用水的虚拟水量，m3/t；Pa为牲畜的产肉量，t；lgp为作物生长期，d；d为天数。

3.4 空间错配及敏感性分析基尼系数（GC）与空间错配指数（SMI）可将水土资源的匹配度（或错配度）进行量化[19]。结合敏感性指数（SI（Wi_Ai））可以评估绿洲农业水足迹对绿洲土地资源的潜在响应程度。式中：ω和l分别为子流域农业水足迹和绿洲土地资源占全流域的比重；a为农业水足迹的累积百分比；GC通常在0和1之间，GC越小，表明绿洲水土资源的平衡度越好，反之亦然。SMI（W_A）i为第i个子流域农业水足迹分别和天然（或人工）绿洲的空间错配指数，Wi为水足迹，Ai为天然（或人工）绿洲面积，SMI（W_A）越大，表明单位水足迹对天然（或人工）绿洲规模的影响越大，反之亦然。

式中：Wt1和Wt2分别为研究期开始和结束时的农业水足迹；At1和At2分别为研究期开始和结束时的天然（或人工）绿洲面积。SI（Wi_Ai）越高，反映了天然（或人工）绿洲面积对水足迹的变化越敏感。

3.5 绿洲稳定性评价本文根据Yang等人的研究方法，进一步计算了基于农业水足迹的绿洲稳定性指数H0，H0越大，绿洲的稳定性越高，反之亦然。该指标可结合绿洲水土资源的匹配度及敏感性分析结果来综合评价当地人类活动对绿洲水土资源安全及生态环境质量发展的影响[20-21]。

式中：WA为绿洲当年的用水总量，亿m3；WFn为居民生活、工业等非植被用水量，亿m3；Ao为绿洲总面积，km2；r为年降水量，mm。结合Guo等[22]对绿洲稳定性的相关研究结果，初步将绿洲的稳定性划分为四个等级（表1）。

表1 绿洲稳定性评价分级

4 结果与分析

4.1 绿洲水土资源时空动态变化特征1990—2015年塔里木河流域绿洲面积呈增加趋势，由1990年的7.03万km2增加到2015年的8.18万km2，年增长率0.6%。其中，人工绿洲由1990年的2.86万km2增加到2015年的4.16万km2，年增长率1.6%；而天然绿洲面积由1990年的4.18万km2增加到2000年的4.43万km2，再下降到2015年的4.02万km2；天然绿洲与人工绿洲面积比由1990年的1.46∶1下降至2015年的0.97∶1。1990—2015年当地绿洲用水总量在211.95亿～340.39亿m3；通过水足迹模型可得到这六个时期的农业水足迹（WFa），结果显示：WFa呈增加趋势，由1990年的109.58亿m3增加到2015年的334.78亿m3，年增长率4.8%；而居民生活、工业等非植被用水量（WFn）在近25年内维持在108.94亿～125.43亿m3。各时期均表现为WFa大于WFn，表明WFa在塔里木河流域整个绿洲的用水结构中占主导地位（图1）。

图1 1990—2015年塔里木河流域绿洲水土资源时序变化

由1990—2015年间塔里木河流域绿洲扩张（或萎缩）区域的空间变化可知（图2），天然绿洲萎缩区域和人工绿洲扩张区域的区位特征高度重合，主要集中在叶尔羌河下游、渭干河周边、开孔河中段及阿克苏河到塔里木河干流之间。人工绿洲主要通过挤占天然绿洲而形成，且人工绿洲总体表现为由沿河流水系分布逐渐转变为向水系周边扩张分布。在1990—2000年间，塔里木河流域人工绿洲的形成并没有引起天然绿洲的明显萎缩；而在2000年后，每形成10 km2的人工绿洲，便会引起3.9 km2天然绿洲的消亡，且天然绿洲面积总体呈逐年萎缩的趋势。

图2 1990—2015年塔里木河流域绿洲扩张（或萎缩）的空间变化特征

4.2 绿洲水土资源空间错配及敏感性分析以1990、1995、2000、2005、2010和2015年为例，绘制天然绿洲（NO）和人工绿洲（AO）分别占绿洲总面积的累计百分比和农业水足迹（WFa）占绿洲总用水量的累计百分比，得到相应的洛伦兹曲线，如图3所示。洛伦兹曲线与绝对公平线（Curve of absolute equality）之间的面积越大，基尼系数越高。同理，两条洛伦兹曲线的间距反映了水土资源间匹配程度的偏差。在上述选定的六个时期里，NO的洛伦兹曲线曲率远大于AO，表明WFa和NO的平均基尼系数较高。

图3 塔里木河流域农业水足迹与绿洲面积匹配的洛伦兹曲线

基于此，进一步分析WFa与绿洲土地资源空间匹配程度的年际变化趋势，即1990—2015年间WFa-NO和WFa-AO的基尼系数（GC）和错配指数（SMI）（图4），结果显示，各时期WFa-NO的基尼系数在0.20～0.37之间，而WFa-AO的基尼系数在0.01～0.06之间，表明WFa与天然绿洲面积的空间平衡度明显低于WFa与人工绿洲面积；与此类似，各时期WFa-NO的错配指数在53.0～68.6之间，而各时期WFa-AO的错配指数均低于14.8，表明WFa和天然绿洲的空间失配度要远高于WFa与人工绿洲。从时间角度分析，WFa-NO的基尼系数和错配指数结果具有相似的波动趋势。2000年到2005年间，基尼系数和错配指数均呈下降趋势，表明WFa和NO之间的空间失配度正逐渐缓解。但在2005年后，基尼系数和错配指数由分别从0.20和53.0增加到2015年的0.37和68.6，表明WFa和NO的空间关系变得更加不均衡和不匹配。WFa-AO的基尼系数和错配指数结果在波动趋势上具有一定差异，但相对WFa-NO，两指标的整体变化较为平稳。特别是在2000年到2015年间，WFa和AO间的空间匹配度达到近25年内的最优水平。

图4 塔里木河流域农业水足迹与绿洲土地资源匹配的洛伦兹曲线和空间错配指数年际变化

本文以每5年为间隔分别计算了WFa-NO和WFa-AO的敏感性指数（表2）。结果显示，1990—2015年间WFa-NO敏感性指数的变幅较大，范围在1.78～8.86之间；WFa-AO敏感性指数的变幅相对较小，范围在0.67～2.44之间；近25年内WFa对NO和AO变化的平均敏感性指数分别为5.17和1.67，即WFa每变化1%，NO和AO分别波动5.17%和1.67%，表明天然绿洲规模对农业水足迹变化的敏感性更高。特别是天然绿洲规模对农业水足迹变化的敏感性指数由2000—2005年的1.78激增到2010—2015年的8.86，表明天然绿洲受到农业水足迹变化后的影响程度在逐渐加深。

表2 塔里木河流域各时期绿洲农业水足迹与土地资源变化的敏感性指数

4.3 绿洲稳定性评价本文对1990、1995、2000、2005、2010和2015年绿洲的稳定性状况进行了评价（表3），结果显示：H0由1990年的0.52下降至2000年的0.43，即在1990—2000年间塔里木河流域绿洲稳定性呈逐渐失稳的态势，到1995—2000年间为亚稳定状态，绿洲整体已不具备开发潜力；而2000年后随着农业高效节水技术的应用及下游生态输水工程的实施，全流域节水强度在提升的同时，下游绿洲生态环境恶化趋势得到遏制，绿洲整体稳定性有所恢复（2015年H0上升到0.56）。此外，H0在1990—2000年间每年的失稳速率（0.0090/a）要快于2000—2015年间每年的恢复速率（0.0086/a），即研究区绿洲的稳定性需要失稳期1.05倍的时间才能恢复到原来的状态，且近15年随着人工绿洲耕地面积的扩张和农业水足迹的增加，导致研究区绿洲在处于失稳状态后的恢复难度增加；而H0虽呈上升趋势，但介于0.50的临界稳定值之间，故未来当地绿洲整体稳定性的发展形势依然存在较高风险。

表3 1990—2015年塔里木河流域绿洲稳定性变化评价

4.4 绿洲结构稳定及水土资源开发利用的对策浅析塔里木河流域是我国重要的新丝绸之路经济核心区和民族团结建设区，其对于我国地缘安全具有重要战略地位[23]。特别是进入21世纪以来，在我国“‘五位一体’总布局”、“‘一带一路’国家级顶层合作倡议”和“最严格水资源管理制度之‘三条红线’与河（湖）长制”等重大政策背景下，如何维持当地绿洲结构稳定及合理开发利用水土资源成为限制其可持续发展的主要议题。目前塔里木河流域依然面临生态脆弱且恶化趋势难以有效遏制的挑战，如何扭转这一挑战并提升绿洲整体结构的稳定性，首要的是如何优化生态系统，提高生态承载力。而想从根本上克服这一挑战，则离不开水土资源的高效利用与管理。此外，塔里木河流域是全球气候变化的敏感区[24]，随着气候变暖增湿效应的逐渐显现，其源流径流量明显增加的同时，人类对地表水的过度耗用也导致进入塔里木河干流和干流自身径流量在大幅减少。

结合上述分析结果本文认为塔里木河流域未来绿洲水土资源开发利用存在以下发展趋势：（1）退地减水效果可能并不明显，水资源需求仍将增长；（2）生态环境恶化趋势难以遏制，未来风险仍然存在；（3）高效节水技术是当前的法宝，但其产生的次生盐渍化、覆膜残留土壤等问题也对未来造成了一定的潜在隐患。为此，本文建议塔里木河流域所在地区政府应抓住有利时期，实现经济转型；建设规模化高效绿洲农业，走特色农业之路；近期绿洲水土开发应以退减量置换兵团扩展所需增量；并保护好现有水源，加快新增水资源前期工作。

5 结论

（1）从时间角度看，1990—2015年间塔里木河流域绿洲总面积持续增加。由1990年的7.03万km2增加到2015年的8.18万km2。其中，人工绿洲由1990年的2.86万km2增加到2015年的4.16万km2；而天然绿洲面积由1990年的4.18万km2减少到2015年的4.02万km2。

（2）从空间角度看，塔里木河流域天然绿洲的萎缩主要是人工绿洲扩张所引起的，扩张区主要集中在叶尔羌河下游、渭干河周边、开孔河中段及阿克苏河到塔里木河干流之间。进入21世纪，由于经济的快速发展，农业水足迹成为影响当地绿洲规模及结构稳定的主要因素。

（3）从空间错配与敏感性分析结果看，在2005年后农业水足迹与天然绿洲的空间失配度逐渐趋于不均衡化，且天然绿洲相对人工绿洲对农业水足迹变化的敏感性更高。在1990—2015年间，农业水足迹分别与天然绿洲和人工绿洲的稳定性指数为5.17和1.67。

（4）从流域绿洲的稳定性来看，塔里木河流域绿洲整体处于亚稳定-基本稳定状态，稳定性指数在0.43至0.56之间，一旦其稳定状态发生改变，则需要失稳期1.05倍的时间才能使稳定性恢复到原来的状态。塔里木河流域在我国具有重要的战略地位，同时其生态环境极为敏感和脆弱，建议流域所在政府应从经济转型、建设规模化高效绿洲农业、保护现有水源和加快新增水资源前期工作等措施出发来维持当地绿洲结构的稳定性，并合理开发利用绿洲有限的水土资源。