额济纳绿洲生态需水
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水利学报
2012 年 9 月
SHUILI XUEBAO
文章编号：0559-9350（2012）09-1127-07
额济纳绿洲生态需水研究
第 43 卷 第 9 期
杨立彬 1理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安 710048； 2. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003；3. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）
由于特殊的自然地理条件，水资源是决定额济纳绿洲规模的最关键因素，因而本文重点研究绿 洲植被生态需水的合理确定方法，为维持绿洲生态提供技术依据。生态需水是目前生态学、水文学 和水资源学研究的热点问题。针对生态需水的研究源于美国 20 世纪 40 年代，其目的为了获取维持 鱼类生存所需的河道基流，之后扩展到研究河岸带生态需水［3］。1996 年，Cleick P H［4］最先提出了生 态需水的基本概念，即需要一定质量和数量的水维持生态环境，以求最大程度地恢复生态系统的过 程，保护物种的多样性和生态完整性；2009 年，Buzan 等［5］根据美国加尔威斯顿湾的牡蛎产量与淡 水输入过程和水体盐度的相关关系分析确定海湾河口生态需水量；Sun T 等［6］根据河口生态系统健康 需求明确生态需水目标确定了河口生态需水规律。国内对生态需水的研究源于 20 世纪 90 年代，主 要针对西北干旱缺水地区展开研究，众多学者对生态需水量的概念和估算展开了卓有成效的研究， 提出了生态需水量的许多概念，概括起来主要有侧重水文学、侧重环境学和侧重生态学三方面的概 念［7-10］。针对额济纳绿洲面临的严峻生态形势，近年来关于额济纳绿洲生态需水的研究取得了很多 成果［11-13］，如张一驰等［2］开展了黑河流域生态输水对下游植被变化影响研究；郭巧玲等［14］研究预测了
2.2 额济纳绿洲水资源-生态演变时间响应关系 根据分析［17-18，20］，额济纳绿洲区的地下水位埋深主 要受正义峡断面来水和其自身水资源利用水平控制。从 20 世纪 70 年代初到 21 世纪初，黑河干流正义 峡断面来水呈总体下降趋势。1972—1987 年时段与 1972 年前 10 年相比平均每年来水减少 0.96 亿 m3； 与 1972—1987 年时段相比，1987—2000 年间平均每年来水减少 2.87 亿 m3，年均减少量约为前者的 3 倍。由表 1 可知，从 20 世纪 70 年代初到 21 世纪初，研究区绿洲植被面积和荒漠植被面积均呈下降 趋势。1972—1987 年间，绿洲植被面积减少 260km2，每年减少 17km2，荒漠绿洲面积减少 546km2， 每年减少 36km2；1987—2000 年间，绿洲植被面积减少 690km2，每年减少 53km2，荒漠绿洲面积减少 1 393km2，每年减少 107km2，退化速度也大体相当于 1972—1987 年间的 3 倍。因而可以看出，额济 纳绿洲生态演变与地表水资源密切相关，正是正义峡断面来水量的减小导致额济纳绿洲生态的退化
型的合理性，该方法可为北方缺水地区绿洲生态需水分析计算和水资源管理方案的合理制定提供决策依据。
关键词：生态需水；“正切”模型；RS 与 GIS；额济纳绿洲
中图分类号：X171
文献标识码：A
1 研究背景
额济纳绿洲位于我国第二大内陆河黑河下游，处于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗的极旱荒漠 之中，北与蒙古国交界，南与河西走廊相邻，是我国西北极旱荒漠区面积最大的绿洲之一。该绿洲 是我国第二大胡杨林生长地，且与西北风向正交，是阻挡风沙进入我国内陆的第一道绿色屏障，在 我国生态环境建设中具有重要地位。然而，随着黑河流域中游地区经济社会的发展，用水量逐年增 加，黑河干流进入额济纳绿洲的水量逐年减少，导致植被萎缩，生态环境退化，严重危及绿洲的生 存，成为我国西北干旱地区土地荒漠化、生态环境严重退化和水事矛盾尖锐的典型地区，也逐渐演 变为我国沙尘暴的重要源头之一，其影响已波及到中国北方大部分区域。因此，近年来关于如何维 持和恢复额济纳生态绿洲的研究成为热点［1-2］。
本文结合黑河流域生态环境与水资源管理的实际，利用遥感实测资料分析额济纳绿洲生态演变 和水资源关系，建立了额济纳绿洲生态需水计算的“正切”模型，获得了额济纳绿洲的生态需水量， 为额济纳绿洲可持续发展提供技术支持。
2 额济纳绿洲水资源——生态演变响应关系分析
额济纳绿洲由于地处亚洲大陆腹地，属极强的大陆性气候，降水稀少、蒸发强烈、生态环境脆 弱。据统计［14］，额济纳绿洲年均降水量为 37mm，年蒸发量则高达 3 841.5mm，降水难以维系当地生 态系统。同时，额济纳绿洲主要为牧区，人口密度小，经济社会发展相对滞后，当地人类活动对生 态环境的干扰极小，对生态环境影响有限。由于额济纳绿洲区几乎不产流，区域水资源主要依靠黑 河干流正义峡断面下泄水量的补给，众多研究表明［10，14，17-19］，额济纳绿洲生态系统的生存与稳定主要 依赖于干流下泄水量补给当地的地下水资源量，下泄水量的多少直接控制着绿洲的规模及分布，近 期生态环境退化主要是由于中游地区用水过度，导致进入下游额济纳绿洲的水量骤减造成的。 2.1 遥感资料选取和生态环境分区 根据额济纳绿洲研究区的实际情况，将额济纳绿洲分为 9 个子 区，并选择 1972 年、1987 年和 2000 年 Landsat TM/ETM 影像解译成果作为生态演变研究的基础资料。 研究分区见图 1，三期遥感影像的解译成果见表 1。
收稿日期：2012-02-21 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助（2011CB403306）；公益性行业科研专项（201104043） 作者简介：杨立彬（1973-），男，河南淮阳人，博士生，高级工程师，主要从事水资源系统工程研究。E-mail：ylb3617@
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额济纳绿洲生态需水。但其大多数论文是基于生态功能考虑的绿洲生态需水量计算方法研究，计算 方法与日常决策管理存在较大差距，可操作性较差［15-16］。
摘要：基于遥感解译和实测径流资料，分析了额济纳绿洲生态状况与水资源的关系，结果表明，无论从时间尺度
上还是从空间尺度上，额济纳绿洲生态演变和水资源之间均具有明显的正相关关系，水资源减少是生态退化的决
定性因素。在此基础上，结合西北内陆河产水和用水特点，认为产流较弱的绿洲区生态需水量是为维持一定规模
绿洲所需区外补给水量。随后建立了额济纳绿洲生态需水计算的“正切”模型，通过与其他方法的比较，验证了模
2012 年 9 月
SHUILI XUEBAO
文章编号：0559-9350（2012）09-1127-07
额济纳绿洲生态需水研究
第 43 卷 第 9 期
杨立彬 1理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安 710048； 2. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003；3. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）
由于特殊的自然地理条件，水资源是决定额济纳绿洲规模的最关键因素，因而本文重点研究绿 洲植被生态需水的合理确定方法，为维持绿洲生态提供技术依据。生态需水是目前生态学、水文学 和水资源学研究的热点问题。针对生态需水的研究源于美国 20 世纪 40 年代，其目的为了获取维持 鱼类生存所需的河道基流，之后扩展到研究河岸带生态需水［3］。1996 年，Cleick P H［4］最先提出了生 态需水的基本概念，即需要一定质量和数量的水维持生态环境，以求最大程度地恢复生态系统的过 程，保护物种的多样性和生态完整性；2009 年，Buzan 等［5］根据美国加尔威斯顿湾的牡蛎产量与淡 水输入过程和水体盐度的相关关系分析确定海湾河口生态需水量；Sun T 等［6］根据河口生态系统健康 需求明确生态需水目标确定了河口生态需水规律。国内对生态需水的研究源于 20 世纪 90 年代，主 要针对西北干旱缺水地区展开研究，众多学者对生态需水量的概念和估算展开了卓有成效的研究， 提出了生态需水量的许多概念，概括起来主要有侧重水文学、侧重环境学和侧重生态学三方面的概 念［7-10］。针对额济纳绿洲面临的严峻生态形势，近年来关于额济纳绿洲生态需水的研究取得了很多 成果［11-13］，如张一驰等［2］开展了黑河流域生态输水对下游植被变化影响研究；郭巧玲等［14］研究预测了
2.2 额济纳绿洲水资源-生态演变时间响应关系 根据分析［17-18，20］，额济纳绿洲区的地下水位埋深主 要受正义峡断面来水和其自身水资源利用水平控制。从 20 世纪 70 年代初到 21 世纪初，黑河干流正义 峡断面来水呈总体下降趋势。1972—1987 年时段与 1972 年前 10 年相比平均每年来水减少 0.96 亿 m3； 与 1972—1987 年时段相比，1987—2000 年间平均每年来水减少 2.87 亿 m3，年均减少量约为前者的 3 倍。由表 1 可知，从 20 世纪 70 年代初到 21 世纪初，研究区绿洲植被面积和荒漠植被面积均呈下降 趋势。1972—1987 年间，绿洲植被面积减少 260km2，每年减少 17km2，荒漠绿洲面积减少 546km2， 每年减少 36km2；1987—2000 年间，绿洲植被面积减少 690km2，每年减少 53km2，荒漠绿洲面积减少 1 393km2，每年减少 107km2，退化速度也大体相当于 1972—1987 年间的 3 倍。因而可以看出，额济 纳绿洲生态演变与地表水资源密切相关，正是正义峡断面来水量的减小导致额济纳绿洲生态的退化
型的合理性，该方法可为北方缺水地区绿洲生态需水分析计算和水资源管理方案的合理制定提供决策依据。
关键词：生态需水；“正切”模型；RS 与 GIS；额济纳绿洲
中图分类号：X171
文献标识码：A
1 研究背景
额济纳绿洲位于我国第二大内陆河黑河下游，处于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗的极旱荒漠 之中，北与蒙古国交界，南与河西走廊相邻，是我国西北极旱荒漠区面积最大的绿洲之一。该绿洲 是我国第二大胡杨林生长地，且与西北风向正交，是阻挡风沙进入我国内陆的第一道绿色屏障，在 我国生态环境建设中具有重要地位。然而，随着黑河流域中游地区经济社会的发展，用水量逐年增 加，黑河干流进入额济纳绿洲的水量逐年减少，导致植被萎缩，生态环境退化，严重危及绿洲的生 存，成为我国西北干旱地区土地荒漠化、生态环境严重退化和水事矛盾尖锐的典型地区，也逐渐演 变为我国沙尘暴的重要源头之一，其影响已波及到中国北方大部分区域。因此，近年来关于如何维 持和恢复额济纳生态绿洲的研究成为热点［1-2］。
本文结合黑河流域生态环境与水资源管理的实际，利用遥感实测资料分析额济纳绿洲生态演变 和水资源关系，建立了额济纳绿洲生态需水计算的“正切”模型，获得了额济纳绿洲的生态需水量， 为额济纳绿洲可持续发展提供技术支持。
2 额济纳绿洲水资源——生态演变响应关系分析
额济纳绿洲由于地处亚洲大陆腹地，属极强的大陆性气候，降水稀少、蒸发强烈、生态环境脆 弱。据统计［14］，额济纳绿洲年均降水量为 37mm，年蒸发量则高达 3 841.5mm，降水难以维系当地生 态系统。同时，额济纳绿洲主要为牧区，人口密度小，经济社会发展相对滞后，当地人类活动对生 态环境的干扰极小，对生态环境影响有限。由于额济纳绿洲区几乎不产流，区域水资源主要依靠黑 河干流正义峡断面下泄水量的补给，众多研究表明［10，14，17-19］，额济纳绿洲生态系统的生存与稳定主要 依赖于干流下泄水量补给当地的地下水资源量，下泄水量的多少直接控制着绿洲的规模及分布，近 期生态环境退化主要是由于中游地区用水过度，导致进入下游额济纳绿洲的水量骤减造成的。 2.1 遥感资料选取和生态环境分区 根据额济纳绿洲研究区的实际情况，将额济纳绿洲分为 9 个子 区，并选择 1972 年、1987 年和 2000 年 Landsat TM/ETM 影像解译成果作为生态演变研究的基础资料。 研究分区见图 1，三期遥感影像的解译成果见表 1。
收稿日期：2012-02-21 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助（2011CB403306）；公益性行业科研专项（201104043） 作者简介：杨立彬（1973-），男，河南淮阳人，博士生，高级工程师，主要从事水资源系统工程研究。E-mail：ylb3617@
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额济纳绿洲生态需水。但其大多数论文是基于生态功能考虑的绿洲生态需水量计算方法研究，计算 方法与日常决策管理存在较大差距，可操作性较差［15-16］。
摘要：基于遥感解译和实测径流资料，分析了额济纳绿洲生态状况与水资源的关系，结果表明，无论从时间尺度
上还是从空间尺度上，额济纳绿洲生态演变和水资源之间均具有明显的正相关关系，水资源减少是生态退化的决
定性因素。在此基础上，结合西北内陆河产水和用水特点，认为产流较弱的绿洲区生态需水量是为维持一定规模
绿洲所需区外补给水量。随后建立了额济纳绿洲生态需水计算的“正切”模型，通过与其他方法的比较，验证了模