新疆皮山縣綠洲需水量變化與綠洲穩(wěn)定性

艾克拜爾·買提尼牙孜, 阿里木江·卡斯木, 依克木·買買提

〔1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054;

2.日本千葉大學(xué)環(huán)境遙感中心(CEReS), 日本 千葉 263-8522; 3.皮山縣水利局, 新疆 皮山 845150〕

新疆皮山縣綠洲需水量變化與綠洲穩(wěn)定性

艾克拜爾·買提尼牙孜1,2, 阿里木江·卡斯木1, 依克木·買買提3

〔1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054;

2.日本千葉大學(xué)環(huán)境遙感中心(CEReS), 日本 千葉 263-8522; 3.皮山縣水利局, 新疆 皮山 845150〕

摘要：[目的] 探討和評(píng)價(jià)新疆地區(qū)皮山縣在水資源供需平衡狀況和水資源約束條件下的綠洲穩(wěn)定性，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策支持與科學(xué)依據(jù)。 [方法] 基于1998—2012年Landsat TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，在RS技術(shù)的支持下對(duì)皮山縣綠洲進(jìn)行了土地利用信息提取，結(jié)合水文和氣象數(shù)據(jù)(氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù))估算皮山縣綠洲15 a來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然生態(tài)系統(tǒng)綜合需水量，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。 [結(jié)果] 皮山縣綠洲渠系利用系數(shù)低，耕地灌溉定額高，耕地耗水比例大，且社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水量不斷增加。15 a間皮山縣綠洲需水量增加了2.73×108m3，現(xiàn)狀供給量存在很大的缺口。2010年缺水總量到達(dá)2.74×108m3，雖然2012年缺水有所緩解，但自然生態(tài)環(huán)境缺水量增加，占到水資源總?cè)彼康?9.75%，供需表現(xiàn)出很大的不平衡性。[結(jié)論] 從現(xiàn)有的綠洲面積看，水資源供給量存在較大的缺口，綠洲已處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：皮山縣綠洲; 水資源; 生態(tài)需水量; 遙感

干旱區(qū)綠洲由于遠(yuǎn)離海洋和四周高山環(huán)繞阻隔，氣候干旱，水資源短缺，綠洲面積的大小取決于水量的多少，因而水資源已經(jīng)成為該區(qū)環(huán)境與發(fā)展最大的制約因子。隨著人口的增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)規(guī)模與強(qiáng)度的加大，水資源供需矛盾日益突出，社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水又?jǐn)D占生態(tài)環(huán)境用水，導(dǎo)致水資源分配嚴(yán)重失衡，引發(fā)了眾多的生態(tài)環(huán)境問題，如天然植被退化、土地荒漠化加劇等[1]。近年來，隨著皮山縣土地沙化和風(fēng)沙災(zāi)害的威脅日益加重，人地矛盾突出，如何保證該地區(qū)短缺的水資源和耕地資源的可持續(xù)利用是迫切需要解決的問題。準(zhǔn)確掌握該區(qū)域水資源的特點(diǎn)、用水結(jié)構(gòu)和綠洲需水量的變化狀況對(duì)做好該區(qū)域的沙漠化防治和沙漠化土地的有效治理，從根本上減輕風(fēng)沙災(zāi)害的威脅，改善生態(tài)環(huán)境等工作具有重要意義。在遙感技術(shù)(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的支持下，將遙感數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，分別從概念、方法、功能、空間特征及影響因素等方面分析較大區(qū)域綠洲生態(tài)環(huán)境變化，查明生態(tài)系統(tǒng)的水分需求是目前最為活躍的研究途徑[2-8]。本研究采用皮山縣1998—2012年不同時(shí)期遙感影像，分析該縣綠洲近15 a來的綠洲土地利用變化狀況，對(duì)綠洲生態(tài)需水量進(jìn)行定量計(jì)算和定性分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)水資源供需平衡狀況和水資源約束條件下的綠洲穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為該區(qū)域土地合理開發(fā)及可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策支持與科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

皮山縣位于塔克拉瑪干大沙漠南緣，喀喇昆侖山北麓。地處東經(jīng)77°31′—79°38′，北緯35°22′—39°1′?？h境南北長(zhǎng)423 km，東西寬144.5 km，總面積為4.14×104km2。皮山縣境內(nèi)地勢(shì)西南高，東北低，南部為冰山雪嶺，中部為高山和山前河谷，北部為平原及戈壁沙漠，屬暖溫帶極干旱氣候區(qū)。年平均氣溫11.9 ℃，極端最高氣溫41.0 ℃，極端最低氣溫-22.9 ℃，年平均降水量48.2 mm，蒸發(fā)量達(dá)到2 493.4 mm，是降水量的60倍，年平均沙塵暴日數(shù)30.4 d。該縣土壤共分13個(gè)土類，主要包括灌淤土、潮土、風(fēng)沙土、棕漠土、草甸土、鹽土等。優(yōu)勢(shì)土類是灌淤土，主要土種是淡黃沙土，也是皮山縣分布最廣的農(nóng)業(yè)土壤，占該縣耕地面積的70%以上。皮山縣境內(nèi)有山溪性中小河流5條，由西向東依次是闊什塔克河、蘇勒尕牧河、桑珠河、坡斯喀河、杜瓦河。5條河均發(fā)源于喀喇昆侖山的冰川雪源，靠雪水融化補(bǔ)給，年均流量為7.5×108m3, 全縣地下水年平均補(bǔ)給量為2.5×108m3，可開采量為1.6×108m3，水資源開發(fā)利用率100%時(shí)的可利用水資源總量為9.1×108m3。皮山縣有大小型水庫10座，其中雅普泉水庫和桑株水庫在供應(yīng)農(nóng)業(yè)用水方面起著極為重要的作用。

2研究方法

2.1　數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

考慮到遙感影像的可得性以及數(shù)據(jù)的清晰度，所采集的遙感數(shù)據(jù)為1998—2012年時(shí)間序列的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat-5 TM，Landsat-7 ETM+影像。Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)盡量選擇在8—9月份，該時(shí)間條件下皮山縣綠洲以少云晴朗天氣為主，影像易于獲取且云量低于10%的比例較高。根據(jù)研究?jī)?nèi)容及數(shù)據(jù)的可得性,所收集的地理數(shù)據(jù)主要有：覆蓋研究區(qū)范圍的1∶10萬行政區(qū)劃圖、地形圖及相關(guān)矢量化數(shù)據(jù)、皮山縣氣象局提供的1998—2012年研究區(qū)氣象資料(氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù))和皮山縣水利局提供的水文資料、野外考察資料等。

由于2003年5月31日，Landsat-7 ETM+機(jī)載掃描行校正器(scan lines corrector, SLC)突然發(fā)生故障，導(dǎo)致獲取的圖像出現(xiàn)大約25%的數(shù)據(jù)丟失(稱之為縫隙數(shù)據(jù))。對(duì)于已經(jīng)丟失的數(shù)據(jù)，沒有可能找回實(shí)際數(shù)據(jù)，因此，只能利用縫隙填充的方式進(jìn)行差值，盡量彌補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)部分，并且使相對(duì)完好的70%~80%數(shù)據(jù)可用[9-10]。在遙感圖像處理軟件ENVI 4.5的支持下，對(duì)2010年的Landsat TM影像圖做輻射糾正和幾何校正，其他Landsat TM/ETM+影像均以校正好的2010年Landsat TM影像為基準(zhǔn)進(jìn)行影像間的配準(zhǔn)和對(duì)比校正，精度控制在0.3個(gè)像元內(nèi)。參考影像(需要修復(fù)的Landsat-7 ETM+影像)和沒有縫隙的TM或2003年5月31日之前獲取的ETM+影像必須完全匹配的條件下通過美國Terrainmap Earth Imaging LLC開發(fā)的遙感影像處理軟件Pancroma軟件平臺(tái)，運(yùn)用Hayes方法，從沒有縫隙的TM影像或2003年5月31日之前獲取的ETM+影像中提取對(duì)應(yīng)象元值來填充Landsat-7 ETM+SLC-off圖像中對(duì)應(yīng)位置丟失的數(shù)據(jù)，對(duì)2003年以后的Landsat-7 ETM+圖像進(jìn)行縫隙恢復(fù)工作，并進(jìn)行平移銳化處理。最后根據(jù)主要研究?jī)?nèi)容從拼接圖中切割出研究區(qū)水資源分布比較集中的區(qū)域。

2.2　綠洲土地利用信息提取

皮山縣綠洲土地利用信息提取，在所收集的地理數(shù)據(jù)和野外實(shí)地觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，利用Envi 4.7圖像處理軟件，分析遙感圖像上的地物信息光譜特征，采用Isodata算法獲取地物先驗(yàn)知識(shí)、選取訓(xùn)練樣本，然后使用監(jiān)督分類最大似然法進(jìn)行分類。最后參考Google earth軟件大比例尺截圖，結(jié)合目視解譯進(jìn)行修改，得到研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)分布圖。共分為7類：建設(shè)用地、草地、耕地、林地、湖泊沼澤、河流和裸地。為了客觀地評(píng)價(jià)其精確程度，對(duì)每一個(gè)分類好的結(jié)果均選擇200個(gè)訓(xùn)練樣本點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，解譯的精度比較理想，解譯出來的圖像清晰，能夠滿足該區(qū)域土地利用變化評(píng)價(jià)的要求。

2.3　綠洲需水量計(jì)算

2.3.1綠洲需水分類皮山縣綠洲依據(jù)地帶性劃分，表現(xiàn)為山區(qū)—平原—荒漠的典型內(nèi)陸河流域結(jié)構(gòu)。由于在流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的主體是綠洲，因此可以認(rèn)為干旱區(qū)內(nèi)陸流域生態(tài)需水量，應(yīng)指流域內(nèi)一定時(shí)期內(nèi)存在的天然綠洲生態(tài)體系以及人工綠洲內(nèi)防護(hù)植被體系等維持其正常生存與繁衍所需要的水量[11]。計(jì)算綠洲需水量，實(shí)質(zhì)上就是要計(jì)算生態(tài)保護(hù)區(qū)維持生物群落穩(wěn)定和在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中維持人工綠洲所需要的需水量。綠洲需水一般包括生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)灌溉需水以及自然生態(tài)系統(tǒng)需水等。人工綠洲系統(tǒng)由農(nóng)田和農(nóng)田防護(hù)林體系組成；自然生態(tài)系統(tǒng)則由天然綠洲系統(tǒng)、荒漠植被生態(tài)以及河湖生態(tài)等組成。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境體系生態(tài)需水劃分為水庫沼澤生態(tài)需水、河道最小生態(tài)需水、天然草地生態(tài)需水共3類進(jìn)行生態(tài)需水量估算。人畜需水、城鎮(zhèn)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉需水統(tǒng)稱為社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水。

2.3.2綠洲自然生態(tài)系統(tǒng)需水量計(jì)算自然生態(tài)系統(tǒng)是在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，依靠自然調(diào)節(jié)能力維持的相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。干旱區(qū)綠洲是人工灌溉系統(tǒng)和自然灌溉系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，為了維持綠洲的穩(wěn)定性，需要一定的耗水量和耗水水平。計(jì)算自然生態(tài)系統(tǒng)需水量，主要根據(jù)水量平衡原理進(jìn)行計(jì)算。

(1) 水庫沼澤生態(tài)需水量。皮山縣境內(nèi)的10座平原小型水庫主要功能是灌溉和調(diào)蓄洪水冬閑水。因此生態(tài)需水按照水域面積上地蒸發(fā)量來計(jì)算。

Q=(E-P)A

(1)

式中：Q——水庫沼澤生態(tài)需水量 (m3)；E——水面蒸發(fā)量 (mm) 。由于皮山縣沼澤地面積非常有限，在這植物蒸騰忽略不計(jì)；P——研究時(shí)段內(nèi)的年平均降水量 (mm) ；A——研究時(shí)段內(nèi)的水庫沼澤地平均面積 (km2) 。

(2) 河道最小生態(tài)需水量。河道最小生態(tài)需水量是保障河流生態(tài)系統(tǒng)遭受損害后可恢復(fù)的下限。Tennant法也稱Montana法，是非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，它是建立在歷史流量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，通?？捎糜诙ㄐ栽u(píng)價(jià)其他方法的計(jì)算結(jié)果。Tennant 法要求以受人類干擾較小時(shí)期10 a以上的歷史流量。根據(jù)Tennant 法，將皮山縣水利局實(shí)測(cè)的境內(nèi)中小5條河流15 a平均流量的10%作為河道最小生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算[12-14]：

Qm=10%×Qa

(2)

式中：Qm——河道最小需水量 (m3)；Qa——河道多年平均流量(m3) 。

(3) 天然草地生態(tài)需水量。皮山縣天然草地生態(tài)系統(tǒng)，可分為淺山區(qū)干草原、河泛地及水庫灘灌叢低濕草甸、鹽化灌叢、雜類草草地等。天然草地主要分布在綠洲—荒漠過渡帶，皮山綠洲年降水量極少，不能滿足植物正常生長(zhǎng)需水，無論是天然綠洲還是人工綠洲，其植被生長(zhǎng)都依靠灌溉或地下水維持。當(dāng)有作物覆蓋時(shí)，某地下水埋深條件下的潛水蒸發(fā)量與作物覆蓋面積的乘積就是該植被生態(tài)需水量[15]，潛水蒸發(fā)是在熱力作用下水分從潛水面上升到土壤表面進(jìn)入大氣的過程，一般來講，當(dāng)?shù)叵滤淮笥? m時(shí)，潛水蒸發(fā)量非常有限，可忽略不計(jì)?？紤]到干旱平原區(qū)天然與大部分人工植被的類型眾多，潛水埋深不同生存與繁衍主要依賴于消耗地下水，采用阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算：

(3)

式中：W植被——天然植被生態(tài)需水量(104m3)； A——天然植被研究時(shí)段內(nèi)的平均面積(m2)； H——潛水埋深(m); Hmax——潛水蒸發(fā)極限埋深(m)，通過進(jìn)行實(shí)地考察，本研究H值采用不同草地類型潛水埋深的平均值2.5m； Hmax值采用5m； E601——當(dāng)?shù)啬昃嬲舭l(fā)量(mm)(E601型蒸發(fā)皿實(shí)測(cè))；a，b——與植被、土質(zhì)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)通過分析合理選用。皮山縣草地土質(zhì)以砂壤土為主，根據(jù)張凱等[16]在計(jì)算民勤綠洲生態(tài)需水時(shí)提供的不同埋深時(shí)植物對(duì)潛水的影響系數(shù)和毛曉敏等人[17]對(duì)葉爾羌河流域裸地潛水蒸發(fā)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，本研究a和b值分別采用1.45，3.10。

2.3.3綠洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量的計(jì)算綠洲水資源配置的框架是合理配置其社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)的耗水量，合理配置其社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各用水單位和用水部門耗水量。分析歷年社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水狀況，以及《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50331—2002)》和《農(nóng)村生活飲用水量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB11730—89)》的相關(guān)規(guī)定[18]，結(jié)合皮山縣水利局的相關(guān)資料，確定皮山縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水定額。

(1) 農(nóng)田防護(hù)林和耕地的需水根據(jù)最小灌溉量(灌溉定額)和灌溉面積進(jìn)行計(jì)算[19]。

M=mA

(4)

式中：M——灌溉地需水量 (104m3)；m——最小灌溉量 (104m3/hm2)；A——灌溉面積(hm2)。皮山綠洲耕地和農(nóng)業(yè)防護(hù)林的規(guī)劃灌溉定額分別為1.13×104m3/hm2， 8.70×103m3/hm2。

(2) 城鄉(xiāng)生活需水包括：城鎮(zhèn)人口需水、農(nóng)村人口需水和牲畜需水，用水定額分別為60 L/(人·d)，40 L/(人·d) ，6.5 L/(頭·d)；根據(jù)人口、牲畜數(shù)量與用水定額進(jìn)行計(jì)算。

(3) 工業(yè)需水根據(jù)工業(yè)毛用水定額和工業(yè)產(chǎn)值進(jìn)行計(jì)算，工業(yè)毛用水定額為48 m3/104元。

3結(jié)果與分析

3.1　土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

土地利用的變化是綠洲與荒漠的變化關(guān)系。根據(jù)1998—2012年時(shí)間序列的遙感影像解譯結(jié)果分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，從遙感影像切割出的研究區(qū)總面積為1.65×104km2。皮山縣是干旱區(qū)受沙漠化危害最為嚴(yán)重的沙漠化防治重點(diǎn)區(qū)域之一。由于其獨(dú)特的自然地理環(huán)境，人口都集中在有限的綠洲內(nèi)部，其他均為沙漠、戈壁以及山區(qū)。沙漠面積占該縣土地總面積的40.08%，整個(gè)綠洲被沙漠、戈壁分割成互不相聯(lián)的53塊小綠洲，脆弱的生態(tài)環(huán)境是皮山縣綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)之一[20]。從表1可以看出，研究區(qū)主要土地利用類型中，1998—2012年裸地面積占93.4%～96.2%，綠洲面積僅占3.8%～6.6%，其中耕地面積變化最為顯著，且隨時(shí)間的變化呈增加趨勢(shì)，15 a間面積增加了198.08 km2，占到綠洲總面積的51.5%～59.6%，除了耕地之外林地面積和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積也隨時(shí)間的變化呈增加趨勢(shì)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積由1998年的4.19 km2增加到2012年的12.16 km2，增長(zhǎng)了3倍，但所占比例始終很低，僅占到研究區(qū)綠洲面積的1%。林地面積由1998年的91.14 km2上升至2012年的145.78 km2，15 a間增加面積達(dá)54.64 km2。水域的面積變化相對(duì)較小，水域面積受人為因素和自然氣象條件的制約，一直處于波動(dòng)狀態(tài)，面積的增加主要是修建水庫以及建設(shè)水渠引起的。草地面積的變化具有明顯的階段性，草地面積變化幅度最大，最高和最低值分別為2010年的375.99 km2，2006年的100.45 km2，其主要原因是2006年平均氣溫出現(xiàn)極端最高值，降水量少從而使荒漠、半荒漠草地大面積枯死；2010年是高峰值是因?yàn)榻邓砍霈F(xiàn)極端最高值，平均氣溫較低，這種自然條件中對(duì)氣象因素變化極度敏感的草地得到了較好的生長(zhǎng)環(huán)境。

表1　皮山綠洲1998-2012年土地利用結(jié)構(gòu)面積變化　km2

3.2　綠洲需水量變化分析

利用上述方法計(jì)算出皮山縣綠洲1998—2012年各耗水結(jié)構(gòu)需水量(表2—3)，可以看出15 a間皮山縣綠洲需水量增加了2.73×108m3，與土地利用類型變化趨勢(shì)一致。流域綠洲耗水結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出以下總體特征：在綠洲總需水量中社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量約占71.03%～79.45%，其中灌溉地需水量約占70.33%～78.76%，生活與工業(yè)需水量約占0.64%～0.69%；在綠洲總需水量中自然生態(tài)系統(tǒng)中的水域生態(tài)需水量約占12.2%～17.21%，天然草地生態(tài)需水量約占8.35%～11.77%；社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量不斷增加造成自然生態(tài)需水量在綠洲總需水量中占的比例逐年減少。皮山縣經(jīng)濟(jì)以灌溉農(nóng)業(yè)為典型特點(diǎn)的綠洲農(nóng)業(yè)為主體，農(nóng)業(yè)耗水量占比重較大，而綠洲內(nèi)工業(yè)和人畜耗水量占綠洲總耗水量比率不到1%。值得關(guān)注的是整個(gè)研究時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量不斷增加，綠洲總需水量也隨之增加，自然生態(tài)需水量在綠洲總需水量中占的比例減少。隨著流域綠洲經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相應(yīng)的用水和耗水量不斷增加，自然生態(tài)的可用水量不斷減少，在綠洲中社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)咋在需水方面的對(duì)立和水資源的供需不平衡日益突出，這對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來很大的壓力。

表2　皮山綠洲自然生態(tài)系統(tǒng)各組分需水量　104 m3

表3　皮山綠洲1998-2012年社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各組分需水量變化　104 m3

3.3　綠洲水資源供需平衡分析

干旱區(qū)綠洲水資源的供需平衡是保護(hù)綠洲生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也是人民生存環(huán)境的保障，尤其對(duì)作為干旱區(qū)受沙漠化危害最為嚴(yán)重的沙漠化防治重點(diǎn)區(qū)域來說水資源短缺已成為制約其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸。

根據(jù)皮山縣水利局2010和2012年的供水資料和各耗水結(jié)構(gòu)需水量的計(jì)算結(jié)果對(duì)皮山縣綠洲水資源供需平衡進(jìn)行評(píng)價(jià)(表4)。由表4可知，保證綠洲農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境健康運(yùn)轉(zhuǎn)的需水量相比現(xiàn)狀綠洲水資源供給量存在較大缺口，供需表現(xiàn)出極大的不平衡性。除了工業(yè)需水量基本上得到滿足之外，其他3項(xiàng)在2010和2012年的缺水量就分別高達(dá)2.74×108m3和2.31×108m3。整個(gè)綠洲而言自然生態(tài)環(huán)境缺水比例最高2010和2012年分別占總?cè)彼康?0.00%和59.75%，其次是農(nóng)業(yè)缺水分別為49.10%和39.46%，生活缺水所占比例最低分別為0.96%和0.76%。與2010年相比2012年總?cè)彼繙p少了0.43×108m3，其中農(nóng)業(yè)用水得到一定的緩解，缺水量減少了4.30×107m3，生態(tài)環(huán)境缺水量增加了1.30×107m3，這說明自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間在用水方面出現(xiàn)更加激烈地競(jìng)爭(zhēng)，生態(tài)環(huán)境惡化更加嚴(yán)重。目前皮山縣綠洲水資源利用已出現(xiàn)過度開發(fā)和綠洲生態(tài)衰退的情況，2012年皮山縣農(nóng)田灌溉用水占總用水量的91.56%以上，而工業(yè)和生態(tài)用水則明顯不足，僅以不到8%的水資源推進(jìn)工業(yè)化與城市化進(jìn)程，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在供水量不可能大幅增加的情況下，工業(yè)和城鄉(xiāng)生活所需水量只能通過減少農(nóng)業(yè)用水來獲取，而農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)需水來滿足需水量。

表4　皮山縣綠洲現(xiàn)狀水資源供需平衡

3.4　水資源的脆弱性分析

3.4.1氣候異常,水資源短缺皮山縣綠洲水資源的問題主要表現(xiàn)為水資源的空間分布不均，自然降水十分稀少，全年降水量的80%以上集中于5—8月高溫時(shí)期、10月至翌年1月最少、季節(jié)性明顯、年際變化大。皮山縣年平均降水量為48.2 mm，蒸發(fā)量達(dá)到2 493.4 mm，年平均沙塵暴日數(shù)30.4 d。由于極端干旱的氣候，風(fēng)沙大，日照強(qiáng)烈，綠洲邊緣土地的干旱缺水，植被分散而且稀疏，地表覆蓋率很低。該縣地下水年平均補(bǔ)給量為2.5×108m3，可開采量為1.6×108m3，境內(nèi)5條小河流近15 a地表水平均徑流量為7.39×108m3，利用率70%時(shí)，可利用地表水資源量約為5.17×108m3，可利用水資源總量約為6.77×108m3。但這些水不能僅用于流域綠洲的建設(shè)和發(fā)展，必須留出部分用于維持綠洲外圍的過渡帶和流域下游的荒漠生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。隨著人口的不斷增加，不斷墾荒，對(duì)水資源的需求量增加，水資源日漸不能滿足所需。源源不斷的沙物質(zhì)來源，以及水資源利用不能保證對(duì)綠洲邊緣供水，能源短缺所帶來的荒漠化、對(duì)天然植被(薪材)的持久掠奪使過渡帶喪失、沙丘復(fù)活、沙地風(fēng)蝕。流沙形成和移動(dòng)等的影響，造成在皮山綠洲邊緣地帶耕地受到沙漠侵害，耕地質(zhì)量下降。

3.4.2水利建設(shè)相對(duì)滯后，農(nóng)藝措施弱皮山縣氣候干旱缺水，降雨主要集中在7—8月份，水源和灌區(qū)距離較長(zhǎng)等因素，直接影響著對(duì)該縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供水工作。皮山縣灌溉方式主要為傳統(tǒng)的地面灌溉，供水設(shè)施陳舊老化，蒸發(fā)量和下滲量較高，水資源的利用率低。皮山縣有中小型水庫10座，由于水庫建設(shè)的規(guī)劃不合理，迫使周圍地域的地下水位升高，土壤鹽漬化日益嚴(yán)重，對(duì)綠洲未來的發(fā)展帶來一定的影響。

3.5　水資源約束條件下的綠洲穩(wěn)定性分析

根據(jù)水量平衡原理計(jì)算可得出，現(xiàn)狀下的綠洲區(qū)可利用水資源總量約為8.99×108m3，其中境內(nèi)5條小河流近15 a地表水平均徑流量為7.39×108m3，地下水可開采量為1.6×108m3，以此為基礎(chǔ)可進(jìn)行水資源約束條件下的綠洲穩(wěn)定性分析。由于人類活動(dòng)對(duì)綠洲穩(wěn)定性的影響主要是通過改變綠洲土地利用結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的，因此水資源可承載的綠洲面積應(yīng)以綠洲耗水大戶農(nóng)業(yè)灌溉面積數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)較為合適。2012年皮山縣5條小河流域耕地需水量在綠洲總需水量中約占65.27%，林地約占13.49%，其他耗水結(jié)構(gòu)需水量為21.24×108m3。水資源可承載的綠洲面積約為734.43 km2，其中可承載的灌溉地面積約為512.33 km2，耕地面積約為403.91 km2。皮山縣綠洲現(xiàn)狀灌溉面積約為911.02 km2，比水資源可承載量多出176.59 km2，差值占綠洲現(xiàn)狀灌溉面積的24.04%，這些是沒有考慮水面蒸發(fā)等損耗水量條件下的估算結(jié)果。從現(xiàn)有的綠洲面積看，水資源供給量存在較大的缺口，綠洲已處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。雖然地下水資源豐富，但在利用率低、耕地用水比例大、灌溉定額高、社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水量不斷增加的情況下很難維持綠洲農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4結(jié)論與討論

(1) 1998—2012年皮山縣綠洲需水量增加了2.73×108m3，現(xiàn)狀供給量存在很大的缺口。2010年缺水總量到達(dá)2.74×108m3，雖然2012年缺水有所緩解，但自然生態(tài)環(huán)境缺水量增加，占到水資源總?cè)彼康?9.75%，供需表現(xiàn)出很大的不平衡性。對(duì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)的皮山縣綠洲來說優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)，擴(kuò)大高效節(jié)水灌溉面積是減輕水資源承載壓力的最優(yōu)途徑。

(2) 在對(duì)水資源的競(jìng)爭(zhēng)中，相比于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，自然生態(tài)系統(tǒng)處于弱勢(shì)地位。因而，對(duì)于經(jīng)濟(jì)落后、受沙漠化危害嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境極其脆弱的皮山縣綠洲來說，保持其生態(tài)環(huán)境安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系十分重要。如果自然生態(tài)系統(tǒng)需水量長(zhǎng)期得不到滿足，生態(tài)與環(huán)境的惡化是不可避免的。

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Change of Water Demand and Stability of Pishan Oasis in Xinjiang Region

Aikebaier·Maitiniyazi1,2, Alimujiang·Kasimu1, Yikemu·Maimaiti3

〔1.InstituteofGeographicSciences,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054,China; 2.CenterforEnvironmentalRemoteSensing(CEReS),ChibaUniversity,Chiba263-8522,Japan; 3.PishanCountyWaterConservancyBureau,Pishan,Xinjiang845150,China〕

Abstract：[Objective] Oasis stability in Pishan County of Xinjiang Wei Autonomous Region was evaluated in terms of the balance between supply and demand of water resources under the condition of water resource constraint in order to provide scientific basis for the protection of local ecological environment and associated decision making in this region. [Methods] Data of land use types in Pishan oasis from 1998 to 2012 were elicited from Landsat TM/ETM+remote sensing images and other basic geographic data based on RS technology. Combined with the hydrological and meteorological data(temperature, precipitation data), comprehensive water demand of social economy and natural ecological system in Pishan oasis were estimated. Upon these, the balance between supply and demand of water resources and oasis stability were preliminary discussed. [Results] The canal system utilization coefficient of Pishan oasis was estimated at low level, farmland irrigation quota and arable land water consumption proportion were high, also the social and economic water consumption were increasing. The water demand had increased 2.73×108m3in recent 15 years, and there were big insufficiency on the supply of status quo. The total water deficit reached 2.74×108m3in 2010. In 2012, it was eased, but the yearly water deficits of natural ecological environment were at an overall increasing tendency. Deficit of natural environment accounted for 59.75% of the total water deficit, and it had great imbalance between supply and demand. [Conclusion] According to the present oasis area, a big gap in supply of water resources existed, the oasis was in an unstable state.

Keywords:Pishan oasis; water resource; ecological water demand; remote sensing

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0329-06

中圖分類號(hào)：TV213， Q148

通信作者：阿里木江·卡斯木(1976—),男(維吾爾族),新疆自治區(qū)克拉瑪依市人,博士,教授,主要從事環(huán)境遙感方面的研究。E-mail:alimkasim@gmail.com。

收稿日期：2014-06-13修回日期：2014-07-03

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“環(huán)塔里木盆地城市用地空間擴(kuò)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及模擬研究”(41361043); 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(NSFC-聯(lián)合項(xiàng)目)(U1138302); 新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(XJDX0909-2010-01); 教育部回國人員科研啟動(dòng)項(xiàng)目; 新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程優(yōu)秀青年科技人才項(xiàng)目

第一作者：艾克拜爾·買提尼牙孜(1988—),男(維吾爾族),新疆自治區(qū)皮山縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境遙感。E-mail:akbar120311@gmail.com。