)))以張掖地區為例
司建華1 龔家棟1 張勃2
(1.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,蘭州730000;2.西北師範大學地理與環境科學學院蘭州730070)
提要:綠洲是乾旱區人類活動的主體區域,綠洲的開發規模取決於水資源的利用程度、
開發規模和管理水平。本文以此為出發點,在乾旱區生態用水概念的基礎上,對張掖地區生態
用水進行分類,依據部分實驗資料及理**式推導確定各類生態用水定額,並以統計資料為依
據,對其生態用水進行了初步估算。結果表明,張掖地區生態需水量達9.74@108m3。
關鍵詞:張掖地區;生態需水;用水定額
中圖分類號: s273.1 文獻標識碼: a
水是乾旱區生態系統的關鍵生境要素,在乾旱區有水即為綠洲,無水即變荒漠,在水資源總量不變的前提下,水成為該地區最活躍、最敏感的因子。並圍繞這一中心,出現了許多用水矛盾。以前由於過分重視水資源的經濟效益,而忽視了生態環境效益,在水資源的分配過程中,極少考慮生態環境用水,水的供需矛盾十分突出[1],導致綠洲以外的生態環境不斷惡化,產生了河道斷流、植被衰退、土地沙化、次生鹽鹼化擴大等諸多問題。
這些生態環境問題都直接或間接地與水資源有關,隨著人口增長和經濟發展,國民經濟需水與生態環境需水成為水資源開發利用和生態環境保護的焦點。乾旱區嚴重的生態環境問題使得生態需水受到廣泛的關注。為了乾旱區的未來,對其生態需水問題研究具有科學價值和實踐意義,並為該區水資源合理量化和優化配置提供科學依據。
本文從生態用水的理論、用水定額入手,對該問題進行**和分析。
1 國內外關於生態需水研究概況
目前,國內外對生態需水的研究尚處於起步階段。在理論上還沒有切實可行的依據,關於生態需水量的概念、定義以及計算方法還沒有統一的認識。不同的研究者有不同的認識。
gleick[2]給出了基本生態需水概念的框架。covich[3]強調保證恢復和維持生態系統健康發展所需的水量。whipple[4]指出在乙個流域內應解決生態環境需水和國民經濟需水的矛盾。
國內以新疆為背景對乾旱區生態用水的概念和分類進行詳盡的闡述[5],**了生態環境用水的必要性[6]。在乾旱半乾旱區生態需水理論分析中,對植被生長需水分異規律進行了研究[7]。生態需水計算方法研究方面,whipple建議用計算機技術進行基礎分析和系統模擬。
隨著計算機技術的發展,基於遙感和地理資訊系統技術對區域生態需水進行計算及分析正在研究之中[8]。也有從生態平衡的角度[9]和潛水蒸發與植物蒸騰物理測定的方法[10]來確定生態需水量的。理論上有許多模擬模型對生態需水量的計算具有借鑑作用,如以水熱耦合為基礎的水文模擬模型有svat等。
2 生態用水的概念與分類
2.1 生態用水的概念
生態用水也稱生態環境用水、[5][6]。即改善或維護生態環境質量不至於進一步下降時所需要的水量。本文所討論張掖地區屬乾旱地區,乾旱區人類活動的中心是綠洲。
因此,乾旱區的生態用水主體應是綠洲。基於這一點,對乾旱區生態用水的概念的認識是:提供一定數量和質量的水給天然生境和人工綠洲內防護植被體系,使其維持正常的生存和延續,至少不向壞的方向發展。
2.2 張掖地區生態用水分類
張掖地區的總水資源量可劃分為兩部分,一部分為生態環境用水,另一部分為國民經濟用水。本文討論生態環境用水,如前所述,乾旱區人類活動的中心是綠洲。所以,乾旱區生態用水主體物件應為綠洲,依據綠洲生命支援系統的**,將生態用水可分為來自綠洲內部組分和綠洲以外的環境系統。
因此,生態用水大體可以分為綠洲生態環境用水和天然生態環境用水兩部分。綠洲生態用水包括:農田防護林網;喬、灌木防沙林帶;防止破壞植被需要種植的薪炭林;護路林、護渠林,即在綠洲內部道路和溝渠兩邊折林帶;用於科研教育、自然保護區內的特用林、園林等;城市公共綠地、專用綠地、防護綠地和城市水體。
天然生態用水包括:荒漠河岸林;低地草甸、鹽化灌叢等;荒漠草原、草原化荒漠等。根據上述情況,張掖地區生態用水可以歸納如下表1。
表1 張掖地區生態用水分類
3 生態用水估算模型
乾旱區對水資源的利用主要有三種形式,即主要利用地表水,以灌溉形式進行;利用地表水的供給、地下水補充的和主要利用地下水的。因此,我們可以依據生態用水的**對錶1的生態型別歸類並確定其估算用水量方法。
3.1 直接估算法
依據生態用水**,綠洲人工林生態用水與城市園林綠地生態用水主要利用地表水,且以灌溉方式來保證。因其組成要素對其生長狀態的要求與它所庇護下的農作物要求基本相同,故在計算時直接用相應的面積乘以其灌溉定額。
3.2 間接推求模型
對於生態用水主要利用地下水**的,如部分荒漠植被、低地草甸等的生態用水,在分析計算時採用間接推求模型,因為乾旱區平原植被生存依賴的多**於地下水。因此,採某一潛水位的面積乘以該潛水位下的潛水位的潛水蒸發量與植被係數,公式表示為:
wsti=aixwgixk[14](1)
wsti為植被型別i的生態用水量,ai為植被型別i的面積,wgi為植被型別i所出某一地下水埋深
時的潛水蒸發量,k為植被係數。
在(1)式中,ai容易測定,wgi是乙個很重要的變數。本次是採用新疆地理所在阿克蘇水平衡站求
得的關係式[15]。
wgi=e20@(1-hi/h0)n n=2.15?0.025 (2)
其中,hi為地下水位i的埋深,h0位潛水蒸發極限埋深。據研究,該地區地下水埋深4.0公尺是黑河中游天然綠洲生態臨界閾值。
大於這一深度的潛水蒸發不多。e20為20m2蒸發池水面蒸發量。目前,僅在阿克蘇河上游水庫與北疆頭屯河流域哈地坡水文實驗站有這一項觀測資料。
利用哈地坡多年平均的20m2/520cm的年蒸發量為0.55,再考慮到乾旱區制約蒸發因素的地區分布規律。湯奇成[16]等對河西走廊地區水面蒸發量採用折算係數法進行估算,計算出正義峽站520cm蒸發量為2790mm,20m2/520cm=0.
62,年水面蒸發量為1670mm。故在本次計算中e20的值採用1670[6]。hi的值就不同的生態型別具體而定。
3.3 生態環境綜合生態用水模型(即景觀生態用水量模型)
生態環境的綜合表現通常被稱為景觀,不同景觀型別具有不同的生態習性和需水量。因此,可以通過景觀穩定性生態需水量分析,便可估算生態需水量,基本公式可表達為:
v=(e-p)rs=(ke0-p)rs[17](3)
在(3)式中,v表示景觀生態需水量,用m3表示;p為天然有效降水量,單位:m;r為景觀植被覆蓋
度,其值在0-1之間;e0為水面蒸發量,單位m;s為面積,用m2表示;k為陸面蒸發係數。本文利用此模型估算張掖地區整個的生態需水量,即把張掖地區看作乙個綠洲景觀系統,從而得出生態環境綜合下的生態需水量。
4 生態用水額的確定
4.1 綠洲人工林生態需水
綠洲林業全系人工林,根據徐中民等人調查[18],中游走廊綠洲平原區為阻止沙漠化入侵人工林網有較大的發展。張掖地區目前已建成長440km,面積2萬hm2以上的大型防風固沙林帶15條,保護農田6.67萬km2,沙區造林已達9萬hm2,綠洲內營造防護林網23657hm2,共計13.
3657萬hm2。防護林型別單調,主要為沙棗樹、紅柳、楊、柳,因此,用這幾種樹種組合基本上可以反映人工樹種的組成特徵。本區薪炭林佔10.
24hm2,具有一林多用的特點。對乾旱區來說,這些林客觀上起到了增加綠洲覆蓋度、保護綠洲的功能。因此,在此也計算在生態需水的範圍之內。
薪炭林同樣以楊、柳為主,基於這種情況,取楊樹、紅柳為參考樹種。其灌
溉定額確定為3004. 2m3/hm2。參照其生態用水定額及面積計算的生態需水量見表2。
表2 張掖綠洲人工生態需水量
4.2 城市生態用水
城市生態用水是為了改善生態環境而人為補充的水量,它是以改善城市環境為目的,包括公園用水、城市綠地用水、園林建設用水等。園林綠地包括城市公共綠地、專用綠地、生產綠地,防護綠地等各類用途的綠地及郊區風景區的全部面積。根據各類規劃資料,按照水熱平衡原理計算,用拜**式求得其基本灌溉定額為5620.
5m3/hm2[19]。
4.3 荒漠植被生態用水
本區荒漠植被主要分布在綠洲外圍環境,包括荒漠、半荒漠灌草帶(即綠洲、荒漠交錯帶),由於過渡乾旱地區生態需水量的初步估算放牧,草場破壞嚴重。因此,這一帶也稱生態脆弱帶。同時,也包括生態脆弱以外的荒漠植被,而在綠洲邊緣滋生繁衍的荒漠植被是綠洲的第一道屏障。
綠洲周圍荒漠系統與綠洲生態經濟系統、綠洲水源區水資源生態系統在景觀上形成有序鑲嵌結構。在這部分計算中,包括了天然草地中的荒漠草地、荒漠化草原草地、草原化荒漠草地。荒漠草地分布於海拔1300-2000m之間的戈壁、沙漠、乾旱山地,其中植被以旱生、超旱生及耐鹽植物為主,主要植物有合頭草、紅砂、鹽爪爪等,面積佔475080.
57hm2。草原化荒漠草地分布在海拔2100-2250m之間,植被以超旱生及旱生禾草為主,主要有合頭草、珍珠、針茅等,面積佔126040.01hm2。
荒漠化草原草地分布在海拔2250-2500m之間,植被以旱生禾草和小灌木為主。主要有珍珠、合頭草、驢驢蒿、短花針茅等,面積佔367923.21hm2。
荒漠植被總共有969043.9933/hm2,其代表植被是合頭草、鹽爪爪和珍珠,其生態用水定額按(2)進
行計算,荒漠植被係數取2-4m的平均值1.6。計算出荒漠生態需水量為4.
55@108m3。在荒漠中年降水量在87-100mm左右,即降水補給量達8.72@108m3。
根據陳仲全、詹啟仁等做的工作,地下水可補給0.157@108m3,而荒漠水系統入滲量達0.8@108m3,蒸發水分量達3.
56@108m3。荒漠植物生長用水為4.537@108m3。
上述計算結果基本符合。
4.4 低地草甸生態需水
低地草甸分布在海拔1300-1500m之間的低窪地和地下水位高的地段。植被以耐鹽植物為主。植被主要有芨芨草、蘆葦、駱駝刺、莎草等,總面積佔165554.
8533hm2,是張掖畜牧業發展的基礎。目前像芨芨草)無脈苔群落的蒸騰耗水量為4462.5m3/hm2[20]。
但這是在灌溉條件下的情況,與天然狀態下的差別較大。為此,只能用間接方法計算,1-2m的潛水蒸發量為1383.
45m3/hm2。植被係數1-2m的取值1.9,經計算,其低地草甸生態需水量為0.92@108m3。根據前述模型及各類定額面積等統計資料計算的張掖生態需水情況見表3。
表3 張掖地區生態需水量統計
4.5 生態環境綜合生態需水量計算:
模型(3)中,陸面蒸發係數k的變化在乾旱區介於0.07-0.30[17],本文採用哈地坡站k值0.
23,(因為處於山口,也只用參考);水面蒸發力eo的取值,選取用正義峽站年水面蒸發力1.67m,有效降水量p值取張掖地區年平均降水量0.13m,景觀植被覆蓋度其值在0-1之間,在張掖地區r=0.
3[21]生態環境用水區面積達1272766.087hm2,由此計算得到張掖地區景觀生態需水量v=9.741@108m3。
5 結果與討論
(1)由表3可知,張掖地區生態需水量達9.74@108m3,其中天然系統需水5.47@108m3。佔56.
16%。人工系統需水4.27@108m3,佔43.
84%。而這些天然系統目前均位於人工系統以外,是人工綠洲的天然保障,是實現綠洲內部可持續發展的最根本的保證,而水是這一環境中最活躍、最敏感的因素。在其總量不變的條件下,天然系統與人工系統的用水存在著彼此消長的關係。
(2)從人工系統與天然系統內部來看,在人工系統生態需水中,用水最多的是防護林,需水量達4.02@108m3,佔41.27%,而其它林分,如薪炭林、用材林等亦客觀上對綠洲生態環境的維持和改善起到了積極作用,因其社會功用不同而稱其為彈性用水,所佔比例最小,只佔0.
0031%。天然系統生態需水中,需水量最大的是荒漠植被,達4.55@108m3。
因其處於綠洲外圍,對綠洲的高產穩定和生態環境的穩定都起著巨大的保護作用,其逆向演變的後果往往是綠洲災害的源地,而且該區又超載放牧,草場退化比較嚴重,再加之所佔面積廣大,因此,生態需水量最大。
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