艾丁湖最低生态水位分析研究

周 蕾

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番，838000)

1 流域概况

艾丁湖位于吐鲁番市区以南约50km的觉洛塔格山北麓，是吐鲁番盆地水系的尾闾和最后归宿地，湖面低于海平面154m。受水资源开发强度不断增强、人类活动增多影响，入湖水量不断减少，湖泊水面面积不断缩小，至2013年5月已演变为季节性湖泊，湖水面积最大仅为4km2。艾丁湖区域有14条主要河流，分别为大河沿、塔尔朗河、煤窑沟河、黑沟、恰勒坎河、二塘沟、柯柯亚、坎尔其、柯尔碱沟、白杨河、阿拉沟、鱼尔沟、乌斯通沟、祖鲁木图沟等。艾丁湖及入湖水系位置示意如图1所示。

图1 艾丁湖及入湖水系位置示意

2 气象水文

艾丁湖区域属典型的干旱荒漠性气候，夏季炎热，冬季干冷，各月气温年内分配极不均匀。艾丁湖区域降水十分稀少，年内分配极不均匀，多年平均年降水82.6mm，年际变化较大，最大年降水量与最小年降水量相差高达16倍以上；蒸发十分强烈，平原区水面蒸发达1800mm，年际变化相对稳定，蒸发随高程增加而递减的趋势较为显著；地区内多大风，甚者造成风灾，多年年最大风速平均值23.0m/s，多年最大瞬时风速40m/s，风向NW。

艾丁湖区域内河流径流量年内分配很不均匀，夏季自5月下旬进入丰水期，持续到8、9月，占全年径流量的60%～80%；冬季12月-2月径流量占全年径流量的2%～7%。径流量年际变化较小，各河流75%保证率的径流量在多年平均径流量的71%～84%之间，河流径流量的年变动系数Cv在0.21～0.31之间，最大年径流量在最小年径流量的2.5～3.5倍之间。各入湖河流径流量如表1所示。

表1 艾丁湖区域地表径流量统计

3 水资源开发现状及存在问题

截至目前，艾丁湖区域已建成水库17座，设计总库容18657.66万m3，其中中型水库6座，小(1)型水库8座，小(2)型水库3座；有在建水库1座，设计总库容3024万m3；已建成渠首18座，控灌面积7.86万hm2；已配套干、支、斗、农四级渠道6298.8km，防渗率80.86%。

艾丁湖生态区入湖水量不断减少，湖面萎缩，其生态区生态压力不断增大，恶化趋势明显。一是地下水位不断下降，生态、生活用水风险增大；二是陆生与水生物种植被消亡趋势加剧，区域生态恶化；三是区域土地沙化、沙漠化趋势有所反复，沙尘、盐尘天气爆发风险增大。

4 艾丁湖最低生态水位分析

生态水位是维护湖泊生态系统正常运行的合理水位，最低生态水位是其下限值，是维护湖泊生态系统正常运行的最低水位，湖泊生态基流是指维持湖泊最低生态水位的基本流量。根据艾丁湖区域特点，其生态基流主要由三部分组成，分别是河道水面蒸发量、湖区附近自然旱生植被的需水量及艾丁湖自身生态需水量。

4.1 河道水面蒸发计算

将流域多年平均蒸发量等值线图与河流水面分布图叠加，利用加权平均法计算各河流的多年平均蒸发强度，再乘以相应河流面积得到河道水面蒸发量。考虑到鱼儿沟等4条入湖河流水面面积均不足10万m2，此处忽略。最终计算的艾丁湖流域内10条主要河流水面蒸发耗水情况如表2所示。

表2 艾丁湖流域内10条主要河流水面蒸发耗水量

由表2可知，艾丁湖流域内10条主要河流水面总面积为3349.23万m2，河流多年水面平均蒸发量为1618.5mm，10条河流水面耗水总量为5420.73万m3。

4.2 植被生态需水量计算

采用面积定额法和潜水蒸发法对比计算艾丁湖自然旱生植被生态需水量。

4.2.1 面积定额法

植被生态需水定额的计算采取联合国粮农组织(FAO)提出的基于参考作物蒸散发量(ET0)、土壤水分限制系数(KS)及植物系数(KC)的计算方法，公式如下：

ETk=ET0×Ksk×Kck

式中：ETk为第k种植被的需水定额(mm)；ET0为参考作物的蒸散发(mm)；Ksk为第k种植被的土壤水分现值系数；Kck为第k种植被的植被系数。

不同植被类型的生态需水定额见表3，不同植被类型生态需水量见表4。利用面积定额法最终计算的湖区周边自然旱生植被的生态需水量为4.03亿m3。

表3 植被生态需水定额 单位：m3/亩

表4 不同植被类型生态需水

4.2.2 潜水蒸发法

艾丁湖区域降水稀少，入湖的14条主要河流只有白杨河在部分季节有水进入艾丁湖，其他河流在进入艾丁湖的路上断流，径流对自然旱生植被的补给微弱，可以认为天然植被的生存主要依靠地下水来维持，因此可以采用潜水蒸发法计算，其公式如下：

Wt=a(1-H/Hmax)bE601S

式中：Wt为植被生态需水量(m3)；S为地下水埋深为H时的植被面积(m2)；E601为601型蒸发皿水面蒸发量(m)；H为地下水埋深(m)；Hmax为地下水蒸发极限埋深(m)；a、b为与植被覆盖度、土质有关的经验系数。

经计算，得到湖区自然旱生植被的生态需水量为3.37亿m3。

4.2.3 结果合理性分析

面积定额法利用参考作物的蒸散发计算植被的生态需水，由于资料限制，本次计算气象站点覆盖度较低，参考作物蒸散发的计算结果不能内插到整个研究区，因此计算结果特异性较差；潜水蒸发法计算采用地下水埋深数据、植被系数、601型蒸发皿水面蒸发量和经验系数均为模型模拟和相似地区实测、实验结果，计算结果更加合理。因此采用潜水蒸发法计算结果3.37亿m3作为湖区植被生态需水量成果。

4.3 湖泊生态需水量计算

利用艾丁湖湖区的高程点，计算艾丁湖的湖容曲线，得到其不同等高线下的湖面面积及湖体容积如表5所示。由于湖区附近无监测计量的站点，因此入湖水量采用水量平衡方程推求，艾丁湖主湖区来水量主要消耗于蒸发和副湖区的补水，采用下式计算：

表5 不同等高线下艾丁湖的湖面面积和湖体容积

W入=W主湖末-W主湖初+E主湖+W副湖

W副湖=W副湖末-W副湖初+E副湖

E湖=E主湖+E副湖

式中：W入为时段入湖水量；W主湖末为时段末主湖湖水量；W主湖初为时段初主湖湖水量；W副湖末为时段末副湖湖水量；W副湖初为时段初副湖湖水量；E湖为时段内湖面总的蒸发量；W副湖为风吹走的水量。

根据2000-2015年遥感图像分析的历年各月湖区水面面积资料，使用上述方法推求历年入湖水量，结果如表6所示。将2005-2008年艾丁湖湖泊水体、河口湿地、盐生草垫的状态作为艾丁湖生态保护目标状态，其相应的入湖生态需水确定为0.60亿m3。

表6 2000-2015年艾丁湖入湖水量

综上，确定艾丁湖生态基流为4.51亿m3，其中入湖生态需水为0.60亿m3，河流蒸发需水0.54亿m3，旱生植被需水3.37亿m3。

4.4 最低生态水位确定

采用湖泊形态分析法分析确定艾丁湖最低生态水位，将湖泊库容作为湖泊水文和地形子系统特征的指标，湖面面积作为湖泊功能指标，则湖面库容变化率为湖泊库容与面积关系函数的一阶导数，其最大值相应水位即为最低生态水位，其采用下式计算：

F=f(H)

式中：H为湖泊水位(m)；F为湖泊面积(km2)；F为湖泊面积增加值(km2)。

根据艾丁湖主湖区湖容曲线，利用艾丁湖湖区的高程点，将表5中等高线H(m)进行内插计算艾丁湖的湖面面积F(km2)和湖面面积增加值△F(km2)，如表7所示。

表7 不同等高线下艾丁湖的湖面面积增加值

根据上表湖面水位H(m)和相应的湖面面积增加值△F(km2)建立水位x和面积y的增加率关系方程，y=-6.8933x4-4181.6x3-951208x2-100000000x-4000000000，对上式求导数，令其等于零，所得x的最小值即最低生态水位值为-150.81m。

根据2005-2008年主湖区多年平均水面面积和地形资料估算得出艾丁湖湖泊生态水位为-150.91m，与利用湖泊形态分析法计算成果相差-0.1m，差异较小，说明结果可信。综合考虑确定艾丁湖最低生态水位为-150.81m。

5 结论与建议

通过河流多年平均蒸发强度乘以相应河流面积得到入湖河道水面蒸发量，通过面积定额法与潜水蒸发法比对得到湖区自然旱生植被的生态需水量，通过湖容关系与遥感测量比对得到了湖泊生态需水量，最终得到了艾丁湖生态基流量。采用湖泊形态分析法分析确定艾丁湖最低生态水位为-150.81m的结论。

下阶段，应当进一步优化艾丁湖水资源配置体系，考虑区域水资源承载能力，合理配置用水；健全闸坝生态流量调度与统一管理，增加主要河流枯水期径流量，保障艾丁湖生态用水；在重要控制断面建设生态流量监测设施，强化艾丁湖生态水位的常态化监测和管控。