天山北麓水資源利用對綠洲穩(wěn)定性的影響

天山北麓水資源利用對綠洲穩(wěn)定性的影響

天山位于歐亞大陸的中部，是典型的內(nèi)陸干燥地區(qū)。自然環(huán)境體現(xiàn)為山地-綠洲-荒漠復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。綠洲是干旱區(qū)所特有的一類景觀,它的形成與干旱氣候有關(guān),它是干旱地區(qū)人類賴以生存和生產(chǎn)的核心場所。綠洲是一個人工與自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),它作為發(fā)育在干旱氣候大背景下的隱域性的自然景觀,水分條件是決定其存在和發(fā)展的基礎(chǔ)。人類活動對水資源的利用是影響天山北麓綠洲分布、變化、及其穩(wěn)定性的重要因子。綠洲的穩(wěn)定性由其內(nèi)部與外部生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及生態(tài)過程決定,直接關(guān)系到區(qū)域社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。1水資源和天北地區(qū)的利用1.1降水量小、分布廣天山北麓地區(qū)的降水主要來自西風氣流,只有面迎西風并能使攜水氣流爬坡的高大山地(1000～2000m以上)才能形成有效降水,因而山地成為此區(qū)的集水匯流區(qū)和水源涵養(yǎng)地。大多數(shù)平原區(qū)降水量在200mm以下,蒸發(fā)量是降水量的數(shù)倍,有限的降水僅能濕潤土壤和增加農(nóng)田的有效需水量,根本無法形成徑流。天山北麓河流均由源于山地的一系列間隙性小河組成,其自然河道僅見于山地集流區(qū),河流短小,但流量大,流速快,水質(zhì)好;進入山前平原后由于強烈蒸發(fā)、下滲、引灌,自然河道已全部被人工灌渠所代替。1.2流域地表徑流及生態(tài)植被現(xiàn)狀瑪納斯河域由瑪納斯河及其東側(cè)的塔西河、西側(cè)的金溝河、寧家河、巴音溝河、大小南溝河、沙灣河等組成,大致成SSE-NNW方向流經(jīng)山前綠洲,最后注入準噶爾盆地西北部的瑪納斯湖,全長超過400km,流域面積3.1萬km2,年徑流總量22.95億m3。據(jù)資料顯示,瑪納斯河流域全年22.95億m2的徑流中,冰川融水補給占46%,降雨占26%,降雪占18%(大部分均分布于山區(qū)),淺層地下水占8%,深層地下水占2%。瑪納斯河流域包括集水匯流區(qū)、徑流散失區(qū)和下游荒漠區(qū)。流域的集水匯流區(qū)指1000m以上的山地區(qū)。高山冰川區(qū)年平均降水量為700-1000mm,冰川面積為1228m2;冰川以下山地區(qū)的年平均降水量為408mm,面積6006km2,按每1mm降水產(chǎn)生1000m3的水量計算,集水匯流的山地區(qū)水資源總量為34.9億m3。其中22.95億m3輸送給山前平原區(qū),還有近11.95億m3被固定在冰川和山地土壤植被中。由此可見,山地是整個流域的水源涵養(yǎng)和生態(tài)維持地。山前綠洲平原區(qū)是流域的徑流散失區(qū)。目前流域區(qū)的城鎮(zhèn)、工農(nóng)業(yè)、交通網(wǎng)均分布于由山區(qū)徑流沖洪積形成的綠洲平原上,是利用人工技術(shù)高效接納和利用、轉(zhuǎn)化山區(qū)來水創(chuàng)造社會財富的精華地帶。該區(qū)綠洲平原面積約6534km2,按平均150mm降水量計算(蒸發(fā)量是其7-10倍),只相當于每平方公里灌水1653m3。為使有限的山區(qū)來水得到有效合理的利用,傳統(tǒng)上主要依靠發(fā)展水利水電工程和灌溉設(shè)施。下游荒漠區(qū)面積約1萬km2,估算降水量為100mm以下,而其蒸發(fā)量是降水量十幾倍?；哪鷳B(tài)植被面積1949年為37.25萬hm2,2000年為16萬hm2?；哪鷳B(tài)植被面積逐年減少,取而代之的是人工綠洲。該區(qū)主要靠綠洲的滲漏水維持荒漠植被的生長,而這些植被是扼制綠洲區(qū)主要的生態(tài)災(zāi)害-干熱風、風沙流、沙漠化、鹽堿化的重要生態(tài)屏障。1.3以開發(fā)促開發(fā)20年為代表的新疆流域開發(fā)成就瑪納斯河流域水資源開發(fā)始于清代,但利用程度不高。據(jù)史料記載,新中國成立初期,灌溉面積為1.17萬hm2,干支渠總長度117km,沒有永久性引水渠道、水庫和水電站,農(nóng)業(yè)灌溉靠引用泉水和在瑪納斯河上臨時建壩引水,年引用河水0.12億m3。新中國成立后,瑪納斯河流域農(nóng)墾水利事業(yè)迅速發(fā)展,經(jīng)過近50年的開發(fā)治理,已形成比較完整的引水、蓄水、配水灌溉體系,目前已建成大型攔河引水渠道2座,總引水能力175m3/s;大中型平原水庫5座,總庫容4.5億m3;徑流梯級電站4座,總裝機容量57.05mw,年發(fā)電量2.2億kw·h;興建場外引水干渠22條,總長度414km,場內(nèi)引水干渠592km,支渠1417km;排水渠總長2124km,配套完整的機井1600眼,年提水量3.4億m3。年總引水量1677億m3(包括地下水),灌溉面積23.13萬hm2,毛灌溉定額7245m3/hm2,渠系水利用系數(shù)0672。水土資源得到綜合開發(fā)和利用,成為新疆流域開發(fā)治理較早,社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益較高的典范灌區(qū)。但進入田間被利用的山區(qū)來水只有13億m3,利用率僅57%,重復(fù)利用率僅9.1億m3,年調(diào)節(jié)蓄水量只占年徑流量的17.4%。2瑪納斯湖上區(qū)域自然帶分布瑪納斯河流域地形差異極大,從源頭到山前平原不到100km的水平距離內(nèi),地形由海拔5000m以上的高山下降為500～800m的平原,平原區(qū)地形也由沖洪積扇頂?shù)?00m下降到瑪納斯湖底的257m,決定了該流域的氣候、水文、植被、土壤呈現(xiàn)出東西延伸、南北更替的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。有規(guī)律地分布著半濕潤的山地自然帶、半干旱的人工綠洲帶、極干旱的荒漠自然帶,處在兩大景觀發(fā)育方向呈明顯對立態(tài)勢的自然帶之間的人工綠洲帶成為環(huán)境極為敏感、脆弱的干旱流域生態(tài)區(qū)。其穩(wěn)定性不僅取決于上游山地及下游荒漠的生態(tài)建設(shè)水平和環(huán)境支持能力,還取決于整個流域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)演變。2.1瑪納斯合成綠茶瑪納斯綠洲分布在410～800m左右的山前新老洪、沖積扇平原上,地面坡度0.5%～3%,地形平坦;礫質(zhì)沖積物上普遍發(fā)育了可耕性極強的黃土母質(zhì),年均溫5～7℃,年降水160～210mm;地下水位較深,既有山地來水的滋潤,又有內(nèi)陸盆地豐富的光熱資源普照?，敿{斯綠洲被認為是典型干擾性綠洲,它是在瑪納斯天然綠洲的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展農(nóng)業(yè)形成的現(xiàn)代綠洲。瑪納斯綠洲演變過程主要有天然綠洲→人工綠洲;荒漠→人工綠洲;人工綠洲→荒漠;天然綠洲→荒漠演變4種,也體現(xiàn)了瑪納斯綠洲穩(wěn)定性的動態(tài)變化。該綠洲在空間位置方面的演變特點是以瑪納斯天然綠洲為核心,通過土地開發(fā)、農(nóng)田建設(shè)和水資源利用逐步向外圍擴展,使綠洲面積成倍增加,在空間結(jié)構(gòu)方面以主河道為軸線兩側(cè)對稱發(fā)展?，敿{斯綠洲是一個現(xiàn)代人為干預(yù)成功的綠洲。該地區(qū)最早的農(nóng)業(yè)始于1世紀之后,直到20世紀40年代末人口約56萬,仍以牧業(yè)為主;耕地也僅有37×104hm,分布十分分散。到20世紀末人口增加15倍,耕地擴大6倍以上,將瑪納斯河?xùn)|西約120km范圍的大小綠洲連成一片,形成了一個巨大的人工綠洲。完整的人工綠洲生態(tài)系統(tǒng)建立起來,綠洲內(nèi)部環(huán)境得到充分改善。但同時綠洲外圍荒漠化突出,綠洲一荒漠過渡帶變窄或消失,風沙侵蝕綠洲前緣嚴重,尾閭湖(瑪納斯湖)干涸,河流尾閭流程縮短,下游沿河綠洲消亡。2.2人工定向改造所創(chuàng)造的綠茶文明瑪納斯綠洲區(qū)是整個流域水、土、光、熱資源高度協(xié)調(diào)的精華地帶,穩(wěn)定的山區(qū)來水和可耕性極強的深厚土壤,在人工定向改造下創(chuàng)造了燦爛的綠洲文明。人為干擾對綠洲演變的影響在時間和空間上都是有限的、不協(xié)調(diào)的,但卻往往是迅速的、強烈的。2.2.1物種自然河流重大工程行為,主要是水利工程。自1952年以來,瑪納斯河流域農(nóng)墾水利事業(yè)迅速發(fā)展,流域內(nèi)建成紅山嘴引水樞紐及西岸大渠、東岸大渠等灌溉渠系,并修建平原水庫26座總庫容5.45×108m3,占河流年徑流量的24%,年調(diào)節(jié)水量11.02×108m3。因為有了水利工程才使得人工綠洲在多個方面遠遠超出原始天然綠洲,綠洲建設(shè)早已擴張到山地和荒漠區(qū),使綠洲具有了跨越地貌單元的特征。2.2.2土地沙漠化加劇綠洲具有隨水源的時空變化而演變的規(guī)律,瑪納斯綠洲演變也不例外,隨著小拐河段以上地區(qū)水資源的進一步開發(fā)利用,小拐以下斷流,使地下水位進一步下降,紅柳、胡楊等植物不斷枯死,綠洲荒漠化過程加劇;索灣、下野地北部沙漠邊緣耕地因水源不足被迫棄耕,土地沙漠化加劇,耕地、渠道、林帶、居民點等綠洲荒漠化;綠洲內(nèi)部鹽堿地荒漠,隨著墾區(qū)渠道防滲和排渠配套工程的實施,與地下水資源開采量的增加,地下水位勢必降低,土地鹽漬化過程減弱,加之鹽堿地改良與生態(tài)工程建設(shè)的實施,部分鹽堿地將轉(zhuǎn)化為耕地或林地,使鹽漬地荒漠變?yōu)榫G洲;隨著區(qū)內(nèi)人口的增加,居民點、工礦用地亦將增加,部分耕地轉(zhuǎn)化為居民點和工礦用地,綠洲類型發(fā)生變化,或沙、礫石戈壁地荒漠演變?yōu)榫G洲生態(tài)系統(tǒng)。2.2.3水資源利用不當水、土、生物和礦產(chǎn)資源及能源等的利用必然產(chǎn)生對綠洲結(jié)構(gòu)和功能的影響,特別是水資源的利用對其產(chǎn)生的影響更為明顯。一方面,合理利用水資源,使綠洲面積迅速擴大,農(nóng)牧業(yè)發(fā)展,城市崛起、社會發(fā)展,治水改土增大了環(huán)境容量,改善了小氣候條件;另一方面,由于水資源利用不當,引起了環(huán)境的改變。大量河水被引入灌區(qū),自然水域縮小,流域中游大量開發(fā)地下水,迫使中下游溢出泉水量逐漸減少,瑪納斯湖干涸;同時,地下水位升高引起的次生鹽漬化與水源不足引起的大面積撂荒地也威脅著綠洲生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性。2.2.4山地生態(tài)環(huán)境演變瑪納斯河綠洲建設(shè)早已擴張到山地和荒漠區(qū),人工干預(yù)的方向和強度改變了流域的生態(tài)演變過程。據(jù)統(tǒng)計,流域平均森林覆蓋率已由解放初的30%下降為1998年的5.5%,森林疏密度已由0.9%下降為0.3%,天然優(yōu)勢樹種雪嶺云杉覆蓋率由27%下降為2.8%。與此同時,毀林毀草、超載過牧及由此造成的植被退化、病蟲害肆孽、水土流失的加劇現(xiàn)象在山區(qū)普遍存在。山地生態(tài)環(huán)境演變影響綠洲來水的均衡度與和諧度,物質(zhì)、營養(yǎng)、能量供應(yīng)均衡度,泥沙、風沙、洪流威脅性。下游荒漠生態(tài)是綠洲建設(shè)水平和質(zhì)量的晴雨表和反映器。經(jīng)過綠洲農(nóng)田及城鎮(zhèn)利用后約有10億m3的水主要以地下水的形式散失在茫?；哪?成為約1萬多平方公里荒漠植被的主要水源,它們對固定沙丘、減弱風沙流及干熱風及沙漠向綠洲的侵蝕發(fā)揮著巨大作用。而且使綠洲工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活排出的各種污染物得到有效降解和稀疏,從而提高封閉流域環(huán)境的自然生產(chǎn)力和綠洲生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展能力。3合理利用水資源，保持綠洲穩(wěn)定3.1水利工程管理由于瑪納斯綠洲水利建設(shè)較早,許多工程出現(xiàn)不同程度老化問題。流域水利工程老化損壞,效益下降;干渠修建后,經(jīng)過多年運行,工程失修,干渠淤積、沖刷、沉陷、坍塌現(xiàn)象嚴重。加之干渠右側(cè)的河水淘蝕等,使渠堤外坡更加單薄,干渠險段增多,工程年年都受到洪水的危害,工程抵御洪水能力下降;同時還存在著工程磨損、斷裂嚴重,使用壽命減短;工程配套不全,影響灌溉效益發(fā)揮;水庫淤積,護坡和壩面失修,水庫病險加重;機井老化、失修、開機率有待提高等問題。工程技術(shù)方法解決存在問題主要包括從工程踏勘、設(shè)計、施工以及具體技術(shù)措施等,用于針對和克服流域復(fù)雜的自然環(huán)境對工程建筑物帶來和造成的不利因素,以及防治工程老化、磨損的技術(shù)方法和手段。這其中包括采取一些新技末和借鑒一些可行的經(jīng)驗等方面的內(nèi)容。工程管理方法包括工程設(shè)計、施工、運用,維修,養(yǎng)護等多方面措施,是水利建設(shè)中最為重要的環(huán)節(jié)。健全管理機構(gòu),加強水利工程管理,合理控制運行,注意維修與養(yǎng)護,不僅可使工程發(fā)揮良好效益,而且可以延緩工程壽命,防治工程老化和損壞。3.2灌溉高效節(jié)水