额济纳绿洲冬春月入境水量配置

2019-07-18王维邦范正军周润田董国涛

人民黄河 2019年7期

王维邦，高喆，范正军，周润田，董国涛

（黑河水资源与生态保护研究中心，甘肃兰州730030）

水是干旱区最关键的生态环境因子，在干旱区“有水则绿洲、无水则荒漠”，水是制约干旱区环境与经济发展的主要因素［1］。绿洲是干旱地区人类赖以生存的基础，也是干旱区经济发展的载体［2］，黑河下游有著名的额济纳天然绿洲，历史上额济纳绿洲水草丰美，林草茂盛，牛羊成群［3］。20世纪八九十年代，黑河中上游地区用水量迅速增加［4］，进入下游地区的水量逐年减少，额济纳绿洲出现一系列生态环境问题。从2000年开始，国家决策实施黑河流域水量统一调度。2008年起，黑河流域管理局开展了生态水量调度的探索与实践，生态水量调度针对的是全年关键调度期的水量，而未充分考虑冬春月（11月至翌年3月）水量。黑河额济纳绿洲以胡杨以及灌木、草本为主。乔木、灌木一般3月下旬至4月初芽开始萌动，植物种子萌发期和幼苗期对水分条件十分敏感，因此4月是额济纳绿洲需水的关键期［5］。冬春月来水量相对大而集中，目前对冬春月进入额济纳绿洲的水量尚未进行充分研究和分区配置，为了增强冬春月水量配置效果，开展冬春月额济纳入境水量研究和水量配置具有重要意义。

生态水量调度是一个多角度、全方位、一体化的系统工作，应掌握植物需水情况、需水规律、适宜水量等。国内学者近期对黑河生态调度和生态需水进行了实践和探索，姜珊等［6］开展了额济纳绿洲主要植被胡杨林和红柳林及东居延海生态需水量计算；李强坤等［2］提出了计算干旱区天然植被生态需水量的方法，通过6种方案的对比分析，给出了2010年额济纳绿洲恢复方案；郭巧玲等［7］将额济纳绿洲划分为不同区域，计算了额济纳绿洲植被生态需水量，研究了在现状流域水量分配方案下，绿洲生态缺水量；司建华等［5］通过对额济纳绿洲地下水位时空动态变化过程、天然植被耗水过程及水文过程的研究，确定了绿洲生态需水关键期；王道席等［8］研究了黑河中下游地区生态需水规律，阐述了生态水量调度模式和调度措施，总结了生态水量调度的效果；孙雅琦［9］将黑河下游绿洲核心区划分为4个生态片区，分析计算了各生态片区适宜的分配水量，提出了丰、平、枯水年东河、西河分水比例。以上研究主要集中在额济纳绿洲生态需水量计算方面，很少有额济纳绿洲生态水量配置方面的研究，几乎没有涉及冬春月额济纳入境水量和水量配置方面的研究。据计算，实施黑河水量统一调度以来，冬春月额济纳入境水量可达2.21亿m3，这部分水量很可观。因此，基于额济纳绿洲生态需水量，提出了冬春月额济纳绿洲水量配置方案，以期为黑河下游冬春月水量配置提供技术支撑和参考。

1 研究区概况

黑河是我国西北地区第二大内陆河，有东、中、西3个独立的子水系。东部子水系即黑河干流水系，全长928 km，出山口莺落峡以上为上游，莺落峡至正义峡为中游，正义峡以下为下游。额济纳三角洲地处黑河下游地区，位于我国西北干旱区腹地，属典型的大陆性气候区。该区多年平均降水量34.5 mm，多年平均水面蒸发量为1 444 mm［10］，属于极端干旱区，生态环境极其脆弱。黑河是进入该区唯一的河流，从正义峡流经鼎新、东风场区到达狼心山，经过狼心山后分为东河、西河并进一步分叉形成多条支流。三角洲南北跨度170 km，南抵鼎新绿洲，北到西居延海和东居延海，东西宽约80 km，面积约1.1万 km2，其中绿洲面积2016年约2 150 km2。绿洲植被主要分布在额济纳旗三角洲中心的东河、西河及19条支流的河漫滩上，特别是东河下游大量分叉形成了河岸绿洲的核心区域（见图 1）。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究采用的莺落峡水文数据系列为1948—2017年实测流量，狼心山水文数据系列为黑河水量统一调度以来（2000—2017年）实测日流量。在进行计算时，根据日流量换算出月径流量和年径流量。黑河下游额济纳绿洲生态需水量从以往研究成果及相关文献资料获得（见表1）。

表1 额济纳绿洲生态需水量

图1 额济纳三角洲河网分布及生态分区

2.2 研究方法

2.2.1 狼心山入境水量

选取莺落峡1948—2017年径流资料，分析该系列径流特征可以发现，该水文系列包括典型枯水年（1959—1979年）、平水年（1980—2002年）和丰水年（2003—2016年），且有周期性变化规律，整个系列为一完整周期，具有一定代表性。计算莺落峡1948—2016年平均径流量及变差系数，采用P-Ⅲ型频率分布曲线进行配线，利用同频法计算不同保证率莺落峡来水量。利用数理统计方法，统计黑河水量常规调度以来（2004—2017年）莺落峡和狼心山年径流量及狼心山冬春月径流量；采用相关分析法建立莺落峡与莺落峡至狼心山区间耗水之间的关系，从而计算不同保证率下狼心山年入境水量；通过统计分析狼心山年入境水量与冬春月入境水量，求得冬春月入境水量占年入境水量的比例，从而计算不同保证率狼心山冬春月入境水量。

2.2.2 额济纳绿洲冬春月水量配置

（1）水量配置原则。额济纳绿洲水量配置重点考虑以下原则：生态优先原则，在生态环境脆弱区优先满足生态需水；可持续性原则，遵循可持续发展原则，实现生态效益、经济效益和社会效益的最优化；整体性原则，东河和西河是相互依存、此消彼长的关系，将生态水量分配在全局进行平衡，以期达到效益最优；可恢复性原则，对于不可恢复的生态系统，要在遵循生态演化规律的基础上，采用替代生态系统以弥补其生态功能的丧失；生态服务功能最优原则，不仅要确立合理的生态恢复规模，而且要提高生态服务能力。

（2）不同来水条件下水量配置。为满足额济纳绿洲继续健康发展的需求，在满足以上原则的基础上，在统筹考虑额济纳绿洲各个区域的生态服务功能、保护功能、资源功能等基础上，以不同保证率年入境水量和不同规模绿洲需水量为配置依据，将额济纳绿洲水量分为25%、50%、75%来水情景进行配置。

3 结果与分析

3.1 黑河水量统一调度以来狼心山入境水量分析

黑河干流水量统一调度自2000年开始，2000—2003年为应急调度，2004年开始转为常规调度，从这一时期开始形成了较为固定的调度模式。根据黑河水量调度实际，统计分析2004—2017年狼心山历年径流量和冬春月径流量变化情况，见图2。由图2可以看出，狼心山2004—2017年入境水量年际变化较大，最大为2017年的10.71亿m3，最小为2004年的3.55亿m3，2004—2017年平均径流量为6.49亿m3；由于前期灌溉的渠系、田间渗漏及河床渗漏补给，因此狼心山冬春月入境水量较年来水量稳定，没有特别明显的丰、平、枯水期，入境水量变异系数小，基本保持在2.21亿m3左右，这部分水量占全年入境水量的34%。冬春月相对稳定的来水量对于额济纳绿洲的健康发展有着至关重要的作用，特别是春季入境水量有助于绿洲区地下水恢复和植被萌芽。

图2 狼心山2004—2017年径流量变化

统计2004—2017年狼心山冬春月逐日径流过程，计算冬春月逐日平均流量，见图3。从图3可以发现，狼心山从11月开始流量缓慢增大，主要原因是进入冬季后中游地区停止农业灌溉；2月初至3月中旬，由于天气逐渐回暖，河道内储存的冰开始融化，狼心山出现一次明显的洪水过程，流量峰值达到50 m3/s；3月底河冰基本消失，流量又迅速减小。从以上分析可知，春季进入额济纳绿洲的水量大而集中，在进行水量配置时，可以充分利用这一特点，尽量往前期未灌溉区域或缺水区域补水。

图3 狼心山2004—2017年冬春月平均流量

综合上述对狼心山冬春月径流量及来水过程的分析，狼心山冬春月入境水量不随莺落峡年来水量的变化而发生较大变化，在春季能形成一次明显的春汛过程。在进行额济纳水资源配置时可充分利用该时段的稳定来水量和径流特征，根据绿洲分布和植被覆盖情况，分层次、分区域灌溉绿洲，从而增强冬春月水资源配置的合理性，提高用水效率。

3.2 不同保证率狼心山冬春月入境水量分析

1948—2017年莺落峡径流量有周期性变化规律，整个系列为一完整的水文过程，具有一定代表性。根据莺落峡多年径流量资料，计算出多年平均径流量为16.32亿m3，变差系数CV＝0.19，偏差系数CS的经验取值为3.5CV。采用P-Ⅲ型频率分布曲线进行配线，计算莺落峡不同保证率来水量，见表2。莺落峡丰水年（频率为25%）、平水年（频率为50%）和枯水年（频率为75%）来水量分别为 18.18亿、15.98亿、14.09亿m3。

表2 不同保证率莺落峡来水量

统计常规调度以来莺落峡、狼心山径流数据。计算莺落峡年径流量与莺落峡至狼心山段区间耗水量之间的相关关系（确定系数为0.823 4），见图4。由图4可知，莺落峡年径流量与莺落峡至狼心山段区间耗水量之间有良好的相关关系，可以通过莺落峡年来水量间接计算狼心山年来水量及冬春月入境水量，即：

式中：Wl为狼心山年入境水量；Wy为莺落峡年来水量。

狼心山冬春月入境水量占全年水量的34%，狼心山冬春月入境水量可以根据下式计算：

式中：Wlws为狼心山冬春月入境水量；K为冬春月入境水量占全年比例，即34%。

根据式（1）和式（2）及不同保证率莺落峡来水量，计算得到狼心山不同保证率年径流量及冬春月入境水量，见表3。在丰水年、平水年和枯水年狼心山水文断面年径流量分别为5.68亿、4.25亿、2.53亿m3，冬春月丰水年入境水量为1.93亿m3，平水年为1.45亿m3、枯水年为0.86亿m3。

图4 莺落峡径流量与莺落峡至狼心山段区间耗水量的关系

表3 不同保证率狼心山断面入境水量

3.3 额济纳绿洲冬春月水资源配置

3.3.1 分区及生态需水量

额济纳地区东河、西河沿线及其下游河网地区（包括东、西居延海）绿洲面积大、集中连片，植被品种多样，是额济纳地区的绿洲核心区域，同时也是植被退化严重、亟待进行恢复和整治的重点区域［7］。基于此，将额济纳绿洲划分为东河上游区、东河中游区、东河下游区、西河上游区、西河中游区、西河下游区和其他区域，分别获取1987年、1999年、2010年和现状年（2017年）各区域生态需水量，见表4。

从额济纳绿洲总生态需水量看，1987年额济纳绿洲总生态需水量最大，1999年生态需水量最小，随后又逐年增加。主要原因是，20世纪八九十年代，黑河下游入境水量减少，生态环境遭到破坏，而从2000年黑河水量统一调度开始，下游水量明显增加，生态环境逐渐好转，绿洲生态需水量逐渐增加。从额济纳绿洲不同分区生态需水量看，1987年东河、西河需水比例约为55∶45，现状年约为60∶40。对比1987年和现状年绿洲核心区各区域生态需水量可以看出，现状年东河上游区、中游区生态需水量较1987年有所增加，而下游区有所减少，但3个地区需水比例皆比1987年的大；现状年西河上游区和下游区生态需水量较1987年有所减少，特别是西河下游区减少明显，而中游区有所增加。

3.3.2 冬春月水量配置

黑河流域水资源短缺，为了使有限的水资源发挥最大的生态效益，根据额济纳绿洲1987年、1999年、2010年和现状年生态需水量，提出不同保证率下东河、西河水量配置建议。由绿洲分区及相应生态需水量计算结果可知，以1987年绿洲生态需水结构为基准，东河、西河绿洲区生态需水量的比例约为55∶45；以1999年需水结构为基准，东河、西河绿洲区生态需水量的比例约为61∶39；以2010年需水结构为基准，东河、西河绿洲区生态需水量的比例约为57∶43；以2017年需水结构为基准，东河、西河绿洲区生态需水量的比例约为60∶40。

表4 额济纳绿洲不同年份各区域生态需水量万m3

（1）25%保证率来水条件下水量配置。根据狼心山不同保证率年入境水量和冬春月入境水量计算结果，在25%保证率条件下莺落峡来水量为18.18亿m3，对应的狼心山年入境水量为5.68亿m3，冬春月入境水量为1.93亿m3；25%保证率下狼心山年入境水量能够满足2010年额济纳绿洲生态需水量，东河、西河绿洲区生态需水量的比例约为57∶43，冬春月东河、西河水量配置可按照57∶43进行下泄，其东河、西河下泄水量分别为1.10亿、0.83亿m3；来水偏丰时，在满足绿洲核心区需水的条件下，可尽量调水至绿洲边缘区。

（2）50%保证率来水条件下水量配置。50%保证率来水条件下，狼心山年来水量可达4.25亿m3，冬春月狼心山断面基本过水1.45亿m3，在此来水条件下，狼心山年来水量与1999年绿洲生态需水量相当，冬春月来水较为稳定，东河、西河基本按照61∶39的比例分流，东河过水0.88亿m3，西河过水0.57亿m3。

（3）75%保证率来水条件下水量配置。75%保证率来水条件下，狼心山年来水量仅为2.53亿m3，冬春月狼心山基本过水0.86亿m3，狼心山年来水量明显不能满足绿洲生态需水，各区域均不同程度缺水。在此情况下，冬春月水量调度时应首先保证绿洲核心区，特别是东河下游区和西河上游区用水需求，东河、西河水量可按照70∶30的比例分配，则冬春月东河可下泄0.60亿m3水量，西河可下泄0.26亿m3水量。