新疆白楊河流域特征及生態植被需水分析

張愛民,郝天鵬,周和平,馬占寶,崔師勝

1 新疆白楊河流域管理局,烏魯木齊 830000 2 新疆水利廳水利管理總站,烏魯木齊 830000 3 新疆白楊河流域管理局水利管理中心,烏魯木齊 830039

白楊河流域地處新疆天山東部,流域上游為天山博格達峰前山帶烏魯木齊市達坂城區,年均降水量70mm,流域下游為天山之南的吐魯番托克遜縣區,年均降水量不足10mm,由此形成了流域內上游降水少、下游降水稀缺的干旱與極端干旱格局。流域水生態環境,上游由于天山博格達峰長年高山積雪冰川和降水作用,以及達坂城地處山間盆地及其水文地質土壤環境條件,具有較明顯地表水地下水相互轉換,多以河谷疏林灌叢草甸濕地綠洲生態植被群體；下游吐魯番市托克遜縣區域,位于流域下游降水稀少完全依賴河流補給地下水,下游周邊及末端尾閭艾丁湖,水生態環境植被多以駱駝刺荒漠化草地分布。特殊條件下水生態環境需水分析研究,對流域生態環境管理保護具有重要意義。生態環境植被需水研究,一般多采用衛星遙感、GIS等3S技術[1- 2]結合Penman-Monteith法[3- 6],可以分析解決生態植被面積與生態需水關系,對于生態環境綠洲植被需水量計算時段,多以植被4至10月生長期考慮,但這樣可能會忽略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是計算植被生態需水常用方法[7- 10],有分析表明這兩種方法比較結果相差10%較小。有學者[11]建立干旱區植物生長與地下水位對數正態分布模型,計算生態需水量與其他方法比較相差也較小,表明不同方法分析結果差別不大可以選用。生態環境綠洲植被需水量占河道年徑流量比重分析(生態需水基本流量),有歷史流量法、水力定額法、棲息地法等多種分析方法,這些方法優缺點對比認為,傳統水文學(Tennant)法較適合干旱區河道生態需水計算[12- 13],然而,此方法以年均徑流量特定百分率計算河道水量存在一些不足,因此,有學者[14- 16]提出并應用河道基本生態需水年內展布法,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,約占鶯落峽水文測站年徑流量16.3%、14.6%、9.4%[17]；以漢江流域實證分析干支流控制斷面最小下泄生態基流處于年均流量15%—20%[18]；生態基流至少滿足占年均徑流量10%以上生態需求[19]；有學者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,并以此分析西北黃河最大支流渭河寶雞段河流生態基流占徑流35.0%[20]。由此可見,同一算法不同目標分析結果均有差異。

新疆白楊河流域地處干旱與極端干旱區,流域上游生態綠洲植被需水源于降水與河道徑流沿程地下水共同補給作用,流域下游降水稀缺幾乎為零,自然生態綠洲植被需水完全依靠河流補給地下水利用,考慮天然降水河道徑流及地下水利用生態需水[21- 22]特征,本文以衛星遙感獲取不同類型生態用水面積,采用Penman-Monteith和面積定額及河道水文年內展布法,分析白楊河流域天然灌叢荒漠植被生境需水量及河道時段生態基流,為流域生態需水評估及管理保護提供依據。

1 材料與方法

1.1 流域概況

白楊河流域水系發源于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盆地區,由黑溝河、阿克蘇河、高崖子河三條源流,在達坂城盆地以南的峽口匯集形成了白楊河干流；以達坂城峽口匯集區為起點的白楊河干流全長約150 km,向南走向沿途天然河道并有柯爾堿溝、阿拉溝等小支流匯入后,進入白楊河流域下游天山南部前山平原戈壁荒漠帶,到此,由西向東南穿越吐魯番市托克遜縣城外50 km尾閭,注入我國第一、世界第三低地,最低點高程-154.6 m著名內陸咸水湖——艾丁湖,西南面庫姆塔格沙漠(見圖1)。白楊河流域地跨兩個行政區,上游烏魯木齊市達坂城盆地干旱區,下游地處極端干旱區吐魯番市托克遜縣區域,流域地理坐標88° 10′—89° 11′E,42° 29′—43° 48′N,東西最寬約120 km,南北最長約150 km,艾丁湖臨湖河口以上流域總面積5173.4 km2。

1.2 流域特征

白楊河流域上游達坂城區,北、西、南均有高山屏障,形成一個半封閉地勢低洼的山間盆地,冷濕空氣不易進入,平原區為典型溫帶大陸性干旱氣候,顯著氣象特征是風多風大、酷熱干燥、降水量少、蒸發強烈。流域盛行西風、西北風,年均8級以上大風大于108 d。達坂城為新疆著名風區,達坂城區境內低山丘陵區年均降水量70.5mm,但在高山區年均降水量可高達400mm,降水量主要集中在夏季,占年降水量80%,春季降水很少,年均蒸發量2582.5mm為年均降水量的36.6倍,年均氣溫8.8℃。流域下游吐魯番市托克遜縣區域,年均降水量7.8mm,最長連續無降水日高達298 d,年均蒸發量3403.9mm,蒸發量為降水量的436倍,蒸發量最高可高達5000.0mm。下游托克遜區春、夏季焚風頻繁,年均干熱風發生大于93次,對農作物破壞性大。年均氣溫高達14.1℃,是上游達坂城區年均氣溫8.8℃的1.76倍,7月份年均氣溫32.3℃,1月年均氣溫-9.3℃,日最高氣溫≥35℃,酷暑期長達100 d以上[23],是我國極其少有的氣候差異懸殊、干旱與極端干旱疊加交織流域氣候。

圖1 白楊河流域水系生態環境分布示意Fig.1 Distribution of ecological environment in Baiyang River Basin

白楊河流域整體呈現高中低山區、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及荒漠戈壁多樣性地貌環境類型。上游源于天山博格達峰南坡冰川42.36億m3儲量,形成年均水資源量3.10億m3,其中地下水天然補給0.51億m3[24]。由于流域地貌環境多樣性及水文地質條件影響,上游諸河道及自峽口之間地表與地下水轉化補給變化較多,自峽口匯集貫穿流域下游白楊河干流,地表與地下水表現出部分河流時隱時現：大草湖至小草湖河流段常年有水,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 計算方法

基于流域水生態環境結合遙感投影,考慮天然生態環境河谷林草、濕地、艾丁湖及周邊駱駝刺荒漠草地三類。生態需水按Penman-Monteith分析[25- 26]：

(1)

式中,ET0為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處切線斜率,kPa/℃；Rn為凈輻射,MJ m-2d-1；G為土壤熱通量,MJ m-2d-1；γ為濕度表常數,kPa/℃；T為平均氣溫,℃；u2為2m高觀測風速,m/s；ea飽和水汽壓,kPa；ed實際水汽壓,kPa。

植被系數為生態植被階段需水與生態植被蒸發蒸騰量比值,按下式分析：

(2)

式中,KC為植被系數；i為生態植被生長i階段；n為生態植被生長劃分階段數目；ETi為生態植被生長i階段需水量,mm；ET0i為生態植被生長i階段蒸發蒸騰量,mm。

生態植被需水量、生態植被蒸發蒸騰量、植被系數關系如下：

ET=ET0·KC-P0

(3)

式中,ET為生態植被需水,mm；ET0為生態植被蒸發蒸騰量,mm；KC為植被系數；P0為有效雨量,mm。降雨量P值,P0=Pa,新疆南疆a=0.35；北疆a=0.52；全疆a=0.41[27]。

不同生態環境植被需水量,按下式分析：

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植被區面積,hm2。

基于流域經濟社會生態環境可持續發展,維持流域生態系統結構功能及生物多樣性,遵循流域河流水系形成的生態環境屬性,采用生態基流需水指標分析流域源流、干流河谷林草生態基流及需水量,平原濕地、尾閭艾丁湖天然植被生態需水量。鑒于流域上游河谷林、濕地植被生長用水主要為河道來水下滲及降水共同補給,下游戈壁荒漠化植被生長源于地下水,采用生態基流Tennant法分析：

(5)

由于生態基流Tennant法依賴經驗,因此,將河道生態基流與生態需水結合并滿足生態需水量W以下關系式：

(6)

式中,q為分析河流滿足生態需水要求生態基流,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,天數。

調查統計數據利用Excel 2007進行圖表繪制分析。

2 結果與分析

2.1 生態區需水分析

2.1.1需水定額

由流域氣象站長系列氣象數據,以干旱區中等及強風地面覆蓋25%—50%樹木間種雜草,考慮植被系數[28],按式(1)—(3)計算流域區不同時段及年生態需水定額如表1所示,結果表明,流域下游托克遜極端干旱區生態植被需水定額1156 mm,比上游達坂城干旱區生態植被需水定額968 mm高出188 mm增加了19.4%。

表1 白楊河流域生態綠洲植被需水定額分析

2.1.2生態環境及需水量

基于勘察遙感解譯,流域生態環境植被類型,上游達坂城區主要為河谷林草(河谷疏林,河谷灌叢,河漫灘草甸)、濕地(沼澤草甸)；下游艾丁湖及周邊主要分布駱駝刺間有紅柳荒漠草地(圖2)。流域河流水系生態環境面積(表2)顯示,上游達坂城區源流平原生態區分布面積2923.6 hm2,其中：河谷林草1502.3 hm2,濕地1421.37 hm2。下游白楊河(柯爾堿溝無分布)平原生態區分布面積18639.0 hm2,其中：河谷林草602.1 hm2,濕地83.3 hm2；駱駝刺及草地17953.6 hm2。流域生態需水面積21562.6 hm2,其中：河谷林草2104.4 hm2,濕地1504.6 hm2；駱駝刺草地17953.6 hm2。

基于表2生態類型面積,按式(4)得生態環境植被需水量(表3)結果可知,流域生態總需水量7880萬m3,其中：河谷林草(河谷疏林,河谷灌叢,河漫灘草甸)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。各河流區生態需水量為：黑溝河年生態需水量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4256萬m3,主要考慮9—12月,原因在于艾丁湖補給水系復雜,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,據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17953.6 hm2(占生態用水總面積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238 mm。

圖2 白楊河流域不同類型生態環境植被Fig.2 Different types of ecological environment vegetation in Baiyang River Basin

表2 白楊河流域平原區不同生態類型分布面積/hm2

2.2 生態基流分析

由式(5)—(6)計算生態基流表4結果可知,流域上游達坂城區黑溝河4—9月主用水期,生態基流和水量分別為0.48m3/s和766萬m3,10—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18%。阿克蘇河4—9月主用水期,生態基流和水量分別為0.55m3/s和872萬m3,10—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12%。高崖子河4—9月主用水期,生態基流和水量分別為0.45m3/s和717萬m3,10—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12%。干流白楊河4—9月主用水期,生態基流和水量分別為0.39m3/s和613萬m3,10—3月次用水期,生態基流和水量分別為0.11 m3/s和180萬m3,生態需水占年均徑流6%。

表3 白楊河流域平原區生態需水量分析/萬m3

流域下游托克遜境內及艾丁湖4—9月主用水期,生態基流和水量分別為1.23m3/s和1939萬m3,10—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32%。全流域河流生態基流2.50m3/s,生態需水量7880萬m3,其中：4—9月主用水期,生態基流和水量分別為3.10m3/s和4906萬m3,10—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17%,介于10%—30%,屬于水生態環境一般或較低要求。鑒于生態需水及河道生態基流遵循河流水系屬性,因此,流域生態基流水量可利用黑溝、阿克蘇、高崖子渠首引水工程調配。

表4 白楊河流域平原區生態基流及控制斷面

2.3 流域生態需水特性

需水量是生態植被耗水分析重要指標,基于這一指標分析了新疆部分流域生態需水變化情況。由表5分析表明,生態需水與環境氣象間具有很好相關性,但流域地理環境位置不同,對生態需水影響效應表現出一定差異：對生態需水M(mm)產生負效應(導致生態需水增加)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。分析表明,不同流域生態需水產生負效應共同影響因素是蒸發量W,環境因素對生態需水影響程度大小為u>n>T>U>e>W；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,對生態需水影響程度大小為e>P0>T>n>u>U。這說明,不同地理環境流域生態需水量受當地綜合氣象環境共同影響作用,其中生態需水負效應主因為風速u和日照n,正效應主因體現在水汽壓e和有效降水P0。

表5 流域生態需水與環境關系分析

由圖3分析可以看出,不同流域年內生態需水M(mm)變化,具有隨著月份增加呈現由小漸增7至8月最大,之后逐漸減小的變化規律。從不同流域生態需水量比較看出,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7個流域年生態需水,分別為1071mm、689mm、663mm、656 mm、523mm、510mm、470mm,以白楊河流域年生態需水量為基準,其他6個流域分別占白楊河流域生態需水量的64%、62%、61%、49%、48%、44%。明顯看出,白楊河流域生態需水量最大,博爾塔拉河流域生態需水量最小。白楊河流域地處天山東部,降水稀少氣候干燥氣溫高,尤其是風多風大頻繁干旱與極端干旱區。天山以南昆侖山脈和田河、葉爾羌河流域,降水少蒸發量高氣象干旱荒漠區。阿克蘇河、巴州孔雀河流域地處天山之南,降水稀少蒸發強烈沙漠綠洲灌區。瑪納斯河、博爾塔拉河流域地處天山北坡準格爾盆地前緣及天山西部,年均降水150—200mm,年均蒸發量1700—2000 mm棕漠土區。分析結果與流域所處地理環境氣象因素吻合。

圖3 干旱區部分流域生態需水變化分析Fig.3 Analysis of ecological water demand change in some watersheds in arid area

3 結論與討論

3.1 結論

(1)流域上游達坂城生態區年需水量3624萬m3,其中：黑溝需水量921萬m3(河谷林草230萬m3；濕地691萬m3)；阿克蘇生態需水量1048萬m3(河谷林草586萬m3；濕地462萬m3)；高崖子生態需水量862萬m3(河谷林草639萬m3；濕地223萬m3)；干流白楊河年生態需水量793萬m3(河谷林草696萬m3；濕地97萬m3),流域下游干流白楊河補給艾丁湖及周邊駱駝刺草地生態水量4256萬m3。流域年均生態需水總量7880萬m3。

(2) 流域河道總體生態基流2.50m3/s,占年均徑流量的17%,其中：上游達坂城區黑溝河生態基流0.29m3/s,占該河年均徑流量18%；阿克蘇分別為0.33m3/s和12%；高崖子分別為0.27 m3/s和12%；出自峽口白楊河干流分別為0.25m3/s和6%。下游托克遜境內由白楊河干流調節艾丁湖生態基流1.35m3/s,占年均徑流量的32%。

(3)流域內生態環境植被耗水具有明顯流域特征,上游生態植被生長依附于河流及地下水轉化和天然降水共同補給；下游由于降水稀缺完全依賴河道徑流補給地下水作用。生態需水量調節與河道取水工程相關,生態用水控制斷面即該河道渠首引水工程。

(4)生態植被需水是表征水生態環境用水重要指標,白楊河流域年生態需水量1071mm,天山南部和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、巴州孔雀河,天山北部瑪納斯河、博爾塔拉河流域年生態需水量,分別占白楊河流域的64%、62%、61%、49%、48%,說明白楊河流域地處極端干旱區生態環境耗水高的基本特性。

3.2 討論

(1)常用的生態基流水文學Tennant法,以河流年均徑流量的10%—30%估算植被生長環境需水,此方法由于人為選取參數計算結果與實際存在差別。本文以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%,但這種方法將生態區需水與河流徑流年內分配結合更貼切實際。

(2)有學者和研究人員多以4至10月作為植被生長期生態需水分析期,干旱尤其是極端干旱區降水稀少蒸發十分強烈,生態用水主要甚至完全依賴河流輸水和地下潛水補給,因此考慮11至次年3月時段是穩妥的。

(3)有學者認為干旱區生態補水基本上是大流量下泄,生態基流分析實際意義不大,馬玉其等人[30]就新疆開都河水資源調度對焉耆盆地生產生活和生態影響,計算了開都河生態基流,馬樂軍等人[31]提出分級分區確立水利工程最小下泄生態基流方法,為不同區域生態基流確定提供方案。干旱區河道水文生態基流分析有助于生態環境植被耗水容量,以及河道在不同階段承擔的下泄水量,為生態需水保障提供技術支持。當然具體過程需依照流域河道生態區分布及水利工程布局,在正確合理安排農業工業生活用水的基礎上,可以采取掄洪大水下泄、集中利用冬春季河道水下泄等方案實施。

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