基于生態保護目標的疏勒河中游綠洲生態環境需水研究

孫棟元,楊 俊,胡想全,金彥兆,張云亮

1 甘肅省水利科學研究院, 蘭州 730000 2 甘肅省水利廳水土保持局, 蘭州 730000

基于生態保護目標的疏勒河中游綠洲生態環境需水研究

孫棟元1,*,楊 俊2,胡想全1,金彥兆1,張云亮1

1 甘肅省水利科學研究院, 蘭州 730000 2 甘肅省水利廳水土保持局, 蘭州 730000

以疏勒河中游綠洲為研究對象,基于RS和GIS技術,選擇1990年、2000年和2013年Landsat TM/ETM影像解譯成果作為中游綠洲生態演變研究的基礎資料,并確定了中游綠洲2020年和2030年生態保護目標。根據疏勒河中游綠洲生態環境需水特征,建立了基于天然植被、河流、濕地和防治耕地鹽堿化的疏勒河中游綠洲生態環境需水定量化模型,并估算了現狀和保護目標下流域中游綠洲生態需水量,從而為區域水資源合理配置和生態系統的協調發展提供參考依據。通過計算得出了疏勒河中游綠洲2013、2020和2030年天然植被、河流基本生態、河流輸沙、河流滲漏補給、水面蒸發、濕地生態和防治耕地鹽堿化生態環境需水量。同時得出疏勒河中游綠洲2013、2020和2030年疏勒河中游綠洲最大、最小和最適生態環境需水量分別為7.42×108、7.09×108、7.29×108,8.24×108、7.91×108、8.11×108m3和9.12×108、8.79×108、8.99×108m3。2013、2020和2030年疏勒河中游綠洲生態環境需水量年內變化主要集中于5—8月,累積生態環境需水量占全年的比例分別為58.01%、58.08%和58.13%；疏勒河中游綠洲生態環境需水量瓜州所占比例相對較大,玉門相對最小,敦煌介于二者之間。

疏勒河中游；綠洲；生態環境需水；生態保護目標

干旱區綠洲是干旱區獨有的自然人文景觀,其面積僅占干旱區面積的4%—5%,卻集中了該區域90%以上的人口與95%以上的社會財富,是干旱地區人類賴以生存的基礎和精華所在,同時也是干旱區最敏感的部分和經濟發展的承載體[1-4]。而水資源作為綠洲存在的基本條件,是維系綠洲生態系統和流域生態安全與經濟社會和諧發展的決定性因素,同時也是保護生態環境和決定綠洲規模的最關鍵因素[5-8]。生態環境需水研究是目前生態學和水科學研究的熱點領域,研究生態環境需水的目的是實現區域水資源的優化配置和高效利用,最終實現區域水—經濟—生態與環境系統的協調可持續發展[9-13]。近些年,盡管國內外大量學者針對河流、湖泊、濕地、植被和城市等各種生態系統開展了生態需水方面的研究[14-23],同時開展了基于水土保持、生態安全、生態保護、生態功能等方面的生態需水研究[1,24-29],取得了一些可喜的成果。然而針對干旱內陸河流域綠洲生態需水方面的研究相對欠缺,尤其在流域綠洲尺度基于生態保護目標對生態環境需水進行綜合研究與估算還相對薄弱。因此,針對干旱內陸河流域綠洲特殊地理生態環境狀況,開展基于生態保護目標的流域綠洲生態需水研究,估算流域綠洲生態需水量,從而為流域綠洲生態環境的健康發展提供科學依據。本文根據疏勒河中游綠洲生態環境現狀,確定了未來生態環境保護目標,基于保護目標估算了流域中游綠洲生態需水量,從而為區域生態需水的合理配置提供參考。

1 研究區概況

疏勒河流域位于河西走廓西端,是河西地區三大內陸河水系之一,流域全長550 km, 面積39497 km2。中游綠洲位于疏勒河中游的走廊平原地帶,海拔1050—1300 m,地勢平坦開闊,分布有大片綠洲。由于獨特地理位置和氣候條件,導致區域形成晝夜溫差大,蒸發強烈的氣候環境,屬典型溫帶大陸性干旱氣候,多年平均降水量39.2—63.1 mm,蒸發量2469—2869.4 mm,多年平均氣溫6.95—9.42 ℃,行政區劃包括敦煌、瓜州和玉門的絕大部分地方。同時由于人類強烈的社會活動,導致區域脆弱生態系統環境日趨惡化,主要表現為綠色生態嚴重退化,濕地面積縮小,鹽堿地、沙地迅速增加,對當地的社會經濟發展產生了一定的影響。再加之人類活動對水資源利用量的不斷增加,使得區域生態環境需水嚴重不足,致使流域中游綠洲天然植被萎縮嚴重,從而影響當地生態環境的良性循環和阻礙社會經濟的可持續發展。中游綠洲植被呈水平帶狀分布,其分布模式和主要植物組成,是隨地形地貌、土壤質地、含鹽量及地下水位諸生態因素而改變的,不同的植被群落反映了植被類型的差異,也反映了區域自然條件的特點,其主要植被類型有森林植被、農業綠洲植被、沼澤植被、草甸植被和荒漠植被等類型。

2 疏勒河中游綠洲生態環境需水理論框架

目前,疏勒河中游綠洲區已出現了類似石羊河、黑河流域水土資源開發利用過程中出現的植被衰亡、草場退化、濕地衰減、生物多樣性受損、土地鹽漬化、沙漠化等一系列生態環境問題。為了進一步保護疏勒河中游綠洲生態環境,恢復中游綠洲生態系統功能,生態環境需水指維持中游綠洲的穩定性和綠洲植被面積,保護綠洲河流湖泊以及濕地生態系統的穩定與平衡所需水量。因此,生態環境需水內涵包括兩個方面,一是研究現狀生態環境背景下,保護和維持其天然及人工生態系統不再退化需要多少水量；二是針對生態環境己經惡化的地區,為改善區域生態環境狀況,維持區域社會經濟、生態環境的可持續發展,采取水資源調控配置措施恢復中游綠洲生態系統功能,在這種情況下,要根據中游綠洲生態環境恢復目標,確定所需要的生態環境恢復水量[9,30]。因此,確定疏勒河流域中游綠洲生態環境需水量主要包括：天然植被需水量,濕地生態環境需水量,河流生態環境需水量和防治耕地鹽堿化環境需水量。

3 疏勒河中游綠洲生態保護與恢復目標確定

根據疏勒河中游綠洲的實際情況,選擇1990年、2000年和2013年Landsat TM/ETM影像解譯成果作為生態演變研究的基礎資料(圖1),依據1990年遙感影像解譯成果和不同生態需水類型面積確定疏勒河流域2020年和2030年生態保護目標。疏勒河中游綠洲區演化一方面受制于上游來水量的多寡,另一方面受人類活動的干擾和調節。在區域有限的水資源條件下,要使得疏勒河中游綠洲的植被得到恢復,需采用相應的輔助工程以及保障措施。通過有計劃有步驟地實施輪牧、限牧和退牧,大力推行圍欄封育,減輕綠洲區的牲畜壓力及其對綠洲的直接破壞；保護和恢復天然胡楊林、紅柳等植被,加大人工種植怪柳、梭梭等植被建設；選育耐旱耐鹽物種,有計劃地對疏勒河中游綠洲地區林草植被實行人工調控,以發揮水資源的最大生態效益；增強疏勒河中游綠洲地區天然林草植被、人工種植林草植被的恢復和生長能力,以提高中下游綠洲系統的生命支持能力。同時通過人工措施,保護水域生態系統,恢復濕地功能,促進區域水域生態系統健康發展。因此,疏勒河中游綠洲生態恢復的主要目標為植被生態系統和水域生態系統,其具體包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、湖泊、水庫和沼澤地。結合疏勒河中游綠洲區1990年、2000年和2013年不同類型土地利用面積,確定2020年和2030年疏勒河中游綠洲區植被生態系統和水域生態系統生態恢復目標,見表1。

圖1 1990年,2000年和2013年疏勒河中游綠洲不同生態系統類型Fig.1 The different ecological system types in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin in 1990, 2000 and 2013

需水類型Waterrequirementtype1990年2000年2013年2020年2030年面積/hm2Area比例/%Proportion面積/hm2Area比例/%Proportion面積/hm2Area比例/%Proportion面積/hm2Area面積/hm2Area有林地Forestland382．720．03396．830．03560．970．04589．02618．47灌木林地Shrubforestland7402．310．507095．640．487570．440．517948．968346．41疏林地Openforestland6559．260．446424．500．436000．580．406300．616615．64其他林地Othersforestland857．280．06858．220．06712．970．05748．62786．05合計Total15201．5714775．1914844．9615587．2116366．57高蓋度草地Highdegreeofcoveragegrassland37665．662．5333757．772．2731079．892．0937295．8741025．46中蓋度草地Middledegreeofcoveragegrassland97318．236．5493094．876．2576668．275．1592001．92101202．11低蓋度草地Lowdegreeofcoveragegrassland225273．3415．13223379．2315．00194675．6213．08233610．75256971．82合計Total360257．23350231．87302423．78362908．54399199．39河渠Riversandcanals4660．590．314161．410．284414．940．304856．445342．08湖泊Lakes706．940．05398．910．03425．760．03468．33515．17水庫Reservoir2820．940．193848．220．262522．330．172774．573052．02沼澤Marshland23710．931．5921343．651．4314629．130．9817554．9521065．95合計Total31899．429752．1921992．1625654．2929975．22

4 基于生態保護目標的疏勒河中游綠洲生態環境需水計算方法

根據疏勒河中游生態保護與恢復目標主要為天然植被、濕地和河流生態系統的良性循環和健康可持續發展。本文根據疏勒河中游綠洲生態環境狀況以及生態環境需水理論框架,確定區域生態需水模型結構,并建立計算式為：

W=Wv+Wr+Ww+Ws

(1)

式中,W為區域生態環境需水量(108m3/a)；Wv為天然植被生態環境需水量(108m3/a);Wr為河流生態環境需水量(108m3/a)；Ww為濕地生態環境需水量(108m3/a)；Ws為防治耕地鹽堿化環境需水量(108m3/a)。

4.1 天然植被生態環境需水量Wv計算方法

由于干旱區植被生長的特殊性,地下水狀況的好壞決定植物生長的好壞。因此,植被生長需水在綜合考慮時空尺度基礎上,時間按月計算,空間上按植被優勢物種劃分[6,31]。其計算Wv模型為：

(2)

其中ETij可根據阿里維揚諾夫公式計算[6],即：

ETij=a(1-H/Hmax)b·(Eφ20)·ij

(3)

式中,Wv為植被生態環境需水量(m3/a)；K為植被系數；Ai為i種生態區的面積(m2)；ETij為潛水蒸發量(mm)； (EΦ20)ij為常規氣象蒸發皿蒸發值(mm),H為為地下水埋深(m)；Hmax為極限地下水深度(m)；a,b為為經驗系數；i=1,2,…,n；j=1,2,…,12。

阿維里揚諾夫公式是典型的潛水蒸發模型,計算方法中待定參數包括極限地下水埋深Hmax、經驗系數a、b,在不同地區參數取值不同,其中參數標定是根據甘肅水文二隊和中國科學院寒區旱區環境與工程研究所在玉門、張掖等地的試驗數據所得[9]。極限地下水埋深Hmax是停止蒸發時的地下水埋深,在干旱區,有植被蓋度的區域以5 m為限,荒漠區以4.5 m為限,如果極限地下水埋深大于這些深度,其潛水蒸發量可近似認為等于零,這也是目前水文地質計算中普遍采用的值。參數a、b是與植被覆蓋度、土質有關的待定系數,不同植被覆蓋度和不同的土質其系數不同,本文根據荒漠區特點確定a為0.62,b為2.80。

4.2 河流生態環境需水量Wr的計算方法

河流生態環境需水量計算相對復雜,涉及相關原則相對較多,本文基于功能性需求原則、分時段考慮原則建立河流生態環境需水量的計算模型,結合干旱區河流特點,主要涉及河流基本生態、水質凈化、輸沙、河道滲漏補給和水面蒸發需水量[6,12,32]。因此,方法的選擇適合干旱區河流生態環境需水量的計算:

Wr=max(Wb,Wc,Ws)+Wl+We

(4)

式中,Wb,Wc,Ws,Wl,We分別為河流基本生態、水質凈化、輸沙、河道滲漏補給和水面蒸發需水量。由于疏勒河屬于典型內陸河流域,其水質可滿足飲用與灌溉需要,因此本文暫不考慮計算河流水質污染稀釋自凈需水量Wc。

4.2.1 河流基本生態環境需水量Wb的計算方法

河流基本生態環境需水量以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態環境需水量[33]。其計算公式為：

(5)

式中,Wb為河流基本生態環境需水量(108m3/a)；Qij為第i年第j月的河流月均流量(m3/s)；T為常數,其值為31.536×106s；n為統計年數。

4.2.2 河流輸沙需水量Ws的計算方法

由于河流輸沙需水量與河流輸沙量、流量、水沙動力條件等因素有關,而汛期水量相對較大,能完成河流輸沙功能,因此,將汛期用于輸沙的水量和非汛期調水調沙(沖沙)的水量作為河流輸沙需水量[34-35],其計算公式如下：

(6)

式中,Ws為河流輸沙需水量(108m3/a)；Sn為多年平均輸沙量(kg)；Cij為第i年第j月的河流月均含沙量(kg/m3)；n為統計年數。

4.2.3 河道滲漏補給需水量Wl的計算方法

由于受河床巖性、河道輸水流量、地下水埋深等因素的影響[6],因此,河道滲漏補給量可按達西定律計算：

Wl=2K·I·L·H·t

(7)

式中,Wl為河道滲漏補給量(108m3/a)；K為含水層滲透系數(m/d)；I為水力坡度(‰)；L為含水層厚度(m)；H為過水斷面寬度,m；t為時間(d)。

4.2.4 河流水面蒸發生態需水量We的計算方法

河流水面蒸發生態需水量與降水量、水域面積、水面蒸發量息息相關[36],因此水面蒸發需水量計算公式為：

(8)

式中,We為河流水面蒸發生態需水量(108m3/a)；A為水面面積(km2)；E為水面蒸發強度(mm)；P為平均降水量(mm)。

水面蒸發強度E用下式表示,其水面折算系數為：

E=K·E20

(9)

J=E20/E20

(10)

式中,K為水面蒸發折算系數；E20為20cm常規蒸發皿觀測的水面蒸發量(mm)；E20為20 m2水面蒸發池觀測的水面蒸發量(mm)。

4.3 濕地生態環境需水量Ww的計算方法

由于濕地類型不同,生態環境需水量的計算方法也存在差異,其生態環境需水量的確定相對比較復雜[6,37],因此,本文按如下公式計算：

(11)

式中,Ww為濕地生態環境需水量(108m3/a)；Ai為某濕地水面面積(hm2)；Ei為相應的水面蒸發能力。

4.4 防治耕地鹽堿化環境需水量Ws的計算方法

干旱區內陸河流域,由于水資源短缺,特別是春旱嚴重,通常采用秋天灌溉、春播前灌溉和生育期加大灌溉定額的方法減少鹽分對農作物的危害[6]。這部分具有雙重作用,加大的灌溉水量,稱之為防治土地鹽堿化的環境需水量[38]。其計算公式如下：

Ws=As×ms

(12)

式中,Ws為防治土地鹽堿化的環境需水量(108m3/a)；As為鹽堿化土地面積(hm2)；ms為為鹽堿土地環境需水定額(m3/hm2)。

5 數據來源

(1)降水與蒸發數據 降水與蒸發數據來源于甘肅省氣象局,根據收集到玉門市56a降水與20 cm常規蒸發皿觀測資料統計分析,得到多年各月降水量與蒸發量(表2)。

表2 玉門市不同月份的降水量與水面蒸發量

(2)徑流與輸沙數據 徑流與輸沙數據采用1953—2010年疏勒河流域中游潘家莊水文站統計資料,數據來源于甘肅省水文水資源局。

(3)植被影響系數 參考河西走廊玉門鎮以及石羊河流域相關試驗成果作為計算依據[9,39](表3)。

表3 干旱區潛水埋深與植被影響系數表

(4)單位面積蒸發量 根據植物生長確定疏勒河中游植被潛水埋深變動范圍,依據參考文獻[40]：有林地1.0—4.5 m,灌木林地1.0—4.0 m,疏林地1.0—5.0 m,其他林地2.0—6.0 m,高覆蓋度草地1.0—3.5 m,中覆蓋度草地為2.0—3.0 m,低覆蓋度草地為2.0—4.0 m。依據研究區每種植被類型的地下水埋深范圍和平均埋深,并按相應公式計算得到不同潛水埋深蒸發量和不同植被單位面積蒸散量計算結果(表4)。

表4 疏勒河流域中游綠洲區不同植被單位面積蒸散量

6 生態保護目標下中游綠洲生態需水量計算

6.1 天然植被生態環境需水量

根據確定的天然植被生態環境需水計算方法,結合2013年疏勒河中游綠洲土地利用類型,從而計算出2013年疏勒河流域中游綠洲維護植被生態環境需水量計算結果1.90×108m3(表5)。按不同植被計算的生態需水量,2013年林地需水量占6.84%,為0.13×108m3,草地占93.16%,為1.77×108m3。同樣,計算得出保護目標下2020年、2030年疏勒河流域中游綠洲維護植被生態環境需水量分別為2.24×108m3和2.47×108m3(表5)。按不同植被計算的生態需水量,2020年林地需水量占5.80%,為0.13×108m3,草地占94.20%,為2.11×108m3；2030年林地需水量占5.67%,為0.14×108m3,草地占94.33%,為2.33×108m3。

表5 疏勒河流域中游綠洲不同植被類型生態最小需水量

6.2 河流生態環境需水量

6.2.1 河流基本生態環境需水量

利用1953—2010年疏勒河流域中游潘家莊水文站58a的河流流量統計數據,得到疏勒河中游多年月平均流量和多年月最小流量,并根據式(5),得出疏勒河基本生態環境需水量為1.00×108m3。采用Tennant法(取疏勒河干流多年平均(1953—2010年)年徑流量9.48×108m3的百分比作為河道基本生態環境需水量)在10%情況下,計算出河流生態基流為0.95×108m3。因此,取二者平均值0.98×108m3作為疏勒河河流基本生態環境需水量。保護目標下2020年、2030年疏勒河流域中游綠洲河流基本生態環境需水量不變,仍為0.98×108m3。

6.2.2 河流輸沙需水量

利用疏勒河流域中游潘家莊水文站含沙量統計數據,計算得出潘家莊水文站處輸沙需水量作為疏勒河流域中游河流輸沙需水量。潘家莊水文站處多年平均輸沙量為203.01×104m3,最大月平均含沙量53.86 kg/m3。計算得出潘家莊水文站處輸沙需水量為1.11×108m3。因此,疏勒河流域中游河流輸沙需水量為1.11×108m3。保護目標下2020年、2030年疏勒河流域中游綠洲河流基河流輸沙需水量不變,仍為1.11×108m3。

6.2.3 河流滲漏補給需水量

疏勒河干流中游長124 km,根據收集資料得到疏勒河中游滲透系數、水力坡度和含水層厚度平均值分別為15.28、0.003 m和20 m,確定時間為365 d,計算得到入滲量為0.83×108m3。保護目標下2020年、2030年疏勒河流域中游綠洲河流滲漏補給需水量不變,仍為0.83×108m3。

6.2.4 河流水面蒸發生態需水量

疏勒河流域中游多年平均降水量為63.78 mm,多年蒸發量2704.87 mm。根據清華大學玉門試驗站觀測資料,通過累計潛水蒸發量和累積蒸發皿蒸發量計算得出水面蒸發折算系數為0.59。計算得2013年河流水面蒸發生態需水量為(表6)0.68×108m3。計算得出保護目標下2020年、2030年河流水面蒸發生態環境需水量分別為0.73×108m3和0.80×108m3(表6)。

6.2.5 河流生態環境需水總量

通過計算,在不考慮河流輸沙需水量時,河流生態環境需水量由河流基本生態、河道滲漏補給和河流水面蒸發需水量組成,2013年、2020年和2030年分別為2.49×108m3、2.54×108m3和2.61×108m3,其中河流基本生態環境需水量占河流生態環境需水量分別為39.4%、38.6%和37.5%,滲漏補給需水量與水面蒸發環境需水量分別占為33.3%、32.7%、31.8%和27.3%、28.7%、30.7%(表7)。在考慮輸沙需水量時,河流生態環境需水量由河流輸沙、河道滲漏補給和河流水面蒸發需水量組成,2013年、2020年和2030年分別為2.62×108m3、2.67×108m3和2.74×108m3,其中河流輸沙生態環境需水量占河流生態環境需水總量分別為42.4%、41.6%和40.5%,河道滲漏補給需水量分別占31.6%、31.1%和30.3%,河流水面蒸發生態需水量分別占26.0%、27.3%和29.2%(表7)。

表6 疏勒河中游綠洲區水域蒸發需水量計算結果

Table 6 Calculation result eco-environmental water requirement of water surface evaporation in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin

水域類型Waterareatypes面積Area/hm22013年2020年2030年平均降水Averageprecipitation/mm蒸發量Evaporation/mm水面蒸發折算系數Surfaceevaporationconversionfactor蒸發需水量Evaporationwaterrequirement/(108m3)2013年2020年2030年河渠Riversandcanals4414．944856．445342．0863．782704．870．590．680．730．80湖泊Lakes425．76468．33515．170．070．070．08水庫Reservoir2522．332774．573052．020．390．420．46沼澤Marsh14629．1317554．9521065．952．242．643．17合計Total21992．1625654．2929975．223．383．864．51

表7 疏勒河中游綠洲區生態環境需水總量

6.3 濕地生態環境需水量

2013年濕地生態環境需水量為2.70×108m3(表6),其中沼澤生態環境需水量為2.24×108m3,占濕地生態環境需水量的83.0%,水庫生態環境需水量為0.39×108m3,占濕地生態環境需水量的14.4%,湖泊生態環境需水量為0.07×108m3,占濕地生態環境需水量的2.6%,說明在疏勒河中游綠洲區沼澤地所占比例相對較大,應進一步加強濕地保護。結合2020年和2030年濕地面積保護目標,經計算2020年和2030年疏勒河中游綠洲濕地生態環境需水量分別為3.13×108m3和3.71×108m3(表6),其中沼澤生態環境需水量分別為2.64×108m3和3.17×108m3,分別占濕地生態環境需水量的84.3%和85.4%,水庫生態環境需水量分別為0.42×108m3和0.46×108m3,分別占濕地生態環境需水量的13.5%和12.4%,湖泊生態環境需水量分別為0.07×108m3和0.08×108m3,分別占濕地生態環境需水量的2.2%和2.2%。

6.4 防治耕地鹽堿化環境需水量

由于氣候、地形地貌、水文地質條件、含鹽土壤母質以及人類活動影響是造成當地鹽堿化的主要原因,在地形相對平坦的中游地區,地下徑流條件差,地下水位高,加之水利工程措施不完善,如不合理灌溉、排水溝道失修或淤積堵塞嚴重及排水系統不配套等因素,導致區域耕地鹽堿化的發生,耕地鹽堿化達到總耕地面積的20%以上[41]。因此,為了進一步減少鹽分對作物的危害,采用秋灌和春灌方式壓減耕地鹽分。一方面用較大的水量能將土壤中的鹽分淋洗達到作物生長的目標,另一方面還要節約用水,防止抬高地下水位和影響土壤肥力[38]。根據干旱區不同質地不同含鹽量土壤的洗鹽定額,結合疏勒河中游實際情況,依據參考文獻[41]實驗成果,從而確定疏勒河流域灌區播前灌溉定額為1500—2000 m3/hm2,據此確定防治耕地鹽堿化的灌溉定額600 m3/hm2。

2013年灌區鹽堿化面積占耕地面積的20%,面積達到33561.39 hm2,計算得到區域防治耕地鹽堿化的環境需水量為0.20×108m3(表7)。保護目標下2020年、2030年防治耕地鹽堿化環境需水量保持2013年值不變,其值為0.20×108m3。

6.5 保護目標下疏勒河平原區生態環境需水總量

基于不同的生態保護目標,設定不同生態需水情景計算生態環境需水總量,分別設定情景1為最大生態需水量、情景2為最小生態需水量和情景3為最適生態需水量。根據設定情景,分別計算疏勒河中游綠洲生態環境需水的最大值、最小值及最適值。

(1)最大生態環境需水量(情景1) 若生態環境保護目標包括保證疏勒河河道水沙平衡,即考慮輸沙環境需水量,由總表7可知：在保證輸沙需水的前提下,河流基本生態環境需水量可以得到滿足。因此,疏勒河流域中游綠洲生態環境需水總量為：天然植被生態環境需水量+河流輸沙生態環境需水量+河道滲漏補給需水量+河流水面蒸發量+濕地生態環境需水量+防治耕地鹽堿化環境需水量。計算得到2013、2020和2030年疏勒河流域中游綠洲生態環境需水量最大值分別為7.42×108m3、8.24×108m3和9.12×108m3(表8)。

(2)最小生態環境需水量(情景2) 若生態環境保護目標是僅保證天然生態系統需水量(天然植被生態環境需水量與濕地環境需水量),則疏勒河流域中游綠洲生態環境需水總量為：天然植被生態環境需水量+河流基本生態環境需水量+河道滲漏補給需水量+河流水面蒸發量+濕地生態環境需水量。計算得到2013、2020和2030疏勒河流域中游綠洲生態環境需水量最小值分別為7.09×108m3、7.91×108m3和8.79×108m3(表8)。

(3)最適生態環境需水量(情景3) 若生態環境保護目標為天然生態系統需水量與防治耕地鹽堿化需水要求,則疏勒河流域中游綠洲生態環境需水總量為：天然植被生態環境需水量+河流基本生態環境需水量+河道滲漏補給需水量+河流水面蒸發量+濕地生態環境需水量+防治耕地鹽堿化環境需水量。計算得到2013、2020、2030年疏勒河流域中游綠洲生態環境需水量最適值分別為7.29×108m3、8.11×108m3和8.99×108m3(表8)。

表8 不同保護目標生態環境需水量

7 中游綠洲生態需水時空變化特征

7.1 中游綠洲生態需水時間變化特征

通過計算各月植被生態、河流基本生態、河流輸沙、河道滲漏補給、河流水面蒸發、濕地生態以及防治耕地鹽堿化環境需水量,累加得到2013年、保護目標2020年和2030年每個月的生態環境需水量,進而探討疏勒河中游綠洲生態環境需水量年內變化趨勢(圖2)。從疏勒河中游綠洲生態環境需水量年內變化曲線(圖2)可知,2013年、2020年和2030年疏勒河中游綠洲生態環境需水量年內變化趨勢基本一致。均呈現11月至2月,生態環境需水量較小,且月間變化不大,最小值出現在1月份,分別為0.17×108m3、0.18×108m3和0.19×108m3；2月至7月,生態環境需水量呈直線增長階段,7月到達曲線峰頂,分別為1.41×108m3、1.53×108m3和1.66×108m3,分別是最小月1月份的8.2倍、8.5倍和8.7倍；7月至8月,生態環境需水量開始減少,但幅度不大；8月至11月,生態環境需水量急劇下降,分別從8月份的1.24×108m3、1.35×108m3和1.46×108m3,降至11月份的0.29×108m3、0.31×108m3和0.33×108m3,降幅分別為4.3、4.4倍和4.4倍?？傮w而言,2013年、2020年和2030年,從4月至10月期間累積生態環境需水量占全年總生態環境需水量分別為83.54%、83.81%和84.05%,而5月至8月期間累積生態環境需水量占全年的比例分別為58.01%、58.08%和58.13%,已超過全年的一半,說明疏勒河中游綠洲生態環境需水量主要集中在5—8月。

圖2 疏勒河中游綠洲生態環境需水量年內變化曲線 Fig.2 The annual variation curve of eco-environmental water requirement in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin

圖3 疏勒河中游綠洲不同區域生態環境需水量 Fig.3 Eco-environmental water requirement of different regions in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin

7.2 中游綠洲生態需水空間變化特征

通過計算敦煌、玉門和瓜州3個區域植被生態、河流基本生態、河流輸沙、河道滲漏補給、河流水面蒸發、濕地生態以及防治耕地鹽堿化環境需水量,得到2013年、保護目標2020年和2030年不同區域的生態環境需水量,進而探討疏勒河中游綠洲生態環境需水量空間變化特征(表9,圖3)。從表9和圖3可知,2013年、2020年和2030年敦煌、玉門和瓜州生態環境需水量均呈現瓜州最大,玉門最小,敦煌介于二者之間的空間變化特征。2013年敦煌、玉門和瓜州生態環境需水量分別為2.87×108m3、1.20×108m3和4.32×108m3,分別占總需水量8.4×108m3的34.2%、14.3%和51.5%；2020年敦煌、玉門和瓜州生態環境需水量分別為3.22×108m3、1.37×108m3和4.64×108m3,分別占總需水量9.23×108m3的34.9%、14.8%和50.3%；2030年敦煌、玉門和瓜州生態環境需水量分別為3.68×108m3、1.51×108m3和4.92×108m3,分別占總需水量10.11×108m3的36.4%、14.9%和48.7%。說明疏勒河中游綠洲生態環境需水量瓜州所占比例相對較大,玉門相對最小,敦煌介于二者之間。

8 結論與討論

根據所確定的計算方法,得到疏勒河中游綠洲2013年天然植被、河流基本生態、河流輸沙、河流滲漏補給、水面蒸發、濕地生態環境需水量和防治耕地鹽堿化生態環境需水量分別為1.90×108、0.98×108、1.11×108、0.83×108、0.68×108、2.70×108m3和0.20×108m3。同時計算得出保護目標下2020年和2030年天然植被、河流基本生態、河流輸沙、河流滲漏補給、水面蒸發、濕地生態環境需水量和防治耕地鹽堿化生態環境需水量分別為2.24×108、0.98×108、1.11×108、0.83×108、0.73×108、3.13×108、0.20×108m3和2.47×108、0.98×108、1.11×108、0.83×108、0.80×108、3.71×108m3和0.20×108m3。

表9 疏勒河中游綠洲區不同區域生態環境需水量

根據確定的生態保護目標,計算得出2013、2020和2030年疏勒河中游綠洲最大、最小和最適生態環境需水量分別為7.42×108、7.09×108、7.29×108m3,8.24×108、7.91×108、8.11×108m3和9.12×108、8.79×108、8.99×108m3,分別占疏勒河中游綠洲區水資源總量15.65×108m3的47.4%、45.3%、46.6%,52.6%、50.5%、51.8%和58.3%、56.2%、57.4%,結果表明2013年疏勒河中游綠洲生態環境需水量相對較低,不足流域水資源總量的一半,保護目標下2020年和2030年生態環境需水比例有所提高,基本能滿足區域生態環境用水,同時隨著未來區域“引哈濟黨工程”的實施,在流域綠洲水資源配置中應適當提高生態用水的比例,滿足流域綠洲生態需水需求,改善綠洲生態環境,促進綠洲生態系統健康持續發展。

河道內生態環境需水受河床巖性、河道輸水流量、河道水文特性等因素的影響,但屬于可控制生態環境用水,為了滿足河流生態環境的功能,在流域綠洲水資源配置中,應優先滿足,而河道外生態環境需水受降水、經濟社會用水以及人類活動等因素影響,相對比較復雜,在流域綠洲水資源配置中,應綜合考慮進行配置[6]。在不考慮和考慮河流輸沙需水量時,2013、2020和2030年疏勒河河流生態環境需水量分別為2.49×108、2.54×108、2.61×108m3和2.62×108m3、2.67×108和2.74×108m3。

時間變化特征方面,2013年、2020年和2030年疏勒河中游綠洲生態環境需水量年內主要集中于5—8月,累積生態環境需水量占全年的比例分別為58.01%、58.08%和58.13%；空間變化特征方面,疏勒河中游綠洲生態環境需水量瓜州所占比例相對較大,玉門相對最小,敦煌介于二者之間。

對于生態需水計算的研究,疏勒河流域的相關研究相對較少,僅有很少學者對疏勒河流域湖泊濕地生態需水量進行了估算,尤其針對流域中游綠洲生態需水量研究幾乎為零,本文較系統詳細地從天然植被、河流基本生態、河流輸沙、河流滲漏補給、水面蒸發、濕地生態和防治耕地鹽堿化環境需水量方面估算了現狀生態環境需水量,同時基于未來生態保護目標,估算了保護目標下流域中游綠洲生態環境需水量,計算結果為區域生態環境保護和恢復以及水資源綜合管理和優化配置提供一定參考依據,同時研究結果對促進《敦煌水資源合理利用與生態保護綜合規劃》的順利實施具有一定借鑒與參考作用。然而,研究時間尺度相對較長,區別于以往定點定時研究,計算涉及方法相對較多,選取參數也相對較多,同時受區域下墊面條件和多方面因素影響,未來保護目標下流域生態環境需水還有待于進一步研究和深入。隨著中游綠洲耕地面積的不斷增大,對水資源的需求也相應的增大,而流域地表水資源的嚴重不足,導致對地下水開采量的日益增加,從而影響中游綠洲天然植被和濕地所需的生態水量,導致區域生態環境的日益退化。因此,基于生態需水計算結果,未來應進一步加強生態保護目標下流域水資源調控與配置研究,提高水資源綜合管理程度,協調流域不同區域、不同行業和不同部門之間水資源配置比例,提出流域綠洲生態恢復和水資源配置方案,確保流域中游綠洲生態目標與經濟目標的協調發展,實現流域綠洲水資源與生態環境的協調可持續發展。

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Study on eco-environmental water requirement in the middle-reach oasis of Shulehe River Basin based on ecological protection target

SUN Dongyuan1,*, YANG Jun2, HU Xiangquan1, JIN Yanzhao1, ZHANG Yunliang1

1GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou730000,China2TheSoilandWaterConservationBureauofWaterResourcesDepartmentofGansuProvince,Lanzhou730000,China

The study of eco-environmental water requirements is the hotspot of ecology and water science. It is also the basis of the rational allocation and sustainable utilization of water resources. The results of such a study could provide guidance as to the optimal allocation of regional water resources and utilization, and ultimately provide a regional, economical, ecological, and environmental water system of balanced and sustainable development. The eco-environmental water requirements of an arid inland river basin are a key scientific problem facing the reasonable allocation and management of water resources as well as the eco-environmental protection and construction of arid regions. The Shulehe River Basin, as the third largest inland river basin in Hexi Corridor, Gansu province, is an important ecological security barrier for northwestern China. Recently however, increasing human activity and global climate change has led to a series of ecological and environmental issues and water crises in Shulehe River Basin. Specifically, the degenerated vegetation caused a rapid decline of the groundwater water table. In recent years, ecological water requirements have often been overshadowed by the socioeconomic use of water. This led to great changes in the oasis of the middle reaches. The oasis of the middle reaches, as a societal, economical, and human activity main zone, is a vital ecological subject for protection in the Shulehe River Basin. Considering these issues, this study utilized the oasis of the middle reaches of Shulehe River Basin as its study area. Using Remote Sensing (RS) and Geographic Information System (GIS) technology, the results of Thematic mapper /Enhanced Thematic Mapper (TM/ETM) images of the oasis of the middle reaches of the Shulehe River Basin in 1990, 2000, and 2013 were selected to be used as basic data in order to study ecological evolution, and determine the ecological protection target of the oasis of the middle reaches of the Shulehe River Basin in 2020 and 2030. According to different types of eco-environmental water requirements in the oasis of the middle reaches of the Shulehe river basin, a quantification model for such water requirements was established and the current status and protection targets of eco-environmental water requirements were estimated. This would provide reference for the rational allocation of regional water resources and the coordinated development of an ecological system. These results indicate that the eco-environmental water requirements of natural vegetation, basic eco-environmental water requirements, transportation sand eco-environmental water requirements, recharge of watercourse seepage water requirements, water surface evaporation eco-environmental water requirements, marsh eco-environmental water requirements and combating salinization of farmlands eco-environmental water requirements of the oasis of the middle reaches of the Shulehe river basin were 1.90×108, 0.98×108, 1.11×108, 0.83×108, 0.68×108, 2.70×108, 0.20×108, 2.24×108, 0.98×108, 1.11×108, 0.83×108, 0.73×108, 3.13×108, 0.20×108m3and 2.47×108, 0.98×108, 1.11×108, 0.83×108, 0.80×108, 3.71×108, 0.20×108m3in 2013, 2020 and 2030, respectively. At the same time, the maximum of eco-environmental water requirements, minimum of eco-environmental water requirements, and optimum eco-environmental water requirements of the oasis of the middle reaches of the Shulehe river basin were 7.42×108, 7.09×108, 7.29×108, 8.24×108, 7.91×108, 8.11×108m3and 9.12×108, 8.79×108, 8.99×108m3in 2013, 2020 and 2030, respectively. The annual variation of eco-environmental water requirement was concentrated mainly from May to August and proportion of cumulative eco-environmental water requirements of the total ecological environment water demand were 58.01%, 58.08% and 58.13% in 2013, 2020 and 2030, respectively. The water requirements of Guazhou County eco-environmental water requirements were relatively greater than those of Yumen City and Dunhuang City. The study results will provide a basis for the management program of Dunhuang water resources reasonable utilization and ecological protection. Additionally, it will be an important source for promoting the research of ecological water rights, allocation of water quantity, and coordinated and sustainable development among ecological protection, reasonable configuration of water resources and economic society in Shulehe river basin.

the middle reaches of Shulehe river basin; oasis; eco-environmental water requirement; ecological protection target

國家自然科學基金項目(51369004, 51369003)；水利部公益性行業科研專項(201301081)

2015- 08- 12;

日期:2016- 06- 14

10.5846/stxb201508121696

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gsausundy@126.com

孫棟元,楊俊,胡想全,金彥兆,張云亮.基于生態保護目標的疏勒河中游綠洲生態環境需水研究.生態學報,2017,37(3):1008- 1020.

Sun D Y, Yang J, Hu X Q, Jin Y Z, Zhang Y L.Study on eco-environmental water requirement in the middle-reach oasis of Shulehe River Basin based on ecological protection target.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):1008- 1020.