天山北麓水資源利用對綠洲穩定性的影響

天山位于歐亞大陸的中部，是典型的內陸干燥地區。自然環境體現為山地-綠洲-荒漠復合生態系統。綠洲是干旱區所特有的一類景觀,它的形成與干旱氣候有關,它是干旱地區人類賴以生存和生產的核心場所。綠洲是一個人工與自然的復合生態系統,它作為發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展的基礎。人類活動對水資源的利用是影響天山北麓綠洲分布、變化、及其穩定性的重要因子。綠洲的穩定性由其內部與外部生態系統的結構、功能及生態過程決定,直接關系到區域社會經濟的持續發展。1水資源和天北地區的利用1.1降水量小、分布廣天山北麓地區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,因而山地成為此區的集水匯流區和水源涵養地。大多數平原區降水量在200mm以下,蒸發量是降水量的數倍,有限的降水僅能濕潤土壤和增加農田的有效需水量,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,河流短小,但流量大,流速快,水質好;進入山前平原后由于強烈蒸發、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植被現狀瑪納斯河域由瑪納斯河及其東側的塔西河、西側的金溝河、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),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、徑流散失區和下游荒漠區。流域的集水匯流區指1000m以上的山地區。高山冰川區年平均降水量為700-1000mm,冰川面積為1228m2;冰川以下山地區的年平均降水量為408mm,面積6006km2,按每1mm降水產生1000m3的水量計算,集水匯流的山地區水資源總量為34.9億m3。其中22.95億m3輸送給山前平原區,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和生態維持地。山前綠洲平原區是流域的徑流散失區。目前流域區的城鎮、工農業、交通網均分布于由山區徑流沖洪積形成的綠洲平原上,是利用人工技術高效接納和利用、轉化山區來水創造社會財富的精華地帶。該區綠洲平原面積約6534km2,按平均150mm降水量計算(蒸發量是其7-10倍),只相當于每平方公里灌水1653m3。為使有限的山區來水得到有效合理的利用,傳統上主要依靠發展水利水電工程和灌溉設施。下游荒漠區面積約1萬km2,估算降水量為100mm以下,而其蒸發量是降水量十幾倍。荒漠生態植被面積1949年為37.25萬hm2,2000年為16萬hm2。荒漠生態植被面積逐年減少,取而代之的是人工綠洲。該區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主要的生態災害-干熱風、風沙流、沙漠化、鹽堿化的重要生態屏障。1.3以開發促開發20年為代表的新疆流域開發成就瑪納斯河流域水資源開發始于清代,但利用程度不高。據史料記載,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,農業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,瑪納斯河流域農墾水利事業迅速發展,經過近50年的開發治理,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,年發電量2.2億kw·h;興建場外引水干渠22條,總長度414km,場內引水干渠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0672。水土資源得到綜合開發和利用,成為新疆流域開發治理較早,社會效益、經濟效益、生態效益較高的典范灌區。但進入田間被利用的山區來水只有13億m3,利用率僅57%,重復利用率僅9.1億m3,年調節蓄水量只占年徑流量的17.4%。2瑪納斯湖上區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,地形由海拔5000m以上的高山下降為500～800m的平原,平原區地形也由沖洪積扇頂的800m下降到瑪納斯湖底的257m,決定了該流域的氣候、水文、植被、土壤呈現出東西延伸、南北更替的環狀結構。有規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,處在兩大景觀發育方向呈明顯對立態勢的自然帶之間的人工綠洲帶成為環境極為敏感、脆弱的干旱流域生態區。其穩定性不僅取決于上游山地及下游荒漠的生態建設水平和環境支持能力,還取決于整個流域生態環境的動態演變。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;礫質沖積物上普遍發育了可耕性極強的黃土母質,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,又有內陸盆地豐富的光熱資源普照。瑪納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上逐步發展農業形成的現代綠洲。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,也體現了瑪納斯綠洲穩定性的動態變化。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、農田建設和水資源利用逐步向外圍擴展,使綠洲面積成倍增加,在空間結構方面以主河道為軸線兩側對稱發展。瑪納斯綠洲是一個現代人為干預成功的綠洲。該地區最早的農業始于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,將瑪納斯河東西約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系統建立起來,綠洲內部環境得到充分改善。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人工定向改造所創造的綠茶文明瑪納斯綠洲區是整個流域水、土、光、熱資源高度協調的精華地帶,穩定的山區來水和可耕性極強的深厚土壤,在人工定向改造下創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、不協調的,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,瑪納斯河流域農墾水利事業迅速發展,流域內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%,年調節水量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,綠洲建設早已擴張到山地和荒漠區,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律,瑪納斯綠洲演變也不例外,隨著小拐河段以上地區水資源的進一步開發利用,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;綠洲內部鹽堿地荒漠,隨著墾區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工程建設的實施,部分鹽堿地將轉化為耕地或林地,使鹽漬地荒漠變為綠洲;隨著區內人口的增加,居民點、工礦用地亦將增加,部分耕地轉化為居民點和工礦用地,綠洲類型發生變化,或沙、礫石戈壁地荒漠演變為綠洲生態系統。2.2.3水資源利用不當水、土、生物和礦產資源及能源等的利用必然產生對綠洲結構和功能的影響,特別是水資源的利用對其產生的影響更為明顯。一方面,合理利用水資源,使綠洲面積迅速擴大,農牧業發展,城市崛起、社會發展,治水改土增大了環境容量,改善了小氣候條件;另一方面,由于水資源利用不當,引起了環境的改變。大量河水被引入灌區,自然水域縮小,流域中游大量開發地下水,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系統內部的穩定性。2.2.4山地生態環境演變瑪納斯河綠洲建設早已擴張到山地和荒漠區,人工干預的方向和強度改變了流域的生態演變過程。據統計,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、水土流失的加劇現象在山區普遍存在。山地生態環境演變影響綠洲來水的均衡度與和諧度,物質、營養、能量供應均衡度,泥沙、風沙、洪流威脅性。下游荒漠生態是綠洲建設水平和質量的晴雨表和反映器。經過綠洲農田及城鎮利用后約有10億m3的水主要以地下水的形式散失在茫茫荒漠中,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揮著巨大作用。而且使綠洲工農業生產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境的自然生產力和綠洲生態環境的可持續發展能力。3合理利用水資源，保持綠洲穩定3.1水利工程管理由于瑪納斯綠洲水利建設較早,許多工程出現不同程度老化問題。流域水利工程老化損壞,效益下降;干渠修建后,經過多年運行,工程失修,干渠淤積、沖刷、沉陷、坍塌現象嚴重。加之干渠右側的河水淘蝕等,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。工程技術方法解決存在問題主要包括從工程踏勘、設計、施工以及具體技術措施等,用于針對和克服流域復雜的自然環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驗等方面的內容。工程管理方法包括工程設計、施工、運用,維修,養護等多方面措施,是水利建設中最為重要的環節。健全管理機構,加強水利工程管理,合理控制運行,注意維修與養護,不僅可使工程發揮良好效益,而且可以延緩工程壽命,防治工程老化和損壞。3.2灌溉高效節水