基于地表徑流量預測的瑪納斯河流域綠洲適宜規(guī)模計算

薛聯(lián)青，倪 濤，劉遠洪，廖淑敏

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.皖江工學院水利工程學院，安徽 馬鞍山 243000)

新疆綠洲既是生態(tài)敏感和環(huán)境退化區(qū)，又是社會經濟發(fā)展的核心區(qū)[1]，同時瑪納斯河流域綠洲作為新疆綠洲區(qū)的重要組成部分，它位于天山北坡經濟帶的中心，是新疆生產力高度集中、經濟基礎最雄厚的地區(qū)[2]，流域的經濟發(fā)展對環(huán)境和資源的壓力不斷加重[3]，為了瑪納斯河流域的穩(wěn)定、持續(xù)及健康的發(fā)展，必須保證綠洲的發(fā)展不能超過其適宜規(guī)模。

針對綠洲適宜規(guī)模的研究，國外學者涉足較少。國內的發(fā)展歷程可追溯到20世紀80年代末期，陳昌煜等[4]根據(jù)年實際水資源量以及綠洲和耕地的需水量指標，確定了基本能保持各縣市自然生態(tài)平衡的適宜綠洲和耕地面積。到了20世紀90年代中期，李小明等[5]提出了“適度綠洲”的定義，建立了塔南綠洲生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的數(shù)學模型。進入21世紀后，王忠靜等[6]率先提出將水熱平衡理論應用于綠洲穩(wěn)定性分析中，利用水熱平衡理論計算綠洲適宜面積以及綠洲適宜耕地面積，用以指導綠洲的合理規(guī)劃；之后，Hao等[7]、凌紅波等[8]、鄧寶山等[9]、曹志超等[10]和胡順軍等[11]分別利用該理論對黑河干流中游地區(qū)、新疆克里亞河流域、吐魯番地區(qū)、塔里木河下游地區(qū)及渭干河平原地區(qū)做了穩(wěn)定性評價，結果表明，目前國內的綠洲現(xiàn)狀規(guī)模總體大于綠洲適宜規(guī)模，因此綠洲的穩(wěn)定性正遭受威脅。近幾年有學者開始對瑪納斯河流域進行了適宜規(guī)模評價，結果均表明瑪納斯河流域實際規(guī)模遠大于綠洲適宜規(guī)模[12-13]。

上述研究偏重于綠洲在現(xiàn)狀條件下的適宜規(guī)模，研究成果雖然可以展現(xiàn)綠洲當前穩(wěn)定狀態(tài)，但對于未來綠洲如何發(fā)展卻無法提供指導。當前“以水定地”正逐漸成為學者們研究綠洲適宜規(guī)模的核心思想，瑪納斯河流域作為干旱內陸河流域，其可利用水資源量90%以上來自地表徑流，地表徑流的變化基本決定了未來綠洲適宜規(guī)模的變化趨勢，因此本文基于地表徑流量的預測建立了未來綠洲適宜規(guī)模模型，以期為瑪納斯河流域未來的發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓、準噶爾盆地南緣，行政區(qū)域包括石河子市、沙灣縣和瑪納斯縣，以及分布在兩縣境內的新疆生產建設兵團農八師和農六師的農牧團場[14]，流域地理位置位于43°05′N～45°59′N、84°42′E～86°40′E，流域總面積為3.41萬km2，屬于典型的西北干旱區(qū)內陸河流域類型(圖1)。流域遠離海洋、氣候干燥，既有中溫帶大陸性干旱氣候特征，又有垂直氣候特征，屬于典型的大陸性氣候。流域冬冷夏熱，日溫差較大，光照充足，熱量豐富，雨量稀少，蒸發(fā)量大[15]?，敿{斯河流域綠洲開發(fā)歷史悠久，但規(guī)模一直較小，1900年之前開發(fā)規(guī)模僅為25萬hm2[16]。近年來隨著干旱區(qū)節(jié)水灌溉技術的大面積推廣，有效地推動了綠洲化進程，使綠洲規(guī)模不斷擴大[17]，截至2018年，瑪納斯河流域綠洲現(xiàn)狀規(guī)模達到14 548 km2。

圖1 瑪納斯河流域概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1900年、2000年、2018年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)；徑流數(shù)據(jù)來源于瑪納斯河流域出山口水文站，包括肯斯瓦特、八家戶和洪山嘴站，序列長度為1967—2018年；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，氣象站點包括沙灣和瑪納斯站，序列長度為1967—2018年；社會經濟數(shù)據(jù)來源于國家數(shù)據(jù)網(wǎng)、《新疆生產建設兵團統(tǒng)計年鑒》《新疆統(tǒng)計年鑒》以及《水資源公報》，主要包括人口數(shù)據(jù)、工業(yè)GDP數(shù)據(jù)和牲畜數(shù)量數(shù)據(jù)；用水定額數(shù)據(jù)來源于全國節(jié)約用水辦公室官方網(wǎng)站新疆維吾爾自治區(qū)定額標準，包括工業(yè)用水定額、居民用水定額以及牲畜養(yǎng)殖用水定額。

2.2 綠洲分類

根據(jù)綠洲的形成機理[18]，將瑪納斯河流域劃分為天然綠洲和人工綠洲。采用中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心的遙感數(shù)據(jù)，并根據(jù)流域土地利用實際情況對土地利用柵格數(shù)據(jù)進行重新分類，將天然綠洲劃分為林地(有林地、灌木林、疏林地)、草地(低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地)和水域(河流、湖泊、灘地)3類；人工綠洲劃分為耕地(水田、旱地)、林地(采伐跡地、各類園林、未成林造林地)、建筑用地(城鎮(zhèn)用地、農村居民點用地、其他建設用地)和水域(水庫、坑塘)4類。

2.3 地表徑流量預測模型的建立

瑪納斯河流域的地表徑流主要源于降水和冰山融雪，其量的大小受水文氣象要素影響顯著[19-20]，不同季節(jié)影響的程度也不一樣，可見地表徑流與這些要素之間無法用線性關系擬合，而神經網(wǎng)絡模型對變量與因變量之間的非線性關系擬合效果非常好，因此本文采用多層神經網(wǎng)絡(multi-layer perceptron， MLP)模型對未來瑪納斯河流域地表徑流量進行預測。

MLP共有3層結構，分別是輸入層、隱含層和輸出層。輸入層的節(jié)點個數(shù)為輸入變量的個數(shù)，通過對瑪納斯河流域地表徑流與水文氣象要素之間進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)流域蒸發(fā)量、降水量和氣溫三要素與地表徑流量呈極顯著相關關系(P<0.01)，日照時數(shù)和濕度與地表徑流量呈顯著相關關系(P<0.05)，因此將這5個要素作為本次模型的輸入變量；輸出層的節(jié)點個數(shù)為輸出變量的個數(shù)，本研究只需預測地表徑流量，因此輸出變量只有一個，MLP的數(shù)學表達式[21]為

(1)

式中：xi為輸入層;zj為隱含層；ym為輸出層；wij為輸入層第i個神經元與隱含層第j個神經元之間的連接權；wjm為隱含層第j個神經元與輸出層第m個神經元之間的連接權；f1為隱藏層的激活函數(shù)，本研究選用雙曲正切函數(shù)；f2為輸出層的激活函數(shù)，本研究選取恒等函數(shù)；θj、γm均為閾值。

選擇1967—2018年的水文氣象要素(包括流域的蒸發(fā)量、降水量、氣溫、日照時數(shù)和濕度)作為該模型的輸入變量，將地表徑流量作為輸出變量，利用隨機數(shù)1和0分配模擬與驗證數(shù)據(jù)，其中1代表模擬數(shù)據(jù)，占比70%；0代表驗證數(shù)據(jù)，占比30%。所有參數(shù)設置完成后，模型的模擬效果如圖2所示。

圖2 地表徑流量預測殘差分析

(a) 降水量

經過對所有輸入數(shù)據(jù)的訓練，結果顯示模型模擬過程中的相對誤差為11%，驗證誤差僅為6.8%，均在GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》許可的誤差20%內，結合圖2發(fā)現(xiàn)模型的預測殘差值90%以上都位于±0.5之間，這些結果均表明該預測模型效果較好，模擬結果可信，可以作為流域地表徑流量的預測模型。

2.4 瑪納斯河流域水文氣象要素預測

未來的綠洲適宜規(guī)模需要水文氣象要素作為輸入變量，因此對瑪納斯河流域未來水文氣象要素的變化趨勢研究也必不可少。流域水文氣象要素通常都具有隨時間變化的趨勢性和周期性[22]，因此本文采用小波分析和回歸分析法對瑪納斯河流域各氣象要素進行模擬預測。如圖3所示，降水量、蒸發(fā)量、氣溫、日照時數(shù)和濕度擬合出的相對誤差分別為13%、5.3%、6.9%、2.5%和1.8%，模擬精度全部都達到了85%以上，大多數(shù)變量的模擬精度都達到了90%以上，模擬結果可信。

2.5 綠洲適宜規(guī)模計算

基于生態(tài)學中的水熱平衡原理，建立綠洲適宜規(guī)模計算模型[6]：

(2)

W=W總-W生態(tài)

(3)

W總=W地表+W不重復

(4)

式中：A為流域綠洲適宜面積，km2；W為綠洲水資源可利用量，億m3；W′為綠洲年內工業(yè)及人畜用水量，億m3，參考文獻[13]和[17]的方法計算，因其對綠洲植被生長無貢獻，計算中將其扣除；ET0為按彭曼公式計算的參考作物蒸散發(fā)量，mm，本文利用FAO發(fā)布的ET0計算器計算得到；P為綠洲年內降水量，mm，可通過氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計出；Kp為綠洲內主要植物的綜合作物系數(shù)；H0為綠洲設計綠度，是一定水資源保證下綠洲充分給水程度，同時也可將其作為評定實際綠洲是否穩(wěn)定的指標，劃分等級如表1所示；W總為瑪納斯河流域水資源總量，億m3；W生態(tài)為河道內生態(tài)環(huán)境需水量，億m3，按照地表徑流量的10%～20%計算，結合瑪納斯河流域實際情況，參考《水資源可利用量估算方法(試行)》取為10%；W地表為地表徑流量，億m3；W不重復為地下水資源和地表徑流不重復量，億m3，根據(jù)瑪納斯河流域以往的水文地質普查以及水資源綜合評價資料，2000年地下水資源和徑流年均不重復量為2.52億m3，結合地下水均衡分析發(fā)現(xiàn)，瑪納斯河流域地下水資源量正以每年約1.5%的速率下降[23-25]。

表1 綠洲穩(wěn)定性評價指標劃分[17]

通過查閱相關市縣年鑒發(fā)現(xiàn)，瑪納斯河流域主要農作物有棉花、玉米和小麥，其他作物包括番茄、大豆以及葡萄等，采用FAO推薦的雙作物系數(shù)法公式計算各作物的作物系數(shù)，其中，棉花、玉米和小麥的作物系數(shù)分別為0.70、0.73和0.78，次要作物統(tǒng)一歸為其他作物，作物系數(shù)取平均值0.73。將這些農作物在不同階段的種植比例統(tǒng)計出來，加權平均得到綜合作物系數(shù)Kp，計算結果見表2。

表2 瑪納斯河流域綠洲作物種植比例及綜合作物系數(shù)

3 結果與分析

3.1 綠洲現(xiàn)狀規(guī)模分析

綠洲規(guī)模與水資源可利用量之間存在著巨大的關聯(lián)，而瑪納斯河農業(yè)用水占據(jù)水資源可利用量的90%以上，綠洲農業(yè)用水結構基本決定了綠洲規(guī)模發(fā)展的方向，從2000年開始瑪納斯河流域采用大規(guī)模的節(jié)水灌溉技術，因此本研究以2000年為界，統(tǒng)計了1990年、2000年和2018年的土地利用情況，分析了近30年瑪納斯河流域綠洲土地利用轉化情況，分析結果見表3。

表3 瑪納斯河流域1990—2018年土地利用變化情況

從表3可以發(fā)現(xiàn)，1990—2000年人工綠洲面積從4 700 km2增長到4 931 km2，增幅為231 km2，年均增長為23.1 km2，天然綠洲從8 556 km2減少至 8 457 km2，減幅為99 km2，年均減少9.9 km2；用水結構[26]改變后，人工綠洲面積增長幅度明顯，由2000年的4 931 km2增長到2018年的6 355 km2，增長了1 424 km2，年均增長為79.1 km2，與此同時，天然綠洲面積仍在減少，從2000年8 457 km2減少至2018年的 8 193 km2，年均減少14.7 km2，與2000年之前相比，減小速率加快。國內學者研究表明，干旱區(qū)人工綠洲面積與天然綠洲面積比例不應超過2∶3，當前瑪納斯河流域人工綠洲和天然綠洲比例已超過此值，因此瑪納斯河綠洲正處于退化狀態(tài)[27]。

3.2 瑪納斯河流域水文氣象要素分析

經過統(tǒng)計計算和模型的預測分析，得到了瑪納斯河流域不同階段的水文氣象要素數(shù)據(jù)，并根據(jù)式(3)(4)計算了水資源可利用量，結果如表4所示。

從表4可以看出，1970—2020年瑪納斯河流域地表徑流量呈現(xiàn)出波動增加的趨勢，水資源可利用量與其變化趨勢保持一致；蒸發(fā)量在20世紀90年代發(fā)生顯著降低，進入21世紀后雖然有所回升，但幅度不大；降水量總體呈現(xiàn)出波動上升的趨勢；氣溫保持持續(xù)上升態(tài)勢；日照時數(shù)和相對濕度變化一直處于波動狀態(tài)?？梢?，蒸發(fā)量對地表徑流量呈現(xiàn)負反饋效應，而降水量和溫度對地表徑流量呈現(xiàn)正反饋效應，日照時數(shù)和相對濕度對其影響相對較小。

同時預測結果顯示2021—2030年綠洲蒸發(fā)量為1 601.46 mm，較前期有所降低，而降水量和氣溫都呈增加的趨勢，最終得出瑪納斯河流域地表徑流量為30.05億m3，水資源可利用量為28.77億m3，較之前有所增加，這一結果也印證了上述規(guī)律，同時也與徐素寧等[28]和高培等[29]對瑪納斯河流域氣候變化的研究保持一致。

表4 瑪納斯河流域各階段水文氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.3 瑪納斯河流域生產生活用水量分析及預測

采用參考文獻[13]和[17]的計算方法和預測方法分析瑪納斯河流域各階段生活用水量、工業(yè)用水量以及牲畜用水量，結果如表5所示。

表5 瑪納斯河流域用水量

從表5可以看出生活用水、工業(yè)用水和牲畜用水均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，其中工業(yè)用水量增幅最為明顯，在2020—2030年間工業(yè)用水量占生產生活用水總量的91%，可見工業(yè)用水逐漸成為綠洲用水的一大動力。

表6 瑪納斯河流域綠洲適宜面積

目前瑪納斯河流域地表徑流量雖有所增加，但綠洲生產生活用水增加速度遠高于前者，這就導致能夠提供給植被耗水的量越來越少，綠洲適宜規(guī)模也因此逐年減小，實際綠洲面積與適宜綠洲面積比越來越大，綠洲的穩(wěn)定性變得越來越差。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，過去幾十年，瑪納斯河流域棉花等經濟作物種植比例持續(xù)增加，綜合作物系數(shù)逐漸降低，可見增加作物系數(shù)小的作物種植比例可以有效降低綠洲作物的耗水量[30-31]，同時試驗表明，在膜下滴灌條件下沙漠綠洲區(qū)的棉花作物系數(shù)甚至可以達到0.43[32]，因此為了瑪納斯河流域的穩(wěn)定，可以適當調整農作物的種植比例，優(yōu)先考慮種植作物系數(shù)較小的作物，針對作物在不同灌溉模式下作物系數(shù)的大小，調整灌溉方式，以提高綠洲穩(wěn)定性。

3.4 綠洲適宜規(guī)模及穩(wěn)定性分析

采用式(2)計算瑪納斯河流域綠洲適宜規(guī)模，并對其現(xiàn)狀穩(wěn)定性進行評價，結果如表6所示。

由表6可知，瑪納斯河流域綠洲適宜規(guī)模在1990—2000年、2001—2010年和2011—2020年分別為11 003.3 km2、9 902.8 km2和9 075.2 km2，同時地表徑流量與降水量雖然都呈現(xiàn)增加的趨勢，但由于生產生活用水量增加速度遠大于地表徑流量與降水量的增速，導致瑪納斯河綠洲適宜面積在2021—2030年依然保持減小趨勢，其值為8 555.6 km2。因此，為了保證綠洲的穩(wěn)定發(fā)展，2021—2030年綠洲適宜規(guī)模應處于8 555.6 km2以內。

同時引入穩(wěn)定系數(shù)來評價綠洲的穩(wěn)定狀態(tài)，由表6可知，1990—2020年瑪納斯河流域綠洲的穩(wěn)定系數(shù)一直低于0.5，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，綠洲開始出現(xiàn)退化并且有加速退化的趨勢，因此必須縮小瑪納斯河人工綠洲面積，加快退耕還林速度，嚴格遵循國務院頒布的最嚴格水資源管理制度三條紅線的指導意見，使天然綠洲與人工綠洲的比例達到適宜狀態(tài)，以提高瑪納斯河流域綠洲穩(wěn)定性。

4 結 論

a. 1990—2000年間瑪納斯河流域人工綠洲面積年均增長23.1 km2，天然綠洲年均減少9.9 km2；2001—2020年人工綠洲面積年均增長79.1 km2，天然綠洲面積年均減少14.7 km2，較前期減小速率加快，人工綠洲與天然綠洲比值已超過適宜比例。

b. 1970年以來，瑪納斯河流域氣溫呈現(xiàn)總體上升的趨勢，冰山融雪速度加快，同時降水量也在持續(xù)增加，使得瑪納斯河流域地表徑流量呈現(xiàn)出總體增加的趨勢，據(jù)預測，2021—2030年間瑪納斯河流域的地表徑流量將達到30.05億m3。

c. 瑪納斯河流域在1990—2000年、2001—2010年和2011—2020年3個階段的適宜綠洲面積分別為11 003.3 km2、9 902.8 km2和9 075.2 km2，均小于現(xiàn)狀條件下的綠洲面積，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，因此為了保證瑪納斯河流域的穩(wěn)定，2021—2030年綠洲適宜面積應保持在8 555.6 km2以內。