黑河流域水循環(huán)特征研究*

侯蘭功,肖洪浪,鄒松兵,楊永剛,肖生春

(中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所生態(tài)水文和流域科學重點實驗室,蘭州730000)

水循環(huán)是聯(lián)系大氣水、地表水和地下水的紐帶,其變化深刻地影響著全球水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變,影響著人類社會的發(fā)展和生產(chǎn)活動。20世紀60年代以來,在世界面臨資源與環(huán)境等全球問題的背景下,聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和世界氣象組織(WMO)等國際機構(gòu),組織和實施了一系列重大國際科學計劃。例如,國際水文計劃(IHP)、世界氣候研究計劃(WCRP)及其子計劃全球能量與水循環(huán)實驗(GEWEX)、國際地圈生物圈計劃(IGBP)及其子計劃水文循環(huán)的生物圈(BAHC)方面等。在這些科學計劃中,水循環(huán)在全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化中所起的作用,受到極大重視,成為各項科學計劃共同關(guān)注的科學問題[1]。在中國西北地區(qū),由于水資源短缺問題,由此導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于退化和社會經(jīng)濟發(fā)展面臨的一系列問題,業(yè)已引起科學家和國家政府的極大關(guān)注[2-3]。1995年,在國際地圈生物圈計劃中國國家委員會(IGBP2CNC)框架下,成立了IGBP核心計劃“水文循環(huán)的生物圈方面(BAHC)”中國委員會。國家自然科學基金委員會、科技部、水利部、環(huán)境部、林業(yè)部等多個部門,業(yè)已支持了多項水科學基礎(chǔ)研究計劃和與國家需求緊密聯(lián)系的水資源研究項目。如國家科技部“九五”攻關(guān)項目、國家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目、西部行動計劃項目等。這些項目的開展,為研究中國西部水文循環(huán)與水資源時間空間演變規(guī)律研究提供了有力的支持。黑河流域是西北內(nèi)陸典型的干旱、半干旱區(qū),其中游平原區(qū)年降水量不足200 mm,下游平原區(qū)年降水量少于50 mm,平原區(qū)90%的水資源依賴祁連山區(qū)補給,而全流域90%的人口和社會經(jīng)濟分布在中游區(qū),以至應(yīng)該輸送給下游區(qū)的水資源量被中游區(qū)生產(chǎn)和生活用水大量擠占,導(dǎo)致下游區(qū)居延海等湖泊干涸,生態(tài)環(huán)境極度惡化,沙塵暴頻發(fā)[4-5]?？陀^認識黑河流域水循環(huán)特征,已經(jīng)成為黑河流域水資源可持續(xù)利用和下游區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)所面臨的重要科學問題之一。

1 自然概況與氣候特征

1.1 流域概況

黑河發(fā)源于祁連山北麓,流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省(區(qū)),干流長821 km,流域面積約 13萬km2,是我國第二大內(nèi)陸河,也是西北、華北地區(qū)重要的綠色源流(見圖1)。黑河流域南以祁連山為界,北與蒙古人民共和國接壤,東西分別與石羊河和疏勒河流域相鄰。其中60%是戈壁和丘陵山區(qū),平原面積約5萬km2。黑河流域基本處于青藏和蒙新高原的交匯地帶,地貌地勢西高東低、南高北低。多年以來,黑河流域在人類活動強烈作用和區(qū)域氣候變化雙重驅(qū)動下,各類景觀元素發(fā)生了十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化和相互轉(zhuǎn)換[6-8],整體景觀大致可分為:高山冰雪凍土帶、山區(qū)植被帶、山前綠洲帶和荒漠帶[9]。受青藏高原隆起與周圍高大山系的影響,海拔在2 500～4 000 m的高山冰雪凍土帶,氣溫較低,現(xiàn)代冰川、積雪發(fā)育;山區(qū)植被帶海拔2 300～3 400m,降水較多[10],植被帶內(nèi)森林密布,灌木、喬木茂盛,對山區(qū)水源具有涵養(yǎng)作用[11-12],從而使山區(qū)成為黑河流域徑流主要形成區(qū)[9];山前綠洲帶海拔1 000～2 000 m,降水較少、氣溫較高,成為徑流的次要補給區(qū)和散失區(qū);而荒漠帶海拔1 000～1 500 m,由于區(qū)內(nèi)極端干旱,成為徑流的主要散失區(qū)。

圖1 黑河流域研究區(qū)略圖

1.2 流域分段概況

自祁連山源區(qū),經(jīng)南部盆地至北部盆地,黑河流域地勢由高至低,構(gòu)成上、中、下游三個屬性不同的分區(qū),水資源具有明顯的區(qū)位分帶性。

黑河出山口鶯落峽以上為上游區(qū),河道長303 km,海拔高程為1 700～5 564m,年降水量為300～600mm,平均350 mm,冰川儲量136億 m3,每年融水量約4億m3,是黑河流域的主要產(chǎn)流區(qū)和水資源形成源區(qū)。

鶯落峽至正義峽為中游區(qū),河道長185 km,海拔高程為1 352～1 700 m,兩岸地勢平坦,光熱資源充足,降水量50～200 mm。出山口地表徑流水量的80%～90%在山前平原戈壁帶入滲補給地下水,地下水年均補給量26.9億m3。入滲水量的60%～70%在溢出帶通過泉水方式流出地下補給地表水。中游區(qū)分布著廣闊的人工綠洲和部分鹽堿化土地,是黑河流域水資源主要耗水區(qū)和調(diào)控關(guān)鍵區(qū),同時還承擔保障下游區(qū)生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水供給的責任。

正義峽以北為下游區(qū),河道長333 km,海拔高程為912～1 249 m,除河流沿岸和居延三角洲外,大部為荒漠戈壁,年均降水量47 mm,最小年份僅17 mm,氣候異常干燥,屬極端干旱區(qū),風沙災(zāi)害頻發(fā),是目前黑河流域嚴重缺水區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),也是我國北方沙塵暴的主要物源區(qū)之一,其生態(tài)環(huán)境狀況依賴于中游區(qū)下泄水量多少。

1.3 流域氣候特征

黑河流域深居內(nèi)陸,遠離海洋,屬大陸性氣候干旱區(qū),氣候的地帶性和區(qū)域性非常明顯。其特點是冬季寒冷漫長,降水少;春季回暖快,干旱多風沙天氣;夏季氣溫高,降水相對集中;全年晝夜溫差大。根據(jù)地形,流域可分為3個氣候帶:祁連山高寒半干旱區(qū),年平均氣溫＜4℃,無霜期140 d,年日照時數(shù)2 600 h;走廊冷溫帶干旱區(qū),年平均氣溫5～10℃,無霜期160 d,年日照時數(shù)＞2 800 h,風沙大;北部山地和戈壁沙漠溫帶特干旱區(qū),年平均氣溫6～10℃,無霜期140～160 d,年日照時數(shù)2 800～3 300 h,降水稀少,溫差大,春夏季常有沙塵暴天氣出現(xiàn)。

2 流域降水量與蒸散發(fā)耗水量

2.1 蒸散耗水量計算方法

采用作物潛在蒸散量和波文比方法來推算作物的蒸散耗水量。其中潛在蒸散量的計算目前常用的是改進后的Penman-Monteith公式[13]:

式中:ET0——每天的參考蒸散發(fā)(mm/d);Rn——太陽凈輻射[MJ/(m2?d];G——土壤熱通量[M J/(m2?d)];Δ——飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);γ——干濕球常數(shù)(kPa/℃);Ta——平均大氣溫度(℃);u2——2 m 處風速(m/s);es——飽和水汽壓(kPa);ea——實際水汽壓(kPa)。

則實際蒸散耗水量可通過下式計算得到:

式中 :ETc——實際蒸散耗水量(mm/d);Kc——作物系數(shù)。A llen[13]等根據(jù)不同的植物類型給出了不同的作物系數(shù)。

黑河流域下游額濟納綠洲的蒸散耗水量在波文比系統(tǒng)日常觀測的基礎(chǔ)上運用下式計算得到:

式中:Rn——太陽凈輻射(W/m2);ETc——蒸散發(fā)(mm/d);H ——感熱通量(W/m2);G——土壤熱通量(W/m2);ΔT——上下空氣溫度差(℃);Δe——上下水汽壓差(kPa);λ——汽化潛熱(MJ/kg);γ——干濕球常數(shù)(kPa/℃)。

2.2 上游降水量與蒸散耗水量

祁連山的降水影響著山區(qū)地表徑流、冰雪融水對河流的補給,并直接控制著黑河的水文情勢。由于山區(qū)降水比較豐富,因而成為黑河中下游地區(qū)每年得以更新的地表水資源來源。根據(jù)氣象、水文多年觀測資料,黑河流域山區(qū)降水為200～600 mm,降水隨高程增加(10～25)mm/100m。

黑河上游既是徑流的形成區(qū),也是水量消耗的重要區(qū)?？刂粕絽^(qū)徑流的是降水和蒸發(fā),從山區(qū)的降水-徑流分析,降水除了形成徑流以外,其余的水量主要消耗于山區(qū)的蒸發(fā)(見表1)。在高山冰川帶,已有的研究結(jié)果表明[14]:祁連山冰川以少活動和最少活動為主,東段為負平衡,西段為正平衡。總體來看祁連山冰川物質(zhì)近似處于動態(tài)平衡中,也就是說冰川積累量等于消融量。其積累量主要來源于降雨量,消融量主要為蒸發(fā)(或升華)和徑流,冰川的平均溫度很低,蒸發(fā)量(或升華量)很小,一般可以忽略。所以高山冰川帶的降水幾乎全部轉(zhuǎn)化為徑流。在凍土寒漠帶,降水量相對豐富,蒸發(fā)能力較弱,盡管無植被生長(或者植被較少),但產(chǎn)流率高,年降水的70%左右可以轉(zhuǎn)化為徑流,徑流系數(shù)可達0.7。在那些降水量和熱量不能滿足喬木林生長的山坡,僅生長灌木林和耐寒、耐干的草本;從森林帶以下至草原帶和荒漠帶,隨降水量的減少,植被變得稀疏,甚至裸露,在這些帶內(nèi)降水完全損失于蒸發(fā)蒸騰,無徑流產(chǎn)生,是上游主要的水量消耗區(qū)。

表1 黑河上游降水與蒸散估算

2.3 中游降水量與蒸散耗水量

在黑河流域,中游是人類活動最密集的地區(qū),隨著人工綠洲的建設(shè),灌溉面積擴大,在這一區(qū)域蒸發(fā)蒸騰非常旺盛,當?shù)氐慕邓窟h遠不能滿足蒸散量,所以中游是出山徑流的重要消耗區(qū),自身不產(chǎn)流。在黑河中游,出山徑流與降水首先補給地下水,然后再以泉水形式出露地表,轉(zhuǎn)換成為地表水,并被人類生產(chǎn)生活利用,最終消耗于陸面的蒸發(fā)蒸騰。自從黑河分水方案實施以后,中游地區(qū)可利用的徑流量減少,為了彌補用水量的不足,當?shù)丶哟罅说叵滤拈_采量,使得中游的地下水儲量大幅減少。根據(jù)計算(見表2),黑河中游東支包括區(qū)域為山丹、民樂、甘州、臨澤、高臺,年總蒸散耗水量 44.24億 m3,其中綠洲蒸散耗水量28.6億m3,占中游東支總耗水量的 64.65%;荒漠蒸發(fā)量 15.64億 m3,占35.35%。黑河中游西支包括區(qū)域為肅州、嘉峪關(guān),年總蒸散耗水量11.4億m3,其中綠洲蒸散量6.52億m3,占中游西支總耗水量的57.19%;荒漠蒸發(fā)量4.88億m3,占42.81%。黑河中游東西支合計總蒸散耗水量 55.64億 m3,綠洲合計總蒸散耗水量35.12億m3,占中游總耗水量的63.12%;荒漠合計總蒸發(fā)耗水量20.52,占36.88%。

表2 黑河中下游降水與蒸散估算

2.4 下游降水量與蒸散耗水量

由于黑河中游水資源過度開發(fā),攔截泄放至下游的水量,使下游河道成為季節(jié)性水道,或完全干涸,減少了向下游輸送的淡水資源量,同時綠洲灌溉和土地開發(fā)打破原有土壤鹽分平衡,加上灌溉回歸水的影響,使下游地區(qū)水質(zhì)咸化,土壤鹽堿化,引起下游天然綠洲生態(tài)系統(tǒng)急劇退化;由于減少了河道行水,干枯河床遭受風沙影響,造成風蝕積沙;并使內(nèi)陸河終端湖水量減少,乃至枯竭,也改變了流域內(nèi)水量的區(qū)域分配。黑河下游地處中國西北極端干旱區(qū),來自中游的下泄水量與當?shù)氐慕邓畮缀跞繛檎羯⑺?使得下游成為徑流的主要散失區(qū)。根據(jù)計算(見表 2),下游綠洲區(qū)的蒸散發(fā)耗水量為18.54億 m3,荒漠蒸發(fā)耗水量25.98億 m3,兩項合計得到下游地區(qū)年總蒸散耗水量44.52億m3,其中綠洲占41.64%,荒漠占58.36%。

3 黑河流域水資源變化時空特征

根據(jù)水文站觀測資料及無測站小河溝估算數(shù)據(jù),計算了近50 a來,進入黑河流域南盆地(走廊平原區(qū)張掖、酒嘉盆地)、北盆地(金塔、鼎新盆地)和額濟納盆地的地表徑流水資源量。從圖2可以看出,進入南盆地的地表水資源量基本保持在多年平均水平(約35億m3),并從1980s以來略有增加;經(jīng)過南盆地走廊平原區(qū)大規(guī)模利用后,進入北盆地水資源量呈現(xiàn)出逐步減少的趨勢,并在1990s急劇減少,表明近50 a來,走廊平原區(qū)人類活動對水資源的開發(fā)利用在逐步增強;最終進入到額濟納盆地的水資源量呈現(xiàn)出與北盆地平行變化的趨勢。

圖2 黑河流域水資源變化時空特征

4 結(jié)論

由于黑河流域四周為高山高原的地理環(huán)境,形成了干旱地帶獨具特色的水循環(huán)系統(tǒng),水資源在流域的水循環(huán)中形成、運移、轉(zhuǎn)化和消耗。而且該地區(qū)還受不同季風環(huán)流的影響,參與空中的全球水循環(huán)[16-17](見圖 3)。

圖3 黑河流域水循環(huán)示意圖

(1)降水:根據(jù)已有的研究結(jié)果表明[18],黑河流域上空水汽輸入為2 484億m3,而輸出水汽為2 196億m3,水汽凈收入量為288億m3,按流域總蒸發(fā)水量計算,進入水汽循環(huán)水量約為195.6億m3,則本地區(qū)有483.6億m3的水汽凈收入。輸送入境的水汽與本地水汽在合適的條件下才形成降水,受地形抬升和地理位置的影響,高山降水多于平原,盆地周邊多于盆地腹地,迎風坡多于背風坡。所以高山是干旱區(qū)的“濕島”,在高山地區(qū)形成多降水中心,成為河流的發(fā)源地。盡管上游山地面積僅占不到1/4,但平均每年降落在山區(qū)的降水量估算有141.68億m3;中下游內(nèi)陸盆地成為低降水極值中心,盡管降水少,但由于面積較大,降水總量約有55.13億m3。

(2)徑流:山區(qū)降水約有30%可形成河水、泉水和湖水,與冰川融水徑流匯合成為河川徑流的補給源,成為中下游平原地區(qū)人類直接開發(fā)利用的地表水資源。山溪徑流從河源到出山口沿程增加,據(jù)統(tǒng)計每年向中下游平原地區(qū)輸送的地表徑流約35億m3。流入中下游平原的河水受山前水文地質(zhì)條件影響,大量入滲,并供沿途人類飲用、植物吸收消耗和陸面蒸散,不斷減少。

(3)蒸散:蒸散是黑河流域水循環(huán)中最重要的過程。通過水面、地下水和地表蒸散,可使大量的水分散失在開敞的水文循環(huán)之中;另外植物根系可以從土壤中吸收客觀水量,并通過蒸騰汽化大量水分。這種蒸發(fā)、蒸騰損失在黑河流域達到195.6億m3,其中在上游山區(qū)蒸散約95.44億m3的水分,中下游蒸散損失的水量約達到100.16億m3。

(4)問題:黑河流域水資源分配格局的改變,使得原來大量消耗于下游的河川徑流量逐步轉(zhuǎn)移到山前平原綠洲,增大的平原綠洲蒸發(fā)蒸騰水量,一方面改善了綠洲的局部生態(tài)環(huán)境,形成綠洲小氣候,產(chǎn)生綠洲效應(yīng);另一方面,大量蒸發(fā)的水汽在臨近高山山麓地帶在盛行風向的影響下向上運動,必將有部分向山區(qū)輸送,從而參與內(nèi)陸水分循環(huán),并形成小部分降水[19]。隨著全球升溫水循環(huán)加劇,這種局地水分循環(huán)是否會增加這里的降水量?其影響的幅度有多大?這些問題都會影響到黑河流域水資源的合理利用評價。

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