2016, Vol. 36
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2. 甘肃省水文水资源局, 兰州 730000;
3. 兰州大学生命科学学院草地农业生态系统国家重点实验室, 兰州 730000
2. Hydrology and Water Resources Bureau of Gansu Province, Lanzhou 730000;
3. State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000
绿洲作为干旱区独特的地理景观，是干旱地区人类赖以生存的基础和精华所在，同时也是干旱区最敏感的部分和经济发展的承载体(郭巧玲等，2010；刘金鹏等，2010；颉耀文等，2014).而水是干旱区绿洲存在最关键的生态因子，是维系绿洲生态系统和流域生态安全与经济社会和谐发展的决定性因素，同时也是保护生态环境和决定绿洲规模的最关键因素(黄晓荣等，2006；孙栋元等，2011；杨立彬等，2012；张丽等，2008).生态环境需水研究是目前生态学和水科学研究的热点领域，同时也是干旱内陆河流域绿洲水资源综合管理、保护和恢复生态环境中最为关键的科学问题之一，其研究目的是实现区域水资源的优化配置和高效利用，最终实现区域水-经济-生态与环境系统的协调可持续发展(陈锐等，2005；倪晋仁等，2002；王改玲等，2013；王西琴等，2007；张丽，2004；张远等，2007).
近些年，尽管国内外大量学者针对河流、湖泊、湿地、植被和城市等各种生态系统开展了生态需水方面的研究.例如，Cui等(2002) 估算了黄淮海区域湿地生态环境需水量；Liu等(2002) 估算了海河和淮河湖泊生态环境需水量；Luo等(2004) 估算了河流生态系统保护需水量；杨志峰等(2005) 研究了城市生态环境需水量的理论与方法；Zhao等(2007) 研究了额济纳绿洲植被生态需水量；胡广录等(2008) 评述了干旱半干旱区植被生态需水量计算方法；王强等(2008) 研究了白洋淀湿地不同时空水生植物生态需水规律；Ye等(2010) 研究了塔里木河下游天然植被生态需水量；Hughes等(2010) 研究了基于水文、水力和生态响应方法的河流环境需水量；Zhang等(2010) 利用多源遥感数据估算了无测站区域草地生态需水量；Tan等(2012) 估算了若尔盖高寒湿地生态需水量；孙才志等(2013) 估算了基于生态水位约束的下辽河平原地下水生态需水量；刘新华等(2013) 采用潜水蒸发和面积定额法估算了塔里木河下游生态需水量；潘扎荣等(2013) 基于河流天然径流的变化特征和生态水文过程对径流的年内动态需求，提出了一种新的河道基本生态需水计算方法——生态需水年内展布计算法；张华等(2014) 估算了极端干旱区尾闾湖东居延海生态需水；陈伟涛等(2014) 论述了内陆干旱区依赖地下水的植被生态需水量研究中的关键科学问题；李金燕等(2014) 估算了宁夏地区中南部干旱区域林草植被生态需水量；韩宇平等(2014) 通过分析北运河河流水环境质量状况，提出了分段量化研究河流生态需水量的方法；Shokoohi等(2014) 通过对比水文和水力方法，采用一种新方法确定了河流生态需水量；黄亮等(2015) 基于IFIM法研究了红水河来宾段敏感生态需水；陆建宇等(2015) 研究了沂沭河流域河流生态径流及生态需水；潘扎荣等(2015) 利用时间序列法、Mann-Kendal检验法、聚类分析及GIS空间分析功能对淮河流域河道内生态需水保障程度时空特征进行了解析；Shang(2015) 基于通用多目标计划模型模拟了内陆水体最小生态基流和水位；Si等(2015) 研究了居延海适宜规模和最小生态需水量；Liu等(2016) 基于水量、水质和环境需水方法，评价了内蒙古黄旗海河流域水资源短缺状况.同时研究人员还开展了基于水土保持、生态安全、生态保护、生态功能等方面的生态需水研究(白元等，2015；Cui et al.， 2002；崔保山等，2005；Cui et al.， 2010；冯夏清等，2012；黄昌硕等，2012；黄晓荣等，2006；胡广录等，2008；李亚平等，2013；Ling et al.， 2014；Liu et al.， 2002；刘金鹏等，2010；马乐宽等，2008；乔云峰等，2004；孙栋元等，2011；孙才志等，2013；王丽霞等，2012；王强等，2008；杨立彬等，2012；杨志峰等，2005；Ye et al.， 2010；张丽等，2008；张华等，2014；Zhang et al.， 2010；Zhao et al.， 2007) ，取得了一些可喜的成果.其他学者从不同方面研究了黑河下游额济纳绿洲生态需水(郭巧玲等，2010；2011；李强坤等，2008；司建华等，2013；杨立彬等，2012).还有学者从不同方面研究了石羊河流域民勤绿洲生态需水(冯起等，2012；杨秀英等，2006；张奎俊，2008).满苏尔·沙比提等(2008) 研究了新疆渭干河-库车河三角洲绿洲生态需水.
然而针对干旱内陆河流域绿洲生态环境需水方面的研究仍相对欠缺，尤其在流域绿洲尺度对生态环境需水量时空变化特征方面的研究还相对薄弱.针对干旱内陆河流域绿洲特殊地理生态环境状况，开展流域绿洲生态环境需水时空变化特征研究，估算流域绿洲生态环境需水量，探索疏勒河中游绿洲生态环境需水变化规律，可为流域绿洲生态环境的健康发展提供科学依据.因此，本文利用疏勒河中游绿洲1970、1980、1990、2000和2013年遥感影像解译成果，并根据疏勒河中游绿洲不同时间生态环境现状及天然植被、河流湖泊等生态系统需水特征，构建基于天然植被、河流、湿地和防治耕地盐碱化的疏勒河流域中游绿洲生态环境需水量化模型，估算流域中游绿洲不同生态系统类型生态环境需水量，分析流域中游绿洲不同时间不同区域生态环境需水量，揭示流域中游绿洲生态环境需水时空变化规律，从而为区域水资源合理配置和生态系统的协调可持续发展提供参考依据
2 研究区概况(General characteristics of the study area)疏勒河流域位于河西走廓西端，是河西地区三大内陆河水系之一，流域全长550 km，面积39497 km2.中游绿洲位于疏勒河中游的走廊平原地带，海拔1050~1300 m，地势平坦开阔，分布有大片绿洲.由于独特地理位置和气候条件，导致区域形成昼夜温差大，蒸发强烈的气候环境，属典型温带大陆性干旱气候，多年平均降水量39.2~63.1 mm，蒸发量2469~2869.4 mm，多年平均气温6.95~9.42 ℃，行政区划包括敦煌、瓜州和玉门的绝大部分地方.同时，由于人类强烈的社会活动，导致区域脆弱生态系统环境日趋恶化，主要表现为绿色生态严重退化，湿地面积缩小，盐碱地、沙地迅速增加，对当地的社会经济发展产生了一定的影响.再加之人类活动对水资源利用量的不断增加，使得区域生态环境需水严重不足，致使流域中游绿洲天然植被萎缩严重，从而影响当地生态环境的良性循环及阻碍社会经济的可持续发展.因此，掌握流域中游绿洲生态环境需水状况，科学配置流域绿洲生态环境需水，对流域水资源科学管理和社会经济可持续发展有着重要意义
3 疏勒河中游绿洲生态环境需水计算模型(Calculation model of eco-environmental water requirement in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin)目前，疏勒河中游绿洲区已出现了植被衰亡、草场退化、湿地衰减、生物多样性受损、土地盐渍化、沙漠化等一系列生态环境问题.生态环境需水是指维持中游绿洲的稳定性和绿洲植被面积，保护绿洲河流湖泊及湿地生态系统的稳定与平衡的所需水量.因此，确定疏勒河流域中游绿洲生态环境需水量主要包括：天然植被需水量、湿地生态环境需水量、河流生态环境需水量和防治耕地盐碱化环境需水量.
疏勒河中游生态保护与恢复目标主要为天然植被、湿地和河流生态系统的良性循环和健康可持续发展.本文根据疏勒河中游绿洲生态环境状况，确定区域生态需水模型结构，并建立计算式为：
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式中，W为区域生态环境需水量(108 m3·a-1)，Wv为天然植被生态环境需水量(108 m3·a-1)，Wr为河流生态环境需水量(108 m3·a-1)，Ww为湿地生态环境需水量(108 m3·a-1)，Ws为防治耕地盐碱化环境需水量(108 m3·a-1)
3.1 天然植被生态环境需水量Wv计算方法由于干旱区植被生长的特殊性，地下水状况的好坏决定了植物生长的好坏.因此，植被生长需水在综合考虑时空尺度的基础上，时间按月计算，空间上按植被优势物种划分(何永涛等，2005；孙栋元等，2011)，其计算公式为：
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其中，ETij可根据阿里维扬诺夫公式计算(孙栋元等，2011)，即：
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式中，K1为植被系数；Ai为第i种生态区的面积(m2)；ETij为潜水蒸发量(mm)；(EΦ20)ij为常规气象蒸发皿蒸发值(mm)；H为地下水埋深(m)；Hmax为极限地下水深度(m)；a、b为经验系数，取a=0.62，b=2.8；i=1，2，…，n；j=1，2，…，12.
阿维里扬诺夫公式是典型的潜水蒸发模型，计算方法中待定参数包括极限地下水埋深Hmax、经验系数a、b，在不同地区参数取值不同，其中，参数标定是根据甘肃水文二队和中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在玉门、张掖等地的试验数据所得(张丽，2004).极限地下水埋深Hmax是停止蒸发时的地下水埋深，在干旱区，有植被盖度的区域以5 m为限，荒漠区以4.5 m为限，如果极限地下水埋深大于这些深度，其潜水蒸发量可近似认为等于零，这也是目前水文地质计算中普遍采用的值.参数a、b是与植被覆盖度、土质有关的待定系数，不同植被覆盖度和不同的土质其系数不同，本文根据荒漠区特点确定a为0.62，b为2.80
3.2 河流生态环境需水量Wr的计算方法河流生态环境需水量计算相对复杂，涉及相关原则相对较多，本文基于功能性需求原则、分时段考虑原则建立河流生态环境需水量的计算模型，结合干旱区河流特点，主要涉及河流基本生态、水质净化、输沙、河道渗漏补给和水面蒸发需水量(高凯，2008；倪晋仁等，2002；孙栋元等，2011).因此，方法的选择适合干旱区河流生态环境需水量的计算，具体公式如下:
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式中，Wb、Wc、Ws、Wl、We分别为河流基本生态、水质净化、输沙、河道渗漏补给和水面蒸发需水量(108m3·a-1).由于疏勒河属于典型内陆河流域，其水质可满足饮用与灌溉需要，因此，本文暂不考虑计算河流水质污染稀释自净需水量Wc.
3.2.1 河流基本生态环境需水量Wb的计算方法河流基本生态环境需水量以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量(李丽娟等，2000)，其计算公式为：
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式中，Wb为河流基本生态环境需水量(108m3·a-1)；Qij为第i年第j月的河流月均流量(m3·s-1)；T为常数，其值为31.536×106 s；n为统计年数.
3.2.2 河流输沙需水量Ws的计算方法由于河流输沙需水量与河流输沙量、流量、水沙动力条件等因素有关，而汛期水量相对较大，能完成河流输沙功能，因此，将汛期用于输沙的水量和非汛期调水调沙(冲沙)的水量作为河流输沙需水量(李丽娟等，2003；王玉敏等，2002)，其计算公式如下：
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式中，Ws为河流输沙需水量(108 m3·a-1)；Sn为多年平均输沙量(kg)；Cij为第i年第j月的河流月均含沙量(kg·m-3)；n为统计年数.
3.2.3 河道渗漏补给需水量Wl的计算方法由于受河床岩性、河道输水流量、地下水埋深等因素的影响(孙栋元等，2011)，因此，河道渗漏补给量可按达西定律计算：
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式中，Wl为河道渗漏补给量(108 m3·a-1)；K2为含水层渗透系数(m·d-1)；I为水力坡度；L为含水层厚度(m)；D为过水断面宽度(m)；t为时间(d).
3.2.4 河流水面蒸发生态需水量We的计算方法河流水面蒸发生态需水量与降水量、水域面积、水面蒸发量息息相关(刘凌等，2011)，因此，水面蒸发需水量计算公式为：
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式中，We为河流水面蒸发生态需水量(108 m3·a-1)；A为水面面积(km2)；E为水面蒸发强度(mm)；P为平均降水量(mm).水面蒸发强度E用下式表示，其水面折算系数为：
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式中，K3为水面蒸发折算系数；E20为20 cm常规蒸发皿观测的水面蒸发量(mm)；E(20) 为20 m2水面蒸发池观测的水面蒸发量(mm)
3.3 湿地生态环境需水量Ww的计算方法由于湿地类型不同，生态环境需水量的计算方法也存在差异，其生态环境需水量的确定相对比较复杂(孙栋元等，2011；翟盛，2010)，因此，本文按如下公式计算：
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式中，Ww为湿地生态环境需水量(108 m3·a-1)；Ai为某湿地水面面积(hm2)；Ei为相应湿地的水面蒸发能力
3.4 防治耕地盐碱化环境需水量Ws的计算方法干旱区内陆河流域由于水资源短缺，特别是春旱严重，通常采用秋天灌溉、春播前灌溉和生育期加大灌溉定额的方法减少盐分对农作物的危害(孙栋元等，2011).这部分具有双重作用，加大的灌溉水量，称之为防治土地盐碱化的环境需水量(胡顺军等，2007)，其计算公式如下：
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式中，Ws为防治土地盐碱化的环境需水量(108 m3·a-1)；As为盐碱化土地面积(hm2)；ms为盐碱土地环境需水定额(m3·hm-2)
4 数据来源(Data sources)降水与蒸发数据：降水与蒸发数据来源于甘肃省气象局，根据收集到玉门市56年降水与20 cm常规蒸发皿观测资料统计分析，得到多年各月降水量与蒸发量(表 1).
| 表 1 玉门市不同月份的降水量与水面蒸发量 Table 1 Evaporation of water surface and precipitation in different month in Yumen Citymm |
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径流与输沙数据：径流与输沙数据采用1953—2013年疏勒河流域中游潘家庄水文站统计资料，数据来源于甘肃省水文水资源局.
植被影响系数：参考河西走廊玉门镇及石羊河流域相关试验成果作为计算依据(杨秀英等，2006；张丽，2004)(表 2).
| 表 2 干旱区潜水埋深与植被影响系数表 Table 2 The vegetation coefficients and buried depth of phreatic water in arid regions |
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单位面积蒸发量：根据植物生长确定疏勒河中游植被潜水埋深变动范围，依据马兴华等(2005) 关于疏勒河流域植被退化与地下水位关系成果：有林地1.0~4.5 m，灌木林地1.0~4.0 m，疏林地1.0~5.0 m，其他林地2.0~6.0 m，高覆盖度草地1.0~3.5 m，中覆盖度草地为2.0~3.0 m，低覆盖度草地为2.0~4.0 m.依据研究区每种植被类型的地下水埋深范围和平均埋深，并按相应公式计算得到不同潜水埋深蒸发量和不同植被单位面积蒸散量计算结果(表 3).
| 表 3 疏勒河流域中游绿洲区不同植被单位面积蒸散量 Table 3 Evapotranspiration of different vegetation unit area in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin |
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基于上述计算方法和确定的相关参数，计算得出疏勒河中游绿洲不同时期天然植被生态需水量(表 4).由表 4可知，1970—2013年疏勒河中游绿洲天然植被生态需水量呈现逐渐减少趋势，由1970年的2.93×108 m3减少到2013年的1.89×108 m3，减少了1.04×108 m3.1970年天然植被生态需水量为2.93×108 m3，其中，林地需水量为0.12×108 m3，占3.97%，草地需水量为2.81×108 m3，占96.03%；1980年天然植被生态需水量为2.50×108 m3，其中，林地需水量为0.12×108 m3，占4.81%，草地需水量为2.38×108 m3，占95.19%；1990年天然植被生态需水量为2.30×108 m3，其中，林地需水量为0.12×108 m3，占5.20%，草地需水量为2.18×108 m3，占94.80%；2000年天然植被生态需水量为2.14×108 m3，其中，林地需水量为0.12×108 m3，占5.44%，草地需水量为2.03×108 m3，占94.56%；2013年天然植被生态需水量为1.89×108 m3，其中，林地需水量为0.13×108 m3，占6.79%，草地需水量为1.76×108 m3，占93.21%.总体上，草地生态需水量所占比例相对较大，达到90%以上，而林地生态需水量所占比例相对较小，不足10%.
| 表 4 疏勒河流域中游绿洲不同植被类型生态最小需水量 Table 4 Minimum water requirement based on different vegetation types in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin |
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利用1953—2013年疏勒河流域中游潘家庄水文站61年的河流流量统计数据，得到疏勒河中游1953—1970年、1953—1980年、1953—1990年、1953—2000年和1953—2013年5个时段多年月平均流量和多年月最小流量，并根据式(5) ，得出1970、1980、1990、2000和2013年疏勒河基本生态环境需水量分别为1.40×108、1.20×108、1.10×108、1.00×108和1.00×108 m3.
5.2.2 河流输沙需水量利用疏勒河流域中游潘家庄水文站含沙量统计数据，计算得出潘家庄水文站处输沙需水量作为疏勒河流域中游河流输沙需水量.潘家庄水文站处多年平均输沙量为203.01×104 m3，最大月平均含沙量53.86 kg·m-3.根据河流输沙生态环境需水量计算方法，计算得出潘家庄水文站处输沙需水量为1.11×108 m3.因此，疏勒河流域中游河流输沙需水量为1.11×108 m3.
5.2.3 河流渗漏补给需水量疏勒河干流中游长124 km，根据收集资料得到疏勒河中游渗透系数、水力坡度和含水层厚度平均值分别为15.28、0.003和20 m，确定时间为365 d，并根据河流渗漏补给需水量计算方法，计算得到入渗量为0.83×108 m3.
5.2.4 河流水面蒸发生态需水量疏勒河流域中游多年平均降水量为63.78 mm，多年蒸发量为2704.87 mm.根据清华大学玉门试验站观测资料，通过累计潜水蒸发量和累积蒸发皿蒸发量计算得出水面蒸发折算系数为0.59.计算得到1970、1980、1990、2000和2013年河流水面蒸发生态需水量分别为1.28×108、0.73×108、0.71×108、0.64×108和0.68×108 m3(表 5).由表 5可知，1970—2013年疏勒河河流水面蒸发生态需水量呈现逐渐减少趋势，由1970年的1.28×108 m3减少到2013年的0.68×108 m3，减少了0.60×108 m3.
| 表 5 疏勒河中游绿洲区水域蒸发需水量计算结果 Table 5 Calculation result eco-environmental water requirement of water surface evaporation in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin |
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通过计算，在不考虑河流输沙需水量时，河流生态环境需水量由河流基本生态、河道渗漏补给和河流水面蒸发需水量组成，1970、1980、1990、2000和2013年分别为3.51×108、2.76×108、2.64×108、2.47×108和2.51×108 m3，其中，河流基本生态环境需水量占河流生态环境需水量比例分别为39.9%、43.5%、41.7%、40.5%和39.8%，渗漏补给需水量与水面蒸发环境需水量分别占为23.6%、30.1%、31.4%、33.6%、33.1%和36.5%、26.4%、26.9%、25.9%、27.1%(表 6).在考虑输沙需水量时，河流生态环境需水量由河流输沙、河道渗漏补给和河流水面蒸发需水量组成，1970、1980、1990、2000和2013年分别为3.22×108、2.67×108、2.65×108、2.58×108和2.62×108 m3，其中，河流输沙生态环境需水量占河流生态环境需水总量的比例分别为34.5%、41.6%、41.9%、43.0%和42.4%，河道渗漏补给需水量分别占25.8%、31.1%、31.3%、32.2%和31.7%，河流水面蒸发生态需水量分别占39.7%、27.3%、26.8%、24.8%和25.9%(表 6).
| 表 6 疏勒河中游绿洲区生态环境需水总量 Table 6 Total eco-environmental water requirement in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin108 m3 |
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计算得到1970、1980、1990、2000和2013年湿地生态环境需水量分别为14.32×108、4.64×108、4.17×108、3.92×108和2.70×108 m3(表 6)，其中，沼泽生态环境需水量分别为14.12×108、4.28×108、3.63×108、3.27×108和2.24×108m3，分别占湿地生态环境需水量的98.6%、92.3%、87.1%、83.4%和83.0%，水库生态环境需水量分别为0.11×108、0.26×108、0.43×108、0.59×108和0.39×108 m3，分别占湿地生态环境需水量的0.7%、5.5%、10.4%、15.0%和14.4%，湖泊生态环境需水量分别为0.09×108、0.10×108、0.11×108、0.06×108和0.07×108 m3，分别占湿地生态环境需水量的0.7%、2.2%、2.6%、1.6%和2.6%，说明在疏勒河中游绿洲区沼泽地所占比例相对较大，应进一步加强湿地保护.1970—2013年疏勒河中游绿洲湿地生态环境需水量呈现逐渐减少趋势，由1970年的14.32×108 m3减少到2013年的2.70×108 m3，减少了11.62×108 m3，说明在疏勒河中游绿洲湿地退化比较严重
5.4 防治耕地盐碱化环境需水量由于气候、地形地貌、水文地质条件、含盐土壤母质及人类活动影响是造成当地盐碱化的主要原因，在地形相对平坦的中游地区，地下径流条件差，地下水位高，加之水利工程措施不完善，如不合理灌溉、排水沟道失修或淤积堵塞严重及排水系统不配套等因素，导致区域耕地盐碱化的发生，耕地盐碱化达到总耕地面积的20%以上(段文典，2007).因此，为了进一步减少盐分对作物的危害，采用秋灌和春灌方式压减耕地盐分.一方面用较大的水量能将土壤中的盐分淋洗达到促进作物生长的目标，另一方面还要节约用水，防止抬高地下水位和影响土壤肥力(胡顺军等，2007).根据干旱区不同质地不同含盐量土壤的洗盐定额，结合疏勒河中游实际情况，依据段文典(2007) 实验成果，从而确定疏勒河流域灌区播前灌溉定额为1500~2000 m3·hm-2，据此确定防治耕地盐碱化的灌溉定额为600 m3·hm-2.
灌区盐碱化面积占耕地面积的20%，1970、1980、1990、2000和2013年盐碱化面积分别为18777.03、18391.67、18666.70、22316.94和33561.39 hm2，计算得到1970、1980、1990、2000和2013年区域防治耕地盐碱化环境需水量分别为0.11×108、0.11×108、0.11×108、0.13×108和0.20×108 m3(表 6)
5.5 疏勒河中游绿洲生态环境需水总量通过计算，得到疏勒河中游绿洲1970、1980、1990、2000、2013年生态环境需水总量分别为17.94×108、7.51×108、6.92×108、6.63×108、5.52×108 m3(表 6).由表 6可知，1970—2013年疏勒河中游绿洲生态需水量总量呈现逐渐减少趋势，由1970年的17.94×108 m3减少到2013年的5.52×108 m3，减少了12.42×108 m3
6 疏勒河中游绿洲生态环境需水量空间变化特征(Spatial variation characteristics of eco-environmental water requirement in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin) 6.1 天然植被生态需水量空间变化特征通过计算敦煌、玉门和瓜州3个区域天然植被生态需水量，得到1970—2013年疏勒河中游绿洲不同区域天然植被生态需水量(表 7，图 1a和图 2).从表 7、图 1a和图 2可知，1970年瓜州、玉门和敦煌天然植被生态需水量分别为1.57×108、0.82×108和0.54×108 m3，分别占总需水量的53.58%、27.99%和18.43%；1980年分别为1.16×108、0.85×108和0.49×108 m3，分别占总需水量的46.59%、34.14%和19.68%；1990年分别为1.02×108、0.84×108和0.44×108 m3，分别占总需水量的44.35%、36.52%和19.13%；2000年分别为0.97×108、0.78×108和0.39×108 m3，分别占总需水量的45.12%、36.28%和1 8.14%；2013年分别为0.94×108、0.65×108和0.30×108 m3，分别占总需水量的49.74%、34.39%和15.87%.总体上，1970—2013年疏勒河中游绿洲天然植被生态需水量空间变化特征排序均呈现瓜州>玉门>敦煌(表 7，图 1a和图 2)，同时各区域天然植被生态需水量均呈现减少趋势.
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| 图 1 疏勒河中游绿洲不同区域生态环境需水量 Fig. 1 Different eco-environmental water requirement in different regions in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin |
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| 图 2 疏勒河中游绿洲不同区域生态环境需水量空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of eco-environmental water requirement of different regions in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin |
| 表 7 疏勒河中游绿洲区不同区域生态环境需水量 Table 7 Eco-environmental water requirement of different regions in the middle reaches oasis of Shulehe River Basin |
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通过计算敦煌、玉门和瓜州3个区域河流生态环境需水量，得到1970—2013年疏勒河中游绿洲不同区域河流生态环境需水量(表 7，图 1b和图 2).从表 7、图 1b和图 2可知，1970年瓜州、玉门和敦煌河流生态环境需水量分别为3.23×108、0.33×108和1.05×108 m3，分别占总需水量的70.07%、7.15%和22.78%；1980年分别为2.74×108、0.24×108和0.88×108 m3，分别占总需水量的70.98%、6.22%和22.80%；1990年分别为2.67×108、0.23×108和0.85×108 m3，分别占总需水量的71.20%、6.13%和22.67%；2000年分别为2.54×108、0.22×108和0.82×108 m3，分别占总需水量的70.95%、6.14%和22.91%；2013年分别为2.61×108、0.22×108和0.79×108 m3，分别占总需水量的72.10%、6.08%和21.82%.总体上，1970—2013年疏勒河中游绿洲河流生态环境需水量空间变化特征排序均呈现瓜州>敦煌>玉门(表 7，图 1b和图 2)，同时各区域河流生态环境需水量均呈现减少趋势
6.3 湿地生态环境需水量空间变化特征通过计算敦煌、玉门和瓜州3个区域湿地生态环境需水量，得到1970—2013年疏勒河中游绿洲不同区域湿地生态环境需水量(表 7，图 1c和图 2).从表 7和图 2可知，1970年瓜州、玉门和敦煌湿地生态环境需水量分别为3.20×108、1.78×108和9.34×108 m3，分别占总需水量的22.35%、12.43%和65.22%；1980年分别为0.86×108、0.52×108和3.26×108 m3，分别占总需水量的18.53%、11.21%和70.26%；1990年分别为0.86×108、0.52×108和2.79×108 m3，分别占总需水量的20.62%、12.47%和66.91%；2000年分别为0.90×108、0.50×108和2.52×108 m3，分别占总需水量的22.95%、12.76%和64.29%；2013年分别为0.69×108、0.26×108和1.75×108 m3，分别占总需水量的25.56%、9.63%和64.81%.总体上，1970—2013年疏勒河中游绿洲湿地生态环境需水量空间变化特征排序均呈现敦煌>瓜州>玉门(表 7，图 1c和图 2)，同时各区域湿地生态环境需水量均呈现减少趋势
6.4 防治耕地盐碱化生态环境需水量空间变化特征通过计算敦煌、玉门和瓜州3个区域防治耕地盐碱化生态环境需水量，得到1970—2013年疏勒河中游绿洲不同区域防治耕地盐碱化生态环境需水量(表 7，图 1d).从表 7和图 1d可知，1970可知，1970、1980和1990年瓜州、玉门和敦煌防治耕地盐碱化生态环境需水量均为0.05×108、0.04×108和0.02×108 m3，分别占总需水量的比例均为45.46%、36.36%和18.18%；2000年分别为0.06×108、0.04×108和0.03×108 m3，分别占总需水量的46.15%、30.77%和23.08%；2013年分别为0.09×108、0.07×108和0.04×108 m3，分别占总需水量的45.00%、35.00%和20.00%.总体上，1970—2013年疏勒河中游绿洲防治耕地盐碱化生态环境需水量空间变化特征排序均呈现瓜州>玉门>敦煌(表 7和图 1d)，同时各区域防治耕地盐碱化生态环境需水量均呈现增加趋势
6.5 中游绿洲总的生态环境需水量空间变化特征通过计算敦煌、玉门和瓜州3个区域植被生态、河流基本生态、河流输沙、河道渗漏补给、河流水面蒸发、湿地生态及防治耕地盐碱化环境需水量，得到1970、1980、1990、2000和2013年不同区域总的生态环境需水量，进而探讨疏勒河中游绿洲生态环境需水量空间变化特征(表 7，图 1e).从表 7和图 1e可知，1970可知，1970年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量呈现敦煌最大，玉门最小，瓜州介于二者之间的空间变化特征.1980、1990、2000和2013年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量均呈现瓜州最大，玉门最小，敦煌介于二者之间的空间变化特征.1970年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量分别为10.95×108、2.97×108和8.05×108 m3，分别占总需水量的49.84%、13.52%和36.64%；1980年分别为4.65×108、1.65×108和4.81×108 m3，分别占总需水量的41.86%、14.85%和43.29%；1990年分别为4.10×108、1.63×108和4.60×108 m3，分别占总需水量的39.69%、15.78%和44.53%；2000年分别为3.76×108、1.55×108和4.47×108 m3，分别占总需水量的38.49%、15.76%和45.75%；2013年分别为2.87×108、1.20×108和4.32×108 m3，分别占总需水量的34.21%、14.30%和51.49%.总体上，疏勒河中游绿洲总生态环境需水量空间变化特征呈现瓜州>敦煌>玉门，同时各区域生态环境需水量均呈现减少趋势
7 讨论(Discussion)由于中游绿洲耕地面积的不断增加，使得农业用水的比例也不断提高，再加之区域有限的水资源和对地下水资源的大量开采，致使固沙植被凋萎、死亡，使绿洲生态系统的良性循环遭到破坏.同时，由于中游绿洲在工农业迅速发展和人口剧增的情况下乱砍滥伐、毁林开荒及对水资源的不合理利用，使得流域天然植被萎缩严重.由于上游灌溉面积扩大导致注入中、下游的生态水量不断减少，地下水补给量减少、泉水溢出量缩减，使得分布于绿洲周边的湿地在不断萎缩和退化.疏勒河流域中游部分灌区仍存在大水漫灌的现象，造成地下水位上升.强烈的蒸发积盐作用，形成了大范围的土壤盐渍化.以上原因导致1970—2013年疏勒河中游绿洲天然植被、河流基本生态、河流水面蒸发和湿地生态环境需水量均呈现逐渐减少趋势，而防治耕地盐碱化生态环境需水量呈现逐渐增加趋势.
干旱内陆河流域绿洲是典型的生态脆弱区，其最显著的特点就是脆弱性与易变性，对外部干扰因素反应敏感，若外部条件发生变化，其对绿洲内部产生的影响往往是不可逆的，尤其是自然生态，被破坏后极难恢复原状(刘金鹏等，2010).而干旱内陆河流域绿洲生态需水计算的重点和难点是基于绿洲适宜规模的生态需水量、基于绿洲适宜灌溉面积的生态需水量及基于绿洲适宜地下水位值的生态需水量等方面.适宜的绿洲规模决定绿洲所承担的主要供能，适宜的灌溉面积对提供绿洲植被生态用水和维护绿洲农田防护林及农田周边植被正常需要的生态需水起着重要作用，而适宜地下水位值是决定干旱区湿地面积大小、影响植物群落和物种多样性的决定性因素;同时，由于研究区水资源系统和生态系统的时空变异性及人类活动对区域水文循环过程的影响，使得不同绿洲规模下生态需水时空变化规律存在一定差异.因此，在后续研究中应进一步针对中游绿洲生态需水计算难点与重点，选择或者改进相应的计算方法，使得所计算生态需水量为绿洲生态恢复方案和水资源配置方案科学制定提供可借鉴依据，使得研究结果进一步体现干旱区绿洲的特殊性和敏感性.
疏勒河流域关于生态需水的研究相对较少，仅有很少学者对疏勒河流域湖泊湿地生态需水量进行了估算，尤其针对流域中游绿洲生态需水量时空变化特征的研究几乎为零.本文较系统详细地从天然植被、河流基本生态、河流输沙、河流渗漏补给、水面蒸发、湿地生态和防治耕地盐碱化环境需水量方面估算了不同时间不同区域生态环境需水量，计算结果可为区域生态环境保护和恢复及水资源综合管理和优化配置提供一定参考依据，同时，研究结果对促进《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划》的顺利实施具有一定借鉴与参考作用.然而，研究时间尺度相对较长，区别于以往定点定时研究，计算涉及方法相对较多，选取参数也相对较多，同时受区域下垫面条件和多方面因素影响，流域生态环境需水与水资源关系还有待于进一步研究和深入.由于流域生态环境需水量的不断挤占，使得区域地下水不能得到有效补给，严重影响区域生态环境的自我修复，致使区域生态环境日益恶化.因此，基于生态需水计算结果，应进一步加强流域生态保护与水资源调控与配置研究，提高水资源综合管理程度，协调流域各部门与各区域水资源配置比例，提出流域绿洲生态恢复和水资源配置方案，确保流域中游绿洲生态目标与经济目标的协调发展，实现流域绿洲水资源与生态环境的协调可持续发展
8 结论(Conclusions)1) 根据所确定的计算方法，得到疏勒河中游绿洲1970、1980、1990、2000和2013年天然植被生态环境需水量分别为2.93×108、2.50×108、2.30×108、2.14×108和1.89×108 m3；河流基本生态环境需水量分别为1.40×108、1.20×108、1.10×108、1.00×108和1.00×108 m3；河流输沙生态环境需水量均为1.11×108 m3；河流渗漏补给生态环境需水量均为0.83×108 m3；水面蒸发生态环境需水量分别为1.28×108、0.73×108、0.71×108、0.64×108和0.68×108 m3；湿地生态环境需水量分别为14.32×108、4.64×108、4.17×108、3.92×108和2.70×108 m3；防治耕地盐碱化生态环境需水量分别为0.11×108、0.11×108、0.11×108、0.13×108和0.20×108 m3；同时，计算得出总生态环境需水量分别为17.94×108、7.51×108、6.92×108、6.63×108和5.52×108 m3.
2 ) 1970—2013年疏勒河中游绿洲天然植被、河流基本生态、河流水面蒸发和湿地生态环境需水量均呈现逐渐减少趋势，分别减少了1.04×108、0.40×108、0.60×108和11.62×108 m3;同时，总生态环境需水量也呈现逐渐减少趋势，减少了12.42×108 m3，而防治耕地盐碱化生态环境需水量呈现逐渐增加趋势，增加了0.09×108 m3.
3) 在不考虑和考虑河流输沙需水量时，1970、1980、1990、2000和2013年疏勒河河流生态环境需水量分别为3.51×108、2.76×108、2.64×108、2.47×108、2.51×108 m3和3.22×108、2.67×108、2.65×108、2.58×108、2.62×108 m3.
4 ) 1970—2013年疏勒河中游绿洲天然植被、河流生态和湿地生态环境需水量空间变化特征排序分别为：瓜州>玉门>敦煌，瓜州>敦煌>玉门及敦煌>瓜州>玉门，同时，各区域天然植被、河流生态和湿地生态环境需水量均呈现减少趋势，而防治耕地盐碱化生态环境需水量排序为瓜州>玉门>敦煌，同时各区域防治耕地盐碱化生态环境需水量均呈现增加趋势.总体上，疏勒河中游绿洲总生态环境需水量空间变化特征呈现瓜州>敦煌>玉门，同时各区域生态环境需水量均呈现减少趋势.
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