王軍德 金彥兆 程玉菲

摘要：針對(duì)目前實(shí)施的石羊河流域綜合治理工程提出的蔡旗斷面下泄水量目標(biāo)，以石羊河流域中游涼州區(qū)為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)，選擇土壤類型、土地利用類型、坡度和高程等因子，利用生態(tài)景觀分析中的生態(tài)適宜性原理確定節(jié)水灌溉技術(shù)的適宜性分區(qū)；基于最小阻力模型，以灌區(qū)渠系為源區(qū)，利用距離函數(shù)確定節(jié)水灌溉的阻力表面特征，基于自然分類法將涼州區(qū)耕地劃分為高、中、低三種強(qiáng)度的節(jié)水灌溉區(qū)及常規(guī)灌溉區(qū)。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉技術(shù)；生態(tài)目標(biāo)；生態(tài)適宜性；最小累計(jì)阻力模型；空間布局；石羊河流域

中圖分類號(hào)：5274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.035

近年來，隨著我國水利事業(yè)的快速發(fā)展，節(jié)水灌溉技術(shù)得到了快速發(fā)展。據(jù)《2015年全國水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]，到2015年底，我國工程節(jié)水灌溉面積已達(dá)3106萬hm2，其中噴灌、微灌面積901.20萬hm2、低壓管灌面積891.20萬hm2。節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展一方面有效緩解了水資源供需矛盾，增加了農(nóng)業(yè)灌溉面積和農(nóng)業(yè)水資源效率，為促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)起到了積極作用；另一方面節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展對(duì)干旱半干旱區(qū)的綠洲內(nèi)部生態(tài)特別是人工生態(tài)產(chǎn)生了一定程度的負(fù)面影響，大量農(nóng)田路網(wǎng)的防護(hù)林因灌區(qū)渠系襯砌、降低滲漏而死亡，從而導(dǎo)致綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭受干熱風(fēng)等自然災(zāi)害的影響，出現(xiàn)作物耗水量增大甚至死亡的現(xiàn)象，綠洲內(nèi)部生態(tài)穩(wěn)定性遭到一定程度的破壞[2-5]。如何科學(xué)地結(jié)合節(jié)水灌溉技術(shù)特點(diǎn)在灌區(qū)內(nèi)部合理布置各項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)，確定節(jié)水灌溉技術(shù)布置的空間分布方式和強(qiáng)度，從而確保綠洲內(nèi)部生態(tài)穩(wěn)定、支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展，是節(jié)水灌溉技術(shù)空間布局需要考慮的重要內(nèi)容，也是節(jié)水灌溉技術(shù)優(yōu)化研究的熱點(diǎn)問題之一。

近年來，專家學(xué)者對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)空間布局開展了大量研究，但研究方向主要集中于綜合考慮地區(qū)水土資源和農(nóng)作物需水特征進(jìn)行節(jié)水灌溉的空間優(yōu)化布局研究[6-8]，忽略了區(qū)域綠洲內(nèi)部生態(tài)穩(wěn)定問題，對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)的水源支撐條件未作考慮，因此有必要探索一種在強(qiáng)調(diào)區(qū)域農(nóng)業(yè)水源供給與生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展條件下的節(jié)水灌溉技術(shù)空間優(yōu)化方法。位于我國西北干旱內(nèi)陸區(qū)的石羊河流域從2007年開始實(shí)施重點(diǎn)流域治理項(xiàng)目，核心就是推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，從而在流域中上游減少農(nóng)業(yè)用水，實(shí)現(xiàn)流域治理中控制蔡旗斷面有充足的水資源，從而保障流域下游農(nóng)業(yè)、生態(tài)和地下水的穩(wěn)定性恢復(fù)。本研究以該流域中游的涼州區(qū)為例，以構(gòu)建生態(tài)目標(biāo)良性恢復(fù)和農(nóng)業(yè)節(jié)水優(yōu)化布局為出發(fā)點(diǎn)，利用生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)原理和最小累計(jì)阻力模型進(jìn)行基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉空間分區(qū)，為進(jìn)一步研究節(jié)水灌溉優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域

涼州區(qū)位于甘肅省河西走廊東段，地處石羊河流域中游，總土地面積4873.85km2。涼州區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，具有太陽輻射強(qiáng)、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)量大、溫差大的特點(diǎn)。全年日照時(shí)數(shù)為2967.8h，日照百分比為67%；日均氣溫7月最高，為29℃，1月最低，為-14.9℃。多年平均降水量160mm，年蒸發(fā)能力2020mm。流經(jīng)區(qū)內(nèi)的西營河、金塔河、雜木河、黃羊河是全區(qū)的主要地表水源，多年（1993-2003年）平均地表年徑流量為6.80億m3。區(qū)內(nèi)地下水年取水量為5.25億m3，其中90%為河渠入滲量、基巖裂隙水入滲量，近l0 a來地下水年均可利用量為2.82億m3。全區(qū)地表水、地下水可利用總量多年平均為9.62億m3。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)的數(shù)字地形資料來源于USGS/NASASRTM數(shù)據(jù)，土壤和土地利用數(shù)據(jù)分別來自于中國科學(xué)院南京土壤研究所和中國科學(xué)院西部環(huán)境數(shù)據(jù)中心。研究區(qū)的灌區(qū)、水系、河渠和節(jié)水灌溉等資料來源于涼州區(qū)水務(wù)局。

2.2 研究方法

2.2.1 節(jié)水灌溉適宜性評(píng)價(jià)原理

節(jié)水灌溉適宜性是指節(jié)水灌溉技術(shù)及其應(yīng)用所依存的水源、耕地、地形等條件的適宜與否及適宜程度。這種適宜性是基于自然過程而不致引起節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展受阻，按照土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)建的整體格局，是符合區(qū)域水資源條件、土壤條件和氣候條件的，能夠滿足技術(shù)的地區(qū)適宜性要求。

基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉空間優(yōu)化布局，其基本思路是根據(jù)干旱區(qū)流域上中下游的水力聯(lián)系及水資源與生態(tài)之間的關(guān)系，節(jié)水灌溉技術(shù)的布局應(yīng)設(shè)置不同的節(jié)水程度，從而減小節(jié)水灌溉對(duì)區(qū)域地下水和地表水轉(zhuǎn)換關(guān)系的影響，根據(jù)高程、土壤類型、坡度、土地利用類型等生態(tài)因子，確立維護(hù)節(jié)水灌溉和生態(tài)良性發(fā)展雙贏條件下的節(jié)水灌溉布局原則，利用生態(tài)適宜性原理確定節(jié)水灌溉技術(shù)的空間布局。

2.2.2 最小累計(jì)阻力模型

最小累計(jì)阻力模型是1992年由Knaapen提出的，在生態(tài)景觀規(guī)劃和布局研究中應(yīng)用廣泛，后經(jīng)俞孔堅(jiān)等[9-12]的修改，可用下式表示：

MCR=fmin∑DijRi（1）

依據(jù)原公式參數(shù)定義，結(jié)合本研究目的，將式（1）中參數(shù)定義如下MCR為節(jié)水灌溉最小累計(jì)阻力值；Dij為從節(jié)水灌溉技術(shù)源地j到應(yīng)用單元i的空間距離；Ri為應(yīng)用單元i對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)擴(kuò)張的阻力系數(shù)；∑表示節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用單元i與節(jié)水灌溉技術(shù)源地j之間穿越所有單元的距離和阻力的合計(jì)；min表示被評(píng)價(jià)的節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用張力對(duì)于不同源地取累計(jì)阻力最小值；f為單調(diào)遞增函數(shù)，表示最小累計(jì)阻力與節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用的正相關(guān)關(guān)系。

最小累計(jì)阻力值反映了節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用的潛在可能性及趨勢(shì)，通過最小累計(jì)阻力的大小可判斷應(yīng)用單元與源地的連通性和相似性。

本研究將渠道作為節(jié)水灌溉的源地，主要考慮以下兩方面：一是石羊河流域中游武威盆地和下游的民勤盆地地下水單元相對(duì)獨(dú)立，流域中下游的水力聯(lián)系主要為地表水，流域內(nèi)部灌區(qū)主要采用渠道進(jìn)行水量輸送；二是渠道將地表水和地下水輸送到田間，耗費(fèi)了大量的資金技術(shù)成本，更應(yīng)該采用節(jié)水灌溉技術(shù)提升水資源利用效率。因此，本研究借助最小累計(jì)阻力模型模擬基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉技術(shù)從渠道向周圍空間擴(kuò)展的過程，最小累計(jì)阻力小的地區(qū)適宜開展節(jié)水灌溉，而最小累計(jì)阻力大的地區(qū)相對(duì)而言不適宜開展節(jié)水灌溉。

3 基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌概技術(shù)空間優(yōu)化

3.1 節(jié)水灌溉技術(shù)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

3.1.1 評(píng)價(jià)因子分級(jí)

各種灌溉技術(shù)都有一定的適用范圍，在選擇時(shí)主要應(yīng)考慮作物、地形、土壤和水源等條件[13]。畦灌、溝灌、淹灌和漫灌等地面灌溉方法適用于地形平坦、水源充足和中等滲透性土壤的區(qū)域，而噴灌適用于復(fù)雜地形、水量較少和各種滲透性土壤區(qū)域，滲灌、滴灌和微噴灌等高效節(jié)水灌溉適用于水量缺乏、地形平坦的區(qū)域，除滲灌僅適用于弱滲透性土壤外，滴灌和微噴灌適用于各種滲透性土壤。因此，本研究選擇土地利用類型、坡度和土壤類型作為節(jié)水灌溉適宜性的評(píng)價(jià)因子?？紤]到西北干旱區(qū)獨(dú)特的水文循環(huán)特征，流域中下游的自然生態(tài)對(duì)維護(hù)人工綠洲的穩(wěn)定具有舉足輕重的作用，流域中下游區(qū)域應(yīng)采用傳統(tǒng)灌溉而非強(qiáng)化節(jié)水技術(shù)措施，從而維護(hù)天然生態(tài)，因此選擇高程作為評(píng)價(jià)基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉技術(shù)適應(yīng)性的重要因子。

3.1.2 適宜性評(píng)價(jià)原則、模型及過程

基于上述評(píng)價(jià)因子，以實(shí)現(xiàn)石羊河流域中游蔡旗斷面下泄水量生態(tài)目標(biāo)下節(jié)水灌溉優(yōu)化布局為基本目標(biāo)，適宜性評(píng)價(jià)的基本原則如下：①由于高海拔地區(qū)降水資源豐富，其天然生態(tài)靠降水得以維護(hù)，節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)的影響程度較小，因此設(shè)定區(qū)域內(nèi)高程越高，發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級(jí)越高；②受西北干旱區(qū)風(fēng)力較大的限制，噴灌技術(shù)的推廣較為緩慢，在坡度因子中僅考慮地面灌溉和高效節(jié)水灌溉的方式，因此設(shè)定坡度越小，其發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級(jí)越高；③受資料的限制（無研究區(qū)的種植結(jié)構(gòu)資料），本研究?jī)H將土地利用類型作為節(jié)水灌溉發(fā)展的評(píng)價(jià)因子，耕地、林地和草地具有較高的發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級(jí)，這三類面積比重越大，優(yōu)先級(jí)越高；④土壤滲透性較大的土壤類型具有較高的發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)灌區(qū)內(nèi)部發(fā)展節(jié)水灌溉的優(yōu)先級(jí)高于灌區(qū)外部。

根據(jù)篩選的節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展影響因素，構(gòu)建以高程、坡度、土地利用類型和土壤類型為因子的節(jié)水灌溉技術(shù)適宜性評(píng)價(jià)模型為

Yi=Hi（Pi+Ti+Si）（i=1，2，…，n）（2）式中：Yi為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的適宜性等級(jí)分值，即阻力值；Hi為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的高程因子優(yōu)先級(jí)；Pi、Ti、Si分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的坡度、土地利用類型、土壤類型的優(yōu)先級(jí)；n為評(píng)價(jià)單元的個(gè)數(shù)。

參考其他專家學(xué)者的評(píng)價(jià)過程[11，14]，基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉適宜性評(píng)價(jià)的基本過程如下：基于節(jié)水灌溉技術(shù)評(píng)價(jià)的基本原則，對(duì)高程、坡度、土地利用類型和土壤類型因子進(jìn)行分級(jí)，確定各個(gè)因子的優(yōu)先級(jí)（見表1至表4）；利用ArcGIS空間分析功能，根據(jù)節(jié)水灌溉技術(shù)適宜性評(píng)價(jià)模型基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行節(jié)水灌溉技術(shù)阻力表面分析，即適宜性評(píng)價(jià)分析，結(jié)果見圖1。

3.2 節(jié)水灌溉技術(shù)空間格局分區(qū)

3.2.1 確立源地

節(jié)水灌溉技術(shù)源地的確立參考生態(tài)空間源地的確立方法，西北干旱內(nèi)陸區(qū)農(nóng)田水利建設(shè)特別是渠系建設(shè)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著十分重要的作用，水源條件較好的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展節(jié)水灌溉。以研究區(qū)現(xiàn)有的農(nóng)田水利工程為主要參考因素，考慮石羊河流域關(guān)井壓田工程及研究區(qū)上游均為井灌區(qū)的特點(diǎn)，將上游雜木灌區(qū)、黃羊灌區(qū)、金塔灌區(qū)和西營灌區(qū)內(nèi)的渠系作為節(jié)水灌溉技術(shù)空間格局生態(tài)優(yōu)化的源地。這些源地為灌區(qū)農(nóng)田提供水資源，是灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全的命脈。

3.2.2 基于生態(tài)目標(biāo)的節(jié)水灌溉技術(shù)空間格局分區(qū)

基于確立的源地和適宜性評(píng)價(jià)中建立的阻力表面圖（圖1），利用ArcGIS10.1空間分析手段，采用最小累計(jì)阻力模型（MCR），生成研究區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)最小累計(jì)阻力表面圖（圖2）。

以最小累計(jì)阻力表面圖為基礎(chǔ)，利用ArcGIS I0.I統(tǒng)計(jì)分析工具和自然分類方法確定變化拐點(diǎn)，結(jié)合研究區(qū)耕地分布圖，利用空間分析功能生成基于生態(tài)目標(biāo)的耕地節(jié)水灌溉技術(shù)分區(qū)，見圖3（圖中白色區(qū)域?yàn)樯衬?、戈壁、居民用地、裸巖裸土、水域等非耕地區(qū)）。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉分區(qū)僅僅從作物需水量和水土資源的優(yōu)化配置角度加以劃分，沒有考慮區(qū)域土壤、坡度和高程等因子對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)適應(yīng)性的影響，生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)和最小累計(jì)阻力模型等生態(tài)學(xué)方法為解決這一問題提供了一種可能。本研究選擇石羊河流域中游的涼州區(qū)作為研究區(qū)域，基于上述生態(tài)學(xué)方法對(duì)該區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行分區(qū)，是對(duì)該方法的一種嘗試。

（2）在考慮石羊河流域生態(tài)目標(biāo)的前提下，將高程作為西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的生態(tài)目標(biāo)的控制因子，這是出于減弱節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)流域中下游地下水和地表水循環(huán)的影響角度出發(fā)的，有利于改善中下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和保持中下游人工綠洲的穩(wěn)定。通過中上游節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約中上游的地表水，從而保障下游可獲得的地表水資源量，在下游農(nóng)田灌溉和生態(tài)補(bǔ)水過程中補(bǔ)充下游地下水資源，減緩地下水位漏斗擴(kuò)大的趨勢(shì)。

（3）基于生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)和最小累計(jì)阻力模型將研究區(qū)域劃分為4個(gè)分區(qū)：高強(qiáng)度節(jié)水灌溉區(qū)、中強(qiáng)度節(jié)水灌溉區(qū)、低強(qiáng)度節(jié)水灌溉區(qū)和傳統(tǒng)灌溉區(qū)。對(duì)于不同強(qiáng)度區(qū)域節(jié)水灌溉方式的選擇及其節(jié)水定量化指標(biāo)的確定，還有待進(jìn)一步分析研究。

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