新疆白杨河流域河道内外生态需水的研究

张维克 吕德生 王振华 宋利兵 刘健 郝天鹏 唐宇鹏

摘要：新疆白楊河流域是干旱与极端干旱叠加型流域，水资源短缺导致生态用水被生产生活用水大量挤占。为了科学有效利用白杨河流域水资源，为该流域河流生态系统的水资源规划和优化配置提供理论依据，并且促进该流域经济社会生态协调发展，基于水文气象资料和遥感数据，采用Tennant法和面积定额法计算白杨河流域河道内河流生态需水量和河道外植被、湿地、城市生态需水量，进行新疆白杨河流域河道内外生态需水的研究。结果表明：维护白杨河流域生态稳定的最低生态需水总量为15 124.32万m3，其中河流生态需水5 964.45万m3，植被生态需水4 963.20万m3，湿地生态需水749.67万m3，城市生态需水3 447万m3。白杨河流域河流生态需水主要集中在6—9月，植被生态需水主要集中在7—8月，且流域下游的生态需水量需要得到保障。

关键词：白杨河流域；生态需水量；生态系统；水资源

中图分类号：TV213文献标志码：A文献标识码

Study on ecological water requirement inside and outside the rivers of Baiyang River Basin in Xinjiang

ZHANG  Weike1，2，3，L Desheng1，2，3*，WANG  Zhenhua1，2，3，SONG  Libing1，2，3，LIU  Jian1，2，3，

HAO  Tianpeng4，TANG  Yupeng1，2，3

（1 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China;

2 Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group，Shihezi，Xinjiang 832000，China;

3 Key Laboratory of Northwest Oasis Water-Saving Agriculture，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，P. R. China，

Shihezi，Xinjiang 832000，China; 4 Xinjiang Baiyang River Basin Management Bureau，Urumqi，Xinjiang

830000，China）

Abstract：  The Baiyang River Basin in Xinjiang is a region with combined drought and extreme aridity，where water scarcity has resulted in a significant trade-off between ecological water use and water allocation for industrial and domestic purposes.In order to scientifically and effectively utilize water resources，provide theoretical basis for water resource planning and optimal allocation of the river ecosystem in the Baiyang River Basin and promote coordinated development of economy，society and ecology of the watershed，the ecological water requirement of rivers in the Baiyang River Basin and of vegetation，wetland and urban ecology are calculated by Tennant method and area quota method based on hydrometeorological data and remote sensing data，and studies the ecological water demand inside and outside the Baiyang River Basin in Xinjiang.Results showed that the minimum ecological water requirement for maintaining ecological stability of the Baiyang River Basin is 151.243 2 million m3，including 59.644 5 million m3 for river ecological water requirement，49.632 million m3 for vegetation ecological water requirement，7.496 7 million m3 for wetland ecological water requirement，and 34.47 million m3 for urban ecological water requirement.The river ecological water requirement in the Baiyang River Basin is mainly concentrated from June to September，while the vegetation ecological water requirement is mainly concentrated in July and August.Additionally，ensuring the ecological water requirement in the downstream areas of the basin is crucial.

Key words： Baiyang River Basin;Ecological water requirement;Ecosystem;Water resource

流域生态需水是指维持流域水资源健康循环，保证生态系统平衡发展所需的水量［1］。对于干旱区而言，水资源是发展区域经济的主要限制因素，也是保护生态环境的关键因素［2］；水资源的过度开发对生态系统干扰程度逐渐加剧，致使流域生态用水不足，影响了河流水生生物及周边生态植被的生存环境，破坏了生物多样性和区域生态平衡，进而导致流域生态功能退化［3-4］，由此认为研究流域生态需水是协调水资源与生态环境间的矛盾和实现水资源合理规划配置的关键。

国内外学者对生态需水进行了大量研究，其研究领域涵盖不同时间、不同类型的生态需水，并且运用的理论方法也不尽相同。在研究流域河道内生态需水中多运用水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法计算生态流量，例如：Zhao等［5］基于MIKE 21模型构建黄河重点河段的栖息地模拟模型，建立了考虑物种生存繁殖的河流生态完整性生态需水评估方法；李肖杨等［6］运用不同的水文学法计算河道生态需水量，确定出Tennant法更適用于孔雀河流域。在研究流域河道外生态需水中主要是利用面积定额法、潜水蒸发法和遥感法等计算生态植被需水量，例如：Zhang等［7］通过遥感卫星影像数据计算了基准年植被的蒸散量，并根据不同的需水量空间区域，采用面积定额法得到了乌海市植被的生态需水量；宋孝玉等［8］基于Penman-Monteith公式计算出内蒙古鄂托克旗不同类型天然草地的生态需水量和生态缺水量；刘新华等［2］采用潜水蒸发法和面积定额法估算出塔里木河下游生态植被最小需水量。

至今，国内外生态需水的研究大多集中在河道内生态需水和河道外植被生态需水，而湿地和城市作为生态系统中重要的一部分，却少有学者研究其生态需水，因此，开展生态系统河流、植被、湿地和城市的生态需水计算具有十分重要的意义。

白杨河流域是新疆境内重要的流域，乌鲁木齐、吐鲁番等都地处该流域内，随着该流域水资源开发利用程度增大，其水资源总量减少，该流域部分河段出现季节性断流，生态需水严重不足，生态环境退化［9］。本文根据白杨河流域流域水文气象数据资料，通过计算该流域河道内河流生态需水量及河道外植被、湿地、城市生态需水量，旨在为该流域水资源优化配置以及生态修复与保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆白杨河流域（88°10′～89°11′E，42°29′～43°48′N）地处博格达山、喀拉乌成山和觉罗塔格山之间，地形呈西北高东南低之势，其水系发源于东天山支脉博格达山。流域上游主要由黑沟河、阿克苏河和高崖子河3条支流汇聚而成，干流白杨河流径乌鲁木齐市达坂城区、吐鲁番托克逊县，自北向南沿天然河道最终流入艾丁湖，其间有柯尔碱沟等小支流汇入，流域全长150 km。

白杨河流域内降水稀少，蒸发量大，气候干燥，主要依赖冰川融水和降水补给，径流季节性变化大。流域内水资源利用总面积为5 173.40 km2，地表水资源量2.67亿m3，地下水资源量1.26亿m3，水资源总量为3.09亿m3，其中白杨河干流最为典型，流域面积最大，多年平均径流量为1.26亿m3。

1.2 生态系统分类

本文将白杨河流域分为河道内和河道外两个部分，按照流域生态系统各部分的不同生态需水类型进行核算，各生态系统需水类型见表1。将生态系统各部分的生态需水量分别进行计算相加，即为白杨河流域生态需水总量。

1.3 数据来源

本文径流数据来源于白杨河流域水文巡测站径流资料（1980—2020年）修正数据，气象及遥感解译数据由新疆白杨河流域管理局提供，城市用水数据选取于《新疆统计年鉴》、《乌鲁木齐年鉴》、《吐鲁番年鉴》及新疆白杨河流域规划统计的城市生态需水结果。

1.4 流域生态需水计算方法

1.4.1 河道内生态需水

河道内生态需水主要是河流生态需水，用来维持河道基础功能的需水量，其中包括河流基础需水量和河流水面蒸发量两部分。河流基础生态需水量Wt采用Tennant法［10］中公式计算。

的计算，采用目前最为广泛的水文学方法Tennant法［10］，此方法将用水期分为一般用水期和鱼类产卵育幼期，以多年平均径流量为标准划分等级。根据前人的研究对比，Tennant法更适合干旱区和半干旱区河流基础生态需水量，其计算公式为：

Wt=k·Qa［11］，（1）

式中：Wt为河流基础生态需水量（万m3）；Qa为河流多年平均径流量（万m3）；k为生态需水系数。

考虑到白杨河流域径流季节性变化大，本文对将径流量分为丰平枯3个阶段，其中，丰水期（6—9月）k选取多年平均径流量的20%，平水期（4—5月和10—11月）k选取多年平均径流量的10%，枯水期（12—3月）k选取多年平均径流量的5%。

水面蒸发量Wo根据白杨河流域内河流的多年平均径流量，并参照马莲净［11］研究得出的公式获取经验系数计算。

Wo=Q·α［12］，（2）

式中：Wo为河流水面蒸发量（万m3）；Q为河流多年平均径流量（万m3）；α为经验系数，与河流、气候特征有关。

1.4.2 河道外生态需水

河道外生态系统类别分为植被、湿地和城市，生态需水量的计算方法采用面积定额法。鉴于数据的完整性和可靠性，本研究采用年鉴数据统计结果计算城市生态需水。根据前人研究评估分析计算人工湿地水库渗漏量。

面积定额法是计算生态植被需水量最简单常用的方法，其计算公式为：

W植被=ET·A［13］，（3）

生态植被需水量W植被和生态植被耗水定额ET分别采用贾宝全等［12］、Allen等［13］推导出的公式计算。

ET=Kc·ET0［14］，（4）

式中：ET为实际植被蒸发蒸腾量（mm）；Kc为植被系数；ET0为植被蒸发蒸腾量（mm/d）。

目前多数研究中植被系数Kc是根据已有的研究经验，采用固定值，但实际上Kc与植被生长环境、生长阶段以及潜水埋深等因素有关。因此，本文采取植被生长水分墒情监测和光谱生态气象监测两种方法，分别对不同生长环境及生长阶段的植被蒸散量进行连续监测，并取其平均值计算植被系数Kc。生态植被需水ET0按采用联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith（彭曼法）计算，各参数的具体计算方法参考Allen等［13］推导出的相关公式。

2 结果与分析

2.1 河道内生态需水

由于白杨河流域内无国家基本站实测资料，各水文巡测站资料时间序列不一，本文根据前人对白杨河流域长短系列（1980—2020年）订正后多年平均径流量数据［14-15］，运用Tennant法［10］计算河流基础生态需水量，其计算结果见图1。

由图1可知：白杨河流域生态流量1.68 m3/s，河流基礎需水量5 313.37万m3，占多年平均年径流量的15.58%，流域内的河流为季节性河流，河流基础生态需水主要集中在丰水期，占河流基础生态  需水总量80.74%。白杨河作为流域内最为典型的河流，其基础生态需水量也最大，为1 584.15万m3，占流域基础生态需水量的29.81%。

通过白杨河流域水系的多年平均径流量，结合前人研究结果［11］，取经验系数α=0.019，可算得白杨河流域内的河流水面蒸发量648.08万m3。河道内生态需水量及总量计算结果见表2。

2.2 河道外生态需水

2.2.1 植被生态需水

由植被生长水分墒情监测和光谱生态气象监测两种监测方法所得其植被系数Kc与彭曼法计算ET0结果如图2所示。

流域生态植被耗水定额的计算结果（图3）显示：在年内1—8月间逐月递增，7—8月呈耗水峰值，年内9—12月间逐月递减，1—12月呈最小值，下游托克逊地区大于上游达坂城地区。

根据流域遥感勘察解译数据，流域生态植被类型主要包括上游达坂城地区的河谷疏林、河谷灌丛、河漫滩草甸和下游艾丁湖周边分布的骆驼刺草地，流域河流水系生态植被面积统计结果如表3所示。

根据生态植被分布类型面积和上述所得生态植被耗水定额，利用贾宝全等［12］得出的公式计算出白杨河流域的植被生态需水总量为4 963.20万m3，其中，上游达坂城地区的植被生态需水686.50万m3，下游托克逊地区的植被生态需水4 276.70万m3。

2.2.2 湿地生态需水

湿地具有贮存水源、调蓄洪水、净化水体等多重功能，是生态系统中非常重要的一部分，然而与其重要性不符的是湿地生态需水在相关研究中往往是不予考虑的。本文根据白杨河流域生态系统计算湿地生态需水，并将湿地分为天然湿地和人工湿地两种类型进行研究。

白杨河流域天然湿地主要为湿地草甸，其分布面积为1 505.42 hm2。根据生态植被耗水定额计算结果，运用贾宝全等［12］得出的公式计算出该流域天然湿地生态需水量为712.17万m3，其中，上游达坂城用水量为649.53万m3，下游托克逊用水量为62.64万m3，详细分布面积及结果见表4。

人工湿地主要是上游达坂城引用黑沟河水建成的红坑子水库，引水干渠12.30 km，设计库容300万m3。根据红坑子水库坝后渗流评估分析［16］，水库蓄水运行期库区蓄水入渗率 φ=12.50%，水库入渗补给地下水量约37.50万m3。白杨河流域湿地生态需水总量为749.67万m3。

2.2.3 城市生态需水

白杨河流经乌鲁木齐市达坂城区和吐鲁番市托克逊县，是城乡经济社会发展的重要保障，因此，为保障经济社会的和谐发展，城市生态需水在流域水资源分配中应予以考虑。本文根据统计资料及城市规划生态用水结果可知，该流域内建成区生态面积为7 537.10 hm2，生态需水量为3 447万m3，结果见表5。

2.3 白杨河流域生态需水总量

根据以上各部分生态需水量的计算，汇总白杨河流域生态需水总量见表6，可知维持白杨河流域基本生态稳定的最小需水量为15 124.32万m3，其中，河道内生态需水5 964.45万m3，占生态需水总量的39.43%，河道外生态需水9 159.87万m3，占生态需水总量的60.57%。

从白杨河流域来看，河流生态需水量占比最大，为39.43%，达到5 964.45万m3，原因主要是河流生态需水是生态系统中最基本的需水量，是保证河流有足够流动的水，使其主要或基本的生态功能不致丧失。因此，保障河流的基本生态需水量是生态用水保护的重中之重。植被生态需水量占比为32.82%，说明研究区植被自然蒸散耗水较大，需要较多的生态用水用于维护。城市建成区生态面积7 537.10 hm2，但生态需水量占生态需水总量的22.79%，原因主要是人工绿地需水定额较高，所用来维护城市绿地的生态用水也较多。湿地水库生态需水最小，占4.96%，说明研究区内湿地水库面积较小，蒸发渗漏量较少，所需生态用水量最少。

从流域河段来看，上游达坂城地区植被生态需水量远小于下游托克逊地区，导致这种差异的原因主要有两个，其一是下游托克逊地区生态植被分布面积远大于上游达坂城，这也是最重要的原因，其二是白杨河流域降水主要集中在上游达坂城地区［17］，植被生态需水相对较少，下游干流白杨河沿途和托克逊地区降雨量稀缺，植被生态需水相对较多，另外，图3的生态植被耗水定额柱状图也反映出下游托克逊地区的降雨稀少、高温耗水高的生态环境。白杨河流域上游达坂城地区城市绿地面积小于下游托克逊地区，但是城市绿地用水量却远大于下游城市绿地用水量，这是因为下游托克逊地区城市绿地选用的是耐高温、耐干旱的绿地植被，这类植被耗水定额相对较低，所以城市绿地需水也就小于达坂城地区，这也反映出下游托克逊地区水资源短缺的实际情况。

3 讨论

本文研究表明白杨河流域生态需水总量占水资源量的38.52%，而前人对西北干旱区生态需水量做出估算，其需水量约占水资源量的23.79%～84.23%之间［18］，这说明本文研究白杨河流域生态需水量的计算结果是可信赖的。但由于白杨河流域开发和利用程度过高，河道的几个部分已经出现了全年断流的状况［9］，本文计算的河道内生态需水量为5 964.45万m3，占水资源量的15.19%，参考理论界认为的河道内生态需水占水资源量的40%［19］，此计算结果是偏小的，因为本研究只计算了河流基础需水量和河流蒸发量两部分的生态需水，没有考虑输沙、沿程渗漏以及水体自净等方面的需水，且Tennant法［10］计算的河流基础需水量为最低生态需水标准，这一结果仅能满足其最基本的生态目标。因此，随着各种生态保护措施的实施，生态用水保障得到日益完善，可以对流域生态目标提出更高的要求，以此来保障河流生态流量和流域水系统的有效循环。

白杨河流域周围植被分布广泛，是保护生态的重要屏障，但由于流域气候干旱，降雨稀少，这些生态植被只能依靠河道补给地下水生存［20］。本文研究的河流生态需水量大于植被生态需水量，根据计算得知，河流生态需水主要集中在丰水期（6—9月），而生态植被耗水定额的耗水峰值也是在7—8月，由此可知：在需水量最大时期河流流量能够满足补给植被生态需水的要求。另外，下游托克逊地区地下水属于中型严重超采区，它威胁到骆驼刺草地的生长，植被退化趋势明显，艾丁湖生态堪忧，且流域下游需水敏感的生态植被受灌区引水影响，已无法得到满足，周边植被均出现不同程度退化现象［21］，由此本文提出注重其天然植被的保护和防止植被退化造成生态环境的恶化势在必行。

白杨河流域是典型的灌溉农业区，其农业活动极大地影响了流域的生态环境，上游达坂城地区的地表水被大量引用，导致下游出现超采地下水、河流断流、挤占生态用水等现象［20］，使得托克逊地区生态用水量远低于其最佳需水量。因此，针对目前流域水资源分配不均，农业用水挤占生态用水的现状，通过本文研究计算出的白杨河流域生态需水量，可以为流域水资源合理配置提供科学依据，即在确保国民经济可利用水量时，要从水资源量中首先扣除这部分水量，以保证白杨河流域脆弱的生态环境能够得到有效改善，实现流域水资源可持续发展。

4 结论

以白杨河流域为研究对象，从河道内、外两部分对流域生态需水量进行计算，主要得出以下结论：

（1）白杨河流域生态需水量为15 124.32万m3，占流域水资源量的38.52%，影响白杨河流域生态需水的主要因素是河道内河流生态需水和河道外植被生态需水。

（2）白杨河流域为季节性河流，运用Tennant法计算的其生态需水量在河流的丰水期时最大，实施生态补水调水应该在河流丰水期，以此来保证河流的基本生态需水。

（3）考虑植被系数变化所得到的生态植被耗水定额，在7—8月呈耗水峰值，1—12月呈最小值，流域下游托克逊地区耗水定额大于上游达坂城地区，两者耗水变化规律一致。

（4）白杨河流域河段水资源分配不均，上游大量引用地表水，下游地表水资源量严重不足，加之降水量的差异，下游生态需水量大，在水资源优化配置上应首先满足下游生态需水量。

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（责任编辑：编辑张忠）