瑪納斯河下游綠洲土地利用變化對水資源利用的影響

劉海隆,包安明,何新林,沈志偉

(1石河子大學水利建筑工程學院,石河子832003;2中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊830011;3新疆兵團瑪納斯河流域管理處,石河子832000)

瑪納斯河下游綠洲土地利用變化對水資源利用的影響

劉海隆1,包安明2,何新林1,沈志偉3

(1石河子大學水利建筑工程學院,石河子832003;2中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊830011;3新疆兵團瑪納斯河流域管理處,石河子832000)

為探究人類活動對干旱區(qū)瑪納斯河流域耗水規(guī)律的影響,選取瑪納斯河流域下游莫索灣綠洲為研究區(qū)域,以1990年、2000年和2007年的 TM影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用 GIS空間分析技術(shù)計算了景觀斑塊的轉(zhuǎn)移矩陣,分析了研究區(qū)下游土地利用的時空變化特征,并結(jié)合該流域歷史水資源的利用狀況分析了其土地利用變化與水資源分配之間的關(guān)系。結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)景觀面積最大的是耕地,約占45.08%,其次為沙地和荒地,約占43.14%;各種景觀在1990～2007年都發(fā)生了較大變化,其中草地的縮減最大,其次為林地,而增加最大的是荒地和沙地,其次為耕地。這表明瑪納斯河流域土地利用的變化致使其需水結(jié)構(gòu)在向耗水的方向變化,因此,改善土地利用方式對提高瑪納斯河流域水資源的利用效率具有重要意義。

土地利用;景觀格局;瑪納斯河流域;水資源

土地利用與覆蓋變化land use/land cover change,(LUCC)是全球環(huán)境變化的重要組成部分[1]。土地覆被的變化主要表現(xiàn)在生物多樣性、土壤質(zhì)量、地表徑流、侵蝕沉淀及實際和潛在的土地第一性生產(chǎn)力等方面[2]。目前人類面臨的許多環(huán)境問題都與LUCC有關(guān)。LUCC對區(qū)域環(huán)境的影響主要包括對生態(tài)環(huán)境安全、水文變化、土地退化、污染物的循環(huán)等方面的影響[3-5]。土地利用的變化受自然因素和社會因素的共同影響,宋帥等[6]研究表明,人類對地球陸地表面、生物多樣性、生物地球化學循環(huán)和水循環(huán)等的改變已超過了自然變化的影響。土地利用格局的空間異質(zhì)性反映了土地生態(tài)過程的作用結(jié)果,土地利用格局受到自然環(huán)境的限制與人類活動的干預而發(fā)生變化[7]?；哪G洲是干旱區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng),是一種獨特的人地關(guān)系和自然景觀[8]。水資源是綠洲流域中下游經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境平衡的紐帶。然而,由于人類活動和氣候變化的共同影響,引發(fā)了綠洲河道下泄水量銳減,湖泊萎縮干涸、土壤沙漠化和鹽堿化面積迅速增加、植被退化等許多問題[9]。水資源作為影響荒漠綠洲的關(guān)鍵因素,它的數(shù)量和分布直接影響著景觀荒漠化和綠洲化的進程,是干旱地區(qū)最為活躍的自然因素,對土地開發(fā)利用起著決定性作用[10]。

土地利用變化是人類活動的結(jié)果,因而認識人類活動導致的土地利用變化對水資源的影響和作用機理,對指導干旱區(qū)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義?，敿{斯河流域地處天山北麓準噶爾盆地南緣,具溫帶大陸性氣候特征,降水稀少,下游人類生產(chǎn)生活用水主要依賴于山區(qū)降水,該流域主要的經(jīng)濟基礎(chǔ)為綠洲農(nóng)業(yè)[11]。因此研究該區(qū)域人類活動對水資源的影響具有重要意義。本文通過瑪納斯河下游綠洲土地利用變化對水資源利用的影響研究,有助于深入了解干旱區(qū)內(nèi)陸河流域景觀結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程及人類活動之間的關(guān)系,從而為本地區(qū)水資源可持續(xù)利用與發(fā)展提供重要的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準噶爾盆地南緣,即古爾班通古特沙漠的南部 (E85°53′～ 86°25′,N44°39′～45°11′)綠洲-沙漠的接合地帶,主要包括莫索灣灌區(qū)的148團、149團和 150團,覆蓋面積 480km2。海拔323～374m。東西北三面環(huán)沙,全年降水小于120mm,平均積雪深度17cm,年蒸發(fā)量為1942mm,全年日照2777h,≥10℃積溫3594℃;無霜期135～150d,相對濕度50%～60%,年蒸發(fā)量高達2000mm以上;屬典型的大陸性、干旱半干旱的沙漠性氣候。主要土壤類型為半固定風沙土,成土母質(zhì)為沙質(zhì)。地下水埋深3～12m左右[12]。

圖1 研究區(qū)域分布Fig.1 The distribution map of study area

1.2 數(shù)據(jù)處理和研究方法

對研究區(qū)內(nèi)1990年、2000年和2007年的 TM影像數(shù)據(jù)進行解譯,以其結(jié)果為基本資料。土地利用類型解譯主要在 ENVI 4.2下完成。在土地利用類型解譯過程中,主要對 TM3(0.63～0.69μm)、TM4(0.76～0.90μm)、TM 5(1.55～1.75μm)3 個波段進行融合,已有研究表明這3個波段具有較好的效果[13]。經(jīng)實地踏勘調(diào)查,解譯結(jié)果精度達到使用要求。土地利用變化分析采用Arc GIS9.1軟件,采用全國土地利用分類系統(tǒng)二級分類指標體系對研究區(qū)2007年的土地利用類型進行分析,用 GIS方法建立并輸出了研究區(qū)綠洲的景觀轉(zhuǎn)移矩陣。水資源利用分析主要根據(jù)瑪納斯河出山口肯斯瓦特站的徑流量和研究區(qū)多年的地表水引水資料,分析了出山口供給水資源變化特征以及與研究區(qū)引水之間的異步性。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪納斯河下游綠洲土地利用類型特征

根據(jù)綠洲的土地利用特征和實際情況,研究區(qū)的土地利用情況可以分為林地、草地、水體、居民用地、未利用地和耕地6種類型。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

由表1可知,研究區(qū)的主要用地為耕地,占45.08%,林地面積最少,占0.05%。未利用地(沙地和鹽堿地)占43.14%,而草地和林地覆蓋區(qū)域不到10%。表明下游綠洲土地利用以農(nóng)業(yè)種植為主,植被覆蓋率不高,土壤鹽堿化嚴重,這說明該區(qū)域十分干旱,水資源緊缺,同時這種土地利用結(jié)構(gòu)與該區(qū)域的水資源空間分布及其供給保證情況密切相關(guān)。

表1 瑪納斯河下游綠洲區(qū)土地利用類型統(tǒng)計Table 1 The land-use type statistics in lower reaches of Manasi rive basin

2.2 出山口來水量與瑪納斯河下游綠洲供水量的變化關(guān)系

研究區(qū)域以地表水資源為主,地下水資源為補充,由于地下水開采量相對比較穩(wěn)定,因此在本研究中水資源量主要考慮地表水資源量。為分析研究區(qū)域水資源供給狀況是否受到上游來水量的影響,研究中分析了1990～2007年出山口肯斯瓦特的徑流量變化情況和研究區(qū)域的地表水供給變化情況。出山口徑流量和研究區(qū)供水量的年際變化如圖2所示。

由圖2可見,出山口的水資源量從 1990～2002年有一個明顯上升的過程,而在 2003年出現(xiàn)一個大的下降過程,2004～ 2007年有所回升,其中極大值出現(xiàn)在2002年,為 18.72×108m3,極小值出現(xiàn)在1992年,為 9.37×108m3,前者約為后者的2倍,說明瑪納斯河流域水資源供水保證率波動變幅較大。另外,在研究時段內(nèi),供水量 1990～1991年小幅增加,但1992年出現(xiàn)大幅減少,1992～1996年是緩慢上升的過程,隨后逐年減少。整個期間極小值出現(xiàn)在2005年,為 2.17×108m3,最大值出現(xiàn)在 1996年 ,為3.02×108m3。

總的來看,在 1990～1996年,出山口徑流量和供水量之間具有很好的一致性,即來水量越多,對灌區(qū)的供水也越多,而在1996～2007年則沒有這種同步變化規(guī)律。另外通過對二者的相關(guān)性分析可知,二者相關(guān)系數(shù)為0.4412,未能通過顯著性檢驗,進一步驗證了二者不同步的結(jié)論。在波動幅度方面,年供水量變幅較小,在-16.5%～16.3%,而年徑流量變幅在-32.1%～35.7%。這說明下游供水量并沒有因來水量的變化而發(fā)生劇烈變化,其原因主要有:一是因為平原水庫的調(diào)節(jié)作用,對枯水年份具有一定保障;二是地方農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整,使得用水量沒有大的變化;三是開采地下水作為適當補充,使得水資源總需求量的變化沒有體現(xiàn)在引水量上。因此,從土地利用變化的角度分析下游水資源利用情況具有現(xiàn)實意義。

圖2 肯斯瓦特站年徑流量與研究區(qū)供水量變化關(guān)系Fig.2 The comparison between annual runoff and water supply in study area

2.3 瑪納斯河下游綠洲土地利用變化對水資源利用的影響

在干旱區(qū),水資源直接制約著社會經(jīng)濟的發(fā)展,影響著土地的使用。反之,土地利用類型的變化也必然影響水資源的重新分配。下面分別從瑪納斯河下游綠洲土地利用變化對水資源需求結(jié)構(gòu)及水資源量的可能影響進行分析。

2.3.1 土地利用變化對水資源需求結(jié)構(gòu)的影響

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,承載人類活動的土地在利用方式上也發(fā)生了很大變化。下面以1990～2007年的土地利用為例,通過1990年和2007年景觀的轉(zhuǎn)移矩陣進行分析,分析結(jié)果見表2。

由表2可見,除林地外,各種景觀都發(fā)生了較大變化,其中草地的縮減最大,達到78.14%,大部分退化為荒地,部分被開墾為耕地;水域和居民地面積有所縮小,主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地;而原耕地也有部分轉(zhuǎn)為其它利用類型。從總量上看,耕地得到了大量擴張,草地大為縮減,荒地迅速擴大。

土地利用的這種變化對水資源的需求結(jié)構(gòu)必然帶來影響,因為土地利用的變化將造成農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)居民生活、農(nóng)村居民生活、河流生態(tài)環(huán)境、林地和草地的需水發(fā)生變化,即土地利用的變化將使生產(chǎn)需水、生活需水和生態(tài)環(huán)境需水發(fā)生變化,而且需水結(jié)構(gòu)的變化同時通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化體現(xiàn)出來。

瑪納斯河下游綠洲區(qū)三產(chǎn)比重變化見圖3。由圖3可以看出,2000～2007年,研究區(qū)第一產(chǎn)業(yè)是一個逐步增加的過程,占 GDP的比重在59%～75%,耕地的不斷擴張對其具有促進作用。與此同時,第二產(chǎn)業(yè)比重在 8%～19%,且處于下降趨勢,說明工業(yè)發(fā)展比較落后,缺乏活力。第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展變化不大,所占比重也較小。經(jīng)計算,當前新疆兵團第一產(chǎn)業(yè)水資源利用效率為1.36元/m3,第二產(chǎn)業(yè)水資源利用效率為126.60元/m3,第三產(chǎn)業(yè)水資源利用效率為111.92元/m3。這說明土地利用變化使得需水結(jié)構(gòu)向耗水方向發(fā)展。

表2 瑪納斯河下游綠洲區(qū)景觀轉(zhuǎn)移百分率 %Table 2 The transfer percentage of landscape patches in lower reaches of Manasi rive basin

圖3 瑪納斯河下游綠洲區(qū)三產(chǎn)比重變化Fig.3 The change of industrial structure in lower reaches of Manasi rive basin

2.3.2 土地利用變化對水資源利用量的影響

由上述分析可知,土地利用變化中減少最多的是草地,增加較多的是耕地和荒地。耕地對水資源的需求將增加,而荒地對水資源的需求將減少。為確定主要景觀類型轉(zhuǎn)化之后水資源在量上需求的變化,將景觀變化分為 1990～2000年和2000～2007年兩個階段進行分析。1990年、2000年和2007年的景觀面積變化如表3所示。

表3 瑪納斯河下游綠洲區(qū)景觀面積變化 km2Table 3 The area change of landscape patches in lower reaches of Manasi rive basin

根據(jù)已有的研究,不同景觀的需水量大致為:林地為100095m3/hm2,疏林地為 24996m3/hm2,灌木林地為4887m3/hm2,高覆蓋草地為12361m3/hm2,中覆蓋草地為 4416m3/hm2,低覆蓋草地為1445m3/hm2[14,15]。而轉(zhuǎn)化為耕地以后,按目前新疆兵團的灌溉定額為6000～10500m3/hm2。按照上述定額進行測算,2000年需水量比1990年大約減少9228×104m3,而2007年則比2000年增加約311×104m3。另一方面,2007年該區(qū)域地表水引水量較2000年少5936×104m3,較1990年少5287×104m3。單從絕對數(shù)量上來說,目前增加的需水不是很大,然而從發(fā)展趨勢來看,供需矛盾將會進一步顯現(xiàn),尤其在枯水年景將更為突出。

通過以上分析可知:

1)瑪納斯河流域下游綠洲區(qū)主要以耕地、沙化和鹽堿化的荒地為主,其中荒地與耕地面積相當,而自然生態(tài)植被則以低覆蓋草地為主,這種景觀格局非常脆弱,對水資源依賴程度較高。

2)綠洲區(qū)近20年來經(jīng)濟得到了很大發(fā)展,從三產(chǎn)比重可見,發(fā)展規(guī)模仍然源自農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和規(guī)模的擴大,工業(yè)和服務業(yè)發(fā)展速度緩慢。同時土地利用類型的轉(zhuǎn)變更進一步證實了研究區(qū)的用水結(jié)構(gòu)向著耗水的方向發(fā)展,水資源的供需矛盾將進一步加劇。由于人類的活動加重了植被退化、土地沙化和鹽堿化。因此,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理開發(fā)利用土地、提高水資源利用效率是解決干旱區(qū)水資源的必然選擇。

3 結(jié)論

本文通過對瑪納斯河流域下游綠洲1990、2000和2007年三期土地利用類型變化的分析,闡述了研究區(qū)景觀格局轉(zhuǎn)移過程和強度,同時研究了它對水資源需求的影響,結(jié)合本區(qū)域地表水資源引水量狀況,分析了對區(qū)域水資源平衡可能造成的影響,結(jié)論如下:

1)瑪納斯河下游綠洲區(qū)主要用地類型為耕地,約占 45.08%,其次為沙地和荒地,約占 43.14%,林地面積最少,約占0.05%。這種景觀格局顯示了區(qū)域的生態(tài)脆弱性以及水資源對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸作用。

2)1990～1996年,瑪納斯河出山口徑流量和供水量之間具有較強的同步變化關(guān)系,而在 1996以后,則沒有這種同步變化規(guī)律,說明在分析干旱區(qū)綠洲水資源利用情況時,僅依賴地表水供水量是不夠的。

3)各種景觀格局在 1990～2007年都發(fā)生了較大變化,其中草地縮減最大,達到95.93km2,其次為林地,達到6.93km2;增加最大的是荒地和沙地,達到77.6km2,其次為耕地,增加了22.79km2。表明生態(tài)環(huán)境有退化的趨勢,同時維持區(qū)域正常發(fā)展的需水結(jié)構(gòu)向著更耗水的方向變化。

4)研究區(qū)水資源的供需矛盾將會越來越突出。因此,對干旱區(qū)而言,在經(jīng)濟發(fā)展過程中,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理開發(fā)利用土地、提高水資源利用效率是解決水資源供需矛盾的有效途徑。

[1]陳百明,劉新衛(wèi),楊 紅.LUCC研究的最新進展評述[J].地理科學進展,2003,22(1):22-29.

[2]葛京鳳,黃志英.河北太行山區(qū)土地利用/覆被變化及其環(huán)境效應[J].地理與地理信息科學,2005,21(2):62-65.

[3]于興修,楊桂山.中國土地利用/覆被變化研究的現(xiàn)狀與問題[J].地理科學進展,2002,(1):51-56.

[4]劉賢趙,康紹忠,劉德林,等.基于地理信息的 SCS模型及其在黃土高原小流域降雨—徑流關(guān)系中的應用[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(5):93-97.

[5]張永芳,張 勃,張耀宗.張掖綠洲土地利用/覆被變化的水文效應[J].人民黃河,2008,30(12):50-51,61.

[6]宋 帥,鞠永茂,王漢杰.有序人類活動造成的土地利用變化對區(qū)域降水的可能影響[J].氣候與環(huán)境研究,2008,13(6):759-774

[7]王 玲,呂 新,高秀平.石河子荒漠綠洲土地利用景觀格局的定量分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009,37(4):1689-1691,1698.

[8]尚豫新,祝宏輝.荒漠綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式探析——以新疆兵團農(nóng)八師149團為例[J].新疆農(nóng)墾經(jīng)濟,2009,(3):11-14.

[9]李元壽,賈曉紅,魯文元.西北干旱區(qū)水資源利用中的生態(tài)環(huán)境問題及對策[J].水土保持研究,2006,13(1):217-219,242.

[10]李小玉,肖篤寧.石羊河流域中下游綠洲土地利用變化與水資源動態(tài)研究[J].水科學進展,2005,16(5):643-648.

[11]孫自武,任 崗,周 君,等.1956～2006年瑪納斯河流域棉花生長季氣候變化分析[J].石河子大學學報(自然科學版),2008,26(5):552-556.

[12]劉 彤,崔運河,翟 偉,等.莫索灣南緣沙漠植物群落多樣性抽樣方法的研究[J].干旱區(qū)地理,2006,29(3):367-374.

[13]陳愛京,肖繼東,張旭.基于 TM/ETM+影像的區(qū)域土地利用/覆蓋變化研究[J].沙漠與綠洲氣象,2008,2(4):45-48.

[14]李 健,王 輝,黃 勇,等.柴達木盆地格爾木河流域生態(tài)需水量初步估算探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2008,(1):71-75.

[15]王化齊,董增川,權(quán) 錦,等.石羊河流域天然植被生態(tài)需水量計算[J].水電能源科學,2009,27(1):51-53,87.

Influence of Land Use on Water Resource Use in the Manasi River Basin

L IU Hailong1,BAO Anming2,HE Xinlin1,SHEN Zhiwei3
(1 College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi,832003,China;2 Xinjiang Institute of Ecology and Geography,CAS,Wulumuqi 83001l,China;3 Manasi River Administration Office of the Xinjiang Corps,Shihezi 832000,China)

The change in land-use would lead to that in the structure of water resource use.In order to analyze the interaction between land-use and water resource assignment,the Manasi River Basin,a typical oasis in arid areas,has been chosen as the study area.Based on TM data in 1990,2000 and 2007 in this area,the land-use change in 18 years has been analyzed through calculating the transfer matrix of landscape patches using GIS.Also,the change in water resource use and requirement structure has been analyzed based on the water resource supply and industrial structure.The results show that the cropland occupies 45.08%,the sand and saline land occupies 43.14%.Most landscapes have changed greatly f rom 1990 to 2007.The largest one is grassland whose area has reduced,and the second one is forestland.The change in land use let the water requirement increase little by little.The contradiction between supply and demanding will become more and more serious.It has an important meaning for the regional water resource assignment and industrial adjust to oasis area.

land use;landscape pattern;the Manasi River Basin;water resource

劉海隆(1974-),男,副教授,從事水文水資源及地理信息系統(tǒng)與遙感應用研究;e-mail:liu?hai?tiger@163.com。

S273.2

A

1007-7383(2010)01-0096-05

2009-10-16

國家科技支撐計劃項目(2007BAH12B03、2007BAC17B02)。