李曉婧, 白艷萍, 李 萌, 馬金輝

(蘭州大學 資源環(huán)境學院， 甘肅 蘭州 730000)

水資源是我國西北內陸地區(qū)社會經濟發(fā)展和生態(tài)平衡的關鍵制約因素[1]。在氣候變化及人類活動影響不斷加劇的背景下，從區(qū)域到全球尺度監(jiān)測陸地總水儲量及各要素的變化對人類生存和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]。重力反演與氣候試驗衛(wèi)星GRACE(gravity recovery and climate experiment)廣泛地被應用與中長空間尺度流域的水儲量變化研究[2]。地球各系統(tǒng)間的質量重新分布和遷移引起地球重力場的變化，在年或季較短時間尺度上，主要由地球表層大氣、海洋、陸地水質量交換引起。通過精確觀測地球重力場隨時間的變化，可以反演地球水質量變化的情況[3]。目前，利用重力衛(wèi)星重建地球重力場取得了豐富的成果[4-9]，是傳統(tǒng)陸地水文觀測技術的有效補充[5]。河西走廊位于甘肅省西北部，行政上屬于甘肅省張掖、酒泉、武威、金昌、嘉峪關5市。研究區(qū)氣候干旱，屬于大陸性氣候區(qū)，年降水量僅為40～400 mm，年蒸發(fā)量卻高達1 500～3 000 mm。該地區(qū)地勢南高北低，南部祁連山地的冰川儲量豐富[10]，是河西地區(qū)降水較多的地區(qū)，也是河西走廊石羊河、黑河和疏勒河3大內陸河的發(fā)源地。河西走廊干旱缺水，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是制約河西走廊地區(qū)社會經濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[11]。加之人類活動對水資源的過度開發(fā)利用，造成了天然綠洲退縮、地下水位下降、內陸河斷流、沙漠化擴大等嚴重的生態(tài)問題[12]。本文對河西走廊水資源和生態(tài)環(huán)境的時空變化規(guī)律、以及時空關聯關系進行分析，旨在為干旱區(qū)水資源合理開發(fā)及實現生產、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 研究資料及研究方法

1.1 數據來源

國際上應用解算過的GRACE 衛(wèi)星數據來反演全球以及區(qū)域的陸地水儲量的變化，通行的做法[13]有：一種是應用已解算的月重力場模型數據直接求解；另一種是利用衛(wèi)星軌道數據推求區(qū)域陸地水儲量變化，即Mascon方法。本文GRACE數據采用空間研究中心(CSR)提供的2003—2015年的RL05 GRACE MASCON解決方案(http:∥www.csr.utexas.edu/grace)，空間分辨率為0.5°，時間分辨率為1個月，柵格值表示等效水高。由于GRACE部分月度數據缺失，采用缺失月份多年平均值表示該月的等效水高。降水采用NASA網站提供的2003—2015年TRMM 3B43數據(https:∥pmm.nasa.gov)，NDVI(歸一化差分植被指數)數據來源于美國國家航空航天局(NASA)提供的MOD13產品。2000，2005，2010，2015年的土地利用/覆蓋類型數據由中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)提供。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢分析 采用一元線性回歸趨勢分析法模擬每個柵格的變化趨勢，計算公式為：

式中：i——時間段序號；n——監(jiān)測時間段累計次數； rasteri——第i時間段柵格圖層。

1.2.2 相關性分析 計算兩個時間序列x(t)和y(t)相關系數通常用以下公式：

2 研究結果

2.1 水儲量時空變化

利用一元線性回歸分析法，計算研究區(qū)每個像元2003—2015年水儲量變化趨勢，結果如圖1所示。由圖1可知，研究區(qū)祁連山地區(qū)水儲量呈增長趨勢，等效水柱每年最大增長3.1 mm，沿著徑流方向水儲量增長趨勢愈弱，直至為減少趨勢，等效水柱每年最大減少1.9 mm。

圖1 河西走廊GRACE等效水高變化趨勢空間分布

通過區(qū)域統(tǒng)計得到河西走廊及河西走廊內3大流域GRACE等效水高月度變化折線圖(圖2)。結果顯示研究區(qū)水儲量變化在月尺度上表現出明顯的周期性，波動范圍基本保持在-20～20 mm之間，周期為12個月，表示研究區(qū)整體及3大流域水儲量變化存在顯著的年周期；疏勒河流域與黑河流域水儲量變化在年內波動變化的最高值和最低值出現月份一致。經過12次滑動平均及線性回歸，可觀察到研究區(qū)及3大流域水儲量變化均呈下降趨勢。通過觀察可以發(fā)現疏勒河流域2003—2009年水儲量變化趨勢平穩(wěn)，2009年后水儲量在波動中下降，2011—2015年水儲量年內變化波動范圍與極大值逐年增大；黑河流域2003—2010年水儲量穩(wěn)定下降，2010—2015年水儲量在波動中下降且年內變化波動范圍較大，年內變化的極大值呈增長趨勢；石羊河流域水儲量呈逐年下降趨勢，年內變化波動范圍較穩(wěn)定。研究區(qū)3大流域中石羊河流域水儲量降低速度最快，約為0.146 3 mm/月，黑河流域水儲量降低速度較快，約為0.134 7 mm/月，疏勒河流域水儲量下降速度較慢，約為0.085 mm/月，研究區(qū)整體水儲量呈較快的下降趨勢，約為0.109 2 mm/月。

圖2 研究區(qū)水儲量變化

利用2002—2015年河西走廊整體及其3大流域月尺度水儲量變化值多年平均值，分析研究區(qū)年內水儲量變化情況(圖3)。疏勒河流域水儲量在4月份進入累積狀態(tài)，7月份達到最高值，然后開始逐漸下降，12月降至最低值。黑河流域水儲量在1至7月緩慢上升，7月份進入累積狀態(tài)，同時達到全年最高值，然后緩慢下降，在10月下降至虧損狀態(tài)。石羊河流域水儲量1至9月在波動中上升，7月進入累積狀態(tài)，9月達到全年最高，11月下降至虧損狀態(tài)。疏勒河流域水儲量年內波動幅度最大，石羊河流域水儲量年內變化相對于疏勒河流域及黑河流域呈現一定的滯后效應，晚2個月達到全年最高值。

2.2 水儲量變化與降水的關系

通過區(qū)域統(tǒng)計得到2003—2015年河西走廊及3個流域分區(qū)的歷年年降水量，結果顯示研究區(qū)及3個流域分區(qū)的年降水總體趨勢平穩(wěn)，線性趨勢斜率接近于0，黑河流域年降水年際變化波動范圍較大。利用2003—2015年河西走廊整體及其3大流域月尺度降水數據，分別計算各月累年均值，結果如圖4所示。研究區(qū)及其3大流域在冬季降水量最少，春季降水開始增多，夏季降水量最大，秋季降水量開始減少。

圖3 研究區(qū)各月等效水高累積多年平均值

圖4 研究區(qū)年降水變化趨勢和各月降水累積多年平均值

通過基于像元通過對多年GRACE等效水高與降水進行相關性分析(圖5)，河西走廊南部的祁連山地年水儲量與年降水為正相關，研究區(qū)祁連山地以北年水儲量與年降水為負相關，是由于河西走廊3大流域水源補給主要來源為祁連山冰雪融水，研究區(qū)流域中下游干旱少雨，潛在蒸散發(fā)量大于降水量；另一方面，由甘肅省水資源公報可知2003—2015年研究區(qū)中游及下游的農田有效灌溉面積呈增加趨勢，水資源的補給和消耗除了受降水量影響外，還深受地表徑流和地下水的補給、徑流和排泄以及人類生產、生活和生態(tài)用水等因素影響。因此，研究區(qū)除祁連山地區(qū)以外，水儲量的變化受降水影響較小。

圖5 河西走廊年水儲量變化與年降水相關系數分布

利用區(qū)域統(tǒng)計得到的研究區(qū)2003—2015年水儲量變化值與降水量，進行月尺度與年尺度相關性分析(表1)。月尺度下，研究區(qū)整體的水儲量變化與降水正相關性最好，相關系數為0.62，且置信水平為0.01，其次為疏勒河流域、黑河流域，石羊河流域的水儲量變化與降水在月尺度下相關系數最低。年尺度下，研究區(qū)整體及3大流域分區(qū)的水儲量變化與降水均不存在相關性。

2.3 水儲量變化與生態(tài)環(huán)境時空耦合

河西走廊地區(qū)在“移民政策”實施以后，農業(yè)生產大大增加了研究區(qū)內水資源的消耗，進一步加劇了研究區(qū)內荒漠化的狀況[14]。由中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)提供2000，2005，2010和2015年的土地利用/覆蓋類型柵格數據，通過區(qū)域統(tǒng)計得到河西走廊三大流域2000，2005，2010以及2015年土地利用/覆蓋類型面積比重(表2)。疏勒河流域土地利用/覆蓋類型主要為未利用地(約79%)和草地(約18%)，林地和草地無明顯變化，耕地和建筑用地增加明顯，冰川與未利用地面積比重下降，水域面積比重輕微上升。黑河流域土地利用/覆蓋類型主要為未利用地(約57%)、草地(約24%)與耕地(約10%)，耕地與建筑用地面積比重明顯上升，水域面積比重先下降后上升，冰川面積比重在2015年出現上升。石羊河流域土地利用/覆蓋類型主要為未利用地(約44%)、草地(約29%)與耕地(約18%)，耕地與建筑用地面積比重明顯上升，水域面積比重輕微上升，草地面積比重出現下降。疏勒河流域冰川呈負增長趨勢，但結合前文可知疏勒河流域南部的祁連山地水儲量呈正增長趨勢，原因可能為凍土退化，隨著凍土層的隔水作用減小，活動層加大和加厚，使地下水庫庫容增大，更多的地表水入滲變成地下水，造成地下水水庫的儲水量增加[15]。

表1 水儲量變化與降水的年度和月度相關性

注：**表示顯著性水平為0.01； *表示顯著性水平為0.05。下同。

植被是干旱區(qū)衡量生態(tài)環(huán)境質量高低及演變規(guī)律最有效的指示器[16]。通過區(qū)域統(tǒng)計得到2003—2015年河西走廊及三個流域分區(qū)的歷年年均NDVI，2009年前NDVI年均值趨勢較平穩(wěn)，增長速度較慢，2009年以后增長速度較快(圖6)。通過NDVI各月累年均值可知，石羊河變化幅度最高，其次為黑河流域，疏勒河流域NDVI波動變化較小，年內一直保持在一個比較低的水平，3個流域分區(qū)NDVI最大值出現在7月份，11月份回落到較低水平。研究區(qū)整體及3個流域分區(qū)植被生長的物候特征比較相似，植被在春季(3月至5月)進入生長期，夏季(6月至8月)達到旺盛期，秋季(9月至11月)開始衰退，冬季(12月至次年2月)進入休眠期。

表2 河西走廊各流域2000-2015年土地利用/覆蓋類型面積比重

注：標“↑”符號表示面積比重增加明顯。

圖6 研究區(qū)年均NDVI變化趨勢和各月NDVI累積多年平均值

統(tǒng)計得到的研究區(qū)2003—2015年水儲量變化值與NDVI，進行月尺度與年尺度相關性分析(表3)。月尺度下，研究區(qū)整體的水儲量變化與降水相關性較好，相關系數為0.49，置信水平為0.01，其次為黑河流域，疏勒河流域與石羊河流域的水儲量變化與NDVI在月尺度下相關系數最低。年尺度下，研究區(qū)整體及石羊河流域與黑河流域的水儲量變化與NDVI均存在顯著的高度負相關，置信水平為0.01，疏勒河流域水儲量變化與NDVI存在較顯著的低度負相關。

表3 水儲量變化與NDVI的年度和月度相關性

通過對空間尺度進一步細化，深入研究水儲量與植被之間的耦合關系。對研究區(qū)像元尺度的水儲量年際變化量與NDVI年均值做相關分析(圖7)，發(fā)現主要灌區(qū)水儲量年際變化量與植被指數年均值呈現高度負相關，主要原因為研究時間段內研究區(qū)耕地面積的持續(xù)增加，大量地消耗了該區(qū)域的地下水資源的同時增加了地面水分蒸發(fā)量，導致水資源流失，最終表現為水儲量年際變化量與植被指數呈明顯負相關的特征。疏勒河流域南部山區(qū)呈正相關，原因為該區(qū)高寒草甸生長的主要限制因素為溫度[17]，全球氣候變暖有利于高寒草甸植被增長[18]，進而蓄水功能得到增加。

圖7 水儲量年際變化與NDVI相關性空間分布

3 討論與結論

河西走廊及3個流域分區(qū)的水儲量變化周期為12個月，年尺度上水儲量均呈現下降趨勢，其中石羊河流域與黑河流域水儲量下降較快，疏勒河流域下降較慢。由于生態(tài)建設工程的實施[19]，研究區(qū)水儲量下降速度趨于放緩。從多年月平均尺度看，夏季水儲量為積累期，冬季為虧損期，由于河西走廊3個流域分區(qū)的自然條件與社會經濟發(fā)展狀況等方面有所差異[20]，水儲量年內變化規(guī)律存在差異。

河西走廊及3個流域分區(qū)2003—2015年歷年降水量趨勢平穩(wěn)，疏勒河流域與黑河流域的降水與水儲量變化的月度累年均值趨勢一致，由于灌溉用水需求量大，石羊河流域水儲量變化月度累年均值最大值出現的月份比降水月度累年均值的最大值晚一個月。月尺度上降水量與水儲量變化呈現較好的正相關性，年尺度上降水量與水儲量變化不存在相關性。河川徑流是干旱區(qū)內陸河流域的主要水資源[21]，由于研究區(qū)3個流域分區(qū)的中下游水資源的補給與消耗過程比較復雜，例如上游來水對中下游水儲量的影響，因此基于像元的水儲量變化與降水量的相關性不顯著。

2003—2015年在流域降水量保持相對穩(wěn)定的背景下，研究區(qū)及流域分區(qū)的水儲量均不斷下降，而植被指數則在持續(xù)上升，在流域尺度和整體上均呈現高度負相關。河西走廊3個流域分區(qū)中石羊河流域NDVI累年均值最大，并且水儲量月度累年均值出現的最大值的月份比NDVI月度累年均值最大值出現的月份滯后2個月，說明植被影響了水儲量的累積。自然條件與人類活動共同作用于水循環(huán)系統(tǒng)，使水資源在人工綠洲和天然綠洲、流域上中下游之間重新進行分配。河西走廊人工綠洲規(guī)模的擴大主要是人類改造自然綠洲或未利用土地獲得的[21]，并且人工綠洲的演變主要跟人類的經濟活動有關。從像元尺度上看，灌區(qū)內水儲量年際變化量與植被指數年均值呈高度負相關，南部祁連山地區(qū)水儲量年際變化量與植被指數呈正相關。隨著研究區(qū)耕地面積的不斷擴大，農業(yè)生產對水資源的消耗量也大幅增加，導致該區(qū)水儲量逐年減少，因此研究區(qū)主要灌區(qū)水儲量年際變化與植被指數年均值表現為顯著的負相關關系。

綜上，2003—2015年研究區(qū)水儲量變化歷年呈下降趨勢，并在流域尺度及像元尺度表現出明顯的空間異質性和尺度效應。研究時間段內研究區(qū)降水保持相對穩(wěn)定，沒有明顯的變化趨勢，證明降水不是水儲量發(fā)生下降的主要原因。從土地利用/覆被類型變化和2003—2015年歷年NDVI均值變化來看，河西走廊人工植被呈增加趨勢。研究區(qū)水儲量的下降受人類活動影響較大，主要表現在耕地面積和建筑面積比率的增長，從而增加了農業(yè)生產及人類生活耗水量，并直觀地表現為水儲量年際變化與植被指數年均值顯著負相關，石羊河流域表現最為明顯。由于GRACE數據空間分辨率較低，文章僅從宏觀角度對研究區(qū)水儲量變化進行了分析，后期可結合徑流、土壤含水率與地下水實測數據開展進一步研究。