生态输水后民勤盆地绿洲适宜规模及结构变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00076

生态输水后民勤盆地绿洲适宜规模及结构变化

李森^,¹^,²^,⁴, 王涛¹, 张志山³, 颜长珍¹, 毛忠超³

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，干旱区盐渍化研究站，甘肃兰州 730000

3.中国科学院西北生态环境资源研究院，沙坡头沙漠研究试验站，甘肃兰州 730000

4.中国科学院大学，北京 100049

The suitable scale and structural change of oasis in Minqin Basin after ecological water conveyance project construction

Li Sen^,¹^,²^,⁴, Wang Tao¹, Zhang Zhishan³, Yan Changzhen¹, Mao Zhongchao³

1.. Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China； 100049，China

2.Drylands Salinization Research Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;

3.Shapotou Desert Research and Experiment Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;

4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing

收稿日期: 2020-06-01 修回日期: 2020-07-07 网络出版日期: 2020-12-09

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2017YFC0504301
国家自然科学基金青年科学基金项目. 41801079

中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室开放基金课题“民勤绿洲次生盐渍化土壤抗风蚀因子参数化研究”

Received: 2020-06-01 Revised: 2020-07-07 Online: 2020-12-09

作者简介 About authors

李森(1985—),男，山东潍坊人，工程师，研究方向为沙漠化/绿洲化监测E-mail:lisen@lzb.ac.cn , E-mail：lisen@lzb.ac.cn

摘要

为研究生态输水工程对内陆河下游绿洲适宜规模及结构的影响，以石羊河下游的民勤盆地绿洲为研究区，根据水热平衡原理与绿洲圈层理论，计算生态输水前后绿洲适宜规模和适宜结构，以此反映生态输水对绿洲规模和结构的影响。结果表明：生态输水工程的实施增加了民勤盆地绿洲可利用水资源量，优化了非人工绿洲耗水结构；生态输水工程在一定程度上提升了民勤盆地的适宜绿洲规模和适宜耕地规模，优化了绿洲结构，适宜绿洲规模和适宜耕地规模分别由2000年的366.70~550.05 km²和242.72~246.55 km²增加到2015年691.54~1 037.31 km²和523.13~530.20 km²；绿洲的稳定性由濒临不稳定向稳定状态发展，然而与实际绿洲规模和结构相比，绿洲的稳定性和结构性仍然处于亚稳定状态。因此，有必要在生态输水的同时，调整绿洲结构，以期民勤盆地绿洲达到稳定。

关键词： 绿洲 ; 适宜规模 ; 适宜结构 ; 民勤盆地

Abstract

In order to study the impact of ecological water conveyance project on the suitable scale and structure of oasis in the lower reaches of inland river， we calculated the appropriate scale and structure of oasis before and after ecological water conveyance project to reflect the impact of ecological water conveyance on the scale and structure of oasis based on the principle of water-heat balance and oasis circle theory in the oasis of Minqin Basin in the lower Shiyang River， China. The results show that the ecological water conveyance project not only increased the available water resources in the oasis of Minqin Basin， but also optimized the water consumption structure of non-artificial oasis. The ecological water conveyance project had improved the suitable oasis scale and the suitable cultivated land scale and optimized the oasis structure in the Minqin Basin to a certain extent. The area of the suitable oasis and cultivated land had increased from 366.70-550.05 km² and 242.72-246.55 km² in 2000 to 691.54-1 037.31 km² and 523.13-530.20 km² in 2015， respectively， and the stability of the oasis also developed from near instability to stable state. However， compared with the actual area and structure of oasis， the stability and structure of oasis is still in a sub stable state. Therefore， it is necessary to adjust the structure of oasis in order to stabilize the oasis in Minqin Basin.

Keywords： oasis ; suitable scale ; suitable structure ; Minqin Basin

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本文引用格式

李森, 王涛, 张志山, 颜长珍, 毛忠超. 生态输水后民勤盆地绿洲适宜规模及结构变化. 中国沙漠[J], 2020, 40(6): 91-97 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00076

Li Sen, Wang Tao, Zhang Zhishan, Yan Changzhen, Mao Zhongchao. The suitable scale and structural change of oasis in Minqin Basin after ecological water conveyance project construction. Journal of Desert Research[J], 2020, 40(6): 91-97 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00076

0 引言

绿洲是干旱区社会经济发展的重要条件，绿洲的稳定事关干旱区人类的生存、经济的发展^［1］。荒漠-绿洲过渡带作为绿洲生态稳定的重要屏障，是绿洲生态系统不可分割的组成部分^［2］。然而，近年来荒漠-绿洲过渡带随着绿洲化进程和水资源短缺正逐渐消失，形成了“生态裂谷”，逐渐威胁着绿洲的稳定^［3］。一定的水资源只能支撑一定规模的绿洲及过渡带。因此，研究在一定水资源支持下的特定绿洲的适度绿洲规模及构成是十分必要的，这不仅是实现干旱区水资源高效利用合理配置的迫切需求，更是当前干旱、半干旱区绿洲实现可持续发展亟待解决的重大问题^［4］。

绿洲适宜规模研究主要关注于绿洲面积（耕地面积）与水资源量之间的定量关系，从最初的简单线性关系或供需平衡，到后来的模型模拟。最早提出的两个模型为水量平衡模型^［5-6］和水土平衡模型^［7］，并分别被用来估算了河西走廊和塔南各绿洲的适宜规模。王忠静等^［8］利用水热平衡模型构建绿洲绿色指数，用于计算绿洲适宜规模。随后不少学者引入绿洲圈层结构理论^［9］，结合水热平衡和水土平衡模型，计算绿洲适宜规模及结构比例^［10-12］。随着对绿洲适度规模研究的不断深入，气候变化^［13］、径流变化^{［4，14-16］}、社会经济变化^［13］、节水措施^［15］、生态健康^［10］、天然绿洲与人工绿洲比例^［17］以及生态需水^［18-19］等变量条件，不断加入到适宜绿洲规模模型中，用以更加精细地估计绿洲适宜规模。然而，多数研究没有涉及绿洲适宜结构，如过渡带的合理配比，即使少数利用绿洲圈层理论的研究成果也是在已有观测的基础上提前设定防护林草带的合理宽度，并没有真正意义上量化绿洲的适宜规模和结构。

石羊河是中国内陆河流域中人口最密集、水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题最严重的流域之一^［20］。民勤盆地位于石羊河下游，由于中上游近几十年的大规模开发利用，进入该盆地控制性工程红崖山水库的上游来水量逐年减少，从1956年的5.14亿m³减少到了2002年的0.62亿m³。为了维持绿洲的生产生活，民勤盆地绿洲依靠过量开采地下水来满足用水需求^［21］，导致地下水位从20世纪70年代的1~9 m下降到2000年的12~28 m^［22］，造成天然植被死亡、尾闾湿地消失和次生盐渍化等问题，最终造成民勤盆地人工绿洲和荒漠-绿洲过渡带呈现双萎缩的趋势。为了遏止民勤乃至整个石羊河流域生态环境的日益恶化，中国政府于2006年正式启动了石羊河流域重点治理规划工程，经过多年的努力，红崖山水库年来水量稳定在3亿m³以上。近年来，许多学者开始关注生态输水工程对石羊河下游绿洲生态影响，研究主要在土地变化^［23］、植被变化^［24］、土壤变化^［25］、地下水位和水质变化^［21］等方面。生态输水的最终目的是维持绿洲生态系统稳定，然而目前对生态输水如何影响下游绿洲适宜规模及稳定性研究则相对薄弱，为实现石羊河下游绿洲水资源的合理配置，亟需加强下游绿洲适宜规模和结构研究。因此本研究以民勤盆地绿洲为例，选择生态输水前后关键节点（2000、2006、2010、2015年），结合绿洲圈层和水热平衡理论，量化生态输水前后民勤盆地绿洲适宜规模及结构，以期为石羊河流域水资源合理配置提供科学依据和决策支持。

1 研究区概况

民勤盆地位于石羊河流域下游，西南以红崖山水库为界与武威南盆地的蔡旗和重兴两乡相邻，其余被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠所包围^［25］，空间跨度为38°24′42″—39°15′08″N、102°44′24″—103°55′08″E（图1），面积为5 128 km²，其中绿洲占25%，是典型的湖积平原绿洲，以灌溉农业为主，因以红崖山水库水量和地下水灌溉而得名红崖山灌区，包括坝区、泉山区和湖区3个子灌区。研究区年降水量仅为114 mm，年平均气温8.4 ℃，年潜在蒸发量达2 483 mm^［25］。天然植被以典型的沙旱生、强旱生和超旱生的灌木、半灌木、小灌木荒漠植被以及一年生和多年生沙生草本为主^［26］。

图1

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图1 研究区地理位置

Fig.1 Location of the study area

民勤输水分为3个阶段：第一阶段（2001—2005年），景电二期延伸向民勤调水工程，该阶段调水量较少；第二阶段（2006—2010年），石羊河流域重点治理规划工程一期工程；第三阶段（2010—2020年），石羊河流域重点治理规划工程二期工程，该阶段内实施完成了西营河至民勤蔡旗专用输水渠工程和景电二期向民勤调水渠延伸工程^［20-21］。截至2016年，景电工程已累计向民勤调水10.89亿m³，西营河专用输水渠累计调水量9.63亿m³。

2 研究方法

2.1　数据源

民勤盆地绿洲实际规模和结构数据基于2000年ETM+、2006年和2010年TM以及2015年OLI遥感影像利用人工目视解译方法获得。具体方法为：在ArcGIS软件环境下，以影像栅格文件作为判读背景（底层），通过人机交互方式，根据绿洲、荒漠-绿洲过渡带的位置关系及植被覆盖度高低，提取民勤盆地绿洲实际规模和结构数据。首先完成2015年的绿洲土地覆盖，然后利用2015年的绿洲结构数据重建2010、2006年和2000年的民勤盆地绿洲结构状况，实际上就是发现此期间的绿洲土地覆盖变化，将数据进行反向“更新”的过程^［27-29］。这样就得到了2000、2006、2010、2015年4期绿洲土地覆盖数据库。为了保证解译的正确性，需要其他作业人员对4期绿洲数据进行检查，并进行再次判读，以保证数据提取精度达到设计要求。

民勤盆地绿洲主要是红崖山灌区，该区域几乎不产流且年有效降水量较小，区域水资源主要依靠红崖山水库出库水量补给及非重复性地下水，因此民勤盆地地表水资源量为红崖山水库出库水量，非重复性地下水资源量为红崖山灌区非重复性地下水资源量。水资源资料来自民勤县水务局及《甘肃省水资源公报》；社会经济数据来源于《民勤年鉴》；需水定额数据来自《民勤县水资源分配方案》（表1）。

表1 不同时间节点民勤盆地社会经济及水资源

Table 1 Socio-economic and water resources of Minqin Basin at different time

指标	2000年	2006年	2010年	2015年
非重复性地下水资源量/万m³	6 400	6 400	6 400	6 400
红崖山水库出库水量/万m³	7 808	15 196	24 004	25 306
青土湖输水量/万m³	—	—	1 290	2 833
城市用水定额/(L·d^-1)	150	110	75	75
农村用水定额/( L·d^-1)	60	50	50	40
万元工业产值用水/m³	137	105	73	73
城镇人口/万人	3.31	3.57	4.62	7.28
农村人口/万人	26.96	26.57	19.51	16.48
工业产值/亿元	1.00	3.50	4.96	15.39

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2.2　绿洲可利用水资源量估算模型

民勤盆地绿洲总水资源量为红崖山水库出库水量及非重复性地下水资源量。民勤盆地绿洲主要耗水包括绿洲耗水（人工绿洲和防护其稳定的荒漠-绿洲过渡带耗水）、下游尾闾湿地泄水量、工业用水、生活用水、引水灌溉渠系水面蒸发量等。因此，根据水量平衡方程，绿洲可利用水资源量可表示为：

W_{a o} = W_{t o t a l} - W_{n o} - W_{i} - W_{p} - W_{c}

（1）

式中：W_ao为绿洲可利用水资源量；W_total为红崖山水库出库水量和红崖山灌区地下水控制用水总量；W_i为工业耗水量；W_p为生活耗水量；W_no为青土湖生态输水量；W_c为引水灌溉渠系水面蒸发量。其中工业用水为万元总产值耗水与工业产值的乘积；生活用水为城市用水定额和乡村用水定额与人口和天数的乘积，畜禽用水为农村用水的两倍；引水灌溉渠系水面蒸发量根据《民勤县志》中渠系过水量的10%测算。

2.3　适宜绿洲规模估算模型

借用王忠静等^［8］根据水热平衡原理提出的绿洲稳定性指数（ $H_{0}$ ）及其划分标准（表2），推求绿洲适宜规模^［4］。计算公式为：

A = \frac{W_{a o}}{(E T_{0} - P) k_{p} H_{0}} \times 10^{5}

（2）

式中：A为绿洲适宜面积；ET₀为按彭曼公式计算的参考作物腾发量； P为绿洲年均降水量； k_p为绿洲植物的综合影响系数，是反映植物本身生物学性状对需水量的影响参数，可以参照不同植被的作物系数，加权平均；H₀为一定水资源保证下绿洲的 “绿度”，能够反映绿洲水资源量对绿洲规模变化的保证程度，可作为判定绿洲是否稳定的指标（表2）。

表2 绿洲稳定性划分^[4,8]

Table 2 Stability division of oasis^[4,8]

评价等级	H₀	绿洲生态趋势	绿洲规模评价
超稳定	>0.75	异质性将增加	具有开发潜力
稳定	0.50～0.75	保持平衡	在良好的措施保障下，具有较小的开发潜力
亚稳定	0.20～0.50	开始退化	不具备开发潜力
不稳定	<0.20	退化	须缩小绿洲规模以维持绿洲稳定

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2.4　适宜绿洲结构模型

Abd EI-Ghani^［9］把埃及的Qara绿洲划分为3个带，即外围荒漠带、边缘弃耕带和内部农作物种植带。在中国干旱区，绿洲的空间分布一般遵循外围是荒漠带、中间是荒漠-绿洲过渡带和内部是绿洲的圈层结构^{［13，16］}。根据水量平衡原理，建立适宜绿洲结构计算模型：

\begin{array}{l} A_{1} \times (E T_{1} - P) + A_{2} \times (E T_{2} - P) + \\ A_{3} \times (E T_{3} - P) = W_{a o} \times 10^{5} \end{array}

（3）

A_{1} + A_{2} + A {}_{3}= A

（4）

A_{2} = α A_{1}

（5）

A_{1} + A_{2} = π R^{2}

（6）

B = R_{1} - R

（7）

式中：ET₁为农田作物的年需水量，mm；ET₂为农田防护林的年需水量，mm；ET₃为荒漠-绿洲过渡带的年需水量，mm；A₁为绿洲农田作物面积；R为该圈层半径，km；A₂为农田防护林网的面积，km²；A₃为荒漠-绿洲过渡带的面积，km²；R₁为绿洲和过渡带圈层的半径，km；B为该圈层宽度，km；α为农田防护林面积占绿洲农田灌溉面积的比例，根据《石羊河流域重点治理规划》α取 0.15。

3 结果与分析

3.1　2000—2015年民勤盆可利用水资源量

民勤盆地绿洲区几乎不产流，区域水资源主要依靠石羊河干流蔡旗断面下泄水量的补给。2000、2006、2010、2015年民勤盆地可利用水资源总量分别为1.42亿、2.16亿、3.04亿、3.17亿m³（表1）。

2000—2015年民勤盆地非人工绿洲耗水量和耗水结构均发生显著变化，其中2000年和2006年民勤盆地非人工绿洲耗水分别为0.09亿m³和0.11亿m³，主要为生活用水、生产用水和水渠蒸发；而2010年和2015年民勤盆地非人工绿洲耗水分别为0.50亿m³和0.69亿m³，主要为青土湖输水、渠系蒸发、生产用水和生活用水（图2）。从各耗水组成分析，生活用水逐年减少，主要是由于2000—2015年民勤盆地总人口逐年减少，城镇人口逐年增加（表1），同时民勤县严格执行《民勤县水资源分配方案》，人均配水定额显著降低。虽然工业用水效率有了显著提升，由于工业产值的显著增加（表1），生产用水也呈现增加趋势，整体耗水结构呈良性发展趋势。水渠蒸发与红崖山水库出水量密切相关，近年来由于输水量的增加，水渠蒸发也逐渐增加。2010年开始民勤县每年向青土湖输送一定量的生态用水，由于这部分是专用水，因此在计算人工绿洲可利用水资源量时也相应扣除。2000、2006、2010、2015年的人工绿洲可利用水资源量分别为1.15亿、1.83亿、2.53亿、2.49亿m³。

图2

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图2 民勤盆地非人工绿洲水资源量

Fig.2 Water resources of non-artificial oasis in Minqin Basin

3.2　民勤盆地绿洲适宜规模

生态输水前（2000年）民勤盆地适宜绿洲面积为366.70~550.05 km²，而实际面积为1 143.91 km²，稳定性指数为0.24，绿洲规模虽处于亚稳定状态，但濒临不稳定状态（表2），说明民勤绿洲呈现退化状态，不适宜继续开发；2006年开始实施生态输水时民勤盆地绿洲适宜绿洲面积为492.11~738.17 km²，而实际面积为1 268.04 km²，稳定性指数为0.29，与2000年相比略有增加，但仍处于亚稳定状态；随着输水量的逐渐增加，2010年民勤盆地绿洲适宜规模为651.90~977.84 km²，而实际面积为1 264.80 km²，稳定性指数为0.39，与2006年生态输水实施初期增长明显，但是绿洲仍然处于亚稳定状态；2015年民勤盆地绿洲适宜规模为691.54~1 037.31 km²，实际面积为1 130.26 km²，稳定性指数为0.46，临近稳定状态（表3）。从稳定性指数和适宜规模分析，生态输水工程对民勤盆地绿洲稳定的提升作用明显，但是其仍然处于亚稳定状态。为了维持绿洲的稳定发展（H₀≥0.5）及绿洲农业的正常生产，超采地下水成为维持民勤盆地绿洲稳定和农业生产必然手段。随着输水工程的实施，民勤县地下水超采量逐年减少，由2000年的6.22亿m³减少到2015年的0.22亿m³，2006年以后民勤盆地地下水埋深缓慢下降甚至趋于平稳^［30］。

表3 生态输水前后民勤盆地绿洲适宜规模及稳定性

Table 3 Suitable scale and stability of oasis in Minqin Basin before and after ecological water transfer

年份	参考作物蒸发蒸腾量/mm	降水量/mm	绿洲适宜规模/km²		绿洲实际规模/km²	稳定性指数
年份	参考作物蒸发蒸腾量/mm	降水量/mm	H₀=0.5	H₀=0.75	绿洲实际规模/km²	稳定性指数
2000	765.50	122.20	550.05	366.70	1 143.91	0.24
2006	889.60	126.80	738.17	492.11	1 268.04	0.29
2010	907.90	111.80	977.84	651.90	1 264.80	0.39
2015	860.60	122.00	1 037.31	691.54	1 130.26	0.46

民勤盆地绿洲林地、草地和小麦、玉米、棉花等作物系数加权平均为 0. 66^[4,16]。

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3.3　民勤盆地人工绿洲适宜结构

根据遥感监测和野外调查，民勤盆地绿洲荒漠过渡带主要为灌草地，根据相关研究结果^［16］确定ET₁、ET₂、ET₃分别为555、420、112 mm。通过生态输水工程对民勤盆地的水资源补给，民勤盆地绿洲耕地的适宜面积提高了约2.15倍，然而与实际耕地面积的差距仍然巨大（表4）。除2000年过渡带的实际宽度略低于适宜宽度外，其余年份过渡带实际宽度介于两个适宜宽度之间。过渡带的适宜宽度确定是基于为适宜耕地提供防护，而实际宽度的过渡带则是为实际耕地面积提供防护，因此实际宽度的过渡带还不能为实际耕地提供有效防护，这与刘金鹏等^［31］的研究结果一致。因此，虽然生态输水后绿洲呈现稳定变化趋势，但是绿洲耕地面积过大，绿洲结构并不稳定。

表4 生态输水前后民勤盆地绿洲实际结构及适宜结构

Table 4 Actual structure and suitable structure of oasis in Minqin Basin before and after ecological water transfer

年份	实际耕地面积/km²	适宜耕地面积/km²		过渡带适宜宽度/km		过渡带实际宽度/km
年份	实际耕地面积/km²	H₀=0.5	H₀=0.75	H₀=0.5	H₀=0.75	过渡带实际宽度/km
2000	1 056.49	246.55	242.72	3.73	1.38	1.18
2006	1 192.08	396.41	388.97	3.28	0.58	1.04
2010	1 166.24	516.77	516.90	3.89	0.65	0.98
2015	1 003.86	530.20	523.13	4.24	1.00	3.15

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4 结论

由于中游地区用水过度， 2000年民勤盆地绿洲稳定性指数仅为0.24，绿洲濒临不稳定。随着2006年石羊河流域重点治理规划工程的实施，民勤盆地的可利用水资源量不断增加以及实际绿洲规模不断缩减，绿洲稳定性指数增加为0.46，虽然仍处于不稳定状态，但是已经呈现趋于稳定的趋势。民勤盆地绿洲耕地的适宜面积提高了约2.15倍。生态输水工程对民勤盆地绿洲稳定的提升作用明显且一定程度上优化了民勤盆地绿洲结构。2015年绿洲适宜规模仍略小于实际规模且绿洲适宜耕地规模与实际耕地面积差距很大，荒漠-绿洲过渡带的实际宽度不能为实际耕地规模提供有效防护。

2015年，民勤蔡旗断面下泄水量为3.02亿m³，已经提前实现了《石羊河流域重点治理规划》中2020水平年使民勤蔡旗断面下泄水量由2010年的2.5亿m³增加到2.9亿m³以上的目标。假设未来石羊河下游输水量不再增加，为了使民勤盆地绿洲继续保持稳定趋势，只有继续严格执行《民勤县水资源分配方案》，进一步提升水资源利用效率，推行废水循环再利用模式，适度开采地下水；适当地缩减耕地规模，增加过渡带面积，调整绿洲结构比例。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

申元村，汪久文，武光和，等.中国绿洲［M］.河南开封：河南大学出版社，2001.