第一作者。黑河下游绿洲植被优势种生物量空间分布及生态需水估算.地理科学。2014.第二作者。黑河中游绿洲及绿洲—荒漠生态脆弱带土壤含水量空间分异研究[J]。地理研究，2007，26（2）：321～327。·第一作者不同水资源情景下干旱区未来土地利用/覆盖变化模拟——以黑河中上游张掖市为例[J]．冰川冻土，2007，29（3）：397～405。· 第一作者．国际土地利用/覆盖变化模型研究综述[J]．自然资源学报，2005，20（3）：422～431．· 第二作者．河西地区土地利用/覆盖变化驱动力研究[J]．干旱区地理，2004，27（2）：234～238．· 第一作者．张掖市土地利用/覆盖变化模拟[J]．遥感技术与应用，2004，19（5）：359～363 ．· 第二作者．黑河流域土地利用/土地覆盖变化研究[J]．土壤，2003，35（4）：292～297．第一作者．干旱地区土地利用/土地覆盖变化研究——以黑河流域为例[J]．干旱区资源与环境，2003，17（2）：49～54．· 第一作者．全球变化研究的战略计划——地球科学事业简介[J]．遥感技术与应用，2002，17（6）：376～380．
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9. 5. 1 张掖地区土地利用结构空间分异特征
研究区域土地利用结构的空间分异，可对复杂土地利用现象进行规律性简化，进而为各种土地利用问题的深入研究提供指导性框架。随着土地利用信息的日益丰富，如何科学处理大量相关信息，已是土地利用格局研究面临的问题。多元统计分析方法的应用，为相关的空间分异研究提供了可行的方法和手段。计算机应用技术的发展，使多元统计分析过程中的计算速度已不是限制因素; 相应地，发掘和利用数值方法，探索区域宏观空间分异特征的研究取得了许多进展 ( 李元，2000; 唐华俊等，2000) 。
本节以甘肃张掖市各县区 1996 年土地利用详查数据为基础，用提取主要信息的因子分析和综合各种信息的聚类分析相结合的方法，探讨该区域土地利用结构的空间分异特征。
以甘肃张掖市 6 个县 ( 区) 为评价单元，具体包括甘州区、肃南裕固族自治县、民乐县、临泽县、高台县和山丹县。基础数据为 1996 年土地利用详查数据，具体到土地利用的二级类型数据。除去面积为零或面积极小的土地利用二级类型外，引入计算的土地利用结构类型有 25 种，包括耕地中的灌溉水田、水浇地、旱地，园地中的果园，林地中的有林地、灌木林地、疏林地、未成林地、苗圃，草地中的天然草地、改良草地、人工草地，居民点及工矿用地中的城镇、农居、独立工矿地、特殊用地，交通用地中的铁路、公路、农村道路，水域中的河流、水库、坑塘、苇地、滩涂、沟渠。
多元统计分析方法中的因子分析和聚类分析是两种重要的综合评价方法。因子分析是建立一种从高维空间到低维空间的映射，这种映射能保持样本在高维空间的某种 “结构”，其中最明显的是与 “排序”有关的结构 ( 于秀林等，1999; 胡永宏等，2000) 。因子分析不仅可以研究各个指标之间的关系，进而进行指标归类; 而且更重要的是通过因子分析的综合评价，可赋予每个评价单元少数富含有结构性映射的综合得分值或降维新指标以及反映新指标重要程度的特征根值。
聚类分析主要体现综合分析的作用，并能展示各样本之间的亲疏关系。其局限性是，变量的量纲不同会影响分析结果，但经消除量纲影响的标准化处理，又使每个变量权重一致; 更为重要的是不能剔除变量之间的多余或重叠信息。可见单纯的聚类分析结果往往不能真实反映各样本之间的亲疏关系。但以因子分析的特征根为权重，乘以相应的因子得分值，则可以得到体现变量重要程度的少数指标，在此基础上进行的聚类分析可以较客观地反映样本或评价单元之间的亲疏关系。
对 25 种土地利用结构类型的比重进行因子分析和聚类分析。因子分析的具体步骤: ①利用主成分分析法提取公共因子。②根据方差累计贡献率提取特征根 ( 一般认为大于 70%) 。③选择方差最大正交旋转进行变换。④依据回归法计算因子得分。聚类分析方法的具体步骤: ①以因子分析的前几个特征根和相应的因子得分值，计算新的变量; ②在新变量非标准化的前提下，用 Euclidean 方法计算样本间距离，用 Ward 方法进行连接 ( 于秀林等，1999;胡永宏等，2000) 。
9. 5. 1. 1 评价指标之间的关系
评价指标的归类是综合数值分析的基础。有关土地利用结构类型的各种指标之间存在着程度不同的相关性，通过因子分析，可对不同指标做进一步的归并，深化人们对各种指标之间 “亲疏”关系的理解。如表9. 46、表9. 47、图9. 13 所示，前3 个特征根值的累计贡献率已经达到81. 559%( 大于 70%) ，即 25 个变量所反映的信息可由 3 个主成分 ( λ1+ λ2+ λ3≈20. 4 个变量) 反映81. 559%，降维效果十分明显。因此，在 25 个特征根中提取前 3 个特征根。
表 9. 46 因子分析总方差解释
注 : 提取方法为主成分分析; 旋转方法: 方差最大正交旋转。
表 9. 47 旋转后的因子成分矩阵
注: 提取方法为主成分分析; 旋转方法: 方差最大正交旋转。表中不显示绝对值小于 0. 1 的数值。
由表 9. 47 可知，第一因子在农村道路沟渠、特殊用地、水浇地、城镇、农居、果园、公路、改良草地、苇地和苗圃比重上的载荷较高，其中改良草地的影响为负，其他为正; 第二因子在独立工矿地、未成林地、疏林地、灌木林地、滩涂、水库、坑塘、天然草地和铁路用地比重上的载荷较高，疏林地、灌木林地和天然草地影响为负，其他为正; 第三因子在有林地、人工草地、旱地、灌溉水田和河流比重上的载荷较高，人工草地和旱地影响为负，其余为正。每个因子中载荷较高的土地利用结构类型比重之间具有较高的相关性，相应的土地利用结构类型可归为一类。这样，通过因子分析，可将 25 类土地利用类型归并为 3 类。
9. 5. 1. 2 评价单元之间的关系
通过因子分析，可利用每个因子得分对评价单元进行排序比较。以含有主要特征的降维变量乘以相应的特征根为新指标，通过聚类分析可研究各评价单元之间的亲疏关系 ( 图 9. 14) ，为分区定界提供定量依据。
图 9. 13 降维分析碎石图
如果采用较长的距离阈值，如连接距离阈值为 90，可将评价单元分为两大类，即西北部的张掖市甘州区、临泽县和高台县，以及东南部的肃南裕固族自治县、民乐县和山丹县。随着采用距离阈值的减小，评价单元可逐步分离。如连接距离阈值为 70，评价单元归并为 4 类，即: ①张掖市甘州区，②临泽县和高台县，③南裕固族自治县，④民乐县和山丹县。各评价单元的亲疏关系如图 9. 14 所示。
图 9. 14 基于因子分析的系统聚类分析
9. 5. 1. 3 类型区的归并
根据基于因子分析的系统聚类分析结果，按照区划方法的经典原则 ( 黄秉纬，1989; 郑度等，1997; 吴传钧等，1994) ，结合土地资源分布特点 ( 蒙吉军，1998) ，则可以实现从分类到分区的转换。研究结果可将张掖市的土地利用结构分为 4 个类型区 ( 图 9. 15) 。
图 9. 15 张掖市土地利用结构分区
几大类土地利用结构的空间变化情况为: 耕地比重肃南裕固族自治县最低，其他地区从东南部到西北部，有下降的趋势，其中与甘州区比邻的县耕地比重较大; 园地比重甘州区最高，以甘州区为中心，向其他方向园地比重下降; 林地比重东南部较高，向西北部降低，甘州区林地比重较低; 牧草地比重东南部较高，向西北部降低，甘州区牧草地比重较高; 居民工矿地和交通用地比重以甘州区为高值中心向其他方向减小，但高台县的略有上升; 水域面积比重，以临泽县及其比邻的县市较高; 未利用地比重从东南向西北下降，肃南裕固族自治县的未利用地比重也较高 ( 表 9. 48) 。
表 9. 48 张掖市土地利用结构 ( 占土地总面积比例) ( 1996) 单位: %
9. 5. 2 张掖地区土地利用结构时间变化特征
1997 ～ 2000 年期间，张掖地区土地利用结构的变化幅度不大。耕地、园地、居民及工矿地、交通用地和水域用地面积都有所增加; 牧草地和未利用地面积有下降的趋势，林地面积有升有降( 表 9. 49) 。
从各县区土地利用状况分析，耕地在各县区均有所增加; 园地面积主要增加在高台、山丹和民乐; 林地面积增加在肃南、临泽、民乐，减少在高台，其他县区基本不变; 牧草地面积在各县区均有减少; 居民点及工矿地、交通用地基本不变或略有增加; 水域面积在临泽和高台增加; 未利用土地除肃南外，均有减少的趋势。
表 9. 49 张掖市土地利用变化 单位: 103hm2
9. 5. 3 张掖市水土资源匹配
9. 5. 3. 1 张掖市各县区灌溉定额及其适宜绿洲面积的确定
张掖绿洲气候干旱，具有光照资源充沛的优势和年降水量不足的特点，加上结构复杂、起伏较大的地形和沙漠戈壁发射率高，大气湿度低，净辐射反而比同纬度湿润地区低 ( 246～287MJ/m2) 。因此必须考虑水热资源的平衡，在调节水热资源的基础上进行灌溉，才能取得良好的生态、经济效益。蒙吉军 ( 1998) 根据水热平衡对张掖市各县区的灌溉定额做了深入研究。
( 1) 实际蒸散的确定
蒸散的确定有多种方法，其中影响较大的是彭曼和拜伦的方法。拜伦提出以 “实际”蒸散代替可能蒸散，其实际蒸散是由实际气温、降水制约的湿润状况反推出来的蒸散，是与不同干湿区的临界值比较后得出的各种蒸散值，对评价降水量的丰欠、流域水分平衡、水热平衡等都有重要作用。由于张掖绿洲处在干旱、半干旱地区，下垫面不可能达到恒定的湿润状态，不具备可能蒸散的条件。因此，本文采用了拜伦的实际蒸散公式来计算调节水热资源的一系列参数。
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
式中
S———湿润指数;
Si———月湿润指数;
P———月降水量 ( cm) ;
t———月均温 ( ℃ ) ;
Ea———S= 6. 37 ( 即半湿润区中值条件) 的实际蒸散量 ( cm) ;
T———年均温 ( ℃ ) ;
T'———综合性年温;
Rt———年净辐射;
A———气温年均差 ( U = 0. 366A) ;
D———干燥率;
Lp———潜热。
据此法计算结果见表 9. 50。各县区实际蒸发量 ( Ea) 在 44. 2969～56. 2470cm 之间，净辐射约( 17×104～ 24×104) J/ ( a·cm2) ; 干燥度甘州、临泽、高台在 7 ～ 9 之间，肃南、山丹、民乐在 2～ 4 之间，说明前者属于干旱气候，后者属于半干旱气候。
表 9. 50 按照拜伦蒸散公式计算的张掖绿洲调节水热平衡的参数
( 据蒙吉军，1998)
( 2) 波文比与灌溉定额
波文比是感热消耗 ( C) 对潜热消耗 ( LE) 的比值，即 β=C/LE。它反映了下垫面上的感热与潜热比，可明显表示其干湿状况，一般 β 越大下垫面越干燥，反之则湿润，通常情况下，海洋为0. 1，沙漠可达 5. 8 以上。在计算波文比时潜热用实际蒸散 ( Ea) 乘以汽化潜热 ( L) 即可求得，感热 ( C) 用净辐射 ( Rt) 减潜热 ( Lp) 求得。计算结果见表 9. 50。除民乐外其他地方 β 均大于0. 6，说明感热消耗过多，显热消耗不足。计算实际蒸散、净辐射以及波文比都是为了求得合理的灌水深度和灌溉定额。
当 S=6. 37、D =1. 377 时，为半湿润区的中值，按这一湿润指数推算的 Ea称为基本实际蒸散( E1. 37) ; 当 S = 9. 56、D = 0. 90 时，为湿润区的中值，据此推算的 Ea为最优实际蒸散 ( E0. 9) 。满足 E1. 37可使植被生长良好; 满足 E0. 9可使植被生长最优。因此，调节水热平衡应将 E 控制在 E1. 37和 E0. 9之间，同时灌溉定额也将随 E 调控。计算公式如下:
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
参考温带湿润区情况，波文比取 β=0. 4 就可以照顾 Rt在感热和显热方面的适当分配。如 β=0. 4，则合理蒸散 E0. 4= 1. 19Rt，g0. 4= E0. 4－P，Q0. 4= 100 g0. 4。式中，g1. 37、g0. 9、g0. 4分别为基本灌溉深度、最优灌溉深度和合理灌溉深度，Q1. 37、Q0. 9、Q0. 4分别为基本灌溉定额、最优灌溉定额和合理灌溉定额。据此得出灌溉定额，见表 9. 51。
表 9. 51 张掖绿洲各县区各类灌溉定额和深度
( 据蒙吉军，1998)
超额灌溉，不仅浪费了大量的水资源，而且导致了成片土地的盐碱化。因此必须节约水资源，以防止土壤盐碱化的继续蔓延。据中科院沙漠所在临泽进行的作物需水量实验研究得出的结论:年降水量 100mm、蒸发量 2400mm 的河西走廊，每年灌水 4500m3/ hm2就可达到亩产吨粮。因此，不论从理论上还是实践上都证明，控制灌溉定额对绿洲生态平衡是非常重要的。据此，本研究取合理灌溉定额作为计算合理绿洲面积的基础。
( 3) 张掖市 2005 年和 2010 年农业可供水量预测
由于历史传统原因，农业一直是张掖市用水的主体。2000 年张掖市生活 ∶ 工业 ∶ 农业 ∶ 生态用水的比例为2. 2 ∶ 2. 8 ∶ 87. 7 ∶ 7. 4。而在 2001 年，全区用水总量为 24. 50×108m3，其中的 95. 1%为农林牧业用水。根据 《张掖市节水型社会建设试点实施方案大纲》，张掖市到 2010 年的节水目标是: ①保障国务院批准的分水方案，正常年份使正义峡下泄水量达到 9. 5×108m3; ②全区用水总量由目前的 26×108m3减少到 20×108m3，全区生活 ∶ 工业 ∶ 农业 ∶ 生态用水比例调整为5. 8 ∶7. 7 ∶ 56. 8 ∶ 29. 6。综合上述，2005 年整个张掖市安排用水总量为 22×108m3，生活 ∶ 工业 ∶ 农业∶ 生态用水比例为4. 5 ∶ 5. 0 ∶ 72. 5 ∶ 18. 0。以此推算，张掖市 2005 年农业用水量为 15. 95×108m3，2010 年农业用水量为 11. 36 × 108m3。根据上述总量控制指标以及现状用水区域比例，2005 年和2010 年张掖市各县区农业可供水量如表 9. 52 所示。
表 9. 52 张掖市 2005 年和 2010 年农业可供水量预测与绿洲面积
( 4) 基于基本灌溉定额的适宜绿洲面积
干旱区绿洲的水土平衡一般采用公式 A=W/I 来计算。式中，A 为绿洲面积 ( hm2) ，W 为农业可用水量 ( m3) ，I 为灌溉定额 ( m3/ hm2) 。根据各县 ( 区) 大农业净供水量及合理灌溉定额，各县 ( 区) 适宜的绿洲面积如表 9. 52 所示。
9. 5. 3. 2 生态安全条件下的绿洲土地利用结构
( 1) 绿洲的生态环境问题与防护林建设
黑河流域目前所面临的主要生态环境问题是，上游山区水源涵养林的破坏及其保护和中下游平原地区人工和天然绿洲沙漠化及其治理。此外，还有污染和土壤盐碱化等环境问题。污染问题从目前来看还不太明显和突出，但在流域工业化进程中是不可避免的，应特别重视，防患于未然。因为对干旱地区来说，任何污染物都是只吞不吐，不能排出区外，如果没有污水的科学化处理和高标准排放，日积月累，最终将会彻底地污染和破坏人类现有的生存空间，造成无法挽回的损失。土地次生盐碱化是干旱地区三大自然灾害之一，因局部地区大水漫灌和地下水位过高造成，随着流域地表水和地下水联合开发利用阶段的完成，将最终得到根本的抑制和治理。干旱地区植物生长离不开水源，上游山区降水较多，水源涵养林主要分布在温湿条件适宜的中山地带和亚高山地带，不需人工灌溉，山前平原的中、下游地区降水稀少，无论是人工还是天然绿洲都需要外来( 主要来自山区) 水源补充灌溉。绿洲既然是干旱地区一种零星分布的逆沙漠化景观，必然要遭遇到干旱地区所特有的各种自然灾害的包围和侵袭。以从事农业生产为主的人工绿洲，如果没有一个完整的能够抵御这些自然灾害的防护体系，就不会有生态环境良好的、适于人类生存的可持续发展基地。干旱地区人民在长期利用和改造自然的社会生产实践过程中，最终找到了既能美化和保护环境，又能抵御主要自然灾害的两全其美的方法，就是 “植树造林，绿化祖国，保护环境”，在人工绿洲内部和外围营造和建立适宜比例的防护体系。黑河流域经过国家两期 “三北防护林建设工程”的实施，集中分布在中游地区的人工绿洲内部，已有 90%以上的农田得到保护，促进了环境和生产的双丰收，在国家第二期 “三北防护林工程”实施后，完整的人工绿洲生态环境防护体系，在 2000 年最终建成，使 100%的绿洲和农田得到庇护。由于干旱地区生态效益和经济效益具有高度的统一性，二者相辅相成，良好的生态效益不仅是获取高经济效益的基础和保证，也是实现可持续发展不可缺少的。因此在缺水和因缺水生态环境十分脆弱的干旱地区，应当更为强调良好生态环境的保护和建设，其用水保证在排序上应仅次于生活供水。实际上，在具体的生产实践中，所有比较稳定的人工绿洲都具有十分完整和健全的林业防护体系。人工绿洲防护林体系是指: 在绿洲外围建立灌草固沙带和营建防风固沙林带; 在绿洲边缘营建大型基干防风防沙林带;在绿洲内部营造护田林网，实行农林混作，包括营建护渠 ( 田) 林、护路林、村落 “四旁植树”和在小片夹荒地、盐碱下潮地、河滩地上，建设小片经济林、用材林和大片薪炭养畜林等。从绿洲的外围到内部，根据不同的生境和需要进行植树造林，使整个绿洲的林木分布均匀，布局合理，构成一个层层设防的网、片、带和乔、灌、草结合的防护林体系。防护林体系的防护能力，一般随林地的增加而提高，但不是林地面积越大越好，而是到一定程度后不再提高，另外林地比例过大，还会出现农林争地、争水和林带胁地等问题，因此 “林地”比例应有一个 “适宜度”。根据研究和长期的生产实践，黑河流域中游防护林地面积以占人工绿洲总面积的 12%为宜 ( 北部被风沙包围的绿洲可增加到 13%) ，其中绿洲边缘大型防风沙林带占 0. 9%，农田防护林面积占 7%，护路林面积占 1. 9%，四旁植树面积占 2. 3% ( 曲耀光等，2000) 。
( 2) 防护林建设的区域差异分析
根据 “九五”国家重点科技攻关计划项目 96－912，黑河流域水资源合理利用与社会经济和生态环境协调发展研究 ( 程国栋等) 成果，可较合理地设定各县市防护林建设的结构。张掖市境内现形成两个大沙区: 一是甘州至高台沙区，沙漠主要分布于黑河水系的干支流两岸，成片状，带状零星散布于绿洲农田区和交通沿线; 二是山丹、民乐沙区，包括山丹、民乐两县的北部地区和张掖石岗墩带，以戈壁沙滩为主，被绿洲农田所包围或隔离开。地下水位埋藏较深。1995 年山丹县境内现状不存在现代风沙化土地，即不存在流动沙丘 ( 地) 。固定或半固定沙丘 ( 地) 以及非生物固沙工程地等为代表的沙质荒漠土地，仅存在戈壁沙滩荒漠。流域中游地区其他各县境内土地沙漠化程度都十分严重，其中高台、临泽县，沙漠化土地已达总土地面积的 54. 9%～64. 3%，超过半数; 最少的肃南裕固族自治县境内沙漠土地也占总土地面积的 20%，且多集中于冲洪积平原地势平坦的绿洲周围。如果不计戈壁滩地，仅以单纯意义上的活动沙丘、固定或半固定沙丘及非生物工程固沙地计算各地的沙化土地，可得出: 民乐县为 1. 565 × 104hm2，占总土地面积的22. 05%; 甘州区为 2. 413×104hm2，占土地总面积的 6. 92%; 临泽县为 1. 229×104hm2，占总土地面积的 40. 37%; 高台县为 10. 708×104hm2，占总土地面积的 24. 32%; 肃南裕固族自治县为6. 491× 104hm2，占总土地面积的 13. 0%。反映出民乐、临泽及肃南等地各类沙丘面积所占比例较大，张掖市以戈壁沙滩地所占比例最大，约占沙化土地面积的 70. 80%。在沙漠化土地中，流动沙丘起沙风速小，大约 5m/s，而且比固定沙地在起沙条件下输沙强度大，风沙机会也多，因此是危害性最大的一类沙化土地类型; 半固定沙丘介于流动沙丘与固定沙丘之间，同样比固定沙丘的危害性要大。因此，从风沙危害性及潜在风沙机会 ( 风沙时间及沙丘推移扩展强度) 两方面来说，流动沙丘及半固定沙丘的多少，可以表征一个区域的沙化危害程度及潜在风沙强度。从表 9. 53 可看出，民乐、肃南两地流动沙丘所占比例较大，反映该地区现代沙化过程较强烈; 高台县境内，不仅沙漠化土地规模较大，而且流动沙丘所占比例也较大，沙漠化危害程度较其他地区要严重。临泽县境内，流动沙丘规模较小，但半固定沙丘范围较大，二者合起来已占总沙漠化土地的 54%，植被生态体系建设与维护程度将直接影响该地区的沙化程度。
表 9. 53 张掖市沙漠化土地分布特征
注: 表中肃南裕固族自治县括号中的数据为沙漠化面积与草地面积之比。
研究区沙漠化土地分布的另一个特征就是大部分地区，沙漠化面积均大于现状耕地面积。除山丹县以外 ( 耕地面积大于沙漠化面积) ，民乐、甘州两县区沙漠化面积约为耕地面积的 1. 4～1. 5倍。农耕环境相对恶劣，农业生态环境较脆弱，沙化威胁较大。肃南耕地面积较少，其比值意义不大，与草地面积相比，草地面积要显著大于沙漠化面积。如果用耕地、林地及草地之和代表现状绿洲面积，则临泽现状绿洲面积与沙漠化面积之比为 1 ∶ 1. 27，高台绿洲面积与沙漠化面积之比为 1 ∶ 2. 3; 而民乐绿洲面积约为沙漠化面积的 2. 04 倍。这些结果反映出流域中游地区山丹、民乐、肃南等境内现状绿洲面积要大于沙漠化土地面积，绿洲仍是自然生态体系中的主体要素，但在临泽、高台等中下游地区，沙漠化土地面积已超过绿洲面积而成为主导性环境要素。
根据表 9. 54，山丹、民乐、甘州和肃南防护林面积设置为人工绿洲面积的 12%，相应的绿洲边缘大型防风沙林带占 0. 9%，农田防护林面积占 7%，护路林面积占 1. 9%，四旁植树面积占2. 3%。临泽和高台县防护林面积设置为人工绿洲面积的 13%，相应的绿洲边缘大型防风沙林带占1%，农田防护林面积占 7. 6%，护路林面积占 2. 1%，四旁植树面积占 2. 5%。根据陈昌毓 ( 1995)的研究，适宜农田面积占人工绿洲面积的百分比如表 9. 54 所示。
表 9. 54 张掖市绿洲土地利用结构 ( 占适宜绿洲面积的百分比) 单位: %
由此可以根据表 9. 54 计算 2005 年人工绿洲区农林牧用地面积，如表 9. 55 所示。
表 9. 55 张掖市 2005 年绿洲土地利用结构预测 单位: hm2
根据近几年，特别是 2001 年耕地复种指数及农作物种植结构，可以预测 2005 年可能的农作物种植情况 ( 表 9. 56) 。
表 9. 56 张掖市 2005 年绿洲农作物种植结构预测 单位: hm2
根据基于因子分析的聚类分析的结果，各县区 ( 评价单元) ，在土地利用结构上: 临泽县和高台县非常相近，并在一定连接距离上与甘州区相近; 民乐县和山丹县也非常相近，并在一定连接距离上与肃南裕固族自治县相近。因此，在水土资源匹配、土地利用结构和农作物种植结构调整上可以参照上述分区结果。
第一作者。黑河下游绿洲植被优势种生物量空间分布及生态需水估算.地理科学。2014.第二作者。黑河中游绿洲及绿洲—荒漠生态脆弱带土壤含水量空间分异研究[J]。地理研究，2007，26（2）：321～327。·第一作者不同水资源情景下干旱区未来土地利用/覆盖变化模拟——以黑河中上游张掖市为例[J]．冰川冻土，2007，29（3）：397～405。· 第一作者．国际土地利用/覆盖变化模型研究综述[J]．自然资源学报，2005，20（3）：422～431．· 第二作者．河西地区土地利用/覆盖变化驱动力研究[J]．干旱区地理，2004，27（2）：234～238．· 第一作者．张掖市土地利用/覆盖变化模拟[J]．遥感技术与应用，2004，19（5）：359～363 ．· 第二作者．黑河流域土地利用/土地覆盖变化研究[J]．土壤，2003，35（4）：292～297．第一作者．干旱地区土地利用/土地覆盖变化研究——以黑河流域为例[J]．干旱区资源与环境，2003，17（2）：49～54．· 第一作者．全球变化研究的战略计划——地球科学事业简介[J]．遥感技术与应用，2002，17（6）：376～380．
9. 5. 1 张掖地区土地利用结构空间分异特征
研究区域土地利用结构的空间分异，可对复杂土地利用现象进行规律性简化，进而为各种土地利用问题的深入研究提供指导性框架。随着土地利用信息的日益丰富，如何科学处理大量相关信息，已是土地利用格局研究面临的问题。多元统计分析方法的应用，为相关的空间分异研究提供了可行的方法和手段。计算机应用技术的发展，使多元统计分析过程中的计算速度已不是限制因素; 相应地，发掘和利用数值方法，探索区域宏观空间分异特征的研究取得了许多进展 ( 李元，2000; 唐华俊等，2000) 。
本节以甘肃张掖市各县区 1996 年土地利用详查数据为基础，用提取主要信息的因子分析和综合各种信息的聚类分析相结合的方法，探讨该区域土地利用结构的空间分异特征。
以甘肃张掖市 6 个县 ( 区) 为评价单元，具体包括甘州区、肃南裕固族自治县、民乐县、临泽县、高台县和山丹县。基础数据为 1996 年土地利用详查数据，具体到土地利用的二级类型数据。除去面积为零或面积极小的土地利用二级类型外，引入计算的土地利用结构类型有 25 种，包括耕地中的灌溉水田、水浇地、旱地，园地中的果园，林地中的有林地、灌木林地、疏林地、未成林地、苗圃，草地中的天然草地、改良草地、人工草地，居民点及工矿用地中的城镇、农居、独立工矿地、特殊用地，交通用地中的铁路、公路、农村道路，水域中的河流、水库、坑塘、苇地、滩涂、沟渠。
多元统计分析方法中的因子分析和聚类分析是两种重要的综合评价方法。因子分析是建立一种从高维空间到低维空间的映射，这种映射能保持样本在高维空间的某种 “结构”，其中最明显的是与 “排序”有关的结构 ( 于秀林等，1999; 胡永宏等，2000) 。因子分析不仅可以研究各个指标之间的关系，进而进行指标归类; 而且更重要的是通过因子分析的综合评价，可赋予每个评价单元少数富含有结构性映射的综合得分值或降维新指标以及反映新指标重要程度的特征根值。
聚类分析主要体现综合分析的作用，并能展示各样本之间的亲疏关系。其局限性是，变量的量纲不同会影响分析结果，但经消除量纲影响的标准化处理，又使每个变量权重一致; 更为重要的是不能剔除变量之间的多余或重叠信息。可见单纯的聚类分析结果往往不能真实反映各样本之间的亲疏关系。但以因子分析的特征根为权重，乘以相应的因子得分值，则可以得到体现变量重要程度的少数指标，在此基础上进行的聚类分析可以较客观地反映样本或评价单元之间的亲疏关系。
对 25 种土地利用结构类型的比重进行因子分析和聚类分析。因子分析的具体步骤: ①利用主成分分析法提取公共因子。②根据方差累计贡献率提取特征根 ( 一般认为大于 70%) 。③选择方差最大正交旋转进行变换。④依据回归法计算因子得分。聚类分析方法的具体步骤: ①以因子分析的前几个特征根和相应的因子得分值，计算新的变量; ②在新变量非标准化的前提下，用 Euclidean 方法计算样本间距离，用 Ward 方法进行连接 ( 于秀林等，1999;胡永宏等，2000) 。
9. 5. 1. 1 评价指标之间的关系
评价指标的归类是综合数值分析的基础。有关土地利用结构类型的各种指标之间存在着程度不同的相关性，通过因子分析，可对不同指标做进一步的归并，深化人们对各种指标之间 “亲疏”关系的理解。如表9. 46、表9. 47、图9. 13 所示，前3 个特征根值的累计贡献率已经达到81. 559%( 大于 70%) ，即 25 个变量所反映的信息可由 3 个主成分 ( λ1+ λ2+ λ3≈20. 4 个变量) 反映81. 559%，降维效果十分明显。因此，在 25 个特征根中提取前 3 个特征根。
表 9. 46 因子分析总方差解释
注 : 提取方法为主成分分析; 旋转方法: 方差最大正交旋转。
表 9. 47 旋转后的因子成分矩阵
注: 提取方法为主成分分析; 旋转方法: 方差最大正交旋转。表中不显示绝对值小于 0. 1 的数值。
由表 9. 47 可知，第一因子在农村道路沟渠、特殊用地、水浇地、城镇、农居、果园、公路、改良草地、苇地和苗圃比重上的载荷较高，其中改良草地的影响为负，其他为正; 第二因子在独立工矿地、未成林地、疏林地、灌木林地、滩涂、水库、坑塘、天然草地和铁路用地比重上的载荷较高，疏林地、灌木林地和天然草地影响为负，其他为正; 第三因子在有林地、人工草地、旱地、灌溉水田和河流比重上的载荷较高，人工草地和旱地影响为负，其余为正。每个因子中载荷较高的土地利用结构类型比重之间具有较高的相关性，相应的土地利用结构类型可归为一类。这样，通过因子分析，可将 25 类土地利用类型归并为 3 类。
9. 5. 1. 2 评价单元之间的关系
通过因子分析，可利用每个因子得分对评价单元进行排序比较。以含有主要特征的降维变量乘以相应的特征根为新指标，通过聚类分析可研究各评价单元之间的亲疏关系 ( 图 9. 14) ，为分区定界提供定量依据。
图 9. 13 降维分析碎石图
如果采用较长的距离阈值，如连接距离阈值为 90，可将评价单元分为两大类，即西北部的张掖市甘州区、临泽县和高台县，以及东南部的肃南裕固族自治县、民乐县和山丹县。随着采用距离阈值的减小，评价单元可逐步分离。如连接距离阈值为 70，评价单元归并为 4 类，即: ①张掖市甘州区，②临泽县和高台县，③南裕固族自治县，④民乐县和山丹县。各评价单元的亲疏关系如图 9. 14 所示。
图 9. 14 基于因子分析的系统聚类分析
9. 5. 1. 3 类型区的归并
根据基于因子分析的系统聚类分析结果，按照区划方法的经典原则 ( 黄秉纬，1989; 郑度等，1997; 吴传钧等，1994) ，结合土地资源分布特点 ( 蒙吉军，1998) ，则可以实现从分类到分区的转换。研究结果可将张掖市的土地利用结构分为 4 个类型区 ( 图 9. 15) 。
图 9. 15 张掖市土地利用结构分区
几大类土地利用结构的空间变化情况为: 耕地比重肃南裕固族自治县最低，其他地区从东南部到西北部，有下降的趋势，其中与甘州区比邻的县耕地比重较大; 园地比重甘州区最高，以甘州区为中心，向其他方向园地比重下降; 林地比重东南部较高，向西北部降低，甘州区林地比重较低; 牧草地比重东南部较高，向西北部降低，甘州区牧草地比重较高; 居民工矿地和交通用地比重以甘州区为高值中心向其他方向减小，但高台县的略有上升; 水域面积比重，以临泽县及其比邻的县市较高; 未利用地比重从东南向西北下降，肃南裕固族自治县的未利用地比重也较高 ( 表 9. 48) 。
表 9. 48 张掖市土地利用结构 ( 占土地总面积比例) ( 1996) 单位: %
9. 5. 2 张掖地区土地利用结构时间变化特征
1997 ～ 2000 年期间，张掖地区土地利用结构的变化幅度不大。耕地、园地、居民及工矿地、交通用地和水域用地面积都有所增加; 牧草地和未利用地面积有下降的趋势，林地面积有升有降( 表 9. 49) 。
从各县区土地利用状况分析，耕地在各县区均有所增加; 园地面积主要增加在高台、山丹和民乐; 林地面积增加在肃南、临泽、民乐，减少在高台，其他县区基本不变; 牧草地面积在各县区均有减少; 居民点及工矿地、交通用地基本不变或略有增加; 水域面积在临泽和高台增加; 未利用土地除肃南外，均有减少的趋势。
表 9. 49 张掖市土地利用变化 单位: 103hm2
9. 5. 3 张掖市水土资源匹配
9. 5. 3. 1 张掖市各县区灌溉定额及其适宜绿洲面积的确定
张掖绿洲气候干旱，具有光照资源充沛的优势和年降水量不足的特点，加上结构复杂、起伏较大的地形和沙漠戈壁发射率高，大气湿度低，净辐射反而比同纬度湿润地区低 ( 246～287MJ/m2) 。因此必须考虑水热资源的平衡，在调节水热资源的基础上进行灌溉，才能取得良好的生态、经济效益。蒙吉军 ( 1998) 根据水热平衡对张掖市各县区的灌溉定额做了深入研究。
( 1) 实际蒸散的确定
蒸散的确定有多种方法，其中影响较大的是彭曼和拜伦的方法。拜伦提出以 “实际”蒸散代替可能蒸散，其实际蒸散是由实际气温、降水制约的湿润状况反推出来的蒸散，是与不同干湿区的临界值比较后得出的各种蒸散值，对评价降水量的丰欠、流域水分平衡、水热平衡等都有重要作用。由于张掖绿洲处在干旱、半干旱地区，下垫面不可能达到恒定的湿润状态，不具备可能蒸散的条件。因此，本文采用了拜伦的实际蒸散公式来计算调节水热资源的一系列参数。
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
式中
S———湿润指数;
Si———月湿润指数;
P———月降水量 ( cm) ;
t———月均温 ( ℃ ) ;
Ea———S= 6. 37 ( 即半湿润区中值条件) 的实际蒸散量 ( cm) ;
T———年均温 ( ℃ ) ;
T'———综合性年温;
Rt———年净辐射;
A———气温年均差 ( U = 0. 366A) ;
D———干燥率;
Lp———潜热。
据此法计算结果见表 9. 50。各县区实际蒸发量 ( Ea) 在 44. 2969～56. 2470cm 之间，净辐射约( 17×104～ 24×104) J/ ( a·cm2) ; 干燥度甘州、临泽、高台在 7 ～ 9 之间，肃南、山丹、民乐在 2～ 4 之间，说明前者属于干旱气候，后者属于半干旱气候。
表 9. 50 按照拜伦蒸散公式计算的张掖绿洲调节水热平衡的参数
( 据蒙吉军，1998)
( 2) 波文比与灌溉定额
波文比是感热消耗 ( C) 对潜热消耗 ( LE) 的比值，即 β=C/LE。它反映了下垫面上的感热与潜热比，可明显表示其干湿状况，一般 β 越大下垫面越干燥，反之则湿润，通常情况下，海洋为0. 1，沙漠可达 5. 8 以上。在计算波文比时潜热用实际蒸散 ( Ea) 乘以汽化潜热 ( L) 即可求得，感热 ( C) 用净辐射 ( Rt) 减潜热 ( Lp) 求得。计算结果见表 9. 50。除民乐外其他地方 β 均大于0. 6，说明感热消耗过多，显热消耗不足。计算实际蒸散、净辐射以及波文比都是为了求得合理的灌水深度和灌溉定额。
当 S=6. 37、D =1. 377 时，为半湿润区的中值，按这一湿润指数推算的 Ea称为基本实际蒸散( E1. 37) ; 当 S = 9. 56、D = 0. 90 时，为湿润区的中值，据此推算的 Ea为最优实际蒸散 ( E0. 9) 。满足 E1. 37可使植被生长良好; 满足 E0. 9可使植被生长最优。因此，调节水热平衡应将 E 控制在 E1. 37和 E0. 9之间，同时灌溉定额也将随 E 调控。计算公式如下:
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
参考温带湿润区情况，波文比取 β=0. 4 就可以照顾 Rt在感热和显热方面的适当分配。如 β=0. 4，则合理蒸散 E0. 4= 1. 19Rt，g0. 4= E0. 4－P，Q0. 4= 100 g0. 4。式中，g1. 37、g0. 9、g0. 4分别为基本灌溉深度、最优灌溉深度和合理灌溉深度，Q1. 37、Q0. 9、Q0. 4分别为基本灌溉定额、最优灌溉定额和合理灌溉定额。据此得出灌溉定额，见表 9. 51。
表 9. 51 张掖绿洲各县区各类灌溉定额和深度
( 据蒙吉军，1998)
超额灌溉，不仅浪费了大量的水资源，而且导致了成片土地的盐碱化。因此必须节约水资源，以防止土壤盐碱化的继续蔓延。据中科院沙漠所在临泽进行的作物需水量实验研究得出的结论:年降水量 100mm、蒸发量 2400mm 的河西走廊，每年灌水 4500m3/ hm2就可达到亩产吨粮。因此，不论从理论上还是实践上都证明，控制灌溉定额对绿洲生态平衡是非常重要的。据此，本研究取合理灌溉定额作为计算合理绿洲面积的基础。
( 3) 张掖市 2005 年和 2010 年农业可供水量预测
由于历史传统原因，农业一直是张掖市用水的主体。2000 年张掖市生活 ∶ 工业 ∶ 农业 ∶ 生态用水的比例为2. 2 ∶ 2. 8 ∶ 87. 7 ∶ 7. 4。而在 2001 年，全区用水总量为 24. 50×108m3，其中的 95. 1%为农林牧业用水。根据 《张掖市节水型社会建设试点实施方案大纲》，张掖市到 2010 年的节水目标是: ①保障国务院批准的分水方案，正常年份使正义峡下泄水量达到 9. 5×108m3; ②全区用水总量由目前的 26×108m3减少到 20×108m3，全区生活 ∶ 工业 ∶ 农业 ∶ 生态用水比例调整为5. 8 ∶7. 7 ∶ 56. 8 ∶ 29. 6。综合上述，2005 年整个张掖市安排用水总量为 22×108m3，生活 ∶ 工业 ∶ 农业∶ 生态用水比例为4. 5 ∶ 5. 0 ∶ 72. 5 ∶ 18. 0。以此推算，张掖市 2005 年农业用水量为 15. 95×108m3，2010 年农业用水量为 11. 36 × 108m3。根据上述总量控制指标以及现状用水区域比例，2005 年和2010 年张掖市各县区农业可供水量如表 9. 52 所示。
表 9. 52 张掖市 2005 年和 2010 年农业可供水量预测与绿洲面积
( 4) 基于基本灌溉定额的适宜绿洲面积
干旱区绿洲的水土平衡一般采用公式 A=W/I 来计算。式中，A 为绿洲面积 ( hm2) ，W 为农业可用水量 ( m3) ，I 为灌溉定额 ( m3/ hm2) 。根据各县 ( 区) 大农业净供水量及合理灌溉定额，各县 ( 区) 适宜的绿洲面积如表 9. 52 所示。
9. 5. 3. 2 生态安全条件下的绿洲土地利用结构
( 1) 绿洲的生态环境问题与防护林建设
黑河流域目前所面临的主要生态环境问题是，上游山区水源涵养林的破坏及其保护和中下游平原地区人工和天然绿洲沙漠化及其治理。此外，还有污染和土壤盐碱化等环境问题。污染问题从目前来看还不太明显和突出，但在流域工业化进程中是不可避免的，应特别重视，防患于未然。因为对干旱地区来说，任何污染物都是只吞不吐，不能排出区外，如果没有污水的科学化处理和高标准排放，日积月累，最终将会彻底地污染和破坏人类现有的生存空间，造成无法挽回的损失。土地次生盐碱化是干旱地区三大自然灾害之一，因局部地区大水漫灌和地下水位过高造成，随着流域地表水和地下水联合开发利用阶段的完成，将最终得到根本的抑制和治理。干旱地区植物生长离不开水源，上游山区降水较多，水源涵养林主要分布在温湿条件适宜的中山地带和亚高山地带，不需人工灌溉，山前平原的中、下游地区降水稀少，无论是人工还是天然绿洲都需要外来( 主要来自山区) 水源补充灌溉。绿洲既然是干旱地区一种零星分布的逆沙漠化景观，必然要遭遇到干旱地区所特有的各种自然灾害的包围和侵袭。以从事农业生产为主的人工绿洲，如果没有一个完整的能够抵御这些自然灾害的防护体系，就不会有生态环境良好的、适于人类生存的可持续发展基地。干旱地区人民在长期利用和改造自然的社会生产实践过程中，最终找到了既能美化和保护环境，又能抵御主要自然灾害的两全其美的方法，就是 “植树造林，绿化祖国，保护环境”，在人工绿洲内部和外围营造和建立适宜比例的防护体系。黑河流域经过国家两期 “三北防护林建设工程”的实施，集中分布在中游地区的人工绿洲内部，已有 90%以上的农田得到保护，促进了环境和生产的双丰收，在国家第二期 “三北防护林工程”实施后，完整的人工绿洲生态环境防护体系，在 2000 年最终建成，使 100%的绿洲和农田得到庇护。由于干旱地区生态效益和经济效益具有高度的统一性，二者相辅相成，良好的生态效益不仅是获取高经济效益的基础和保证，也是实现可持续发展不可缺少的。因此在缺水和因缺水生态环境十分脆弱的干旱地区，应当更为强调良好生态环境的保护和建设，其用水保证在排序上应仅次于生活供水。实际上，在具体的生产实践中，所有比较稳定的人工绿洲都具有十分完整和健全的林业防护体系。人工绿洲防护林体系是指: 在绿洲外围建立灌草固沙带和营建防风固沙林带; 在绿洲边缘营建大型基干防风防沙林带;在绿洲内部营造护田林网，实行农林混作，包括营建护渠 ( 田) 林、护路林、村落 “四旁植树”和在小片夹荒地、盐碱下潮地、河滩地上，建设小片经济林、用材林和大片薪炭养畜林等。从绿洲的外围到内部，根据不同的生境和需要进行植树造林，使整个绿洲的林木分布均匀，布局合理，构成一个层层设防的网、片、带和乔、灌、草结合的防护林体系。防护林体系的防护能力，一般随林地的增加而提高，但不是林地面积越大越好，而是到一定程度后不再提高，另外林地比例过大，还会出现农林争地、争水和林带胁地等问题，因此 “林地”比例应有一个 “适宜度”。根据研究和长期的生产实践，黑河流域中游防护林地面积以占人工绿洲总面积的 12%为宜 ( 北部被风沙包围的绿洲可增加到 13%) ，其中绿洲边缘大型防风沙林带占 0. 9%，农田防护林面积占 7%，护路林面积占 1. 9%，四旁植树面积占 2. 3% ( 曲耀光等，2000) 。
( 2) 防护林建设的区域差异分析
根据 “九五”国家重点科技攻关计划项目 96－912，黑河流域水资源合理利用与社会经济和生态环境协调发展研究 ( 程国栋等) 成果，可较合理地设定各县市防护林建设的结构。张掖市境内现形成两个大沙区: 一是甘州至高台沙区，沙漠主要分布于黑河水系的干支流两岸，成片状，带状零星散布于绿洲农田区和交通沿线; 二是山丹、民乐沙区，包括山丹、民乐两县的北部地区和张掖石岗墩带，以戈壁沙滩为主，被绿洲农田所包围或隔离开。地下水位埋藏较深。1995 年山丹县境内现状不存在现代风沙化土地，即不存在流动沙丘 ( 地) 。固定或半固定沙丘 ( 地) 以及非生物固沙工程地等为代表的沙质荒漠土地，仅存在戈壁沙滩荒漠。流域中游地区其他各县境内土地沙漠化程度都十分严重，其中高台、临泽县，沙漠化土地已达总土地面积的 54. 9%～64. 3%，超过半数; 最少的肃南裕固族自治县境内沙漠土地也占总土地面积的 20%，且多集中于冲洪积平原地势平坦的绿洲周围。如果不计戈壁滩地，仅以单纯意义上的活动沙丘、固定或半固定沙丘及非生物工程固沙地计算各地的沙化土地，可得出: 民乐县为 1. 565 × 104hm2，占总土地面积的22. 05%; 甘州区为 2. 413×104hm2，占土地总面积的 6. 92%; 临泽县为 1. 229×104hm2，占总土地面积的 40. 37%; 高台县为 10. 708×104hm2，占总土地面积的 24. 32%; 肃南裕固族自治县为6. 491× 104hm2，占总土地面积的 13. 0%。反映出民乐、临泽及肃南等地各类沙丘面积所占比例较大，张掖市以戈壁沙滩地所占比例最大，约占沙化土地面积的 70. 80%。在沙漠化土地中，流动沙丘起沙风速小，大约 5m/s，而且比固定沙地在起沙条件下输沙强度大，风沙机会也多，因此是危害性最大的一类沙化土地类型; 半固定沙丘介于流动沙丘与固定沙丘之间，同样比固定沙丘的危害性要大。因此，从风沙危害性及潜在风沙机会 ( 风沙时间及沙丘推移扩展强度) 两方面来说，流动沙丘及半固定沙丘的多少，可以表征一个区域的沙化危害程度及潜在风沙强度。从表 9. 53 可看出，民乐、肃南两地流动沙丘所占比例较大，反映该地区现代沙化过程较强烈; 高台县境内，不仅沙漠化土地规模较大，而且流动沙丘所占比例也较大，沙漠化危害程度较其他地区要严重。临泽县境内，流动沙丘规模较小，但半固定沙丘范围较大，二者合起来已占总沙漠化土地的 54%，植被生态体系建设与维护程度将直接影响该地区的沙化程度。
表 9. 53 张掖市沙漠化土地分布特征
注: 表中肃南裕固族自治县括号中的数据为沙漠化面积与草地面积之比。
研究区沙漠化土地分布的另一个特征就是大部分地区，沙漠化面积均大于现状耕地面积。除山丹县以外 ( 耕地面积大于沙漠化面积) ，民乐、甘州两县区沙漠化面积约为耕地面积的 1. 4～1. 5倍。农耕环境相对恶劣，农业生态环境较脆弱，沙化威胁较大。肃南耕地面积较少，其比值意义不大，与草地面积相比，草地面积要显著大于沙漠化面积。如果用耕地、林地及草地之和代表现状绿洲面积，则临泽现状绿洲面积与沙漠化面积之比为 1 ∶ 1. 27，高台绿洲面积与沙漠化面积之比为 1 ∶ 2. 3; 而民乐绿洲面积约为沙漠化面积的 2. 04 倍。这些结果反映出流域中游地区山丹、民乐、肃南等境内现状绿洲面积要大于沙漠化土地面积，绿洲仍是自然生态体系中的主体要素，但在临泽、高台等中下游地区，沙漠化土地面积已超过绿洲面积而成为主导性环境要素。
根据表 9. 54，山丹、民乐、甘州和肃南防护林面积设置为人工绿洲面积的 12%，相应的绿洲边缘大型防风沙林带占 0. 9%，农田防护林面积占 7%，护路林面积占 1. 9%，四旁植树面积占2. 3%。临泽和高台县防护林面积设置为人工绿洲面积的 13%，相应的绿洲边缘大型防风沙林带占1%，农田防护林面积占 7. 6%，护路林面积占 2. 1%，四旁植树面积占 2. 5%。根据陈昌毓 ( 1995)的研究，适宜农田面积占人工绿洲面积的百分比如表 9. 54 所示。
表 9. 54 张掖市绿洲土地利用结构 ( 占适宜绿洲面积的百分比) 单位: %
由此可以根据表 9. 54 计算 2005 年人工绿洲区农林牧用地面积，如表 9. 55 所示。
表 9. 55 张掖市 2005 年绿洲土地利用结构预测 单位: hm2
根据近几年，特别是 2001 年耕地复种指数及农作物种植结构，可以预测 2005 年可能的农作物种植情况 ( 表 9. 56) 。
表 9. 56 张掖市 2005 年绿洲农作物种植结构预测 单位: hm2
根据基于因子分析的聚类分析的结果，各县区 ( 评价单元) ，在土地利用结构上: 临泽县和高台县非常相近，并在一定连接距离上与甘州区相近; 民乐县和山丹县也非常相近，并在一定连接距离上与肃南裕固族自治县相近。因此，在水土资源匹配、土地利用结构和农作物种植结构调整上可以参照上述分区结果。
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6. 1. 1 山前戈壁带的地下水动态特征及水资源调节能力分析
以 65 号长期监测孔为例进行分析。65 号孔位于民乐县祁连山前海潮坝河灌区和洪水河灌区之间，属海潮坝河和洪水河的洪积扇顶部大厚度潜水含水层分布区，孔深 300. 10m，初始地下水位埋深 218. 03m，1985 年 11 月成井。总体来看 ( 图 6. 1) ，65 号孔地下水位多年来呈持续下降状态，但持续下降过程中仍存在 1990 年、1994 年、1997 年和 1999 年的相对上升阶段，其中 1990 年最为明显。为进一步研究 65 号孔的地下水位动态变化特征，首先对地下水的补给影响因素做一简要分析。
图 6. 1 民乐县祁连山前戈壁带 65 号孔潜水位动态
其一，根据 65 号孔所处位置，可以肯定其地下水位的变化主要受两方面因素的控制，一是渠系渗漏和灌溉回归补给，二是天然河道渗漏补给。
其二，由于海潮坝河和洪水河的出山口径流监测资料很不完整 ( 海潮坝河没有监测资料，洪水河只有短期监测资料) ，将仅有的洪水河短期监测资料和西侧相邻的大堵麻河径流监测资料与黑河干流莺落峡的完整径流资料进行对比 ( 图 6. 2，图 6. 3) ，可以看出，三者之间的逐年和逐月径流量具有十分相似的变化规律。因此，可以根据莺落峡径流动态变化分析海潮坝河和洪水河冲洪积扇地下水的补给特征。
图 6. 2 民乐县祁连山前小型河流年径流量与黑河干流莺落峡年径流量比较
图 6. 3 1989 年黑河干流莺落峡与大堵麻河出山口逐月径流量比较
基于上述两点，就可以很好地解释 65 号孔地下水位动态变化的原因。
除个别丰水年外，3～11 月份，海潮坝河和洪水河出山地表径流全部引入灌区，渠系渗漏和灌溉回归成为戈壁带地下水主要的甚至唯一的补给来源; 12～2 月份，出山口地表径流量非常小，即使排入天然河道，对地下水的补给量也十分有限。因此，现状地下水补给量较天然条件下的河道渗漏补给量明显减少，65 号孔地下水位呈持续下降状态。
1989 年、1993 年、1996 年和 1998 年，黑河干流莺落峡年径流量分别为 23. 07×108m3、18. 06×108m3、18. 09×108m3和 21. 59×108m3，1989 年和 1998 年为保证率低于 5%的特大丰水年，1993 年和1996 年为保证率 15%左右的丰水年。可以认为，海潮坝河和洪水河在这 4 年也是丰水年，超过渠系引水能力的汛期洪水排入天然河道，渗漏补给地下水，是地下水位相对上升的原因。6～9 月份是上述丰水年汛期洪水在天然河道渗漏补给地下水的可能阶段，65 号孔地下水位分别在第二年的 4 月( 1990 年) 、10 月 ( 1994 年) 、8 月 ( 1997 年) 和 3 月 ( 1999 年) 达到相对最高时期，较天然河道渗漏补给分别滞后 ( 以 9 月份计) 7 个月、13 个月、11 个月和 6 个月。滞后期与补给量成反比的特点说明，单位时间渗漏量越大，补给速度越快，地下水接受的有效补给越多。
上述地下水动态变化很好地说明了戈壁带的水资源调控能力。在平面位置上，65 号孔位于海潮坝河和洪水河天然河道之间，到两河的距离在 3km 之内。65 号孔地下水位的变化滞后补给期6 ～ 12个月，代表了地表水转化为地下水的时间。进一步分析图 6. 1 中 65 号孔 1989 ～ 1991 年的地下水位动态变化，可以看出，地下水位达到相对最高后，可以在 1 年多 ( 14 个月) 的时间内保持高于前期的地下水位。因此，戈壁带内，汛期洪水 ( 特大丰水年) 通过天然河道渗漏补给地下水后，可以在 1 年半以上的时间内缓慢释放，这就说明戈壁带大厚度含水层具有非常好的调控能力。
6. 1. 2 张掖盆地含水层系统的水资源调节能力分析
为说明张掖盆地含水层系统的水资源调控能力，对黑河干流莺落峡年径流量与整个盆地地下水溢出量进行对比分析，如图 6. 4。其中，地下水溢出量的多年系列数据是在少数年份实测结果( 1966 年、1967 年、1984 年和 1986 年) 和典型泉水 ( 泉 6) 长期监测数据的基础上，利用均衡法推算得到的 ( 详见第 4 章) 。从图 6. 4 可以看出，莺落峡年径流量具有很好的长周期变化特征，丰枯周期在 12～15 年之间。张掖盆地地下水溢出量的动态变化可以分为两个阶段: 1978 年以前，呈现出长周期的、较平缓的动态变化特征，周期长度与莺落峡年径流量丰枯周期长度基本相同，但丰枯变化正好与莺落峡年径流量变化相反; 1978 年以后，虽然具有短周期的丰枯变化，但总体上呈持续衰减状态。
图 6. 4 黑河干流径流量与地下水溢出量关系
新中国建立以来，张掖盆地修建了大量引水渠系，但 1978 年以前没有对渠系进行防渗处理，因此，即使通过人工渠系把大量河水引入灌区，对地下水的补给并没有减少。也就是说，1950～1978 年，张掖盆地的地下水补给由原来的天然河道入渗补给为主，变为河道和人工渠系共同补给为主，补给总量没有减少 ( 反而有可能增加，因为增加了地下水补给途径) ，因此地下水溢出量呈相对稳定的周期变化，且这种周期变化与地表水的丰枯周期变化正好相反，互为补充。1978 年以后，随着主要干渠的改建与防渗处理，地下水的渠系入渗补给量大幅度减少，成为地下水溢出量衰减的主要原因之一。
因此，1956～1978 年地下水溢出量的变化规律基本反映了张掖盆地含水层系统强大的水资源调节能力。即在地表水的丰水期，地下水得到较多补给，存储在大厚度含水层系统中，缓慢释放( 溢出) ，其对溢出量的影响达 10 年以上。通过含水层系统的调节，在地表水的枯水周期内，仍保持较高的地下水溢出量，可利用的水资源总量在时间上更趋稳定。
6. 1. 3 戈壁带地下水人工补给条件分析
下面主要从水源条件、工程措施条件和地下储存空间条件等对戈壁带地下水人工补给条件进行分析。
6. 1. 3. 1 水源条件
表6. 1 列出了1981 年以来莺落峡来水量与正义峡下泄量。如果以国务院1997 年批准的分水方案为参考标准，则 20 世纪 80 年代初期 ( 包括以前) 还处于比较理想的状况; 1985～2000 年，仅在丰水年和个别平水年达到分水要求; 2001 年以后，由于采取了一些强制性措施，也达到或超过了分水要求。
表 6. 1 黑河干流莺落峡来水量与正义峡下泄水量对比 单位: 108m3
注: 2003 年数据来源于黑河网//www. yrcc. gov. cn。
前面的分析中已经表明 ( 图 4. 11) ，1981 年以来，黑河干流经过的张掖、临泽、高台三县市的地表水引用量并没有增加，反而有所减少，造成正义峡下泄量减少的直接原因是张掖盆地地下水溢出量的持续减少。另外，洪水季节，天然河道径流量大大超过其渗漏能力。因此，适度截取丰水年份的汛期洪水，储存在地下含水层系统中，增加平、枯水年份的地下水溢出量，是现状水资源利用水平下，保证正义峡下泄水量目标的重要调控手段。在丰水年份截取的汛期洪水并没有消耗在张掖盆地，而是储存在张掖盆地，通过含水层系统的调节，增加平、枯水年份的地下水溢出量，进而增加正义峡下泄量，为达到分水目标提供保证。另外，截取汛期洪水的重要意义还在于袭夺地表水的无效蒸发，增加全流域可利用的水资源量，因为这部分洪水进入下游额济纳平原后，其效用主要是增加居延海的入湖水量，然后消耗于水面蒸发。
图 6. 5 莺落峡来水量与草滩庄以上引水量逐月变化特征
为确定在何种丰水年份可以合理截取汛期洪水进行地下水人工补给，图 6. 5 给出了黑河干流莺落峡代表性年份 ( 不同保证率水平) 逐月径流量 ( 来水量) 变化特征。可以看出，莺落峡来水量的丰枯水平主要取决于 7 月、8 月份的径流量。根据 2001～2003 年莺落峡来水量和正义峡下泄量的实际情况，在现状水资源利用水平下，莺落峡来水量保证率水平低于 25%的丰水年份，正义峡下泄量是较为有保证的。因此，初步确定，莺落峡来水量保证率在 25%以下的丰水年份，可以在 7月、8 月份截取一定量的洪水，用于张掖盆地地下水人工补给。具体操作过程中，由于难以准确预测莺落峡 7 月、8 月份的来水量，因此，以长期监测结果为依据，以 25%保证率水平年的 7 月、8 月份流量平均值 ( 125m3/ s) 为基准，当莺落峡来水量超过 125m3/ s 时，就可以利用多出部分进行地下水人工补给。另外，在确定可供用于地下水人工补给的洪水径流量时，没有考虑废弃平原水库后可能增加的正义峡下泄量。因此，在丰水年份，进行地下水人工补给是有水源保证的。
6. 1. 3. 2 工程措施条件
在卫星遥感图像 ( 图 6. 6) 上可以看出，在黑河干流草滩庄引水枢纽的河道西侧，为大片戈壁荒漠区，南北长约 20km，东西宽约 10km，面积约 200km2。通过实地调查，该地区地表以卵砾石堆积为主，地形相对较平缓，可以很方便地从草滩庄引水枢纽和西总干渠等引水至该地区，是理想的地下水人工补给场所。具体方案为: 以现有引水渠系为基础，修建多条简易渗水渠道，渠首位于草滩庄引水枢纽和引水干渠，渠的末端为黑河干流主河道; 在满足冲沙要求的前提下，尽量使渗水渠道保持较平缓的坡度 ( 如沿等高线走向) ，增加流程，使洪水充分地入渗补给地下水，剩余的水回归天然河道。
图 6. 6 黑河干流地下水人工补给区示意图
6. 1. 3. 3 入渗与储存条件
在西北干旱区戈壁带，如果引水渠系不做防渗处理，其利用系数只有 0. 3 左右，即 70%左右的引水量将损耗于渗漏补给地下水、包气带和水面蒸发，其中前者占总损耗量的 80%以上。因此，人工渗水渠道可以将 50%以上的引水量补给地下水，其余大部分回归天然河道，小部分消耗于包气带和水面蒸发。
第 4 章的计算结果表明，仅 20 世纪 90 年代，张掖盆地地下水储存量的消耗量就达到 20×108m3以上 ( 表 4. 31) 。因此，有足够的含水层空间用于存储人工补给的地下水。
6. 1. 4 袭夺地下水无效蒸发的潜力分析
袭夺地下水浅埋带的无效蒸发是干旱区增加可利用水资源量的重要途径，但需要处理好与生态保护的关系。均衡计算结果表明，张掖盆地水位埋深小于 10m 的浅埋带地下水蒸发量为 1. 95×108m3/ a ( 见表 2. 27) 。除局部地区外，张掖盆地大部分天然绿洲已逐渐改造为人工绿洲，只要保持适当的地下水位，就不会对生态环境造成明显影响。因此，袭夺地下水浅埋带的无效蒸发量具有较大潜力。
为进一步论证袭夺浅埋带地下水无效蒸发的能力，利用地下水数值模型 ( 见第 8 章) ，模拟了增加地下水开采对溢出量、蒸发量和储存量的消耗量的影响。结果表明 ( 表 6. 2) ，在现状地下水补给量不变的情况下，维持目前地下水开采布局，每增加 1×108m3的开采量，仅可夺取浅埋带地下水蒸发量 0. 21×108m3，其余靠消耗地下水储存量和减少地下水溢出量补偿。因此，不改变现状地下水开采布局，仅增加开采量，难以取得袭夺无效蒸发量的理想效果。
表 6. 2 现状补给量条件下不同开采量的数值模拟成果表 单位: 108m3/ a
由于大量关闭现有地下水开采井是不现实的，因此，为有效袭夺地下水无效蒸发，需要在现状地下水开采布局的基础上，增加浅埋带地下水开采量。如何达到这一目的，主要应考虑两方面的问题。一是地下水浅埋带为多层含水层结构，需要确定合理的开采层位; 二是在确定开采层位的基础上，设计合理的开采布局。下面对确定合理的开采层位进行分析。
图 6. 7 是浅埋带同一位置不同深度监测孔地下水位 ( 头) 动态变化曲线 ( 监测孔信息见表6. 3) 。可以看出，不同位置潜水与承压水之间的关系呈三种类型:
一是潜水与承压水之间存在一定的水头差，且年际和季节动态变化均不一致 ［图 6. 7 中 ( a)( b) ( c) ］。潜水位多年来呈相对稳定状态，季节动态变化明显受灌溉影响; 而承压水水头多年来呈持续下降趋势，季节变化与开采密切相关。这说明，潜水与 ( 浅层) 承压水之间的水力联系较弱。
二是潜水与承压水的年际与季节变化基本一致，潜水与浅层承压水的水头接近，但与深层承压水存在一定的水头 ( 位) 差 ［图 6. 7 中 ( d) ( e) ］。这说明，潜水与浅层承压水之间的水力联系较强，两层承压水之间的联系较弱。
三是潜水与浅层承压水的水位 ( 头) 相同，且动态变化完全一致 ［图 6. 7 中 ( g) ( h) ］) ，说明二者之间有很强的水力联系。对图 6. 7 ( e) ，虽然潜水与承压水的季节动态变化不一致，但总体下降的趋势是一致的; 仔细分析可看出，受开采影响，承压水季节下降幅度较大，潜水向下渗漏补给承压水，因此年内潜水的最低水位期滞后于承压水，到高水位期潜水与承压水的动态变化趋于一致。图 6. 7 ( e) 表现出的特点也说明潜水与承压水之间存在很好的水力联系。
上述潜水与 ( 浅层) 承压水的关系说明，为有效袭夺地下水无效蒸发，在潜水与承压水联系较弱的地区，应以增加潜水的开采为主; 在潜水与承压水联系较强的地区，应共同增加潜水与浅层承压水的开采量才能取得较好效果。
在地下水浅埋带，一般潜水含水层富水性较差 ( 单位涌水量低) ，地下水矿化度较高，侧向径流缓慢，因此，在以增加潜水开采量为主的地区，应以较高密度均匀布井，且与地表水或承压水混合 ( 或交替) 使用; 在需要共同增加潜水与浅层承压水开采量的地区，宜以较高密度均匀布设潜水井，以较低密度 ( 潜水井数量的 1 /3 ～ 1 /4) 布设浅层承压水井，潜水与承压水混合利用。
表 6. 3 张掖盆地地下水浅埋带部分观测孔信息
图 6. 7 张掖盆地地下水浅埋带同一位置潜水与承压水动态变化曲线
6. 1. 5 小结
目前，张掖盆地的引水渠系建设已达到一定规模。根据国务院批复的 《黑河流域近期治理规划》( 2001) ，在今后一段时期内，重点加强干、支、斗渠的高标准衬砌，这势必会进一步减少张掖盆地地下水的补给量，加剧地下水溢出量的衰减。因此，采取一定的工程措施，将丰水年份多余的洪水存储在戈壁带大厚度含水层系统中，增加地下水的补给，是实现张掖盆地地表水、地下水的联合调度与优化利用的重要手段之一。
上述分析表明，张掖盆地大厚度含水层系统是一巨大的天然地下水库，具备水资源调控的有利条件且经济可行，可以达到以丰补歉、多年调节的目的，对减少水面蒸发，增加可利用的水资源量，保证平、枯水年份达到正义峡下泄量目标具有重要作用。
袭夺地下水浅埋带无效蒸发是增加黑河流域可利用水资源量的重要途径，关键是在处理好与生态保护关系的基础上，确定合理的开采层位和开采布局。上面的分析中给出了初步结论，具体实施过程中还需做进一步的工作。
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《山西水利科技》、《陕西水利》
第一作者。黑河下游绿洲植被优势种生物量空间分布及生态需水估算.地理科学。2014.第二作者。黑河中游绿洲及绿洲—荒漠生态脆弱带土壤含水量空间分异研究[J]。地理研究，2007，26（2）：321～327。·第一作者不同水资源情景下干旱区未来土地利用/覆盖变化模拟——以黑河中上游张掖市为例[J]．冰川冻土，2007，29（3）：397～405。· 第一作者．国际土地利用/覆盖变化模型研究综述[J]．自然资源学报，2005，20（3）：422～431．· 第二作者．河西地区土地利用/覆盖变化驱动力研究[J]．干旱区地理，2004，27（2）：234～238．· 第一作者．张掖市土地利用/覆盖变化模拟[J]．遥感技术与应用，2004，19（5）：359～363 ．· 第二作者．黑河流域土地利用/土地覆盖变化研究[J]．土壤，2003，35（4）：292～297．第一作者．干旱地区土地利用/土地覆盖变化研究——以黑河流域为例[J]．干旱区资源与环境，2003，17（2）：49～54．· 第一作者．全球变化研究的战略计划——地球科学事业简介[J]．遥感技术与应用，2002，17（6）：376～380．
河南水利与南水北调是全国水利杂志里面最烂的。收费是最高的。垃圾杂志。。建议躲远点。最主要是编辑很没素质。
6. 1. 1 山前戈壁带的地下水动态特征及水资源调节能力分析
以 65 号长期监测孔为例进行分析。65 号孔位于民乐县祁连山前海潮坝河灌区和洪水河灌区之间，属海潮坝河和洪水河的洪积扇顶部大厚度潜水含水层分布区，孔深 300. 10m，初始地下水位埋深 218. 03m，1985 年 11 月成井。总体来看 ( 图 6. 1) ，65 号孔地下水位多年来呈持续下降状态，但持续下降过程中仍存在 1990 年、1994 年、1997 年和 1999 年的相对上升阶段，其中 1990 年最为明显。为进一步研究 65 号孔的地下水位动态变化特征，首先对地下水的补给影响因素做一简要分析。
图 6. 1 民乐县祁连山前戈壁带 65 号孔潜水位动态
其一，根据 65 号孔所处位置，可以肯定其地下水位的变化主要受两方面因素的控制，一是渠系渗漏和灌溉回归补给，二是天然河道渗漏补给。
其二，由于海潮坝河和洪水河的出山口径流监测资料很不完整 ( 海潮坝河没有监测资料，洪水河只有短期监测资料) ，将仅有的洪水河短期监测资料和西侧相邻的大堵麻河径流监测资料与黑河干流莺落峡的完整径流资料进行对比 ( 图 6. 2，图 6. 3) ，可以看出，三者之间的逐年和逐月径流量具有十分相似的变化规律。因此，可以根据莺落峡径流动态变化分析海潮坝河和洪水河冲洪积扇地下水的补给特征。
图 6. 2 民乐县祁连山前小型河流年径流量与黑河干流莺落峡年径流量比较
图 6. 3 1989 年黑河干流莺落峡与大堵麻河出山口逐月径流量比较
基于上述两点，就可以很好地解释 65 号孔地下水位动态变化的原因。
除个别丰水年外，3～11 月份，海潮坝河和洪水河出山地表径流全部引入灌区，渠系渗漏和灌溉回归成为戈壁带地下水主要的甚至唯一的补给来源; 12～2 月份，出山口地表径流量非常小，即使排入天然河道，对地下水的补给量也十分有限。因此，现状地下水补给量较天然条件下的河道渗漏补给量明显减少，65 号孔地下水位呈持续下降状态。
1989 年、1993 年、1996 年和 1998 年，黑河干流莺落峡年径流量分别为 23. 07×108m3、18. 06×108m3、18. 09×108m3和 21. 59×108m3，1989 年和 1998 年为保证率低于 5%的特大丰水年，1993 年和1996 年为保证率 15%左右的丰水年。可以认为，海潮坝河和洪水河在这 4 年也是丰水年，超过渠系引水能力的汛期洪水排入天然河道，渗漏补给地下水，是地下水位相对上升的原因。6～9 月份是上述丰水年汛期洪水在天然河道渗漏补给地下水的可能阶段，65 号孔地下水位分别在第二年的 4 月( 1990 年) 、10 月 ( 1994 年) 、8 月 ( 1997 年) 和 3 月 ( 1999 年) 达到相对最高时期，较天然河道渗漏补给分别滞后 ( 以 9 月份计) 7 个月、13 个月、11 个月和 6 个月。滞后期与补给量成反比的特点说明，单位时间渗漏量越大，补给速度越快，地下水接受的有效补给越多。
上述地下水动态变化很好地说明了戈壁带的水资源调控能力。在平面位置上，65 号孔位于海潮坝河和洪水河天然河道之间，到两河的距离在 3km 之内。65 号孔地下水位的变化滞后补给期6 ～ 12个月，代表了地表水转化为地下水的时间。进一步分析图 6. 1 中 65 号孔 1989 ～ 1991 年的地下水位动态变化，可以看出，地下水位达到相对最高后，可以在 1 年多 ( 14 个月) 的时间内保持高于前期的地下水位。因此，戈壁带内，汛期洪水 ( 特大丰水年) 通过天然河道渗漏补给地下水后，可以在 1 年半以上的时间内缓慢释放，这就说明戈壁带大厚度含水层具有非常好的调控能力。
6. 1. 2 张掖盆地含水层系统的水资源调节能力分析
为说明张掖盆地含水层系统的水资源调控能力，对黑河干流莺落峡年径流量与整个盆地地下水溢出量进行对比分析，如图 6. 4。其中，地下水溢出量的多年系列数据是在少数年份实测结果( 1966 年、1967 年、1984 年和 1986 年) 和典型泉水 ( 泉 6) 长期监测数据的基础上，利用均衡法推算得到的 ( 详见第 4 章) 。从图 6. 4 可以看出，莺落峡年径流量具有很好的长周期变化特征，丰枯周期在 12～15 年之间。张掖盆地地下水溢出量的动态变化可以分为两个阶段: 1978 年以前，呈现出长周期的、较平缓的动态变化特征，周期长度与莺落峡年径流量丰枯周期长度基本相同，但丰枯变化正好与莺落峡年径流量变化相反; 1978 年以后，虽然具有短周期的丰枯变化，但总体上呈持续衰减状态。
图 6. 4 黑河干流径流量与地下水溢出量关系
新中国建立以来，张掖盆地修建了大量引水渠系，但 1978 年以前没有对渠系进行防渗处理，因此，即使通过人工渠系把大量河水引入灌区，对地下水的补给并没有减少。也就是说，1950～1978 年，张掖盆地的地下水补给由原来的天然河道入渗补给为主，变为河道和人工渠系共同补给为主，补给总量没有减少 ( 反而有可能增加，因为增加了地下水补给途径) ，因此地下水溢出量呈相对稳定的周期变化，且这种周期变化与地表水的丰枯周期变化正好相反，互为补充。1978 年以后，随着主要干渠的改建与防渗处理，地下水的渠系入渗补给量大幅度减少，成为地下水溢出量衰减的主要原因之一。
因此，1956～1978 年地下水溢出量的变化规律基本反映了张掖盆地含水层系统强大的水资源调节能力。即在地表水的丰水期，地下水得到较多补给，存储在大厚度含水层系统中，缓慢释放( 溢出) ，其对溢出量的影响达 10 年以上。通过含水层系统的调节，在地表水的枯水周期内，仍保持较高的地下水溢出量，可利用的水资源总量在时间上更趋稳定。
6. 1. 3 戈壁带地下水人工补给条件分析
下面主要从水源条件、工程措施条件和地下储存空间条件等对戈壁带地下水人工补给条件进行分析。
6. 1. 3. 1 水源条件
表6. 1 列出了1981 年以来莺落峡来水量与正义峡下泄量。如果以国务院1997 年批准的分水方案为参考标准，则 20 世纪 80 年代初期 ( 包括以前) 还处于比较理想的状况; 1985～2000 年，仅在丰水年和个别平水年达到分水要求; 2001 年以后，由于采取了一些强制性措施，也达到或超过了分水要求。
表 6. 1 黑河干流莺落峡来水量与正义峡下泄水量对比 单位: 108m3
注: 2003 年数据来源于黑河网//www. yrcc. gov. cn。
前面的分析中已经表明 ( 图 4. 11) ，1981 年以来，黑河干流经过的张掖、临泽、高台三县市的地表水引用量并没有增加，反而有所减少，造成正义峡下泄量减少的直接原因是张掖盆地地下水溢出量的持续减少。另外，洪水季节，天然河道径流量大大超过其渗漏能力。因此，适度截取丰水年份的汛期洪水，储存在地下含水层系统中，增加平、枯水年份的地下水溢出量，是现状水资源利用水平下，保证正义峡下泄水量目标的重要调控手段。在丰水年份截取的汛期洪水并没有消耗在张掖盆地，而是储存在张掖盆地，通过含水层系统的调节，增加平、枯水年份的地下水溢出量，进而增加正义峡下泄量，为达到分水目标提供保证。另外，截取汛期洪水的重要意义还在于袭夺地表水的无效蒸发，增加全流域可利用的水资源量，因为这部分洪水进入下游额济纳平原后，其效用主要是增加居延海的入湖水量，然后消耗于水面蒸发。
图 6. 5 莺落峡来水量与草滩庄以上引水量逐月变化特征
为确定在何种丰水年份可以合理截取汛期洪水进行地下水人工补给，图 6. 5 给出了黑河干流莺落峡代表性年份 ( 不同保证率水平) 逐月径流量 ( 来水量) 变化特征。可以看出，莺落峡来水量的丰枯水平主要取决于 7 月、8 月份的径流量。根据 2001～2003 年莺落峡来水量和正义峡下泄量的实际情况，在现状水资源利用水平下，莺落峡来水量保证率水平低于 25%的丰水年份，正义峡下泄量是较为有保证的。因此，初步确定，莺落峡来水量保证率在 25%以下的丰水年份，可以在 7月、8 月份截取一定量的洪水，用于张掖盆地地下水人工补给。具体操作过程中，由于难以准确预测莺落峡 7 月、8 月份的来水量，因此，以长期监测结果为依据，以 25%保证率水平年的 7 月、8 月份流量平均值 ( 125m3/ s) 为基准，当莺落峡来水量超过 125m3/ s 时，就可以利用多出部分进行地下水人工补给。另外，在确定可供用于地下水人工补给的洪水径流量时，没有考虑废弃平原水库后可能增加的正义峡下泄量。因此，在丰水年份，进行地下水人工补给是有水源保证的。
6. 1. 3. 2 工程措施条件
在卫星遥感图像 ( 图 6. 6) 上可以看出，在黑河干流草滩庄引水枢纽的河道西侧，为大片戈壁荒漠区，南北长约 20km，东西宽约 10km，面积约 200km2。通过实地调查，该地区地表以卵砾石堆积为主，地形相对较平缓，可以很方便地从草滩庄引水枢纽和西总干渠等引水至该地区，是理想的地下水人工补给场所。具体方案为: 以现有引水渠系为基础，修建多条简易渗水渠道，渠首位于草滩庄引水枢纽和引水干渠，渠的末端为黑河干流主河道; 在满足冲沙要求的前提下，尽量使渗水渠道保持较平缓的坡度 ( 如沿等高线走向) ，增加流程，使洪水充分地入渗补给地下水，剩余的水回归天然河道。
图 6. 6 黑河干流地下水人工补给区示意图
6. 1. 3. 3 入渗与储存条件
在西北干旱区戈壁带，如果引水渠系不做防渗处理，其利用系数只有 0. 3 左右，即 70%左右的引水量将损耗于渗漏补给地下水、包气带和水面蒸发，其中前者占总损耗量的 80%以上。因此，人工渗水渠道可以将 50%以上的引水量补给地下水，其余大部分回归天然河道，小部分消耗于包气带和水面蒸发。
第 4 章的计算结果表明，仅 20 世纪 90 年代，张掖盆地地下水储存量的消耗量就达到 20×108m3以上 ( 表 4. 31) 。因此，有足够的含水层空间用于存储人工补给的地下水。
6. 1. 4 袭夺地下水无效蒸发的潜力分析
袭夺地下水浅埋带的无效蒸发是干旱区增加可利用水资源量的重要途径，但需要处理好与生态保护的关系。均衡计算结果表明，张掖盆地水位埋深小于 10m 的浅埋带地下水蒸发量为 1. 95×108m3/ a ( 见表 2. 27) 。除局部地区外，张掖盆地大部分天然绿洲已逐渐改造为人工绿洲，只要保持适当的地下水位，就不会对生态环境造成明显影响。因此，袭夺地下水浅埋带的无效蒸发量具有较大潜力。
为进一步论证袭夺浅埋带地下水无效蒸发的能力，利用地下水数值模型 ( 见第 8 章) ，模拟了增加地下水开采对溢出量、蒸发量和储存量的消耗量的影响。结果表明 ( 表 6. 2) ，在现状地下水补给量不变的情况下，维持目前地下水开采布局，每增加 1×108m3的开采量，仅可夺取浅埋带地下水蒸发量 0. 21×108m3，其余靠消耗地下水储存量和减少地下水溢出量补偿。因此，不改变现状地下水开采布局，仅增加开采量，难以取得袭夺无效蒸发量的理想效果。
表 6. 2 现状补给量条件下不同开采量的数值模拟成果表 单位: 108m3/ a
由于大量关闭现有地下水开采井是不现实的，因此，为有效袭夺地下水无效蒸发，需要在现状地下水开采布局的基础上，增加浅埋带地下水开采量。如何达到这一目的，主要应考虑两方面的问题。一是地下水浅埋带为多层含水层结构，需要确定合理的开采层位; 二是在确定开采层位的基础上，设计合理的开采布局。下面对确定合理的开采层位进行分析。
图 6. 7 是浅埋带同一位置不同深度监测孔地下水位 ( 头) 动态变化曲线 ( 监测孔信息见表6. 3) 。可以看出，不同位置潜水与承压水之间的关系呈三种类型:
一是潜水与承压水之间存在一定的水头差，且年际和季节动态变化均不一致 ［图 6. 7 中 ( a)( b) ( c) ］。潜水位多年来呈相对稳定状态，季节动态变化明显受灌溉影响; 而承压水水头多年来呈持续下降趋势，季节变化与开采密切相关。这说明，潜水与 ( 浅层) 承压水之间的水力联系较弱。
二是潜水与承压水的年际与季节变化基本一致，潜水与浅层承压水的水头接近，但与深层承压水存在一定的水头 ( 位) 差 ［图 6. 7 中 ( d) ( e) ］。这说明，潜水与浅层承压水之间的水力联系较强，两层承压水之间的联系较弱。
三是潜水与浅层承压水的水位 ( 头) 相同，且动态变化完全一致 ［图 6. 7 中 ( g) ( h) ］) ，说明二者之间有很强的水力联系。对图 6. 7 ( e) ，虽然潜水与承压水的季节动态变化不一致，但总体下降的趋势是一致的; 仔细分析可看出，受开采影响，承压水季节下降幅度较大，潜水向下渗漏补给承压水，因此年内潜水的最低水位期滞后于承压水，到高水位期潜水与承压水的动态变化趋于一致。图 6. 7 ( e) 表现出的特点也说明潜水与承压水之间存在很好的水力联系。
上述潜水与 ( 浅层) 承压水的关系说明，为有效袭夺地下水无效蒸发，在潜水与承压水联系较弱的地区，应以增加潜水的开采为主; 在潜水与承压水联系较强的地区，应共同增加潜水与浅层承压水的开采量才能取得较好效果。
在地下水浅埋带，一般潜水含水层富水性较差 ( 单位涌水量低) ，地下水矿化度较高，侧向径流缓慢，因此，在以增加潜水开采量为主的地区，应以较高密度均匀布井，且与地表水或承压水混合 ( 或交替) 使用; 在需要共同增加潜水与浅层承压水开采量的地区，宜以较高密度均匀布设潜水井，以较低密度 ( 潜水井数量的 1 /3 ～ 1 /4) 布设浅层承压水井，潜水与承压水混合利用。
表 6. 3 张掖盆地地下水浅埋带部分观测孔信息
图 6. 7 张掖盆地地下水浅埋带同一位置潜水与承压水动态变化曲线
6. 1. 5 小结
目前，张掖盆地的引水渠系建设已达到一定规模。根据国务院批复的 《黑河流域近期治理规划》( 2001) ，在今后一段时期内，重点加强干、支、斗渠的高标准衬砌，这势必会进一步减少张掖盆地地下水的补给量，加剧地下水溢出量的衰减。因此，采取一定的工程措施，将丰水年份多余的洪水存储在戈壁带大厚度含水层系统中，增加地下水的补给，是实现张掖盆地地表水、地下水的联合调度与优化利用的重要手段之一。
上述分析表明，张掖盆地大厚度含水层系统是一巨大的天然地下水库，具备水资源调控的有利条件且经济可行，可以达到以丰补歉、多年调节的目的，对减少水面蒸发，增加可利用的水资源量，保证平、枯水年份达到正义峡下泄量目标具有重要作用。
袭夺地下水浅埋带无效蒸发是增加黑河流域可利用水资源量的重要途径，关键是在处理好与生态保护关系的基础上，确定合理的开采层位和开采布局。上面的分析中给出了初步结论，具体实施过程中还需做进一步的工作。
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