西北干旱區(qū)水資源利用與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)研究
——以新疆白楊河流域為例

孟江麗

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

1 白楊河流域概況

新疆白楊河流域位于新疆準噶爾盆地西北邊緣，地理位置介于東經(jīng)83°51' ～85°59'，北緯45°20'～46°48'之間，在行政區(qū)劃上涵蓋塔城地區(qū)和布克賽爾蒙古自治縣、額敏縣、托里縣的一部分、克拉瑪依市的大部分地區(qū)以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)七師的137 團和農(nóng)九師的170 團，流域總面積約1.64 萬km2。白楊河流域內(nèi)山區(qū)河網(wǎng)發(fā)育，主要河流有白楊河、布爾闊臺河、科克塔勒河、達爾布圖河和克拉蘇河等(圖1)。其中白楊河發(fā)源于烏日可下亦山、加依爾山及賽米斯臺山，流經(jīng)莫合臺山間盆地、白楊河洼地及烏爾禾沖洪積平原，最后流入艾里克湖。白楊河流域的總體地勢為自西北向東南傾斜，艾里克湖為流域最低處。白楊河流域的地表水資源量為3.94 億m3，地表水可利用量為2.45 億m3;地下水資源量為3.73 億m3，地下水可開采量為1.5 億m3;另外，從外流域引水2005 年約1.3 億m3，2020 年和2030 年約2.6 億m3。

圖1 新疆白楊河流域河流水系示意圖

莫合臺洼地、白楊河洼地和艾里克湖均為白楊河流域內(nèi)天然形成的自然生態(tài)地貌，其自然植被的衰敗和面積變化是流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好壞的晴雨表，也是反映人類開發(fā)利用水資源是否適宜的指示針。莫合臺洼地為布爾闊臺河與白楊河沖洪積扇的扇間洼地，面積約150 km2，洼地內(nèi)植被茂密，沼澤成片，主要接受布爾闊臺河、科克塔勒河和白楊河的入滲水補給。白楊河洼地主要由白楊河沖積而成，面積約360 km2，洼地內(nèi)沼澤地、鹽堿地成片，河流階地上生長有茂密的天然林，植被茂密，沿河谷形成綠色的條帶。如果莫合臺洼地和白楊河洼地內(nèi)的生態(tài)植被衰退，周邊居民將遭受沙塵影響。艾里克湖是白楊河的尾閭，20世紀70 年代以前湖泊面積約60 km2，湖中有蘆葦和少量的野生魚生長。隨著白楊河水庫、白堿灘水庫和黃羊泉水庫的陸續(xù)建成，以及克拉瑪依市生產(chǎn)、生活用水量的增加，白楊河流入艾里克湖的水1991 年被徹底截斷，1995 年艾里克湖干涸，造成湖泊周圍數(shù)十平方公里的自然植被枯萎，中國第2 大沙漠——古爾班通古特沙漠不斷向克拉瑪依市逼近。近幾年，為了遏制艾里克湖周邊生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，克拉瑪依市政府從2001 年起每年定期向艾里克湖補水5 000 多萬m3，到2008 年，干涸了多年的艾里克湖又重現(xiàn)生機，湖水面積逐漸擴大，目前已達50 km2左右。

2 白楊河流域內(nèi)地表水與地下水的2 次水循環(huán)

以白楊河水庫為界，白楊河流域的地表水與地下水在上、中、下游有2 次大的水循環(huán)。位于上中游的第1 次水循環(huán)主要給莫合臺洼地和白楊河洼地補水，位于下游的第2 次水循環(huán)主要給艾里克湖補水。

第1 次水循環(huán)是在白楊河水庫以上，布爾闊臺河和科克塔勒河等諸小河流的水在出山口后下滲轉(zhuǎn)化成地下水，而后在莫合臺洼地溢出，形成克拉蘇河;克拉蘇河與白楊河河水流至白楊河水庫壩址一帶時，受基巖隆起正斷層上升盤的阻水作用，形成白楊河洼地溢出帶。

第2 次水循環(huán)是在白楊河水庫以下，克拉蘇河與白楊河河水流出白楊河谷地后，與達爾布圖河共同形成沖洪積平原，地表徑流在沿途滲入補給地下水，最后以河床潛流形式補給艾里克湖。

3 研究思路及方法

3.1 研究思路

本研究以保護流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境為基本原則，首先對白楊河流域的水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀進行調(diào)查評價，找出流域內(nèi)的主要生態(tài)敏感區(qū)(莫合臺洼地、白楊河洼地和艾里克湖)，再利用遙感技術(shù)［1-2］對各生態(tài)保護目標歷史時期的自然植被面積變化情況進行分析，確定自然植被保護規(guī)模，然后基于水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和規(guī)劃方案，在白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間擬定兩套輸水工程方案，采用蒸散模型［3］和水量平衡模型［4］預(yù)演這兩套方案下主要生態(tài)敏感區(qū)的耗水量和面積變化情況，從而建立水資源開發(fā)利用整體方案與生態(tài)環(huán)境狀況之間的響應(yīng)關(guān)系，在統(tǒng)籌考慮流域上、中、下游生態(tài)環(huán)境用水量，兼顧3 大生態(tài)保護區(qū)(莫合臺洼地、白楊河洼地和艾里克湖)生態(tài)安全的基礎(chǔ)上，確定白楊河流域合理的水資源開發(fā)利用方案。

3.2 研究方法

3.2.1 蒸散模型

用Priestley-Taylor 公式［3］計算濕潤表面蒸散量，實際蒸散量ETa的計算公式為

式中:a 為常數(shù);Δ 為溫度飽和水汽壓曲線斜率;γ 為干濕表常數(shù);Rn為地表凈輻射;G 為土壤熱通量;EA為干燥力。

圖2 白楊河流域水量平衡計算框圖

3.2.2 水量平衡模型

白楊河流域的水量平衡計算框圖見圖2。

4 水資源開發(fā)利用方案和生態(tài)保護目標

4.1 水資源開發(fā)利用方案

根據(jù)白楊河流域內(nèi)塔城、克拉瑪依、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)七師等城市的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃思路和產(chǎn)業(yè)布局，確定本水資源開發(fā)利用方案中白楊河流域內(nèi)各規(guī)劃水平年社會經(jīng)濟發(fā)展指標(表1)和需水量(表2)。

表1 白楊河流域各業(yè)發(fā)展指標

4.2 生態(tài)保護目標

采用遙感解譯技術(shù)對莫合臺洼地、白楊河洼地、艾里克湖1980 年、1990 年、2000 年、2005 年4 期的面積變化情況進行分析，并結(jié)合白楊河流域經(jīng)濟社會今后的發(fā)展需要，確定今后的生態(tài)保護目標為:通過建設(shè)水利工程、加強生態(tài)保護等措施，使莫合臺洼地、白楊河洼地的生態(tài)植被總面積不減少，而僅區(qū)內(nèi)自然植被分布格局發(fā)生變化;艾里克湖基本維持2005 年的湖面面積(55 km2)不萎縮，并每年向艾里克湖人工輸送2 500 萬m3水量。

5 生態(tài)恢復(fù)工程方案

為了實現(xiàn)莫合臺洼地、白楊河洼地和艾里克湖的生態(tài)保護目標，盡可能將河水輸送到河流的尾閭——艾里克湖，對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段采取防滲措施。由白楊河流域地表水和地下水之間相互轉(zhuǎn)換的兩次水循環(huán)可知，如果對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段進行全部防滲，將會大大減少白楊河的河道入滲水量，且莫合臺洼地和白楊河洼地得到的河道滲漏補給水量也會減少，但會增加白楊河水庫的入庫水量，加大艾里克湖的入湖水量;若不防滲，則會增加莫合臺洼地和白楊河洼地的河道滲漏補給水量，但會減少白楊河水庫的入庫水量，使艾里克湖的入湖水量減少。可見，必須尋找一個平衡點，使位于流域上中游的兩大洼地和位于流域下游的艾里克湖的生態(tài)環(huán)境用水得到兼顧。為此，對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段防滲，本研究擬定了兩套生態(tài)恢復(fù)工程方案:①全防滲方案，對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段進行全部防滲，或全部修建管道，將河水繞過河道通過管道引入白楊河水庫;②部分防滲方案，在白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間約43km 長、滲漏較嚴重的河段修建管道，其余河段仍從河道輸水。

表2 白楊河流域不同水平年各業(yè)需水量 萬m3

6 模擬結(jié)果

根據(jù)擬定的水資源開發(fā)利用方案和生態(tài)恢復(fù)工程方案，采用蒸散模型和水量平衡模型對莫合臺洼地、白楊河洼地、艾里克湖2020 年、2030 年的面積和耗水量進行模擬，模擬結(jié)果見圖3 ～7。

圖 3不同方案下莫合臺洼地自然植被面積變化情況

圖4 不同方案下莫合臺洼地和白楊河洼地自然植被耗水量

6.1 莫合臺洼地

圖5 方案1 下白楊河洼地天然草地和天然林地面積變化情況

圖6 方案2 下白楊河洼地天然草地和天然林地面積變化情況

從圖3 和圖4 可以看出，當(dāng)對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段進行全部防滲時，莫合臺洼地內(nèi)的有林地和沼澤的面積變化較小，但是高覆蓋草地向低覆蓋草地退化較嚴重，草地總面積從2005 年的116.4 km2退化為2020 年的78.9 km2和2030 年的81.7 km2;當(dāng)采用部分防滲方案時，莫合臺洼地內(nèi)的有林地和沼澤的面積變化情況與方案1 相同，草地面積退化速度變緩，草地總面積2005 年至2030 年面積僅減少了1.6 km2。從圖5 可以看出，當(dāng)對河道進行全部防滲時，莫合臺洼地內(nèi)的自然生態(tài)植被耗水量減少較快。由此可見，河道滲漏對莫合臺洼地內(nèi)的生態(tài)植被水量補給作用較明顯，部分防滲方案有利于莫合臺洼地內(nèi)生態(tài)植被的生長。

圖7 白楊河洼地不同方案下裸巖礫石地面積變化情況

6.2 白楊河洼地

從圖4 ～7 中可以看出，當(dāng)對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段進行全部防滲時，白楊河洼地內(nèi)的林地、高覆蓋草地、中覆蓋草地逐漸退化為低覆蓋草地和裸巖礫石地，到2030 年退化成裸巖礫石地的面積為43.3km2，退化較嚴重;當(dāng)采用部分防滲方案時，白楊河洼地內(nèi)的植被主要向低覆蓋草地轉(zhuǎn)化，且速度變緩，不會轉(zhuǎn)化為裸地。白楊河洼地內(nèi)的自然生態(tài)植被耗水量減少速度也是方案1 比方案2 快。由此可見，不同的輸水方案對白楊河洼地的生態(tài)植被影響較大，采用部分防滲方案有利于白楊河洼地的生態(tài)植被生長。

6.3 艾里克湖

利用水量平衡模型進行計算，可知到2030 年，全部防滲方案下，進入艾里克湖的水量為5 050 萬m3，耗水量為4 108.3 萬m3;部分防滲方案下，進入艾里克湖的水量為3960 萬m3，耗水量為3275.8 萬m3。可見，這兩個方案都有水進入艾里克湖，但相對來說，全部防滲方案下進入艾里克湖的水量較多。

6.4 方案比選

通過上述分析可知，由于白楊河流域上、中、下游水力聯(lián)系密切，所以當(dāng)在上、中游對河道進行防滲時，莫合臺洼地和白楊河洼地的補水量減少，入艾里克湖的補水量增加。在全部防滲方案下，進入艾里克湖的水量較多，但是莫合臺洼地和白楊河洼地的草地面積退化較嚴重;在部分防滲方案下，進入艾里克湖的水量較少，但是莫合臺洼地和白楊河洼地內(nèi)草地的退化面積較少，而且進入艾里克湖的水量可以滿足艾里克湖的耗水量和水資源配置方案中的補水量要求，因此，從維護流域整體生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展、不打破現(xiàn)狀生態(tài)平衡、使位于流域上、中游的兩大洼地和位于流域下游的艾里克湖的用水量均能得到滿足的角度出發(fā)，將部分防滲方案作為向白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段輸水的推薦方案。

7 結(jié) 論

對白楊河流域規(guī)劃水平年的經(jīng)濟社會指標進行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上，擬定兩套工程輸水方案，模擬流域內(nèi)3 大生態(tài)保護區(qū)域(莫合臺洼地、白楊河洼地和艾里克湖)的面積和耗水量變化情況。結(jié)果表明，當(dāng)對白楊河擬建引水樞紐至白楊河水庫之間的河段采取部分管道輸水方案時，流域內(nèi)的社會經(jīng)濟得到了適宜發(fā)展，且現(xiàn)狀生態(tài)平衡得到了維持，因此，這種水資源開發(fā)利用模式有利于促進白楊河流域的整體可持續(xù)發(fā)展。利用蒸散模型和水量平衡模型可以將多因素的水資源開發(fā)利用方案與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系起來，從而量化水資源開發(fā)利用方案與生態(tài)環(huán)境之間的響應(yīng)關(guān)系，為探索西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源合理開發(fā)利用模式提供一種途徑。

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