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玛纳斯河流域处于欧亚大陆中心区域，天山北坡中段，准噶尔盆地南缘，行政上主要包括新疆石河子市、玛纳斯县和沙湾县，地理位置为N43°27'~ N45°21'，E85°01'~ E86°32'，流域面积34050km 2 。玛纳斯河灌区下设石河子灌区、下野地灌区、莫索湾灌区三个子灌区。其中石河子灌区位于玛纳斯河中游西岸，包括143团、152团、石河子市、石总场、农科院试验农场和石河子大学试验场等单位。下野地灌区位于金沟河灌区以北，克拉玛依市以东，主要包括兵团第八师的121团、122团、132团、133团、134团、135团、136团和克拉玛依市的小拐乡。莫索湾灌区东连玛纳斯县灌区和新湖总场灌区，西面、北面均为古尔班通古特沙漠，包括兵团第八师的147团、148团、149团和150团。
玛纳斯河流域远离海洋，气候干燥，蒸发量大，属于温带大陆性干旱气候区 [154-155] 。总体特点是四季气温悬殊，干燥少雨。冬夏季长而春秋季短，降水量时空差异大，干旱指数为4.0~10.0，年均降水量为115~200mm，年均蒸发量为1500~2100mm，年均气温为4.7~5.7℃，积温为2400~3500℃，无霜期为160~180d，年均日照时间为2600~3000h，年总辐射量为126~135kcal/cm 2 。近50年来玛纳斯河流域最热月平均气温24.8℃，最冷月-16.1℃，年极端气温-42.8~43.1℃，相差近86℃，年均气温线性倾向率为0.41℃/（10a）。
受海拔、地形地貌等因素影响，玛纳斯河流域由南至北气象条件空间差异性显著，其气象因子统计见表2.1，流域大致可分为三个农业气候区 [4] ：
（1）天山北麓前山温润和半干旱区。包括143团紫泥泉镇农区及冬春牧场、142团的博尔通沟地区。地表高程为600~1400m，多年平均降水量为290mm左右，多年平均气温为4.9℃，极端最高气温接近37.2℃，极端最低气温为-35.3℃，不低于10℃的积温平均为2400~2700℃，无霜期约为150d。
（2）盆地边缘温暖干旱农业气候区。包括石河子市、143团、147团、142 团。地表高程为 400~600m，多年平均降水量约为150~200mm，多年平均气温约为6.6℃，极端最高气温为41.3℃，极端最低气温为-38.9℃，不低于 10℃的全年积温约为 3400~3550℃，无霜期约为175d。
（3）沙漠边缘干旱农业区。包括下野地和莫索湾灌区。地表高程为300~400m，多年平均降水量约为120~150mm，多年平均气温约为8.1℃，潜在蒸散发量约1700~2500mm，不低于10℃的全年积温约为3550~3600℃，无霜期约为160d [156] 。
近60年来，玛纳斯河流域经历了一个增温趋湿的过程。20世纪60年代年平均气温有明显下降趋势，70年代处于波动期，从80年代开始，流域增温趋势较为显著，说明玛纳斯河流域从20世纪80年代开始温度逐渐升高，有变暖趋势。在空间分布上，温度变化呈现由南向北随地势降低而升高的基本特征。玛纳斯河流域平均气温分布如图2.1所示。
表 2.1 玛纳斯河流域气象因子统计表
图 2.1 玛纳斯河流域平均气温分布
玛纳斯河流域地势由东南向西北倾斜，海拔最高为5442.5m，最低为 256m，由南向北依次流经山地、平原、沙漠三大地貌单元（比例约为2.08：1：1.07） [157] 。经过海陆变迁、造山运动和水系演化等过程形成了典型的山盆系统格局 [158-159] 。流域由南向北根据其地形地貌特点和自然景观依次有高中山区带、中低山丘陵带、低山丘陵带、山前倾斜平原带、冲洪积平原带及风积沙漠带等景观 [157] 。
（1）高中山区带。海拔在2500~4000m以上，以古生代的变质岩系为主，伴有火成岩侵入，山势陡峭，裂隙发育，现代冰川相当活跃，山溪性内陆河流均发源于此，区域性大断裂带横贯东西，与中低山带分界明显。
（2）中低山丘陵带。属于第二列构造带，呈东西走向，形态受构造控制，南缓北陡，海拔为1000~2500m。
（3）低山丘陵带。由于强烈的剥蚀作用，形成高数十米乃至百米的低山丘陵，海拔500~1000m，表层覆盖第四系黄土类及冰水砾石层，基层多为基岩。
（4）山前倾斜平原带。由冲洪积扇构成，自南向北地形坡降为11‰~33‰，地表主要覆盖沙土、壤土、黏土夹砾石，下部沉积卵砾石厚度为300~400m。
（5）冲洪积平原带。形成于早期的冲洪积作用，区内景观呈现平坦状，绿洲农业灌区主要分布于此。地势由东南向西北倾斜，地形坡降为5‰~11‰。区内中下游发育有良好的微地貌，古河道、洪水冲沟及先前河床形成了一系列的槽状洼地。平原堆积物部分为早期洪流搬运来的第三纪泥岩，含有较高盐分。
（6）风积沙漠带。区内沙漠分布在垦区北部，属于古尔班通古特沙漠。沙丘堆积系形成于自西北的阿拉山口风的搬运过程。风沙搬运过程到达盆地之后，在原始地形和荒漠植被的阻挡下，形成不同方向的风，因而形成不同形态的沙漠景观。
玛纳斯河流域不同地貌单元内土壤类型和植被分布差异明显。空间上由南至北，山区主要的土壤类型为亚高山草甸土、棕韩土、高山草甸土、灰褐土、栗土；平原区主要为草甸土、灰漠土、风沙土、新积土、潮土、沼泽土、盐土等。从东向西，各河冲积扇扇缘带状分布有草甸土和沼泽土。由南至北灰漠土生物累积逐渐减弱，盐化逐渐加强。冲积平原地势平坦，上部靠近冲洪积扇缘部分土质以黏壤土、黏土为主，中、下部土质偏沙性，表层保水性较差，水盐易向下层沉积。平原绿洲灌区土壤质地较为适中，其中中壤和轻壤土所占比例约为83%，适于农作物生长。土壤盐渍化发生的主要部位为冲积扇边缘，地下水埋深较浅，水分运移不畅。地带性植被主要是以柽柳、盐穗木、琵琶柴等为建群种的小灌木荒漠 [160-163] 。
玛纳斯河流域地貌主要分为Ⅰ~Ⅴ亚区，分别是高中山区、中低山丘陵区、山前冲洪积扇区、冲洪积平原区和沙漠区。各亚区地下水特性分别为基岩裂隙水分布的强富水区、山间洼地孔隙裂隙水分布的强富水深埋藏潜水亚区、低山丘陵裂隙水分布的贫水亚区、富水性极强的深埋藏潜水亚区、富水性强的浅埋藏潜水与承压（自流）水亚区、富水性弱的潜水与富水性中等的承压（自流）水亚区、富水性弱的潜水与承压（自流）水亚区和弱富水性潜水承压水亚区。玛纳斯河流域水文地质分区如图2.2所示。
图 2.2 玛纳斯河流域水文地质分区
玛纳斯河流域经过几十年的水土开发，随着水资源开发利用程度和灌溉水平的提高，流域农田灌溉方式从最初的大水漫灌、沟灌发展到膜下滴灌方式，灌溉水利用效率逐步提高。流域水土资源开发大致经历了如下四个阶段。
第一阶段：1949—1958年，引用河水灌溉阶段。以石河子为基地的玛纳斯河流域开始进行大规模的农垦，农田水利等基本设施开始兴起，修建了玛纳斯河东岸大渠、西岸大渠、新户总干渠和安集海大渠。流域内的主要灌溉方式为大水漫灌和沟灌，灌溉定额为800~1000m 3 /亩，渠系水利用系数仅为0.3，作物单产小于100kg/亩，流域工业化与城市化程度较低。
第二阶段：1959—1976年，水库渠系联合灌溉阶段。在此期间流域实施开荒扩大耕地面积，耕地面积增长迅速。由于灌溉面积的扩大，自然河道地表引水已经不能满足灌溉需要，发展为水库渠系联合灌溉阶段。水库主要以蘑菇湖、大泉沟、夹河子、大海子等大中小平原水库为主，玛纳斯河流域水系基本形成。玛纳斯河下游大片荒漠地区、沼泽和盐碱地被开发成新绿洲，集中开发形成莫索湾灌区和下野地灌区。
第三阶段：1977—1998年，渠、库、井联合灌溉阶段。因传统灌溉方式和灌排系统不完善，此阶段耕地面积增加缓慢。主要渠道进行了防渗处理，推行畦灌和细流沟灌，综合灌溉定额降到400~600m 3 /亩。河流两岸低洼地带的荒漠草原被开发成新绿洲，地下水开采范围从地下水溢出带扩大到整个绿洲，莫索湾绿洲、下野地绿洲、安集海绿洲、石河子绿洲逐渐开始相连，绿洲外围基本成型。
第四阶段：1999年至今，膜下滴灌阶段。膜下滴灌技术在下野地灌区试验成功后，流域内迅速开始推广此项高效节水灌溉技术，玉米、小麦、冬瓜和果树等农作物都开始实行膜下滴灌技术，综合灌溉定额降到350~400m 3 /亩。滴灌系统代替农渠，干、支、斗、农渠长度增加趋势逐渐变缓，耕地面积得到了大大的增加，流域水土资源利用效率明显提高。
玛纳斯河流域灌溉方式的演变是一个漫长的过程，通过不断的改良灌溉技术，加速了绿洲化进程，流域人口与经济承载力大大提高，节水技术的应用对新绿洲农垦产业形成起了巨大的推动作用，土地结构与功能的改变对流域的生态环境也产生了深远的影响。