石羊河流域生態(tài)治理目標(biāo)下節(jié)水灌溉技術(shù)分區(qū)

王軍德 金彥兆 程玉菲

摘要：針對目前實施的石羊河流域綜合治理工程提出的蔡旗斷面下泄水量目標(biāo)，以石羊河流域中游涼州區(qū)為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)，選擇土壤類型、土地利用類型、坡度和高程等因子，利用生態(tài)景觀分析中的生態(tài)適宜性原理確定節(jié)水灌溉技術(shù)的適宜性分區(qū)；基于最小阻力模型，以灌區(qū)渠系為源區(qū)，利用距離函數(shù)確定節(jié)水灌溉的阻力表面特征，基于自然分類法將涼州區(qū)耕地劃分為高、中、低三種強度的節(jié)水灌溉區(qū)及常規(guī)灌溉區(qū)。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉技術(shù)；生態(tài)目標(biāo)；生態(tài)適宜性；最小累計阻力模型；空間布局；石羊河流域

中圖分類號：5274 文獻標(biāo)識碼：A 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.035

近年來，隨著我國水利事業(yè)的快速發(fā)展，節(jié)水灌溉技術(shù)得到了快速發(fā)展。據(jù)《2015年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》[1]，到2015年底，我國工程節(jié)水灌溉面積已達3106萬hm2，其中噴灌、微灌面積901.20萬hm2、低壓管灌面積891.20萬hm2。節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展一方面有效緩解了水資源供需矛盾，增加了農(nóng)業(yè)灌溉面積和農(nóng)業(yè)水資源效率，為促進地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)起到了積極作用；另一方面節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展對干旱半干旱區(qū)的綠洲內(nèi)部生態(tài)特別是人工生態(tài)產(chǎn)生了一定程度的負面影響，大量農(nóng)田路網(wǎng)的防護林因灌區(qū)渠系襯砌、降低滲漏而死亡，從而導(dǎo)致綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭受干熱風(fēng)等自然災(zāi)害的影響，出現(xiàn)作物耗水量增大甚至死亡的現(xiàn)象，綠洲內(nèi)部生態(tài)穩(wěn)定性遭到一定程度的破壞[2-5]。如何科學(xué)地結(jié)合節(jié)水灌溉技術(shù)特點在灌區(qū)內(nèi)部合理布置各項節(jié)水灌溉技術(shù)，確定節(jié)水灌溉技術(shù)布置的空間分布方式和強度，從而確保綠洲內(nèi)部生態(tài)穩(wěn)定、支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展，是節(jié)水灌溉技術(shù)空間布局需要考慮的重要內(nèi)容，也是節(jié)水灌溉技術(shù)優(yōu)化研究的熱點問題之一。

近年來，專家學(xué)者對節(jié)水灌溉技術(shù)空間布局開展了大量研究，但研究方向主要集中于綜合考慮地區(qū)水土資源和農(nóng)作物需水特征進行節(jié)水灌溉的空間優(yōu)化布局研究[6-8]，忽略了區(qū)域綠洲內(nèi)部生態(tài)穩(wěn)定問題，對節(jié)水灌溉技術(shù)的水源支撐條件未作考慮，因此有必要探索一種在強調(diào)區(qū)域農(nóng)業(yè)水源供給與生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展條件下的節(jié)水灌溉技術(shù)空間優(yōu)化方法。位于我國西北干旱內(nèi)陸區(qū)的石羊河流域從2007年開始實施重點流域治理項目，核心就是推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，從而在流域中上游減少農(nóng)業(yè)用水，實現(xiàn)流域治理中控制蔡旗斷面有充足的水資源，從而保障流域下游農(nóng)業(yè)、生態(tài)和地下水的穩(wěn)定性恢復(fù)。本研究以該流域中游的涼州區(qū)為例，以構(gòu)建生態(tài)目標(biāo)良性恢復(fù)和農(nóng)業(yè)節(jié)水優(yōu)化布局為出發(fā)點，利用生態(tài)適宜性評價原理和最小累計阻力模型進行基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉空間分區(qū)，為進一步研究節(jié)水灌溉優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域

涼州區(qū)位于甘肅省河西走廊東段，地處石羊河流域中游，總土地面積4873.85km2。涼州區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，具有太陽輻射強、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)量大、溫差大的特點。全年日照時數(shù)為2967.8h，日照百分比為67%；日均氣溫7月最高，為29℃，1月最低，為-14.9℃。多年平均降水量160mm，年蒸發(fā)能力2020mm。流經(jīng)區(qū)內(nèi)的西營河、金塔河、雜木河、黃羊河是全區(qū)的主要地表水源，多年（1993-2003年）平均地表年徑流量為6.80億m3。區(qū)內(nèi)地下水年取水量為5.25億m3，其中90%為河渠入滲量、基巖裂隙水入滲量，近l0 a來地下水年均可利用量為2.82億m3。全區(qū)地表水、地下水可利用總量多年平均為9.62億m3。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)的數(shù)字地形資料來源于USGS/NASASRTM數(shù)據(jù)，土壤和土地利用數(shù)據(jù)分別來自于中國科學(xué)院南京土壤研究所和中國科學(xué)院西部環(huán)境數(shù)據(jù)中心。研究區(qū)的灌區(qū)、水系、河渠和節(jié)水灌溉等資料來源于涼州區(qū)水務(wù)局。

2.2 研究方法

2.2.1 節(jié)水灌溉適宜性評價原理

節(jié)水灌溉適宜性是指節(jié)水灌溉技術(shù)及其應(yīng)用所依存的水源、耕地、地形等條件的適宜與否及適宜程度。這種適宜性是基于自然過程而不致引起節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展受阻，按照土地適宜性評價結(jié)果構(gòu)建的整體格局，是符合區(qū)域水資源條件、土壤條件和氣候條件的，能夠滿足技術(shù)的地區(qū)適宜性要求。

基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉空間優(yōu)化布局，其基本思路是根據(jù)干旱區(qū)流域上中下游的水力聯(lián)系及水資源與生態(tài)之間的關(guān)系，節(jié)水灌溉技術(shù)的布局應(yīng)設(shè)置不同的節(jié)水程度，從而減小節(jié)水灌溉對區(qū)域地下水和地表水轉(zhuǎn)換關(guān)系的影響，根據(jù)高程、土壤類型、坡度、土地利用類型等生態(tài)因子，確立維護節(jié)水灌溉和生態(tài)良性發(fā)展雙贏條件下的節(jié)水灌溉布局原則，利用生態(tài)適宜性原理確定節(jié)水灌溉技術(shù)的空間布局。

2.2.2 最小累計阻力模型

最小累計阻力模型是1992年由Knaapen提出的，在生態(tài)景觀規(guī)劃和布局研究中應(yīng)用廣泛，后經(jīng)俞孔堅等[9-12]的修改，可用下式表示：

MCR=fmin∑DijRi（1）

依據(jù)原公式參數(shù)定義，結(jié)合本研究目的，將式（1）中參數(shù)定義如下MCR為節(jié)水灌溉最小累計阻力值；Dij為從節(jié)水灌溉技術(shù)源地j到應(yīng)用單元i的空間距離；Ri為應(yīng)用單元i對節(jié)水灌溉技術(shù)擴張的阻力系數(shù)；∑表示節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用單元i與節(jié)水灌溉技術(shù)源地j之間穿越所有單元的距離和阻力的合計；min表示被評價的節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用張力對于不同源地取累計阻力最小值；f為單調(diào)遞增函數(shù)，表示最小累計阻力與節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用的正相關(guān)關(guān)系。

最小累計阻力值反映了節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用的潛在可能性及趨勢，通過最小累計阻力的大小可判斷應(yīng)用單元與源地的連通性和相似性。

本研究將渠道作為節(jié)水灌溉的源地，主要考慮以下兩方面：一是石羊河流域中游武威盆地和下游的民勤盆地地下水單元相對獨立，流域中下游的水力聯(lián)系主要為地表水，流域內(nèi)部灌區(qū)主要采用渠道進行水量輸送；二是渠道將地表水和地下水輸送到田間，耗費了大量的資金技術(shù)成本，更應(yīng)該采用節(jié)水灌溉技術(shù)提升水資源利用效率。因此，本研究借助最小累計阻力模型模擬基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉技術(shù)從渠道向周圍空間擴展的過程，最小累計阻力小的地區(qū)適宜開展節(jié)水灌溉，而最小累計阻力大的地區(qū)相對而言不適宜開展節(jié)水灌溉。

3 基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌概技術(shù)空間優(yōu)化

3.1 節(jié)水灌溉技術(shù)生態(tài)適宜性評價

3.1.1 評價因子分級

各種灌溉技術(shù)都有一定的適用范圍，在選擇時主要應(yīng)考慮作物、地形、土壤和水源等條件[13]。畦灌、溝灌、淹灌和漫灌等地面灌溉方法適用于地形平坦、水源充足和中等滲透性土壤的區(qū)域，而噴灌適用于復(fù)雜地形、水量較少和各種滲透性土壤區(qū)域，滲灌、滴灌和微噴灌等高效節(jié)水灌溉適用于水量缺乏、地形平坦的區(qū)域，除滲灌僅適用于弱滲透性土壤外，滴灌和微噴灌適用于各種滲透性土壤。因此，本研究選擇土地利用類型、坡度和土壤類型作為節(jié)水灌溉適宜性的評價因子?？紤]到西北干旱區(qū)獨特的水文循環(huán)特征，流域中下游的自然生態(tài)對維護人工綠洲的穩(wěn)定具有舉足輕重的作用，流域中下游區(qū)域應(yīng)采用傳統(tǒng)灌溉而非強化節(jié)水技術(shù)措施，從而維護天然生態(tài)，因此選擇高程作為評價基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉技術(shù)適應(yīng)性的重要因子。

3.1.2 適宜性評價原則、模型及過程

基于上述評價因子，以實現(xiàn)石羊河流域中游蔡旗斷面下泄水量生態(tài)目標(biāo)下節(jié)水灌溉優(yōu)化布局為基本目標(biāo)，適宜性評價的基本原則如下：①由于高海拔地區(qū)降水資源豐富，其天然生態(tài)靠降水得以維護，節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展對當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)的影響程度較小，因此設(shè)定區(qū)域內(nèi)高程越高，發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級越高；②受西北干旱區(qū)風(fēng)力較大的限制，噴灌技術(shù)的推廣較為緩慢，在坡度因子中僅考慮地面灌溉和高效節(jié)水灌溉的方式，因此設(shè)定坡度越小，其發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級越高；③受資料的限制（無研究區(qū)的種植結(jié)構(gòu)資料），本研究僅將土地利用類型作為節(jié)水灌溉發(fā)展的評價因子，耕地、林地和草地具有較高的發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級，這三類面積比重越大，優(yōu)先級越高；④土壤滲透性較大的土壤類型具有較高的發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)先級，同時灌區(qū)內(nèi)部發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級高于灌區(qū)外部。

根據(jù)篩選的節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展影響因素，構(gòu)建以高程、坡度、土地利用類型和土壤類型為因子的節(jié)水灌溉技術(shù)適宜性評價模型為

Yi=Hi（Pi+Ti+Si）（i=1，2，…，n）（2）式中：Yi為第i個評價單元的適宜性等級分值，即阻力值；Hi為第i個評價單元的高程因子優(yōu)先級；Pi、Ti、Si分別為第i個評價單元的坡度、土地利用類型、土壤類型的優(yōu)先級；n為評價單元的個數(shù)。

參考其他專家學(xué)者的評價過程[11，14]，基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉適宜性評價的基本過程如下：基于節(jié)水灌溉技術(shù)評價的基本原則，對高程、坡度、土地利用類型和土壤類型因子進行分級，確定各個因子的優(yōu)先級（見表1至表4）；利用ArcGIS空間分析功能，根據(jù)節(jié)水灌溉技術(shù)適宜性評價模型基本結(jié)構(gòu)，進行節(jié)水灌溉技術(shù)阻力表面分析，即適宜性評價分析，結(jié)果見圖1。

3.2 節(jié)水灌溉技術(shù)空間格局分區(qū)

3.2.1 確立源地

節(jié)水灌溉技術(shù)源地的確立參考生態(tài)空間源地的確立方法，西北干旱內(nèi)陸區(qū)農(nóng)田水利建設(shè)特別是渠系建設(shè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著十分重要的作用，水源條件較好的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展節(jié)水灌溉。以研究區(qū)現(xiàn)有的農(nóng)田水利工程為主要參考因素，考慮石羊河流域關(guān)井壓田工程及研究區(qū)上游均為井灌區(qū)的特點，將上游雜木灌區(qū)、黃羊灌區(qū)、金塔灌區(qū)和西營灌區(qū)內(nèi)的渠系作為節(jié)水灌溉技術(shù)空間格局生態(tài)優(yōu)化的源地。這些源地為灌區(qū)農(nóng)田提供水資源，是灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全的命脈。

3.2.2 基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉技術(shù)空間格局分區(qū)

基于確立的源地和適宜性評價中建立的阻力表面圖（圖1），利用ArcGIS10.1空間分析手段，采用最小累計阻力模型（MCR），生成研究區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)最小累計阻力表面圖（圖2）。

以最小累計阻力表面圖為基礎(chǔ)，利用ArcGIS I0.I統(tǒng)計分析工具和自然分類方法確定變化拐點，結(jié)合研究區(qū)耕地分布圖，利用空間分析功能生成基于生態(tài)目標(biāo)的耕地節(jié)水灌溉技術(shù)分區(qū)，見圖3（圖中白色區(qū)域為沙漠、戈壁、居民用地、裸巖裸土、水域等非耕地區(qū)）。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉分區(qū)僅僅從作物需水量和水土資源的優(yōu)化配置角度加以劃分，沒有考慮區(qū)域土壤、坡度和高程等因子對節(jié)水灌溉技術(shù)適應(yīng)性的影響，生態(tài)適宜性評價和最小累計阻力模型等生態(tài)學(xué)方法為解決這一問題提供了一種可能。本研究選擇石羊河流域中游的涼州區(qū)作為研究區(qū)域，基于上述生態(tài)學(xué)方法對該區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)進行分區(qū)，是對該方法的一種嘗試。

（2）在考慮石羊河流域生態(tài)目標(biāo)的前提下，將高程作為西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的生態(tài)目標(biāo)的控制因子，這是出于減弱節(jié)水灌溉技術(shù)對流域中下游地下水和地表水循環(huán)的影響角度出發(fā)的，有利于改善中下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和保持中下游人工綠洲的穩(wěn)定。通過中上游節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約中上游的地表水，從而保障下游可獲得的地表水資源量，在下游農(nóng)田灌溉和生態(tài)補水過程中補充下游地下水資源，減緩地下水位漏斗擴大的趨勢。

（3）基于生態(tài)適宜性評價和最小累計阻力模型將研究區(qū)域劃分為4個分區(qū)：高強度節(jié)水灌溉區(qū)、中強度節(jié)水灌溉區(qū)、低強度節(jié)水灌溉區(qū)和傳統(tǒng)灌溉區(qū)。對于不同強度區(qū)域節(jié)水灌溉方式的選擇及其節(jié)水定量化指標(biāo)的確定，還有待進一步分析研究。

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