節水條件下瑪納斯河流域綠洲變化及適宜規模分析

陳東?┭罟悛├罘⒍? 李鵬飛 閆珂 王澤林

摘要：干旱區節水灌溉技術的大面積推廣，有效的推動了綠洲化進程，使綠洲規模不斷擴大。針對節水條件下流域尺度綠洲適度規模問題，以膜下滴灌技術的發源地瑪納斯河流域為例，利用1976-2015年五期衛星遙感影像，分析了節水條件下流域綠洲面積變化過程，基于水熱平衡理論構建了綠洲適宜規模計算模型，確定了節水條件下流域綠洲適宜發展規模。結果表明：1976-2015年瑪納斯河流域綠洲總面積擴張3883 km2，人工綠洲面積擴張3 8733 km2，天然綠洲面積縮減3 4850 km2；計算得出瑪納斯河流域綠洲適宜規模為4 0259～4 4998 km2，目前綠洲實際規模超出綠洲適宜規模的34倍，且綠洲穩定指數H0為046，表明綠洲處于亞穩定狀態；為了進一步保證綠洲穩定性，瑪納斯河流域適宜耕地面積應為1 8016～2 0137 km2。研究結果說明，不合理的綠洲開發，威脅到整個綠洲的穩定，確定綠洲適宜規模，可以為綠洲的穩定和可持續發展提供基礎科學依據。

關鍵詞：綠洲適宜規模；水熱平衡；綠洲穩定性；瑪納斯河流域

中圖分類號：S274 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05010807

Change and suitable scale of oasis under watersaving condition in Manas River Basin

CHEN Dong1，2，YANG Guang1，2，LI Fadong3，4，LI Pengfei1，2，YAN Ke1，2，WANG Zelin1，2

（

1.College of Water & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China；2.Key Laboratory of Modern WaterSaving Irrigation，Shihezi 832000，China；3.Institute of Geographic Sciences & Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China；4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Abstract：

The largescale promotion of watersaving irrigation technology in arid areas has effectively promoted the oasisization process and expanded the scale of oasis.Regarding the appropriate scale of oasis on watershed scale under watersaving condition，we conducted a case study on the Manas River Basin，where the drip irrigation technology originates.We used the fiveperiod satellite remote sensing images from 1976 to 2015 to analyze the change process of oasis area under watersaving condition.Based on the theory of waterheat balance，we constructed a calculation model for the suitable scale of oasis，and determined the suitable development scale of the basin oasis under watersaving condition.The results showed that：From 1976 to 2015，the total area of the oasis in the Manas River Basin expanded by 3883 km2；the area of the artificial oasis expanded by 3 8733 km2；and the area of the natural oasis diminished by 3 485.0 km2.Calculation suggested that the suitable scale of the oasis in the Manas River Basin is 4 02594 4998 km2.The actual scale of the oasis exceeds the appropriate scale of the oasis by 34 times.The oasis stability index H0 is 046，indicating the oasis is in a metastable state.In order to ensure the stability of the oasis，the suitable cultivated area of the Manas River Basin should be 1 80162 0137 km2.The research results suggested that unreasonable development of oasis can threaten the safety and stability of the oasis.Determining the suitable scale of oasis can provide a basic scientific basis for the stability and sustainable development of oasis.

Key words：

suitable oasis scale；waterheat balance；oasis stability；Manas River Basin

綠洲是人與自然相結合的產物，是干旱、半干旱地區發展建設的基礎[12]。近年來，國內外學者針對綠洲問題開展了大量的研究工作，主要集中在土地利用變化及驅動機理[34]、風險分析[5]以及土壤生物多樣性[6]等方面。國內學者針對綠洲景觀格局演化[7]、綠洲荒漠轉化機理[8]以及土地利用/覆被變化[9]等問題開展了大量的研究工作。隨著人類活動和經濟發展帶來的綠洲環境壓力和綠洲穩定性問題，綠洲適宜規模研究逐步成為研究的熱點。胡順軍[10]等通過水熱、水土平衡，構建了渭干河平原綠洲適宜規模模型，并確定了適宜綠洲規模和耕地面積。凌紅波[11]等利用Z指數法和水熱平衡模型，對克里雅河流域不同豐枯水平下的綠洲適宜規模進行確定。黃領梅[12]等在對新疆和田綠洲適宜規模進行計算時發現，現狀條件下和田綠洲規模超出適宜規模，應進行節水調控。陳亞寧[13]在對塔里木河流域綠洲研究時發現，塔里木河流域綠洲規模已達到上限，耕地規模不應再擴大。

瑪納斯河流域是我國西北地區典型的農業灌溉綠洲，是我國膜下滴灌節水技術的發源地[1415]。近年來，隨著節水技術的大面積推廣，流域綠洲化進程發展迅速，高效節水灌溉面積達948%， 在節水技術的推動下流域人工綠洲面積增加13倍，耕地面積年均增長速率較節水前增加了147倍。國內眾多學者近年對瑪納斯河流域綠洲徑流和氣候變化[16]、地表水、地下水及地表水地下水轉換機理[1718]、景觀格局變化及生態效應[19]、土地利用/覆被變化與植被碳儲量變化[20]、水鹽運移及調控[21]、景觀格局演變與驅動機制[22]等方面進行了大量研究。

在此基礎上，本文以節水技術這一重要的人類活動為背景，針對節水技術條件下的綠洲適度規模問題，結合遙感影像分析了節水條件下瑪納斯河流域綠洲規模變化過程，以水熱平衡理論為基礎構建了綠洲適宜規模計算模型，計算確定了節水條件下瑪納斯河流域綠洲適度規模，為瑪納斯河流域綠洲的穩定和可持續發展提供了基礎支撐和科學依據。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區概況

瑪納斯河流域地 處新疆天山北坡中段，準噶爾盆地南緣，包括農八師石河子市、瑪納斯和沙灣兩縣及周邊團場，地理坐標為N43°27′-N45°21′，E 85°01′-E86°32′。域內綠洲水源主要依靠分布在流域內的塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河4條內陸河流，形成的徑流自南向北流經山區、平原區，最后在沙漠區消耗殆盡。

流域氣候干燥，為中溫帶大陸性干旱氣候[2324]。年均氣溫47～57 ℃，四季氣溫相差懸殊；降水時空分布差異性大，年均降水量遠小于年均蒸發量，年均降水量115～200 mm，年均蒸發量1 500～2 100 mm（φ=20 cm蒸發皿）[2527]。

1.2 數據來源

文中所用的遙感影像源自于NASA網站（https：//www.nasa.gov/），包括瑪納斯河流域一期的MSS影像（1976年）和四期美國陸地衛星TM/ETM影像（1990年、2000年、2010年和2015年）。首先，對選定的五期三景（條帶號為144-28、144-29、144-30）遙感影像進行幾何粗校正、輻射定標、幾何精校正、大氣校正，去除云（陰影）象元，將三景遙感影像進行波段融合、影像鑲嵌完成拼接，并按照研究區矢量邊界對影像進行裁剪。然后，采用eCognition87遙感分類軟件對生成的五期遙感影像進行多尺度分割和地物信息提取，通過Google Earth的高分辨率圖像進行目視解譯，并結合野外樣點的實地考察對解譯結果進行校正，最終，統計出不同時期的各地類面積。

文中所用的氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//cdc.cma.gov.cn/）。由于瑪納斯河流域僅有石河子國家氣象觀測站，因此另外選取了4個周邊氣象觀測站進行數據近似比較，分別為克拉瑪依觀測站、烏蘇觀測站、巴音布魯克觀測站和巴侖臺觀測站。其他如水文數據來源于瑪納斯河流域管理處；統計數據來自于自治區和地方統計年鑒，主要包括《新疆統計年鑒》[28]、《新疆建設兵團統計年鑒》[29]以及《新疆生產建設兵團第八師水中長期供求規劃報告》[30]。

1.3 人工綠洲與天然綠洲的分類

根據綠洲發生機制將綠洲各土地利用類型劃分為人工綠洲和天然綠洲[31 32]。依據樊自立[33]、王濤[34]等學者對人工綠洲和天然綠洲的研究及我國土地資源分類系統的二級分類系統標準，結合瑪納斯河流域土地利用實際情況對人工綠洲和天然綠洲進行劃分，見表1。

1.4 綠洲適宜規模計算模型構建

1.4.1 模型方程

水熱平衡法是以生態系統的水熱平衡原理為基礎提出的，根據此種方法，國內學者王忠靜[35]等提出評價綠洲水熱平衡的指標H0，見式1：

H0=[SX（]W-W′+A·r[]ET0·A[SX）] （1）

式中：W為流域內可開采利用水資源總量，主要包括可利用地表水量Ws和可利用地下水量Wg（億m3）；W′為流域內非植被耗水量，主要包括工業用水Wi、生活用水Wl和生態耗水We（億m3）；A為綠洲面積（km2）；r為流域年降水量（mm）；ET0為按彭曼公式計算的參考作物蒸散量（mm）。

本文基于水熱平衡方法，結合瑪納斯河流域實際情況，構建得到瑪納斯河流域綠洲適宜規模計算模型，其模型如下所示：

As=[SX（]{（Ws+Wg）-（Wi+Wl+We）}×105[]H0·（ET0-r）·∑[DD（]n[]i=1[DD）]Kpi[SX）] （2）

Ac=Kc·As （3）

式中：As為流域綠洲適宜面積（km2）；Kpi為流域內主要植物的綜合植物系數，本文參照小麥、玉米、棉花、油料及瓜果作物系數，加權平均取085；Ac為適宜耕地面積（km2）；Kc為耕地利用系數，一般不宜大于70%。H0為綠洲的“綠度”，是一定水資源保證下綠洲充分給水程度，一般取值在075 ～ 1之間，為保證瑪納斯河流域綠洲安全，結合綠洲的實際情況，H0初步取075。H0的大小能夠反映綠洲的穩定性，H0越大，綠洲穩定性越高，反之，穩定性越低[35]。因此，綠洲“綠度” H0，可以用來分析判斷綠洲是否穩定。本文結合綠洲穩定性相關研究成果[3637]以及干旱、半干旱地區綠洲生態環境特點，將瑪納斯河流域綠洲規模的穩定性劃分為以下4個等級，見表2。

1.4.2 模型參數確定

依據《新疆統計年鑒》[28]、《新疆生產建設兵團統計年鑒》[29]、《新疆建設兵團第八師水中長期供求規劃報告》[30]等相關資料和不同時段流域多年平均 徑流量對模型中地表水和地下水可利用量進行確定，模型中工業用水、生活用水以及生態用水等耗水量經公式計算獲取，其中部分模型參數從相應的年鑒資料和相關文獻[3839]中選取確定。計算公式見表3。

2 結果與分析

2.1 瑪納斯河流域綠洲面積變化

2.1.1 綠洲總面積變化

從整個研究時段來看，1976-2015年瑪納斯河流域綠洲面積呈現“增加-減小-增加”的變化趨勢，但整體表現出擴張的態勢，1976年綠洲面積為9 2102 km2到2015年綠洲面積擴張至9 5985 km2，擴張3883 km2，見圖1。進一步分析可以發現，節水前（1976-2000年），綠洲總面積處于擴張期，綠洲面積由1976年的9 2102 km2擴張至2000年的9 6278 km2，擴張4176 km2。其中1976-1990年綠洲面積增長緩慢，年均增長121 km2；1990-2000年綠洲面積增長較快，年均增長2147 km2。節水后（2000-2015年），

綠洲面積處于緩慢縮減期，綠洲面積由2000年的 9 6278 km2縮減至2015年的9 5985 km2，縮減951 km2。其中2000-2010年綠洲面積處于縮減階段，綠洲面積由2000年的9 6278 km2縮減至2010年的9 5327 km2，年均減小86 km2；2010-2015年綠洲面積開始緩慢增長，在此期間，綠洲面積年均增長110 km2。

2.1.2 人工綠洲面積變化

由瑪納斯河流域人工綠洲面積變化可知（圖1），1976-2015年瑪納斯河流域人工綠洲面積呈明顯的遞增趨勢。40年間，人工綠洲面積增長3 8733 km2，年均增長968 km2，其中1976-1990年、1990-2000年、2000-2010年、2010-2015年四個時期分別增長1 4333 km2、6287 km2、1 3046 km2和5067 km2。高效節水技術有力地推動了人工綠洲面積的擴大。高效節水前（1976-2000年），人工綠洲面積由1976年的2 9895 km2增加到2000年的5 0514 km2，年均增長825 km2；高效節水后（2000-2015年），人工綠洲面積由2000年的5 0514 km2增加到2015年的6 8628 km2，年均增長1132 km2。可見，膜下滴灌技術的大面積推廣，積極的推動了人工綠洲的擴張。

2.1.3 天然綠洲面積變化

由瑪納斯河流域天然綠洲面積變化可知（圖1），1976-2015年瑪納斯河流域天然綠洲面積呈持續遞減態勢，40年間，天然綠洲面積縮減3 48500 km2，年均縮減8713 km2。其中，1976-1990年、1990-2000年、2000-2010年、2010-2015年四個時期分別縮減1 2519 km2、3925 km2、1 3997 km2和4409 km2。高效節水前（1976-2000年），天然綠洲面積由1976年的6 2207 km2減小到2000年的4 5764 km2，年均縮減658 km2；高效節水后（2000-2015年），天然綠洲面積由2000年的4 5764 km2減小到2015年的2 7357 km2，年均縮減1150 km2。結合人工綠洲面積變化可知，高效節水技術的實施，促進人工綠洲面積的不斷擴張的同時，擠占了天然綠洲耗水量，加快了天然綠洲面積的退化。

2.2 瑪納斯河流域綠洲適宜規模的計算

2.2.1 綠洲可利用水資源總量及耗水量

對瑪納斯河流域綠洲可利用水資源總量和工業、生活以及生態耗水量進行計算，見表4。

由表4可以發現，瑪納斯河流域綠洲可利用水資源總量呈現波動變化，但波動幅度不大，工業用水和生活用水呈現波動增加的趨勢，生態用水呈現波動減小的趨勢。工業和生活用水量的增加，擠占了生態耗水量，造成綠洲生態環境的破壞。可見，工業和生活用水正逐漸成為綠洲耗水的一大動力。然而，節水技術的成熟和節水意識的增強，使流域用水效率由09提高到114[40]，農業高效節水技術在一定程度上為流域充足用水提供了保障，緩解了綠洲水資源緊張的局面。

2.2.2 綠洲適宜規模

依據構建的瑪納斯河流域綠洲適宜規模計算模型，參考現有研究區ET0和Kc計算成果[41 42]，將表4數據代入模型式（2）中，經計算得到1976年、1990年、2000年、2010年以及2015年瑪納斯河流域綠洲適宜面積和耕地適宜面積，見表5。

由表5可知，從整體上看，研究時段內瑪納斯河流域綠洲適宜耕地面積與適宜規模變化趨勢基本一致，總體呈波動增加趨勢。1976年瑪納斯河流域綠洲適宜規模為3 9737 km2，適宜耕地面積為1 7782 km2，到2015年綠洲適宜規模和適宜耕地面積分別增長到4 0259 km2和1 8016 km2，40年間，兩者適宜面積增加了523 km2和234 km2。經分析可以發現，綠洲適宜面積的增加與節水方式的改變存在很大關系，1976年流域處于傳統節水階段，在這時期，流域采用庫-渠-井聯合灌溉，低效率的灌溉方式，導致大量水資源浪費，使可利用水資源量大大減少。自2000年膜下滴灌技術在流域被大面積推廣之后，高效的灌溉方式增加了流域可利用水資源量，使綠洲適宜規模和適宜耕地面積得到增加。根據計算得到的綠洲穩定性指數可以發現，節水強度的提高，使綠洲穩定性有所增強，但五個時期的穩定性指數值仍小于臨界穩定性數值05，表明綠洲處于亞穩定狀態。由綠洲實際耕地面積可以知，1976年耕地面積僅為2 6763 km2，到2015年耕地面積高達6 2809 km2，40年間，耕地面積增加13468%。結合綠洲實際規模可以發現，綠洲實際規模和實際耕地面積均已遠遠超出適宜規模和適宜耕地面積，綠洲呈現超負荷運行，流域可持續發展受到威脅。

3 結論

（1）1976-2015年瑪納斯河流域綠洲面積呈現“增加-減小-增加”的變化趨勢，但整體朝著擴張的態勢發展，40年間，綠洲面積擴張38830 km2。高效節水技術實施前，綠洲處于快速擴張期，面積擴張4176 km2，年均擴張1670 km2。高效節水技術實施后，綠洲處于緩慢縮減期，面積縮減951 km2，年均縮減183 km2。

（2）高效節水技術實施前，人工綠洲面積 平均以每年8248 km2的速度增長，天然綠洲面積平均以每年6577 km2的速度減小；高效節水技術實施后，人工綠洲面積平均以每年11321 km2的速度增長，天然綠洲面積平均以每年11504 km2的速度減小。農業高效節水技術的實施有力推動了流域綠洲化進程。

（3）1976-2015年瑪納斯河流域綠洲適宜規模和適宜耕地面積均遠小于實際規模和實際耕地面積，提高節水強度，使綠洲穩定性有所增強，但仍小于臨界穩定性數（H0=05），綠洲穩定性處于亞穩定狀態。為保證綠洲穩定，瑪納斯河流域適宜的綠洲規模和灌溉面積應保持在4 0259～4 4998 km2和1 8016～2 0137 km2。

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