干旱與極端干旱白楊河流域生態需水分析

張愛民 張 妞 周和平

(1.新疆白楊河流域管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆自治區水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆白楊河流域水利管理中心，新疆 烏魯木齊 830039)

白楊河流域地處新疆天山東部，位于干旱與極端干旱交匯區，流域水生態環境具有明顯的地表水地下水頻繁轉換，河谷疏林、灌叢、草甸濕地及末端尾閭艾丁湖駱駝刺荒漠草地交織分布變化特征，對這一特殊條件下的生態環境需水量及河道生態基流進行分析研究，對流域自然生態環境管理保護具有重要意義。目前，自然植被生態需水研究多采用衛星遙感、GIS等3S技術結合Penman-Monteith方法[1-2]，兩種方法相結合主要是為了解決生態面積與生態需水之間的關系。生態需水量計算時段多選擇4—10月植被生長期，忽略了干旱區生態環境需水以河流下滲補給地下水特性。潛水蒸發法和面積定額法也是計算植被生態需水常用的方法[3-4]，兩種方法成果比較結果相差10%以內，相差較小。張麗等[5]建立了干旱區植物生長與地下水位關系對數正態分布模型，計算了生態需水量，與其他方法比較相差較小，表明不同方法分析的結果差別不大。

對生態環境所用的河道基流問題分析方法有歷史流量法、水力定額法、棲息地法、整體分析法等，經對比分析后發現，Tennant法較適合干旱區河道生態需水量計算[6]。然而，由于傳統水文學Tennant法以年均徑流量特定百分率計算河道生態基流存在不足問題，因此，鄧曉[7]、潘扎榮等[8]提出河道基本生態需水年內展布計算法，體現年徑流豐枯變化，滿足河流生態需求。采用這種方法，以東居延海為研究對象估算年均生態需水量占年均徑流量的16.3%、14.6%、9.4%[9]；以漢江流域實證分析干支流控制斷面最小下泄生態基流為年均流量的15.0%～20.0%[10]；生態基流至少滿足占年均徑流量10.0%以上的生態需求[11]；Bo Cheng等[12]以河流系統生態經濟服務功能總經濟價值最大值確定河流生態基流，并以此分析出西北黃河最大支流渭河寶雞段河流生態基流占徑流的35.0%。由此可見：同一種算法和不同的分析目標得出的結果均有一定差異。地處新疆干旱與極端干旱區的白楊河流域，自然生態用水主要源于河道徑流沿程補給及地表水地下相互轉化，自然生態需水依靠降水補充甚少，幾乎為零。因此考慮河道徑流和地表水地下水支撐生態系統需水需求及其河道天然水流模式目標生態基流。本文以衛星遙感獲取不同類型生態用水面積，采用Penman-Monteith生態需水和面積定額法分析流域不同生態環境需水量，以河道水文年內展布法分析河流年內不同時段生態基流及其調控節點，為流域生態水環境管理保護提供依據。

1 材料與方法

1.1 基本概況

白楊河流域水系發源于新疆天山東部博格達峰南麓，形成“四源一干一湖”流域格局。上游為烏魯木齊市達坂城區黑溝、阿克蘇、高崖子3條源流匯集于峽口形成的白楊河干流；白楊河全長150km，下游柯爾堿溝、阿拉溝匯入，由西向東南穿越托克遜縣城外50km尾閭，注入我國第一、世界第三低地(最低點高程-154.6m)，著名內陸咸水湖——艾丁湖，西南面為庫姆塔格沙漠。白楊河流域地跨兩個行政區，上游為地處干旱區的烏魯木齊市達坂城區，下游為地處極端干旱區的吐魯番市托克遜縣，流域地理坐標為東經88°10′～89°11′，北緯42°29′～43°48′，東西最寬約120km，南北最長約150km，艾丁湖臨湖河口以上流域總面積5173.4km2。

1.2 流域特征

流域北、西、南均有高山屏障，地勢低洼，冷濕空氣不易進入，平原區為典型溫帶大陸性干旱氣候，顯著氣象特征為風多風大、酷熱干燥、降水稀少、蒸發強烈。流域盛行西風、西北風，年均8級以上大風天數大于108天。達坂城為新疆著名風區，托克遜春、夏季焚風頻繁，年均發生干熱風次數多于93次，對農作物破壞性大。流域上游達坂城境內低山丘陵區年均降水70.5mm，高山區可達400.0mm，降水集中在夏季，占年降水量的80%，春季基本不降水，年均蒸發量2582.5mm，為降水量的36.6倍，年均氣溫8.8℃；流域下游托克遜縣年均降水量7.8mm，最長連續無降水日達298天，年均蒸發量3403.9mm，最高可達5000.0mm，年均氣溫高達14.1℃，7月平均氣溫32.3℃，1月平均氣溫-9.3℃，日最高氣溫不小于35℃，酷暑期長達100天以上，是我國少有的氣候差異懸殊、干旱與極端干旱疊加交織流域環境。

流域呈現高中低山區、前山洪積與河流沖積、河谷與山間盆地、山前草甸與平原泉水溢出沼澤濕地多樣性分布地貌類型。源于天山博格達峰南坡冰川的42.36億m3儲量，形成了年均水資源量3.10億m3，其中：地表水2.59億m3，地下水天然補給0.51億m3。由于受流域地貌類型多樣性及水文地質條件影響，流域上游諸河道及出自峽口貫穿流域下游的白楊河干流，地表水、地下水頻繁轉化；流域下游表現為部分河流時隱時現現象：大草湖至小草湖段常年有水，小草湖后沿程滲漏較大，轉換為地下水，至巴依托海河道無水，巴依托海后以泉水溢出，至紅河谷常年有水，紅河谷后沿程滲漏轉換成地下水，至托克遜縣灌區河道無水，之后托克遜縣城形成地表水，途經托克遜縣城后逐步轉換為地下水至尾閭艾丁湖。

1.3 分析內容與方法

基于流域水生態環境結合遙感投影，流域敏感生態為河谷林草、濕地(含水生動植物需水)、艾丁湖及周邊駱駝刺荒漠草地。流域生態需水按Penman-Monteith公式分析計算[13]：

(1)

式中：ET0為參考生態植被蒸發蒸騰量，mm/d；Δ為溫度-飽和水汽壓關系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度表常數，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；u2為2m高水平處風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實際水汽壓，kPa。

由式(1)可以看出計算參數較多，為簡化計算，采用彭曼法軟件分析，利用當地平均氣溫(T)、水氣壓(ed)、2m高處風速(u2)、日照時數(n)氣象參數計算ET0。

生態需水系數為生態植被階段需水量與參考生態植被蒸發蒸騰量比值，按下式分析計算：

(2)

式中：KC為生態需水系數；i為生態植被生長的第i階段；n為生態植被生長劃分的階段數目；ETi為生態植被生長的第i階段需水量，mm；ET0i為生態植被生長的第i階段參考蒸發蒸騰量，mm。

生態植被需水量、參考生態植被蒸發蒸騰量、生態需水系數關系如下：

ET=ET0·KC-P0

(3)

式中：ET為生態植被需水定額，mm；ET0為參考生態植被蒸發蒸騰量，mm；KC為生態需水系數；P0為有效降水量，m3，P0=Pa，P為降水量，新疆南疆a=0.35；新疆北疆a=0.52；全疆a=0.41[14]。

不同生態類型生態需水量，按下式分析計算：

W=ETω

(4)

式中：W為生態需水量，m3；ω為各河流水系形成的生態環境區面積，hm2。

基于流域經濟社會生態環境可持續發展理念，維持流域自然生態系統結構功能及生物多樣性，遵循流域各河流水系形成的生態環境屬性，采用生態基流及敏感生態需水指標，研究分析流域源流、干流河谷林草生態基流及需水量，平原敏感濕地、尾閭艾丁湖天然植被生態需水量。鑒于流域河谷林、濕地等植被生長用水主要依靠河道水量及下滲地下水補給，在多種水文、水力學方法中采用常用的生態基流Tennant法分析計算：

(5)

由于生態基流Tennant法依賴主觀經驗，因此，將河道生態基流與生態需水相結合并滿足生態需水量W，有以下關系：

(6)

式中：q為分析河流滿足生態需水要求的生態基流，m3/s；d為分析河流滿足生態需水要求的生態基流量分析時間，d。

調查統計數據利用Excel2007進行圖表繪制分析。

2 結果與分析

2.1 流域生態區需水量分析

2.1.1 生態需水定額

根據分析區域氣象站長系列氣象數據，考慮干旱區中等及強風、地面覆蓋約25%～50%樹木間種雜草，分析選擇生態需水系數[15]，按式(1)～式(3)分析流域區內逐月及全年平均生態需水定額(見表1)，由表1可以看出，流域下游托克遜極端干旱區年均需水定額為1156mm，比上游達坂城干旱區年均需水定額968mm高出188mm，增加了16.3%。

表1 白楊河流域自然生態需水定額分析

2.1.2 生態環境需水量

由勘察及遙感解譯，流域自然生態為河谷林草(河谷疏林、河谷灌叢、河漫灘低地草甸)、濕地(沼澤草甸、水生物)、艾丁湖及周邊駱駝刺荒漠草地3類。流域各河流水系形成的生態環境需水面積(見表2)顯示，流域上游源流平原生態區分布面積為2923.6hm2，其中：河谷林草面積1502.3hm2；濕地面積1421.3hm2。流域下游是干流白楊河(柯爾堿溝未分布)平原生態區，分布面積為18639.0hm2，其中：河谷林草面積602.1hm2；濕地面積83.3hm2；駱駝刺草地面積17953.6hm2。流域生態需水面積為21562.6hm2，其中：河谷林草面積2104.4hm2；濕地面積1504.6hm2；駱駝刺草地面積17953.6hm2。

由生態需水面積及式(4)分析生態需水量(見表3)，由表3可以看出，流域生態需水量為7880萬m3，其中：河谷林草(河谷疏林、河谷灌叢、河漫灘低地草甸)2151萬m3；濕地(沼澤草甸)1473萬m3；干流白楊河尾閭艾丁湖駱駝刺草地4256萬m3。

表2 白楊河流域平原區不同生態類型分布面積 單位：hm2

表3 白楊河流域平原區生態需水量分析 單位：萬m3

注A為河谷疏林；B為河谷灌叢；C為河漫灘低地草甸；D為濕地(沼澤草甸)；E為尾閭駱駝刺草地。

黑溝河年生態需水量為921萬m3，其中：河谷林草230萬m3；濕地691萬m3。阿克蘇河年生態需水量為1048萬m3，其中：河谷林草586萬m3；濕地462萬m3。高崖子河年生態需水量為862萬m3，其中：河谷林草639萬m3；濕地223萬m3。干流白楊河年生態需水量為793萬m3，其中：河谷林草696萬m3；濕地97萬m3。干流白楊河補給尾閭艾丁湖駱駝刺草地水量為4256萬m3，主要考慮9—12月，原因在于艾丁湖補給水系復雜，其中包括白楊河、阿拉溝、柯爾堿溝、大河沿子、塔爾郎、煤窯溝、黑溝、恰勒坎河、二塘溝、柯柯亞河、坎爾其溝等諸多河流。現狀白楊河進入艾丁湖水量約3024萬m3。艾丁湖周邊分布駱駝刺草甸植被約27313.9hm2，按流域下游托克遜縣境內白楊河、阿拉溝兩河年均徑流分攤，白楊河供給駱駝刺生態用水面積17953.6hm2(占生態用水總面積的65%)。由此9—12月白楊河干流末端駱駝刺草甸植被生態需水定額為238mm。

2.2 流域生態基流分析

由式(5)、式(6)分析流域生態基流及過程線(見表4、圖1)結果可知，黑溝河4—9月主要用水期，生態基流和水量分別為0.48m3/s和766萬m3；10月至次年3月次用水期，生態基流和水量分別為0.10m3/s和155萬m3，生態需水占年均徑流的18%。阿克蘇河4—9月主要用水期，生態基流和水量分別為0.55m3/s和872萬m3；10月至次年3月次用水期，生態基流和水量分別為0.11m3/s和177萬m3，生態需水占年均徑流的12%。高崖子河4—9月主要用水期，生態基流和水量分別為0.45m3/s和717萬m3；10月至次年3月次用水期，生態基流和水量分別為0.09m3/s和145萬m3，生態需水占年均徑流的12%。干流白楊河4—9月主要用水期，生態基流和水量分別為0.39m3/s和613萬m3；10月至次年3月次用水期，生態基流和水量分別為0.11m3/s和180萬m3，生態需水占年均徑流的6%。托克遜境內及艾丁湖4—9月主要用水期，生態基流和水量分別為1.23m3/s和1939萬m3；10月至次年3月次用水期，生態基流和水量分別為1.47m3/s和2317萬m3，生態需水占年均徑流的32%。全流域河流生態基流為2.50m3/s，生態需水量為7880萬m3，其中：4—9月主要用水期，生態基流和水量分別為3.10m3/s和4906萬m3；10月至次年3月次用水期，生態基流和水量分別為1.89m3/s和2974萬m3，生態需水占年均徑流的17%，介于10%～30%，屬于水生態環境一般或較低要求。由于生態需水量及河道生態基流分析結果，遵循了流域各河流水系形成屬性，因此，預期實現流域內年生態基流水量，可以由流域黑溝、阿克蘇、高崖子、干流白楊河控制性工程引水渠首調控。

表4 白楊河流域河流平原區生態基流及控制性斷面

圖1 白楊河流域生態需水量控制過程

2.3 流域生態需水特性分析

生態需水量是自然生態環境耗水分析的重要指標，由干旱區新疆部分流域氣象環境與生態需水關系(見圖2)分布可以看出，雖然各流域所處地理位置不同，但生態需水M(mm)與氣象環境要素(有效降水P0(mm)、平均氣溫T(℃)、水汽壓e(kPa)、風速u(m/s)、日照時數n(h)、相對濕度U(%)、蒸發量W(mm))有關，在年度內呈現出由小漸增到7—8月最大之后逐漸減小的相同變化，表現為多項式拋物非線性分布規律。由表5可以看出，生態需水與生態環境氣象要素之間具有很好的相關性，氣象環境7項要素對生態需水有著顯著的影響，但由于流域地理環境位置不同，對生態需水影響效應表現出一定的差異。對生態需水M產生負效應(導致生態需水量增加)的影響因素，白楊河流域是風速u、日照時數n、相對濕度U、蒸發量W；和田河流域是氣溫T、風速u、日照時數n、相對濕度U、蒸發量W；葉爾羌河流域是氣溫T、風速u、相對濕度U、蒸發量W；阿克蘇河流域是有效降水P0、氣溫T、風速u、相對濕度U、蒸發量W；巴州孔雀河流域是有效降水P0、氣溫T、水汽壓e、蒸發量W；瑪納斯河流域是氣溫T、風速u、蒸發量W；博爾塔拉河流域是氣溫T、水汽壓e、風速u、蒸發量W；額敏河流域是氣溫T、風速u、蒸發量W。分析表明，對不同流域生態環境需水產生負效應的共同影響因素是蒸發量W，幾種因素對生態需水影響程度大小為u>n>T>U>e>W>n；產生正效應(導致生態需水量減少)影響因素主要是水汽壓e、有效降水P0、氣溫T，幾種因素對生態需水影響程度大小為e>P0>T>n>u>U。這說明，不同自然地理環境流域生態需水量受到當地綜合氣象環境因素共同影響作用，其中生態需水負效應主要影響因素體現在風速u和日照n，正效應主要影響因素體現在水汽壓e和有效降水P0。

圖2 干旱區部分流域氣象環境與生態需水關系

表5 干旱區不同流域生態需水與環境氣象關系回歸分析

流 域回 歸 方 程相關性R方 差 F白楊河流域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??葉爾羌河流域M=-15.14-0.24P0+0.61T-7.58e+16.73u-0.61n+0.35U+0.17W0.999??10182.3??阿克蘇河流域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??瑪納斯河流域M=58.85-2.44P0+0.83T-0.23e+16.41u-3.28n-0.39U+0.16W0.999??2206.8??博爾塔拉河流域M=34.70-1.31P0+0.44T+2.71e+8.70u-1.50n-0.24U+0.16W0.999??2589.5??額敏河流域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。

圖3 干旱區部分流域生態需水量比較

圖3為干旱區部分流域生態需水量分析比較結果，白楊河、和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、巴州孔雀河、瑪納斯河、博爾塔拉河、額敏河8個流域生態需水量分別為1071mm/a、689mm/a、663mm/a、656mm/a、523mm/a、510mm/a、470mm/a和401mm/a。其他流域生態需水量分別是白楊河流域生態需水量的64%、62%、61%、49%、48%、44%和37%。由圖3可以看出：白楊河生態需水量最大，額敏河流域生態需水量最小。白楊河流域地處新疆天山東部，降水稀少，氣候干燥，氣溫高，尤其是風多風大，為頻繁干旱與極端干旱區；新疆天山以南昆侖山脈的和田河、葉爾羌河流域，降水少，蒸發量高，為氣象干旱荒漠地區；阿克蘇河、巴州孔雀河流域地處天山之南，降水稀少，蒸發強烈，為沙漠綠洲灌溉區；瑪納斯河、博爾塔拉河流域地處天山北坡準噶爾盆地前緣及天山西部，年均降水量150～200mm，年均蒸發量1700～2000mm，為棕漠地區；額敏河流域地處天山北部阿勒泰塔爾巴哈臺山塔城額敏盆地，年均降水量200～300mm，年均蒸發量1500～2000mm，為棕鈣土地區。這一分析結果與流域所處地理環境氣象因素相吻合。

3 結 論

a.流域上游敏感生態區年需水量為3624萬m3，流域下游干流白楊河補給尾閭艾丁湖駱駝刺草地生態水量為4256萬m3，流域年均總體生態需水量為7880萬m3。

b.流域河道總體生態基流為2.50m3/s，占年均徑流量的17%。

c.流域生態植被環境依附于河流及地下水轉化補給，生態需水量與河道取水工程相關。因此，生態用水控制斷面即該河道引水渠首工程。

d.植被需水量是表征水生態用水主要指標，以此分析比較白楊河流域年生態需水量為1071mm，天山南部的和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、巴州孔雀河，天山北部的瑪納斯河、博爾塔拉河，阿勒泰山脈的額敏河流域年生態需水量，分別占白楊河流域的64%、62%、61%、49%、48%、44%和37%。表明了白楊河流域地處極端干旱區的生態耗水特性。

e.常用的生態基流水文學Tennant法，以河流年均徑流量10%～30%估算表征植被生長環境一般或低要求，此方法由于人為選取參數計算結果與實際存在一些差別。本文考慮敏感生態區年內不同時段需水為前提反演河流生態基流，雖然得出生態基流占河道年均徑流量比例在10%～30%，但將生態區需水與河流徑流年內分配相結合的分析會更貼切實際。

f.學者和研究人員多以4—10月作為植被生長期進行生態需水分析。干旱及極端干旱地區降水稀少，蒸發強烈，生態用水主要甚至完全依賴于河流地表水和地下潛水補給，因此考慮11月至次年3月生態需水并計入河流補給地下水更穩妥。