时间:2024-05-22
陈向东,蒙宏卫,田小平,刘 兵*,葛 阳,贾如浩(.石河子大学水利建筑工程学院,新疆石河子83003;.新疆油田公司采油一厂,新疆克拉玛依834000)
20世纪以来,全球气候呈总体变暖趋势,在全球气候变化的大背景下,各地区生态环境都呈现出不同类型的响应程度,IPCC(气候变化专门委员会)在第四次评估报告中指出,到2100年全球平均气温将上升1.1~6.4℃[1]。目前,由气候变化而引起的冰川融化、河流萎缩及土地荒漠化等生态问题,已严重影响到人类社会的健康发展[2-4]。自20世纪80年代中期以来,新疆气候出现了由暖干向暖湿的转变,新疆近40年来气温和降水呈上升趋势。
和田河流域位于新疆塔里木盆地南缘,属暖温带大陆性干燥沙漠气候,生态环境脆弱,水土资源极易受到气候变化的影响。因此,和田河流域作为干旱地区水资源与生态环境问题的典型研究区域,一直备受我国科研人员的关注。刘志辉等认为,和田河流域生态环境极其脆弱,环境灾害多发,水资源过度开发利用不可避免地对当地生态环境产生了负面影响[5]。陈忠升等认为,和田地区土地利用类型面积出现大幅度变化,直接影响流域内水量、水盐平衡关系,加上流域植被覆盖率降低,使当地生态平衡遭受到一定程度的破坏[6]。为了使和田河流域的水土资源管理更加科学,更能适应气候变化所带来的影响。笔者通过分析和田河流域水文、气象、土地利用等的变化趋势及成因,并结合流域水土资源开发利用现状及实际发展需要,提出适合当前和田地区可持续发展的规划建议,以期为干旱区流域绿洲的经济发展和生态环境保护提供理论依据。
和田河流域位于新疆塔里木盆地南缘,昆仑山北麓,地理位置为77°25'~81°43'E,34°52'~40°29'N,东西长约 670 km,南北宽约500 km,流域面积为48 870 km2,占全疆总面积的15%,占全国总面积的2.6%。流域绿洲被辽阔的沙摸戈壁所包围,绿洲面积仅占流域平原总面积的8%左右,其山前冲积平原为绿洲农业区。和田地区地势南高北低,由西向东倾斜,南部是昆仑山区,山峰林立,中部是山前坡麓地带,北部是塔克拉玛干沙漠。和田河流域共7条河流,其径流总量为44.5×109m3,主要由两条支流组成,一条是东部的玉龙喀什河,长约504 km,另一条是西部的喀拉喀什河,长约808 km。该流域属于暖温带大陆性干燥沙漠气候,年均气温高,降水稀少,自然灾害多发,年内浮尘天气平均达200 d,4~6月沙暴日频繁,年均日数33 d,风速17 m/s以上的大风,年均频率为11.5次。总体而言,和田河流域生态环境现状较为脆弱[7]。
2.1 气候现状及变化 和田河流域地处我国西北的塔里木盆地南缘,因为流域身居欧亚大陆腹地,四周被各大山脉阻挡,致使太平洋、大西洋以及印度洋上空的水汽很难到达,所以其降水主要来自西风环流,属暖温带大陆性干燥沙漠气候,多年平均降水量只有5.4~89.6 mm,而多年平均蒸发量高达2 159~3 137 mm,多年平均气温为12.7℃,最高为40.6℃,最低为-21.6℃。流域全年日照时数2 451~2 896 h,有效辐射量72.6×103k/cm2,≥10℃有效积温达4 341.5℃,光质优越,热量充足。无霜期210~226 d,最大冻土深度0.7 m。春季多风沙,时有浮尘天气,偶有沙尘暴,平均大风天数11.5 d,并集中出现在4月中旬至5月中旬,主风向为西北。
自20世纪80年代中期以来,新疆气温呈总体上升趋势。同样,和田河流域气温也呈现出显著的变暖趋势(图1),经计算流域平均线性变暖率为0.33℃/10 a,各年代气温均呈上升趋势,但升温幅度有差异,90年代较显著,线性变暖率为1.93℃/10 a。流域降水同样也呈现出增加趋势(图2),线性递增率为2.1 mm/10 a,各年代变化趋势不同。流域降水量增加的主要原因为:空气中水汽含量的增加,以及有利于水汽输送的南风增强,使得该地区的降水量有所增加;全球显著变暖驱动水循环过程加快,也是降水量增加的一个主要因素[8];和田河地区有大量的冰川分布,由于气候变暖,冰川消融,对当地降水也有一定的贡献。而和田河流域空气湿度呈逐年减小趋势,相对的蒸发量呈逐年增加趋势,近40年空气湿度下降了12.5%,而蒸发量上升了40%,两者变化都十分显著(图3),空气湿度由之前的49%降至34%。
对和田河流域近40年来湿度与气温、蒸发量、降水量之间的相关关系进行Pearson相关性分析,结果表明:湿度与蒸发量在0.05水平(双侧)上显著相关,说明蒸发量的增大直接影响到了该流域的湿度变化,具体表现为蒸发量越大,则湿度越小,两者呈负相关变化;湿度与气温在0.01水平(双侧)上显著相关,同样呈负相关变化,相比于蒸发量更加显著;而湿度与降水量无显著性相关(表1)。
表1 气象要素相关性分析
2.2 水资源利用情况 和田河多年平均径流量为44.5×108m3,占整个流域径流总量的58%。因为冰雪融水是其径流的主要补给来源,所以径流量年内分配极不均匀,6~8月径流量占年径流量的76.0%左右,为丰水期,而3~5月仅占7.8%左右,为枯水期[10]。目前,和田河流域工业生活用水占总用水的10%,随着国民经济的发展,和田地区城镇化速度加快,城镇生活用水量从1980年的1.78×108m3增至2000年的7.40×108m3;人均用水量从1980年的130 L/(人·d)升至2000年的212 L/(人·d),平均年增长率为7.38%;工业用水量从1980年3.71×108m3增至2000年的8.76×108m3,平均年增长率为4.35%。目前,流域对地表水资源的利用已超过其承载能力,流域发展正面临地表水资源短缺的问题。
由图4可知,和田河流域对地表水的引用量达到24.6×108m3/a,下泄水量为21.1 ×108m3,其中有 10.5 ×108m3水量补给塔里木河,其余部分补充地下水源。和田河流域地下水可开采量为8.952×108m3,但开采利用量不到1×108m3,可开采量占地下水总补给量的60%。近年来上游山区气候变化(气温升高造成蒸发量增加)以及人类活动(上游山区水库截流蓄水)的影响,致使和田河上游来水呈现逐年递减趋势,加上灌区渠系防渗系数有所提高,造成和田地区地下水补给量有所减少(图4)。尽管如此,和田河流域地下水位仍然偏高,说明和田地区地下水资源开发潜力巨大。
通过对和田地区近30年来引水量数据的统计分析(图5),发现和田地区多年引水量呈波状变化规律,多年平均值稳定在20×108m3以上。对于地下水资源的开采利用,2~6月为流域地下水开采高峰期,地下水埋深逐渐增加(图6),这主要是因为昆仑山脉的积雪在春季(3~5月)尚未大面积融化,造成和田河得不到充分补给,而此时正是春耕开始的时候,缺水与灌溉的矛盾十分突出,这一时期主要依靠地下水进行农田灌溉,7月份以后,流域灌溉开始转向以利用地表水为主,地表水入渗量增加,8月份以后流域耕种结束,地下水开采量减少,受这些影响地下水埋深开始逐渐变小(图6)。综上所述,春旱缺水与水资源时空分布不均是制约该流域发展的严重问题。
2.3 土地利用情况 由表2可知,和田河流域各类土地利用类型面积在1990~2010年期间发生了较大变化,变化最大的是林地和草地,其次是未利用地和耕地,城乡建设用地和水域变化不明显。耕地、林地和城乡建设用地呈增加趋势,其余皆呈减少趋势。其中,耕地面积净增加了43.98 km2,林地面积净增加了254.12 km2,草地面积净减少了224.8 km2,水域面积在年际间有一定的变化,但基本上是处于一种正常的波动状态。
表2 1990~2010年各类土地利用面积 km2
草地和林地对于干旱地区的生态环境有明显的调节作用,只有让他们在空间分布上有足够的比例和稳定性,才能发挥其应有的抵御土壤盐渍化、荒漠化功能。然而,在近几年的和田河流域地区土地利用面积调查研究中发现,和田河流域的林地和草地面积变化最为显著,林地增长近25.87%,而草地减少了1.85%,约224.8 km2,林地和草地无论在面积上还是在空间上都表现出极大的不稳定性,这对于和田地区抵御土地荒漠化、盐渍化非常不利。
由于和田河流域本身属于暖温带大陆性干燥沙漠气候,常年降水稀少,蒸发量大,植被覆盖率低,加上近几年随着人口快速增长,城镇化发展加快,使当地的自然环境问题越来越突出,严重制约了和田河流域社会经济的发展。
3.1 流域水资源短缺 和田河流域水资源短缺问题主要可以分为人为与自然两方面原因。
3.1.1 人为因素。随着城市化进程加快,和田地区城镇规模不断扩大,生产生活用水量逐年增加;农业灌溉制度落后,灌溉类型为完全灌溉型,大部分采用大水漫灌,滴灌节水技术应用较少;水利设施老化,渠系和水库防渗技术水平不高,造成水资源输送渗漏损失量大;水资源开发利用规划不合理,水资源利用效率偏低。
3.1.2 自然因素。和田河流域本身气候干旱少雨,年际降水量仅为5.4~89.6 mm,而年际蒸发量却达到2 159~3 137 mm。该流域干旱指数为47.2,再加上区域气候变暖,蒸发量逐年升高,直接增大了地表水资源损失量,致使水资源更加紧缺。和田河流域水资源时空分布不均匀,春季水资源供需矛盾突出。主要是因为水库河道来水量在年内变化大,洪枯差距较大,径流量年内分配极不均匀,春季(3~5月)水量仅占全年径流量的7.8%,而灌溉用水占全年的24.5%,缺水与灌溉矛盾突出。
3.2 土地荒漠化严重 和田河流域绿洲荒漠过渡带的土地荒漠化过程既不是单独进行,也并非简单的叠加,而是通过一系列效应相互激发,由自然和人为因素共同决定。其中人为因素占主导地位,正如和田地区绿洲周边的荒漠植被持续遭到人为破坏,耕地、林地和城乡建设用地呈增加趋势,其余皆呈减少趋势,其中耕地面积净增加了43.98 km2,林地面积净增加了254.12 km2,草地面积净减少了 224.80 km2,又由于流动沙丘与农田直接濒临,给绿洲边缘农牧业生产与人民生活带来直接危害。其次是自然因素,和田绿洲荒漠过渡带的土地荒漠化动力因素主要以风沙活动为主。由图7可知,区域大风期主要集中出现在4月中旬至5月中旬,平均大风天数11.5 d。1950年以来,流域绿洲附近沙化面积达到2.8×104hm2,其中耕地沙化5 960 hm2。据测算,近30年来,和田地区共有2万hm2农田被流沙吞没,土地和草场沙化面积达 3 ×104hm2[12]。
土地沙漠化的类型有两类,一类是在砂质地表叠加干旱多风和强度土地利用造成的沙质荒漠化;另一类是在流水叠加土状堆积物和人为强度利用形成的土地荒漠化[13]。由于和田河流域气候条件干燥,降水稀少,蒸发强烈,加上流域灌溉排水系统建设不够完善,缺乏合理的灌溉制度,出现大水漫灌、洪水期超引抢灌、日灌夜退与渠道渗漏等现象,导致流域地下水位迅速上升,土壤中蓄积的盐分也随之垂直向上运动,造成大面积耕地在强烈蒸发作用下容易在地表积盐,产生次生盐渍化。同时,在全球变暖的大背景下,流域蒸发量逐年增加,加剧了流域的土壤盐渍化问题。目前,流域土壤盐渍化面积已超过840 km2,其中耕地发生盐渍化多达350 km2,占耕地总面积的近22%。综上所述,土壤盐渍化问题破坏了当地的生态环境平衡,是造成流域土地荒漠化的主要原因之一[14]。
和田河流域属于暖温带大陆性干燥沙漠气候,年际蒸发量大、降水少。在全球气候变化的大背景下,流域气候逐年向暖湿方向转变。在水资源开发方面,由于近年来区域气候变化和人类活动的综合影响,和田河上游来水存在逐年递减趋势,加上流域灌区渠系防渗水平有所提高,造成区域地下水补给量减少,尽管如此,区域地下水位仍然偏高,由此造成的土地次生盐渍化现象普遍存在。在土地利用方面,随着城镇化进程的加快,耕地及城镇建设用地增加,草地减少。总体看来,林地和草地无论在面积上还是在空间上都表现出极大的不稳定性。综上所述,土地荒漠化、盐渍化和水资源短缺是困扰和田地区发展的主要问题。从发展节水农业、修建水利工程、加强植被保护、完善信息管理机制以及合理计划人口增长5个方面提出解决措施:
(1)和田河流域水资源时空分布不均,气候条件干燥,水资源短缺是长期困扰该流域发展的瓶颈。因此,因地制宜发展节水农业是促进和田地区社会、经济、环境协调发展的重要措施。所以,对该区的农田灌溉必须实施全面防渗改造或改用管道输水,并采用先进的小畦灌、细流灌、膜上灌、滴灌、喷灌等节水措施,同时种植需水量较小的作物,实现既省水高产,又能与生态环境和谐发展的农业产业化结构。
(2)和田河流域普遍存在工程老化问题。目前急待解决的是渠道的改建、防渗、田间工程的配套等问题。重视在上游有利地形修建山区水库,解决春旱用水问题。加强平原水库的除险加固,恢复平原水库的功能效益。在利用地下水时,应采取群井开采水源地与分散开采地下水相结合的方式。在不产生盐渍化、沙漠化的前提下,并能同时满足农业、生态用水的需求,将地下水位埋深维持在2~4 m较合适。
(3)和田河流域被沙漠包围,气候干旱,降雨稀少,这导致了该河流域一直受到沙漠化的威胁。为此一定要加强自然荒漠植被的培育和保护工作,建立强大的防风固沙体系;调整农业种植结构,提高大风季节的农田覆盖率;因地制宜有步骤地实行退耕还林还草工程。
(4)完善和田河流域水土资源信息管理机制。在遥感、通讯、信息等多媒体技术飞速发展的今天,依托高校及各科研院所的技术优势,建立和田河流域水土资源管理系统,将该流域的灾害预警、资源规划、水文管理等纳入一个统筹的网络中。
(5)上世纪中期以来,和田河流域人口激增,人口给自然环境带来了巨大压力。结合和田地区的实际情况,科学合理地推行计划生育,提高人口素质,是促进和田地区可持续发展的必然措施。
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