梁丽霞，杨富元，张忠扬，马章怀，王一博

（1.甘肃省引洮工程水资源利用中心，兰州 730000；2.兰州大学资源环境学院，兰州 730000）

为改善水资源时空分布的差异性，实现水资源的科学高效利用，人工引水是解决水资源短缺和时空调控的主要措施之一［1］。我国水源的分布有明显的空间差异性和时间上的不平衡性［2］。干旱地区水资源短缺和时空差异给社会经济发展、生态环境保护和区域高质量发展带来了严重的挑战［3］。水利工程是水资源有效调控和管理措施之一，可提高水资源利用率，实现水资源科学均衡的有效分配，使有限的水资源得到合理化利用，促进社会经济和生态环境可持续发展［4］。

洮河是黄河上游的第一大一级支流，其干流河道长673 km，流域面积25 527 km2，自产水资源总量47.2 亿m3。引洮工程是解决甘肃省中部地区干旱缺水主要工程［5］，引洮一期工程自2015年建成通水，给受水区提供了一定的水资源，改善了受水区缺水状况，促进了受水区的发展和人民生活水平的提高［5］。引洮一期供水工程是大型跨流域调水工程，该工程对受水区的水资源时空变化和区域水文循环产生一定影响。在国际上，大型水利工程也是调配水资源的主要工程措施［6］。美国、前苏联、印度等国家都是采用人为修建引水工程的措施改善干旱地区缺水的问题［7］。但是，这种工程扰动自然状态的水资源时空分布，对取水水源及受水区的水资源水量、水质及生态环境产生影响，出现土地荒漠化和地表、地下水质恶化等水环境问题［8，9］。

本研究以引洮一期工程受水区及周边区域水资源的变化为研究对象，通过地统计学方法和相关模型对比分析，揭示引洮一期工程对受水区水资源的变化影响，为进一步深入研究引洮总体工程实施的影响提供科学依据和技术支撑。

1 研究资料和研究方法

1.1 区域概况和资料

本文以引洮一期工程受水区为研究区，西起临洮，东至会宁，南起陇西，北至榆中（34.84°N～36.45°N，103.47°E～105.52°E），受水区范围见图1。受水区地势整体由西北向东南呈递减态势，海拔最高处在兴隆山区域3 936 m，平均海拔2 088 m。年降水量300～450 mm，年蒸发量1 400～1 700 mm，干旱指数3.0～4.0，气温日变化和季节性变化较大，夏季日照时间长，太阳辐射充足，地面蒸发量要远大于降水量，导致地表极度缺水，水土流失严重［10］，水资源严重缺乏。受水区属于山丘、沟壑和盆地相互交错地区。植被类型和群落结构单一，主要是旱生灌木、草原及稀疏林地。人类活动主要以典型的传统旱作农业为主。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

1.2 数据与方法

1.2.1 WRF模拟潜在蒸散发和降水的方法介绍

选用WRF V4.0模式［11］在引洮一期工程受水区进行气象水文的模拟。模式采用双层嵌套，粗细网格水平方向格距分别为15 km 和5 km，格点数89×89、75×75，网格中心35.70°N，104.95°E。模式垂直方向设有27 层地形追随垂直坐标，积分步长为90 s。

根据WRF 模型输出结果对受水区潜在蒸散发和降水进行计算。受水区降水数据可由WRF 模式直接输出，并通过Arc-Map 10.2 进行裁剪绘制。潜在蒸散发ET0由模式输出的气温、风速、辐射等数据，进一步根据粮农组织（FAO）的指导方针［12］，使用Penman-Monteith 方程［公式（1）］进行计算，将计算结果通过ArcMap 10.2 进行裁剪绘制。该方法在全球范围内进行了测试，可以在任何气候和土地利用中使用，无需局部校正［13-15］。具体公式如下：

式中：ET0为潜在蒸散，mm/d；Rn为净辐射，MJ/（m2·d）；G 为土壤热通量，MJ/（m2·d）；T 为日平均气温，℃；u2为2 m 高度的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际的水蒸气压力，kPa；Δ 为水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。

1.2.2 模型输入数据

本文采用FNL 全球数据（https：//rda.ucar.edu/）作为WRF 模型的输入数据进行模拟。FNL 数据是美国国家环境预报中心（NCEP）发布的全球再分析数据，数据精度为1°×1°，间隔时间为6 h。该产品来自全球数据同化系统（GDAS），该系统持续从全球电信系统（GTS）和其他来源收集观测数据，用于多种分析。参数包括地表压力、海平面压力、位势高度、温度、海面温度、土壤温度、u、v 风速等。研究选择引洮一期工程通水后的2015、2017、2020年分别进行模拟。

1.2.3 径流量以及地下水位研究方法

运用统计分析法，对引洮工程供水前及供水后径流量和地下水位的实测资料进行对比，然后进行图表的绘制，通过对图表的分析得出引洮工程对研究区的影响。

1.2.4 径流量以及地下水位数据

河道径流量数据来源甘肃省水文资料、供水工程实际监测资料和实际现场调查的资料，地下水位的资料来源于甘肃省水文局引洮一期工程的定点实际观测资料。

2 结 果

2.1 蒸散发的变化

蒸散发是陆地水文循环的关键过程，受到气候、降水及下垫面条件等因素的影响。通过对受水区蒸散发的时空变化进行分析（图2），发现蒸散发量在山区较低，在平缓的盆地和平原区较高，在夏季较高而在冬季较低。2017年的年平均蒸散发量比2015年降低了12.5%，其中，春、夏和秋三季的蒸散发量较2015年分别降低了21.6%、12.5%和11.1%，而冬季蒸散发量则升高了6.7%。在年内夏季蒸发强烈，冬季蒸发微弱，2015年夏季的蒸散发量比冬季高6.1 倍，而2017年夏季的蒸散发量比冬季高5.2 倍。结果表明，受水区的蒸散发量在供水后较供水前有一定幅度的降低，这是由于引洮一期工程对受水区地下水和地表水的补充，导致受水区的土壤温度有所下降，从而降低了土壤蒸发量。受水区2020年的蒸散发量与2015年的相比，山区蒸散发量有所增加，尤其在6-7月时段的变化最为明显。说明受水区的植被生态环境改善，植物蒸腾量增强，另一方面由于引洮一期工程供水使土壤的含水量增加而引起蒸散发量的增加。

图2 引洮工程覆盖区潜在蒸散发变化分布图Fig.2 Distribution map of the potential evapotranspiration changes in the coverage area of Yintao Project

2.2 降水变化

降水是受水区水资源的主要来源。运用WRF 模型对引洮工程运行前的2015年及运行后的2017年和2020年受水区降水的时空变化进行分析（图3），结果显示，2017年降水量比2015年增加了75.36%，春季增加了10.03%，而秋季则有所降低，在冬季基本没有变化。2015年的夏季降水量比冬季多了10.8倍，最大值出现在9月，为77.9 mm，而2017年的夏季降水量比冬季多17.2 倍，最大值则出现在8月，为204.96 mm。2020年的降水量较2015年整体减少；在空间上，受水区的降水主要集中在南部地区，其他地区降水相对较少。受水区的降水在空间和时间上具有变异性，说明降水的变化主要受气候的影响，而受引洮工程的影响相对较弱。

图3 受水区近3年的月降水变化分布特征图Fig.3 Distribution characteristics of monthly precipitation change in water receiving area in recent 3 years

2.3 径流的变化

河道径流量是地表水资源量的重要指标，主要来源于夏季的降水。受水区内2018-2020年第一季度（1-3月份）的径流量变化如表1所示。

表1 2018-2020年研究区域内1-3月径流量变化表Tab.1 Table of river discharge changes in the study area from January to March，2018-2020

在1-3月份，除靖远站2020 河道径流量较2019年减少（21万m³），其他各站1-3月河道径流量均逐年增加，其中尧甸站2020年1-3月径流量较2018年、2019年分别增加323.9 万、195万m³；大羊营站较2018年、2019年分别增加597 万、294 万m³；郭城驿站则是分别增加381万、174 万m³。另外，临洮站和西河站2018年1-3月均无河道径流量，而2019年则分别增加了207万和116 万m³的河道径流量，这表明自2019年开始运行后，该区段内河道的流量逐渐增加，实现从无到有的情况，且两站径流量2021年较2019年同期分别增加174万和221 万m³，由此可见引洮一期工程的供水，使各河道的径流量有了明显的上升。

通过对2018年和2021年4-6月径流量的分析表明（表2），2021年洮河流域径流量较2018年增加了196.5 万m³；临洮（三）站增加了290.4 万m³。祖厉河流域的西河（二）站2018年的径流量为0，2021年较2018年增加了232.1 万m³，径流量实现从无到有的状况。另外，祖厉河流域大羊营（二）站、郭城驿站和靖远站2021年河道的径流量较2018年分别增加了154.6万、262.2万和486 万m³。由此可见，由于引洮一期工程的投入运行，区域内各河道的径流均呈现出大幅度的增加趋势，水资源明显增加。

表2 2018和2021年研究区域内河道径流量（4-6月）变化表 万m3Tab.2 Table of river discharge（April-June）changes in the study area in 2018 and 2021

2.4 地下水的影响

引洮供水一期工程运行对受水区的水资源影响不仅仅是对地表水资源量的影响，同时对受水区的地下水也产生了强烈影响。内官-香泉盆地是引洮一期供水工程的主要灌区，通过分析该盆地供水前后供水井的水位变化可以初步研究引洮一期工程供水对地下水资源的影响。根据甘肃省定西水文水资源勘测局的监测资料，对黄家坡、清溪、先锋3 个研究样地的观测井水位2018-2021年4-6月份的平均水位对比分析结果显示（表3），内官盆地的黄家坡、清溪、先锋观测井地下水位在2018-2021年时段内整体呈现上升的变化趋势，其中黄家坡观测井2021年地下水位分别比2018年、2019年和2020年同期的地下水位上升了2.76、2.50和1.71 m；先锋站2021年的观测井水位比2018年、2019年和2020年同期的地下水位分别上升了6.54、1.08 和0.89 m；清溪站2021年监测井水位比2018年、2019年和2020年同期的地下水位分别上升了1.93、1.14 和2.65 m。段耀峰［16］对香泉盆地、卧龙川盆地、内官盆地3 个盆地在2001-2010年年均水位变化的研究结果显示，3 个盆地的地下水位下降速率分别为0.66～0.99、0.12～0.92、0.21～1.01 m/a，说明研究区在引洮一期工程运行前地下水位呈现快速的下降趋势，地下水的排泄量严重大于补给量，呈现负均衡状态。而由上述分析可知引洮一期供水工程运行以后，受水区的地下水得到明显补给，地下水位回升明显，这表明引洮一期工程增强了对受水区地下水的补给，区域水资源矛盾得到有效缓解。

表3 内官盆地各监测井历年同期地下水月平均水位分析表Tab.3 Analysis table of monthly average groundwater-level of monitoring Wells in Neiguan Basin

3 讨 论

在全球变化背景下，干旱半干旱地区水资源时空差异越来越突出，引水工程对受水区水资源的影响主要表现在降水、蒸发、地表和地下水资源的变化上［17］。引洮一期工程的通水运行大大减轻了受水区的用水压力，也促进了当地的社会经济发展和生态环境的逐步改善。本研究中降水和蒸散发的变化具有明显的不确定性，2015-2020年的变化中蒸散发量表现出先减小后增加的变化，而降水表现出先增加后减少的变化过程，而且在季节上的变化又有所不同（图2 和图3），这说明区域气候和水文循环过程主要受区域气候和大气环流的作用，受引洮工程的作用较为微弱。

自2015年引洮一期工程供水以来，洮河和祖厉河径流量都明显增加，部分断流的河段恢复流水，受水区的天然降水非常稀少，不足以补给河道径流，两个河道径流增加都是由于引洮一期工程的引水改变了河道径流量。证明引水工程是调控天然水资源时空不均衡的有效方法，也是实现生态环境恢复治理的主要技术手段。受水区的降水补给地下水非常弱，降水主要是对浅层包气带水的补给，深层地下水补给非常少。通过对内官-香泉盆地地下水位变化的调查分析发现，在引洮一期工程供水前，内官-香泉盆地的地下水均衡均呈负均衡状态，地下水排泄量均大于补给量。2019年内官-香泉盆地地下水资源量均大于地下水资源开发利用量，说明引洮一期工程运行以来，受水区地下水资源量在逐渐增加，使受水区的地下水资源量总体上得到了补给。因此，可得出引洮一期工程运行明显增加了受水区地下水的补给量，地下水资源得到恢复和增加，将对受水区的干旱生态环境治理恢复产生积极影响。

4 结 论

基于以上的研究可以得到以下结论：

（1）引洮一期工程受水区蒸散发2017年相比2015年为减少，这说明了供水对地表水和地下水的补给使土壤温度降低从而减少了蒸发量，而2020年相比2015年为增加，这说明了受水区的植被生态环境改善，植物蒸腾量增强以及引洮一期工程供水使土壤的含水量增加而致使蒸散发量增强。

（2）在引洮一期供水后，受水地区的河道径流明显增加，典型洮河和祖厉河流域的径流在全时段都有增加，其中洮河流域径流量年均增加量为161.95～190.5万m³；祖厉河流域径流量年均增加量为80.5～248.5 万m³。引洮一期工程受水区的地表径流有着明显的改善，实现了区段内河道的水资源恢复过程和生态环境逐渐恢复。

（3）引洮一期供水受水区的地下补给非常明显，全流域的地下水超采现象得到了遏制，其中黄家坡观测井地下水位增幅为0.26～1.71 m/a；清溪站观测井地下水位增幅为0.79～2.65 m/a；先锋站观测井地下水位增幅为0.79～5.46 m/a。