典型流域

典型流域（精选9篇）

典型流域 篇1

摘要：为了研究流域生态及环境状况宏观变化趋势, 需要了解其早期典型年的生态耗水情况和变化趋势, 受客观技术条件、研究周期和经费限制, 经综合考虑, 早期典型年生态耗水利用1980年、1990年与2000年TM数据, 2005年遥感数据除采用MODIS数据外, 还采用了中巴资源卫星数据。采用相对绿量比值系数法计算。

关键词：绿度,绿量,植被指数,生态耗水流域概况

白杨河流域位于新疆北部准噶尔盆地的西北缘, 发源于塔城地区, 流经塔城地区的和布克赛尔县、额敏县、托里县和克拉玛依市。流域总面积1.63×104km2, 水资源总量4.59×108m3, 多年平均地表水资源量3.73×108m3, 其中白杨河多年平均径流量2.37×108m3, 占全流域水量的63.8%, 是和布克赛尔县、托里县境内最大的一条河流。

1 计算技术路线

植物耗水量与植物生长状况密切相关, 植物长势越好, 植物产生的干物质越多, 所耗用的水量也越大。植被指数可以良好地描述植物长势, 植物长势越好, 植被绿度越高, 因此利用植被绿度, 可以估算植被长势进而估算植物及环境耗水。

利用2005年生长期每旬的MODIS遥感数据计算生长期每月耗水量和绿量, 计算表明, 不但是植被覆盖区, 其它景观区, 绿量与景观生态耗水都具有明显的相关性。

由于不同传感器对地物反射光铺增益不同, 遥感数据时象差异, 遥感数据获取时间差异等, 导致计算出的绿量有系统误差, 为了减少这些误差干扰, 以代表区绿量的平均值作为基准绿量, 计算各分区的相对绿量, 建立相对绿量与景观耗水关系, 以此为依据, 估算1980年、1990年和2000年景观生态耗水。

基于上述原理, 首先利用1980年、1990年和2000年7月TM数据以及2005年7月中巴资源卫星数据, 计算流域植被绿度和绿量。根据2005年生长期植被绿量和耗水量, 统计计算单位绿量耗水量。并以此为依据, 计算1980年、1990年、2000年植被耗水量。

2 主要关系及概念

2.1绿度

植被指数是植被长势的一种量度, 利用遥感数据可以对许多类植被指数进行计算, 绿度有许多种表达方式。本次研究将景观生态经归一化的植被指数化分为100等份, 每1份定义为1个单位绿度, 记作:1G。

2.2绿量

将景观生态占地面积与景观绿度的积定义为绿量, 将每平方米1个绿度的绿量定义1个单位绿量, 记作:1Gm2。

其中:Q绿:总绿量。RVIk:植被指数。

Ak:景观生态面积。k:月份。

2.3利用MODIS数据计算生长期景观生态每月的耗水量。

2.4单位植被量耗水量, 在同一地区正常气候条件也可以看作常数。

2.5为了消除不同遥感平台的影响, 反映流域生态的整体、宏观变化趋势, 采用相对植被指数, 其计算公式为:

其中:RVIk:相对植被指数。VIk:植被指数。

VI0:参考区平均植被指数。

本流域山区为径流形成区, 受人为因素干扰小, 山区植被生长状况可以认为相对稳定, 莫合台洼地和白杨洼地水资源丰富, 人为因素干扰也较少, 植被主要在自然状态下生长。径流的再分配也主要集中在平原区, 径流量大小主要影响平原区植被用水条件, 进而影响植被的分布和长势。人为干扰区也主要集中在平原, 引额济克工程影响区主要集中在其沿线平原区和克拉玛依市。调水工程的建成运行, 引起白杨河水库以下平原区水环境发生质的变化, 受这种变化的影响, 该区植被状况也发生了较大变化。选用山区、莫合台洼地和白杨洼地代表地区作为本次计算参考区, 参考区平均植被指数的算数平均值作为参考基准面, 在大体一致的基准面基础上, 计算绿量, 以客观反映流域景观生态绿量和耗水量的宏观变化趋势。

3 早期典型年植被指数计算

为了研究流域生态及环境状况宏观变化趋势, 选择1980年、1990年、2000年为典型年。其中1980年为枯水年, 1990年、2000年、2005年为平水年。由于客观技术条件和经济条件限制, 1980年选取TM图像, 1990年、2000年选取图像为ETM图像。为提高计算精度, 2005年遥感数据除采用MODIS数据外, 还采用了中巴资源卫星数据。绿量计算过程如下:

3.1计算时, 先对图像进行大气辐射校正和几何校正, 校正满足精度和误差要求后, 开始进行土地利用解译和植被指数计算。

3.2利用比照方法进行土地利用解译, 解译后, 首先进行自检, 然后再进行互检, 并将解译成果形成初步GIS矢量文件, 统计流域不同地类面积, 通过不同时像对比分析, 进一步对土地利用成果进行检查。解译成果满足精度后, 编制土地利用图和土地利用GIS文件。

3.3利用遥感软件计算典型年植被指数, 本专题采用垂直植被指数。在GIS系统平台上, 利用土地利用解译成果和植被指数计算成果, 计算分区绿度和绿量。

3.4统计汇总得到不同景观生态的相对绿量。

4 早期典型年生态耗水及评价

首先利用2005年的景观生态蒸散计算结果和2005年植被量计算结果, 计算2005年单位植被量耗水量, 然后利用1980年、1990年、2000年植被量计算结果, 计算1980年、1990年、2000年景观生态耗水量, 见表1。

在1980年到1990年期间, 流域总耗水呈逐渐减少趋势, 从17.86×108m3到16.57×108m3。从1990年到2005年, 总耗水量快速增加, 2000年为18.16×108m3, 2005年到达19.21×108m3。相对于2000年, 增加了15%。

5 结语

基于1980年、1990年2000年与2005年遥感数据, 利用植被绿度、绿量, 采用相对植被量方法, 计算早期典型年生态耗水并分析研究, 为流域生态及环境状况宏观变化趋势提供研究依据与基础。进而合理协调流域生态用水, 合理协调石油与地方用水矛盾, 合理协调生产用水与生态用水, 实现区域经济、社会、环境和谐发展。

参考文献

[1]张晓涛, 康绍忠, 王鹏新, 等, 估算区域蒸发蒸腾量的遥感模型对比分析[J]农业工程学报, 2006, 07:6-13.

[2]王冬妮, 李国春, 等用MODIS数据反演辽西北地区陆面温度[J]农业网络信息, 2006, 01:26-28.

[3]何延波, 王石立.遥感数据支持下不同地表覆盖的区域蒸散[J]应用生态学报, 2007, 02:288-296.

[4]荀尚培, 吴文玉, 张宏群.基于统计的MODIS地表反射率简单估算方法[J].量子电子学报, 2006, 05:746-752.

典型流域 篇2

酸沉降影响下湖南两个典型小流域土壤酸化研究

在湖南选定2个小流域,对小流域降雨和土壤进行了监测分析,研究了酸沉降影响下小流域土壤酸化状况.结果表明,2个小流域降雨pH的.体积加权平均值分别是4.54和4.90;估计每年硫沉降分别是6.6和5.8g/m,表明在2个小流域降雨为酸性且硫沉降较高.2个小流域土壤pH在3.94～5.19,盐基饱和度在5.9%～56.4%,两小流域土壤有较高酸性.结合考虑在这2小流域高的硫沉降和土壤酸化现状,虽然在目前两小流域尚未观察到植被受土壤酸化危害的迹象,但存在潜在的生态危害.

作 者：薛南冬 廖柏寒 刘鹏 铁柏清 黄运湘 XUE Nan-dong LIAO Bo-han LIU Peng TIE Bo-qing HUANG Yun-xiang  作者单位：薛南冬,XUE Nan-dong(湖南农业大学,资源环境学院,湖南,长沙,410128;中国科学院,生态环境研究中心,北京,100085)

廖柏寒,刘鹏,铁柏清,黄运湘,LIAO Bo-han,LIU Peng,TIE Bo-qing,HUANG Yun-xiang(湖南农业大学,资源环境学院,湖南,长沙,410128)

刊 名：湖南农业大学学报(自然科学版)  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HUNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES) 年，卷(期)：2005 31(1) 分类号：X131.3 关键词：小流域   硫沉降   土壤酸化   湖南  

典型流域 篇3

1 降雨分析

本次降雨状况分析主要选取漠阳江流域代表雨量站多年资料进行统计, 与2007年降雨状况进行对比分析。

1.1 年降雨状况

漠阳江流域现有双捷、荆山、陂面三个水文站, 分别布设于中上游。基于考虑到暴雨中心、面上分布基本均匀、资料尽可能完整的原则, 选取了15个雨量站点 (占漠阳江流域全部雨量站点的25%) 作为代表雨量站, 以水文站为中心将漠阳江流域划分为3个片进行降雨状况分析。

从表2-1的统计结果可看出, 漠阳江流域各代表雨量站2007年降雨量与多年平均降雨量比较减少247.7~957.0mm不等, 偏少12.4%~43.2%。2007年各代表雨量站平均年降雨量1588.4mm, 而各站平均多年平均降雨量均值为2240.9mm, 减少652.5mm, 偏少29.1%, 其中暴雨中心仙家垌站减少957.0mm, 为各站最大值。

1.2 多年降雨规律分析

分别对各代表站的历年降雨量做多年降雨过程图和十年滑动平均多年降雨过程线图。从多年降雨过程图中可以明显看出:各站片的各代表站多年降雨过程趋势基本一致, 各代表站系列基本都是锯齿波型。从各站片十年滑动平均多年降雨过程线图中可以得出, 从1991年到2002年期间各站年降雨量有明显的逐年增加趋势;而2002年以后, 各站年降雨量有明显的逐年减少趋势。

从各站多年降雨过程图中还能发现各站片有些站点降雨比较突出, 各站片十年滑动平均多年降雨过程线图中反映得尤为明显。比如荆山站片的仙家垌站, 每年的降雨量都比其他站点高出许多;陂面站片硖石站年降雨量比其他站点要稍多, 春湾站年降雨量比其他站点要稍少;双捷站片塘口圩站年降雨量比其他站点稍多, 北津港站年降雨量比其他站点稍少。个别站点成为暴雨中心与其自然地理因素密切相关, 如仙家垌站。

1.3 年内降雨规律分析

本次分析漠阳江流域2007年年内降雨情况, 主要利用各个站片作年内降雨分布图来进行分析。对代表站降雨量取算术平均作为该站片的降雨量, 制成图表。从图中可明显看出, 历年降雨集中在汛期的5~9月份, 占到75%左右。2007年在汛期降雨量较常年偏少, 特别是7月份尤为突出, 这与该年受沿海台风影响少密切相关。同时2007年10~12月份降雨量也非常少, 但和常年比较来看, 还是相差不大。

2 径流分析

2.1 年径流状况

本次径流分析选取漠阳江流域控制水文站双捷站作为径流代表站。经过统计, 双捷站2007年年径流量31.84亿m3和该站多年平均年径流量57.83亿m3相比明显减少44.9%。2007年平均流量101m3/s和该站多年平均流量183m3/s相比也明显减少44.9%。

2.2 径流趋势分析

双捷站及其上游水文站的多年径流过程趋势基本一致, 各系列基本都是锯齿波型, 一些时段呈波动上升趋势, 一些时段呈波动下降趋势, 而从2002~2007年这一时期, 各代表站的年径流量呈波动减少趋势, 从十年滑动平均径流过程线可以更明显看出这一趋势 (见图3-1~图3-2) 。

2.3 径流系数

通过2007年水文资料整编统计:2007年荆山站年径流深为815.5mm, 是多年平均径流深的58.8%;陂面 (三) 站的径流深为749.2mm, 是多年平均径流深的61.7%;双捷站径流深为732.8mm, 是多年平均径流深的55.1%。2007年荆山站的径流系数为47.8%, 而多年平均值是61.6%;陂面 (三) 站的径流系数是53.9%, 而多年平均值是62.0%;双捷站的径流系数是48.5%, 而多年平均值是58.1%;双桥站的径流系数是30.5%, 而多年平均值是48.8%。显然, 2007年径流系数、年径流深较多年明显偏小, 减少达40%。

3 丰枯水评定

以上对2007年降雨和径流的分析, 已经初步表现出一定的枯水状态, 下面就对2007年丰枯程度作定量分析。在此, 丰枯年份按照如下标准划分:

丰水年[X0+1.15S, +∞)

偏丰水年[X0+0.32S, X0+1.15S)

平水年[X0-0.32S, X0+0.32S)

偏枯水年[X0-1.15S, X0-0.32S)

枯水年 (-∞, X0-1.15S)

其中X0, S分别为系列的均值和方差。

按照以上标准, 对各站片代表站进行定量分析, 结果共有9个雨量站点表为偏枯水年, 占总站数的25.7%;共有26个站为枯水年, 占总站数的74.3%, 荆山、陂面、双捷站年径流量全部为枯水年。因此, 漠阳江流域2007年为典型枯水年。

4 结语

综上分析, 近年来漠阳江流域降雨量持续偏少, 而2007年更为严重, 该年粤西沿海地区受台风影响相对往年明显减少, 在这年里没有发生台风所引起的强降雨, 这是形成枯水状态的客观原因。其次, 漠阳江流域水利工程众多, 没有形成科学、统一的水资源调度机制是形成枯水状态的人为主观因素。因此, 密切关注海洋中台风的产生及其运动路径, 利用科学、统一的水资源调度机制进行调配, 不仅有利于防洪, 而且有利于缓解或消除枯水状态, 从而满足工农业灌溉的需求。

参考文献

典型流域 篇4

喜马拉雅山北坡典型高山流域水文过程与气候变化研究

摘要：全球变暖的大环境下，作为淡水最大储存的冰川日益退缩，以冰川融水补给为主的河流直接受到影响，尤其在中国等亚洲地区。这类河流在我国主要分布在西部地区，冰川水资源是下游，尤其是干旱与半干旱区人民赖以生存和社会经济可持续发展的生命线。喜马拉雅山是我国以及印度、东南亚很多河流的发源地，由于冰雪融水占很大比重，所以对气候变化比较敏感；同时这个区域广泛分布着岛状多年冻土，冻土对径流过程也有着不可忽视的影响，但在我国喜马拉雅山一侧冰川冻土水文对气候变化响应的研究却很少。本文选取我国喜马拉雅山一侧唯一具有长期水文气象观测资料的卡鲁雄曲为典型区域，通过Mann-Kendall趋势检验法，Sen坡度估计以及相关统计分析方法，分析了近20年河流水情，并与气候特征结合来探讨径流变化的原因，所得结果对研究青藏高原水文气象过程与我国东南亚乃至全球的天气、气候变化都有一定的指导意义。（1）卡鲁雄曲流域近40年平均气温以0.38℃/10a的趋势上升，高于西藏年均温0.26℃/10a的增长率，更是明显高于同期全国气温增长率（0.40℃/100a）和全球气温增长率（0.3~0.6℃/100a），且极端最高温都出现在20世纪90年代。后十年气温（1994~2003年）比前十年（1983~1993年）升高0.5℃。（2）径流对气候变化的响应最灵敏（一年有8个月的增加趋势通过α=0.05的显著性检验），尤其是秋冬季的径流（α=0.01）。后10年与前10年比较，径流量增加了26%；不同月份径流增加强度不同，10~2月增加了44%，7~9月增加了27%，3~6月增加了24%。（3）受冰川消融和季风降水的影响，不同月份的径流受到的影响因素不同；但存在共性，即气温对径流起着积极主导作用，而降水对径流的影响则具有不确定性；根据已有资料建立了消融期（4~10月）置信度超过95%的径流与气候要素的统计方程，可进行未来情景预测。并采用未来不同气候情景（α=0.02℃/a或α=0.052℃/a），根据已建立的统计方程，得出2050年和2100年可能的径流变化，发现5月和10月的径流增加最多。（4）非消融期（11~3月）径流有不同程度的涨幅，突变发生在1990年左右。1月份增加最明显，后10年比前10年增加了67%。遥相关分析表明1月份径流与7~12月径流有通过95%显著性检验的相关性，前期月份共同作用使径流变化更显著，这是冻土区所特有的。（5）SRM在卡鲁雄曲流域的模拟结果比较理想，说明SRM融雪径流模型在冰川区域同样适用；并且通过情景预测，在气温上升1℃的情况下，模拟的径流没有明显提前，但流域径流量整体明显增大。

Abstract：The Karuxung catchment is a typical area and unique with a long term observations in the Tibet-Himalayas since 1983.The altitude of the basin varies widely from about 4,550 m to 7,200 m.Owing to high elevation, the alpine permafrost covers about 60% of the drainage area, which limit line is 5,100 m, above which underlay permafrost and below is seasonally frozen ground.Water supply of the Karuxung watershed is mainly from melt water and rainfall;therefore climate warming and precipitation increasing both have positive impacts to runoff.Mann-Kendall trend analysis, the Sen’s slope estimate and correlation analysis were employed to analyze data from Wengguo hydrometric station and Langkazi meteorological station.The results indicated that runoff, air temperature, precipitation and evaporation all have pictured significantly upward trends.Of which runoff change was the most sensitive to climate change, especially during fall and winter.It was concluded that a great number of trends were observed than were expected to occur by chance.In recent 20 years, the annual mean temperature has increased dramatically with a speed of 0.34℃ every 10 years, which was higher than the speed of Tibet region which was 0.26℃ every 10 year, and the extremely high temperature all appeared in the 1990s.For the air temperature, it in the pre-10 years was higher with 0.5℃ than that of the post-10 years, whereas the runoff has increased 26%.Different periods have different growth extent, it during October to February has increased 44%, July to September has increased 27%, and March to June has increased 24%.During ablation period, the runoff change was affected mostly by climate change from April to June, whereas the runoff was affected by air temperature and precipitation jointly when monsoon came, and the precipitation influenced the runoff with uncertainty.During non-ablation period, runoff change was more obviously as it was influenced by former months;the key supply was baseflow.The results indicated that the runoff in cold season all have figured out significantly increasing extents, of which runoff change in January was the greatest about 67%.Furthermore, the runoff in January had close correlations with the runoff from July to December at a significance level of 95%.Therefore, the runoff change in cold season was caused by the former months jointly, which was a characteristic of the permafrost effect.SRM was applied to the Karuxung watershed, and showed a very good result.In a warmer scenario with 1℃ increased daily air temperature, the runoff peak did not move forward, but the mount was enlarged.

典型流域 篇5

自20 世纪70 年代特别是80 年代以来, 由于人们无视水、草资源的承载能力和环境容量, 在全球气候干热化趋势背景下, 对水、草资源无序开发, 在气候变化与人类活动双重因素的交互作用影响下, 导致草原生态环境严重恶化, 局部地区已成为我国沙尘暴天气发生的主要沙源区, 目前正面临着由“结构性破坏”到“功能性紊乱”演变的发展态势。昔日“天苍苍, 野茫茫”的草原正面临着严重的沙退化问题。干旱、半干旱区草地退化和荒漠化已经成为全球性的重大生态环境问题[3,4,5]。

通过遥感 (RS) 与地理信息系统 (GIS) 手段结合地面实地考察, 确定研究区域的植被现状, 在此基础之上, 借助历史时期的遥感影像以及历史监测资料, 同时依据对干旱草原区植被演替的长期研究成果, 确定草原植被动态演替趋势[6,7,8]。分析研究区的植被群落组成结构、分布格局与演变过程, 为植被变化的生态水文响应研究提供基础支撑。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区中部、阴山北麓希拉穆仁草原上东河小流域, 地处内蒙古包头市达尔罕茂明安联合旗东南部希拉穆仁镇, 地理位置为北纬41°21′05″, 东经110°12′35″。属半干旱大陆性季风气候, 昼夜温差较大。年降水量在282mm左右, 集中在7—9 月。年均气温2.5 ℃, 多年平均日照时数3 100 h, 无霜期83 d左右;多年平均蒸发能力2 305 mm。年均湿润度为0.31, 平均风速4.5 m/s, 最大风速为27.0 m/s, 全年主要风向为北风和西北风。希拉穆仁草原属低山丘陵干旱草原, 优势植物主要有克氏针茅、羊草等, 是典型草原群落。

2 不同时期土地利用类型

土地利用与土地覆盖变化从某种意义上记录了人类的特征空间活动, 对人类生活和社会发展具有重要意义。通过基于RS和GIS技术的土地利用动态监测, 可以有效地记录草地面积的变化情况, 从而为生态环境整治以及国家中长期政策方针的制定起到了很好的参考意义[9]。

研究区位于内蒙古包头市达茂旗希拉穆仁镇, 地域辽阔, 资源丰富, 有着一望无际的广袤草原。以SPOT、ALOS以及资源三号的卫星影像作为数据源。通过人机交互的方式获取了2000 年、2010 年研究区土地类型覆盖数据。数据解译一级地类划分为:草地、耕地、建设用地、水体及未利用地五类。在一级地类的基础上, 划分成九类二级地类, 分别为:高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水田、交通用地、农村居民点、其他建设用地、水库坑塘、裸土地。各年土地利用类型如图1、2 所示。

通过分析可知:①2000 年地表覆盖类型中, 草地占研究区总面积的97.79%。其中, 草地中的高覆盖草地占草地总面积的30.70% , 中覆盖草地占草地总面积的36.69% , 低覆盖草地占草地总面积的32.61%;建设用地占研究区总面积2.03%其他用地占研究区总面积0.17%。②2010年地表覆盖类型中, 草地占研究区总面积94.3%。其中, 草地中高覆盖草地占草地总面积的45.47%, 中覆盖草地占草地总面积的34.17%, 低覆盖草地占草地总面积的34.17%;建设用地占研究区总面积的3.47%, 其他用地占研究区总面积的2.22% (表1) 。

3 群落演替规律及变化情况

3.1 土地类型年变化量

根据遥感解译成果, 研究区从2000—2010 年草地面积减少692 810.02 m2, 建设用地增加287 862.10 m2, 裸土地增加392 253.57 m2。相应的草地结构也发生了巨大的变化, 其中高覆盖度草地由2000 年的5 955 511.447 m2增加到2010年的8 506 253.996 m2, 而中覆盖度草地和低覆盖度草地分别减少了727 210.76 m2和2 516 341.81 m2, 草原生态趋好。

3.2 土地利用/覆被变化动态变化趋势

3.2.1 单一土地利用类型变化的动态度。 土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化速度, 它对比较土地利用变化区域差异和预测未来土地利用变化趋势都具有积极的作用[10,11,12]。单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况, 其表达式为:

式中, K—研究时段内某一种土地利用类型动态度;Ua—研究初期某一种土地利用类型的数量;Ub—研究期末某一种土地利用类型的数量;T—研究时段长, 当T的时段设定为年时, K值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

根据以上公式计算本区单一土地利用类型年变化率, 结果见表3、4。

3.2.2 土地利用程度综合指数模型。 将土地利用的综合指标进行数学综合, 形成一个连续分布的综合指数, 其数值的大小综合反映了某一地区上土地利用的程度[13,14], 计算模型为:

式中, Li—某研究区域土地利用程度综合指数;Ai—研究区域内第i级土地利用程度分级指数;Ci—研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比;N—土地利用程度分级数。

土地利用程度综合指数是一种衡量土地利用程度广度和深度的指标, 从表5 可以看出, 研究区土地利用程度不断提高, 人口密度、人口城市化因素, 人口的不断增长是影响土地利用变化最基本的因素之一。随着人口的增长和收入的提高, 在住、行等方面必然会产生更多更高的需求, 人们的消费结构也会发生很大的变化, 建设用地面积不断加大表明人类活动对该区域的土地利用影响越来越大[15,16]。

3.2.3 综合土地利用程度变化量模型。 一个特定范围内土地利用程度的变化是多种土地利用类型变化的结果, 土地利用程度及其变化率可定量地揭示该范围土地利用的综合水平和变化趋势。土地利用程度变化量和土地利用程度变化率可表达为:

式中, Lb—b时间的区域土地利用程度综合指数;La—a时间的区域土地利用程度综合指数;Ai—第i级的土地利用程度分级指数;Cib—某区域b时间第i级土地利用程度面积百分比;Cia—某区域a时间第i级土地利用程度面积百分比;ΔLb-a—不同时间的土地利用程度变化量;R—土地利用程度变化率。

根据公式计算得到2000—2010 年这段时间内变化量为8 366.17, 变化率为40.98%。如果 ΔLb-a或R>0, 表示该区域土地利用处于发展期, 否则处于调整期或衰退期。2000—2010 年内变化量和变化率均大于零, 表明研究区的土地利用处于发展期。

3.3 土地利用/土地覆被转移变化特征

土地利用及其变化是自然与人文过程交叉最为密切的问题, 通过与生态系统其他组成部分的交互作用, 土地利用还会对全球生态安全带来更加广泛和深远的影响, 因此土地利用变化得到越来越多重视。土地利用转换矩阵反映一个区域在2 个时点间土地利用转换的数量信息, 因而在分析土地利用变化和模拟中具有重要意义, 并得到广泛应用。

本文以研究区2000 年、2010 年土地利用现状数据为基础, 应用GIS空间叠加分析计算出2000—2010 年土地利用转换矩阵。由2000—2010 年转移矩阵可知:2000—2010 年研究区高覆盖度草地增加了2 550 742.55 m2, 中覆盖度草地减少了727 210.76 m2。低覆盖度草地减少了2 516 341.81 m2。其中, 低覆盖度草地转为高覆盖度草地的面积最大, 为4 052 414.58 m2; 高覆盖度草地转为中覆盖度草地面积最大, 为1 276 017.09 m2;中覆盖度草地转为低覆盖度草地面积最大, 为1 642 115.98 m2 (图3) 。

4 结论

典型流域 篇6

关键词：应用气象学,潜在蒸散量,Penman-Monteith方法,气候特征

据估计,在21世纪,全球水循环响应气候变暖的变化将是不均匀的。尽管有可能出现区域异常情况,但潮湿和干旱地区之间、雨季与旱季之间的降水对比度会更强烈。流域内气候的变化,将引起蒸发、下渗、土壤含水量、地表产汇流、地下径流等一系列水文过程的变化,从而导致水资源在时间和空间的重新分配以及引起水资源量的改变,如上世纪90 年代,黄河中上游、淮河上游、汉江流域、四川盆地等地区平均年降水量减少5%~10%,加剧了水资源的供需矛盾,导致旱涝灾害频发,进而影响水资源管理及社会经济发展[1,2]。可见,区域气候变化影响着水循环的各个方面,温度、降水作为区域气候变化的主要影响因子,其变化不仅影响径流的时空变化,而且对蒸散发有着重要影响。潜在蒸散发过程作为水分循环和能量平衡的重要组成部分,其目前被广泛应用于气候干湿状况分析、水资源管理、农业作物需水和生产管理及生态环境治理等研究中[3,4,5,6]。因此,分析温度、降水及潜在蒸散量的趋势变化特征有助于深入理解气候变化对潜在蒸散量的影响,对未来水资源的规划与管理、提高水资源在农业生产中的利用效率、缓解旱涝灾害现状等都具有重要意义。

近年来,国内外学者在气候变化对潜在蒸散的影响等方面做了大量研究。如Roderick等[7]利用北半球蒸发皿观测的蒸发量数据研究得出过去几十年的蒸发量存在普遍减小的规律;王国庆等[8]对黄河中游6个站点的气象资料分析研究,发现近几十年来,黄河流域气温与蒸发能力呈正相关关系,且气温升高1 ℃,流域蒸发能力约增加5%~7%;李鹏飞等[9]通过对中国干旱半干旱地区日气象数据分析,得出干旱半干旱区50年来东西部降水量及潜在蒸散量存在显著差异。总结研究发现,对南方中亚热带红壤坡耕地典型小流域在不同时间尺度上气候变化的趋势和周期分析及其对潜在蒸散的影响的研究相对较少,尤其是近年来对鹰潭生态红壤区潜在蒸散的研究相对不足。由于研究区夏秋季节高温、少雨、强蒸发,作物在生长旺季极易缺水,发生干旱,农作物的生长会受到严重抑制。因此,研究该小流域气温、降水的变化规律及潜在蒸散量在其影响下的变化特征相当必要,这将为研究植物生长期水分动态变化、小流域的综合治理、合理有效的调控水资源、防旱抗旱、提高当地农业生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区孙家小流域是典型的红壤生态研究区,位于江西省鹰潭市余江县刘家站垦殖农场三分场(116°55′E,28°15′N),面积46hm2,海拔41~55m,坡度6°~10°,为一完整的小流域,主要土地利用方式有花生地、农林复合地、林地、水田等。该小流域气候特征属中亚热带温暖湿润季风气候,雨量充沛、光照充足、四季分明。但降雨量年际变化大,年内分配不均匀,且多集中在4-6月份的雨季前期,约占全年降水的50%,不过由于径流量大(径流系数接近50%),降雨的利用效率并不高;夏秋季节高温少雨,7-9月降水不足全年的20%,蒸发量却接近全年的50%,常造成伏秋季节性干旱[10,11]。

1.2 数据来源

研究采用的数据来源于余江县气象站1953-2013年逐日实测气象数据,包括日降水量,日平均气温,日平均风速、日照时数、相对湿度等资料,对部分缺测的日降水量数据采用趋势预测法进行插补订正,保证数据的精度和质量。采用世界气象组织推荐的1971-2000 年30 年的平均值作为多年平均值。在分析流域气温、降水变化特征时,根据多年平均值得出年平均气温、年降水的距平序列。研究月份划分上,4-6月为雨季前期,降水充沛,7-9月为雨季后期即伏秋季节性干旱期,高温少雨,蒸发量大。此外,对潜在蒸散量的验证数据来源于研究区大型蒸发皿所测得的蒸发量数据。

1.3 数据处理方法

为研究气候变化的趋势及其对小流域潜在蒸散的影响,本文拟对主要气候因子(平均气温、降水)及潜在蒸散量进行年、季特征分析,主要通过线性拟合、小波分析、突变检验及相关性分析等方式来研究气候变化的总趋势及其对雨季前后期流域内潜在蒸散的影响。

1.3.1 Mann?Kendall非参数检验法

Mann-Kendall非参数检验法是由国际气象组织推荐且广泛用于环境时间序列的趋势分析方法,适合于水文气象等非正态分布序列趋势分析[12]。采用MK检验法可以对小流域气温、降水和潜在蒸散量进行时间序列的趋势分析及突变点检测,进而对其在时间序列上的突变进行分析,预测气候变化的趋势。

对于给定的置信水平α(一般取α=0.05,Uα/2= ±1.96):①若|UFk|>|Uα/2|,则表明时间序列存在显著的趋势变化,当UFk>0时有明显上升趋势,当UFk<0时有明显下降趋势;②若|UFk|≤|Uα/2|,则表明时间序列无明显变化趋势。

对于统计量UFk,UBk(时间序列逆序,重复UFk过程可得),若UFk或UBk值大于0则表明时间序列呈上升趋势,小于0则呈下降趋势;当统计曲线超过临界线时,表明上升或下降趋势明显;如果统计曲线在临界线之间出现交点,则交点对应时刻就是突变开始时刻。

1.3.2 FAO Penman?Monteith方法

Penman-Monteith(P-M)模型是联合国粮农组织(FAO)确定的计算参考作物蒸散量的一种方法。该模型考虑了植被生理特征,以能量平衡和水气扩散理论为基础,是经试验证明的所得结果与实测值最为接近的蒸散模型,可以用于不同环境与气候背景下估算潜在蒸散量,在国内外得到广泛应用[13,14]。

FAO Penman-Monteith修正公式为:

从能量平衡和动力学两方面可将其分解为辐射项(ETrad)和空气动力学项(ETaero),即:

式中:PE为潜在蒸散量,mm/d;ETrad为辐射项,mm/d;ETaero为空气动力学项,mm/d;Rn为地表净辐射,MJ/(m·d);G为土壤热通量,MJ/(m2·d);Tmean为日平均气温,℃;u2为2m高处风速,m/s;es为饱和水汽压,kPa;ea为实际水汽压,kPa;Δ 为饱和水汽压- 温度曲线斜率,kPa/℃;γ 为干湿表常数,kPa/℃。

其中,土壤热通量G是个很小的量,对于1~10d的时间尺度,参考草地的土壤热容量相当小,可以忽略不计,即G≈0;对于月时间尺度,假设在适当的土壤深度、土壤热容量为常数2.1 MJ/(m3·℃)时,可由公式G=0.14(Tmonth,i-Tmonth,i-1)估算,Tmonth,i,Tmonth,i-1分别为第i和i -1 个月的平均气温,℃[15,16]。

2 结果与分析

2.1 平均气温的年际变化趋势分析

1953-2013年小流域平均气温距平如图1(a)所示,从图中可以看出,小流域平均气温变化趋势呈现明显的年际和年代际变化特征,20世纪80年代中期之前,平均气温距平大多为负值,说明1953-1985年期间,平均气温偏低;1985年之后,平均气温距平基本为正值,且多集中于2000年以后,其中2007年比多年平均值高出将近1.38 ℃,说明1985-2013年期间,平均气温偏高,尤其是2000年以后更为明显。

小流域多年平均气温为18.35 ℃,标准差为0.51 ℃,变差系数为0.03。图1(b)为近60a平均气温的5年滑动平均及线性拟合,5年滑动平均曲线可以减弱异常年份气温或观测误差给多年平均气温变化趋势带来的负面影响[17],从滑动平均曲线可以看出,平均气温在60年代初期有一个高值,随后便平滑上升,直到2007年左右又出现一个高值,可见,平滑后曲线更能反映序列的变化趋势;从线性拟合的趋势线可以看出,小流域近60a平均气温呈上升趋势,平均每年气温升高约0.02℃,倾向率为0.018 ℃/a;对平均气温序列进行M-K检验,Z值为4.87,大于1.96,通过信度为0.05的显著性检验,说明平均气温年际上升趋势显著。

通过上述分析发现,研究区气温年际变化趋势与杜安等[18]对余江县1961-2010 平均气温变化的研究相一致,即1961-2010年余江县年平均气温先降后升,60年代前中期气温相对偏高,之后逐渐下降,转入相对冷期,80年代中期后气温开始回升,尤其是90年代中期到2000年以后,回暖十分明显,增温达0.40 ℃。

2.2 降水量变化的趋势及周期分析

小流域多年平均降水量为1 892.40mm,标准差为415.20mm,变差系数为0.22,说明多年平均降水量变化差异明显。表1为1953-2013小流域降水量年代平均值、标准差、距平的变化情况,由表1可知,1953-1959年,70年代,90年代及2010-2013年平均降水量的变差系数在0.20及以上,相对较大,说明在此期间降水量的年际变化较大,不利于水资源的利用和管理;从降水量的年代距平及距平百分比也可以看出,60年代,70年代,80年代及2000-2009年,平均降水量为负距平,说明期间降水偏少,而1953-1959年,90年代以及2010-2013年平均降水量距平均为正值,说明在此期间降水偏多,尤其是2010-2013年,平均降水量距平百分比达到17.71%。

1953-2013年降水量变化呈现下降、上升交叉出现的趋势,波动性较大;线性拟合的结果显示,近60a的降水量呈微弱增加趋势,降水倾向率为3.325mm/a,差异较为明显;对降水序列进行M-K检验,结果显示,Z=0.79,小于1.96,未通过显著性检验,说明降水量年际变化趋势不显著。

采用Morlet小波分析法对流域内年降水量进行周期性检验。图2(a)为降水量的Morlet小波变换等值线图,表示近60a小流域年降水量在不同时间尺度上的周期变化及其在时间域上的分布。从图中可以看出,年降水量变化过程中存在着18~32a、6~14a、2~6a时间尺度上的周期变化规律,在18~32a尺度上,降水出现了多-少交替的准3次振荡,特别是60年代中期和2005年前后较为显著,即降水量明显偏少;在7~13a尺度上,出现了9次振荡,且基本贯穿整个研究阶段,而1988年之前表现得比较稳定;在2~6a尺度上,也存在相应的周期振荡,但表现的不是很明显。图2(b)为年降水量的小波方差图,能反映时间序列的波动随尺度的分布情况,图2 中存在4个较为明显的峰值,依次对应着29a、22a、11a、4a的时间尺度,其中,最大峰值对应着29a时间尺度,说明29a左右周期振荡最强,为小流域年降水量变化的第一主周期,22a、11a、4a时间尺度,分别为降水量变化的第二、三、四主周期,这些主周期的波动控制着年降水量在整个时间域内的变化特征。根据小波方差检验结果绘制出年降水量变化的主周期小波系数图,即可知,在不同时间尺度上,年降水量的变化周期及振荡次数,进一步分析降水量的周期变化[19,20]。

2.3 平均气温、降水量变化的突变分析

利用M-K检验法对小流域1953-2013年的平均气温、降水进行突变分析(图3)。从图3(a)中可以看出,UF统计曲线大部分位于零界线以上,说明在研究时段内气温总体呈上升趋势,但1953-1958年、1975-1987年UF统计值小于0,表明在此期间平均气温有所下降,UF线与UB线在1994年相交,说明平均气温在1994年发生突变,1997年以后,UF统计曲线超出0.05显著性水平线,平均气温升高趋势十分显著。从图3(b)降水量M-K统计曲线图中可以看出,UF统计曲线在1993年之前基本位于零界线以下,说明1993 年之前,除1954年前后及1976 年前后,降水量呈下降趋势,1993 年之后,UF统计值大于0,降水量呈上升趋势,但由于UF曲线基本未超出0.05显著水平线,所以降水量变化趋势并不显著,此外,由UF曲线和UB曲线的交点位置,可判断降水量在1988、2003 及2010年发生突变。

综合上述分析可知,1953-2013年小流域平均气温和降水都呈上升趋势,其中年平均气温上升趋势显著,而降水变化则不显著;降水的小波分析结果显示,流域近60a年来的降水量存在29、22、11、4a的主周期变化;年平均气温1994年发生突变,1997年以后增温显著,降水量在1988、2003、2010年发生突变,但总的增加趋势并不显著。平均气温和降水作为影响气候变化的两个最主要的因子都在1990年左右发生突变,且平均气温在90年代中期以后显著上升,这与郭华等[21]对鄱阳湖气候变化的研究结果相似,20世纪90年代鄱阳湖流域气候发生转折性变化,气温和降水均在1990年发生突变,继而呈现显著上升趋势。针对气温的显著上升,降水的周期性变化以及气温和降水的突变情况,有必要对小流域1990-2013年潜在蒸散的变化特征及气候影响因子进行分析。

2.4 潜在蒸散的变化特征分析

2.4.1 潜在蒸散量年际变化趋势

根据Penman-Monteith(P-M)模型计算得出小流域潜在蒸散及其辐射项和动力项年际变化趋势图(图4),从图4中可以看出1990-2013年潜在蒸散量PE均在900mm以上,呈微弱上升趋势,潜在蒸散倾向率为1.954mm/a,即平均每年PE增加量为1.95mm。M-K检验结果显示,Z=1.27,未通过信度为0.05的显著性检验,说明潜在蒸散的年际变化趋势不明显;潜在蒸散量的分量辐射项均在700 mm以上,倾向率为0.681mm/a,呈上升趋势,Z值为1.31,通过的显著性检验;分量空气动力学项较小,在200mm左右,倾向率为1.276mm/a,上升趋势变化不显著。由此说明,潜在蒸散量及其构成项均呈上升趋势,但变化比较缓和,其中辐射项占潜在蒸散总量的80%左右,远大于空气动力学项,对潜在蒸散量的变化有很大影响。

2.4.2 潜在蒸散量多年月平均变化趋势

潜在蒸散作为多个气候因子的综合反映,具有明显的年内分配特征,通过分析小流域1990-2013年月平均蒸散量变化(图5),发现小流域多年月平均潜在蒸散量约32~160mm,其变化呈单峰型,1-7 月逐渐增加,于7 月达到最大值158.82mm后逐月减少,这与小流域气温变化特征相一致。潜在蒸散的辐射项也具有相似的变化特征,最大蒸散量达到128.43mm,而其空气动力学项的变化则极其平缓,最大值仅30.39mm。可见,辐射项是潜在蒸散量的重要组成部分,这与年际变化趋势所得结论一致。

从潜在蒸散量的月变化来看,小流域雨季4-9月潜在蒸散量占全年蒸散量比重较大(约70%),由于小流域降水多集中在4-6月,7月中下旬高温少雨,且蒸发量大,因而小流域7-9月极易发生季节性干旱,对正值生长旺季的作物来说影响很大,为减小季节性干旱的危害,适时灌溉,保证农作物的正常生长,需进一步分析4-9月雨季潜在蒸散量及其构成项的变化特征。

2.4.3 雨季潜在蒸散量及其辐射项和空气动力学项变化特征

从雨季潜在蒸散量变化特征(表2)中可以看出,小流域多年雨季前期(4-6月)平均蒸散量为309.42mm,约占年潜在蒸散量的30%,多年雨季后期(7-9月)平均值为408.17mm,约占年潜在蒸散量的40%,所占比重很大,辐射项和空气动力学项与潜在蒸散量PE变化特征相似,均是雨季后期蒸散量大于雨季前期蒸散量,可见7-9月高温少雨的天气加剧了潜在蒸散的进行;潜在蒸散量PE和辐射项的变异系数都较小,说明其变化不大,而空气动力学项的变异系数相对较大,说明空气动力学项的变化比辐射项的变化波动大,潜在蒸散量的波动变化间于二者之间;从雨季前后期的变化趋势来看,除雨季前期潜在蒸散量的辐射项有下降趋势外,其余均有上升趋势,其中,潜在蒸散量在雨季后期上升最快,以0.990mm/a的速度在上升,且通过90%显著性检验,说明雨季潜在蒸散量总体呈上升趋势,变化比较缓和,雨季后期变化大于前期变化,但其空气动力学项变化却很小,且雨季前期上升速度略快于雨季后期。

注:▲表示通过90%显著性检验。

利用M-K方法,对1990-2013年小流域雨季潜在蒸散进行突变分析(图6),图6(a)显示,UF曲线在1992-2001年间位于零界线以下,说明雨季前期潜在蒸散量在此期间有减少趋势,而2001 年以后开始出现增加的趋势,并于1991 年、1999年、2011年左右发生突变,其中1999年开始的突变使雨季前期的潜在蒸散量由相对偏少期跃变到一个相对偏多期;图6(b)显示,雨季后期潜在蒸散量自1992年开始到2010年,一直处于一个相对偏少期,2010 年以后UF统计值大于0,潜在蒸散量逐年开始有增加的趋势,2012年UF曲线UB曲线相交,可以确定雨季后期潜在蒸散量在2012 年发生突变。分析结果显示,雨季前期潜在蒸散量的趋势在21世纪初从相对偏少的趋势转变为相对偏多趋势,比较两者发现,1992年之前,趋势相同,都属于相对偏多期,且2011年左右都发生了突变,但由于UF曲线基本未超出0.05显著水平线,所以潜在蒸散量的雨季变化趋势并不显著。

2.5 潜在蒸散量与蒸发皿蒸发量变化趋势比较

小流域多年平均蒸发皿实际蒸发量约981.48mm,变差系数0.08,而多年平均潜在蒸散量约1 021.01 mm,变差系数0.04,可见实际蒸发量总体上小于利用P-M公式计算的潜在蒸散量且实测值的年际波动更大,估算值相对于平均值更稳定。比较图7(a)中小流域1990-2013年潜在蒸散量距平和大型蒸发皿实际蒸发量距平变化,可以发现除个别年份外,潜在蒸散量和实际蒸发量距平年际变化趋势基本一致,其中,1996-2005年距平变化趋势最为相似,且潜在蒸散量均高于蒸发皿蒸发量,明显差异出现在1991、1995、2007年,1993年之前蒸发量大于潜在蒸散量。图7中实测蒸发量与潜在蒸散量变化趋势虽然比较一致,但后者的年际变化明显比较缓和,且实测值与估算值在距平变化量值上也存在一定的差异,这主要是因为实测蒸发量受环境因素影响较大,因而其波动变化也较大。从图7(b)两者的线性拟合效果可以看出,模型估算出的潜在蒸散量和蒸发皿实测蒸发量之间存在一定的线性关系,其确定系数为0.24。

由此可见,经P-M模型模拟的潜在蒸散量与蒸发皿实际蒸发量两者之间虽存在差异,但模拟结果仍比较可信,可以用来对小流域蒸散量变化状况进行分析和预测。

2.6 气候因子对潜在蒸散量的影响

潜在蒸散量及其辐射项和空气动力学项与各气候因子进行回归分析后的结果如表3所示,R2值分别为0.924,0.839,0.982,模型效果较好,潜在蒸散量与平均气温、平均风速、相对湿度的回归系数通过99%显著性检验,与日照时数的回归系数通过90%显著性检验,辐射项与平均气温、日照时数的回归系数通过99%显著性检验,与平均风速的回归系数通过95% 显著性检验,空气动力学项与平均气温、平均风速、相对湿度的回归系数通过99% 显著性检验,与日照时数的回归系数通过95%显著性检验,说明平均气温、平均风速、相对湿度对潜在蒸散量的影响很大,日照时数次之,降水最小;平均气温、日照时数对辐射项的影响很大,平均风速次之;平均气温、平均风速、相对湿度对空气动力学项的影响很大,日照时数次之,降水对三者影响均很小。

偏相关性结果显示,潜在蒸散量与平均气温、降水、日照时数、平均风速、相对湿度的相关系数分别为0.820,-0.368,0.408,0.769,-0.673,辐射项与各因子的相关系数分别为0.734,-0.326,0.613,-0.534,0.370,空气动力学项与各因子的相关系数分别为0.778,-0.243,-0.447,0.985,-0.948。可见,气候因子对潜在蒸散的影响力的大小依次为平均气温、平均风速、相对湿度、日照时数、降水;对辐射项影响力大小依次为平均气温、日照时数、平均风速、相对湿度、降水;对空气动力学项影响力大小依次为平均风速、相对湿度、平均气温、日照时数、降水。近年来,在平均气温逐年上升(0.017 6℃/a),相对湿度逐年下降的趋势下,潜在蒸散也随之出现增加的趋势[22,23,24]。

注:**表示通过99%显著性检验,*表示通过95%显著性检验,▲表示通过90%显著性检验。

3 结论与讨论

(1)1953-2013年影响小流域气候变化的两个主要气候因子平均气温和降水变化都呈上升趋势,其中平均气温上升趋势显著;降水的小波分析结果显示,小流域近60a年来的降水量存在周期性变化特征,在18~32a尺度上,降水出现了多-少交替的准3次振荡,特别是60年代中期和2005年前后降水量明显偏少,其变化主要存在29、22、11、4a控制着年降水量在整个时间域内的变化特征的4 个主周期变化;M-K突变检验发现,年平均气温在1994年发生突变,1997年以后增温明显,降水量在1988、2003、2010年发生突变,但总的增加趋势并不显著。综上可见,近年来,尤其是90年代中期以后,气候波动变化较大。

(2)1990-2013年潜在蒸散量均在900mm以上,呈微弱上升趋势,且年内分配不均,1-7月逐渐增加,7月达到最大,而后逐月减少,小流域雨季前期(4-6 月)及雨季后期(7-9月)的潜在蒸散量约占全年的蒸散量的70%左右,且旱季蒸散量大于雨季蒸散量,若潜在蒸散量长时期大于降水量,将造成小流域伏秋季节性干旱,严重影响作物的生长;M-K突变检验分析说明,雨季前期潜在蒸散量于2001年以后开始出现增加趋势,1991、1999、2011年左右发生突变,雨季后期潜在蒸散量在1992-2010年期间,处于相对偏少期,2010年以后开始进入偏多期,2012年发生突变。

(3)小流域潜在蒸散量受气候因子影响,其对潜在蒸散量影响力大小依次为平均气温、平均风速、相对湿度、日照时数、降水,其中平均气温是显著影响潜在蒸散、辐射项与空气动力项的共同因子,刘园等认为,对潜在蒸散辐射项影响最大的是日照时数,其次是风速、温度,而本研究所得结果表明对其影响最大的仍是平均温度,其次是日照时数、平均风速、相对湿度;曾丽红等[25]也认为,气温变化是影响潜在蒸散量的主要因素。可见,不同地区不同环境下气候因子对潜在蒸散量的影响有所不同。近年来,在平均气温逐年上升,相对湿度逐年下降的趋势下,潜在蒸散也随之增加,但趋势上不是很明显。

典型流域 篇7

进入21世纪,我国经济进入高速增长时期,这一过程伴随着对资源的巨大消耗和生态的严重损害,水资源短缺和水环境恶化就是其后果之一,其严峻程度,已对社会经济可持续发展和人民的生存与健康构成重大威胁。

我国河流水资源与生态这种令人堪忧的状况,其直接原因是牺牲环境和资源来换取经济增长造成的;另一方面国内很多学者都指出我国跨行政区水污染是流域污染的主要形式,认识到我国相对落后的河流管理体制是造成流域性水问题的主因之一。

我国现行的河流管理体制是流域管理与行政区域管理相结合,本应是以流域统一管理为主,区域行政管理为辅。但由于流域分属不同行政辖区,管理权基本上被各辖区分割,事实上形成了以流经行政区域管理为主、条块分割的状态,流域管理机构实际权力很有限。各有关管理机构各自为政,职能重叠、定位不清楚。这种“多龙管水”体制的最大弊端是形成地方保护主义,为局部利益牺牲周边甚至全流域利益,造成流域上下游、干支流之间资源争夺、污染物排放问题矛盾纠纷不断,很难在全流域范围内统一指挥、调度、合理调配资源,是导致我国流域资源效益劣化的一大主因,严重浪费了我国本已紧缺的河流水资源,无法保障河流资源的可持续性。1998年长江流域特大洪涝、2006年松花江特大水污染等灾害事件都集中暴露出了这种管理方式的弊端。我国河流管理体制的改革已是迫在眉睫。

二、国外流域综合管理典型案例

由于受到各国政治经济制度、流域特点、人文传统等因素影响,发达国家的流域综合管理体制具有各自不同的特点,概况起来有流域管理局、流域委员会、综合性流域机构等几种不同组织形式,其典型代表分别是美国的田纳西河、澳大利亚的墨累—达令河、英国的泰唔士河等。

(一)美国田纳西河流域综合管理

田纳西河(Tennessee River)是美国第八大河,俄亥俄河最大支流,全长1050千米,流经七个州,流域内面积达10.4万平方千米。该流域降水丰沛,但季节变化较大,冬末春初暴雨多发。该流域长期缺乏治理,森林植被遭破坏,经常洪水泛滥,是美国最贫穷落后的地区之一。

20世纪30年代美国爆发了经济危机,罗斯福为振兴经济而实施“新政”,其中一项重要措施就是田纳西河流域的开发。1933年美国国会通过了《田纳西河流域管理法案》,正式成立田纳西流域管理局(TVA)。该法案是TVA运作的法律依据,对TVA主旨、目标、活动范围、权力和义务等都作了明确规定,奠定了流域综合管理的基础。

为了对流域资源统一开发,TVA被授予了极大的行政权力,属于联邦一级机构,是一个既具有政府职能、又兼有国营、甚至私人企业性质的法人实体,负责整个流域全部资源的综合规划,统一开发、利用、保护、管理,其职权远远超过了一个水资源或河流管理机构的范围,而是以流域为依托,进行自然、社会和经济等方而的综合开发和治理的机构。

TVA法案规定,TVA的任务是“促进流域内自然、经济和社会正常有序发展”。TVA有权代表美国政府对流域内的资源和财产进行征购、出售、转让、租赁、经营;对流域内水工程项目以合同形式承包给其他机构或个人;有权修正或废除地方法规,并进行立法。同时,该法案还要求国家任何行政机构及其官员都应协助TVA行使其职责。TVA由具有政府权力的董事会和咨询机构--地区管理理事组成。董事会成员由总统提名国会任命;理事会由流域内各州、行业、社区的代表组成,能够体现广泛的利益。

政府给予TVA发展的优惠政策:给予TVA流域开发的启动资金;把一些大型企业和电站划归TVA经营;TVA财产、收入免税;由政府担保,TVA可为筹募流域开发资金发放债券。

初期,TVA以解决内河航运和防洪为主,除了水资源外,还包括流域内的防洪、发电、航运、农、林、渔和水利建设;后来又陆续从事土地开发、污染防控、生态保护、旅游娱乐,均取得了巨大的经济效益。

作为世界上流域综合管理的先行者,TVA取得了巨大的成就。之后的70多年田纳西河流域发生了根木变化,居民的经济收入增加了几十倍,彻底改变了当地贫穷落后的面貌,为流域综合管理树立了一个辉煌典范,被世界一些国家所推崇和仿效,印度、墨西哥、巴西等发展中国家都建立了类似TVA的流域管理局。

(二)墨累—达令河流域综合管理

墨累-达令河是澳大利亚最大的河流,全长3750千米,流经东南部新南威尔士、维多利亚、南澳大利亚3个州,流域面积约占全国14%,但降水偏少,仅为全国年均的6.4%,而全国用水75%都在该流域,同时河流环境恶化、水资源不合理利用也很严重。该流域地理和行政区跨度大,各州的自然地理、水资源格局、社会经济状况复杂,沿岸各州之间由于水资源的使用经常激烈冲突。由于澳大利亚实行联邦制,各州都有很大自主权,靠任何一个州都无法解决。因此,联邦政府和各州政府于1914年共同签署了协定,并成立了墨累河委员会,每个缔约方都有代表,并拥有否决权。由于该协定并没有建立流域管理机构,不能从根本上对流域实施统一管理,随着时间的推移,流域形势不断恶化,水质和土壤盐碱化日益严重。为从根本上解决流域资源的公平、有效和可持续利用问题,联邦政府、各州于1987年10月缔结了墨累—达令流域协议,设立了墨累--达令河流域管理机构。其框架有部级理事会、流域委员会、社区咨询委员会三层。部级理事会是最高权力机关,职责是制定整个流域的宏观方针政策;流域委员会是执行机构,具有独立性,向理事会及政府负责,承担制定流域资源开发规划及实施意见,实施流域管理方案,合理配置水资源,平衡州际矛盾,其突出优势是关注公共利益与综合协调;社区咨询委员会是咨询机构,由来自社区及特殊利益集团的代表组成,主要是沟通决策层和执行层,提供流域管理咨询及反映来自基层的意见和观点,代表了广泛的公众意愿,确保流域问题的解决能够获得基层的支持。由于三层之间的有机合作,达到了流域管理的最优化。

墨累-达令河的管理在世界上享有盛誉,解决方案的关键是其基于流域尺度的一体化综合管理。管理过程中十分突出流域各行政区域间的协调配合,实现流域整体管理目标。

(三)泰晤士河流域综合管理

英国泰晤士河在上世纪50年代以前,是一条污染严重的城市内河。政府通首先对排放工业废水和生活污水作了严格的规定,其次过立法对全国河流体制进行改革,颁布了《流域管理条例》实行流域管理。根据1973年通过的《水法》,把泰晤士河划分成10个区域,对河段实施统一管理,将原来200多个管水单位合并成泰晤士河水务管理局,负责流域治理和水资源管理,职责包括水文水情监测预报、工业和城市供水、污水处理、水质控制、防洪、灌溉、渔业、水上娱乐、生态保护等。董事会是水务局的权力机构,负责制订大政方针,主席由环境大臣任命,成员中一部分是政府任命的业务专家,负责组织、协调;另一部分是流域内的地方代表,政府代表数额不能超过地方代表,日常工作由董事会聘任的总经理负责。水务局不是政府机构,而是一个在法律授权下的自负盈亏的公共事业组织,可以确定业务收费标准,收入来源主要是水费、排污费以及其他经营性收入。政府只在防洪、排水工程方面拨款。由于水务局有较大的自主权和经济独立性,且不经营发电、航运等业务,因此职能与地方政府的矛盾不大,属于较单纯的综合性流域机构,既不像流域管理局那样权力广泛,也不像流域委员会那样着重于协调。

通过几十年的努力,泰晤士河流域管理和保护取得了举世瞩目的成功,其中的关键是以水务局为代表的集中统一管理体制改革,被称为欧洲水管理的一次重大革命。由于这种管理方式有一定的普适性,因此为世界许多国家所效仿。

三、国外流域综合管理的启示

上述国外流域综合管理著名案例中,美国TVA是行政化管理的典型,澳大利亚墨累-达令流域委员会是跨区域管理的典型,泰晤士河水务局是事业化管理的典型。尽管它们的组织形式和管理运作方式不尽相同,但都有如下几个共同特点:

第一,实施流域综合管理必须以法律为保障。各国都以立法作为流域管理的基础和前提。法律互相呼应、补充,体系完善。既有专门流域管理的法律,如美国的《田纳西河流域管理法案》、英国的《流域管理条例》,也有分散在各种水法中的相关条款,如英国的《水法》等。立法都对流域管理的各个方面,如对流域管理机构的地位、职责、与地方与部门的关系做出了明确规定,赋予流域管理机构广泛的权力,使其各种管理职能都建立在法制的基础上,确保其各项措施能得到执行,达到流域管理的目的。

第二,必须建立强有力的流域管理机构。在相关法律的框架下,国外均成立了流域管理机构,虽然组织形式、运作方式各有特点,但都拥有很大的行政管理权,一般都设立董事会作为最高权力机构,由政府相关部门负责人、流域内地方政府相关部门官员、地方代表组成;流域管理执行机构依法行使国家所赋予的流域管理权,统一规划、开发、管理流域内水资源和其他自然资源,在确保流域经济发展的同时,保护流域环境与生态,实现可持续发展。而且,流域管理机构不仅拥有行政权力,也是具有法人地位的经济实体,是国家流域资源的产权代表。这既体现了国家对流域的宏观管理,又使流域管理机构拥有自主经营的灵活性。

第三,实施流域综合管理必须建立协调机制。纵观上述流域管理典型案例,流域管理机构的一个突出特点是国家、地方政府、相关行业管理部门共同参与。流域综合管理不是“大一统”的权力垄断,而是一种流域管理机构权威地位之下与各行政区域、各行业协调配合的管理机制。

第四,流域管理过程中的多目标管理与经营。从以上典型案例中可以看出,国外先进流域综合管理的目标已从防洪、供水、水资源配置这些基本目标,转向水质、水环境乃至流域生态保护多目标综合管理;同时还将整个流域作为一个生产单元,从事电力、航运、水上娱乐等产业的经营管理,实现流域管理效益的良性循环。

第五,流域综合管理过程中十分强调专家论证与公众的参与。流域综合管理机构人员组成中有各相关行业的专家,在决策过程中这些专家都充分参与或被征询意见,确保决策的科学性;同时,由于流域管理涉及到全社会方方面面的公众利益,因此管理机构中居民、社会各界代表占有一定的比例,在决策过程中充分听取公众和其他利益主体的意见和建议,保障了决策的民主、公平、透明,通过协商对话获得公众的充分支持,这是流域综合管理获得成功的重要基础。

以上国外流域综合管理成功案例的共同特点,对我国的河流管理具有重要启示。我国近些年也开始逐渐重视流域综合管理,但在法律保障、行政管理体制、公众参与机制方面都有诸多不足与障碍。客观分析借鉴国外流域管理先进经验,结合我国具体国情,有助于解决当前我国河流管理存在的问题,进而探索出适合自己的流域管理之路。

参考文献

[1]王亚华.中国跨行政区水污染管理体制诊断与对策建议[A].国家环境保护总局、中华环保联合会.第三届环境与发展中国论坛论文集[C].国家环境保护总局、中华环保联合会:,2007:12.

典型流域 篇8

生态系统在小尺度空间结构上表现出非均衡特征, 而在大尺度空 间结构上 则表现出 复合稳定 性特征[5]。在放牧利用下,天然草地几乎无时不处于演替之中,而其中斑块的演替,特别是微斑块的变化无疑是最为活跃的成分。不同演替阶段的草地之中,斑块所受到的周围环境的作用要强于草地的平均水平,从而形成了小尺度下生境的异质性[6]。草地微斑块作为草地群落中小尺度空间结构最好的体现,在性状、组成和格局上一定程度上反映了草地现阶段演替、草地演替的驱动因素及 其演替趋势。因而对于认知和确定草地的退化程度具有重要的意义[7]。

呼伦贝尔草原是我国目前景观生态类型和生物多样性较为丰富的草原生态系统类型,同时也是我国重要的畜牧业生产基地,亦是重要的生态屏障,其功能的正常发挥对维持全球及区域性生态系统平衡有极其重要的作用[8,9]。放牧是呼伦贝尔草原的主要利用方式,然而,过度放牧加之全球气候变化导致呼伦贝尔草原存在着不同程度的退化,出现了一系列的群落微斑块[10]。本文旨在研究不同放牧干扰下,内蒙古克鲁伦河流域克氏针茅典型草原群落微斑块的生态特性,以期能够找到草地微斑块与草原退化程度的内在联系,为草原生态恢复研究提供支持。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于新巴尔虎右旗境内克鲁伦河流域的中温型典型草原区,该区域属中温带大陆性季风干旱气候,盛行西北风,年平均风速4.49m·s-1; 年平均降水量在220~280 mm,由北向南递减; 年平均气温为1.1℃,冬季严寒、漫长、干燥,平均气温在零下21℃左右,夏季短暂、温凉,平均气温为21.6℃。 日照时间 较长,年平均日 照时数3 000h左右,无霜期128d。地带性植被为克氏针茅(Stipa krylovii),土壤主要为栗钙土。

1.2方法

1.2.1试验设计2013年7月在试验区内选取代表性草原斑块类型,即羊草斑块(轻度放牧)、冷蒿斑块(中度放牧)、野韭斑块 (重度放牧),为处理,每种斑块面积2m×2m。每个样地分别设置两个1m×1m的样方,

1.2.2测定项目及方法登记样方内的物种组成,分种测定 地上部高 度、盖度、密度、采用SPAD:CCM-200plus叶绿素测定仪测量羊草、冷蒿和野韭叶片的叶绿素含量,采用LNC:N-Pen掌上叶氮测量仪测定叶片氮含量,采用PRI:PlantPen系列植物PRI测定仪测定光化学植 被指数,采用NDVI:Mini植物NDVI测量仪测 定归一化植被指数。采用刈割法获取植物地上部分, 将植物分别放在烘箱中烘干(80℃,48h),称量各物种的干物质重量。同时,取0~10cm的土壤, 带回实验室风干,过筛,测定土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷和有效磷含量。

植物群落多样性指数计算公式:

Shannon-Wiener多样性指 数 (H′):

Simpson生态优势 度多样性 指数:

E.Pielou均匀度指数(E):E = H′/ln(S)

式中:i为第i个物种;Pi为第i种的重要值; S为丰富度即群落中物种总数;IVi为第i种物种的重要值;Hi为第i种物种的高度;Di为第i种物种的密度;Ci为第i种物种的盖度。

土壤化学性质的测定:土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定(重铬酸钾溶液﹑邻啡啰啉指示剂﹑硫酸亚铁铵溶液);全氮含量采用凯氏定氮法测定(硫酸铜溶液、硫酸钾溶液、硼酸溶液、混合指示液、硫酸标准溶液);铵态氮、硝态氮、有效磷含量均采用EasyChem Plus全自动化学分析仪测定;全磷含量采用钼锑抗比色法测定(氢氧化钠﹑无水乙醇﹑碳酸钠溶液﹑硫酸溶液﹑钼锑抗显色剂)。

1.2.3数据统计分析数据进行同质性和正态分布检验,然后采用单因素方差分析检验不同斑块性状之间的差异性,利用LSD法比较均值间的差异性(a=0.05),采用SPSS 19.0进行统计。

2结果与分析

2.1不同斑块类型下物种组成的比较

从表1中可看出,三类斑块中,羊草、冷蒿和野韭在群落中成为单优物种,具有最高的盖度和地上生物量。三类斑块共有物种为羊草、冷蒿、乳白花黄芪、糙隐子草、黄囊苔草和地锦。单独在羊草斑块出现的有兴安天门冬、冰草、麻花头、丝叶蒿、乳浆大戟和早熟禾。猪毛菜和阿尔泰狗娃花单独在冷蒿斑块中出现,野韭、星状刺果藜和二裂委陵菜只在野韭斑块中出现。羊草、冷蒿和野韭斑块出现的物种数分别为15、12和12种。

2.2不同斑块类型下植被多样性特征的比较

由表2可知,羊草斑块的物种丰富度显著高于冷蒿和 野韭斑块,而三类斑 块的Simpson指数,Shannon-Wiener指数和均匀度指数之间没有表现出显著差异性。

2.3不同斑块类型下植物生理指标的比较

羊草斑块、冷蒿斑块和野韭斑块的群落地上生物量分别为80.27、100.86和72.99g·m-2。方差分析结果表明,三类斑块的地上生物量不存在显著性差异(P>0.05,见图1)。

羊草、冷蒿和野韭叶片之间的SPAD,PRI和NDVI三个指标 有显著差 异,LNC没有显著 差异(见图2B)。羊草的SPAD和PRI显著高于冷蒿和野韭,而冷蒿和野韭之间没有显著差异(见图2A,2C)。羊草和冷蒿的NDVI显著高于野韭(见图2D)。

“+”表 该 块 在 物,“-”表 该 块 存 该。 “+”means there is corresponding species in the patch .“-” means there is not corresponding species in the patch.

不同小写字母表示不同斑块间差异显著(P<0.05)。 Different lowercases mean significant difference at 0.05level.The same below.

2.4不同斑块类型下土壤养分的比较

从图3可看出,三类斑块的土壤除了全磷(见图3E)之外,其它5个指标都 有显著的 差异性。 野韭斑块的土壤有机碳显著高于羊草和冷蒿斑块,羊草和冷蒿斑块的有机碳没有显著差异(见图3A);冷蒿斑块的全氮含量显著低于羊草和野韭斑块(见图3B);羊草斑块的铵态氮含量显著高于冷蒿和野韭斑块(见图3C);羊草斑块的硝态氮含量显著高于野韭斑块,但是冷蒿斑块的硝态氮与羊草斑块和 野韭斑块 都没有显 著性差异 (见图3D);羊草斑块的有效磷含量显著高于冷蒿和野韭斑块,而冷蒿也 野韭斑块 之间没有 显著性差 异(见图3F)。

3结论与讨论

通过对内蒙古克鲁伦河流域克氏针茅典型草原群落微斑块的生态特性的研究表明,羊草、冷蒿和野韭斑块都表现出了单优势种的特征,但是三类斑块的群落特征没有显著的差异,如Simpson指数、Shannon-Wiener指数和均匀度指数均没有显著的差异性,而羊草斑块的物种数显著高于冷蒿和野韭斑块;羊草、冷蒿和野韭斑块的地上生物量无显著性差异(P>0.05);相对于冷蒿和野韭, 羊草叶片具有较高的叶绿素含量、DNVI和RPI, 表现出羊草在放牧干扰系统中较强的适应性和耐受性;羊草斑块土壤有较高的铵态氮、硝态氮和有效磷含量,而土壤有机碳含量较低。

生物量是研究植被净初级生产力的基础,是评价生态系统结构与功能的重要参数。生物量作为研究系统的营养物质分配以及营养物质循环具有重要意义[11]。在本研究中,羊草斑块、冷蒿斑块和野韭 斑块地上 生物量都 较低,在70~ 100g·m-2,且三类斑块并没有显著差异。这表明羊草斑块、冷蒿斑块、野韭斑块在气候和人为干扰及放牧等各个因素的综合作用下,均无法通过自身的补偿生长而增加生物量。而张卫国等人的研究表明斑块植被的组成、盖度、高度和地上生物量等性状指标总的变化趋势是随退化程度的加剧而下降[1],这可能是由于对放牧强度等级的界定不同所致。

近年来,一些学者利用遥感技术开展地表覆盖分类和覆盖变化的研究[12],但应用较少。本研究应用遥感技术中的重要指标,如归一化植被指数(NDVI)、光化学植 被指数 (PRI)监测植被 生长。NDVI能反映植物的生长活力,PRI反映植物的光能利用率,而光能利用率是估算群落初级生产力的一个关键变量[13]。本研究的结果显示羊草的NDVI和PRI均高于冷蒿和野韭,表明羊草有较高生长活力和光能利用效率,从而增加羊草的生态适应性和抗逆性。本研究中仅对特定年限克鲁伦河流域典型草原植物群落微斑块植被和土壤特征进行了探索,而对其年动态变化有待进一步研究。

摘要：为了研究不同放牧干扰下,内蒙古克鲁伦河流域克氏针茅典型草原群落微斑块的生态特性,寻找草原微斑块与草原退化程度的内在联系,以呼伦贝尔克鲁伦河流域克氏针茅草原为研究对象,调查了该区域羊草、冷蒿和野韭群落斑块的植被和土壤特征。结果表明:羊草、冷蒿和野韭斑块都表现出了单优势种的特征,但是三类斑块的群落特征没有显著的差异,如地上生物量、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和均匀度指数均没有显著的差异性。但是羊草斑块的物种数显著高于冷蒿和野韭斑块;相对于冷蒿和野韭,羊草叶片具有较高的叶绿素含量、NDVI和PRI,表现出羊草在放牧干扰系统中较强的适应性和耐受性;羊草斑块土壤含有较高的铵态氮、硝态氮和有效磷,而土壤有机碳含量较低。

典型流域 篇9

2015年伊始,“中央一号”文件提出: 建立健全国家水资源督察制度和建设水资源论证项目,全面实施高效节水灌溉技术,加大水生态保护和水污染防治力度。近几年我国水资源污染严重,约六成水质较差或极差; 同时,由于我国农业用水比重过大,造成四大用水结构的矛盾进一步突出。因此,有效提高农业灌溉用水效率是缓解当前四大用水矛盾的有效举措。

新疆为“绿洲经济、灌溉农业区”,水资源尤其匮乏。2013年新疆水资源供水总量为588. 05亿m3,仅占全国供水总量的9. 5% ; 人均用水量2594m3,高于全国平均水平; 农业用水、工业用水、生活用水、生态用水分别占用水总量的94. 8% 、2. 3% 、1. 8% 、1. 1% 。为了保证生态 用水,国际通用水 资源开发利 用率为50% ,新疆是干旱半干旱地区,不宜超过60% ,而新疆当前水资源利用率为61. 5% ,长此以往生态环境将遭到严重破坏,因此提高农业灌溉用水效率对减少农业用水具有非常重要的意义[2]。

本文对新疆叶尔羌河流域典型灌区莎车县、泽普县、叶城县的农业灌溉用水效率进行了分析,通过对农户的调研数据,采用随机前沿生产函数测算生产技术效率和农业灌溉用水效率,以此找寻影响农业灌溉用水效率的主要因素,为今后水资源高效利用提供有力依据。

2叶尔羌河流域水资源用水效率现状分析

2.1研究区概况

叶尔羌河流域平原灌区总人口为234. 9万人,其中少数民族人口有211. 06万人,占总人口 的89. 85% 。如表1所示,2012年该流域的GDP总值为223. 62亿元,第一、二、三产业的生产总值分别为109. 0亿元、39. 88亿元、74. 70亿元,对GDP的贡献分别占48. 76% 、17. 83% 、33. 4% 。目前,流域的经济社会发展水平较低,2012年人均GDP仅为9520元,是新疆平均水平( 33909元) 的28. 1% ,是当年全国平均水平 ( 38354元) 的24. 8% ,属于新疆贫困地区。当前和今后流域所承担的首要工作就是脱贫与发展,改善当前农业用水管理现状,提高灌溉用水效率。即通过改善单方灌溉水的生物产出量和经济产值来提高农作物的水生产率,这对减轻流域农业缺水程度、缓解生态环境压力和脱贫至关重要。

注: 数据来源于 2008—2012 年喀什地区水资源公报。

叶尔羌河流域位于塔里木盆地的西缘,多年平均径流量66. 1亿m3,现已发展成为我国第四大灌区,是塔里木河水系的主要源流之一。叶尔羌河流全长约1281km,流域总面积为8. 58万km2,其中,山区面积约5. 104万km2,占66. 9% ; 平原区面积约3. 5万km2,占33. 1% 。主要为冰川融水补给性河流,年内分配极不均匀是叶尔羌河流域最突出的表现。根据喀群水文站 ( 叶尔羌河第一级引水枢纽) 的四季变化看,春季( 3— 5月) 水量占7% ,夏季( 6—8月) 占68. 3% ,秋季( 9— 11月) 占18. 5% ,冬季( 12—2月) 占6. 2% 。其中,夏季约占2 /3,特别是汛期最大的四个月( 6—9月) 占年水量的79. 9% ; 一年之中长达8个月的其他季节仅占20. 1% ,冬、春枯水期有时甚至不足总量的10% ,但却承担着包括莎车、叶城、泽普、麦盖提、巴楚县、岳普湖县一部分和14个农场四大用水的重要使命,最终汇入塔里木河[3]。

2.2样本区四大用水结构分析

叶尔羌河典型灌区用水结构在逐年变化,其趋势是工业用水、生活用水、生态用水呈逐年降低,其构成见表1。

根据我国缺水标准,低于3000m3为轻度缺水,样本区多年来人均水资源量为2655m3,属轻度缺水灌区。尽管新型工业化进程在大力推进,但以大农业为主的区域工业发展缺乏支柱产业与技术支撑,推进乏力,部分城市工业不景气,出现工厂减产或停产,因此工业用水量所占比重最低,且几年内变化不大。资料显示,灌区连续五年的农业用水比重均在95% 以上, 比全国近五年( 2009—2013年中国水资源公报) 农业用水占比的63. 4% 高30% 以上,而灌区农业用水中用于农田灌溉则高达75% 以上。由此可知,样本区农业用水量大,处于低效生产配置状态。一方面存在很大的节水潜力,另一方面农业用水部分挤占生态用水的态势仍然严重。尤其值得关注的是,提高上游灌区灌溉用水效率,对叶尔羌河下游荒漠区( 河岸生长着约13. 33万hm2荒漠林) 有着积极的意义,对维系叶尔羌河流域及塔里木盆地良好生态环境具有十分深远的影响。

注: 农田灌溉包括水田、菜田、水浇地。

2.3样本区历年灌溉用水效率分析

关于农业用水与灌溉用水效率的研究,国内外学者从不同学科领域、不同视角做了大量研究。王晓娟、 李周等认为,灌溉用水的效率实质上就是灌溉用水的生产技术效率[7]; 李绍飞、余萍、孙书洪等系统地构建了灌溉用水效率的评价指标体系,在此基础上分析了各种指标的优劣评价等级。在水价和产出价格不变的情况下,农作物的最优灌溉效率表现为: 同时达到农作物产量的最大化和水资源耗损的最小化,即用最少的水产出最多的食物[1]。本文结合国内外学者的研究, 确定了以下指标: 农作物单位面积用水量、净灌溉用水量、毛灌溉用水量、渠道水利用系数、单方水作物产量、 单方水经济产值等指标。

农田灌溉用水效率: 在选定灌溉用水效率指标基础上,结合2009—2013年《新疆统计年鉴》、喀什地区水资源公报等方面资料,测算出2008—2012年叶河典型灌区( 泽普县、莎车县、叶城县) 农田灌溉用水效率 ( 即每公顷用水量) ,结果见图1。

典型区域农田灌溉用水量有较明显的差距,介于13035—20325m3/ hm2之间,各灌区用水效率在不断提高,其中变化最大的是莎车县,泽普县次之,最后是叶城县。莎车县、泽普县用水量在缓慢中攀升,且两灌区均在2010年单位面积的耗水量达到峰值,分别为20325m3/ hm2、19680m3/ hm2,2012年又分别急剧下降到13035m3/ hm2和14640m3/ hm2,灌溉用水效率逐年增高。究其原因可能是: 1自2010年以来,莎车县、泽普县水利部门加大了对高效节水灌溉技术的推广,在一定程度上扭转了农户节水意识普遍偏低的状况,使用高效节水技术的愿望不断提高; 当地政府对灌区种植业布局进行了优化,减少了高耗水农作物的种植面积,增加了抗旱作物的种植面积,制定灌溉定额制度等,起到了较好的效果。2叶城县灌区用水量波动不大,且以2011年为节点有反弹趋势,可能是渠道防渗率偏低,以及受部分高原气候、酷暑等极端天气的影响,作物棵间蒸发强烈,单一灌溉方式和种植制度致使农业耗水率居高难下。在现有的状况下,如果不重新考虑种植结构的优化布局、灌溉方式与灌溉制度方面的调整,随着耗水量的进一步提高,灌溉用水效率偏低的状况在今后一段时期内将会更加严重。样本区灌溉效率水平与农田作物灌溉定额相比,高出灌溉用水量3300—5850m3/ hm2标准约4倍,分别高于杨小柳、刘戈力、甘泓等研究中所测得南疆、北疆、东疆以及新疆农作物灌 溉用水量 的12810m3/ hm2、8220m3/ hm2、 12810m3/ hm2、10725m3/ hm2[5]。样本区水资源的利用效率仍有很大的提升空间,节水潜力巨大。

调研发现,致使农业灌溉用水效率不高的原因主要是: 1在犁地、播种、收割等环节基本实现机械化的同时,灌区仍有30% —40% 的非高效节水灌区,浇水是农户劳动力较集中的一个重要环节。由于水价低廉,且水存在硬性指标供应量,在春冬漫灌期间一般会持续供应,农户在夜间浇水过程中存在懒散、疏于管理等现象,造成跑水严重,不但蒙受经济损失,而且严重浪费水资源。2由于样本区处于流域中游地带,水资源相对丰裕,叶河水从冰山雪水融化到山谷奔流而下的第一站便是泽普县、叶城县、莎车县灌区。这些区域较少出现干旱与缺水状况,同时有地下水补充,导致当地居民缺乏节水意识,缺少高效利用水资源的经验和知识,浪费水资源的现象严重。3由于部分灌区属于经济相对落后区域,高效节水灌溉面积仅占60% — 70% ,农户采用滴灌、洼灌、沟灌等方式的节水意愿不强,认识不到位。目前仍以地面灌溉为主,且土地平整度较差,加之灌区部分土地盐碱化严重,通过大水浇灌进行压碱洗盐,以确保适宜农作物生长,这些都增加了农业耗水量,是导致南疆灌溉用水效率低于北疆、东疆的主要原因之一。

不同作物的灌溉用水效率: 为了进一步了解灌区具体农作物的灌溉用水效率,我们特选取叶河流域典型灌区具有代表性的农作物棉花、小麦、玉米作为研究对象,从农作物播前用水量( 若灌区是盐碱地,则净灌溉用水量必须考虑压碱洗盐水量,但不考虑洗碱过程中的漫溢水量) 至作物成熟的整个生命周期净灌溉用水量。即农田灌溉有效水量和流域水从源头( 源头仅指叶尔羌河第一级引水枢纽) 至农田达到农田灌溉有效用水量所需的毛灌溉用水量。

以往研究仅单方面注重单方水产量,或注重单方水的经济产值,考虑到每年农作物的价格存在波动,单一使用净灌溉用水的农作物产量或经济产出不能很好地体现当地农业灌溉用水的效率,本文同时采用两个指标衡量灌溉用水效率,弥补单一指标测算灌溉用水效率的不足[4,5,6]。通过实地调研获得的数据,测算出样本区2011—2013棉花、小麦、玉米的单方水产量与经济产出,结果见表2。

由表2可见,一方面2011—2013年净灌溉用水玉米的平均产量为1. 56kg /m3,远大于净灌溉用水棉花产量的0. 15kg /m3; 另一方面,玉米净灌溉用水的产值平均为1. 48元/m3,与棉花相同。由于作物功能不同、价值不一,为追求同样经济价值可减少水资源投入成本,农户可能更倾向于种植棉花。因此,既注重净灌溉用水农作物的产量,又注重净灌溉用水农作物的产值来探讨不同农作物的灌溉用水效率,才能从深层次找出影响农业灌溉用水效率的因素[8,10]。2011—2013年棉花、小麦、玉米平均净灌溉用水量效益为2. 9kg / m3,毛灌溉用水量效益为1. 41kg /m3,两者效益比值为0. 486,可表示为灌溉用水效率; 毛灌溉用水量效益为2. 14元 / m3,净灌溉用水量效益为4. 41元/m3,同样灌溉用水效率为0. 485,最后得出典型灌区代表性农作物平均灌溉用水效率为0. 483。另一方面通过计算田间水利用系数,即灌溉到田间的有效水量( 包括叶面蒸腾和棵 间蒸发) 与农渠放 入田间的 水量比值: η 系 = η 水 / η 田 = 净灌溉用 水量 /毛灌溉用 水量 = 0. 485,灌溉水利用系数不高,反映出田间斗渠、农渠的防渗效率和灌水技术水平低,加之随着极端气候的变化,如酷暑期增多等,致使渠道水蒸发较强烈。所以,如何最大限度地由毛灌溉产出向净灌溉产出转移, 最大限度地节约水资源,是当前流域提高效率的核心。

3典型区农业灌溉用水效率实证分析

本文利用所获得的农户微观面板数据,通过随机前沿分析方法,运用Battese and Coelli效率损失影响模型[4],测算农户农业灌溉用水效率。

3.1模型选择与介绍

技术效率模型测定: 运用随机前沿生产函数测定微观农户生产技术效率,假设Ym为第m( 1,2,3…) 个农户的农业产出,Wm为第m个农户的灌溉用水量, xmn为第m个农户的第n种投入要素,而vm表示农业生产中不可抗力因素( 测量误差、经济波动、环境气候等) ,um表示管理误差,这样随机前沿生产函数可表示为:

这里假设没有效率损失,um= 0,则TEm= 1,农业产出为 Ŷm,说明农户处于完全技术效率状态,这种情况实际生产中不可能达到,因此我们认为农户的生产技术效率0 < TEmn< 1,为技术非效率,即生产点位于生产前沿面下。根据式( 1) 该农户m的平均技术效率TEm为:

计算出的实际产出与可能实现的最大产出之间有偏离。为了得到Kopp所定义的灌溉用水效率,需构建C - D生产函数形式的随机前沿模型,公式为:

灌溉用水效率模型测定: 灌溉用水作为与其他投入要素一样,假设农业产出在一定条件下的最小灌溉用水量为,产出水平对应式( 3) 的有效产出可表示为:

假设式( 3) 和式( 4) 相等,得出:

则式( 5) 可计算出农户灌溉用水效率公式为:

3.2调研方式与数据来源

为了全面了解农户农业生产中灌溉用水效率,结合种植业特征,本文选择具有代表性的小麦作物的灌溉用水作为研究对象,于2014年10月至2015年3月在喀什地区泽普县、莎车县、叶城县实地调研点对个体农户的小麦灌溉用水行为进行调查,总共发放问卷1000份,其中泽普县图呼其乡、赛力乡260份; 莎车县托木吾斯塘乡、喀群乡、荒地镇、依盖尔其镇400份; 叶城县喀格勒克镇、伯西热克乡、依力克其乡340份,回收有效问卷968份,问卷回收率达96. 8% 。

结合调查单位查询档案资料、走访水利局水文站、 征求水管部门意见、与农户座谈等形式获得第一手资料并汇总,通过查阅2011—2014年《喀什地区水资源公报》、2010—2014年《新疆统计年鉴》获得有关核心指标数据。

3.3数据的描述统计

本文以小 麦的单位 面积产量 为产出变 量Y( kg / hm2) ,以灌溉用水投入W( m3/ hm2) 、劳动力投入L( 人·天/m2) 、化学投入F( 元/hm2) 、机械投入M ( 元/hm2) 、种子投入S( 元/hm2) 作为主要投入要素, 投入—产出的描述性统计见表3。表3中,产量最大值为9200kg /hm2,最小值为4100kg /hm2; 种子投入为1800元 / hm2,化肥投入为5400元/hm2。机械投入主要包括犁地、播种、收割等环节,平均为2750元/hm2。 其中,仅收割成本达1800元/hm2,占总机械投入的60% —70% ; 其次是播种和犁地投入,平均值为1750元/hm2; 灌溉用水投入均值为5750m3/ hm2,最大值为6000m3/ hm2,最小值为3996m3/ hm2。

注: 数据来源于调研数据,经计算整理得到。

3.4参数估计与结果分析

根据式( 3) 可得出:

运用Frontier 4. 1软件对以上生产函数进行估计参数见表4。从表4可得,γ = 0. 9213,五个投入要素系数均为正,并通过显著性检验,符合经济学意义,说明生产点位于生产前沿面下,主要是由技术非效率引起的。就每个单一要素而言,投入增加有利于产量增加,而化学投入、机械投入和灌溉用水投入在1% 水平下显著。这是由于样本区采用节水灌溉技术,水肥技术的发挥更有利于作物生长,增加其投入可带来收益的显著提高; 而增加种子投入和机械投入对效益产值影响不大,这可能与近几年来机械化的大规模采用有关,小麦基本上实现了从犁地、播种到收割的机械化运作,机械替代了人工,可能是导致种子投入与劳动力投入不显著的原因。

注: 1W 表示灌溉用水量,L 表示人工费用,M 表示机械投入,F 表,S 表示种子投入; 2***、**、* 分别表示在 1% 、5% 和 10% 水平下显著。

本文运用随机前沿分析方法,对农户的生产技术效率、灌溉用水效率进行了测算,得到农户的生产技术效率平均值0. 6608,灌溉用水效率平均值0. 4788( 表5) 。样本区在5年间灌溉用水效率提高不显著,这些除了受到当年气候变化的影响外,与当年种植结构的特征相关,也可能与当地农户多年来形成的用水习惯、 对水资源缺乏性认识不够有关。灌区农户过度依赖水资源等,导致农业灌溉用水效率较低,与随机前沿面的差距较大。

就技术效率而言,近几年有所提高,但与孙昊测算的全国2001—2010年平均生产技术效率为0. 86的差距较大[9]。造成差距的原因可能是: 1灌区近几年来以红枣、核桃等为主发展特色林果业,而在种植前5年一般多套种小麦,这部分小麦难采用机械化作业。与我国小麦主产区相比,这些地区自然禀赋较好,地势平坦,有利于良种小麦的生长,以及机械化耕地、播种、收割,因此技术效率比全国水平较低,仅为0. 6608。2灌区农户因受教育程度、管理水平和种植小麦关键技术的掌握程度不同,如病虫害防治技术、品种的选育、 化肥的投入等,造成技术效率较低,因此样本区技术效率的提高具有较大改善潜力。3不同的种植结构,如高耗水作物棉花等,以及不同的灌溉方式漫、沟、 畦、格田灌溉都会对技术效率带来差异,虽然呈现不显著,但随着产业布局的优化,灌溉制度的改善,水资源利用率的提高等,将会有效提高作物的生产技术效率和水资源产出效益[5,6,7],因此水资源产出效益与技术效率之间存在协调作用。技术效率的提高是水资源产出效益提高的重要保障,灌溉用水效率的提高反过来又促进技术效率的提高。技术效率的提高不但与灌溉用水有关,而且与关键种植技术、化肥投入、品种选育、 受教育水平、是否采用套种、机械化程度、农户的管理水平等密切相关。

4结论与对策

灌区的水资源在时间分配和空间分布上不均匀, 春、冬两季节水量极少,且农业用水占比高达96% 以上,生态用水五年均值不足水资源总量的4% 。近年来随着灌区人口的逐年增长、工业生产的日益发展,四大用水供需矛盾尤为突出。典型灌区农业灌溉用水效率为0. 483,单方灌溉水棉花产量为0. 07kg、小麦产量为0. 58kg、玉米产量0. 76kg,单方灌溉水总产值平均为2. 25元/kg。只有最大限度地减少无效蒸发,加快渠道防渗改造工程进程,合理调整种植结构,大力推广节水灌溉制度,才从根本上提高农业灌溉用水效率。

2009—2013年灌区农户生 产技术效率 平均为0. 6608,略高于灌溉用水效率0. 4788。随着种植技术水平的提高,高效节水工程规模的扩大,当地农户接受和采纳新技术的意愿增强,对高效节水技术的“适应性”增强,可带来农业生产技术效率的提高。

依据“水十条”计划,以改善水环境质量为核心,按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”原则,分区域、分阶段推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。目前农民参与用水者协会是促进农户用水效率的提高有效方法之一,可执行责任到人的管理体制,田间水利工程谁使用谁管理,通过百姓对水利工程设施自我维护意识的增强,进一步促进农业灌溉用水效率的提高; 通过管理与制度的创新,水管部门设立农户用水“明白卡”公开制度,将灌区农户灌溉用水情况,如用水量、灌溉面积、浇灌日期等进行公示,形成农户之间相互监督,杜绝水资源浪费行为。通过优化布局种植结构,改变单一低效灌溉方式,合理配置水资源高效利用,才是解决南疆乃至新疆地区经济发展中水资源严重短缺带来的根本性问题。

摘要：南疆属极端干旱区,以绿洲灌溉农业为主,随着水资源短缺,过度开采地下水造成水位下降、土壤盐渍化加剧等问题日益严峻,如何最大限度地提高灌溉用水效率是目前亟待考虑的问题。对叶尔羌河流域四大用水结构和农田灌溉用水效率进行分析,选取典型灌区2009—2013年的微观面板调研数据,运用随机前沿生产函数对1000农户小麦生产技术效率与用水效率进行测算。研究发现:1不同作物单方灌溉水产出具有差异,平均为2.25元/m3;典型区农田灌溉用水量差异明显,介于13035—20325m3/hm2之间。2农户的平均灌溉用水效率仅为0.483,生产技术效率为0.6608。3源流区水资源的相对丰裕造成普遍节水意识缺乏,灌溉方式相对单一,农户对节水技术采纳与接受的意愿较低,这些是造成当前农业用水效率不高的主要原因。通过提高农户的节水行为,进一步推广节水灌溉技术,优化种植结构,提高农户对关键种植技术的掌握与管理水平,是实现技术效率与水资源产出效率有效提高的主要途径。