基于生态恢复的阿克苏河流域生态输水调度优化研究

聂 艳， 郭永瑞， 谭 盈,2， 黄卫东， 刘新华

（1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079；2.中国城市规划设计研究院深圳分院，广东 深圳 518000；3.新疆维吾尔自治区塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 841000）

近年来学术界和工程界使用生态输水调度提法越来越多，但一直没有对其给出明确定义，主要体现在关于生态目标的选取以及优化调度目标的先后次序上［1-4］；大部分学者认为是将生态因素考虑到水库、湖泊调度和区域水资源配置中，旨在恢复受损的自然生态系统，促进生态系统自我修复能力而实施的各项工程调度措施的统称［5-8］。20世纪70年代，塔里木河道完全断流，下游地下水位显著下降，河道两岸的自然植被大面积退化并伴随较严重的土地荒漠化［9-11］。为拯救断流近30 a、濒于毁灭的“绿色走廊”，于2001年启动塔里木河流域生态输水工程，经过21 次累计84.3×108m3的生态输水，塔河下游生态环境发生了巨大变化，地下水位呈明显上升，天然生态逐步恢复，生态环境明显改善［12-16］；邓铭江等学者也根据多年连续监测数据，对塔河下游生态调度策略与模式进行了探讨［1,5］；而对塔河上游、塔河源流生态输水影响和调度的研究非常有限。2017 年阿克苏河被纳入塔里木河流域胡杨林重点保护区生态补水区，利用主汛期和灌溉间歇期，实施生态输水工程，4 a 累计输水3.5018×108m3。其中4 次向艾希曼湖区累计输水2.2285×108m3；2 次向第一师边缘胡杨林区输水1.2733×108m3。生态输水后天然湖泊逐步恢复，自然植被明显好转［17-20］。但目前的生态输水并未完全覆盖流域内自然植被重点区域，生态输水闸口距离自然植被分布区较远，影响了输水效果。因此，本文在系统识别流域自然植被重点区和科学估算生态需水的基础上，借助输水网络分析建立阿克苏河流域基于生态恢复目标的生态输水调度优化框架，以期为下一步阿克苏河流域生态输水调度、生态输水响应和生态用水精细管理等提供参考借鉴。

1 研究区概况

阿克苏河流域位于新疆维吾尔自治区西部，地理位置介于40°08′～41°35′N，78°47′～82°43′E之间，流域内总面积约为5.3×104km2。流域内由上游库玛拉克河和托什干河汇合后史称阿克苏河，阿克苏河与流域南侧由南至北流入的叶尔羌河、和田河于三河源汇合后注入塔里木河，是塔里木河最大的源流，年均径流量为78.2×108m3；具有明显的大陆性季风气候，干燥少雨，典型的荒漠植被有胡杨（Populus euphratica）、柽柳（Tamarix chinensis）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、芦苇（Phragmites australis）等［17-20］。目前阿克苏河流域生态输水主要通过四条输水通道完成（图1）。其中，向艾希曼湖湿地进行生态输水的输水通道有三条，一是从西大桥分水枢纽配水经胜利渠、阿音柯干渠到6 号闸、7 号闸向艾希曼湖区的萨依力克湖补水，通过8 号闸向艾希曼湖区的皇宫湖补水；二是通过胜利渠48分水闸向艾希曼湖区的一团海子湿地补水；三是从西大桥分水枢纽配水经老大河到第1 分水闸经洋瓦力克渠到阿瓦提县3号闸向艾希曼湖补水。向第一师边缘胡杨林区进行生态输水的输水通道分布在塔南灌区，主要依托塔南二干渠完成。

图1 阿克苏河流域生态输水路径及自然植被重点区Fig.1 Sketch map of ecological water conveyance route and key natural vegetation regions in Aksu River Basin

2 数据与方法

2.1 数据来源

选取2015—2020 年覆盖研究区植被生长期内少云、可见度高、覆盖全流域的高分1 号影像，以及部分覆盖了胡杨林集中分布的高分2 号影像，数据来源于中国卫星应用中心（http://www.cresda.com/CN/）。应用ENVI 5.3 软件对原始遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、镶嵌和裁剪、图像融合等预处理。借助CART（Classification and regression tree）决策树监督分类来提取自然植被信息，选择验证样本区进行精度评价，Kappa 系数均在0.83以上，识别精度较高［21-23］。

2.2 研究方法

2.2.1面积定额法 自然植被的生态需水量通过面积定额法计算［20,24］，公式如下：

式中：W为自然植被生态需水总量（m3）；wi为植被类型i的生态需水量（m3）；Ai为植被类型i的面积（hm2）；ri为植被类型i的生态需水定额（m3·hm-2）。参考《阿克苏河流域管理志》，确定艾希曼湖湿地区和第一师边缘胡杨林区的林地灌溉定额为5500 m3·hm-2，灌木/草地的灌溉定额为4750 m3·hm-2；五团边缘胡杨林区和流域下游胡杨林区的林地灌溉定额为6150 m3·hm-2，灌木/草地的灌溉定额为5250 m3·hm-2。

2.2.2水量平衡法 艾希曼湖为干旱区内陆湖泊，湖泊生态需水量主要为入湖水量，即水面蒸发耗水量、湖泊渗漏量与降水补给量之差。采用水量平衡法计算湖泊生态需水量［20,25］，公式如下：

式中：W为湖泊总生态需水量（m3）；Wj为各月湖泊生态需水量（m3）；E20j为第j月20 m2蒸发池水面蒸发量（mm）；Qj为第j月湖泊渗漏水量，渗漏量为0.01 mm·d-1；Pj为第j月平均降水量（mm）；S为湖泊面积（hm2）。

3 流域生态输水调度优化研究

3.1 自然植被重点区的识别

为获取流域内集中连片的自然植被重点分布区域，以借助CART 建立的阿克苏河流域自然植被数据集为基础，逐像元统计2015—2020年阿克苏河流域自然植被（胡杨和灌木为主）的分布频次和面积（表1），2015—2020 年自然植被分布频次为1～6次，数值越大，表示自然植被出现的频次越高，植被生长越稳定。

表1 重点区域内自然植被频次分布面积统计Tab.1 Area of natural vegetation frequency distribution area in key regions /km2

流域内胡杨等自然植被重点区主要分布在东北方向的五团边缘胡杨林区、艾希曼湖湿地区、第一师边缘胡杨林区3个区域（图1），自然植被除了胡杨外，多以芦苇、柽柳、骆驼刺、梭梭、罗布麻等灌木为主。从空间分布频次看，自然植被的分布频次由中间向四周递减，中心区域的分布频次可达到4～6次，胡杨等生长相对稳定；边缘分布频次低至1～2次，自然植被生长易遭到人为破坏。第一师边缘胡杨林区的胡杨林生长最稳定，胡杨分布频次高达5～6次的面积占比最大。阿克苏河沿线两侧也广泛分布着胡杨等自然植被，且分布频次较高，有些地方达5～6次，胡杨等自然植被生长稳定。

3.2 生态需水量的估算

本文将流域内3个自然植被重点区域作为流域植被修复的主要区域，自然植被和天然湖泊是流域生态系统内主要的生物因子和非生物因子，因此，以修复流域内自然植被重点区域内的自然植被和天然湖泊作为生态输水修复目标。

3.2.1自然植被生态需水量 以恢复和维持自然植被群落生态结构和生态功能的稳定性作为自然植被恢复的出发点，以2015—2020 年阿克苏河流域3个重点区域内自然植被分布频次≥2 的范围作为恢复目标下的面积，计算生态恢复目标下自然植被的生态需水量。通过面积定额法计算获取3个自然植被重点区域2020年自然植被的生态需水量，再结合流域灌溉水利用系数（0.55）得到艾希曼湖湿地区、第一师边缘胡杨林区、五团边缘胡杨林区3 个自然植被重点区的实际生态需水量分别为0.86×108m3、2.73×108m3、1.14×108m3，合计约4.73×108m3。

3.2.2天然湖泊生态需水量 尽管近几年来艾希曼湖天然水面面积逐年扩大，但相对20世纪90年代，天然水面面积萎缩较为严重，尤其是西部和南部一团海子、二团海子及东南部水域明显缩小；如果仅以2015—2020 年艾希曼湖的水面变化来考虑天然湖泊恢复目标所需的生态需水量，难以满足艾希曼湖水面持续恢复的需求。因此，结合前期研究成果，以1996年艾希曼湖水面面积（61.57 km2）作为天然湖泊的恢复目标，采用水量平衡法计算艾希曼湖湿地天然湖泊的生态需水量。统计艾希曼湖湿地近50 a的年气象数据，参考前期研究成果［20］，计算得到艾希曼湖湿地自然湖泊单位面积生态需水量为10809 m3·hm-2，即艾希曼湖湿地自然湖泊达到恢复目标所需的年生态需水量为0.67×108m3。

3.3 生态输水时间的确定

生态输水时间的确定，一方面需要考虑自然植被对生态用水的需求，另一方面是水资源实际情况对生态用水的限制，流域总水量的季节变化和绿洲农业用水量的季节差异直接影响流域内生态用水量的季节差异。流域内主要的地表水来源为阿克苏河，根据《阿克苏河流域志》统计阿克苏河上游2个出山口水文站的多年月径流量，以2021年流域内阿克苏河为主要引水源的各个灌区计划用水量为例（表2），估算阿克苏河生态用水量的季节变化。在保障流域内作物灌溉需求的情况下，10月—次年4 月，流域内生态用水量都不足2×108m3，生态输水时间在5—9 月的存量充足，7 月和8 月的生态用水存量最多。

表2 阿克苏河流域月生态用水量分配Tab.2 Monthly distribution of ecological water consumption in Aksu River Basin /108m3

结合流域GF-1 影像获取的自然植被年内NDVI时序变化发现流域自然植被从6月开始进入快速生长期，直到10 月开始落叶；再对比流域的4 次生态输水，发现2020年6月实施的9 d 0.12×108m3的小流量、短时间生态输水后自然植被的NDVI 无明显变化，而其他时间实施生态输水后的当月或滞后1个月左右，自然植被的NDVI 呈现明显上升趋势。因此，阿克苏河流域实施生态输水的时间建议在5—9月对自然植被的生长补给最合适。

目前阿克苏河流域生态输水工作一年进行1～2次，一年内进行单次生态输水工作安排在7—8月对水资源的利用效率最高，自然植被生长对水资源补给的需求也大；一年内进行2 次生态输水的工作安排则可以在自然植被进入快速生长期之前，即5—6月增加一次输水工作，结合流域自然植被与生态输水的响应关系，建议单次输水量应多于0.2×108m3、输水天数多于10 d以保证生态输水的效果，7—8月再进行第2次生态输水。

3.4 生态输水路径的优化

当前阿克苏河流域的生态输水，没有覆盖东北方向的五团边缘胡杨林区，对第一师边缘胡杨林区的生态输水沿塔南二干渠穿过胡杨林区，但开设的生态输水口却在第一师边缘胡杨林区的东部，离自然植被主要分布区较远，生态输水过程中由于生态水的下渗和向周围水平的扩散并伴随着蒸发、蒸腾的消耗，生态输水效果减弱。为科学合理确定流域生态输水途径，本文针对艾希曼湖湿地、第一师边缘胡杨林区和五团边缘胡杨林区3个自然植被重点区，结合流域现状渠系网络和地形坡度，构建流域生态输水网络数据集，通过最小距离成本求解并提取生态输水起点至终点的最短路径；由于阿克苏河流域采取面状生态输水的方式，输水闸口应该设置在区域内的高处，以提高生态输水的效率。

基于30 m空间分辨率的全球数字高程模型ASTER GDEM提取流域及3个自然植被重点区的高程分布特征（图2）。阿克苏河流域内西北高、东南低，其中，艾希曼湖湿地北部、东部高，南部、西部低，适宜在湿地的北部、东部选取输水闸口；第一师边缘胡杨林区西高东低，适宜在区域的西部选取输水闸口；五团边缘胡杨林区北高南低，适宜在区域的北部选取输水闸口。各区域选取2～3个海拔较高的输水闸口，作为网路分析的目标停靠点。

流域内的引水枢纽/拦河闸作为渠系网络分析的起点（图2），主要包括联合渠首、西大桥引水枢纽、协合拉引水枢纽、柯柯牙尔龙口、台兰河龙口、五团龙口、塔里木拦河闸等，其中，联合渠首、西大桥引水枢纽、协合拉引水枢纽和塔里木拦河闸等从阿克苏河引水，柯柯牙尔龙口、台兰河龙口、五团龙口分别从柯柯牙河、台兰河、喀拉玉尔衮河引水。

图2 阿克苏河流域生态输水的引水枢纽和输水闸口示意图Fig.2 Sketch map of water diversion project and water gate of ecological water conveyance in Aksu River Basin

确定目标停靠点和输水起点，基于阿克苏河流域的现有渠系分布，应用ArcMap 10.2 软件Network Analyst功能模块进行网络分析［26］，计算由引水枢纽/拦河闸到各个目标停靠点，即生态输水闸口的最短路径，形成阿克苏河流域生态输水最优参考路径（图3）。

从图3 可以看出，通过西大桥引水枢纽和塔里木拦河闸引阿克苏河水至艾希曼湖湿地、第一师边缘胡杨林区和流域下游胡杨林区，输水期间的流量可以满足2 个区域的生态用水；通过五团龙口引喀拉玉尔衮河水至五团边缘胡杨林区，喀拉玉尔衮河多年平均径流量为2.2×108m3，可以满足五团边缘胡杨林区的生态用水。上述模拟得到的生态输水路径可以作为今后流域生态输水工程的参考（表3）。

表3 阿克苏河流域生态输水路径优化方案Tab.3 Optimization of ecological water conveyance path of Aksu River Basin

图3 阿克苏河流域生态输水最优路径示意图Fig.3 Sketch map of optimal path of ecological water conveyance in Aksu River Basin

4 结论

（1）根据自然植被的空间频度图确定了3个自然植被重点区，以恢复自然植被的群落稳定性、满足天然湖泊水面扩大需求作为出发点，估算得到艾希曼湖湿地、第一师边缘胡杨林区、五团边缘胡杨林区的生态需水量分别为1.53×108m3、2.73×108m3、1.14×108m3。

（2）结合流域生态用水存量的分配和自然植被生长对水资源需求的变化特征，建议流域实施生态输水的时间在5—9月比较适宜，一年内可进行单次或2次生态输水，为确保生态输水效果，单次输水应需达到一定的输水量和输水天数。

（3）基于阿克苏河流域的引水枢纽和渠系网络，建立了阿克苏河流域输水网络数据集，将筛选确定的输水闸口作为生态输水的目标停靠点，借助GIS 网络分析识别了流域3 个自然植被重点区的生态输水最优路径，第一师边缘胡杨林区的生态输水距离最远，超过70 km。