巴音查汗

(博尔塔拉蒙古自治州水文勘测局，新疆 博乐 833400)

艾比湖流域位于新疆维吾尔自治区欧亚大陆腹地的中纬度地带，与海洋的距离比较远，且北、西和南三面被高山阻隔，该流域以干旱少雨、蒸发量大、日照充足以及气候变化剧烈为主要特征，水资源十分匮乏[1]。

由于各种环境因素的作用，致使艾比湖流域生态系统出现逆向演替现象，天然植遭到严重退化衰败[2]，其主要特征表现为：天然植被群落由湿生、中生向早生、超早生和盐生、耐沙生种类演替，超早生小乔木密度降低，植被盖度下降，建群种植株高度降低，耐盐碱的梭梭、碱蓬、猪毛菜等减少，根系发达的固沙植物白梭梭、沙拐枣、沙蓬、对节刺等种类减少，覆盖度降低，白梭梭年龄结构“老龄化”，幼龄植株稀少，更新缓慢。流域内博河下游因径流季节分布不均匀及两水转化影响夏季缺水，精河灌区春季缺水[3]。因流域调蓄工程数量少、规模小，水量调蓄能力仅3000万m3，占流域总需水量的存3%，流域仍然存在4000～6000万m3缺水量，从而形成大量的缺水型中低产田，严重制约着农牧业的发展[4]。另外，流域内无域外调水工程，难以从根本上解决艾比湖生态用水不足问题。

基于以上背景，借鉴前人提出的艾比湖最低生态水位确定方法，并结合艾比湖流域的现状计算艾比湖最低生态水位，分析艾比湖流域的生态缺水量，对保证艾比湖流域生态系统的可持续发展，具有重要的理论意义与现实意义[5]。

1 最低生态水位研究

最低生态水位是真个流域中生态水位的下限值，低于生态水位下限值时，该流域的生态系统就会受到极其严重的破坏。在研究艾比湖最低生态水位之前，需要确定最低生态水位的计算方法，根据艾比湖流域的现状及实际情况，本文选用天然水位资料法和湖泊形态分析法对新疆艾比湖流域的最低生态水位进行了研究。

1.1 天然水位资料法计算艾比湖最低水位

天然水位资料法是先假设艾比湖流域的生态系统已经适应了长期以来的水位年际和年内变化，分析多年以来的月平均水位值，取多个水位值中的最小值最为艾比湖流域的最低生态水位，具体表达式为：

Zemin=Min(Zmin1，Zmin1，L，Zmini，L，Zminn)

(1)

式中，Zemin—新疆艾比湖流域的最低生态水位；Min—取最小值函数；Zmini—第i年的最低生态水位；n—艾比湖流域的水位资料年限。

天然水位资料法的应用前提是艾比湖生态系统已经适应了长期以来的水位变化。最低生态水位是指流域的水资源在满足生态系统可持续发展的前提下，使新疆艾比湖水位始终保持最低值[6]。

艾比湖流域在1950年之前一直处于与天然接近的状况[7]。在20世纪中期流域水面比较大，流域内鸟类种类繁多、植被生长茂盛；20世纪中期以后流域水位开始快速下降，水面面积由1070km2急剧缩小到大约522 km2。湖面面积萎缩使得流域内沙漠化危害日益严重，流域内沙丘的频繁移动使得扬沙浮尘恶劣天气情况剧增。存在湖底的大量盐粒和尘埃，在阿拉山口的大风作用下，致使艾比湖流域内植被严重退化，导致流域整个生态系统的环境质量急剧降低[8]。21世纪初，艾比湖流域的湖面开始扩大，三年时间内增加到了900 km2左右，利用天然水位资料法通过卫星监测，得到了2014年到2018年新疆艾比湖流域湖面面积变化情况见表1。

表1 2014—2018年新疆艾比湖流域面积变化情况

21世纪以来，随着艾比湖流域湖面面积不断扩大，生态系统得到一定程度上恢复。因此，可以利用2014年到2018年艾比湖流域湖面面积资料来代替天然情况下的湖面面积情况，表1中虽然没有2017年的艾比湖流域面积变化情况，但是根据相关文献的参考，2017年湖面面积为835 km2，2017年流入的水量没有2016年多，但是流域内的降水量和经流量比2018年还要多，这些数据都能表明2017年的数据缺失对艾比湖流域最低生态水位的计算不会产生影响。

经过计算统计2014—2018年艾比湖流域的湖面面积为613km2对应的最低生态水位为192m，统计的四年湖面面积资料与1950年以前的比较接近，具有一定的代表性，从保护流域生态系统的角度出发，统计出来的最低生态水位值是比较合理的，但是历史最低水位值相比却有较大偏差。

1.2 湖泊形态分析法计算艾比湖最低水位

水是湖泊生态系统中最重要的组成部分，流入的水量和湖面面积都时刻影响着艾比湖的功能[9]，采用水位来反映艾比湖的水文和地形状况，湖面面积来表征艾比湖的生态功能[10]。艾比湖的水位与湖面面积变化之间的关系与抛物线的线性比较相近，在艾比湖的某一个水位处，湖面面积会随着水位的增加产生一个突变，如果艾比湖水位与平均水位相近，就可以认为此时水位就是最低生态水位[11]。艾比湖最低生态水位的计算步骤为：

(1)根据艾比湖水位、湖面面积和艾比湖容积的关系，采用内插的方法来计算艾比湖水位每上涨一个单位湖面面积的增加量[12]。

(2)根据艾比湖水位与湖面面积的增加量数据，绘制艾比湖水位-湖面面积增加率关系图，查找关系图中拐点处对应的水位。

(3)比较计算出的水位与平均水位，确定艾比湖最低生态水位[13]。

根据艾比湖的生态功能，利用形态分析法计算最低水位是最合适的，水位与湖面面积变化关系如图1所示。

图1 艾比湖水位与湖面面积变化关系图

从图1中可以看出，艾比湖水面面积增加率的最大值对应的水位是191m，对应的湖面面积为568.2km2，统计出2014—2018年的最低水位值为192.2m。采用湖泊形态分析法得到的艾比湖最低生态水位与天然最低水位相差只有1.2m，但是由于艾比湖流域属于浅水湖，当湖泊水位上升1m时，艾比湖的湖面变化只有25km2，与天然水位资料法计算出来的结果相比，最低水位相差达到了1.2m，但是湖面面积却相差45.3km2。从保护艾比湖生态系统的角度出发，湖泊形态分析法计算得到的水位值偏低，严重威胁到艾比湖生态系统。

2 生态缺水量研究

通过计算艾比湖生态缺水量来研究流域的生态缺水量，将流域水分湿度条件的下限、上下限的平均值和上限设置为计算生态缺水量的最小、最适宜、最大需水量等级，作为计算生态缺水量的目标[14]。生态缺水量可以被定义为艾比湖生态需水量的特征值与实际需水量的差值，在艾比湖生态系统中属于管理上的问题[15]，缺水量的计算公式为：

EFSij=EFi-θj×S×L

(2)

式中，EFSij—需水量目标等级为i且埋深条件为j时的缺水量，m3;EFi—目标等级为i时的需水量，m3;EF1、EF2、EF3—最小、最适宜及最大需水量；θj—初始艾比湖的含水率，%，j的取值为1、2；θ1、θ2—敏感水位和警戒水位的含水率。

EFi可以由下式计算：

EFi=qoi×S×L

(3)

式中，qoi—含水率，%；S—湖面面积，m3；L—湖水埋深，m。

根据上述给出的需水量的计算方法，计算得到不同情境下艾比湖生态需水量，见表2。

表2 不同情境下艾比湖生态需水量

在模拟新疆艾比湖生态系统不同埋深下的含水率基础上，在艾比湖敏感水位为1.25m和警戒水位为3m的条件下，计算出艾比湖模拟3.5m深的平均含水率，见表3。

表3 艾比湖模拟3.5m深的平均含水率

结合艾比湖模拟3.5m深的平均含水率，通过计算得到艾比湖生态系统的缺水量，见表4。

表4 艾比湖生态系统的缺水量

表4中可以看出，艾比湖的夏季生态缺水量远远大于春季和秋季两个季节总和，主要原因是由于艾比湖在夏季的水分蒸发量是最大的，然而湖水的降水量远远小于湖水的蒸发量，使得艾比湖的水分流失量变大，因此，导致了需水量的需求也最大。在艾比湖埋深在1.25、3.00m的条件下，艾比湖生态缺水量分别为1.82×108、6.4×108m3。

表4的统计中，有一部分艾比湖生态缺水量为负值，明显出艾比湖生态系统的水分条件很充足，并不需要充分给予水分补充。由于艾比湖流域在冬季时没有任何植物生长，因此冬季的生态缺水量通常忽略不计。在缺水量研究中，分别将春、夏、秋三个季节的生态缺水量累计相加，就可以直接得到艾比湖全年的生态缺水量。

3 结语

从保护艾比湖生态系统的角度出发，研究艾比湖最低生态水位和生态缺水量是合理的。

(1)提出了艾比湖最低生态水位及生态缺水量研究。参考天然水位资料法和湖泊形态分析法，并结合艾比湖的实际情况，分析和计算了艾比湖最低生态水位，完成艾比湖最低生态水位的研究。结果表明，艾比湖最低生态水位为191.4m。

(2)采用情景模拟的方式，获得了艾比湖水位的敏感水位和警戒水位，分别计算出艾比湖的生态缺水量，完成了艾比湖生态缺水量的研究，结果表明，艾比湖生态缺水量主要是由湖水蒸发和流失导致的。