水土资源合理利用案例研究———以张掖地区为例
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发布时间：2022-04-30 01:20
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时间：2022-06-27 22:12
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*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*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*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 *。计算公式如下:
西北典型内流盆地水资源*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*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*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。
