艾比湖最低生態(tài)水位及生態(tài)缺水量研究

巴音查汗

(博爾塔拉蒙古自治州水文勘測局，新疆 博樂 833400)

艾比湖流域位于新疆維吾爾自治區(qū)歐亞大陸腹地的中緯度地帶，與海洋的距離比較遠(yuǎn)，且北、西和南三面被高山阻隔，該流域以干旱少雨、蒸發(fā)量大、日照充足以及氣候變化劇烈為主要特征，水資源十分匱乏[1]。

由于各種環(huán)境因素的作用，致使艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)逆向演替現(xiàn)象，天然植遭到嚴(yán)重退化衰敗[2]，其主要特征表現(xiàn)為：天然植被群落由濕生、中生向早生、超早生和鹽生、耐沙生種類演替，超早生小喬木密度降低，植被蓋度下降，建群種植株高度降低，耐鹽堿的梭梭、堿蓬、豬毛菜等減少，根系發(fā)達(dá)的固沙植物白梭梭、沙拐棗、沙蓬、對節(jié)刺等種類減少，覆蓋度降低，白梭梭年齡結(jié)構(gòu)“老齡化”，幼齡植株稀少，更新緩慢。流域內(nèi)博河下游因徑流季節(jié)分布不均勻及兩水轉(zhuǎn)化影響夏季缺水，精河灌區(qū)春季缺水[3]。因流域調(diào)蓄工程數(shù)量少、規(guī)模小，水量調(diào)蓄能力僅3000萬m3，占流域總需水量的存3%，流域仍然存在4000～6000萬m3缺水量，從而形成大量的缺水型中低產(chǎn)田，嚴(yán)重制約著農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展[4]。另外，流域內(nèi)無域外調(diào)水工程，難以從根本上解決艾比湖生態(tài)用水不足問題。

基于以上背景，借鑒前人提出的艾比湖最低生態(tài)水位確定方法，并結(jié)合艾比湖流域的現(xiàn)狀計算艾比湖最低生態(tài)水位，分析艾比湖流域的生態(tài)缺水量，對保證艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要的理論意義與現(xiàn)實意義[5]。

1 最低生態(tài)水位研究

最低生態(tài)水位是真?zhèn)€流域中生態(tài)水位的下限值，低于生態(tài)水位下限值時，該流域的生態(tài)系統(tǒng)就會受到極其嚴(yán)重的破壞。在研究艾比湖最低生態(tài)水位之前，需要確定最低生態(tài)水位的計算方法，根據(jù)艾比湖流域的現(xiàn)狀及實際情況，本文選用天然水位資料法和湖泊形態(tài)分析法對新疆艾比湖流域的最低生態(tài)水位進(jìn)行了研究。

1.1 天然水位資料法計算艾比湖最低水位

天然水位資料法是先假設(shè)艾比湖流域的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了長期以來的水位年際和年內(nèi)變化，分析多年以來的月平均水位值，取多個水位值中的最小值最為艾比湖流域的最低生態(tài)水位，具體表達(dá)式為：

Zemin=Min(Zmin1，Zmin1，L，Zmini，L，Zminn)

(1)

式中，Zemin—新疆艾比湖流域的最低生態(tài)水位；Min—取最小值函數(shù)；Zmini—第i年的最低生態(tài)水位；n—艾比湖流域的水位資料年限。

天然水位資料法的應(yīng)用前提是艾比湖生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了長期以來的水位變化。最低生態(tài)水位是指流域的水資源在滿足生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的前提下，使新疆艾比湖水位始終保持最低值[6]。

艾比湖流域在1950年之前一直處于與天然接近的狀況[7]。在20世紀(jì)中期流域水面比較大，流域內(nèi)鳥類種類繁多、植被生長茂盛；20世紀(jì)中期以后流域水位開始快速下降，水面面積由1070km2急劇縮小到大約522 km2。湖面面積萎縮使得流域內(nèi)沙漠化危害日益嚴(yán)重，流域內(nèi)沙丘的頻繁移動使得揚(yáng)沙浮塵惡劣天氣情況劇增。存在湖底的大量鹽粒和塵埃，在阿拉山口的大風(fēng)作用下，致使艾比湖流域內(nèi)植被嚴(yán)重退化，導(dǎo)致流域整個生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量急劇降低[8]。21世紀(jì)初，艾比湖流域的湖面開始擴(kuò)大，三年時間內(nèi)增加到了900 km2左右，利用天然水位資料法通過衛(wèi)星監(jiān)測，得到了2014年到2018年新疆艾比湖流域湖面面積變化情況見表1。

表1 2014—2018年新疆艾比湖流域面積變化情況

21世紀(jì)以來，隨著艾比湖流域湖面面積不斷擴(kuò)大，生態(tài)系統(tǒng)得到一定程度上恢復(fù)。因此，可以利用2014年到2018年艾比湖流域湖面面積資料來代替天然情況下的湖面面積情況，表1中雖然沒有2017年的艾比湖流域面積變化情況，但是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的參考，2017年湖面面積為835 km2，2017年流入的水量沒有2016年多，但是流域內(nèi)的降水量和經(jīng)流量比2018年還要多，這些數(shù)據(jù)都能表明2017年的數(shù)據(jù)缺失對艾比湖流域最低生態(tài)水位的計算不會產(chǎn)生影響。

經(jīng)過計算統(tǒng)計2014—2018年艾比湖流域的湖面面積為613km2對應(yīng)的最低生態(tài)水位為192m，統(tǒng)計的四年湖面面積資料與1950年以前的比較接近，具有一定的代表性，從保護(hù)流域生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，統(tǒng)計出來的最低生態(tài)水位值是比較合理的，但是歷史最低水位值相比卻有較大偏差。

1.2 湖泊形態(tài)分析法計算艾比湖最低水位

水是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分，流入的水量和湖面面積都時刻影響著艾比湖的功能[9]，采用水位來反映艾比湖的水文和地形狀況，湖面面積來表征艾比湖的生態(tài)功能[10]。艾比湖的水位與湖面面積變化之間的關(guān)系與拋物線的線性比較相近，在艾比湖的某一個水位處，湖面面積會隨著水位的增加產(chǎn)生一個突變，如果艾比湖水位與平均水位相近，就可以認(rèn)為此時水位就是最低生態(tài)水位[11]。艾比湖最低生態(tài)水位的計算步驟為：

(1)根據(jù)艾比湖水位、湖面面積和艾比湖容積的關(guān)系，采用內(nèi)插的方法來計算艾比湖水位每上漲一個單位湖面面積的增加量[12]。

(2)根據(jù)艾比湖水位與湖面面積的增加量數(shù)據(jù)，繪制艾比湖水位-湖面面積增加率關(guān)系圖，查找關(guān)系圖中拐點(diǎn)處對應(yīng)的水位。

(3)比較計算出的水位與平均水位，確定艾比湖最低生態(tài)水位[13]。

根據(jù)艾比湖的生態(tài)功能，利用形態(tài)分析法計算最低水位是最合適的，水位與湖面面積變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 艾比湖水位與湖面面積變化關(guān)系圖

從圖1中可以看出，艾比湖水面面積增加率的最大值對應(yīng)的水位是191m，對應(yīng)的湖面面積為568.2km2，統(tǒng)計出2014—2018年的最低水位值為192.2m。采用湖泊形態(tài)分析法得到的艾比湖最低生態(tài)水位與天然最低水位相差只有1.2m，但是由于艾比湖流域?qū)儆跍\水湖，當(dāng)湖泊水位上升1m時，艾比湖的湖面變化只有25km2，與天然水位資料法計算出來的結(jié)果相比，最低水位相差達(dá)到了1.2m，但是湖面面積卻相差45.3km2。從保護(hù)艾比湖生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，湖泊形態(tài)分析法計算得到的水位值偏低，嚴(yán)重威脅到艾比湖生態(tài)系統(tǒng)。

2 生態(tài)缺水量研究

通過計算艾比湖生態(tài)缺水量來研究流域的生態(tài)缺水量，將流域水分濕度條件的下限、上下限的平均值和上限設(shè)置為計算生態(tài)缺水量的最小、最適宜、最大需水量等級，作為計算生態(tài)缺水量的目標(biāo)[14]。生態(tài)缺水量可以被定義為艾比湖生態(tài)需水量的特征值與實際需水量的差值，在艾比湖生態(tài)系統(tǒng)中屬于管理上的問題[15]，缺水量的計算公式為：

EFSij=EFi-θj×S×L

(2)

式中，EFSij—需水量目標(biāo)等級為i且埋深條件為j時的缺水量，m3;EFi—目標(biāo)等級為i時的需水量，m3;EF1、EF2、EF3—最小、最適宜及最大需水量；θj—初始艾比湖的含水率，%，j的取值為1、2；θ1、θ2—敏感水位和警戒水位的含水率。

EFi可以由下式計算：

EFi=qoi×S×L

(3)

式中，qoi—含水率，%；S—湖面面積，m3；L—湖水埋深，m。

根據(jù)上述給出的需水量的計算方法，計算得到不同情境下艾比湖生態(tài)需水量，見表2。

表2 不同情境下艾比湖生態(tài)需水量

在模擬新疆艾比湖生態(tài)系統(tǒng)不同埋深下的含水率基礎(chǔ)上，在艾比湖敏感水位為1.25m和警戒水位為3m的條件下，計算出艾比湖模擬3.5m深的平均含水率，見表3。

表3 艾比湖模擬3.5m深的平均含水率

結(jié)合艾比湖模擬3.5m深的平均含水率，通過計算得到艾比湖生態(tài)系統(tǒng)的缺水量，見表4。

表4 艾比湖生態(tài)系統(tǒng)的缺水量

表4中可以看出，艾比湖的夏季生態(tài)缺水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于春季和秋季兩個季節(jié)總和，主要原因是由于艾比湖在夏季的水分蒸發(fā)量是最大的，然而湖水的降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于湖水的蒸發(fā)量，使得艾比湖的水分流失量變大，因此，導(dǎo)致了需水量的需求也最大。在艾比湖埋深在1.25、3.00m的條件下，艾比湖生態(tài)缺水量分別為1.82×108、6.4×108m3。

表4的統(tǒng)計中，有一部分艾比湖生態(tài)缺水量為負(fù)值，明顯出艾比湖生態(tài)系統(tǒng)的水分條件很充足，并不需要充分給予水分補(bǔ)充。由于艾比湖流域在冬季時沒有任何植物生長，因此冬季的生態(tài)缺水量通常忽略不計。在缺水量研究中，分別將春、夏、秋三個季節(jié)的生態(tài)缺水量累計相加，就可以直接得到艾比湖全年的生態(tài)缺水量。

3 結(jié)語

從保護(hù)艾比湖生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，研究艾比湖最低生態(tài)水位和生態(tài)缺水量是合理的。

(1)提出了艾比湖最低生態(tài)水位及生態(tài)缺水量研究。參考天然水位資料法和湖泊形態(tài)分析法，并結(jié)合艾比湖的實際情況，分析和計算了艾比湖最低生態(tài)水位，完成艾比湖最低生態(tài)水位的研究。結(jié)果表明，艾比湖最低生態(tài)水位為191.4m。

(2)采用情景模擬的方式，獲得了艾比湖水位的敏感水位和警戒水位，分別計算出艾比湖的生態(tài)缺水量，完成了艾比湖生態(tài)缺水量的研究，結(jié)果表明，艾比湖生態(tài)缺水量主要是由湖水蒸發(fā)和流失導(dǎo)致的。