西北干旱區湖泊生態需水研究
——以內蒙古烏梁素海為例

丁夏平

(內蒙古河套灌區水利發展研究中心，內蒙古 臨河 015000)

烏梁素海位于我國內蒙古自治區巴彥淖爾市境內，是由黃河改道形成的河跡湖，對維護周邊地區生態平衡起著重要的作用[1]。多年來，烏梁素海水質惡化、鹽分積累、泥沙淤積、植被退化、沼澤化問題突出，現狀水域面積已從新中國成立前的800 km2縮減到現在的293 km2[2]。近年來經過治理，排入烏梁素海的入湖污染物有所控制，污染程度有所減輕，但目前狀況仍然不容樂觀，生態環境問題依然存在，且存在湖區和出湖水質不穩定達到地表Ⅴ類水標準和COD超標等問題。保證其入湖水量是維持湖泊現有水面發揮其水生態功能的基本條件，是維持烏梁素海湖泊現有水面和水生態健康的主要制約因素。治理烏梁素海必須率先科學規劃水資源，保證其生態需水要求[3-5]。

1 水面維持生態需水量

河套灌區降雨量遠低于蒸發量，在天然狀態下，天然蒸發和降雨很難構成烏梁素海的水量收支平衡。為了保持水位不降低和湖泊面積不縮小，需要有一定的增量輸入水量，該增量輸入水量即為水面維持生態需水量。

1.1 湖泊濕地功能法計算維持水量

(1)水面區蒸發量。水面蒸發量采用烏拉特前旗氣象站1996—2017年系列計算，多年平均蒸發量為2343.0 mm(20 cm口徑蒸發皿)。根據相關試驗結果類比，烏梁素海地區20 cm口徑蒸發皿轉換成20 m2蒸發池(可代表水面蒸發)蒸發折減系數全年平均為0.56，由此得到多年平均水面蒸發量為1312.1 mm。湖泊水面蒸發量根據水面蒸發和近4 a水面面積(143 km2)計算。因此，水面區多年平均蒸發量為1.88億m3。

(2)蘆葦區蒸散量。根據水生植物蘆葦的生育期特點，將蘆葦區蒸散量計算劃分為2個階段，一是蘆葦快速生長季節(5—10月)；二是寒冷季節，其中，11月中旬至翌年3月底以冰凍時間為主，4月份是蘆葦發芽時期，生長耗水微弱。蘆葦快速生長季節蒸散量采用蘆葦生長蒸散深度和歷年蘆葦面積來計算。通過與扎龍濕地類比得知，由于濕地水生植物蘆葦的影響，蘆葦濕地蒸發量較水面蒸發增長了10%，且烏梁素海蘆葦生長季(5—10月)期間水面蒸發量占全年蒸發量的73.7%，該時段烏梁素海地區20 cm口徑蒸發皿轉換成20 m2蒸發池蒸發折減系數取值0.589。經計算，蘆葦生長季蒸散深度為1118.8 mm，與黃河三角洲蘆葦中等覆蓋度55%(1100 mm)相近；近年來經過治理，蘆葦面積維持在150.0 km2，經計算，蘆葦生長季節蒸散發水量為1.68億m3。在寒冷季節蘆葦區蒸散量按水面估算，該時段烏梁素海地區20 cm口徑蒸發皿轉換成20 m2蒸發池蒸發折減系數取值0.502，即0.46億m3。因此，蘆葦區多年平均年蒸散量為2.14億m3。

(3)滲漏需水量。根據《烏梁素海按水庫運行管理專題報告》，烏梁素海湖泊每年向烏梁素海西北岸滲漏水量約0.71億m3，扣除烏梁素海東岸補給量0.17億m3。因此，烏梁素海每年平均補給地下水量為0.54億m3。

(4)陸面降水量。多年平均降水量采用烏拉特前旗1996—2017年系列計算，為219.7 mm；其中，多年平均徑流深為8.8 mm，由此得出陸面降水深度為210.9 mm。陸面降水量根據多年平均陸面降水量和歷年水面面積(293 km2)計算。因此，多年平均陸面降水量為0.62億m3。

綜合以上4項構成，維持湖泊現狀水面的需水量為3.94億m3。

1.2 水平衡法分析印證維持水量

根據烏梁素海1988—2017年運行資料，采用水平衡方法計算烏梁素海年實際耗水量，主要根據烏梁素海入湖水量扣除烏梁素海出湖水量及湖泊水量蓄變量進行估算，計算成果見表1。

表1 烏梁素海維持現狀水面所需的水量計算

當補充水量與實際耗水量相等時才能維持烏梁素海的水量平衡，2000—2017年平均實際耗水量為3.92億m3，因此，同湖泊濕地功能法計算維持水量3.94億m3相對比，烏梁素海維持現狀水面所需生態水量不宜小于3.94億m3。

為控制烏梁素海內源污染并保護其生物多樣性，近年來經過治理，烏梁素海蘆葦區控制在150 km2，河口濕地面積也在逐步擴大。雖然這樣一方面減少了明水面區蒸散量，但另一方面也增加了因灘地復水所帶來的水面蒸發和灘地植物蒸騰蒸發。

綜上分析，烏梁素海水面維持生態需水量為3.94億m3。

2 洗鹽生態需水量

2.1 維持現狀鹽分平衡所需水量

由于來水帶入鹽分，而湖泊濕地的水分蒸發會造成鹽分在水體中的富集，因此,要保持湖泊的鹽分濃度不產生明顯上升，需要輸入一定量的低鹽水體，該輸入水量即為溶鹽洗鹽生態需水量。

確定物質平衡時的生態需水量，應該服從湖泊的水質平衡。假定湖泊的物質貯存量是穩定的，則輸入的物質總量應該等于排出的元素物質總量，則有式(1)：

PCp+Q灌排C灌排+Q下C下+Q生態C生態=Q退C退+Q滲C滲+HCH

(1)

式中：CP、C灌排、C下、C生態、C退和C滲分別為烏梁素海湖面降水、灌排渠道補水、地下水補給、湖泊生態用水和烏梁素海入黃退水及向周圍滲漏中的鹽分濃度，g/L；P、Q灌排、Q下、Q生態、Q退和Q滲分別為烏梁素海湖面降水、灌排渠道補水、地下水補給、湖泊生態用水、烏梁素海入黃退水量及向周圍滲漏水量，m3;CH為收獲物的鹽分濃度,g/L；H為 每年的蘆葦收獲量，t。此處湖泊生態用水完全用于洗鹽，全部退入黃河，即Q生態=Q退。

根據河套灌區的多年統計資料(2000—2017年)，灌區排干系統輸入水量Q灌排平均為5.11億m3/a；降雨量P取1996—2017年多年平均值219.7 mm，扣除多年平均徑流深8.8 mm，湖區面積維持目前水面面積293 km2，即0.62億m3/a；地下水的補給量Q下主要來源于烏梁素海周邊補給，根據多年地下水位等值線和相關地區水文地質參數測算，烏梁素海周邊補給量約為0.17億m3/a；全湖滲漏量Q滲為0.58～0.75億m3/a，取多年平均值0.66億m3/a；蘆葦的收獲量H取2014—2017年平均約為10×104t；入湖灌區排干系統的鹽分濃度C灌排取2000—2017年的平均值1.95 g/L；烏梁素海周邊的地下水礦化度C下為3.80 g/L(全灌區平均值)；雨水中的礦化度CP取0.07 g/L；生態用水來自黃河，黃河在巴彥淖爾境內的水質礦化度C生態多年平均在0.48～0.50 g/L，估算時取0.50 g/L。湖內挺水和沉水植物平均含鹽分CH為0.5%；湖泊目前的鹽分C退取2014—2017年的平均值3.30 g/L。

由以上水量平衡分析可得，2025年，要保持湖區現狀水面和水鹽平衡，至少需向烏梁素海補充2.83億m3的生態水量。

2.2 礦化度降到3.0 g/L所需洗鹽水量

將湖泊目前的鹽分(2014—2017年的平均值)3.30 g/L降低到3.00 g/L，計算溶鹽洗鹽所需的水量。根據下列公式(2)：

PCp+Q灌排C灌排+Q下C下+Q生態C生態-(Q退C退+Q滲C滲+HCH)=-0.3Q庫

(2)

式中：Q庫為烏梁素海庫容，4.0億m3。計算得出，將湖泊鹽分從3.3 g/L降到3.0 g/L，需要溶鹽洗鹽生態需水量為3.87億m3。

3 結 論

(1)烏梁素海生態需水量主要包括水面維持生態需水量、洗鹽生態需水量和水質達標生態需水量三部分。

(2)為維持烏梁素海現狀水面293 km2面積不萎縮，蓄水水量不減少，所需生態水量不宜小于3.94億m3/a。

(3)為維持烏梁素海水體礦化度持續低于 3.0 g/L，所需洗鹽生態水量不宜小于3.87億m3/a。

(4)根據河套灌區2000—2017年統計數據，灌區年均退入烏梁素海的水量約為5.11億m3，灌區的正常退水，即可滿足烏梁素海水面和水量的自維持，尚富余1.17億m3。由于融鹽洗鹽水量為3.87億m3，因此，灌區的正常退水，除滿足烏梁素海水面和水量維持外，尚不能完全滿足洗鹽生態用水需求，缺2.70億m3。