塔里木河流域綠洲水土資源匹配特征及穩(wěn)定性分析

阿不都艾尼·阿不力孜，任 強，王義成，於嘉聞，4，龍愛華，張 繼，5

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.新疆維吾爾自治區(qū)阿克陶縣水利局，新疆 阿克陶縣 845550；3.新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000；4.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；5.天津大學 建筑工程學院，天津 300072）

1 研究背景

綠洲是內(nèi)陸干旱與半干旱地區(qū)人類活動和經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)。在我國，綠洲面積僅占干旱區(qū)總面積的4%，但卻匯集了干旱區(qū)90%以上的人口[1]。近年來專家學者們對綠洲開展了大量工作，包括其景觀格局變化[2]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價[3]、土壤水鹽運移模擬[4]及水環(huán)境與土地利用/覆被變化的響應(yīng)關(guān)系等[5-6]。特別是2015年起，我國政府頒布了《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》等相關(guān)政策措施，使得綠洲水土資源安全及其生態(tài)保護問題逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點[7]。

塔里木河流域是我國典型的農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)，也是生態(tài)環(huán)境極為脆弱、敏感的地區(qū)。流域長期的耕地開墾和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗了大量水資源，引發(fā)了河道斷流、水質(zhì)惡化、土地荒漠化、生物多樣性降低和沙化加劇等一系列問題[8]。這些問題不僅會直接影響流域的自然水文過程[9]，還會導致當?shù)厮临Y源關(guān)系的不匹配及綠洲整體穩(wěn)定性發(fā)生變化。過去專家學者們對當?shù)厮临Y源的研究多集中在流域的自然水文過程及其影響上[10]，而基于社會水文學過程對流域水足跡和土地規(guī)模的研究仍處于起步階段[11-12]，鑒于影響流域綠洲水土資源變化的因素較多，迄今為止，國內(nèi)外對干旱地區(qū)水土資源的相關(guān)研究多集中在時空分布特征和資源間的匹配方面。李慧等[13]通過構(gòu)建洛倫茲曲線和計算農(nóng)業(yè)水土資源錯配模型對延安市農(nóng)業(yè)水土資源狀況進行評估，他們發(fā)現(xiàn)，在同一時期農(nóng)業(yè)水土資源錯配程度高于全國平均水平，空間錯配程度存在明顯空間差異，總體呈由南向北逐漸改善的趨勢。Du等[14]人從重心模型的角度分析了中國寧夏省灌溉水與農(nóng)田資源的匹配程度。結(jié)果表明，灌溉用水和有效灌溉面積的重心均向東南方向移動，它們之間的空間匹配程度優(yōu)于灌溉用水與農(nóng)田面積。Zhang等[15]人通過構(gòu)建基尼系數(shù)模型與空間錯配模型研究了中亞可再生水資源與農(nóng)田面積的匹配模式，他們認為，中亞國家之間水資源分配和利用的匹配程度存在較大空間差異，土地資源的過度開發(fā)，最終導致了嚴重的水資源危機問題。

本文基于1990—2015年的地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)，試圖對塔里木河流域綠洲水土資源的時空變化特征及其驅(qū)動機制進行研究；分析農(nóng)業(yè)水足跡分別與天然綠洲和人工綠洲的空間錯配程度，并結(jié)合敏感性分析，探究農(nóng)業(yè)水足跡變化對天然綠洲和人工綠洲規(guī)模變化的響應(yīng)；從綠洲農(nóng)業(yè)水足跡的角度對綠洲穩(wěn)定性進行評價；提出合理控制人工綠洲規(guī)模和保障綠洲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的可持續(xù)發(fā)展建議。結(jié)果有助于從全流域的角度指導綠洲水土資源開發(fā)利用，為綠洲水土資源的管理和制定綠洲生態(tài)安全相關(guān)政策提供思路。

2 研究區(qū)概況

塔里木河流域地處天山地槽與塔里木地臺之間的山前凹陷區(qū)，是我國境內(nèi)最大的內(nèi)陸河流域，流域面積102萬km2。塔里木河流域主要由阿克蘇河、渭干河、開孔河、車爾臣河、克里亞河、和田河、葉爾羌河、喀什噶爾河等子流域、塔里木河干流以及塔克拉瑪干沙漠等共同構(gòu)成。流域常年氣候干燥，屬暖溫帶大陸性干旱氣候。年太陽輻射總量5200～6200 MJ·m-2，年日照時數(shù)2400～3250 h，年均氣溫10.6～11.5℃。全流域降水時空分布不均，年降水量（＜70 mm）遠低于年蒸發(fā)量（2300～3000 mm）。當?shù)啬昃Y源量為428.4億m3，其中河川徑流量408.1億m3，地下水資源量262.0億m3，不重復計算水資源量20.4億m3。2015年流域境內(nèi)糧食和棉花總產(chǎn)量分別為815.66萬t和271.44萬t，其中棉花產(chǎn)量占我國棉花總產(chǎn)量的48.4%。截止到2015年，全流域人均GDP為2.61萬元，僅占全國人均GDP的52.2%；人口為1127.20萬人，年人口凈增長率21.0‰，增速位居全國前列；城鎮(zhèn)化率30.1%，低于全國平均水平[16]。

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源氣象數(shù)據(jù)來自于1990—2015年塔里木河流域境內(nèi)37個氣象站點的逐月實測數(shù)據(jù)。水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)來自于新疆水利廳發(fā)布的《新疆水資源公報》，水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)、人口數(shù)、區(qū)域GDP、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生態(tài)需水量及用水量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于《新疆統(tǒng)計年鑒》《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團統(tǒng)計年鑒》和《塔里木河流域生態(tài)保護重點工程規(guī)劃布局戰(zhàn)略咨詢報告》等。

選取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年六期的遙感影像數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。采用eCognition 8.7遙感分類軟件對生成的六期遙感影像進行多尺度分割和地物信息提取，結(jié)合同期的Google Earth高分辨率圖像進行目視解譯。將提取的綠洲土地利用類型按照天然綠洲和人工綠洲進行分類，通過現(xiàn)場查勘和野外隨機采樣的方法評估分類精度，精度在90%以上。

3.2 綠洲的分類根據(jù)綠洲的形成機制及我國《土地利用現(xiàn)狀分類標準》（GB/T 21010-2017）對塔里木河流域綠洲的土地利用/覆被類型進行劃分，其中天然綠洲包括天然生長的林草地（落葉闊葉灌木林、常綠針葉林、草甸和草原）及天然水域（河流、湖泊和沼澤地）；人工綠洲包括耕地（水田和旱地）、人工林地（喬木園林地和灌木綠地）、已開發(fā)土地（城鄉(xiāng)居民用地和其它建設(shè)用地）及人工水域（人工溝渠、水庫和坑塘）。

3.3 綠洲農(nóng)業(yè)水足跡核算由于塔里木河流域處于相對封閉的“自然-社會”水循環(huán)及水熱平衡系統(tǒng)中，因此本研究采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）開發(fā)的CROPWAT模型核算了當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)水足跡（WFa）。有研究表明，WFa以及生態(tài)用水等是驅(qū)動和改變當?shù)鼐G洲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素；反之，居民用水、工業(yè)用水等非植被型用水對綠洲整體穩(wěn)定性及植被生長過程的影響相對較小[17-18]。依據(jù)上述概念，得到各參數(shù)的計算公式如下:

式中：WFc為作物生產(chǎn)水足跡，億m3；WFl為畜牧業(yè)生產(chǎn)水足跡，億m3；WFblue為藍水足跡，m3/t；WFgreen為綠水足跡，m3/t；Pi為作物產(chǎn)量，t；ETc為Penman公式確定的作物蒸散發(fā)量，mm；Peff為有效降水量，mm；Y為單位面積作物產(chǎn)量，t/ha；WAfeed為飼料的虛擬水量，m3/t；WAdrink為牲畜的飲水虛擬水量，m3/t；WAserve為牲畜服務(wù)用水的虛擬水量，m3/t；Pa為牲畜的產(chǎn)肉量，t；lgp為作物生長期，d；d為天數(shù)。

3.4 空間錯配及敏感性分析基尼系數(shù)（GC）與空間錯配指數(shù)（SMI）可將水土資源的匹配度（或錯配度）進行量化[19]。結(jié)合敏感性指數(shù)（SI（Wi_Ai））可以評估綠洲農(nóng)業(yè)水足跡對綠洲土地資源的潛在響應(yīng)程度。式中：ω和l分別為子流域農(nóng)業(yè)水足跡和綠洲土地資源占全流域的比重；a為農(nóng)業(yè)水足跡的累積百分比；GC通常在0和1之間，GC越小，表明綠洲水土資源的平衡度越好，反之亦然。SMI（W_A）i為第i個子流域農(nóng)業(yè)水足跡分別和天然（或人工）綠洲的空間錯配指數(shù)，Wi為水足跡，Ai為天然（或人工）綠洲面積，SMI（W_A）越大，表明單位水足跡對天然（或人工）綠洲規(guī)模的影響越大，反之亦然。

式中：Wt1和Wt2分別為研究期開始和結(jié)束時的農(nóng)業(yè)水足跡；At1和At2分別為研究期開始和結(jié)束時的天然（或人工）綠洲面積。SI（Wi_Ai）越高，反映了天然（或人工）綠洲面積對水足跡的變化越敏感。

3.5 綠洲穩(wěn)定性評價本文根據(jù)Yang等人的研究方法，進一步計算了基于農(nóng)業(yè)水足跡的綠洲穩(wěn)定性指數(shù)H0，H0越大，綠洲的穩(wěn)定性越高，反之亦然。該指標可結(jié)合綠洲水土資源的匹配度及敏感性分析結(jié)果來綜合評價當?shù)厝祟惢顒訉G洲水土資源安全及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)展的影響[20-21]。

式中：WA為綠洲當年的用水總量，億m3；WFn為居民生活、工業(yè)等非植被用水量，億m3；Ao為綠洲總面積，km2；r為年降水量，mm。結(jié)合Guo等[22]對綠洲穩(wěn)定性的相關(guān)研究結(jié)果，初步將綠洲的穩(wěn)定性劃分為四個等級（表1）。

表1 綠洲穩(wěn)定性評價分級

4 結(jié)果與分析

4.1 綠洲水土資源時空動態(tài)變化特征1990—2015年塔里木河流域綠洲面積呈增加趨勢，由1990年的7.03萬km2增加到2015年的8.18萬km2，年增長率0.6%。其中，人工綠洲由1990年的2.86萬km2增加到2015年的4.16萬km2，年增長率1.6%；而天然綠洲面積由1990年的4.18萬km2增加到2000年的4.43萬km2，再下降到2015年的4.02萬km2；天然綠洲與人工綠洲面積比由1990年的1.46∶1下降至2015年的0.97∶1。1990—2015年當?shù)鼐G洲用水總量在211.95億～340.39億m3；通過水足跡模型可得到這六個時期的農(nóng)業(yè)水足跡（WFa），結(jié)果顯示：WFa呈增加趨勢，由1990年的109.58億m3增加到2015年的334.78億m3，年增長率4.8%；而居民生活、工業(yè)等非植被用水量（WFn）在近25年內(nèi)維持在108.94億～125.43億m3。各時期均表現(xiàn)為WFa大于WFn，表明WFa在塔里木河流域整個綠洲的用水結(jié)構(gòu)中占主導地位（圖1）。

圖1 1990—2015年塔里木河流域綠洲水土資源時序變化

由1990—2015年間塔里木河流域綠洲擴張（或萎縮）區(qū)域的空間變化可知（圖2），天然綠洲萎縮區(qū)域和人工綠洲擴張區(qū)域的區(qū)位特征高度重合，主要集中在葉爾羌河下游、渭干河周邊、開孔河中段及阿克蘇河到塔里木河干流之間。人工綠洲主要通過擠占天然綠洲而形成，且人工綠洲總體表現(xiàn)為由沿河流水系分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛩抵苓厰U張分布。在1990—2000年間，塔里木河流域人工綠洲的形成并沒有引起天然綠洲的明顯萎縮；而在2000年后，每形成10 km2的人工綠洲，便會引起3.9 km2天然綠洲的消亡，且天然綠洲面積總體呈逐年萎縮的趨勢。

圖2 1990—2015年塔里木河流域綠洲擴張（或萎縮）的空間變化特征

4.2 綠洲水土資源空間錯配及敏感性分析以1990、1995、2000、2005、2010和2015年為例，繪制天然綠洲（NO）和人工綠洲（AO）分別占綠洲總面積的累計百分比和農(nóng)業(yè)水足跡（WFa）占綠洲總用水量的累計百分比，得到相應(yīng)的洛倫茲曲線，如圖3所示。洛倫茲曲線與絕對公平線（Curve of absolute equality）之間的面積越大，基尼系數(shù)越高。同理，兩條洛倫茲曲線的間距反映了水土資源間匹配程度的偏差。在上述選定的六個時期里，NO的洛倫茲曲線曲率遠大于AO，表明WFa和NO的平均基尼系數(shù)較高。

圖3 塔里木河流域農(nóng)業(yè)水足跡與綠洲面積匹配的洛倫茲曲線

基于此，進一步分析WFa與綠洲土地資源空間匹配程度的年際變化趨勢，即1990—2015年間WFa-NO和WFa-AO的基尼系數(shù)（GC）和錯配指數(shù)（SMI）（圖4），結(jié)果顯示，各時期WFa-NO的基尼系數(shù)在0.20～0.37之間，而WFa-AO的基尼系數(shù)在0.01～0.06之間，表明WFa與天然綠洲面積的空間平衡度明顯低于WFa與人工綠洲面積；與此類似，各時期WFa-NO的錯配指數(shù)在53.0～68.6之間，而各時期WFa-AO的錯配指數(shù)均低于14.8，表明WFa和天然綠洲的空間失配度要遠高于WFa與人工綠洲。從時間角度分析，WFa-NO的基尼系數(shù)和錯配指數(shù)結(jié)果具有相似的波動趨勢。2000年到2005年間，基尼系數(shù)和錯配指數(shù)均呈下降趨勢，表明WFa和NO之間的空間失配度正逐漸緩解。但在2005年后，基尼系數(shù)和錯配指數(shù)由分別從0.20和53.0增加到2015年的0.37和68.6，表明WFa和NO的空間關(guān)系變得更加不均衡和不匹配。WFa-AO的基尼系數(shù)和錯配指數(shù)結(jié)果在波動趨勢上具有一定差異，但相對WFa-NO，兩指標的整體變化較為平穩(wěn)。特別是在2000年到2015年間，WFa和AO間的空間匹配度達到近25年內(nèi)的最優(yōu)水平。

圖4 塔里木河流域農(nóng)業(yè)水足跡與綠洲土地資源匹配的洛倫茲曲線和空間錯配指數(shù)年際變化

本文以每5年為間隔分別計算了WFa-NO和WFa-AO的敏感性指數(shù)（表2）。結(jié)果顯示，1990—2015年間WFa-NO敏感性指數(shù)的變幅較大，范圍在1.78～8.86之間；WFa-AO敏感性指數(shù)的變幅相對較小，范圍在0.67～2.44之間；近25年內(nèi)WFa對NO和AO變化的平均敏感性指數(shù)分別為5.17和1.67，即WFa每變化1%，NO和AO分別波動5.17%和1.67%，表明天然綠洲規(guī)模對農(nóng)業(yè)水足跡變化的敏感性更高。特別是天然綠洲規(guī)模對農(nóng)業(yè)水足跡變化的敏感性指數(shù)由2000—2005年的1.78激增到2010—2015年的8.86，表明天然綠洲受到農(nóng)業(yè)水足跡變化后的影響程度在逐漸加深。

表2 塔里木河流域各時期綠洲農(nóng)業(yè)水足跡與土地資源變化的敏感性指數(shù)

4.3 綠洲穩(wěn)定性評價本文對1990、1995、2000、2005、2010和2015年綠洲的穩(wěn)定性狀況進行了評價（表3），結(jié)果顯示：H0由1990年的0.52下降至2000年的0.43，即在1990—2000年間塔里木河流域綠洲穩(wěn)定性呈逐漸失穩(wěn)的態(tài)勢，到1995—2000年間為亞穩(wěn)定狀態(tài)，綠洲整體已不具備開發(fā)潛力；而2000年后隨著農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用及下游生態(tài)輸水工程的實施，全流域節(jié)水強度在提升的同時，下游綠洲生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到遏制，綠洲整體穩(wěn)定性有所恢復（2015年H0上升到0.56）。此外，H0在1990—2000年間每年的失穩(wěn)速率（0.0090/a）要快于2000—2015年間每年的恢復速率（0.0086/a），即研究區(qū)綠洲的穩(wěn)定性需要失穩(wěn)期1.05倍的時間才能恢復到原來的狀態(tài)，且近15年隨著人工綠洲耕地面積的擴張和農(nóng)業(yè)水足跡的增加，導致研究區(qū)綠洲在處于失穩(wěn)狀態(tài)后的恢復難度增加；而H0雖呈上升趨勢，但介于0.50的臨界穩(wěn)定值之間，故未來當?shù)鼐G洲整體穩(wěn)定性的發(fā)展形勢依然存在較高風險。

表3 1990—2015年塔里木河流域綠洲穩(wěn)定性變化評價

4.4 綠洲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及水土資源開發(fā)利用的對策淺析塔里木河流域是我國重要的新絲綢之路經(jīng)濟核心區(qū)和民族團結(jié)建設(shè)區(qū)，其對于我國地緣安全具有重要戰(zhàn)略地位[23]。特別是進入21世紀以來，在我國“‘五位一體’總布局”、“‘一帶一路’國家級頂層合作倡議”和“最嚴格水資源管理制度之‘三條紅線’與河（湖）長制”等重大政策背景下，如何維持當?shù)鼐G洲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及合理開發(fā)利用水土資源成為限制其可持續(xù)發(fā)展的主要議題。目前塔里木河流域依然面臨生態(tài)脆弱且惡化趨勢難以有效遏制的挑戰(zhàn)，如何扭轉(zhuǎn)這一挑戰(zhàn)并提升綠洲整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，首要的是如何優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)，提高生態(tài)承載力。而想從根本上克服這一挑戰(zhàn)，則離不開水土資源的高效利用與管理。此外，塔里木河流域是全球氣候變化的敏感區(qū)[24]，隨著氣候變暖增濕效應(yīng)的逐漸顯現(xiàn)，其源流徑流量明顯增加的同時，人類對地表水的過度耗用也導致進入塔里木河干流和干流自身徑流量在大幅減少。

結(jié)合上述分析結(jié)果本文認為塔里木河流域未來綠洲水土資源開發(fā)利用存在以下發(fā)展趨勢：（1）退地減水效果可能并不明顯，水資源需求仍將增長；（2）生態(tài)環(huán)境惡化趨勢難以遏制，未來風險仍然存在；（3）高效節(jié)水技術(shù)是當前的法寶，但其產(chǎn)生的次生鹽漬化、覆膜殘留土壤等問題也對未來造成了一定的潛在隱患。為此，本文建議塔里木河流域所在地區(qū)政府應(yīng)抓住有利時期，實現(xiàn)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型；建設(shè)規(guī)?；咝ЬG洲農(nóng)業(yè)，走特色農(nóng)業(yè)之路；近期綠洲水土開發(fā)應(yīng)以退減量置換兵團擴展所需增量；并保護好現(xiàn)有水源，加快新增水資源前期工作。

5 結(jié)論

（1）從時間角度看，1990—2015年間塔里木河流域綠洲總面積持續(xù)增加。由1990年的7.03萬km2增加到2015年的8.18萬km2。其中，人工綠洲由1990年的2.86萬km2增加到2015年的4.16萬km2；而天然綠洲面積由1990年的4.18萬km2減少到2015年的4.02萬km2。

（2）從空間角度看，塔里木河流域天然綠洲的萎縮主要是人工綠洲擴張所引起的，擴張區(qū)主要集中在葉爾羌河下游、渭干河周邊、開孔河中段及阿克蘇河到塔里木河干流之間。進入21世紀，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)水足跡成為影響當?shù)鼐G洲規(guī)模及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。

（3）從空間錯配與敏感性分析結(jié)果看，在2005年后農(nóng)業(yè)水足跡與天然綠洲的空間失配度逐漸趨于不均衡化，且天然綠洲相對人工綠洲對農(nóng)業(yè)水足跡變化的敏感性更高。在1990—2015年間，農(nóng)業(yè)水足跡分別與天然綠洲和人工綠洲的穩(wěn)定性指數(shù)為5.17和1.67。

（4）從流域綠洲的穩(wěn)定性來看，塔里木河流域綠洲整體處于亞穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性指數(shù)在0.43至0.56之間，一旦其穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變，則需要失穩(wěn)期1.05倍的時間才能使穩(wěn)定性恢復到原來的狀態(tài)。塔里木河流域在我國具有重要的戰(zhàn)略地位，同時其生態(tài)環(huán)境極為敏感和脆弱，建議流域所在政府應(yīng)從經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、建設(shè)規(guī)?；咝ЬG洲農(nóng)業(yè)、保護現(xiàn)有水源和加快新增水資源前期工作等措施出發(fā)來維持當?shù)鼐G洲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并合理開發(fā)利用綠洲有限的水土資源。