和田河流域生態保護紅線劃定初探

郭宏偉，徐海量，凌紅波，閆俊杰

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學， 北京 100049)

生態保護紅線是指依法在重點生態功能區、生態環境敏感區/脆弱區等區域劃定的嚴格管控邊界，是國家和區域生態安全的底線。生態保護紅線所包圍的區域為生態保護紅線區，對于維護生態安全格局、保障生態系統功能、支撐經濟社會可持續發展具有重要作用。近年來，隨著工業化和城鎮化快速發展，我國資源環境形勢日益嚴峻，在全國范圍內規劃生態保護紅線已成為當前保障國家生態安全、維護經濟社會可持續發展的基礎[1-2]。新疆和田河流域是全疆范圍內生態環境最脆弱的地區，是我國北方特強沙塵暴的高發區之一；該地區河道兩岸天然植被不斷被破壞，植被豐富度指數和覆蓋度指數在1990—2010年分別降低了1.4%和3.7%[3]；該區地表水資源承載力已過飽和，綠洲破碎化嚴重，且與沙漠呈鑲嵌交叉分布[4]。綠洲生態系統一旦失衡，該地區極易被風沙侵蝕，進而導致綠洲的沙漠化。同時，作為絲綢之路經濟帶核心區建設的重點和難點地區，和田地區人均GDP僅為全疆平均水平的21%，是全疆生產、生活條件最艱苦、農牧民收入最低的地區，促進經濟發展是當務之急。但不當的經濟發展方式易引發一系列的生態環境問題，如隨著和田地區人口數量和耕地面積的快速增加，生態用水被國民經濟用水大量擠占，生態系統的穩定性遭到破壞，而生態環境惡化又將限制經濟的進一步發展，如不盡快在該區劃定嚴格的生態保護紅線，為當地居民的生產、生活創造良好的生態環境條件，將很難保證該區“社會-經濟-生態”的協調持續發展。

目前，國外并沒有明確提出“生態紅線”這一概念，但是在生物保護、生態系統研究以及城市建設等領域滲透了“生態紅線”的本質理論，如構建保護區(Protected Areas)[5]、生態網絡(Ecological Network)[6]和綠道(Greenways)[7]保護區域生物多樣性，土地利用規劃中生態基礎設施優先[8]等。在國內，“生態紅線”的劃定總體上處在起步階段，現有研究雖主要集中于“生態紅線”的劃定方法和技術路線上[10-12]，但由于研究區域地理特征差別較大，其它地區的生態保護紅線劃定方法并不完全適用于干旱區。在干旱區內陸河流域，天然植被是綠洲的主要構成部分，水則是限制綠洲發生、發展的關鍵因子，生態保護紅線的劃定應該在“用水總量、水質、用水效率”三條保護紅線的基礎上，進一步強調天然植被的保護和生態用水的保障。因此，本研究選取和田河流域為研究區，在分析流域天然植被分布特征的基礎上將天然植被劃定為不同等級的保護紅線區，進而劃定天然植被的生態需水紅線，維系河流水文過程完整性的生態流量紅線以及保障地下水資源可持續開發利用和適宜植被生長繁育的地下水保護紅線，從而為干旱區內陸、河流域劃定合理的生態保護紅線(區)提供科學依據。

1 研究區概況

和田河流域位于新疆維吾爾自治區南部，塔里木盆地西南緣，空間跨度為77°25′～81°43′E，34°52′～40°28′N，流域總面積48 870 km2。和田河發源于昆侖山和喀喇昆侖山，自南向北縱貫全流域，穿過塔克拉瑪干沙漠匯入塔里木河，中上游由東西兩支流組成，東支為玉龍喀什河，長513 km，多年平均徑流量為21.95×108m3；西支為喀拉喀什河，長808 km，多年平均徑流量為21.51×108m3。出山口以上為上游，出山口至兩支流交匯處闊什拉什為中游，丘陵傾斜平原區河床較為開闊，兩岸階地明顯，公路干線以北為連片平原，沿河為綠洲農業區；下游為闊什拉什以下至肖塔水文站段，河長319 km，沿河為天然綠洲區。

和田河流域地處歐亞大陸腹地，由于昆侖山和帕米爾高原的阻擋作用，使印度洋的暖濕氣流難以進入，形成了該流域極度干旱的暖溫帶大陸性氣候。流域年均溫12.2℃，年降水量19.6 mm，年蒸發量2 648.7 mm，全年浮塵天氣平均達200 d。

2 數據來源與研究方法

本研究通過解譯遙感影像獲得2010年和田河流域天然植被分布圖，在此基礎上分析了流域天然植被分布特征，利用潛水蒸發法計算了天然植被生態需水量，利用基流比例法計算了和田河豐、平、枯水年的生態基流。

2.1 數據來源

本文收集了和田河流域內的Landsat-TM影像數據，分辨率30 m，成像時間為2010年8月份，這一時期為流域豐水期，河流、水庫等水量較大，自然植被及農作物生長茂盛，地物特征明顯。對該影像進行數字化，獲得和田河流域天然植被的空間分布特征圖(圖1)。根據《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2007)并結合相關研究，將不同植被類型劃分為：疏林地，郁閉度介于10%～20%，包括各種疏散的喬灌木；有林地，郁閉度20%以上，主要包括較為茂密的灰楊、胡楊、檉柳林；高覆蓋度草地，覆蓋度大于20%的天然草地，一般水分條件較好，生長較茂密；低覆蓋度草地，覆蓋度在10%～20%的天然草地，水分條件差，植被生長稀疏，牧業利用條件差。河流年徑流量和相關氣象數據來源于烏魯瓦提和通古孜洛克水文站實測資料，地下水資源數據來源于《新疆和田地區水資源評價》；社會經濟資料來源于《和田地區社會經濟統計年鑒》[13]。

圖1和田河流域天然植被分布圖

Fig.1 The natural vegetation distribution in the Hotan River Basin

2.2 潛水蒸發模型

和田河流域平原區降水稀少，兩岸多為中旱生的非地帶性植被，主要依靠地下水來維持生命。因此，本研究基于研究區植被景觀類型遙感解譯的基礎上，選擇潛水蒸發法來間接估算天然植被需水量[14]。計算公式為：

W=∑103AiWgikp

(1)

式中，W為植被需水量(m3)；Ai為植被類型i的面積(km2)；Wgi為植被類型i在某一地下水埋深時的潛水蒸發量(mm)；kp為植被影響系數，并可定義如表1。

植被面積通過遙感解譯獲得，潛水蒸發量Wgi是潛水蒸發法計算植被生態需水量的關鍵，以阿維利揚諾夫公式計算較為常見[15]，計算公式如下：

Wgi=a(1-hi/hmax)bEφ20

(2)

式中，a、b為經驗系數，在和田河a、b分別取值為0.52和2.51；hi為植被類型i的地下水埋深(m)，通過地下水及野外監測數據及相關研究成果確定[16]；在和田河流域高覆蓋植被區和低覆蓋植被區分別以潛水埋深2.0 m和3.5 m的蒸發量作為最低生態需水量；hmax為潛水蒸發極限埋深(m)，在和田河取值4.5 m；Eφ20為直徑20 cm蒸發皿蒸發量(mm)，各河段Eφ20根據烏魯瓦提水文站1980—2010年監測資料獲得，為2 882.6 mm。

表1 不同地下水埋深下的kp值

2.3 基流比例法

生態基流是維持河流基本生態功能和河道基本形態的最小流量。我國干旱區內陸河徑流存在明顯的豐枯變化，用一個值來代替河道某一斷面任何時間的流量保障值是不合理的。因此本研究通過基流比例法[17]計算和田河在豐、平、枯水年的生態基流，以便在不同年型進行更加合理的水資源調度。

2.3.1 豐、平、枯水年劃定Z指數能夠較好地反映某一時段徑流量的豐枯實況，假設和田河1957—2010年同古孜洛克和吐直魯克水文站統計的多年來水量服從皮爾遜Ⅲ型分布，本研究通過Z指數法劃分3個等級作為豐枯年型(表2)。鑒于該方法已有大量文獻介紹[18]，本文不再贅述。

表2 豐枯指數等級

2.3.2 生態基流計算 基流比例法根據豐、平、枯水年平均徑流量之間的比值，推求基流比例之間的關系，可更準確地計算豐、平、枯水年的基流比例及生態基流值。其計算過程為：首先采用根據Tennant法確定某一年型的基流比例并對其進行驗證；其次按照各年型平均徑流量之間的比值，推求彼此基流比例的關系；再根據已確定的某一年型的基流比例計算出其它各年型的基流比例，平均徑流量大的年型基流比例低，反之則高；同一年型內各個時段的基流比例相同。計算公式為：

Ti+1=[1+(Qi/Qi+1-1)×μ]×Ti

(8)

令

α=1+(Qi/Qi+1-1)×μ

則Ti+1=α×Ti

(9)

式中，Ti為已知的斷面第i年型的基流比例(%)；i=1,2,3，依此為豐水年，平水年，枯水年，一般Ti+1>Ti；Qi為斷面第i年型的平均徑流量(×108m3)；Qi>Qi+1，Qi/Qi+1-1為第i年型徑流量比第i+1年型增加的比值；α為比例倍數，即第i+1年型與第i年型基流比例的比值；μ為比例削減系數，0≤μ≤1，μ=1時表示比例不削減，基流比例與徑流量之間的比值為直接關系，各年型的生態基流量一樣，μ=0時表示比例完全削減，基流比例與徑流量之間的比值沒有關系，各年型的基流比例一樣。

各時段的生態基流為其基流比例與平均徑流量的乘積，計算公式為：

Si=Qi×Ti

(10)

式中，Si為斷面第i時段的生態基流量(×108m3)。

3 結果與分析

3.1 生活用水紅線

水資源分配過程中應首先保證生活必需用水。2014年和田河流域城鎮和農村人口分別為432 174人和1 722 326人，每人每天耗水定額分別為0.096 m3和0.08 m3[19]，結合水資源利用系數(0.9)計算，流域人口耗水量為0.727×108m3。因此，和田河流域生活用水紅線應劃定為0.727×108m3。

3.2 天然植被分布特征及生態保護紅線區

3.2.1 流域天然植被分布特征 和田河流域屬極度干旱的暖溫帶大陸性氣候，故降水對植被生長的作用可以忽略不計，干流天然植被分布主要受地表徑流的影響，呈現以河道為中心的帶狀分布。因而，分析和田河流域天然植被的分布特征，是劃定天然植被生態保護紅線區及計算該區生態需水量的前提和關鍵。本研究將和田河劃分為3個河段，中游玉龍喀什河渠首至闊什拉什為段1，喀拉喀什河渠首至闊什拉什為段2，下游即闊什拉什至肖塔段為段3(圖1)。利用ArcGIS提取河道兩岸天然植被數據，分析研究區天然植被的空間分布特征。

根據圖2，和田河流域天然植被總面積為4 968.87 km2，有林地、疏林地、高覆蓋草地和低覆蓋草地的面積占總面積的比例分別為14.08%、14.98%、13.16%和57.78%。另外，各種植被類型在3個河段的面積分布比例具有明顯的空間差異性，例如有林地在3個河段分別為2.13%、5.68%和34.24%，主要分布在下游，而高覆蓋草地則分別為19.42%、17.78%和2.38%，主要分布在中游。

圖2和田河流域天然植被分布面積

Fig.2 The natural vegetation distribution areas in the Hotan River Basin

從和田河不同河段天然植被分布面積來看(表3)，3個河段的天然植被面積分別占總面積的34.75%、31.52%和33.73%。整體來看，由于受水資源空間分布差異的影響，河流中游(段1和段2)天然植被分布最多，占總面積的66.27%，而下游天然植被占總面積的33.73%。從河道兩岸來看，受地形影響，段1和段2東西岸天然植被面積差異較大，段1東岸比西岸多1 377.14 km2，段2西岸比東岸多1 299.41 km2，段3河道西岸天然植被面積比東岸多135.99 km2，兩岸天然植被面積相近。

表3 和田河流域天然植被分布面積/km2

3.2.2 流域天然植被分布頻率分析 在和田河流域，天然植被分布隨水資源的時空分布變化而變化。根據流域天然植被覆蓋度，將有林地和高覆蓋草地合并為高覆蓋植被區，疏林地和低覆蓋草地合并為低覆蓋植被區。利用ArcGIS 10的空間分析工具，分別提取距河道每1 km的高覆蓋植被區和低覆蓋植被區面積，并通過計算距河道不同距離范圍內的高覆蓋和低覆蓋植被區面積占總面積的比例計算每公里高覆蓋和低覆蓋植被分布頻率。進而，對每公里頻率值進行累加，得到研究區高覆蓋和低覆蓋植被累積頻率分布曲線(圖3)。

天然植被累積頻率分布擬合曲線方程及參數如表4所示。

圖3 和田河流域天然植被累積頻率分布

對圖3不同距離河邊緣距離下高覆蓋植被和低覆蓋植被累積分布頻率曲線的擬合方程進行求解，得到和田河各河段兩岸高、低覆蓋植被的分布范圍。具體來講，段1西岸90%以上的高覆蓋植被和低覆蓋植被分別分布在距河道4.5～6.6 km和6.8～7.9 km，而東岸在48.2～51.5 km和34.7～40.3 km；段2西岸90%以上的高覆蓋植被和低覆蓋植被分布寬幅分別為距河道31.3～41.6 km和41.8～49.0 km，東岸為2.4～3.5 km和4.0～5.3 km；段3西岸90%以上的高覆蓋植被和低覆蓋植被分別分布在4.5～6.6 km和8.3～9.7 km，東岸為5.3～9.1 km和12.8～16.3 km。流域天然植被分布整體呈現高覆蓋植被距離河道較近，低覆蓋植被距離河道較遠的規律。

3.2.3 天然植被生態保護紅線區 2008年7月國家環境保護部和中國科學院聯合編制的《全國生態功能區劃》[20]將我國不同地域單元劃分為包括水源涵養區、水土保持區、防風固沙區等的重點生態功能區和包括水土流失敏感區、土地沙化敏感區、石漠化敏感區等生態敏感區/脆弱區。根據和田河各河段兩岸植被累積頻率分布曲線及植物群落的生態功能，以河道為中線，平行于河道劃定2個不同級別的天然植被生態紅線區：一是重點生態功能區，為河流主河道兩岸的高覆蓋植被區，植被類型為郁閉度20%以上的灰楊、胡楊、檉柳以及覆蓋度大于20%的天然草地。二是生態敏感區/脆弱區，河流主河道兩岸的低覆蓋植被區，植被類型為郁閉度介于10%～20%的各種疏散的喬灌木以及覆蓋度在10%～20%的天然草地(圖4)。各保護區分布范圍(以距離河岸邊緣的公里數表示)見表5。

圖4 和田河流域天然植被生態保護紅線區

重點生態功能區內植被是和田河綠色走廊的主要構成部分，為當地野生動物和人類的生存提供了必要條件，所以要嚴格保證其生態用水，并在此基礎上通過漫溢干擾來進一步保護和恢復保護區內植被。根據前人研究成果，適宜漫溢頻次為每年1～2次，不僅能夠維持較高的生物多樣性，而且有利于喬灌木的生長，維持喬灌木在群落中起到主導地位[21]。生態敏感區/脆弱區是和田河流域沙漠化的敏感區，區內植被雖然稀疏，卻有效減緩新月形沙丘鏈的移動速度，對保障綠洲生態系統安全具有重要意義。由于其植被組成以多年生草本、檉柳以及殘存灰楊、胡楊為主，這些植被耐旱性較好，在豐、平水期一次滿足其生態需水后，5年內漫溢1～2次即可保證該保護區植被不退化[22]。

3.3 天然植被生態需水紅線

本研究借助潛水蒸發模型，分別計算和田河各個河段重點生態功能區內和生態敏感區/脆弱區的生態需水量(表6)。

由表6知，和田河重點生態功能區和生態敏感區/脆弱區生態需水量分別為7.25×108m3和1.60×108m3，生態需水總量為8.85×108m3。其中，中游(段1～段2)重點生態功能區內和生態敏感區/脆弱區生態需水量分別為3.96×108m3和1.17×108m3，生態需水總量為5.13×108m3；下游(段3)重點生態功能區內和生態敏感區/脆弱區生態需水量分別為3.27×108m3和0.45×108m3，生態需水總量為3.72×108m3。

3.4 河流生態流量保護紅線

將和田河1957—2010年按年均徑流量劃分為豐水年、平水年和枯水年(圖5)。

表6 重點生態功能區內和生態敏感區/脆弱區生態需水量/108 m3

圖5和田河豐枯變化

Fig.5 The variation of wet and dry year-flow of the Hotan River

根據Tennant法，假定豐水年的生態基流占其平均徑流的25%，計算后生態基流值為多年平均流量的31%。根據公式(3)和公式(4)分別計算各年型的基流比例及基流值，公式(3)中比例削減系數在本研究中取0.4[23]，結果見表7。

根據表7，和田河在豐水期、平水期和枯水期生態基流應分別為13.79×108、12.14×108、10.68×108m3，均可滿足和田河每年應向塔里木河干流下泄9.2×108m3水量的任務。

3.5 地下水保護紅線

近年來，由于地下水的不合理開發利用導致了諸如地下水位持續下降、土壤次生鹽漬化、天然植被衰敗和土地沙漠化等生態環境問題[24]。人工綠洲的主要生態問題是土壤鹽漬化，因此地下水位控制的原則是不發生土壤次生鹽漬化或者使鹽漬化的程度有所減輕。根據中國科學院新疆生態與地理研究所[25]在塔里木盆地北部地區開展的土壤積鹽速率試驗，土壤積鹽速度隨著潛水埋深的增加而指數下降，以潛水埋深2～2.5 m為界，小于該值，土壤積鹽速度明顯加快；大于該值，土壤積鹽速度就顯著減慢。因此，和田河流域中游地下水適宜水位可以確定為2.0～2.5 m，該試驗與新疆土壤改良實驗的結果(2.3～2.8 m)十分接近。天然綠洲的主要生態問題是天然植被衰敗，因此地下水位控制的原則為既能減少地下水強烈蒸發返鹽對植物生長的不利影響，又不造成土壤變干而影響植物繁殖。根據樊自立等[26]對塔里木河流域的地下水、土壤水和植被狀況相互關系的研究，當潛水埋深小于2 m時，地表蒸發強烈，埋深大于2 m時，潛水蒸發受地下水位控制作用增強，土壤積鹽速率加快，毛管水強烈上升，綜合考慮地下水礦化度和土壤質地，塔里木河流域地下水臨界深度平均為1.7～2.0 m。潛水埋深大于其極限蒸發深度(4.0～4.5 m)，土壤水分不能滿足植物需求，植被因土壤干旱而開始衰敗。因此，把和田河流域天然綠洲適宜生態水位確定在2.0～4.0 m。

表7 和田河各年型生態基流

平原區地下水資源補給主要來源于大氣降水入滲、山前側向徑流補給、河道滲漏、水庫滲漏、渠系滲漏、灌區田間入滲、井泉回歸。和田河流域干旱少雨，降水對地下水補給甚微，在此不做計算。根據《新疆和田地區水資源評價》，山前側向徑流補給量、河道滲漏補給量、水庫滲漏補給量、渠系滲漏補給量、灌區田間入滲量、井泉回歸補給量分別為4.29×108、3.32 ×108、0.44 ×108、3.98×108、3.14×108、0.83×108m3·a-1，因此，和田河流域現狀地下水總補給量為16.00×108m3·a-1，和田河流域灌區主要分布于礫質平原下部、細土平原區，呈東西向帶狀和南北向沿河分布，而組成灌區地下水資源量除南部山前的側向流入補給量外，其它全部為轉化補給量，因此可以根據山前側向流入量及轉化補給量來計算灌區地下水資源量。山前側向流入量為4.30×108m3·a-1，扣除重復水量0.83×108m3·a-1，轉化補給量中除河道外，其它均在灌區內進行，均可計入灌區資源量，為11.71×108m3·a-1，因此，和田河流域灌區地下水資源量為15.18×108m3·a-1。

在和田河流域，77.14%的地下水資源量均為地下水轉化補給量，隨著地下水埋深加大、渠系水利用效率的提高以及各種高新節水灌溉技術的應用，地表水轉化補給地下水資源量會迅速減少，隨之而來的是地下水水位下降，潛水蒸發蒸騰量減少，因此，從長遠考慮，為避免生態環境脆弱的和田流域地下水位的迅速下降，引起生態環境惡化，本文參照《新疆地下水資源》[27]，將開采系數取為0.4(灌區內)，地下水資源量乘以開采系數得到和田河流域現狀地下水可開采量為6.07×108m3·a-1。

綜上，地下水保護紅線應劃定為：人工(段1和段2)和天然(段3)綠洲區適宜生態水位分別為2.0～2.5 m和2～4 m；地下水開采量不大于6.07×108m3·a-1。

4 討 論

在干旱區內陸河流域，天然植被是綠洲生態系統的主要構成部分，它們的存在可以降低風速、調節氣溫、增加空氣濕度、形成特殊小氣候，為人類和其他動物提供了必要的生存條件。然而由于過去對保護沙漠生態環境的意義認識不足，破壞沿岸天然植被的情況時有發生，自闊什拉什開始，幾十公里的地段胡楊林被不斷砍伐，流動沙丘已逼近河岸。許多地段由于過度放牧、過量采挖藥材，使植被覆蓋度降低，加速了土壤風沙化程度，河岸階地草甸已形成起伏沙地，嚴重威脅著人類的生存。所以，在干旱區內陸河流域劃生態保護紅線首先應該考慮到天然植被保護紅線。高覆蓋天然植被是構成綠洲生態環境的主體，其生態功能對綠洲生態環境的穩定發展起決定性作用，所以將這一植被區劃定為重點生態功能區，重點保證該區天然植被不被破壞。綠洲外圍的低覆蓋植被區為綠洲-荒漠過渡帶，是綠洲化和荒漠化最活躍、最敏感的地區[28]。雖然其植被稀疏，但在防風固沙、緩沖沙漠與綠洲間能流物流交換、保留鄉土動植物物種等方面具有重要作用[29]，所以將該植被區劃定為生態敏感區/脆弱區。另外，由于水資源利用方面的不足，和田河下泄水量減少，沿岸胡楊林與灰葉胡楊林不斷萎縮。所以有必要劃定生態需水保護紅線，從水量上保證天然植被的正常需水。干旱區降水量極少，水資源較為貧乏，屬于典型干旱荒漠類型區，植被多是由適應性和耐旱性極強的植物組成，生態環境極其脆弱，地下水資源具有不可替代的作用和地位，而河流可以有效補給河道兩岸地下水，所以在干旱區生態保護紅線劃定工作中必須劃定生態流量和地下水保護紅線。

通過分析和田河1957—2010年年平均徑流量實測資料發現，和田河年均徑流量存在明顯的豐枯變化，故本研究將研究區天然植被劃定為兩個不同等級的生態保護紅線區，在水充沛時同時滿足兩個區的生態需水，在枯水年則重點保護重點生態功能區植被的生態需水，既有針對性的保護了研究區天然植被，又合理高效利用了水資源。在豐、平、枯水年，和田河生態基流分別應為13.79×108、12.14×108m3和10.68×108m3，分別占平均徑流的31%、27%和24%，均符合Tennant法的推薦比例。地下水保護紅線的劃定從地下水適宜水位和可開采總量進行，根據研究區人工和天然綠洲不同的生態環境，人工綠洲區地下水適宜水位為不發生土壤次生鹽漬化或者使鹽漬化的程度有所減輕的水位，天然綠洲區地下水適宜地下水水位為天然植被的適宜生長水位，地下水可開采總量則根據《新疆和田地區水資源評價》(2014)中提供的相關水資源數據，結合流域實際情況進行核算，劃定為6.07×108m3。

5 結 論

1) 現階段和田河流域生活用水紅線為0.727×108m3。

2) 根據流域天然植被分布特征將天然植被劃分為重點生態功能區和生態敏感區/脆弱區。和田河下游重點生態功能區和生態敏感區/脆弱區主要分布在距離河道5～8 km和8～15 km范圍內。

3) 和田河流域重點生態功能區和生態敏感區/脆弱區生態需水量分別為7.25×108m3和1.60×108m3，生態需水紅線為8.85×108m3。

4) 在豐水年、平水年和枯水年，和田河生態基流紅線分別為13.79×108、12.14×108、10.68×108m3。

5) 和田河流域人工和天然綠洲地下水位紅線分別為2.0～2.5 m和2.0～4.0 m；地下水開采量紅線為6.07×108m3。

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