（地质工程专业论文）额济纳绿洲ndvi与黑河下游年均流量的滞后关系模型研究.pdf

额济纳绿洲n d v i 与黑河下游年均流量的滞后关系模型研究 摘要：本文将黑河下游年度均流量作为激励，将由n o a a ，a v h r r 卫星 数据处理得到的归一化植被指数n d v i 指标作为响应，从区域尺度建立起 线性系统模型。采用含水层动力学公式推导方法得到该滞后模型的理论依 据。根据2 0 0 0 2 0 0 8 年绿洲的n d v l 模拟了额济纳绿洲植被发育相对于 来水量的滞后过程。模型显示出，黑河来水对当年及后5 年的绿洲植被产 生显著影响，其中对次年影响最大，并逐年递减，6 年后滞后效应不明显。 分析认为滞后效应受厚度、渗透系数、给水度、与河流距离等含水层参数 因素控制，是绿洲生态系统具有自维持功能的一个体现。同时，模型中的 植被环境生态系统具有复杂性、可逆性和一定的持续性。而地下水含水层 的渗透性、贮存一一释放特征等参数起到相当大的作用。可根据径流量滞 后效应对生态系统进行水资源补偿以及对水资源的合理利用。 关键词：n d v i ；额济纳绿洲：径流量；滞后作用 t h er e s e a r c ho ni o w e rd o w n s t r e a mo fh e i h er i v e ra n d h y s t e r e s i se f f e c to fn d v ii ne j i n ao a s i s a b s t r a c t t h el i n e a rs y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e df r o mr e g i o n a ls c a l ew i t ht h e i n c e n t i v eo fd o w n s t r e a mo fh e i h ea n n u a la v e r a g ef l o wa n dt h er e s p o n s e o fn o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ( n d v i ) p r o c e s s e df r o m n o a a a v h r rs a t e l l i t ed a t a w i t ht h ea q u i f e rd y n a m i c sf o r m u l a ，t h e t h e o r e t i c a lb a s i so ft h el a gm o d e li sd e r i v e d a n dt h el a gp r o c e s s i n go f e j i n ao a s i st ot h ed o w n s t r e a mi ss i m u l a t e da c c o r d i n gt on d v io ft h e o a s i sf r o mt h ey e a r2 0 0 0t o2 0 0 8 t h em o d e ls h o w e dt h a tt h e d o w n s t r e a ms i g n i f i c a n ti n f l u e n c e st h eo a s i sv e g e t a t i o nm o s ti nt h en e x t y e a ra n dg r a d u a l l yd e c r e a s ey e a rb yy e a ri nt h ea f t e rf i v ey e a r s i ti s a n a l y z e dt h a th y s t e r e s i se f f e c tc o n t r o l l e db yt h ep a r a m e t e rf a c t o ro f d e p t h 、p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t 、s p e c i f i cy i e l da n dr i v e rd i s t a n c ei sa n e m b o d yo fo a s i se c o s y s t e m a t i cs e l f - m a i n t e n a n c ef u n c t i o n m e a n w h i l e ， t h ev e g e t a t i o ne n v i r o n m e n te c o s y s t e mi nt h em o d e lh a sc o m p l e x i t y r e v e r s i b i l i t ya n ds o m ep e r s i s t e n c e ，w h i l ep a r a m e t e r so fp e r m e a b i l i t ya n d s t o r a g e r e l e a s ei ng r o u n d w a t e ra q u i f e re f f e c ts i g n i f i c a n t l yf r o mw h i c h w ec a nc o m p e n s a t ew a t e rr e s o u r c ea n du t i l i z ei tr a t i o n a l l y k e y w o r d s ：n d v i ：e j i n ao a s i s ；r u n o f f ；h y s t e r e s i se f f e c t 图2 1 图2 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图5 1 图5 2 插图清单 额济纳绿洲地理位置图5 黑河流域沿途莺落峡、正义峡、狼心山年径流量曲线8 选择a v h r r 数据2 4 选择空间分辨率为l k m 的数据类型和卫星型号2 5 选择数据的日期2 6 输入研究区经纬度2 6 b a n dm a t h 对话框2 6 v a r i a b l e b a n dn a m ep a i r i n g s 对话框2 6 调整研究区大小2 6 n d v i 计算过程2 7 研究区2 0 0 5 年7 月6 号n d v i 灰度图2 7 o u tf i l et oa s c i ii n p u tf i l e n a m e 对话框2 7 o u t p u tt oa s c i i 对话框2 8 各年度植被指数历时图2 8 各年度狼心山径流量与额济纳绿洲n d v i 对比2 9 系统辨识示意图3 2 研究区植被环境系统示意图3 3 表2 1 表2 2 表2 3 表3 1 表3 2 表3 3 表5 1 表格清单 黑河流域气候气象征6 额济纳气象站降水量统表7 黑河下游各阶段水文站径流量表9 n o a a a v h r r 通道参数1 7 基于波段组合直接提出的植被指数2 1 基于波段组合分类而改进的植被指数2 3 对河流滞后影响设置不同持续年份n 计算的影响函数h 分布3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金遥王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：诱鲥 签字日期。1 年细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权傈留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆工些态 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：蓠辫 签字日期：炒7 年够月肜日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：1 钳刖钼 电话： 邮编： 致谢 在攻读硕士研究生的三年期间，首先衷心感谢我的导师葛晓光教授在 思想、学习、科研、生活等诸多方面给予的莫大关心与帮助。无论从课程 学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注了葛老师的心血， 在此，谨向葛晓光老师表示最诚挚的敬意! 感谢我的师兄骆伟、程鑫、师姐陈玉在资料收集、软件应用方面、地 理信息系统方面对我的指导和帮助；感谢贺爽、荆韦庄、胡清华等同届好 友对我的大力支持与帮助；感谢王耀、张儒等师弟( 师妹) 对我的信任， 向他们一并表示我衷心的谢意! 感谢在攻读硕士研究生期间予我传道、授业、解惑的老师以及携手共 进的同学和朋友们! 由衷感谢我的家人，他们的支持和无私奉献使我能够顺利完成学业， 今后一定好好报答他们! 在研究生学习期间，还得到了资环学院岩土系各位老师的关心和帮 助，在此一并表示深深的谢意! 感谢论文评审委员和答辩委员会委员对论文的批评与指正! 第一章绪论 1 1 研究综述 自从人类文明产生以来，人类就在通过各种活动不断地影响和改造着自身 赖以生存的自然环境。人类社会在历史发展过程中，不断地与环境进行着物质、 能量和信息的交换与传递。人与环境构成了息息相关的生命共同体。但是，随 着人类社会经济的飞速发展和科学技术的突飞猛进，人类对大自然直接或间接 的影响力越来越大，在推动人类社会巨大进步的同时，人类的生产和生活活动 也造成了生态系统的破坏和环境的污染，诸如资源耗竭、气候变暖、臭氧层空 洞、土地沙化等等，反过来又危及了人类自身的生存和发展。所以，保护生态 环境，实现可持续发展己经成为当今人类面临的紧迫而又艰巨的任务。 我国作为一个发展中国家，在过去的二十多年里创造了g d p 年均增长8 的 奇迹。然而，这种增长同样是以资源和环境更快速度的损耗为代价的。我国的 生态环境同样面临严峻形势。位于我国北部边陲的内蒙古自治区，是我国北疆 生态系统的前沿阵地。内蒙古的生态环境如何，不仅关系内蒙古各族群众的生 存和发展，也关系着“三北”乃至全国的生态安全，意义和责任十分重大。但是， 长期以来，由于种种原因，内蒙古的生态环境持续恶化。全国荒漠化土地2 6 2 亿公顷，内蒙古就占到1 3 左右；全国荒漠化涉及4 7 1 个县，内蒙古就有7 6 个旗 县；全国荒漠化扩展速度在4 以上的地区有7 处，内蒙古就有3 处；全国每年因 荒漠化造成的直接经济损失约5 4 0 亿元，间接损失1 7 0 0 亿元，内蒙古各占1 3 。 尤其是以阿拉善盟为主的沙漠、戈壁地区，年降雨量仅为几十甚至十几毫米， 全盟荒漠化土地面积己占全盟总土地面积的8 5 ，生态环境极其恶劣，许多地 方已经失去生存条件，大量生态难民被迫远涉他乡。而地处阿拉善盟境内、黑 河流域下游的额济纳绿洲的生态环境问题更是引起了社会各界的广泛关注以及 党和国家的高度重视。 额济纳绿洲地处内蒙古巴丹吉林沙漠北缘、黑河流域下游的冲积平原上， 隶属内蒙古自治区阿拉善盟的额济纳旗，是我国第二大胡杨林生长地，它与西 北风向正交，是阻挡风沙进入我国内陆的第一道绿色屏障。黑河是惟一流入额 济纳绿洲的河流。历史上，额济纳绿洲在黑河水的浇灌滋育下，曾是水草丰美、 驼羊成群的地方，素有“居延粮仓”的美誉。但是，随着黑河中游社会经济的发 展，用水量的增加，进入额济纳绿洲的水量逐年减少，西东居延海已先后于1 9 6 1 年和1 9 9 2 年完全干涸【1 1 。2 0 0 0 年黑河来水量最小，仅为1 8 0 亿m 3 ，致使河道断流 达2 0 0 天【2 1 ，加之过量用水和过度开垦，致使额济纳地区的生态环境遭到严重破 坏，风沙、盐碱、荒漠化非常严重，绿洲面积由过去的6 9 0 0 平方公里锐减到3 3 2 8 平方公里，胡杨林面积由7 5 万亩减少至u 2 0 0 1 年的3 4 万亩，额济纳地区己经成为 我国沙尘暴的重要沙源地之一。昔日的绿色生态屏障己经成为我国北方的“沙尘 走廊”，为了拯救黑河流域日益恶化的生态环境，恢复额济纳旗的荒漠绿洲，国 务院自2 0 0 0 年开始对黑河实行水量统一调度，至今己连续八年调水进入额济纳 绿洲，暂时缓解了绿洲用水需求。 本文将黑河下游年度均流量作为激励，将由n o a a a v h r r 卫星数据处理 得到的归一化植被指数n d v i 指标作为响应，从区域尺度建立起线性系统模型。 采用含水层动力学公式推导方法得到该滞后模型的理论依据。根据2 0 0 0 - - - 2 0 0 8 年绿洲的n d v i 模拟了额济纳绿洲植被发育相对于来水量的滞后过程。定量分 析并建立了黑河下游年均流量额济纳绿洲n d v i 的滞后模型。分析认为滞 后效应受厚度、渗透系数、给水度、与河流距离等含水层参数因素控制，是绿 洲生态系统具有自维持功能的一个体现。为研究额济纳地区水生态环境和制定 区域生态规划提供参考。 1 2 课题研究的主要内容 额济纳地区年均潜在蒸发强度高达3 7 5 5 m m ，年均降水量只有4 0 7 6 m m 。据 龚斌等计算，降雨量和额济纳绿洲面积的多年相关系数仅为o 0 1 6 【3 1 ，意味着降 雨对绿洲植被贡献微小。地貌特征也显示出，绿洲仅限于黑河沿岸及尾闾冲积 扇上，周边被戈壁沙漠包围，因此黑河来水才是绿洲植被发育的关键水源。本 文就从黑河下游年度均流量和额济纳绿洲n d v i 关系入手，结合含水层厚度、渗 透系数、给水度、与河流距离等含水层参数深入展开讨论研究。因此，课题研 究的主要内容包括： ( 1 ) 额济纳绿洲n d v i 的多年变化规律的分析 利用e n v i 软件对2 0 0 0 - - 2 0 0 8 年研究区卫星数据进行处理、计算，得到代 表绿洲盖度的参数和数据。 ( 2 ) 黑河下游年度均流量与额济纳绿洲n d v i 变化的关系 2 黑河下游地下水位的深浅取决于黑河下游年均流量和地下水的开采利用， 额济纳绿洲来水量取决于流过狼心山的径流量，受上中游用水量的影响。研究 分析表明，额济纳绿洲n d v i 对黑河下游年度均流量存在滞后性。 ( 3 ) 黑河下游年度均流量额济纳绿洲n d v i 的滞后模型的建立 将黑河下游年度均流量作为激励，将由n o a a a v h r r 卫星数据处理得到的 归一化植被指数n d v i 指标作为响应，从区域尺度建立起线性系统模型。采用含 水层动力学公式推导方法得到该滞后模型的理论依据。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究进展 绿洲存在于干旱、半干旱地区的荒漠之中，水是绿洲存在的基础，绿色植被 是其主体景观，其灌溉农牧业生产较发达，人类活动相对集聚。绿洲存在于荒 漠背景的事实，恰好说明绿洲研究对干旱、半干旱荒漠生态系统的研究具有重 要意义。1 9 7 7 年内罗l 匕( n a i r o b i ) 世界沙漠会议后，各国学者对于干旱区域影响 最大的、且危害严重的荒漠化过程进行了较多的研究，而对于作为与干旱区荒 漠化相对立的另一过程绿洲化的研究，尤其对于人类赖以生存密切相关的 绿洲稳定性方面的研究开展甚少，c a r a c a l l a ，a b d u la s i m o v ，p a n d o 等【4 】对荒漠、 绿洲景观和绿洲土壤植被覆盖等方面做了深入研究，采用对比分析探讨土地荒 漠化的驱动机制；t a c h i i r ik e 5 】通过对n o a a a v h r r 遥感信息的大气校正，全 面分析了额济纳地区沙漠化地物的光谱反射、空间分布、纹理结构、斑块形状、 植被覆盖等地学特征，对遥感影像进行各种增强和变换，提取光谱、纹理、形 状、植被指数等信息存入g i s 数据库，构建了专家知识库；t u c k e rk ，v a n p r a e tc i1 6 l 对西北干旱区黑河流域水资源匮乏及绿洲退化进行研究，提出了基于地理单 元尺度的绿洲遥感定量评价方法。 1 3 2 国内研究进展 2 0 世纪8 0 年代后期，我国学者开始把绿洲作为干旱区独立对象进行专门研究，在绿 洲的形成和演变过程、绿洲气候效应、绿洲农业研究和绿洲生态环境保护方面都取得 了重要的研究成果。钟华平等【7 】根据额济纳绿洲地下水位埋深和水位变化，结合植物 的长势和地面景观调查，采用对比分析的方法得出额济纳绿洲不同植物生长的地下水 位埋深闽值、适宜区间及其相应的水位变幅。马燕等【8 】分析了额济纳地区黑河水系不 断溯源退缩和荒漠化不断发展的过程，并进一步探讨该地区环境演变的驱动机制，水 环境的变化成为该地区环境演变的主要驱动力。李强坤等【9 l 在分析了额济纳地区水分 绿洲驱动演变的基础上，从生态系统的需水机理出发，提出了基于生态功能考虑 的干旱区生态需水量计算方法。王根绪、程国栋等【1 0 l 采用绿洲生态斑块动态模拟、植 被与水盐状态相关分析、生态需水量估算等方法，研究额济纳旗地区上游水资源不同 供给情况下，下游绿洲生态演变趋势和可能的保存规模。以上研究基于地面调查资料、 经验公式、和数学方法来探讨绿洲和水资源的关系。但在研究绿洲时空演化规律方面， 传统植被调查方法费时、费力、周期长、代表性差，近年来，遥感技术以其数据量大、 覆盖范围广、时间序列性强等特点，在生态环境研究中应用同益广泛，而由遥感数据 求出的n d v i ( n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x 归一化差异植被指数) 已经成为 一种卓有成效、广为使用的区域植被评价手段【1 1 】。龚斌、万力等【3 1 采用该方法，求出 额济纳绿洲n d v i ，并对植被面积与黑河下游年径流量、年降雨量、地形、地下水埋 深进行了逐年量化分析；金晓媚等【1 2 1 对g i m m s - n d v i 、m o d i s 。n d v i 与黑河下游径 流量数据相对比，发现在时间上绿洲植被与前一年黑河径流量相关性最高，认为植被 发育比径流滞后。 4 第二章研究区概况 我围西北地区深膳欧亚大陆腹地，四周高山环绕海洋湿润水汽难以到达 r 均午降水量在1 6 0 r a m 以下，基本上不产生地表径流，是我国也是世界上最严 酷的干早地区之一。 黑河源于祁连山区，是我国第二二大内陆河，流经张掖、临泽、高台、鼎新 等一系列稚地后，进入流域域下游的额济纳旗盆地。自5 0 年代以柬，【| ；i 于上、 l l 游水利工程的* 建，耕地面积的逐年扩大上中游锭地用水量不断增加，致 使流入额济纳旗盆地的水景逐年减 少额济纳绿洲也星逐年萎缩趋势， 随料十地沙漠化而积不断增加，沙 尘爨危害也不断加剧【l ”。本文以河 西走廊黑河流域下游的钡济纳绿洲 为研究埘象，探求绿洲植被分和和 河流径流量的关系。 2 i 自然地理概况 2 l l 地理位置 额济纳绿洲位于黑河下游的额 济纳河冲积平原上，南接甘肃省黑 河下游鼎新绿洲，北至东、西居延 海北岸，西连马鬃山【】i 地东抵巴 月吉林沙漠。北抵中蒙边境，面积 约1x 1 0 5k m 2 ，大部分区域为戈壁、 o m 蟪r1 0 蠢zo t t i t t e ta 晰o # h ， 十盘 o 墙# h z 女n 扭 削2 - l 额济纳绿洲地理位置幽 沙漠和低山残匠。地理坐标：东 1 0 0 。5 9 + 1 0 i 。1 4 ，4 0 眠5 24 2 0 1 7 n 。为本论文的研究区。 2 l2 地形地势 额济纳绿洲处于阿拉普高原西部和马鬃i 山山地的交接地带。区域内是广阔 的河流冲积三角洲平原及构造和残留的湖彷i 丰地，构造剥蚀的低i 山丘陵，风力 沉秘的流动沙丘和半流动沙丘。整体地势出西南向东北连渐倾斜。海拔高度 9 0 0 - - 1 1 0 0m ，最低处为西居延海，海拔8 2 0 m 。 2 1 3 气候气象 黑河流域地处欧亚大陆中部，远离海洋，周围高山环绕，流域气候主要受中高 纬的西风带环流控制和极地冷气团影响，是典型的大陆性气候：气候干燥，降水稀 少而集中，多大风，太阳辐射强烈，昼夜温差大。黑河流域气候变化明显，受地形 和纬度影响，具有明显的分带性，南部祁连山区地势高，平均海拔在3 6 0 0m 以 上，低温寒冷，年均气温仅为3 6 3 1 ，相对湿度大，约为6 0 ，为高山湿 寒气候，降水相对丰沛，多年平均降水量超过3 0 0m m ，最大可达5 0 0m m ，降 水量从东向西，由3 4 0 8m m 递减到2 3 8 3m m ；中部是以断陷盆地为特征的走 廊平原，海拔高度1 1o om 1 3 0 0 m ，降水量由东部的2 5 0 m m a 向西部递减为 5 0 m m a 以下。下游额济纳盆地深居我国西北内陆腹地，为典型的大陆性干旱气 表2 1黑河流域气候气象特征 候区，降水稀少，蒸发强烈，温差大，风大沙多。据额济纳旗气象站1 9 8 9 - - 2 0 0 1 年的气象资料统计多年平均降水量仅为4 0 7 6 m m ，年内降水量的6 0 - 7 0 集中 在6 - - 9 月，一次降雨在1 0 m m 以上天数甚少；多年平均气温为8 2 ，最高达 4 1 8 ，最低为零下3 6 4 ，日温差一般为1 4 - 1 7 ，最高达3 4 2 ；年日照 时数为3 3 2 5 6 - - - 3 4 2 4 4 h ，盛行西北风，平均风速4 2 m s ，最大风速1 5 o m s ，8 级和8 级以上的大风日数年均5 4 d ，沙暴日数均2 9 d ，大风多在每年的春季和夏 季发生【1 4 】。 黑河流域的气候气象特征见表2 1 。降雨量( 1 9 8 9 2 0 0 1 年) 见表2 2 。 6 表2 - 2 额济纳气象站降水量统计表单位：x0 1 m 2 1 4 水系 黑河是惟一流入额济纳绿洲的河流【l5 1 ，也是我国西北地区第二大内陆河。 其发源于青藏高原北部祁连山北麓，流经青海、甘肃和内蒙古3 省( 自治区) ，以 莺落峡和正义峡为上、中、下游分界点。上游为青藏高原北部边缘的祁连山地， 有冰川分布。年降水量3 5 0 m m 以上，是黑河流域的产流区和水源来源区；中游 地处河西走廊，为平原盆地区，多年平均降水量1 4 0 m m ，蒸发量1 4 1 0 m m 。是黑 河流域的耗水区和径流利用区；下游属阿拉善高原区，除河流两岸和居延三角 洲绿洲外，大部分为荒漠、沙漠和戈壁。年降水量只有4 0 m m ，而蒸发量却在 2 5 0 0 m m 以上，属极度干旱区，为径流消失区。黑河在进入额济纳平原后称为额 济纳河。额济纳河是内蒙古西部阿拉善高原荒漠区少有的内流河。该河至狼心 山分为东河( 纳林高勒) 和西河( 穆仁高勒) ，最终两河分别汇集到东居延海( 苏古 诺尔) 和西居延海( 嘎顺诺尔) ，即黑河的终端湖。自1 9 6 1 年来，基本处于长期干 涸状态，只有在特大洪水时才有短暂水流。两河漫流于三角洲平原上，共有1 9 7 条分支。干流2 5 0 1 k m ，平均河宽2 5 0 m ，该河流经额济纳旗旗政府所在地达 莱呼布镇。2 0 世纪5 0 年代上游来水流量为1 2 1 3 亿m 3 , 进入8 0 年代降为4 亿m 3 ， 枯水年仅为2 亿m 3 。整个额济纳绿洲对黑河水依赖性很大，黑河水就是额济纳 绿洲的生命之源。 出山 年份1 9 5 5 1 9 6 01 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 5 图2 - 2 黑河流域沿途莺落峡、正义峡、狼心山年径流量曲线( 据周爱国修改，2 0 0 4 ) 黑河自正义峡流出的水量是黑河下游地区水资源的唯一来源【1 6 , 1 7 】，黑河流 入下游地区水量的多寡直接取决于黑河经狼心山向下游的下泄流量，从多年年 径流量统计曲线图2 2 中可以看出：自1 9 5 7 年至今，上游的莺落峡年径流量 具有周期性波动性质，通过拟和趋势线方程，线的走势较平稳，表明年径流量 基本稳定。 由于中游地区用水量逐年增加，通过拟和趋势线方程，正义峡的年径流量 呈较明显的下降趋势；狼心山水文站自l9 8 8 年建站以来，其年径流量也呈下降 趋势，且比正义峡下降趋势更明显f 1 8 】。从表2 3 的具体数据可以看出： ( 1 ) 自1 9 5 7 年至2 0 0 1 年的4 4 年间，正义峡流入下游地区的年径流量不断减少， 从年均的11 9 2 x10 8 m 3 a 降低到6 9 1 10 8 m 3 a ，减少了4 0 。 ( 2 ) 在9 0 年代以后，由于工农业和人口的增加，黑河中游地区用水量增加，从而 导致正义峡下泄水量的减少； ( 3 ) 狼心山的年径流量也相应从2 0 世纪5 0 - , 6 0 年代的年均5 4 6 x 1 0 8 m 3 a 下降到 8 3 4 6 10 8 m 3 a ( 19 8 8 年以前狼心山径流量为水利部门史料) 减少了近3 7 。 表2 3黑河下游各阶段水文站径流量表( 据周爱国，2 0 0 4 ) 1 0 8m a 总体来说，从2 0 世纪5 0 年代到2 l 世纪初，从狼心山进入额济纳的水量呈 减少趋势。基于黑河下游下泄流量逐年减少的形势，国家于2 0 0 0 年开始对黑河 干流实施水资源统一调度和管理，以此来遏制黑河下游生态环境不断恶化的趋 势【1 9 】。 2 1 5 地下水 由于地形闭塞，气候极端干旱，降水稀少，决定了本地区地下水的主要补 给来源为河水径流和地下径流，其次是大气降水和低山丘陵基岩裂隙水。潜水 有良好的细沙含水层，埋深一般小于5 m ，矿化度为1 - 2 9 l ，年可开采量2 8 亿 m 3 。深层承压水含水层分布面积大、水位浅、储量丰富、易开采，单井影响半 径8 0 0 m ，补给条件较好并具有一定的厚度，年可开采量2 3 亿m 3 【2 们。 2 1 6 土壤 与所处地理气候区位相应而发育的地带性土壤为灰棕漠土，河流沿岸为盐 化潮土、林灌草甸土，湖泊低洼地为草甸盐土，其余为风沙土、新积土等。 2 1 7 植被 受水分条件的制约，植被以早生及超早生植物为主，即荒漠天然植被。植 物种类有胡杨( p o p u l u sd i v e r s i f o l i a ) 、沙枣( g l y c y r r h i z a ，u r a l e n s i s ) ，骆驼 ( a l h a g i s p a r s i f o l i a s c h a p ) 、苦豆子( s o ph o r n c z l pe e u r o i d e s ) 、 芦苇 ( p h r a g n z i t e s c o n z n z u n i s ) 、拂子茅 ( c a l a n z a g r o s t i s e p i g e j o s ) 、岌岌草 ( a c h n a t h e m m s p l e n d e n s ) 、怪柳( t a n z a r i x r a n z o s i s s i n z u ) 、梭梭( h a l a x y l o n z a n z n z o d e n d r o ) 、白刺( n i t r a r i a t a n g u t o r u m ) 沙米( a g r i o p h y v u n zn a r i u n m ) 红砂 9 ( r o e u n z a r i as o o n g o r i c a ) 泡泡刺( n i t r a r i as p h a e - r o c a r p a ) 短叶假木贼( a n c b a s z s b r e u f o l z a ) 等。 2 1 8 社会经济概况 额济纳绿洲所在的额济纳旗，行政区划隶属内蒙古阿拉盟，全旗辖1 个镇， 6 个苏木，1 个农场和1 个林场，共有2 5 个行政嘎查，8 个农业生产连队，4 个居民 委员会。旗政府驻地达莱呼布镇为全旗政治、文化、教育的中心。土地面积11 4 6 0 6 平方公里，总人口2 10 3 2 ( 2 0 0 8 年) ，由蒙古、汉、回、藏等1 0 个民族组成。城镇 居住人口1 0 7 6 8 人。人均总产值3 5 3 2 7 ( 2 0 0 8 年) 人，城镇年全旗国内生产总值达 1 5 5 0 5 6 万元，财政收入8 6 7 1 万元，农牧民入均纯收入达4 9 6 0 元，城乡居民储蓄 存款余额3 1 0 4 7 万元；工业总产值5 8 7 2 9 万元，实现工业产业增加值3 8 7 5 5 万元。 2 1 9 历史开发状况 历史上额济纳地区为多民族杂居区，由于各民族势力的消长和居住区的变 迁，农牧业生产相应出现变更。整个历史时期可以划分为以下几个阶段：汉代开 发河西之前，一直是少数民族游牧地；两汉三国时期以农业为主；两晋南北朝隋 唐时期畜牧业占优势；夏元时期农牧业并重发展；明清民国时期完全以畜牧业 为主；建国以来为农牧业综合发展时期。纵观额济纳地区的农牧业变迁历史， 凡是农业占主导地位的时候，大多因为戍边的目的。一旦少数民族占领，就又 恢复畜牧业的主导地位。由于干旱的气候环境，决定了畜牧业的基础地位，因 此在整个农牧业变迁过程中，畜牧业具有非常好的长期的稳定性，农业则呈现 出阶段性特点【2 1 1 。新中国成立后，5 0 年代，居民大多从事畜牧业，但额济纳河 下游仍保留着十分典型的天然绿洲的面貌。与解放初期相比，人口、牲畜头数 增加，耕地面积增加。6 0 8 0 年代，河西走廊酒泉地区大面积发展灌溉农业， 使黑河下游水量大减，进入额济纳绿洲的水量已由5 0 年代的5 4 6 亿m 3 年减少到 9 0 年代的3 0 5 亿m 3 年，1 9 9 2 年最小仅1 8 3 亿m 3 。对于完全依赖于河水滋润的绿 洲来说，来水量的大幅度减少无疑是致命的【2 2 1 。 2 2 额济纳地区生态环境问题 2 2 1 来水量减少，地下水位下降 由2 1 节可知，由于狼心山下泄流量逐年减少的趋势，额济纳绿洲面积也 呈现逐年减少趋势。同时，对地下水的开采，造成绿洲内部地下水位下降【2 引。 与7 0 年代末相比，除部分灌溉草场、农田外，地下水位普遍下降0 3 1 5m ， 1 0 平均下降0 7 5m ，个别地区下降2 - - - , 3m t 2 4 1 。在额济纳河流域1 0 0 0 多眼机井中， 己有6 0 供水不足，1 0 干涸【2 5 l 。 2 2 2 植被生态系统的退化 植被生态系统的退化主要体现在河流沿岸绿洲带和平原荒漠绿洲带的生态 系统变化上，据张小由( 2 0 0 5 ) 【2 6 1 ，从1 9 8 2 到2 0 0 0 年，乔木林面积严重萎缩， 而灌木林面积有所增加，说明绿洲带由高大乔木林向矮小灌木林过渡，其水土 保持功能必将削弱，而平原荒漠绿洲带的草原面积也较大减少，草地退化，加 上过度放牧，不仅引起草地生产力的下降，更为严重的是直接导致土地沙漠化。 随着植被生态系统的进一步恶化，物种多样性减少，生态平衡遭到严重破 坏【2 7 1 。 2 2 3 土地盐碱化 额济纳地处黑河下游地区，降水量少，蒸发强烈，加上地下水位埋深较浅， 故地下水矿化度较高。当地表径流不足时，地下水位下降，在强烈蒸发作用下， 盐分聚集于地表【2 引，积盐过程多次、反复的作用，使绿洲内的非盐渍化土壤向 轻盐土发展，沿河和湖滩地的盐化林灌草甸土向轻盐土一中盐土一重盐土发展， 盐碱化土地不断扩展【2 9 1 。 2 2 4 土地荒漠化和沙尘暴 额济纳绿洲土壤上部为石膏干旱土，绿洲内部为淤垫灌溉人为土、潜育土 和斑纹潮湿雏形土，绿洲下部为潮湿正常盐成土，外围为干旱沙质新成土和石 膏干旱土【30 1 。在气候干燥，蒸发量大的情况下，土壤水分消耗加速，加之绿洲 灌溉水量大幅度减少、地下水位下降，使土壤常处于干燥状态，在风速一定的 条件下，随着表土含水量的减小，土壤风蚀速度迅速提高，沙漠化土地迅速扩 展。 随着额济纳绿洲荒漠化面积的扩展和程度的增强，绿洲内的人们为了谋求 生存，会继续扩大破坏植被，开垦耕地，使土地退化程度加剧，荒漠化问题进 一步加剧【3 。据王根绪等( 2 0 0 2 ) 得出的结论，黑河下游地区近1 0 年来土地 沙漠化面积增加3 3 1 4 k m 甜3 2 。 近年来，随着额济纳地区绿洲的萎缩和土地的严重沙化，在干旱与极不稳 定的大气条件下形成沙尘天气，尤其在冬、春季西伯利亚强冷空气侵袭下，可 形成8 1 2 级的大风，造成沙尘暴，从2 0 0 0 年开始，强沙尘暴发生时间越来越 早、频次越来越高、强度越来越大，其波及的范围也随之越来越广、危害程度 也越来越严重，额济纳已成为我国最主要的风沙源区之一【3 3 1 。特别是2 0 0 6 年4 、 5 月份的强沙尘暴席卷整个华北地区，给人们的生产生活带来极大不便和巨大 的经济损失。 2 3 水资源在额济纳绿洲植被保护中的作用 作为干旱区最关键的生态环境因子，水不仅是干旱区绿洲生态系统构成、 发展和稳定的基础，而且决定着干旱区绿洲化与荒漠化生态环境演化过程【3 4 1 。 因此，对水资源的合理分配和利用是黑河下游额济纳地区生态治理和绿洲植被 恢复的最主要措施。 地下水埋深和植被的生长有着密切的联系【3 5 1 ，要保持一定的地下水埋深就 必须保持一定的地表径流量，而黑河下游狼心山下泄流量是额济纳绿洲唯一的 地表水来源，要使得绿洲保持现在的水平不致继续萎缩，狼心山过境流量需达 到一定的程度【3 6 】。 降水也能在短时间内促进植被的生长，据实地观察，降水过后植被生长迅 速。而荒漠化和植被覆盖度的下降，使得地表反射率增加，这将影响到大气降 水。c h a r n e y 通过对s a h e l 地区模拟结果表明，如果反射率从1 4 提高到3 5 ， 降水量将会减少一半【3 7 1 。因此，对于西北干旱区来说，水资源是绿洲景观的决 定性因素。其中，黑河下游狼心山下泄径流量是额济纳绿洲植被生长的主要因 素，降水量能在短期内促进绿洲植被的生长【3 8 1 。 2 4 研究意义及其必要性 2 4 1 额济纳绿洲生态环境的战略地位 额济纳绿洲位于祁连山与蒙古戈壁阿尔泰之间的阿拉善荒漠区的西端，是 额济纳河冲积而成的扇形三角洲上发育的绿洲。额济纳绿洲座落于极度干旱的 荒漠区，沿额济纳河形成绿色长廊，绵延2 0 0 k m 。保护和改善额济纳绿洲对我 国西北地区具有重要意义。 首先，额济纳绿洲具有突出的生态意义。额济纳绿洲是我国第二大胡杨生 长地和重要的梭梭林区。而且坐落于西北干旱区中心，正好与蒙古高压入侵我 国的主风向正交，是我国北方阻挡风沙的一道天然屏障，更是黑河中下游河西 走廊的重要屏障。它不仅隔开了北山戈壁至巴丹吉林沙漠戈壁带，而且可以减 小风速，大大削弱风势。近年来，源于额济纳和路经额济纳的沙尘暴给我国带 1 2 来的重大损失己充分说明，一旦绿洲生态环境继续恶化，大风将沿着这个风口 肆无忌惮地侵入，经河西走廊的狭管效应后将以更大的风势和风力侵入内地， 从而更加剧西北地区土地的荒漠化和导致更恶劣的沙尘天气。其次，额济纳绿 洲的存在对保护和开发大量自然资源和历史资源意义重大。额济纳三角洲有 6 8 0 4 万m 2 荒漠林牧地，其中有l3 5 万m 2 胡杨林地及约0 4 万r n 2 耕地，相当于河 西走廊现有开垦的灌溉耕地。额济纳还有煤、石油、金、铁、钒，萤石、冰洲 石、石英、石棉、芒硝等多种矿产资源。由于额济纳绿洲独特的地理位置，其 还具有丰富的植物成分，拥有珍稀濒危植物9 种，占我国荒漠区珍稀濒危种类的 5 2 。此外，额济纳绿洲还保留有汉代居延城，西夏黑城、破城、绿城、大同 城、肩水寨遗址、甲渠寨遗址、古烽火隧等记载人类历史的珍贵古迹以及潘 汉合时掌中珠、居延汉简、元代纸币、四美图等大量世界珍贵文物。只有额 济纳绿洲的存在，这些资源的开发与保护才有保障。再次，额济纳绿洲一旦消 失将对我国国防和军事安全也会产生重要影响。额济纳旗境内有5 1 4 6 9 k m 的国 防线，如果绿洲消失，数千里的边防线将失去惟一的绿洲据点和补给点。同时， 绿洲消失将对额济纳旗境内世界三大宇航中心之一的酒泉卫星发射中心构成极 大威胁。同时，额济纳绿洲的社会和政治意义也不容忽视。绿洲消失将产生1 6 万生态难民，这样将引发不良的社会问题和政治影响。额济纳绿洲由于自然因 素和人类活动影响产生了巨大的变化，引起了广泛关注。可以说，额济纳绿洲 生态建设与环境保护，事关居民的生存环境和经济发展，事关我国西北、华北 地区的环境质量，事关民族团结、社会安定、国防永固。 2 4 2 额济纳绿洲的生态环境危机 黑河水浸润的额济纳绿洲，是我国西部干旱荒漠区的一颗绿色明珠，为这 一地区的经济发展和边防稳定起到了积极作用，并成为中国西部干旱地区的一 道重要的生态防护线。但是近5 0 年来，由于黑河上、中游大量引水，黑河进入 下游额济纳平原的水量锐减，导致额济纳水资源日趋减少，造成地下水位普遍 下降。由于水源减少，地下水位下降，致使平原区植被退化，绿洲面积日渐缩 小。额济纳河沿岸以胡杨为主的天然河岸林是我国第二大荒漠河岸林，对于保 护生态环境，维持额济纳绿洲规模具有重要意义，也是当地畜牧业经济发展的 重要保障。但是由于来水减少，两岸植被失去水源保障，地表植物大面积枯萎 和死亡，草场严重沙化，而随着地表植被覆盖度的降低，地面蒸发增强，又造 成大面积的土壤盐渍化，同时，来水减少直接导致土地早化，更加剧了荒漠化 速度。荒漠化土地的不断扩张，使这一地区的风沙危害日趋严重。自1 9 9 3 年以 来，额济纳旗已连续8 年发生大规模沙尘暴i ”】。进入2 0 0 0 年以来沙尘暴发生更 为频繁，发生的时间越来越早，次数也越来越多。频繁发生的沙尘暴，不仅给 当地居民的生产和生活造成了巨大损失，也威胁到周边经济区，波及华北平原， 甚至飘洋过海影响到东亚地区。额济纳绿洲的生态危机是在长期的环境因素与 人为因素综合作用形下成的。其中，环境因素是基础，人为因素是主导。在人 为因素中，又以人类对水资源的过量开发与利用不合理影响最大。因此，水资 源短缺是造成绿洲生态危机最关键的原因。额济纳绿洲的生态危机己成为社会 关注的焦点，长期以来，有关科技人员、当地政府和人民从科研、生产以及政 策等不同角度进行了不懈的探索，试图改善绿洲的生态状况。但客观事物的发 展却背离了人们的期望和努力，绿洲生态的恶化非但没有得到有效遏制，反而 在日趋加剧，这不能不引起人们的焦虑和不安。如何进行有效整治，切实保护 和改善额济纳绿洲的生态环境，成为一个亟待解决的严重问题。 2 4 3 课题研究的必要性 自2 0 0 0 年黑河实行水量统一调度以来，额济纳绿洲生态环境有了明显改观。 但是，当前如果对调水后绿洲的生态效应，仅从调水任务的完成情况和绿洲的 植被状况进行定性描述，则只能停留在一种表面现象，既不能更深层次地反映 出绿洲的生态环境改善情况，也不能具体体现出生态环境的改善程度。因此， 对黑河下游年均流量和额济纳绿洲n d v i 之间的关系应进行深入研究，已经成为 我们面临的一个重要课题。 绿洲作为我国西北干旱地区独特水生态景观，不仅反映了该地区的生态环境状 况，更有力地支撑着整个西北干旱地区社会经济的发展 4 0 l ，绿洲的退化将直接导致荒 漠化进程的加剧、沙尘暴的肆虐和大量生态难民的产生。可以说，绿洲面积的减少是 西北地区生态环境严重恶化的最重要的标志。西北地区日益恶化的生态环境，不仅极 大地制约着西北地区的经济和社会发展，对整个中华民族的生存和发展也构成了严重 的威胁。额济纳绿洲生态地位重要，而且生态环境恶化严重，属于生态环境敏感区、 脆弱区，因此，通过黑河调水抢救和保护绿洲，非常具有典型性。所以，从小尺度出 发对额济纳绿洲调水后绿洲n d v i 和径流量的关系进行动态分析，不仅对加快该地区 植被恢复，改善生态环境，促进该地区经济社会可持续发展具有重要战略意义，而且， 1 4 对于国家西线调水的其他工程，对于改善西北浩瀚沙区包括荒漠化地区的生态环境， 保护与合理利用有限的绿洲，都可以提供实践案例，具有重要的借鉴意义。 第三章基于r s 的植被盖度研究 植被盖度反映一个地区的植被覆盖状况，是生态学的主要参数，被广泛应 用于植被覆盖变化研究和生态环境调查等多领域 4 1 , 4 2 】，植被盖度在西北地区的 直接体现就是绿洲，绿洲是西北最具活力的生态景观，绿洲的面积及其变化规 律是区域生态环境的直接标志，关系到区域生态系统的稳定，同时，如何更准 确方便地测算绿洲面积也是多年来学者所关注的问题。传统的测算方法主要是 地面测量，例如使用栅格点采样法t 4 3 1 ，但由于西北地区气候恶劣，交通不便， 采用地面测量方法不仅费时费力费钱，而且测算周期长，进度慢，而遥感技术 具有廉价、高效、宏观性好等特点，并且可以根据研究的需要选择合适的卫星 数据资料，可以极大地弥补传统方法的不足。遥感技术已被广泛应用于作物估 产、气象预报、自然灾害监测等方面，从而为西北干旱地区生态环境研究提供 有力手段，植被指数就是植被盖度在遥感技术中的定量体现。 3 1 遥感技术概述 遥感( r e m o