額濟(jì)納綠洲的生態(tài)需水量分析

額濟(jì)納綠洲的生態(tài)需水量分析

文中利用2009年、1987年遙感解譯的植被分布狀況，分析額濟(jì)納綠洲不同區(qū)域的生態(tài)需水量，以期為目前實(shí)施的生態(tài)水量調(diào)度提供技術(shù)支撐和參考。是實(shí)現(xiàn)水資源短缺與生態(tài)環(huán)境惡化雙重脅迫條件下水資源優(yōu)化配置的重要基礎(chǔ)。

材料與研究方法

1研究區(qū)概況

額濟(jì)納三角洲位于阿拉善以北，阿爾泰以南，巴丹吉林沙漠與走廊北山之間的區(qū)域，總面積3．2萬(wàn)km2［9］。氣候極度干旱，多年平均降水量39．8mm，年最大為103mm，最小為7mm;多年平均蒸發(fā)量3537mm，最高達(dá)4035mm［10］，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。黑河是額濟(jì)納綠洲唯一水源，發(fā)源于祁連山，流經(jīng)河西走廊，經(jīng)甘肅省鼎新進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)，始稱額濟(jì)納河。在內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗境內(nèi)的狼心山西麓，分為東西兩河，東河向北注入東居延海;西河向北注入西居延海［11］。

2研究方法

植被生態(tài)需水的概念與界定。在進(jìn)行植被生態(tài)需水估算前，應(yīng)對(duì)相關(guān)的概念內(nèi)涵進(jìn)行辨析。生態(tài)用水是某種生態(tài)水平下和某種生態(tài)系統(tǒng)平衡條件下所使用的水量，未必是合理和可持續(xù)的水量，是被動(dòng)接受的水量;生態(tài)耗水主要強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)特別是生物生存消耗的水量，體現(xiàn)了周期性和重復(fù)補(bǔ)給的特點(diǎn);環(huán)境需水則主要體現(xiàn)在用于改善環(huán)境的水量［12］。生態(tài)環(huán)境需水量指維持生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需消耗的水資源總量［13］。關(guān)于生態(tài)需水，不少專家和學(xué)者都根據(jù)各自的理解和認(rèn)識(shí)從不同角度對(duì)其概念進(jìn)行了界定，并賦予其不同的涵義。一些專家提出生態(tài)需水是一個(gè)確定的生態(tài)系統(tǒng)為了維持其一定的動(dòng)態(tài)平衡所需要的水量［14］。趙文智等認(rèn)為生態(tài)需水是一個(gè)時(shí)空變量，具有一定的閥值范圍，可分為最小、適宜、最大三個(gè)等級(jí)［15］。關(guān)于植被生態(tài)需水，由于研究者的出發(fā)點(diǎn)和研究對(duì)象不同，提出的概念及其內(nèi)涵也有所不同［16－17］。胡廣錄等認(rèn)為植被生態(tài)需水指保證生態(tài)系統(tǒng)中的植被能夠正常生長(zhǎng)、發(fā)育，維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再進(jìn)一步惡化并逐步改善、健康運(yùn)行所需要的地表水和地下水資源總量［18］。王芳等根據(jù)我國(guó)西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，將植被的生態(tài)需水定義為維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，天然生態(tài)保護(hù)與人工生態(tài)建設(shè)所消耗的水量［19］。文中認(rèn)為植被生態(tài)需水與植被生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，不同的植被類型，同一類型的不同蓋度都會(huì)導(dǎo)致植被生態(tài)需水量的變化，植被生態(tài)需水量與既定的植被生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化將會(huì)導(dǎo)致需水量的變化，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程?；诖?，認(rèn)為植被生態(tài)需水指在一定的植被生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，維持一定規(guī)模的植被生態(tài)系統(tǒng)，使其正常生存，至少不向壞的方向發(fā)展所需的最小水量。

估算方法。關(guān)于生態(tài)需水估算和評(píng)價(jià)，目前還沒有一套成熟的、行之有效的方法?；谥脖徽趄v與潛水位之間的關(guān)系，考慮到干旱區(qū)植被生存與繁衍主要依賴消耗地下水，選用具代表性的阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算［20］:E=abE0式中:a，b為與植物有關(guān)的待定系數(shù)。根據(jù)對(duì)玉門、張掖等地不同植物覆蓋潛水蒸發(fā)值的試驗(yàn)和額濟(jì)納旗植物蒸騰與土壤水分關(guān)系的觀測(cè)，公式標(biāo)定如下［5］:E=1．1743．63E0Hmax是停止蒸發(fā)時(shí)的地下水埋深，以5m為限，這是目前計(jì)算中普遍采用的值。H是地下水埋深，不同蓋度植被的地下水位埋深范圍取值參照"九五"國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目額濟(jì)納綠洲水分平衡及最佳生態(tài)地下水位和生態(tài)用水量研究成果。E0采用E601型蒸發(fā)器實(shí)測(cè)的額濟(jì)納地區(qū)蒸發(fā)量E0多年平均值。

結(jié)果與分析

1綠洲分區(qū)

黑河下游額濟(jì)納地區(qū)東、西河沿線及其下游河網(wǎng)地區(qū)，綠洲面積大、集中連片、植被品種多樣，是額濟(jì)納地區(qū)綠洲的精華。由于不同區(qū)域水分、土壤、植被等條件的差異，形成了額濟(jì)納綠洲分布的區(qū)域特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有河道、水利工程的布局、各部分綠洲在整個(gè)地區(qū)中所起的環(huán)境保護(hù)作用等因素，將額濟(jì)納綠洲區(qū)劃分為東河、西河及東、西居延海兩湖區(qū)和中戈壁區(qū)，根據(jù)東西兩河沿河綠洲的分布，又將東河細(xì)分為上段、中段和下段三部分。根據(jù)2009年和1987年遙感解譯以及實(shí)際調(diào)查結(jié)果，植物群落分布情況?？梢钥闯觯?987年的綠洲植被規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2009年，甚至達(dá)到2009年綠洲植被規(guī)模的1．5倍。從植被分布的空間區(qū)域看，西河和東河下游的植被面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它區(qū)域的植被面積，分別是植被面積最小的中戈壁區(qū)面積的42倍和35倍。

2植被生態(tài)需水量構(gòu)成及其變化

從額濟(jì)納綠洲植被生態(tài)需水類型構(gòu)成看，不同時(shí)期灌木的需水量在植被生態(tài)需水總量構(gòu)成中占主導(dǎo)地位，分別為70．3%和65．9%;草本植物需水所占比例次之，在不同時(shí)期占植被生態(tài)需水總量的比例在16．9%－24．7%之間;胡楊需水所占比例最小，在不同時(shí)期占植被生態(tài)需水總量的比例僅在9．4%－12．8%之間。植被生態(tài)需水構(gòu)成和不同植被面積分布相一致，不同時(shí)期灌木分布面積占綠洲植被面積的71．9%－73．6%，也占主導(dǎo)地位;草地面積次之，占綠洲植被總面積的比例在11．8%－17．2%之間;胡楊面積最小，占綠洲植被總面積的比例在10．9%－14．6%之間。從額濟(jì)納綠洲植被生態(tài)需水地區(qū)分布看，不同時(shí)期東河上段、東河中段、東河下段、西河、兩湖區(qū)和中戈壁的植被生態(tài)需水分別占綠洲植被總需水量的8．8%－12．7%、2．8%－4．5%、30．6%－34．3%、39．6%－46．3%、6．8%－10．6%、1．0%－2．0%。植被生態(tài)需水的空間分布仍和不同植被面積分布狀況相一致，不同時(shí)期東河上段、東河中段、東河下段、西河、兩湖區(qū)和中戈壁植被面積占綠洲植被總面積的比例分別在9．0%－10．3%、3．0%－4．5%、31．3%－34．8%、40．8%－46．9%、5．4%－9．6%、0．9%－3．5%之間。占綠洲植被總需水量比例最高的西河地區(qū)，其植被分布面積占綠洲植被總面積的比例也處在首位。占綠洲植被總需水量比例最小的中戈壁，其植被分布面積相應(yīng)占綠洲植被總面積的比例也最小。對(duì)比2009年和1987年的綠洲植被需水，總體上，要將植被恢復(fù)到1987年的規(guī)模，需增加植被覆蓋面積95913hm2，相應(yīng)的增加植被生態(tài)需水量2．40579×108m3。從地區(qū)分布看，東河上段、東河中段、東河下段、西河、兩湖區(qū)和中戈壁分別需增加水量0．49035×108m3、0．18579×108m3、0．56466×108m3、0．63735×108m3、0．43403×108m3、0．09361×108m3，需增加水量最大的是西河地區(qū)，最小的為中戈壁區(qū)。

3生態(tài)缺水狀況分析

根據(jù)黑河流域目前執(zhí)行的"九七"分水方案，分析不同來(lái)水條件下進(jìn)入額濟(jì)納綠洲的水量。建立正義峽和狼心山的徑流量相關(guān)圖，可以看出兩站徑流量有良好的相關(guān)性。通過分析，在10%、25%、75%、90%和多年平均來(lái)水情況下進(jìn)入額濟(jì)納綠洲的水量分別是7．70×108m3、5．87×108m3、3．62×108m3、2．72×108m3和4．89×108m3。依據(jù)現(xiàn)狀流域水量分配方案，在豐水年，維持現(xiàn)狀2009年的綠洲規(guī)模，生態(tài)用水基本可以保證，在平水年和枯水年將出現(xiàn)1－3億的缺水量。若要實(shí)現(xiàn)綠洲恢復(fù)到20世紀(jì)80年代的水平，只有在10%保證率來(lái)水條件下，生態(tài)用水可以保證，其他來(lái)水條件都會(huì)出現(xiàn)不同程度的需水缺口，在枯水年其缺水量甚至達(dá)到4億，根本無(wú)法保證綠洲生態(tài)的逐步恢復(fù)。3討論根據(jù)生態(tài)適宜性理論，植被生態(tài)需水量并不是一個(gè)恒定的值，而應(yīng)該存在一個(gè)閥值區(qū)間。植被生態(tài)需水量是在特定時(shí)空條件下，在閥值區(qū)間的動(dòng)態(tài)變化值，其中包括了植被最小生態(tài)需水量、最適生態(tài)需水量和最大生態(tài)需水量。文中分析結(jié)果為不同時(shí)期綠洲植被最小生態(tài)需水量，是維持綠洲植被系統(tǒng)不再惡化的最小水量。干旱區(qū)天然植被實(shí)際蒸散量是由潛水向上輸送供給的，在地下水位相同的地方，可能同時(shí)生長(zhǎng)喬木、灌木、草，其吸收利用地下水是一樣的。對(duì)較大的空間尺度而言，潛水蒸發(fā)強(qiáng)度、土壤水分通量和土壤蒸散強(qiáng)度三者相等，植被實(shí)際蒸散近似等于潛水蒸發(fā)量［21］，因此采用最具代表的潛水蒸發(fā)模型－阿維里揚(yáng)諾夫計(jì)算植被生態(tài)需水比較符合實(shí)際。植被生態(tài)需水量是流域生態(tài)需水量的重要組成部分，為確保流域其它生態(tài)系統(tǒng)的需水要求，還需進(jìn)一步計(jì)算河流、湖泊生態(tài)需水量等，從而為整個(gè)流域的水資源管理與合理配置提供決策支持。以往關(guān)于額濟(jì)納綠洲植被生態(tài)需水的研究，主要集中在不同時(shí)期綠洲植被總需水量，幾乎沒有分區(qū)計(jì)算的實(shí)例，難以指導(dǎo)黑河下游水量分配工作實(shí)踐。文中研究結(jié)果可為制定科學(xué)、合理的額濟(jì)納綠洲水量分配提供較好的參考和技術(shù)支撐。

結(jié)論

1987年植被生態(tài)需水量是2009年的151%，要實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到20世紀(jì)80年代水平的目標(biāo)，還需增加水量2．40579×108m3。對(duì)比不同時(shí)期植被生態(tài)需水量的空間分布，東河下段和西河的植被生態(tài)需水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它地區(qū)，兩者之和占到植被生態(tài)需水總量的80%左右，相應(yīng)的植被覆蓋面積也較大，是額濟(jì)納綠洲植被保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

2009年植被生態(tài)需水地區(qū)分布為現(xiàn)狀黑河下游水量分配方案下形成的植被生態(tài)需水空間格局，1987年植被生態(tài)需水地區(qū)分布為黑河治理目標(biāo)所要達(dá)到的綠洲植被生態(tài)需水空間分布。由于現(xiàn)狀黑河下游水量分配方案主要將水配送到東河下游，其相應(yīng)的植被恢復(fù)較快，所需生態(tài)需水量較大。因此，2009年?yáng)|河下游植被生態(tài)需水所占比例明顯高于1987