黑河尾闾东居延海适宜水面面积研究

蒋晓辉 董国涛

摘要：東居延海维持一定的水面面积是黑河“97”分水方案实施成功的重要标志，调水以来，黑河尾闾东居延海已实现连续13年不干涸，湖周生态环境得到了很大的改善，但在枯水年份，进入东居延海的水量有限，东居延海有可能干涸。如何在枯水年份既能保证东居延海一定的水面面积，维持东居延海基本生态功能，又能不挤占额济纳绿洲植被生态用水，实现绿洲生态用水效益的最大化是值得研究的科学问题。文中通过分析东居延海生态服务功能，计算东居延海不同水面面积情况下生态价值，构建黑河下游额济纳绿洲水资源配置模型，模拟不同来水条件下绿洲水资源配置和东居延海可入湖水量，从额济纳绿洲整体生态环境出发，提出既能实现东居延海基本生态功能，又能维持东居延海长期不干涸的适宜水面面积。通过研究得到：①东居延海生态价值随着水面面积的增加而增加，在水面面积0～18km2变化过程中，生态价值增加显著，大于18km2后，生态价值增加趋势明显变缓，单位面积水面面积增加所产生的生态价值不显著;②根据额济纳绿洲各生态分区的生态用水需求，通过水资源合理配置，无论黄藏寺水库是否建成运行，东居延海在连续枯水年会再次出现干涸，且最长干涸时间会达到6个月;③在东居延海维持18km2水面面积，湖深为6m时，既能保持东居延海长年不干涸，维持基本的生态功能，，又能使绿洲生态缺水量最小，实现了水资源生态效益的最大化。

关 键 词：生态功能和价值;水资源配置模型;生态分区;适宜水面面积;东居延海

中图分类号：X321

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-01-006开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The reasonable surface area of the East Juyan Sea

of the Heihe River

JIANG Xiaohui1， DONG Guotao2

（1.College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xi′an 710127， China;

2.Heihe River Management Bureau， YRCC， Lanzhou 730030， China）

Abstract： East Juyan Lak at the end of the Heihe River has achieved no continuous dryness for 13 consecutive years， and the ecological situation of the lake has been greatly improved. Maintaining a certain water surface area in the East Juyan Lake is an important goal of the Heihe "97" water diversion plan and the success mark of Heihe water diversion. However， in the dry year， the amount of water entering the East Juyan Sea is limited， and the East Juyan Sea may be dry. How to ensure the certain water surface area of East Juyan Sea in the dry season， maintain the basic ecological function of the East Juyan Sea，at the same time，  not occupy the oasis vegetation ecological water， and achieve the maximization of the oasis ecological water benefit，  is a scientific problem worth studying. This paper analyzes the ecological service and value of East Juyan Sea and calculates the ecological value change under different water surface situations in East Juyan Sea， simulating the water resource allocation pattern of the oasis under different water conditions and the water capacity of the East Juyan Sea. The balance between the ecological value of the East Juyan Sea and the oasis vegetation ecology proposes a reasonable water surface area of the East Juyan Sea. Through research， ①the ecological value of East Juyan Sea  increased with the increase of water surface area. During the change of water surface area of 0～18km2， the ecological value increased significantly. When over 18km2， the ecological value increased obviously. The ecological value generated by the increase of the area water surface is not significant; ②According to the ecological water demand of each ecological division of Ejina Oasis， through the rational allocation of water resources， regardless of whether the Huangzangsi Reservoir is completed or not， the East Juyan Sea is in continuous dry years will dry up again， and the longest dry time will reach 6 months; ③Maintain a water surface area of 18km2 in East Juyan Sea， and when the lake depth is 6m， it can maintain the East Juyan Sea for a long time and can maintain the basic ecological function， and the annual average water intake into the lake in East Juyan Sea is reduced by 0.09 billion m3， which realizes the maximization of ecological benefits of water resources.

Key words： ecological function and value; water resources allocation model; ecological zoning; suitable surface area; East Juyan Sea

东居延海位于内蒙古自治区额济纳旗境内，是我国第二大内陆河黑河的尾闾湖泊，位于东经101°11′55″～101°19′40″，北纬42°15′20″～42°20′20″，这一地区夏季炎热少雨，冬季寒冷多风，气候极端干旱。根据额济纳旗1961—2011年气象资料，多年平均气温8.9℃，极端最高气温40.6℃，极端最低气温-35.3℃，日温差一般为14～17℃，最高达34℃。湖区处于沙漠边缘、风带之中，年降水量约为40mm，降水稀少，年蒸发量高达3 700mm，是降水量的90多倍，大量湖水消耗于蒸发。历史上，东居延海是西北最大的湖泊之一。但自20世纪中期开始，随着黑河流域社会经济迅速发展，上游灌溉农业的迅速发展，水资源矛盾日益突出，下游入湖水量显著减少乃至断流，在1973年和1980年出现几次干枯现象;到1982年时，水域面积缩减为32.32 km2，水深约1.4～1.8 m，计算湖中蓄水量为3640 万m3（陈隆亨，1984）［1］，据刘亚传（1992）［2］实地考察，1985年东居延海面積为35 km2，1990年9月8日TM遥感影像测算的东居延海水域面积仍有38.02 km2，之后在1992年完全干涸，居延海从此成为历史，湿地生态环境退化，土地沙化盐碱化加剧，成为我国西北主要的沙尘暴和碱尘暴的发源地之一。

为了改变黑河下游生态环境恶化状况，自2000年起，国务院授权水利部黄河水利委员会对黑河干流正式实施水资源统一调度与管理。于2002年7月17日，黑河水流到达干涸10年之久的东居延海，这是首次通过人工调水实现黑河干流全线通水。2005年，东居延海首次实现了自1992年以来全年不干涸，至2017年东居延海已实现连续13年不干涸，累计入湖水量9.63×108m3，年均入湖水量0.74×108m3。目前东居延海水面面积基本维持在40km2左右，东居延海湿地及周边生态系统明显恢复改善［3-7］。

东居延海连续13年不干涸，一方面是黑河“97”分水方案实施和黑河上游来水连续偏丰，2000—2017年黑河出山口莺落峡年均来水18.44×108m3，比莺落峡多年平均来水量15.8×108m3多16.7％;另一方面，黑河下游水量调度重点是确保调水进入东居延海，恢复尾闾湖泊是黑河下游生态恢复和调水成功的重要标志。但东居延海的湖盆呈浅碟状，存在着水深浅、水面面积大、蒸发损失量大、水域存在时间短等问题。根据近年来入湖水量情况分析，当入湖水量为3 000万m3左右时，水域面积约为25km2，至翌年的3～4月水域消失殆尽。在丰水年份，由于狼心山来水量大，能够同时满足额济纳绿洲植被生态用水和维持东居延海水面面积，但在枯水年份，绿洲植被和东居延海存在竞争性用水，东居延海维持较大的水面面积必将挤占额济纳绿洲植被生态用水，损害绿洲植被，而且在枯水年份，即使采取调度手段，进入东居延海的水量有限，东居延海有可能再次干涸。黑河下游额济纳绿洲的生态恢复应以绿洲整体生态恢复为目标，如何在枯水年份既能保证东居延海一定的水面面积，维持东居延海基本生态功能，又能不挤占绿洲植被生态用水，实现绿洲生态用水效益的最大化是值得研究的科学问题。叶朝霞等（2017）［8］、张华等（2014）［9］、穆来旺（2016）［10］和冯起等（2015）［11］研究了维持东居延海生态功能的需水量，刘咏梅等（2013）［12］、陈丽等（2011）［13］、管新建等（2012）［14］研究了东居延海的生态功能与价值，但上述研究没有涉及东居延海水面面积与生态功能和价值之间的变化关系，也没有研究东居延海生态需水能否得到满足。因此，分析东居延海生态服务功能和价值，计算东居延海不同水面面积情况下生态价值，模拟不同来水条件下绿洲水资源配置格局和东居延海可入湖水量，从额济纳绿洲整体生态环境出发，提出既能实现东居延海基本生态功能，又能维持东居延海长期不干涸的适宜水面面积，这对于黑河下游水资源合理配置、实现有限水资源生态效益的最大化具有一定的科学和现实意义。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 东居延海生态价值计算方法 生态系统对人类的直接或间接贡献是生态系统的价值所在。本研究结合东居延海生态系统特征及所在区域经济社会特征，将东居延海湿地生态系统服务功能分为水分调蓄功能、气候调节功能、生物多样性维持功能及科学考察、休闲旅游功能等，其生态价值的计算可分为供给服务价值、调节服务价值和文化服务价值。供给服务价值采用市场价值法估算供给服务价值;调节服务价值包括水源涵养服务价值、气候调节价值、固碳价值和固沙价值，水源涵养服务价值和气候调节价值采用替代成本法估算，固碳价值采用造林成法估算，固沙价值采用同面积沙漠扬沙替代法估算。科考旅游服务价值采用区域旅行费用法估算［15］。

1）水产资源价值

自调水以来东居延海引来了天鹅、灰雁、黄鸭等水禽黑河特有的大头鱼也已经在东居延海繁衍其中大头鱼已经上市。水产品的价值为

L水产=S×W水产（1）

式中，L水产为一定水域面积下东居延海水产品价值（元／a）;S为水产面积（km2）;W水产单位水产品的价值量（元／km2）。

2）水草资源价值

东居延海水域范围内的露出水面的植物主要为芦苇，水下植物为藻类植物。目前，东居延海的水草资源价值主要由芦苇与藻类两部分组成。其水草资源价值量计算公式如下：

L水草=S水草W水草C水草 （2）

式中，L水草为东居延海水草资源价值量（元／a）;S水草为水草资源面积（km2）;W水草为水草资源单位面积产量（t／km2）;C水草为水草资源单位面积纯收入价格（元／t）。

3）科考旅游价值

东居延海科考旅游价值计算公式如下：

L旅＝I旅B旅（3）

式中，L旅为科考旅游价值费用（元／a）;l旅为东居延海水域面积（km2）;B旅为单位水域科考旅游的价值（元／a）。东居延海水域单位湿地面积科考旅游的价值21万元／a来计算，东居延海科考旅游价值为739.2万元／a。

4）调蓄价值

东居延海水域是一个巨大的蓄水库，从湿地水域到地下蓄水层可成为地下水系统的一部分。东居延海水域蓄水和供水价值计算公式如下：

L畜供=V畜供K畜供（4）

式中，L畜供为蓄水与供水价值量（元／a）;V畜供为东居延海蓄水量（m3）;K畜供为为用水的单位价值量（元／m3）。

5）生物多样性价值

生态系统的营养循环功能依赖于其结构的完整性。水域生态系统的生物多样性除了可以有效地保证生态系统的稳定发挥生态价值外也是生态系统中物种的重要基因库能增加种群的遗传多样性还能创造出一个植物区系和动物区系可以协调共存的生境提高水域生态系统的价值。

东居延海水域生态系统生物多样性价值计算公式如下：

L多样性=W多样性C多样性 （5）

式中，L多样性为东居延海生物多样性价值（元／a）;W多样性为东居延海水域单位面积的生态价值（元／km2）;C多样性为水域面积（hm2）;

本文采用Costanza等人［15］的研究成果，这一服务功能的年生态效益为439美元／hm2，折合人民币为3 424元／hm2。

东居延海水域具有调节区域气候的功能东居延海湿地周围地区一般来说比其他离东居延海较远的地区气候相对温和湿润。东居延海水域盛产芦苇等喜水植物，这些植物的存在有着固定CO2等生态价值。此外东居延海湿地晨雾还可以去除大气中的扬尘和颗粒物等物质净化空气提高环境空气质量。

6）固碳生态价值

根据植物光合作用原理可知，植物每生产162g干物质可吸收264g CO2［16］，东居延海水域现状水草产量为2 640t，按平均干湿比1∶20来计算，得出每年的植物干重为132t，因此可得出东居延海水域每年固定的CO2与呼出的CO2量的差值为215t;根据目前国际上通用的炭税率标准和我国的实际情况，采用我国的造林成本250元／t和国际炭税标准150美元／t的平均值720元／t作为炭税标准，计算出东居延海每年的调节气候价值为15.48万元。

7）固沙生态价值

东居延海水域固沙价值计算采用下面公式：

Vd=Qd×S×Cd （6）

式中：Vd为研究区滞尘价值（元／a）;Qd为研究区林地滞尘能力［t／（km2·a）］;S为研究区水域面积（km2）;Cd为消减粉尘成本（元／t）。

1.1.2 黑河下游水资源配置模型 水资源是维持黑河下游绿洲生存的决定性因素，应合理配置水资源，发挥水资源最大生态价值。考虑植被耗水、地表和地下水力联系及地表水灌溉条件等因素，加之黑河下游额济纳绿洲东、西河沿线及其下游河网（包括东、西居延海）地区，绿洲面积大、集中连片、植被种类多样，是额济纳地区绿洲的精华，同时也是目前植被退化严重、亟待进行恢复和整治的重点区，所以本次水量配置重点考虑的区域为两河区（含东居延海）。根据现有河道、水利工程的布局、各部分绿洲在整个地区中所起的环境保护作用、绿洲生态需水量和需水过程等因素，将两河区分为9个区，分别为东河上游区、西河上中游区、建国营区、中戈绿洲区、沿昂茨河和班布尔河之间以东为班布尔河区、以西至四道河分干渠以东为昂茨河区、东大河生态区、铁库里生态区和东居延海区（见图1）。

依据现有河道及工程布局，各生态计算单元供水线路如图2所示。黑河水流经狼心山后通过狼心山分水枢纽把水分至东西河。东河供水路线，一部分水量通过原河道满足东河上游区狼心山～纳林河口河段18km原河道，以及纳林河口～布达格斯32km原河道植被需植被生长需要;一部分水通过东河至昂茨河分水闸之间的东干渠输送至昂茨河分水闸，东干渠上端有支渠17条，灌溉东河上游区;昂茨河分水闸以下铁库里河向铁库里生态区供水;一道河、二道河、三道河、四道河向东大河生态区供水，一道河在来水量较大时适时向东居延海供水，二道河、三道河、四道河也可送水至东居延海;五道河、六道河、七道河、八道河向昂茨河生态区供水，五道河、六道河多余水量可进入东居延海;班布尔河向班布尔河生态区供水，可供水至天鹅湖。西河供水路线，从狼心山到莱莱格敖包，通过河道自然渗漏补水给西河上游区;中戈绿洲区也通过孟克图分水闸通过河道自然渗漏补给;莱莱格敖包以下水量进入安都河。各分区的供水根据表1的生态需水进行分配［17］。

本研究是在黑河水资源调配模型的基础上［18］，进一步对进入狼心山以下额济纳绿洲的水量进行配置，并分别考虑现状工程和黄藏寺水库建成两种工况情况。额济纳绿洲水资源配置考虑绿洲植被分布及其需水特点的基础上，以各分区缺水量最小为目标函数，通过狼心山及以下河道各分水闸控制水资源分配，实现黑河下游生态水量合理调度和配置。

黑河下游河道不是常年过水，前期河道是干涸还是处于湿润状态对于河道渗漏量的大小影响很大。本次研究收集了近几年的调水资料、狼心山断面及及东河、西河的过水流量及其流程的资料。应用这些资料计算率定不同河段、不同流量下的河道渗漏率，综合计算确定不同计算单元相应配水量下的渗漏量，并反馈给配置模型进一步确定各计算单元的配水量。

1.2 数据来源

本文水文资料和用水资料来自黑河流域管理局，经济社会数据来自阿拉善统计年鉴。

2 结果和讨论

2.1 东居延海生态价值计算分析

根据1.1.1生态价值的计算方法，根据实地调查资料，东居延海的大头鱼每km2产量约为2t，每吨大头鱼的市场价为20 000元／t，可计算得到其水产价值;根据当前东居延海水草在水域的分布状况，水草资源面积约占水域面积的75％，根据芦苇的长势调查，芦苇面积约占水草面积的30％，单位面积芦苇产量为100 t／km2，每吨芦苇市场价1 000元／t，可计算得到其水草价值;东居延海为额济纳旗几个重要的旅游资源之一，其旅游收入占總旅游收入的四分之一，平均每年东居延海旅游收入为739万元／a;东居延海水域以其生态用水调蓄价值为0.67元／m3;采用Costanza等人［19］的研究成果，单位面积的生物多样性价值为439美元／hm2，折合人民币为3 424元／hm2;由植物光合作用原理可知，植物每生产162g干物质可吸收264g CO2，根据东居延海水草产量，可计算得到固碳价值;根据观测资料，东居延海单位面积固沙量105m3／km2，人为削减1 m3沙尘成本为100元，可计算得到固沙价值。图3为计算得到东居延海水面面积与生态价值对应关系图，由图可以看到，东居延海生态价值随着水面面积的增加而增加，在水面面积0～18km2变化过程中，生态价值增加显著，大于18km2后，生态价值增加趋势明显变缓，单位面积水面面积增加所产生的生态价值不显著，从生态用水效率的角度考虑，水面面积增加的边际效率不大。

2.2 现状工程条件下不同来水年东居延海入湖水量及水面面积变化模拟

根据1.1.2构建的水资源配置模型，模拟现状工程条件下1958—2012长系列年黑河下游额济纳绿洲水资源配置，图4为1958—2012长系列年东居延海模拟月入湖水量，多年平均入湖水量为0.48亿m3。

根据冯起等人的研究成果，东居延海单位面积湖面蒸发和渗漏量见表1。根据东居延海入湖水量、损失水量和库容水域面积关系曲线（见图5），计算得到现状工程条件下东居延海在长系列年（1958—2012）来水情况水面面积的变化（见图6）。根据计算结果统计，在长系列年期间（1958—2012）东居延海连续3个月出现干涸的次数达11次，最长干涸时间为6个月。因此，尽管实施黑河下游水资源合理配置，但在枯水年份，东居延海会再次干涸。

2.3 黄藏寺水库建成运行后不同来水年东居延海入湖水量及水面面积变化模拟

模拟黄藏寺水库建成运行后1958—2012长系列年黑河下游额济纳绿洲水资源配置，图7为1958—2012长系列年东居延海模拟月入湖水量，多年平均入湖水量为0.50亿m3。

黄藏寺水库建成运行后东居延海在长系列年（1958—2012）来水情况水面面积的变化（见图8）。根据计算结果统计，在长系列年期间（1958—2012）东居延海连续3个月出现干涸的次数达5次，最长干涸时间为6个月。因此，尽管黄藏寺水库建成后，黑河水资源有了一定的调控能力，但在枯水年份，东居延海会再次干涸。

2.4 东居延海适宜水面面积

综上分析，东居延海在出现连续枯水年时，无论黄藏寺水库是否建成，东居延海都会出现干涸。东居延海维持一定的水面面积即是黑河调水成功的重要标志，也具有重要的生态功能。如何在有限有限水资源支撑下维持东居延海一定的水面面积，实现调水和生态维持的双重目标？由2.1中的分析可知，东居延海水面面积0～18km2变化过程中，生态价值增加显著，大于18km2后，生态价值增加趋势明显变缓，单位面积水面面积增加所产生的生态价值不显著，从生态用水效率的角度考虑，水面面积增加的边际效率不大，因此，本研究认为东居延海维持18km2水面面积，并挖深湖底，湖深为6m，以此湖面面积模拟黄藏寺水库建成运行后1958—2012长系列年黑河下游额济纳绿洲水资源配置，图9为1958—2012长系列年东居延海模拟月入湖水量，多年平均入湖水量为0.41×108m3。图1为东居延海在长系列年（1958—2012）来水情况水深的变化。根据计算结果统计，在长系列年期间（1958—2012）东居延海没有干涸，最低水深1.66 m，平均深度4.19 m，东居延海年均入湖水量比前两种方案下分别减少0.07亿m3和0.09亿m3。因此， 东居延海维持18 km2的水面面积，湖深为6m，既能维持东居延海不干涸，维持基本的生态功能，也能实现水资源生态效益的最大化。

3 结 论

本文在分析计算东居延海生态服务功能和价值的基础上，通过水资源配置模型模拟了不同来水条件下绿洲水资源配置格局和东居延海可入湖水量，提出了东居延海合理水面面积，为黑河下游水资源管理提供了建议。主要结论如下：

1）东居延海生态价值随着水面面积的增加而增加，在水面面积0～18km2变化过程中，生态价值增加显著，大于18km2后，生态价值增加趋势明显变缓，单位面积水面面积增加所产生的生态价值不显著，水面面积增加的边际效率不大。

2）根据额济纳绿洲各生态分区的生态用水需求，通过水资源合理配置，无论黄藏寺水库是否建成运行，东居延海在连续枯水年会再次出现干涸，且最长干涸时间会达到6个月。

3）东居延海维持18km2的水面面积，湖深为6m时，既能实现维持东居延海一定水面面积，常年不干涸，又能维持基本的生态功能，且东居延海年均入湖水量减少0.09亿m3，实现了水资源生态效益的最大化。

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（编 辑 亢小玉）