玛纳斯河下游绿洲土地利用变化对水资源利用的影响

刘海隆,包安明,何新林,沈志伟

(1石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003;2中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐830011;3新疆兵团玛纳斯河流域管理处,石河子832000)

玛纳斯河下游绿洲土地利用变化对水资源利用的影响

刘海隆1,包安明2,何新林1,沈志伟3

(1石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003;2中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐830011;3新疆兵团玛纳斯河流域管理处,石河子832000)

为探究人类活动对干旱区玛纳斯河流域耗水规律的影响,选取玛纳斯河流域下游莫索湾绿洲为研究区域,以1990年、2000年和2007年的 TM影像数据为基础,采用 GIS空间分析技术计算了景观斑块的转移矩阵,分析了研究区下游土地利用的时空变化特征,并结合该流域历史水资源的利用状况分析了其土地利用变化与水资源分配之间的关系。结果表明,研究区内景观面积最大的是耕地,约占45.08%,其次为沙地和荒地,约占43.14%;各种景观在1990～2007年都发生了较大变化,其中草地的缩减最大,其次为林地,而增加最大的是荒地和沙地,其次为耕地。这表明玛纳斯河流域土地利用的变化致使其需水结构在向耗水的方向变化,因此,改善土地利用方式对提高玛纳斯河流域水资源的利用效率具有重要意义。

土地利用;景观格局;玛纳斯河流域;水资源

土地利用与覆盖变化land use/land cover change,(LUCC)是全球环境变化的重要组成部分[1]。土地覆被的变化主要表现在生物多样性、土壤质量、地表径流、侵蚀沉淀及实际和潜在的土地第一性生产力等方面[2]。目前人类面临的许多环境问题都与LUCC有关。LUCC对区域环境的影响主要包括对生态环境安全、水文变化、土地退化、污染物的循环等方面的影响[3-5]。土地利用的变化受自然因素和社会因素的共同影响,宋帅等[6]研究表明,人类对地球陆地表面、生物多样性、生物地球化学循环和水循环等的改变已超过了自然变化的影响。土地利用格局的空间异质性反映了土地生态过程的作用结果,土地利用格局受到自然环境的限制与人类活动的干预而发生变化[7]。荒漠绿洲是干旱区重要的生态系统,是一种独特的人地关系和自然景观[8]。水资源是绿洲流域中下游经济发展和生态环境平衡的纽带。然而,由于人类活动和气候变化的共同影响,引发了绿洲河道下泄水量锐减,湖泊萎缩干涸、土壤沙漠化和盐碱化面积迅速增加、植被退化等许多问题[9]。水资源作为影响荒漠绿洲的关键因素,它的数量和分布直接影响着景观荒漠化和绿洲化的进程,是干旱地区最为活跃的自然因素,对土地开发利用起着决定性作用[10]。

土地利用变化是人类活动的结果,因而认识人类活动导致的土地利用变化对水资源的影响和作用机理,对指导干旱区水资源的可持续利用具有重要意义。玛纳斯河流域地处天山北麓准噶尔盆地南缘,具温带大陆性气候特征,降水稀少,下游人类生产生活用水主要依赖于山区降水,该流域主要的经济基础为绿洲农业[11]。因此研究该区域人类活动对水资源的影响具有重要意义。本文通过玛纳斯河下游绿洲土地利用变化对水资源利用的影响研究,有助于深入了解干旱区内陆河流域景观结构与生态过程及人类活动之间的关系,从而为本地区水资源可持续利用与发展提供重要的科学依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

研究区位于准噶尔盆地南缘,即古尔班通古特沙漠的南部 (E85°53′～ 86°25′,N44°39′～45°11′)绿洲-沙漠的接合地带,主要包括莫索湾灌区的148团、149团和 150团,覆盖面积 480km2。海拔323～374m。东西北三面环沙,全年降水小于120mm,平均积雪深度17cm,年蒸发量为1942mm,全年日照2777h,≥10℃积温3594℃;无霜期135～150d,相对湿度50%～60%,年蒸发量高达2000mm以上;属典型的大陆性、干旱半干旱的沙漠性气候。主要土壤类型为半固定风沙土,成土母质为沙质。地下水埋深3～12m左右[12]。

图1 研究区域分布Fig.1 The distribution map of study area

1.2 数据处理和研究方法

对研究区内1990年、2000年和2007年的 TM影像数据进行解译,以其结果为基本资料。土地利用类型解译主要在 ENVI 4.2下完成。在土地利用类型解译过程中,主要对 TM3(0.63～0.69μm)、TM4(0.76～0.90μm)、TM 5(1.55～1.75μm)3 个波段进行融合,已有研究表明这3个波段具有较好的效果[13]。经实地踏勘调查,解译结果精度达到使用要求。土地利用变化分析采用Arc GIS9.1软件,采用全国土地利用分类系统二级分类指标体系对研究区2007年的土地利用类型进行分析,用 GIS方法建立并输出了研究区绿洲的景观转移矩阵。水资源利用分析主要根据玛纳斯河出山口肯斯瓦特站的径流量和研究区多年的地表水引水资料,分析了出山口供给水资源变化特征以及与研究区引水之间的异步性。

2 结果与分析

2.1 玛纳斯河下游绿洲土地利用类型特征

根据绿洲的土地利用特征和实际情况,研究区的土地利用情况可以分为林地、草地、水体、居民用地、未利用地和耕地6种类型。统计结果见表1。

由表1可知,研究区的主要用地为耕地,占45.08%,林地面积最少,占0.05%。未利用地(沙地和盐碱地)占43.14%,而草地和林地覆盖区域不到10%。表明下游绿洲土地利用以农业种植为主,植被覆盖率不高,土壤盐碱化严重,这说明该区域十分干旱,水资源紧缺,同时这种土地利用结构与该区域的水资源空间分布及其供给保证情况密切相关。

表1 玛纳斯河下游绿洲区土地利用类型统计Table 1 The land-use type statistics in lower reaches of Manasi rive basin

2.2 出山口来水量与玛纳斯河下游绿洲供水量的变化关系

研究区域以地表水资源为主,地下水资源为补充,由于地下水开采量相对比较稳定,因此在本研究中水资源量主要考虑地表水资源量。为分析研究区域水资源供给状况是否受到上游来水量的影响,研究中分析了1990～2007年出山口肯斯瓦特的径流量变化情况和研究区域的地表水供给变化情况。出山口径流量和研究区供水量的年际变化如图2所示。

由图2可见,出山口的水资源量从 1990～2002年有一个明显上升的过程,而在 2003年出现一个大的下降过程,2004～ 2007年有所回升,其中极大值出现在2002年,为 18.72×108m3,极小值出现在1992年,为 9.37×108m3,前者约为后者的2倍,说明玛纳斯河流域水资源供水保证率波动变幅较大。另外,在研究时段内,供水量 1990～1991年小幅增加,但1992年出现大幅减少,1992～1996年是缓慢上升的过程,随后逐年减少。整个期间极小值出现在2005年,为 2.17×108m3,最大值出现在 1996年 ,为3.02×108m3。

总的来看,在 1990～1996年,出山口径流量和供水量之间具有很好的一致性,即来水量越多,对灌区的供水也越多,而在1996～2007年则没有这种同步变化规律。另外通过对二者的相关性分析可知,二者相关系数为0.4412,未能通过显著性检验,进一步验证了二者不同步的结论。在波动幅度方面,年供水量变幅较小,在-16.5%～16.3%,而年径流量变幅在-32.1%～35.7%。这说明下游供水量并没有因来水量的变化而发生剧烈变化,其原因主要有:一是因为平原水库的调节作用,对枯水年份具有一定保障;二是地方农业种植结构的调整,使得用水量没有大的变化;三是开采地下水作为适当补充,使得水资源总需求量的变化没有体现在引水量上。因此,从土地利用变化的角度分析下游水资源利用情况具有现实意义。

图2 肯斯瓦特站年径流量与研究区供水量变化关系Fig.2 The comparison between annual runoff and water supply in study area

2.3 玛纳斯河下游绿洲土地利用变化对水资源利用的影响

在干旱区,水资源直接制约着社会经济的发展,影响着土地的使用。反之,土地利用类型的变化也必然影响水资源的重新分配。下面分别从玛纳斯河下游绿洲土地利用变化对水资源需求结构及水资源量的可能影响进行分析。

2.3.1 土地利用变化对水资源需求结构的影响

随着社会经济的发展,承载人类活动的土地在利用方式上也发生了很大变化。下面以1990～2007年的土地利用为例,通过1990年和2007年景观的转移矩阵进行分析,分析结果见表2。

由表2可见,除林地外,各种景观都发生了较大变化,其中草地的缩减最大,达到78.14%,大部分退化为荒地,部分被开垦为耕地;水域和居民地面积有所缩小,主要转化为草地和耕地;而原耕地也有部分转为其它利用类型。从总量上看,耕地得到了大量扩张,草地大为缩减,荒地迅速扩大。

土地利用的这种变化对水资源的需求结构必然带来影响,因为土地利用的变化将造成农业、工业、城镇居民生活、农村居民生活、河流生态环境、林地和草地的需水发生变化,即土地利用的变化将使生产需水、生活需水和生态环境需水发生变化,而且需水结构的变化同时通过产业结构的变化体现出来。

玛纳斯河下游绿洲区三产比重变化见图3。由图3可以看出,2000～2007年,研究区第一产业是一个逐步增加的过程,占 GDP的比重在59%～75%,耕地的不断扩张对其具有促进作用。与此同时,第二产业比重在 8%～19%,且处于下降趋势,说明工业发展比较落后,缺乏活力。第三产业发展变化不大,所占比重也较小。经计算,当前新疆兵团第一产业水资源利用效率为1.36元/m3,第二产业水资源利用效率为126.60元/m3,第三产业水资源利用效率为111.92元/m3。这说明土地利用变化使得需水结构向耗水方向发展。

表2 玛纳斯河下游绿洲区景观转移百分率 %Table 2 The transfer percentage of landscape patches in lower reaches of Manasi rive basin

图3 玛纳斯河下游绿洲区三产比重变化Fig.3 The change of industrial structure in lower reaches of Manasi rive basin

2.3.2 土地利用变化对水资源利用量的影响

由上述分析可知,土地利用变化中减少最多的是草地,增加较多的是耕地和荒地。耕地对水资源的需求将增加,而荒地对水资源的需求将减少。为确定主要景观类型转化之后水资源在量上需求的变化,将景观变化分为 1990～2000年和2000～2007年两个阶段进行分析。1990年、2000年和2007年的景观面积变化如表3所示。

表3 玛纳斯河下游绿洲区景观面积变化 km2Table 3 The area change of landscape patches in lower reaches of Manasi rive basin

根据已有的研究,不同景观的需水量大致为:林地为100095m3/hm2,疏林地为 24996m3/hm2,灌木林地为4887m3/hm2,高覆盖草地为12361m3/hm2,中覆盖草地为 4416m3/hm2,低覆盖草地为1445m3/hm2[14,15]。而转化为耕地以后,按目前新疆兵团的灌溉定额为6000～10500m3/hm2。按照上述定额进行测算,2000年需水量比1990年大约减少9228×104m3,而2007年则比2000年增加约311×104m3。另一方面,2007年该区域地表水引水量较2000年少5936×104m3,较1990年少5287×104m3。单从绝对数量上来说,目前增加的需水不是很大,然而从发展趋势来看,供需矛盾将会进一步显现,尤其在枯水年景将更为突出。

通过以上分析可知:

1)玛纳斯河流域下游绿洲区主要以耕地、沙化和盐碱化的荒地为主,其中荒地与耕地面积相当,而自然生态植被则以低覆盖草地为主,这种景观格局非常脆弱,对水资源依赖程度较高。

2)绿洲区近20年来经济得到了很大发展,从三产比重可见,发展规模仍然源自农业结构的调整和规模的扩大,工业和服务业发展速度缓慢。同时土地利用类型的转变更进一步证实了研究区的用水结构向着耗水的方向发展,水资源的供需矛盾将进一步加剧。由于人类的活动加重了植被退化、土地沙化和盐碱化。因此,优化产业结构、合理开发利用土地、提高水资源利用效率是解决干旱区水资源的必然选择。

3 结论

本文通过对玛纳斯河流域下游绿洲1990、2000和2007年三期土地利用类型变化的分析,阐述了研究区景观格局转移过程和强度,同时研究了它对水资源需求的影响,结合本区域地表水资源引水量状况,分析了对区域水资源平衡可能造成的影响,结论如下:

1)玛纳斯河下游绿洲区主要用地类型为耕地,约占 45.08%,其次为沙地和荒地,约占 43.14%,林地面积最少,约占0.05%。这种景观格局显示了区域的生态脆弱性以及水资源对区域经济发展的瓶颈作用。

2)1990～1996年,玛纳斯河出山口径流量和供水量之间具有较强的同步变化关系,而在 1996以后,则没有这种同步变化规律,说明在分析干旱区绿洲水资源利用情况时,仅依赖地表水供水量是不够的。

3)各种景观格局在 1990～2007年都发生了较大变化,其中草地缩减最大,达到95.93km2,其次为林地,达到6.93km2;增加最大的是荒地和沙地,达到77.6km2,其次为耕地,增加了22.79km2。表明生态环境有退化的趋势,同时维持区域正常发展的需水结构向着更耗水的方向变化。

4)研究区水资源的供需矛盾将会越来越突出。因此,对干旱区而言,在经济发展过程中,优化产业结构、合理开发利用土地、提高水资源利用效率是解决水资源供需矛盾的有效途径。

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Influence of Land Use on Water Resource Use in the Manasi River Basin

L IU Hailong1,BAO Anming2,HE Xinlin1,SHEN Zhiwei3
(1 College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi,832003,China;2 Xinjiang Institute of Ecology and Geography,CAS,Wulumuqi 83001l,China;3 Manasi River Administration Office of the Xinjiang Corps,Shihezi 832000,China)

The change in land-use would lead to that in the structure of water resource use.In order to analyze the interaction between land-use and water resource assignment,the Manasi River Basin,a typical oasis in arid areas,has been chosen as the study area.Based on TM data in 1990,2000 and 2007 in this area,the land-use change in 18 years has been analyzed through calculating the transfer matrix of landscape patches using GIS.Also,the change in water resource use and requirement structure has been analyzed based on the water resource supply and industrial structure.The results show that the cropland occupies 45.08%,the sand and saline land occupies 43.14%.Most landscapes have changed greatly f rom 1990 to 2007.The largest one is grassland whose area has reduced,and the second one is forestland.The change in land use let the water requirement increase little by little.The contradiction between supply and demanding will become more and more serious.It has an important meaning for the regional water resource assignment and industrial adjust to oasis area.

land use;landscape pattern;the Manasi River Basin;water resource

刘海隆(1974-),男,副教授,从事水文水资源及地理信息系统与遥感应用研究;e-mail:liu㊦hai㊦tiger@163.com。

S273.2

A

1007-7383(2010)01-0096-05

2009-10-16

国家科技支撑计划项目(2007BAH12B03、2007BAC17B02)。