干旱与极端干旱白杨河流域生态需水分析

张爱民 张 妞 周和平

(1.新疆白杨河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆自治区水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000；3.新疆白杨河流域水利管理中心，新疆 乌鲁木齐 830039)

白杨河流域地处新疆天山东部，位于干旱与极端干旱交汇区，流域水生态环境具有明显的地表水地下水频繁转换，河谷疏林、灌丛、草甸湿地及末端尾闾艾丁湖骆驼刺荒漠草地交织分布变化特征，对这一特殊条件下的生态环境需水量及河道生态基流进行分析研究，对流域自然生态环境管理保护具有重要意义。目前，自然植被生态需水研究多采用卫星遥感、GIS等3S技术结合Penman-Monteith方法[1-2]，两种方法相结合主要是为了解决生态面积与生态需水之间的关系。生态需水量计算时段多选择4—10月植被生长期，忽略了干旱区生态环境需水以河流下渗补给地下水特性。潜水蒸发法和面积定额法也是计算植被生态需水常用的方法[3-4]，两种方法成果比较结果相差10%以内，相差较小。张丽等[5]建立了干旱区植物生长与地下水位关系对数正态分布模型，计算了生态需水量，与其他方法比较相差较小，表明不同方法分析的结果差别不大。

对生态环境所用的河道基流问题分析方法有历史流量法、水力定额法、栖息地法、整体分析法等，经对比分析后发现，Tennant法较适合干旱区河道生态需水量计算[6]。然而，由于传统水文学Tennant法以年均径流量特定百分率计算河道生态基流存在不足问题，因此，邓晓[7]、潘扎荣等[8]提出河道基本生态需水年内展布计算法，体现年径流丰枯变化，满足河流生态需求。采用这种方法，以东居延海为研究对象估算年均生态需水量占年均径流量的16.3%、14.6%、9.4%[9]；以汉江流域实证分析干支流控制断面最小下泄生态基流为年均流量的15.0%～20.0%[10]；生态基流至少满足占年均径流量10.0%以上的生态需求[11]；Bo Cheng等[12]以河流系统生态经济服务功能总经济价值最大值确定河流生态基流，并以此分析出西北黄河最大支流渭河宝鸡段河流生态基流占径流的35.0%。由此可见：同一种算法和不同的分析目标得出的结果均有一定差异。地处新疆干旱与极端干旱区的白杨河流域，自然生态用水主要源于河道径流沿程补给及地表水地下相互转化，自然生态需水依靠降水补充甚少，几乎为零。因此考虑河道径流和地表水地下水支撑生态系统需水需求及其河道天然水流模式目标生态基流。本文以卫星遥感获取不同类型生态用水面积，采用Penman-Monteith生态需水和面积定额法分析流域不同生态环境需水量，以河道水文年内展布法分析河流年内不同时段生态基流及其调控节点，为流域生态水环境管理保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 基本概况

白杨河流域水系发源于新疆天山东部博格达峰南麓，形成“四源一干一湖”流域格局。上游为乌鲁木齐市达坂城区黑沟、阿克苏、高崖子3条源流汇集于峡口形成的白杨河干流；白杨河全长150km，下游柯尔碱沟、阿拉沟汇入，由西向东南穿越托克逊县城外50km尾闾，注入我国第一、世界第三低地(最低点高程-154.6m)，著名内陆咸水湖——艾丁湖，西南面为库姆塔格沙漠。白杨河流域地跨两个行政区，上游为地处干旱区的乌鲁木齐市达坂城区，下游为地处极端干旱区的吐鲁番市托克逊县，流域地理坐标为东经88°10′～89°11′，北纬42°29′～43°48′，东西最宽约120km，南北最长约150km，艾丁湖临湖河口以上流域总面积5173.4km2。

1.2 流域特征

流域北、西、南均有高山屏障，地势低洼，冷湿空气不易进入，平原区为典型温带大陆性干旱气候，显著气象特征为风多风大、酷热干燥、降水稀少、蒸发强烈。流域盛行西风、西北风，年均8级以上大风天数大于108天。达坂城为新疆著名风区，托克逊春、夏季焚风频繁，年均发生干热风次数多于93次，对农作物破坏性大。流域上游达坂城境内低山丘陵区年均降水70.5mm，高山区可达400.0mm，降水集中在夏季，占年降水量的80%，春季基本不降水，年均蒸发量2582.5mm，为降水量的36.6倍，年均气温8.8℃；流域下游托克逊县年均降水量7.8mm，最长连续无降水日达298天，年均蒸发量3403.9mm，最高可达5000.0mm，年均气温高达14.1℃，7月平均气温32.3℃，1月平均气温-9.3℃，日最高气温不小于35℃，酷暑期长达100天以上，是我国少有的气候差异悬殊、干旱与极端干旱叠加交织流域环境。

流域呈现高中低山区、前山洪积与河流冲积、河谷与山间盆地、山前草甸与平原泉水溢出沼泽湿地多样性分布地貌类型。源于天山博格达峰南坡冰川的42.36亿m3储量，形成了年均水资源量3.10亿m3，其中：地表水2.59亿m3，地下水天然补给0.51亿m3。由于受流域地貌类型多样性及水文地质条件影响，流域上游诸河道及出自峡口贯穿流域下游的白杨河干流，地表水、地下水频繁转化；流域下游表现为部分河流时隐时现现象：大草湖至小草湖段常年有水，小草湖后沿程渗漏较大，转换为地下水，至巴依托海河道无水，巴依托海后以泉水溢出，至红河谷常年有水，红河谷后沿程渗漏转换成地下水，至托克逊县灌区河道无水，之后托克逊县城形成地表水，途经托克逊县城后逐步转换为地下水至尾闾艾丁湖。

1.3 分析内容与方法

基于流域水生态环境结合遥感投影，流域敏感生态为河谷林草、湿地(含水生动植物需水)、艾丁湖及周边骆驼刺荒漠草地。流域生态需水按Penman-Monteith公式分析计算[13]：

(1)

式中：ET0为参考生态植被蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为湿度表常数，kPa/℃；T为平均气温，℃；u2为2m高水平处风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；ed为实际水汽压，kPa。

由式(1)可以看出计算参数较多，为简化计算，采用彭曼法软件分析，利用当地平均气温(T)、水气压(ed)、2m高处风速(u2)、日照时数(n)气象参数计算ET0。

生态需水系数为生态植被阶段需水量与参考生态植被蒸发蒸腾量比值，按下式分析计算：

(2)

式中：KC为生态需水系数；i为生态植被生长的第i阶段；n为生态植被生长划分的阶段数目；ETi为生态植被生长的第i阶段需水量，mm；ET0i为生态植被生长的第i阶段参考蒸发蒸腾量，mm。

生态植被需水量、参考生态植被蒸发蒸腾量、生态需水系数关系如下：

ET=ET0·KC-P0

(3)

式中：ET为生态植被需水定额，mm；ET0为参考生态植被蒸发蒸腾量，mm；KC为生态需水系数；P0为有效降水量，m3，P0=Pa，P为降水量，新疆南疆a=0.35；新疆北疆a=0.52；全疆a=0.41[14]。

不同生态类型生态需水量，按下式分析计算：

W=ETω

(4)

式中：W为生态需水量，m3；ω为各河流水系形成的生态环境区面积，hm2。

基于流域经济社会生态环境可持续发展理念，维持流域自然生态系统结构功能及生物多样性，遵循流域各河流水系形成的生态环境属性，采用生态基流及敏感生态需水指标，研究分析流域源流、干流河谷林草生态基流及需水量，平原敏感湿地、尾闾艾丁湖天然植被生态需水量。鉴于流域河谷林、湿地等植被生长用水主要依靠河道水量及下渗地下水补给，在多种水文、水力学方法中采用常用的生态基流Tennant法分析计算：

(5)

由于生态基流Tennant法依赖主观经验，因此，将河道生态基流与生态需水相结合并满足生态需水量W，有以下关系：

(6)

式中：q为分析河流满足生态需水要求的生态基流，m3/s；d为分析河流满足生态需水要求的生态基流量分析时间，d。

调查统计数据利用Excel2007进行图表绘制分析。

2 结果与分析

2.1 流域生态区需水量分析

2.1.1 生态需水定额

根据分析区域气象站长系列气象数据，考虑干旱区中等及强风、地面覆盖约25%～50%树木间种杂草，分析选择生态需水系数[15]，按式(1)～式(3)分析流域区内逐月及全年平均生态需水定额(见表1)，由表1可以看出，流域下游托克逊极端干旱区年均需水定额为1156mm，比上游达坂城干旱区年均需水定额968mm高出188mm，增加了16.3%。

表1 白杨河流域自然生态需水定额分析

2.1.2 生态环境需水量

由勘察及遥感解译，流域自然生态为河谷林草(河谷疏林、河谷灌丛、河漫滩低地草甸)、湿地(沼泽草甸、水生物)、艾丁湖及周边骆驼刺荒漠草地3类。流域各河流水系形成的生态环境需水面积(见表2)显示，流域上游源流平原生态区分布面积为2923.6hm2，其中：河谷林草面积1502.3hm2；湿地面积1421.3hm2。流域下游是干流白杨河(柯尔碱沟未分布)平原生态区，分布面积为18639.0hm2，其中：河谷林草面积602.1hm2；湿地面积83.3hm2；骆驼刺草地面积17953.6hm2。流域生态需水面积为21562.6hm2，其中：河谷林草面积2104.4hm2；湿地面积1504.6hm2；骆驼刺草地面积17953.6hm2。

由生态需水面积及式(4)分析生态需水量(见表3)，由表3可以看出，流域生态需水量为7880万m3，其中：河谷林草(河谷疏林、河谷灌丛、河漫滩低地草甸)2151万m3；湿地(沼泽草甸)1473万m3；干流白杨河尾闾艾丁湖骆驼刺草地4256万m3。

表2 白杨河流域平原区不同生态类型分布面积 单位：hm2

表3 白杨河流域平原区生态需水量分析 单位：万m3

注A为河谷疏林；B为河谷灌丛；C为河漫滩低地草甸；D为湿地(沼泽草甸)；E为尾闾骆驼刺草地。

黑沟河年生态需水量为921万m3，其中：河谷林草230万m3；湿地691万m3。阿克苏河年生态需水量为1048万m3，其中：河谷林草586万m3；湿地462万m3。高崖子河年生态需水量为862万m3，其中：河谷林草639万m3；湿地223万m3。干流白杨河年生态需水量为793万m3，其中：河谷林草696万m3；湿地97万m3。干流白杨河补给尾闾艾丁湖骆驼刺草地水量为4256万m3，主要考虑9—12月，原因在于艾丁湖补给水系复杂，其中包括白杨河、阿拉沟、柯尔碱沟、大河沿子、塔尔郎、煤窑沟、黑沟、恰勒坎河、二塘沟、柯柯亚河、坎尔其沟等诸多河流。现状白杨河进入艾丁湖水量约3024万m3。艾丁湖周边分布骆驼刺草甸植被约27313.9hm2，按流域下游托克逊县境内白杨河、阿拉沟两河年均径流分摊，白杨河供给骆驼刺生态用水面积17953.6hm2(占生态用水总面积的65%)。由此9—12月白杨河干流末端骆驼刺草甸植被生态需水定额为238mm。

2.2 流域生态基流分析

由式(5)、式(6)分析流域生态基流及过程线(见表4、图1)结果可知，黑沟河4—9月主要用水期，生态基流和水量分别为0.48m3/s和766万m3；10月至次年3月次用水期，生态基流和水量分别为0.10m3/s和155万m3，生态需水占年均径流的18%。阿克苏河4—9月主要用水期，生态基流和水量分别为0.55m3/s和872万m3；10月至次年3月次用水期，生态基流和水量分别为0.11m3/s和177万m3，生态需水占年均径流的12%。高崖子河4—9月主要用水期，生态基流和水量分别为0.45m3/s和717万m3；10月至次年3月次用水期，生态基流和水量分别为0.09m3/s和145万m3，生态需水占年均径流的12%。干流白杨河4—9月主要用水期，生态基流和水量分别为0.39m3/s和613万m3；10月至次年3月次用水期，生态基流和水量分别为0.11m3/s和180万m3，生态需水占年均径流的6%。托克逊境内及艾丁湖4—9月主要用水期，生态基流和水量分别为1.23m3/s和1939万m3；10月至次年3月次用水期，生态基流和水量分别为1.47m3/s和2317万m3，生态需水占年均径流的32%。全流域河流生态基流为2.50m3/s，生态需水量为7880万m3，其中：4—9月主要用水期，生态基流和水量分别为3.10m3/s和4906万m3；10月至次年3月次用水期，生态基流和水量分别为1.89m3/s和2974万m3，生态需水占年均径流的17%，介于10%～30%，属于水生态环境一般或较低要求。由于生态需水量及河道生态基流分析结果，遵循了流域各河流水系形成属性，因此，预期实现流域内年生态基流水量，可以由流域黑沟、阿克苏、高崖子、干流白杨河控制性工程引水渠首调控。

表4 白杨河流域河流平原区生态基流及控制性断面

图1 白杨河流域生态需水量控制过程

2.3 流域生态需水特性分析

生态需水量是自然生态环境耗水分析的重要指标，由干旱区新疆部分流域气象环境与生态需水关系(见图2)分布可以看出，虽然各流域所处地理位置不同，但生态需水M(mm)与气象环境要素(有效降水P0(mm)、平均气温T(℃)、水汽压e(kPa)、风速u(m/s)、日照时数n(h)、相对湿度U(%)、蒸发量W(mm))有关，在年度内呈现出由小渐增到7—8月最大之后逐渐减小的相同变化，表现为多项式抛物非线性分布规律。由表5可以看出，生态需水与生态环境气象要素之间具有很好的相关性，气象环境7项要素对生态需水有着显著的影响，但由于流域地理环境位置不同，对生态需水影响效应表现出一定的差异。对生态需水M产生负效应(导致生态需水量增加)的影响因素，白杨河流域是风速u、日照时数n、相对湿度U、蒸发量W；和田河流域是气温T、风速u、日照时数n、相对湿度U、蒸发量W；叶尔羌河流域是气温T、风速u、相对湿度U、蒸发量W；阿克苏河流域是有效降水P0、气温T、风速u、相对湿度U、蒸发量W；巴州孔雀河流域是有效降水P0、气温T、水汽压e、蒸发量W；玛纳斯河流域是气温T、风速u、蒸发量W；博尔塔拉河流域是气温T、水汽压e、风速u、蒸发量W；额敏河流域是气温T、风速u、蒸发量W。分析表明，对不同流域生态环境需水产生负效应的共同影响因素是蒸发量W，几种因素对生态需水影响程度大小为u>n>T>U>e>W>n；产生正效应(导致生态需水量减少)影响因素主要是水汽压e、有效降水P0、气温T，几种因素对生态需水影响程度大小为e>P0>T>n>u>U。这说明，不同自然地理环境流域生态需水量受到当地综合气象环境因素共同影响作用，其中生态需水负效应主要影响因素体现在风速u和日照n，正效应主要影响因素体现在水汽压e和有效降水P0。

图2 干旱区部分流域气象环境与生态需水关系

表5 干旱区不同流域生态需水与环境气象关系回归分析

流 域回 归 方 程相关性R方 差 F白杨河流域M=-54.14-3.59P0-0.25T-6.98e+9.37u+4.12n+0.83U+0.34W0.999∗∗466.3∗∗和田河流域M=-4.87-1.32P0+0.88T-10.23e+12.29u+0.07n+0.30U+0.13W0.999∗∗890.6∗∗叶尔羌河流域M=-15.14-0.24P0+0.61T-7.58e+16.73u-0.61n+0.35U+0.17W0.999∗∗10182.3∗∗阿克苏河流域M=-30.22+0.004P0+1.04T-10.14e+28.71u-0.52n+0.45U+0.09W0.999∗∗578.2∗∗巴州孔雀河流域M=44.47+0.45P0+0.34T+0.26e-2.23u-1.87n-0.28U+0.18W0.999∗∗3519.6∗∗玛纳斯河流域M=58.85-2.44P0+0.83T-0.23e+16.41u-3.28n-0.39U+0.16W0.999∗∗2206.8∗∗博尔塔拉河流域M=34.70-1.31P0+0.44T+2.71e+8.70u-1.50n-0.24U+0.16W0.999∗∗2589.5∗∗额敏河流域M=25.72-0.58P0+0.77T-14.95e+10.31u-0.85n-0.18U+0.17W0.999∗∗1094.8∗∗

注R≥R(10，0.01)=0.708，F≥F0.0(12，7)=4.65。

图3 干旱区部分流域生态需水量比较

图3为干旱区部分流域生态需水量分析比较结果，白杨河、和田河、叶尔羌河、阿克苏河、巴州孔雀河、玛纳斯河、博尔塔拉河、额敏河8个流域生态需水量分别为1071mm/a、689mm/a、663mm/a、656mm/a、523mm/a、510mm/a、470mm/a和401mm/a。其他流域生态需水量分别是白杨河流域生态需水量的64%、62%、61%、49%、48%、44%和37%。由图3可以看出：白杨河生态需水量最大，额敏河流域生态需水量最小。白杨河流域地处新疆天山东部，降水稀少，气候干燥，气温高，尤其是风多风大，为频繁干旱与极端干旱区；新疆天山以南昆仑山脉的和田河、叶尔羌河流域，降水少，蒸发量高，为气象干旱荒漠地区；阿克苏河、巴州孔雀河流域地处天山之南，降水稀少，蒸发强烈，为沙漠绿洲灌溉区；玛纳斯河、博尔塔拉河流域地处天山北坡准噶尔盆地前缘及天山西部，年均降水量150～200mm，年均蒸发量1700～2000mm，为棕漠地区；额敏河流域地处天山北部阿勒泰塔尔巴哈台山塔城额敏盆地，年均降水量200～300mm，年均蒸发量1500～2000mm，为棕钙土地区。这一分析结果与流域所处地理环境气象因素相吻合。

3 结 论

a.流域上游敏感生态区年需水量为3624万m3，流域下游干流白杨河补给尾闾艾丁湖骆驼刺草地生态水量为4256万m3，流域年均总体生态需水量为7880万m3。

b.流域河道总体生态基流为2.50m3/s，占年均径流量的17%。

c.流域生态植被环境依附于河流及地下水转化补给，生态需水量与河道取水工程相关。因此，生态用水控制断面即该河道引水渠首工程。

d.植被需水量是表征水生态用水主要指标，以此分析比较白杨河流域年生态需水量为1071mm，天山南部的和田河、叶尔羌河、阿克苏河、巴州孔雀河，天山北部的玛纳斯河、博尔塔拉河，阿勒泰山脉的额敏河流域年生态需水量，分别占白杨河流域的64%、62%、61%、49%、48%、44%和37%。表明了白杨河流域地处极端干旱区的生态耗水特性。

e.常用的生态基流水文学Tennant法，以河流年均径流量10%～30%估算表征植被生长环境一般或低要求，此方法由于人为选取参数计算结果与实际存在一些差别。本文考虑敏感生态区年内不同时段需水为前提反演河流生态基流，虽然得出生态基流占河道年均径流量比例在10%～30%，但将生态区需水与河流径流年内分配相结合的分析会更贴切实际。

f.学者和研究人员多以4—10月作为植被生长期进行生态需水分析。干旱及极端干旱地区降水稀少，蒸发强烈，生态用水主要甚至完全依赖于河流地表水和地下潜水补给，因此考虑11月至次年3月生态需水并计入河流补给地下水更稳妥。