瑪納斯河流域生態(tài)需水量估算

范文波,周宏飛,李俊峰

(1.新疆石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院,新疆石河子832003;2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊830011)

瑪納斯河流域地處歐亞大陸腹地,屬于典型的內(nèi)陸氣候,干旱少雨,水資源短缺,植被稀少,生態(tài)環(huán)境脆弱。長期以來,人類大規(guī)模的開發(fā)活動,引起土地退化,河流斷流,地下水位下降,生態(tài)環(huán)境日益惡化。著名的瑪納斯湖在1957年水域面積還為550 km2,1972-1975年干涸[1-2]。

近年來隨著社會經(jīng)濟水平的提高,改善生存條件越來越受重視。退耕還林還草,生態(tài)修復(fù)與重建工程也逐漸增多。但是,作為生態(tài)保護與重建的基礎(chǔ)條件即有限的水資源一直是困擾流域發(fā)展的瓶頸。本文擬就瑪納斯河流域生態(tài)需水的組成與各要素的需水開展探討,為生態(tài)需水提出具體的數(shù)量,為今后的流域生態(tài)保護提供參考。

1 瑪納斯河流域概況

瑪納斯河流域包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子市的14個農(nóng)牧團場、農(nóng)六師的新湖總場以及克拉瑪依的小拐鄉(xiāng),總流域面積為2.655萬km2。流域源于天山,終于瑪納斯湖。河流出山口后,流速變緩,泥砂大量堆積,形成了較平緩的洪積沖積扇。洪積沖積扇之下是一條狹長的泉水溢出帶,泉水溢出帶之下是廣闊平坦的洪積沖積平原。在泉水溢出地帶內(nèi)先后修建了大泉溝水庫等14座平原水庫[3],見圖1。流域內(nèi)降水稀少,蒸發(fā)量大,氣候干燥,主要依賴冰川融水和降水補給。流域水系由瑪納斯河、寧家河、塔西河等組成(見表1)[4],地表水總量22.91億 m3,地下水2.54億m3,水資源總量25.43億m3。其中瑪納斯河最為典型,流域面積也最大,年徑流量為12.74億m3,徑流季節(jié)性變化大,夏季(6-8月)冰雪融化強烈,徑流量占全年徑流的60%～70%,冬季冰雪封凍,徑流量占全年徑流量的5%～7%。

表1 瑪納斯河流域各河流水資源狀況

圖1 瑪納斯河流域水庫分布圖

2 流域生態(tài)需水計算原理

瑪納斯河流域生態(tài)需水主要體現(xiàn)在農(nóng)田防護林需水、維持農(nóng)田水鹽平衡需水、維系濕地水庫需水、河道最小需水4個方面。主要根據(jù)水量平衡原理計算各生態(tài)需水量。

(1)農(nóng)田防護林需水,根據(jù)最小灌溉量和灌溉面積確定。

式中：M——農(nóng)田防護林需水(m3);m——最小灌溉量(m3/hm2);A——灌溉面積(hm2)。

(2)農(nóng)田水鹽平衡需水,根據(jù)平均洗鹽定額和洗鹽面積確定。

式中 ：M′——農(nóng)田水鹽平衡需水(m3);s——平均洗

鹽定額(m3/hm2);A——洗鹽面積(hm2)。(3)水庫生態(tài)需水

式中：E——蒸發(fā)量(mm);P——可利用的降雨量(mm);A——水庫面積(km2)。

(4)河道最小需水量根據(jù) Tennant法(即Montana法)：

式中：Qm——河道最小需水量(m3);Qa——河道多年平均流量(m3)。

3 流域生態(tài)需水構(gòu)成成分估算

3.1 農(nóng)田防護林需水估算

瑪納斯河流域地處準噶爾盆地古爾班通古特沙漠南緣,多年平均降水量120～200 mm。準噶爾盆地中的古爾班通古特沙漠是中國植被條件最好的沙漠之一,多年研究表明該地區(qū)自然植被只要不存在人為破壞,基本可以依靠天然降水存活[5],即荒漠林不需要人為的額外補給。故此,瑪納斯河流域植被需水只是考慮農(nóng)田防護林。根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)黨委自治區(qū)人民政府關(guān)于進一步加快林業(yè)發(fā)展的意見》要求,今后農(nóng)區(qū)將要建立高標準農(nóng)田防護林體系,北疆農(nóng)田防護林占耕地的比例在8%以上[6]。瑪納斯河作為北疆典型內(nèi)陸河流域,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一直起引導(dǎo)作用,根據(jù)目前的耕地面積可以得出流域防護林面積約3.45萬hm2。2009年作者參與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查(簡稱兵團“二類”調(diào)查),結(jié)果調(diào)查顯示,林份的構(gòu)成以楊樹、榆樹、沙棗、柳樹為多。由于樹種和樹齡之間需水差異較大,本文根據(jù)多年的生產(chǎn)管理與目前水量的實際分配,得出普遍灌水定額為4 500～6 000 m3/hm2。按照最小灌溉定額為4 500 m3/hm2計算,目前的防護林需水為1.55億m3。

3.2 維持農(nóng)田水鹽平衡需水估算

3.2.1 瑪納斯河流域鹽堿區(qū)的構(gòu)成 瑪納斯河流域農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史久遠,尤其是20世紀50年代后,大面積的開荒和大水漫灌,造成流域耕地鹽堿化程度很嚴重。統(tǒng)計流域內(nèi)各縣市鹽堿化面積,見表2[7]。

表2顯示,瑪納斯河流域43.14萬hm2耕地中鹽堿化面積19.65萬hm2,鹽堿化面積占耕地面積的45.55%。其中石河子墾區(qū)耕地中鹽堿化面積約38.36%;瑪納斯縣耕地中鹽堿化面積約47.2%;沙灣縣耕地中鹽堿化面積約57.73%。整個流域鹽堿化構(gòu)成為：非鹽化占54.45%;輕鹽化占14.09%;中鹽化占11.89%;重鹽化3.82%;鹽土占14.33%;蘇打化土占1.25%;堿化土占0.16%。

表2 瑪納斯河流域鹽堿化耕地面積

3.2.2 維持鹽堿區(qū)水鹽平衡的計算 大水洗鹽依舊是鹽堿地改良中公認的最有效的方法。羅家雄總結(jié)新疆鹽堿治理經(jīng)驗,給出了不同地區(qū)與鹽堿程度的洗鹽定額[8],結(jié)合瑪納斯河流域的特點,一般洗鹽定額可以確定為4 500 m3/hm2,計算流域總洗鹽水量為8.84億m3。目前灌區(qū)采運膜下滴灌技術(shù),減少了用水量,減緩了鹽漬化發(fā)生的速率,生產(chǎn)上3 a洗一次鹽堿,可以遏制耕地不再惡化。此外,作為資源性缺水的大型灌區(qū),采用大水洗鹽的方式治理鹽堿也必須循環(huán)進行,才能安排適宜的水量。因此,采用輪流洗鹽方式,3 a為1個周期?？梢悦磕晗贷}水量約為2.95億m3。

3.3 維系濕地水庫需水估算

3.3.1 湖泊水庫的構(gòu)成 瑪納斯河流域泉水溢出帶東西長約70 km,南北寬3～5 km。泉水溢出帶內(nèi)分布有蘑菇湖、馬昌湖、海子灣等泉水湖泊和一些澇壩、葦塘、沼澤地及湖積黃土洲。數(shù)以千計的溢流泉形成的沙灣河、大泉溝、小泉溝等泉水河、泉水溝,縱橫穿流其間,構(gòu)成了一個典型的干旱地區(qū)內(nèi)陸河天然濕地。濕地內(nèi)生長有沼澤植物、草甸植物和鹽生植物等多種植物,生活著大量的水生、陸生動物,構(gòu)成了具有生物多樣性的濕地生態(tài)系統(tǒng)。

從20世紀50-80年代,為了提高對下游的供水保證率,在瑪納斯河流域的中、下游泉水溢出地帶內(nèi)先后修建了大泉溝水庫、蘑菇湖水庫等26座平原水庫[7],目前有調(diào)蓄功能發(fā)揮作用的水庫有14座,并逐漸形成了相互聯(lián)通、功能綜合的濕地水庫群。該濕地水庫群的設(shè)計總庫容為5.36億m3,總水面面積達142.4 km2(詳見表3)。

表3 水庫生態(tài)需水一覽表

3.3.2 維持湖泊水庫生態(tài)平衡的需水計算 瑪納斯河流域內(nèi)的14座平原水庫主要功能是灌溉和調(diào)蓄洪水冬閑水。部分水庫還有養(yǎng)殖和旅游功能。因此生態(tài)需水按照水域面積上地蒸發(fā)量來計算。統(tǒng)計表明：瑪納斯縣多年平均蒸發(fā)量為1 691 mm,降水量為205 mm,凈蒸發(fā)量為1 486 mm;石河子多年平均蒸發(fā)量為1 514.9 mm,降雨量為 203.6 mm,凈蒸發(fā)量為1 311.3 mm;沙灣縣多年平均蒸發(fā)量1 736.1 mm,降雨量196.7 mm,凈蒸發(fā)量1 539.4 mm。按照各水庫就近地區(qū)的凈蒸發(fā)量計算水庫總蒸發(fā)量為2.01億m3。

3.4 河道最小需水量估算

關(guān)于河道生態(tài)需水的論述較多。趙琪等對瑪納斯河最小生態(tài)需水進行計算,按照最小連續(xù)30 d平均流量法計算枯水期河道最小生態(tài)需水為1.56億m3,占年平均徑流量的12.8%;按照7Q10法計算枯水期河道最小生態(tài)需水為1.26億m3,占年平均徑流量的10.3%[9]。自1998年瑪納斯河進入豐水期且伴隨著流域大規(guī)模推廣膜下滴灌技術(shù)以來,流域水庫每年有部分棄水進入河道,對河道生態(tài)環(huán)境有較大改善,并在河道尾閭形成約100 km2的濕地,植被生長良好[10]。進入河道水量因年份差異較大,統(tǒng)計1998-2008年多年棄水量,多年平均棄水量約為1.39億m3。按照目前的水庫棄水量,能基本維持河兩岸檉柳及其他植物的正常生長。根據(jù)Tennant法(即Montana法)河道最小需水按照多年平均流量的10%計算,瑪納斯河流域最小需水為1.27億m3。多年平均棄水量1.39億m3略大于1.27億m3,分析流域水資源利用現(xiàn)狀,堅持1.39億m3為長期河道生態(tài)水量是比較適宜的,既可以維持一定的生態(tài)需水又不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?，敿{斯河是流域水系的典型代表,因此可以以此為例根據(jù)Tennant法計算其它河流的最小生態(tài)需水。塔西河多年平均流量為2.3億m3,生態(tài)需水為0.23億m3;寧家河多年平均流量為0.71億m3,生態(tài)需水為0.071億m3;金溝河多年平均流量為3.24億m3,生態(tài)需水為0.324億m3;巴音溝河多年平均流量為3.14億m3,生態(tài)需水為0.314億m3。流域水系河道總生態(tài)需水共計為2.33億m3。

4 流域生態(tài)需水量的估算

根據(jù)以上各單項需水量的計算,匯總流域生態(tài)需水量見表4。

表4 瑪納斯河流域流域生態(tài)需水數(shù)值構(gòu)成

計算可以得知,維持瑪納斯河流域基本生態(tài)穩(wěn)定的最小需水量為8.84億m3,占水資源量的34.64%,占地表水的38.59%。

扣除保持生態(tài)最小需水則流域水資源剩余量為16.59億m3,由于流域內(nèi)95%以上的水資源用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),本文忽略其他行業(yè)的用水量以探討耕地的底線。按照水利部門給定農(nóng)作物節(jié)水灌溉條件下的平均灌溉定額4 500 m3/hm2,計算出流域耕地面積的底線為36.89萬hm2(此數(shù)據(jù)不含防護林面積)。加上瑪納斯河流域防護林面積約3.45萬hm2,耕地總面積為40.34萬hm2,防護林比例為8.55%,符合北疆農(nóng)田防護林比例為8%以上的標準。

目前流域?qū)嶋H耕地面積為43.14萬hm2,超過了滿足最低生態(tài)需水條件下的耕地面積即40.34萬hm2。因為該流域是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè),所以多開的耕地必然占用生態(tài)用水,這與現(xiàn)實也非常吻合,近期流域開始加大退耕的力度證明了這一點[11-13]。因此,目前水資源的分配是不太合理的,耕地面積過大,建議應(yīng)退耕2.80萬hm2,約占耕地面積的6.5%,以保證生態(tài)用水。

5 結(jié)論

瑪納斯河流域生態(tài)需水構(gòu)成主要為農(nóng)田防護林需水、農(nóng)田水鹽平衡需水、湖泊水庫需水和河道最小需水,按照最小需水要求分別計算,生態(tài)需水量分別為1.55億m3、2.95億m3、2.01億m3和2.33億m3。流域最小生態(tài)需水為8.84億m3,占水資源量的34.64%,占地表水的38.59%。為保證生態(tài)用水,建議適度退耕。

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