人类活动影响的演变特征与量化评价

在黑河流域，大规模地拦蓄引用地表水、开采地下水、土地利用和农业生产等活动对水循环产生了重要影响，这些都与人口、耕地、水库、引水渠和开采井等因子密切关联，因此本章将它们作为反映黑河流域人类活动强度的主要指标，通过对其动态特征及变化规律的分析，揭示黑河流域人类活动对水循环演化的影响过程和强度，进而阐明人类活动对黑河流域水循环演化的影响机制。

一、人类活动影响演变过程分析

（一）人口数量变化特征

人口数量决定着水、土资源的压力，它是衡量人类活动强度的最基本参数。

黑河流域现有人口18405×104人，分布在11个县（市、旗）内（表7-1）。其中上游区的祁连县和肃南县人口占36%，中游区的山丹、民乐、张掖、临泽、高台、嘉峪关、酒泉人口占882%，下游区的金塔、额济纳旗占82%。

表7-1 黑河流域人口状况统计

近50年以来，黑河流域人口数量不断增长，从中游张掖地区（包括山丹、民乐、张掖、临泽、高台、肃南6个市县）和下游额济纳旗的人口变化，可见其发展过程和阶段特征（图7-1和图7-2）。

从图7-1可见，张掖地区总人口变化呈现不断增长的过程，年均增长率为14×104人/a。其中1949～1958年新中国成立初期的10年间，是人口增加较快的时期，共增加了2096×104人，平均增长率为21×104人/a。政局稳定，经济发展，人民生活和健康水平不断提高，以及大批内地支援边疆建设的知识青年，是驱动人口增加的主要因素。1959～1973年期间的前5年（1959～1963年），受自然灾害和经济暂时困难影响，人口总数下降到6623×104人；后10年（1964～1973年），增加了2608×104人，是人口增长最快时期，年增长率达26×104人/a，存在人口发展失控现象。1974年至今，由于70年代初大力提倡和开展计划生育，人口增长得到控制，年增长率最低，为11×104人/a。至2000年，张掖地区人口达到12628×104人，是1949年的23倍。

图7-1 黑河流域张掖地区人口动态变化

额济纳旗的人口呈现与张掖地区相似的变化特征（图7-2），1949年为2255人，1990年增加到15102人，是1949年的68倍。

图7-2 黑河流域额济纳旗人口动态变化

（二）耕地变化特征

人口的增加，必然引起水、土资源的压力增大，导致土地利用强度增加。土地利用变化是水循环下垫面条件变化的重要方面。

近50年来，黑河流域耕地面积变化规律如同张掖地区耕地的变化（图7-3）。

图7-3 黑河流域张掖地区耕地面积动态变化

1949～2000年，张掖地区耕地面积的年增长率为2867 hm2/a，与人口变化具有相似特征。1949～1958年期间是增加较快时期，年增长速率是4933 hm2/a。1959～1978年期间，前期几年（1959～1962年）耕地面积下降，后期（1962～1978年）耕地面积增加，年增长速率约为2000 hm2/a。从20世纪80年代初至今，年增长速率为3534 hm2/a，是快速发展时期。其中80年代年增长速率达到5800 hm2/a，10年间增长近667×104 hm2，是建国以来增长最快时期。原因是80年代初张掖地区被定为甘肃省乃至全国的商品粮基地和蔬菜基地，耕地面积因此大幅度上升。90年代以来呈缓慢增长趋势，年增长速率只有935 hm2/a。现有耕地面积216×104 hm2，为1949年的3倍多。

（三）水利工程变化特征

兴建水库和挖沟修渠是直接改变水循环条件的人类活动。水库建成后，使坝下河流径流完全在人为的控制之中。由于库区水面蒸发量的增加，改变了附近大气的水汽含量，从而影响到降水分布。此外，水库水位的抬高，增大了库区附近地下水的补给，从而改变地下径流。水被引到渠道，增加了循环途径，扩大了蒸发面，增加了蒸发量，影响到降水的分布。渠道的渗漏也增加了地下水的补给，影响地下径流。因此，水库和渠道是人类对水循环影响最重要的两个指标。总体上，修水渠、建水库，减少了直接补给平原区地下水的水量。

在黑河流域，1949年只有一座水库，而到2000年则增加到102座。目前在所有支流的出山口基本都修建了水库，断绝了支流与干流的联系，而且在中游黑河干流两岸也建有18座水库。此外，在黑河进入下游的途中，还有4座水库。

以近50年来张掖地区水库建设发展过程为例，基本反映了黑河流域水利工程建设的阶段特征（图7-4）。1958年以前，平均每年修建不到3座水库。1958年一年张掖地区就开工30座水库。1959～1979年期间，前期平均约1座/a，后期（70年代）平均4座/a。在60年代，由于受经济和社会条件的影响，水利工程建设处于停顿状态，而在70年代，全区又大兴水利工程。80年代以来，水库建设进入稳步发展阶段，年增加约1座。

图7-4 黑河流域张掖地区水库建设动态变化

黑河流域人工绿洲的引水渠网密布，现有干、支渠道910条，总长4500 km。现代的渠道布局主要沿袭清代的格局。近50年来渠道长度变化较平稳（图7-5），主要是合渠并坝、疏浚旧渠、改建土渠等。

图7-5 黑河流域张掖地区引水渠历年动态变化

（四）开采井数量变化

在黑河流域，现有开采井8000余眼，主要分布在高台县、酒泉市、金塔县和张掖市，其中张掖地区占总开采井数的58%。黑河流域开采井数量变化基本反映了黑河流域地下水开发利用的发展过程。

张掖地区以饮用为主开采地下水已有悠久历史。用于农业灌溉开采地下水始于20世纪50年代。1957～1958年间曾出现“向地下水进军”的第一次打井高潮，但是开采井多为人工土井，井深4～8 m。至1960年，全区有各种水井47226眼。1961～1969年期间开采井数量出现减少情况，至1969年只有13眼为有效井。1970年以后，为了贯彻国务院关于北方地区打井抗旱的指示精神，再次掀起打井开采地下水高潮。1970～1980年期间是张掖地区开采井数量增加最快时期（图7-6）。20世纪80年代以后，进入理性开发利用地下水阶段，机井开采数量明显减少。进入90年代，再度出现开采井增加状况。

图7-6 黑河流域张掖地区开采井历年动态变化

（五）近50年来人类活动变化阶段性特征

上述分析表明，近50年以来黑河流域水循环条件变化受多方面因素驱动。人口数量变化是主要因素之一，张掖地区1949～2000年，人口从5492×104人增加到1262×104人。人口的增加，在驱动社会经济发展的同时，也必然加大对水土资源的压力。另一个重要因素是政策驱动。例如1958年的大跃进、1964年农业学大寨、1966年开始的文化大革命、1974年以后的计划生育政策和1978年以后的改革开放等，都引起黑河流域水循环条件和开发利用地下水资源强度的变化。三是旱情驱动。每当遭遇严重旱情时期，伴随发生打井开采地下水的高潮，许多农田水利工程修建也是为抗旱作准备的。旱情过后，地下水补给和修复问题往往被忽略，结果超采消耗储量后果累计或叠加。在过去的50多年中，科技进步加速了地下水开采向纵深发展。20世纪50年代以浅土井为主，70年代以开采浅层地下水为主，80年代以后开采深层地下水的比重逐年增大，机井数量不断增加，开采深度不断增大。

综上所述，近50年来黑河流域人类活动变化过程可概括为3个阶段：①20世纪50年代是低基数高速发展阶段，年增速率较大；②60～70年代为滞变突变阶段，60年代受自然灾害和文化大革命的影响，人类活动较弱，70年代因干旱和受“北农”会议精神鼓舞，各种水利工程活动兴起，人类活动又一次出现高潮；③80年代以后，进入理性高基数稳定发展阶段。

二、人类活动强度量化评价

本文采用指数加权法（魏凤英，1999），量化表征人类活动强度的变化特征，作为分析人类活动对黑河流域水循环影响的重要指标。

具体分析方法的步骤如下。

（一）确定评价因子

1选择原则

既能反映对水循环影响的人类活动，又容易获得指标的观测值。

2影响因子

根据上述原则，确定人类活动影响的量化评价因子（或称指标），分别为人口总数、耕地面积、水库总数、引水渠总长度和开采井总数，记为Xij，i=1，…，k（k为指标个数）。

（二）进行无量纲化

由于各指标量纲不同，无法进行比较，因此需对各指标原始数据进行无量纲化。

常用的指标无量纲化处理方法，有规格化变换、标准化变换、对数变换和比重法（田瑾等，2001）。本文选用规格化变换，对每一指标按以下公式计算：

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

式中：fij——第i个指标第j个原始数据的规格化数据，又称单项指数；

xij——第i个指标第j个原始数据，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n；m为指

标个数，n为第i个指标的原始数据个数；

xmax和xmin——分别为第i个指标的最大值和最小值。

（三）确定权重（ωi）

由于各指标对水循环影响的程度不同，需要给各指标一个系数，即权重ωi，以表示它们的相对重要性。

确定权重（ωi）的方法很多，例如经验权数法、专家咨询法、相邻指标比较法、层次分析法、复相关系数法和变异系数法等（胡永宏等，2000）。本文先选择较简便的变异系数法计算，然后再根据实际情况对个别指标的权重进行专家经验调整。

一组数据的变异系数是它的标准差除以均值的绝对值，即

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

则变异系数（Vi）为

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

然后，根据变异系数确定各指标权重（ωi）：

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

利用变异系数法确定的各指标权重均为02，考虑到所选的指标中水库和引水渠比其他指标对水循环影响更大，因此它们的权重都增加01，而人口和耕地都是间接影响，相应地减少01，开采井的权重不变，各指标实际权重见表7-2和表7-3。

表7-2 黑河流域张掖地区近50年来不同时段人类活动强度及其有关数据

（四）计算人类活动强度

将上述各单项指数加权算术平均，得到人类活动强度（Fj），即

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

将Fj转换为相对强度（记作Nj，又称人类活动影响度）为

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

利用式（7-6）和式（7-7），计算中游平原张掖地区人类活动强度的动态变化结果如表7-2所示；黑河流域人类活动影响程度在空间上分布状况，如表7-3所示。

表7-3 黑河流域上、中、下游人类活动强度及其有关数据

从表7-2可以看出，从20世纪50年代起，黑河流域中游张掖地区人类活动的强度逐渐增强，到80～90年代达到最高程度，为070，影响度（占整个时段影响比重）为53%，是50年代的3倍、60～70年代的2倍。50年代末虽然开采井数最多，但是开采规模、数量和深度都有限，而且其他指标相对较弱，因此影响度较低，反映人类活动对黑河流域水循环影响的强度相对较弱。在60年代初，人口、耕地面积、开采井总数等指标下降，但是70年代是人口、建库和打井高峰期，使得60～70年代人类活动强度大于50年代。80～90年代，除耕地外，其他指标增长速率较慢，但是经过50年代和60～70年代两个时段的发展和积累，人类活动强度达到最大，说明这段时期人类活动对水循环影响程度最高。

在空间上，人类活动影响状况如表7-3所示，中游地区影响强度为086，影响度为87%，分别是上游区和下游区的86倍和7倍。换言之，中游地区人类活动对黑河流域水循环影响强度最大；上游地区较小，影响度仅为1%；下游地区影响度已达到12%。

人类社会的数据生产方式经历了以下几个阶段：

手工记录阶段：在这个阶段，人们通过手工记录，如写字、刻画、雕刻或绘画等方式，记录各种信息，如历地理、科学等知识。这阶段存在一些问题，如记录数据的容易被损坏和丢失，记录和传递速度较慢，同时手工记录受到人为因素的影响。

印刷阶段：印刷术的发明使得书籍的生产变得容易和快捷。人们可以籍印刷成大量的副本，从而拓宽了信息的传播方式。在这个阶段，人们创造了一般性的书籍，并传递了各个领域的知识，从而加速了人类的文明进程。

机器制造阶段：在工业革命以后，机的制造和运行的发展推动了信息的生产方式的变革。机器制造的方式使得生产效率增加，数据生产的速度大幅提高。这个阶段人们发明了计算机技术和数学原理，从而使得大容量数据的生产和存储变得容易。

信息技术阶段：在这个阶段，互联网和通信技术的发展使得数据生产和传递变得全球化时化。人们构建了一个巨大的数据网络，使得数据的处理和分析更加高效和迅速。同时人们也面临着数据隐私、数据泄露等安全问题。

总的来说每一个阶段都有自己的特点和难点，这些变革不断推动着人类文明的进步，是人类文明不断发展的重要动力。

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