讨赖河干流绿洲植被生态需水量分析_段志华.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.001收稿日期：2022-07-25基金项目：甘肃省水利厅2021年水利科学试验研究及技术推广项目（甘水建管发 2021 71号）作者简介：段志华（1988-），男，甘肃靖远人，工程师，博士研究生，主要从事水文与水资源方面的研究，E-mail：。讨赖河干流绿洲植被生态需水量分析段志华1，闫宏华2，申雄达3，张汉林3（1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省水利厅 讨赖河流域水资源利用中心，甘肃 酒泉 735000；3.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000）摘要：研究绿洲区植物生态需水量对维护内陆河绿洲生态功能和水资源开发利用具有重要现实意义，利用讨赖河流域土地利用/覆被分类产品、城市绿地统计年鉴资料和灌区农作物资料以及相似流域天然植被生态需水量研究结果，采用潜水蒸发法和面积定额法，估算了讨赖河干流中下游绿洲区2005年和2018年天然植被及人工植被的生态需水量。结果表明：研究区天然植被在2005-2018年的总面积是减少的，主要是低覆盖度草地面积大幅减少引起的，但中覆盖度和高覆盖度草地面积小幅增加，天然林地面积基本保持稳定；近10多年研究区城市绿地面积和有效灌溉面积均有不同程度的增加；2018年整个研究区植被生态需水量为11.00亿m3，比2005年增加了1.84亿m3。关键词：讨赖河；天然植被；人工植被；生态需水量中图分类号：TV213.4文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0001-051前言甘肃河西地区常年干旱少雨，上游出山径流是决定中游、下游绿洲生态环境和经济社会可持续发展的关键因素之一，对中游和下游绿洲植被的空间分布及演变过程起着明显的控制作用。植被状况能够反映绿洲生态环境的好坏，在水资源不足的情况下，植被将会快速退化，导致生态环境进一步恶化，制约着当地社会经济的发展1-3。在20世纪，河西内陆河地区水资源开发利用中过多关注的是水资源的经济效益，而忽略了生态环境的用水需求，导致了植被退化和土地沙地、盐碱地增加等生态环境问题4-5。因此，开展植被生态需水量的研究，不仅可以为流域水资源的开发利用和优化配置提供理论依据，而且对维护植被生态和经济社会可持续发展也具有重要意义。植被生态需水量的研究由来已久，国内外学者已经对需水内涵、理论、估算方法等内容进行了诸多的研究，取得了许多有价值的成果6-8。在此基础上，研究人员对黑河9、疏勒河10-11、石羊河12-13、开都河14、塔里木河15等内陆河流域的植被（尤其是天然植被）生态需水开展了更深入细致的研究。但是，不同流域水资源禀赋、生态环境以及经济社会需水等情况存在一定的差异，植被生态需水量在区域水资源中所占的比重也是不同的，因此有必要在更多的流域开展相关研究和探讨。讨赖河发源于祁连山中段讨赖掌，属于黑河水系，河流形状百态，蜿蜒曲折。流域植被稀少且群落结构简单，生态系统相对脆弱。由于种种原因，目前关于讨赖河流域植被生态需水量的研究成果很少。近年来，随着讨赖河流域中下游嘉峪关市、酒泉市和金塔县经济社会的快速发展以及人口的不断增加，流域水资源短缺现象已经很明显。绿洲区内天然植被生态环境需水被挤占问题也日益突出，很大程度上影响了绿洲生态系统的健康16-17。此外，为抵御风沙危害和改善城乡人居环境，流域内各级政府建立了相对完善的农田、道路、渠系、村落防护林等网状人工公益林体系18-19，流域内城市绿地面积也在不断增加20，这在一定程度上同样加剧了用水紧张的情况。因此，开展绿洲区植被需水量及其变化规律的研究是讨赖河流域水资源可持 1续利用的基础性工作。利用讨赖河干流绿洲土地利用/覆被类型解译成果和已有的流域调查资料，结合邻近流域及其他类似地区林草生态需水量研究成果，对2005年和2018年流域绿洲区天然植被、城市绿地植物、农作物及公益林草的生态需水量进行了初步估算，以期为流域生态保护和水资源可持续利用提供参考依据。2研究区概况讨赖河流域地处河西走廊中西部，流域内共发育有6河3坝及若干小河沟，其中多年平均径流量较大的河流有讨赖河干流、洪水河和马营河。近几十年来，随着水资源开发力度的不断增加，流域内各支流断流情况严重（图1）。考虑到支流与干流地表水力关系17，研究范围主要为讨赖河干流（含洪水河）中游、下游绿洲区，包含的灌区有新城、文殊、峪泉、宏丰、讨南、讨北、清水河、洪水河、临水河以及鸳鸯10个灌区。研究区干燥少雨，属大陆性干旱气候。据酒泉气象站和金塔气象站2005-2018年资料，流域年平均气温7.38.0，多年平均降水量酒泉市104.9mm，金塔县73.6 mm，年平均蒸发量2 1332 580 mm。3方法与数据3.1研究方法3.1.1 讨赖河干流绿洲植被需水内涵在干旱、半干旱地区，植被既是生态系统的主要生产者，又是水资源的主要消耗者，其生长状况和规模受水资源限制。根据地带性理论，地带性植被生长所需的水量可完全由降水来满足，其生态需水的研究意义不大；而非地带性植被需要靠人工灌溉、地表径流和地下径流进行补充才能维持其生长，对水资源格局变化或水资源开发利用程度反应敏感2，21。因此，综合考虑讨赖河流域水资源开发利用对植被的影响，确定研究对象为讨赖河干流和洪水河河道两岸地下水埋深较浅的天然植被和受渠系灌溉补给的人工植被，主要包括受地下水或渠道渗漏补给的天然植被（含天然林地和天然草地）、各灌区农作物及网状公益林草、城市绿化植物。3.1.2 天然植被生态需水量估算公式干旱区绿洲及周边天然植被生态需要依靠地下水来维持其生存发育，通过估算不同类型植被所对应的适宜潜水埋深的蒸发量，可以近似得到区域内天然植被的生态需水量10,13-14,21-24。W=i=1nKiETiAi（1）式中：W为天然植被生态需水量；Ai为某个类型植被的面积，由卫星影像得到；Ki为植被影响系数，可参考邻近区域的研究成果；ETi为潜水蒸发量，采用阿维里扬诺夫公式进行估算10,13-14。ETi=a1-HHmaxbE（2）式中：E为气象站蒸发皿观测值，由酒泉气象站、金塔气象站多年平均蒸发量分析而得；a、b 均为经验参数；Hmax为潜水蒸发极限埋深；H为不同类型天然植被最适宜的地下水埋深。根据阈值理论和干旱区已有调查研究成果10,23-24，干旱区不同类型植被生长存在潜水埋深阈值范围，且存在一个适宜的地下水埋藏深度，参照邻近石羊河流域、疏勒河流域以及其他内陆河流域相关研究成果10-14,23-24，a 和b 取值分别为0.62和2.80，Hmax取值为5.0 m。不同类型天然植被最适宜的地下水埋深见表1。3.1.3 人工植被需水量计算研究区人工植被类型可以分为农作物、人工公益林草和城市绿地植被。其中，城市绿地需要在灌溉条件下才能维持其成活，灌溉特点类似于农业灌溉；而人工防护林多为网带，分布于田、路、渠和村周边，其生存也主要依靠人工灌溉。因此，人工植被生态需水量可采用面积定额估算法进行计算25-26。河临水河灌区讨南灌区文殊灌区峪泉灌区宏丰灌区新城灌区讨北灌区清水河灌区洪水河灌区鸳鸯灌区玉门市嘉峪关市肃州区肃南县金塔县城高台县肃南县高台县祁连县讨河赖洪水河红山河河观山丰乐河马营图例河流水系县界DEM9471 8001 8002 8002 8003 8003 8004 8004 8005 800灌区图1讨赖河流域水系及绿洲灌区分布图N2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷 2W=wA（3）式中:W为人工生态需水量；w为灌溉定额；A为人工植被面积。3.2资料来源2005、2010、2013和2018年的土地利用/覆被分类产品数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，分辨率为 30 m30 m。数据利用 LandsatTM/ETM/OLI遥感影像数据，由人机交互式目视判读和野外调查验证的方式所得。整体上精度较高，可以满足本研究精度的要求。土地利用/覆被分类包括6个一级类（耕地、林地、草地、水域、城乡工程和居民用地、未利用土地）和25个二级分类（水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地、水库、城镇、农村居民点等）。气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网，采用酒泉气象站和金塔气象站2000-2018年的20 cm常规蒸发皿观测资料计算区域的多年平均蒸发量。各灌区作物灌溉面积（包含公益林）、作物类型及灌溉定额等资料从甘肃省水利厅讨赖河流域水资源利用中心获得。流域内各城市绿地面积来源于统计年鉴资料（https:/）。4.干流绿洲植被生态需水量分析4.1天然植被需水量估算干旱区天然植被生长发育取决于地下水，植被面积的变化可以用来反映其需水量变化规律及趋势。综合灌区资料以及绿洲周边天然植被变化情况，划定的研究区域总面积为 4 463.7 km2（图 1）。依据2005、2010、2013和2018年四期土地利用/覆被分类产品，统计不同时期一级分类系统土地利用/覆被分类的面积（表2）。需要说明的是，因卫星影像的空间分辨率较低，其解译结果不能体现网状防护林的面积变化，表2中林地面积不包含防护林的面积。此外，卫星产品二级分类中“其他林地”主要为果园和苗圃，其需水量取决于人工灌溉量，表2中林地面积也不包含这一部分的面积。由表2可知，未利用土地（戈壁、沙地、盐碱地等）是研究区最大土地利用类型，其次为耕地和草地，而林地的面积占比最小。耕地、草地和林地三类土地利用类型的面积约占研究区面积的42.2%，间接表明了天然和人工植物需水量研究在流域水资源管理、规划和分配的重要性。近十几年以来，研究区天然植被面积总体呈减少趋势，由2005年的588.1 km2减少到2018年的550.9 km2,减少了37.2 km2。其中，天然草地的下降幅度最大，主要体现为低覆盖度草地面积大幅缩减，而高、中覆盖度草地的面积有小幅的增加；天然林地面积变化幅度较小，呈现先减少后增加的趋势。基于四期天然植被面积数据和邻近流域天然植被需水量的相关成果，利用式（1）、（2）计算得到了讨赖河干流绿洲区不同时期天然植被所需的生态需水量（表 3），分别为 1 927 万 m3、2 061 万 m3、2 048万m3和2140万m3。从而可知，2015-2018年间，虽然天然植被的面积在不断缩减，但因高、中覆盖度草地面积的增加而导致天然植被的需水量增加。4.2城市绿地需水量估算讨赖河流域工农业生产主要分布在嘉峪关市、酒泉市肃州区和金塔县。嘉峪关市是一座新兴的工业旅游现代化城市；肃州区是酒泉市政府所在地，是酒泉市政治、经济、商贸和文化中心；金塔县是甘肃省重要商品粮和优质棉生产基地。近年来，随着城市的发展，绿化体系不断完善，有效提升了城市生态环境和载体功能。从图2可知，3个城市绿地面积不断增加，其中，嘉峪关市和肃州区人工绿地面积从2005年的1 030 hm2和443 hm2分别发展到2018年的2 694 hm2和1 669 hm2，而金塔县2018年绿地面积也达到了279 hm2。根据GB 50013-2018 室外给水设计标准 和相关干旱区城市计算结果25-27，城市绿地日浇灌用水项目地下水埋深/m平均地下水埋深/m林地1.004.502.00灌木林地1.004.003.00疏林地1.505.003.50高覆盖度草地1.003.502.50中覆盖度草地2.004.003.00低覆盖度草地2.005.004.00表1天然植被最适宜的地下水埋藏深度第9期段志华，等：讨赖河干流绿洲植被生态需水量分析第58卷 3量范围为1.03.0L/（m2d）。本次计算取2.0L/（m2d），假定夏秋季节可连续浇灌，春冬季节隔2d浇灌1次，全年灌溉天数约为180 d，则灌溉定额为3 600 m3/hm2。经计算，2018年讨赖河中下游城市绿地总生态需水量为1 672万m3，其中，嘉峪关市、酒泉市肃州区和金塔县绿地生态需水量分别为971万m3、601万m3和100 万 m3；2005 年研究区城市绿地总生态需水为557万m3，其中，嘉峪关市和酒泉市肃州区绿地生态需水量分别为371万m3和159万m3。因未收集到金塔县2005年的城市绿地面积资料，其绿地需水量按比例进行缩放所得。对比2005年和2018年绿地生态需水量，可知随着城市化进程加快，城市植被生态用水量增加明显。4.3农作物和公益林草需水量估算项目区内共有10个灌区，其中肃州区5个、嘉峪关市4个、金塔县1个。根据讨赖河流域水资源利用中心提供的资料，利用各灌区有效灌溉面积、种植结构（含公益林草）及节水灌溉模式、灌溉制度、定额指标以及用水利用系数，按式（3）计算得到2018年讨赖河干流绿洲区农作物和防护林的需水量（表4）。同时，为分析研究区近十几年农业用水和公益林草用水状况变化情况，参考张宏祯272005年在本区的研究成果，对2个年份农作物和公益林草表2研究区2005-2018年土地利用/覆被分类面积及比例一级类型耕地/km2林地/km2草地/km2水域/km2城乡工程、居民用地/km2未利用土地/km220051 154.7（25.9%）51.7（1.1%）536.5（12.0%）110.0（2.5%）123.3（2.8%）2 487.6（55.7%）20101 296.4（29.0%）48.0（1.1%）516.2（11.6%）115.1（2.6%）163.1（3.7%）2 324.8（52.1%）20151 329.2（29.8%）48.8（1.1%）497.3（11.1%）127.9（2.9%）196.5（4.4%）2 264.0（50.7%）20181 333.5（29.9%）51.7（1.1%）499.2（11.2%）145.2（3.3%）209.9（4.7%）2 224.2（49.8%）二级类型林地灌木林地疏林地高覆盖度草地中覆盖度草地低覆盖度草地总计面积/km220050.038.812.80.032.6503.8588.120101.737.29.13.439.0473.8564.220153.236.49.24.933.5458.9546.120181.538.511.77.239.3452.7550.9生态需水量/万m320050.0500.074.00.0420.0932.01 927.0201068.0480.053.081.0502.0877.02 061.02015126.0469.053.0118.0432.0849.02 048.0201860.0496.067.0173.0507.0838.02 140.0表3研究区2005-2018年天然植被面积及其生态需水量3 0002 5002 0001 5001 0005000绿地面积/hm2金塔县2005200720092011201320152017年份图2城市绿地面积变化图2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷市嘉峪关肃州区 4的需水量进行了对比。从表4可知，2018年研究区农作物和林草需水总量为106 198.0万m3，比2005年增加了 17 080.2 万 m3，其中，农作物需水量增加14132.7万m3，而公益林草需水量增加2 947.5万m3。农作物需水量增加主要原因是2018年有效灌溉面积比2005年有所增长，而公益林草需水量的增加主要是本次研究采用的灌溉定额要大于张宏祯研究中采用的数值。4.4讨赖河干流绿洲植被生态需水总量分析根据上述各个分项植被需水量估算结果，2018年讨赖河干流绿洲植被生态需水总量为11.00亿m3，其中，天然植被生态需水量为0.21亿m3、人工植被生态需水量为10.79亿m3；2005年讨赖河干流绿洲植被生态需水总量为9.16亿m3，其中，天然植被生态需水量为0.19亿m3、人工植被生态需水量为8.97亿m3。近10多年来，研究区内绿洲耕地和城市绿地面积不断增加，农业用水量和城市绿地用水量不断增加，加大了当地水资源紧张状况，在一定程度上导致了天然植被退化。因此，控制绿洲区灌溉规模、优化农产品结构以及如何提高节水灌溉技术，是今后本区水资源优化配置和高效利用需要重点考虑的内容。5结语基于土地利用/覆被分类产品、城市绿地面积统计资料和灌区农作物资料，依据不同类型植被生态需水内涵，估算了讨赖河干流中下游绿洲区2005、2018 年天然和人工植被需水量，得到如下初步结论。（1）与2005年相比较，2018年研究区天然植被面积减少了37.2 km2，其中天然草地中的低覆盖度草地明显减少，高、中覆盖度草地的面积略有增加，而天然林地面积变化相对稳定。采用潜水蒸发法估算2005、2010、2015和2018年天然植被生态需水量分别为1 927万m3、2 061万m3、2 048万m3和2 140万m3。（2）近十多年，研究区城市绿地面积持续增加，同时灌区总有效灌溉面积也有增加。依据面积定额法估算的2005年和2018年人工植被生态需水量分别为8.97亿m3和10.79亿m3。（3）2005年和2018年整个研究区植被生态需水量分别为9.16亿m3和11.00亿m3。这一结果对讨赖河流域水资源可持续利用有一定的参考意义。目前，讨赖河流域关于植被生态需水与水资源关系的研究还比较少，本文的很多参数都参考了相邻流域或其他地区的结果，本区域植被需水的规律和结果有待进一步检验和研究。参考文献：1刘昌明,刘璇,于静洁,等.生态水文学兴起:学科理论与实践问题的评述J.北京师范大学学报（自然科学版）,2022,58(3):412-423.2张丽,董增川,赵斌.干旱区天然植被生态需水量计算方法J.水科学进展,2003,14(6):745-748.3宋孝玉,刘雨,覃琳,等.内蒙古鄂托克旗天然草地植被生态需水量研究J.农业工程学报,2021,37(3):107-115.4邓建伟,金彦兆,胡想全.讨赖河流域分水制度辩证分析J.人民黄河,2015,37(5):52-54.5张波,王开录,李发明.石羊河流域水资源调度与青土湖生态恢复研究J.甘肃水利水电技术,2017,53(10):9-12.6ZALEWSKIM.EcohydrologytheuseofecologicalandhydrologicalprocessesforsustainablemanagementofwaterresourcesJ.HydrologicalSciencesJournal,2002,47(5):823-832.7崔瑛,张强,陈晓宏,等.生态需水理论与方法研究进展J.湖泊科学,2010,22(4):465-480.8彭飞,何新林,刘兵,等.干旱区荒漠植被生态需水量计算方法研究J.节水灌溉,2017，42(12):90-93.9司建华,冯起,席海洋,等.黑河下游额济纳绿洲生态需水关键期及需水量J.中国沙漠,2013，33(2):560-567.10孙栋元,金彦兆,王启优,等.疏勒河中游绿洲生态环境需水时空变化特征研究J.环境科学学报,2016,36(7):2664-2676.11李曼,王妞妞,刘焕才.疏勒河中下游地区植被生态需水量时空变化研究J.人民黄河,2021,43(11):97-102.12程玉菲，王军德，李元红，等.基于生态需水的石羊河北部平原生态保障技术研究J.冰川冻土，2014，36(3):724-731.13杨秀英,张鑫,蔡焕杰.石羊河流域下游表42005、2018年农作物和公益林草面积及生态需水量年份20182005*面积/万hm2农田9.28.2林草1.51.6小计10.79.8需水量/万m3农田95 675.581 542.8林草10 522.57 575.0小计106 198.089 117.8注：*数据源于文献27（下转第10页）第9期段志华，等：讨赖河干流绿洲植被生态需水量分析第58卷 57谢平,陈广才,陈丽.变化环境下基于降雨径流关系的水资源评价J.资源科学,2009,31(1):69-74.8宁迈进,孙思瑞,吴子怡,等.趋势变异条件下非一致性洪水频率计算方法的择优比较分析以洞庭湖区弥陀寺站为例J.水文,2019,39(6):14-19.9康苗业,肖伟华,鲁帆,等.黄河花园口水文站多时间尺度径流演变规律分析J.人民黄河,2022,44(5):25-29.10蓝云龙,黎曙,关铜垒,等.近63 a黄河源区气温变化规律分析J.四川水利,2022,45(4):1-7.11贾超,袁涵,杨晟,等.基于秩相关系数的区间数型水质量评价模型及其应用J.水力发电,2019,45(12):7-11.12魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术M.第2版.北京:气象出版社,2007.13唐共地,包赢.基于有序聚类分析法和Mann-Kendall法的水沙系列突变点研究J.江淮水利科技,2015，37(6):35-37.14胡义明,梁忠民,赵卫民,等.基于跳跃性诊断的非一致性水文频率分析J.人民黄河,2014,36(6):51-53.民勤县生态需水量研究J.干旱地区农业研究，2006，24(1):169-173.14马玉其,王军政,程勇,等.新疆开都-孔雀河流域天然植被生态需水量研究J.环境与可持续发展,2020,45(3):139-143.15Ye ZX，Chen YN，Li WHEcological water demand ofnatural vegetation in the lower Tarim RiverJ.Journal ofGeographical 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2022-09-14）10