河西走廊水資源變化與生態(tài)環(huán)境時(shí)空關(guān)聯(lián)分析

李曉婧, 白艷萍, 李 萌, 馬金輝

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

水資源是我國西北內(nèi)陸地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)平衡的關(guān)鍵制約因素[1]。在氣候變化及人類活動(dòng)影響不斷加劇的背景下，從區(qū)域到全球尺度監(jiān)測(cè)陸地總水儲(chǔ)量及各要素的變化對(duì)人類生存和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]。重力反演與氣候試驗(yàn)衛(wèi)星GRACE(gravity recovery and climate experiment)廣泛地被應(yīng)用與中長空間尺度流域的水儲(chǔ)量變化研究[2]。地球各系統(tǒng)間的質(zhì)量重新分布和遷移引起地球重力場的變化，在年或季較短時(shí)間尺度上，主要由地球表層大氣、海洋、陸地水質(zhì)量交換引起。通過精確觀測(cè)地球重力場隨時(shí)間的變化，可以反演地球水質(zhì)量變化的情況[3]。目前，利用重力衛(wèi)星重建地球重力場取得了豐富的成果[4-9]，是傳統(tǒng)陸地水文觀測(cè)技術(shù)的有效補(bǔ)充[5]。河西走廊位于甘肅省西北部，行政上屬于甘肅省張掖、酒泉、武威、金昌、嘉峪關(guān)5市。研究區(qū)氣候干旱，屬于大陸性氣候區(qū)，年降水量僅為40～400 mm，年蒸發(fā)量卻高達(dá)1 500～3 000 mm。該地區(qū)地勢(shì)南高北低，南部祁連山地的冰川儲(chǔ)量豐富[10]，是河西地區(qū)降水較多的地區(qū)，也是河西走廊石羊河、黑河和疏勒河3大內(nèi)陸河的發(fā)源地。河西走廊干旱缺水，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是制約河西走廊地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[11]。加之人類活動(dòng)對(duì)水資源的過度開發(fā)利用，造成了天然綠洲退縮、地下水位下降、內(nèi)陸河斷流、沙漠化擴(kuò)大等嚴(yán)重的生態(tài)問題[12]。本文對(duì)河西走廊水資源和生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化規(guī)律、以及時(shí)空關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，旨在為干旱區(qū)水資源合理開發(fā)及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究資料及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

國際上應(yīng)用解算過的GRACE 衛(wèi)星數(shù)據(jù)來反演全球以及區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量的變化，通行的做法[13]有：一種是應(yīng)用已解算的月重力場模型數(shù)據(jù)直接求解；另一種是利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)推求區(qū)域陸地水儲(chǔ)量變化，即Mascon方法。本文GRACE數(shù)據(jù)采用空間研究中心(CSR)提供的2003—2015年的RL05 GRACE MASCON解決方案(http:∥www.csr.utexas.edu/grace)，空間分辨率為0.5°，時(shí)間分辨率為1個(gè)月，柵格值表示等效水高。由于GRACE部分月度數(shù)據(jù)缺失，采用缺失月份多年平均值表示該月的等效水高。降水采用NASA網(wǎng)站提供的2003—2015年TRMM 3B43數(shù)據(jù)(https:∥pmm.nasa.gov)，NDVI(歸一化差分植被指數(shù))數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)提供的MOD13產(chǎn)品。2000，2005，2010，2015年的土地利用/覆蓋類型數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)提供。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢(shì)分析 采用一元線性回歸趨勢(shì)分析法模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

式中：i——時(shí)間段序號(hào)；n——監(jiān)測(cè)時(shí)間段累計(jì)次數(shù)； rasteri——第i時(shí)間段柵格圖層。

1.2.2 相關(guān)性分析 計(jì)算兩個(gè)時(shí)間序列x(t)和y(t)相關(guān)系數(shù)通常用以下公式：

2 研究結(jié)果

2.1 水儲(chǔ)量時(shí)空變化

利用一元線性回歸分析法，計(jì)算研究區(qū)每個(gè)像元2003—2015年水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，研究區(qū)祁連山地區(qū)水儲(chǔ)量呈增長趨勢(shì)，等效水柱每年最大增長3.1 mm，沿著徑流方向水儲(chǔ)量增長趨勢(shì)愈弱，直至為減少趨勢(shì)，等效水柱每年最大減少1.9 mm。

圖1 河西走廊GRACE等效水高變化趨勢(shì)空間分布

通過區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到河西走廊及河西走廊內(nèi)3大流域GRACE等效水高月度變化折線圖(圖2)。結(jié)果顯示研究區(qū)水儲(chǔ)量變化在月尺度上表現(xiàn)出明顯的周期性，波動(dòng)范圍基本保持在-20～20 mm之間，周期為12個(gè)月，表示研究區(qū)整體及3大流域水儲(chǔ)量變化存在顯著的年周期；疏勒河流域與黑河流域水儲(chǔ)量變化在年內(nèi)波動(dòng)變化的最高值和最低值出現(xiàn)月份一致。經(jīng)過12次滑動(dòng)平均及線性回歸，可觀察到研究區(qū)及3大流域水儲(chǔ)量變化均呈下降趨勢(shì)。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)疏勒河流域2003—2009年水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)平穩(wěn)，2009年后水儲(chǔ)量在波動(dòng)中下降，2011—2015年水儲(chǔ)量年內(nèi)變化波動(dòng)范圍與極大值逐年增大；黑河流域2003—2010年水儲(chǔ)量穩(wěn)定下降，2010—2015年水儲(chǔ)量在波動(dòng)中下降且年內(nèi)變化波動(dòng)范圍較大，年內(nèi)變化的極大值呈增長趨勢(shì)；石羊河流域水儲(chǔ)量呈逐年下降趨勢(shì)，年內(nèi)變化波動(dòng)范圍較穩(wěn)定。研究區(qū)3大流域中石羊河流域水儲(chǔ)量降低速度最快，約為0.146 3 mm/月，黑河流域水儲(chǔ)量降低速度較快，約為0.134 7 mm/月，疏勒河流域水儲(chǔ)量下降速度較慢，約為0.085 mm/月，研究區(qū)整體水儲(chǔ)量呈較快的下降趨勢(shì)，約為0.109 2 mm/月。

圖2 研究區(qū)水儲(chǔ)量變化

利用2002—2015年河西走廊整體及其3大流域月尺度水儲(chǔ)量變化值多年平均值，分析研究區(qū)年內(nèi)水儲(chǔ)量變化情況(圖3)。疏勒河流域水儲(chǔ)量在4月份進(jìn)入累積狀態(tài)，7月份達(dá)到最高值，然后開始逐漸下降，12月降至最低值。黑河流域水儲(chǔ)量在1至7月緩慢上升，7月份進(jìn)入累積狀態(tài)，同時(shí)達(dá)到全年最高值，然后緩慢下降，在10月下降至虧損狀態(tài)。石羊河流域水儲(chǔ)量1至9月在波動(dòng)中上升，7月進(jìn)入累積狀態(tài)，9月達(dá)到全年最高，11月下降至虧損狀態(tài)。疏勒河流域水儲(chǔ)量年內(nèi)波動(dòng)幅度最大，石羊河流域水儲(chǔ)量年內(nèi)變化相對(duì)于疏勒河流域及黑河流域呈現(xiàn)一定的滯后效應(yīng)，晚2個(gè)月達(dá)到全年最高值。

2.2 水儲(chǔ)量變化與降水的關(guān)系

通過區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到2003—2015年河西走廊及3個(gè)流域分區(qū)的歷年年降水量，結(jié)果顯示研究區(qū)及3個(gè)流域分區(qū)的年降水總體趨勢(shì)平穩(wěn)，線性趨勢(shì)斜率接近于0，黑河流域年降水年際變化波動(dòng)范圍較大。利用2003—2015年河西走廊整體及其3大流域月尺度降水?dāng)?shù)據(jù)，分別計(jì)算各月累年均值，結(jié)果如圖4所示。研究區(qū)及其3大流域在冬季降水量最少，春季降水開始增多，夏季降水量最大，秋季降水量開始減少。

圖3 研究區(qū)各月等效水高累積多年平均值

圖4 研究區(qū)年降水變化趨勢(shì)和各月降水累積多年平均值

通過基于像元通過對(duì)多年GRACE等效水高與降水進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5)，河西走廊南部的祁連山地年水儲(chǔ)量與年降水為正相關(guān)，研究區(qū)祁連山地以北年水儲(chǔ)量與年降水為負(fù)相關(guān)，是由于河西走廊3大流域水源補(bǔ)給主要來源為祁連山冰雪融水，研究區(qū)流域中下游干旱少雨，潛在蒸散發(fā)量大于降水量；另一方面，由甘肅省水資源公報(bào)可知2003—2015年研究區(qū)中游及下游的農(nóng)田有效灌溉面積呈增加趨勢(shì)，水資源的補(bǔ)給和消耗除了受降水量影響外，還深受地表徑流和地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄以及人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水等因素影響。因此，研究區(qū)除祁連山地區(qū)以外，水儲(chǔ)量的變化受降水影響較小。

圖5 河西走廊年水儲(chǔ)量變化與年降水相關(guān)系數(shù)分布

利用區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到的研究區(qū)2003—2015年水儲(chǔ)量變化值與降水量，進(jìn)行月尺度與年尺度相關(guān)性分析(表1)。月尺度下，研究區(qū)整體的水儲(chǔ)量變化與降水正相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.62，且置信水平為0.01，其次為疏勒河流域、黑河流域，石羊河流域的水儲(chǔ)量變化與降水在月尺度下相關(guān)系數(shù)最低。年尺度下，研究區(qū)整體及3大流域分區(qū)的水儲(chǔ)量變化與降水均不存在相關(guān)性。

2.3 水儲(chǔ)量變化與生態(tài)環(huán)境時(shí)空耦合

河西走廊地區(qū)在“移民政策”實(shí)施以后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大大增加了研究區(qū)內(nèi)水資源的消耗，進(jìn)一步加劇了研究區(qū)內(nèi)荒漠化的狀況[14]。由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)提供2000，2005，2010和2015年的土地利用/覆蓋類型柵格數(shù)據(jù)，通過區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到河西走廊三大流域2000，2005，2010以及2015年土地利用/覆蓋類型面積比重(表2)。疏勒河流域土地利用/覆蓋類型主要為未利用地(約79%)和草地(約18%)，林地和草地?zé)o明顯變化，耕地和建筑用地增加明顯，冰川與未利用地面積比重下降，水域面積比重輕微上升。黑河流域土地利用/覆蓋類型主要為未利用地(約57%)、草地(約24%)與耕地(約10%)，耕地與建筑用地面積比重明顯上升，水域面積比重先下降后上升，冰川面積比重在2015年出現(xiàn)上升。石羊河流域土地利用/覆蓋類型主要為未利用地(約44%)、草地(約29%)與耕地(約18%)，耕地與建筑用地面積比重明顯上升，水域面積比重輕微上升，草地面積比重出現(xiàn)下降。疏勒河流域冰川呈負(fù)增長趨勢(shì)，但結(jié)合前文可知疏勒河流域南部的祁連山地水儲(chǔ)量呈正增長趨勢(shì)，原因可能為凍土退化，隨著凍土層的隔水作用減小，活動(dòng)層加大和加厚，使地下水庫庫容增大，更多的地表水入滲變成地下水，造成地下水水庫的儲(chǔ)水量增加[15]。

表1 水儲(chǔ)量變化與降水的年度和月度相關(guān)性

注：**表示顯著性水平為0.01； *表示顯著性水平為0.05。下同。

植被是干旱區(qū)衡量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高低及演變規(guī)律最有效的指示器[16]。通過區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到2003—2015年河西走廊及三個(gè)流域分區(qū)的歷年年均NDVI，2009年前NDVI年均值趨勢(shì)較平穩(wěn)，增長速度較慢，2009年以后增長速度較快(圖6)。通過NDVI各月累年均值可知，石羊河變化幅度最高，其次為黑河流域，疏勒河流域NDVI波動(dòng)變化較小，年內(nèi)一直保持在一個(gè)比較低的水平，3個(gè)流域分區(qū)NDVI最大值出現(xiàn)在7月份，11月份回落到較低水平。研究區(qū)整體及3個(gè)流域分區(qū)植被生長的物候特征比較相似，植被在春季(3月至5月)進(jìn)入生長期，夏季(6月至8月)達(dá)到旺盛期，秋季(9月至11月)開始衰退，冬季(12月至次年2月)進(jìn)入休眠期。

表2 河西走廊各流域2000-2015年土地利用/覆蓋類型面積比重

注：標(biāo)“↑”符號(hào)表示面積比重增加明顯。

圖6 研究區(qū)年均NDVI變化趨勢(shì)和各月NDVI累積多年平均值

統(tǒng)計(jì)得到的研究區(qū)2003—2015年水儲(chǔ)量變化值與NDVI，進(jìn)行月尺度與年尺度相關(guān)性分析(表3)。月尺度下，研究區(qū)整體的水儲(chǔ)量變化與降水相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.49，置信水平為0.01，其次為黑河流域，疏勒河流域與石羊河流域的水儲(chǔ)量變化與NDVI在月尺度下相關(guān)系數(shù)最低。年尺度下，研究區(qū)整體及石羊河流域與黑河流域的水儲(chǔ)量變化與NDVI均存在顯著的高度負(fù)相關(guān)，置信水平為0.01，疏勒河流域水儲(chǔ)量變化與NDVI存在較顯著的低度負(fù)相關(guān)。

表3 水儲(chǔ)量變化與NDVI的年度和月度相關(guān)性

通過對(duì)空間尺度進(jìn)一步細(xì)化，深入研究水儲(chǔ)量與植被之間的耦合關(guān)系。對(duì)研究區(qū)像元尺度的水儲(chǔ)量年際變化量與NDVI年均值做相關(guān)分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)主要灌區(qū)水儲(chǔ)量年際變化量與植被指數(shù)年均值呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)，主要原因?yàn)檠芯繒r(shí)間段內(nèi)研究區(qū)耕地面積的持續(xù)增加，大量地消耗了該區(qū)域的地下水資源的同時(shí)增加了地面水分蒸發(fā)量，導(dǎo)致水資源流失，最終表現(xiàn)為水儲(chǔ)量年際變化量與植被指數(shù)呈明顯負(fù)相關(guān)的特征。疏勒河流域南部山區(qū)呈正相關(guān)，原因?yàn)樵搮^(qū)高寒草甸生長的主要限制因素為溫度[17]，全球氣候變暖有利于高寒草甸植被增長[18]，進(jìn)而蓄水功能得到增加。

圖7 水儲(chǔ)量年際變化與NDVI相關(guān)性空間分布

3 討論與結(jié)論

河西走廊及3個(gè)流域分區(qū)的水儲(chǔ)量變化周期為12個(gè)月，年尺度上水儲(chǔ)量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中石羊河流域與黑河流域水儲(chǔ)量下降較快，疏勒河流域下降較慢。由于生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施[19]，研究區(qū)水儲(chǔ)量下降速度趨于放緩。從多年月平均尺度看，夏季水儲(chǔ)量為積累期，冬季為虧損期，由于河西走廊3個(gè)流域分區(qū)的自然條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等方面有所差異[20]，水儲(chǔ)量年內(nèi)變化規(guī)律存在差異。

河西走廊及3個(gè)流域分區(qū)2003—2015年歷年降水量趨勢(shì)平穩(wěn)，疏勒河流域與黑河流域的降水與水儲(chǔ)量變化的月度累年均值趨勢(shì)一致，由于灌溉用水需求量大，石羊河流域水儲(chǔ)量變化月度累年均值最大值出現(xiàn)的月份比降水月度累年均值的最大值晚一個(gè)月。月尺度上降水量與水儲(chǔ)量變化呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，年尺度上降水量與水儲(chǔ)量變化不存在相關(guān)性。河川徑流是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的主要水資源[21]，由于研究區(qū)3個(gè)流域分區(qū)的中下游水資源的補(bǔ)給與消耗過程比較復(fù)雜，例如上游來水對(duì)中下游水儲(chǔ)量的影響，因此基于像元的水儲(chǔ)量變化與降水量的相關(guān)性不顯著。

2003—2015年在流域降水量保持相對(duì)穩(wěn)定的背景下，研究區(qū)及流域分區(qū)的水儲(chǔ)量均不斷下降，而植被指數(shù)則在持續(xù)上升，在流域尺度和整體上均呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)。河西走廊3個(gè)流域分區(qū)中石羊河流域NDVI累年均值最大，并且水儲(chǔ)量月度累年均值出現(xiàn)的最大值的月份比NDVI月度累年均值最大值出現(xiàn)的月份滯后2個(gè)月，說明植被影響了水儲(chǔ)量的累積。自然條件與人類活動(dòng)共同作用于水循環(huán)系統(tǒng)，使水資源在人工綠洲和天然綠洲、流域上中下游之間重新進(jìn)行分配。河西走廊人工綠洲規(guī)模的擴(kuò)大主要是人類改造自然綠洲或未利用土地獲得的[21]，并且人工綠洲的演變主要跟人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有關(guān)。從像元尺度上看，灌區(qū)內(nèi)水儲(chǔ)量年際變化量與植被指數(shù)年均值呈高度負(fù)相關(guān)，南部祁連山地區(qū)水儲(chǔ)量年際變化量與植被指數(shù)呈正相關(guān)。隨著研究區(qū)耕地面積的不斷擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源的消耗量也大幅增加，導(dǎo)致該區(qū)水儲(chǔ)量逐年減少，因此研究區(qū)主要灌區(qū)水儲(chǔ)量年際變化與植被指數(shù)年均值表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜上，2003—2015年研究區(qū)水儲(chǔ)量變化歷年呈下降趨勢(shì)，并在流域尺度及像元尺度表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性和尺度效應(yīng)。研究時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)降水保持相對(duì)穩(wěn)定，沒有明顯的變化趨勢(shì)，證明降水不是水儲(chǔ)量發(fā)生下降的主要原因。從土地利用/覆被類型變化和2003—2015年歷年NDVI均值變化來看，河西走廊人工植被呈增加趨勢(shì)。研究區(qū)水儲(chǔ)量的下降受人類活動(dòng)影響較大，主要表現(xiàn)在耕地面積和建筑面積比率的增長，從而增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生活耗水量，并直觀地表現(xiàn)為水儲(chǔ)量年際變化與植被指數(shù)年均值顯著負(fù)相關(guān)，石羊河流域表現(xiàn)最為明顯。由于GRACE數(shù)據(jù)空間分辨率較低，文章僅從宏觀角度對(duì)研究區(qū)水儲(chǔ)量變化進(jìn)行了分析，后期可結(jié)合徑流、土壤含水率與地下水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展進(jìn)一步研究。