額濟(jì)納綠洲冬春月入境水量配置

王維邦，高 喆，范正軍，周潤田，董國濤

（黑河水資源與生態(tài)保護(hù)研究中心，甘肅蘭州730030）

水是干旱區(qū)最關(guān)鍵的生態(tài)環(huán)境因子，在干旱區(qū)“有水則綠洲、無水則荒漠”，水是制約干旱區(qū)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素［1］。綠洲是干旱地區(qū)人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的載體［2］，黑河下游有著名的額濟(jì)納天然綠洲，歷史上額濟(jì)納綠洲水草豐美，林草茂盛，牛羊成群［3］。20世紀(jì)八九十年代，黑河中上游地區(qū)用水量迅速增加［4］，進(jìn)入下游地區(qū)的水量逐年減少，額濟(jì)納綠洲出現(xiàn)一系列生態(tài)環(huán)境問題。從2000年開始，國家決策實(shí)施黑河流域水量統(tǒng)一調(diào)度。2008年起，黑河流域管理局開展了生態(tài)水量調(diào)度的探索與實(shí)踐，生態(tài)水量調(diào)度針對的是全年關(guān)鍵調(diào)度期的水量，而未充分考慮冬春月（11月至翌年3月）水量。黑河額濟(jì)納綠洲以胡楊以及灌木、草本為主。喬木、灌木一般3月下旬至4月初芽開始萌動(dòng)，植物種子萌發(fā)期和幼苗期對水分條件十分敏感，因此4月是額濟(jì)納綠洲需水的關(guān)鍵期［5］。冬春月來水量相對大而集中，目前對冬春月進(jìn)入額濟(jì)納綠洲的水量尚未進(jìn)行充分研究和分區(qū)配置，為了增強(qiáng)冬春月水量配置效果，開展冬春月額濟(jì)納入境水量研究和水量配置具有重要意義。

生態(tài)水量調(diào)度是一個(gè)多角度、全方位、一體化的系統(tǒng)工作，應(yīng)掌握植物需水情況、需水規(guī)律、適宜水量等。國內(nèi)學(xué)者近期對黑河生態(tài)調(diào)度和生態(tài)需水進(jìn)行了實(shí)踐和探索，姜珊等［6］開展了額濟(jì)納綠洲主要植被胡楊林和紅柳林及東居延海生態(tài)需水量計(jì)算；李強(qiáng)坤等［2］提出了計(jì)算干旱區(qū)天然植被生態(tài)需水量的方法，通過6種方案的對比分析，給出了2010年額濟(jì)納綠洲恢復(fù)方案；郭巧玲等［7］將額濟(jì)納綠洲劃分為不同區(qū)域，計(jì)算了額濟(jì)納綠洲植被生態(tài)需水量，研究了在現(xiàn)狀流域水量分配方案下，綠洲生態(tài)缺水量；司建華等［5］通過對額濟(jì)納綠洲地下水位時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過程、天然植被耗水過程及水文過程的研究，確定了綠洲生態(tài)需水關(guān)鍵期；王道席等［8］研究了黑河中下游地區(qū)生態(tài)需水規(guī)律，闡述了生態(tài)水量調(diào)度模式和調(diào)度措施，總結(jié)了生態(tài)水量調(diào)度的效果；孫雅琦［9］將黑河下游綠洲核心區(qū)劃分為4個(gè)生態(tài)片區(qū)，分析計(jì)算了各生態(tài)片區(qū)適宜的分配水量，提出了豐、平、枯水年東河、西河分水比例。以上研究主要集中在額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水量計(jì)算方面，很少有額濟(jì)納綠洲生態(tài)水量配置方面的研究，幾乎沒有涉及冬春月額濟(jì)納入境水量和水量配置方面的研究。據(jù)計(jì)算，實(shí)施黑河水量統(tǒng)一調(diào)度以來，冬春月額濟(jì)納入境水量可達(dá)2.21億m3，這部分水量很可觀。因此，基于額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水量，提出了冬春月額濟(jì)納綠洲水量配置方案，以期為黑河下游冬春月水量配置提供技術(shù)支撐和參考。

1 研究區(qū)概況

黑河是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，有東、中、西3個(gè)獨(dú)立的子水系。東部子水系即黑河干流水系，全長928 km，出山口鶯落峽以上為上游，鶯落峽至正義峽為中游，正義峽以下為下游。額濟(jì)納三角洲地處黑河下游地區(qū)，位于我國西北干旱區(qū)腹地，屬典型的大陸性氣候區(qū)。該區(qū)多年平均降水量34.5 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1 444 mm［10］，屬于極端干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。黑河是進(jìn)入該區(qū)唯一的河流，從正義峽流經(jīng)鼎新、東風(fēng)場區(qū)到達(dá)狼心山，經(jīng)過狼心山后分為東河、西河并進(jìn)一步分叉形成多條支流。三角洲南北跨度170 km，南抵鼎新綠洲，北到西居延海和東居延海，東西寬約80 km，面積約1.1萬 km2，其中綠洲面積2016年約2 150 km2。綠洲植被主要分布在額濟(jì)納旗三角洲中心的東河、西河及19條支流的河漫灘上，特別是東河下游大量分叉形成了河岸綠洲的核心區(qū)域（見圖 1）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的鶯落峽水文數(shù)據(jù)系列為1948—2017年實(shí)測流量，狼心山水文數(shù)據(jù)系列為黑河水量統(tǒng)一調(diào)度以來（2000—2017年）實(shí)測日流量。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，根據(jù)日流量換算出月徑流量和年徑流量。黑河下游額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水量從以往研究成果及相關(guān)文獻(xiàn)資料獲得（見表1）。

表1 額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水量

圖1 額濟(jì)納三角洲河網(wǎng)分布及生態(tài)分區(qū)

2.2 研究方法

2.2.1 狼心山入境水量

選取鶯落峽1948—2017年徑流資料，分析該系列徑流特征可以發(fā)現(xiàn)，該水文系列包括典型枯水年（1959—1979年）、平水年（1980—2002年）和豐水年（2003—2016年），且有周期性變化規(guī)律，整個(gè)系列為一完整周期，具有一定代表性。計(jì)算鶯落峽1948—2016年平均徑流量及變差系數(shù)，采用P-Ⅲ型頻率分布曲線進(jìn)行配線，利用同頻法計(jì)算不同保證率鶯落峽來水量。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，統(tǒng)計(jì)黑河水量常規(guī)調(diào)度以來（2004—2017年）鶯落峽和狼心山年徑流量及狼心山冬春月徑流量；采用相關(guān)分析法建立鶯落峽與鶯落峽至狼心山區(qū)間耗水之間的關(guān)系，從而計(jì)算不同保證率下狼心山年入境水量；通過統(tǒng)計(jì)分析狼心山年入境水量與冬春月入境水量，求得冬春月入境水量占年入境水量的比例，從而計(jì)算不同保證率狼心山冬春月入境水量。

2.2.2 額濟(jì)納綠洲冬春月水量配置

（1）水量配置原則。額濟(jì)納綠洲水量配置重點(diǎn)考慮以下原則：生態(tài)優(yōu)先原則，在生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)優(yōu)先滿足生態(tài)需水；可持續(xù)性原則，遵循可持續(xù)發(fā)展原則，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最優(yōu)化；整體性原則，東河和西河是相互依存、此消彼長的關(guān)系，將生態(tài)水量分配在全局進(jìn)行平衡，以期達(dá)到效益最優(yōu)；可恢復(fù)性原則，對于不可恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)，要在遵循生態(tài)演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用替代生態(tài)系統(tǒng)以彌補(bǔ)其生態(tài)功能的喪失；生態(tài)服務(wù)功能最優(yōu)原則，不僅要確立合理的生態(tài)恢復(fù)規(guī)模，而且要提高生態(tài)服務(wù)能力。

（2）不同來水條件下水量配置。為滿足額濟(jì)納綠洲繼續(xù)健康發(fā)展的需求，在滿足以上原則的基礎(chǔ)上，在統(tǒng)籌考慮額濟(jì)納綠洲各個(gè)區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能、保護(hù)功能、資源功能等基礎(chǔ)上，以不同保證率年入境水量和不同規(guī)模綠洲需水量為配置依據(jù)，將額濟(jì)納綠洲水量分為25%、50%、75%來水情景進(jìn)行配置。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑河水量統(tǒng)一調(diào)度以來狼心山入境水量分析

黑河干流水量統(tǒng)一調(diào)度自2000年開始，2000—2003年為應(yīng)急調(diào)度，2004年開始轉(zhuǎn)為常規(guī)調(diào)度，從這一時(shí)期開始形成了較為固定的調(diào)度模式。根據(jù)黑河水量調(diào)度實(shí)際，統(tǒng)計(jì)分析2004—2017年狼心山歷年徑流量和冬春月徑流量變化情況，見圖2。由圖2可以看出，狼心山2004—2017年入境水量年際變化較大，最大為2017年的10.71億m3，最小為2004年的3.55億m3，2004—2017年平均徑流量為6.49億m3；由于前期灌溉的渠系、田間滲漏及河床滲漏補(bǔ)給，因此狼心山冬春月入境水量較年來水量穩(wěn)定，沒有特別明顯的豐、平、枯水期，入境水量變異系數(shù)小，基本保持在2.21億m3左右，這部分水量占全年入境水量的34%。冬春月相對穩(wěn)定的來水量對于額濟(jì)納綠洲的健康發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，特別是春季入境水量有助于綠洲區(qū)地下水恢復(fù)和植被萌芽。

圖2 狼心山2004—2017年徑流量變化

統(tǒng)計(jì)2004—2017年狼心山冬春月逐日徑流過程，計(jì)算冬春月逐日平均流量，見圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，狼心山從11月開始流量緩慢增大，主要原因是進(jìn)入冬季后中游地區(qū)停止農(nóng)業(yè)灌溉；2月初至3月中旬，由于天氣逐漸回暖，河道內(nèi)儲(chǔ)存的冰開始融化，狼心山出現(xiàn)一次明顯的洪水過程，流量峰值達(dá)到50 m3/s；3月底河冰基本消失，流量又迅速減小。從以上分析可知，春季進(jìn)入額濟(jì)納綠洲的水量大而集中，在進(jìn)行水量配置時(shí)，可以充分利用這一特點(diǎn)，盡量往前期未灌溉區(qū)域或缺水區(qū)域補(bǔ)水。

圖3 狼心山2004—2017年冬春月平均流量

綜合上述對狼心山冬春月徑流量及來水過程的分析，狼心山冬春月入境水量不隨鶯落峽年來水量的變化而發(fā)生較大變化，在春季能形成一次明顯的春汛過程。在進(jìn)行額濟(jì)納水資源配置時(shí)可充分利用該時(shí)段的穩(wěn)定來水量和徑流特征，根據(jù)綠洲分布和植被覆蓋情況，分層次、分區(qū)域灌溉綠洲，從而增強(qiáng)冬春月水資源配置的合理性，提高用水效率。

3.2 不同保證率狼心山冬春月入境水量分析

1948—2017年鶯落峽徑流量有周期性變化規(guī)律，整個(gè)系列為一完整的水文過程，具有一定代表性。根據(jù)鶯落峽多年徑流量資料，計(jì)算出多年平均徑流量為16.32億m3，變差系數(shù)CV＝0.19，偏差系數(shù)CS的經(jīng)驗(yàn)取值為3.5CV。采用P-Ⅲ型頻率分布曲線進(jìn)行配線，計(jì)算鶯落峽不同保證率來水量，見表2。鶯落峽豐水年（頻率為25%）、平水年（頻率為50%）和枯水年（頻率為75%）來水量分別為 18.18億、15.98億、14.09億m3。

表2 不同保證率鶯落峽來水量

統(tǒng)計(jì)常規(guī)調(diào)度以來鶯落峽、狼心山徑流數(shù)據(jù)。計(jì)算鶯落峽年徑流量與鶯落峽至狼心山段區(qū)間耗水量之間的相關(guān)關(guān)系（確定系數(shù)為0.823 4），見圖4。由圖4可知，鶯落峽年徑流量與鶯落峽至狼心山段區(qū)間耗水量之間有良好的相關(guān)關(guān)系，可以通過鶯落峽年來水量間接計(jì)算狼心山年來水量及冬春月入境水量，即：

式中：Wl為狼心山年入境水量；Wy為鶯落峽年來水量。

狼心山冬春月入境水量占全年水量的34%，狼心山冬春月入境水量可以根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Wlws為狼心山冬春月入境水量；K為冬春月入境水量占全年比例，即34%。

根據(jù)式（1）和式（2）及不同保證率鶯落峽來水量，計(jì)算得到狼心山不同保證率年徑流量及冬春月入境水量，見表3。在豐水年、平水年和枯水年狼心山水文斷面年徑流量分別為5.68億、4.25億、2.53億m3，冬春月豐水年入境水量為1.93億m3，平水年為1.45億m3、枯水年為0.86億m3。

圖4 鶯落峽徑流量與鶯落峽至狼心山段區(qū)間耗水量的關(guān)系

表3 不同保證率狼心山斷面入境水量

3.3 額濟(jì)納綠洲冬春月水資源配置

3.3.1 分區(qū)及生態(tài)需水量

額濟(jì)納地區(qū)東河、西河沿線及其下游河網(wǎng)地區(qū)（包括東、西居延海）綠洲面積大、集中連片，植被品種多樣，是額濟(jì)納地區(qū)的綠洲核心區(qū)域，同時(shí)也是植被退化嚴(yán)重、亟待進(jìn)行恢復(fù)和整治的重點(diǎn)區(qū)域［7］?；诖?，將額濟(jì)納綠洲劃分為東河上游區(qū)、東河中游區(qū)、東河下游區(qū)、西河上游區(qū)、西河中游區(qū)、西河下游區(qū)和其他區(qū)域，分別獲取1987年、1999年、2010年和現(xiàn)狀年（2017年）各區(qū)域生態(tài)需水量，見表4。

從額濟(jì)納綠洲總生態(tài)需水量看，1987年額濟(jì)納綠洲總生態(tài)需水量最大，1999年生態(tài)需水量最小，隨后又逐年增加。主要原因是，20世紀(jì)八九十年代，黑河下游入境水量減少，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，而從2000年黑河水量統(tǒng)一調(diào)度開始，下游水量明顯增加，生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)，綠洲生態(tài)需水量逐漸增加。從額濟(jì)納綠洲不同分區(qū)生態(tài)需水量看，1987年東河、西河需水比例約為55∶45，現(xiàn)狀年約為60∶40。對比1987年和現(xiàn)狀年綠洲核心區(qū)各區(qū)域生態(tài)需水量可以看出，現(xiàn)狀年東河上游區(qū)、中游區(qū)生態(tài)需水量較1987年有所增加，而下游區(qū)有所減少，但3個(gè)地區(qū)需水比例皆比1987年的大；現(xiàn)狀年西河上游區(qū)和下游區(qū)生態(tài)需水量較1987年有所減少，特別是西河下游區(qū)減少明顯，而中游區(qū)有所增加。

3.3.2 冬春月水量配置

黑河流域水資源短缺，為了使有限的水資源發(fā)揮最大的生態(tài)效益，根據(jù)額濟(jì)納綠洲1987年、1999年、2010年和現(xiàn)狀年生態(tài)需水量，提出不同保證率下東河、西河水量配置建議。由綠洲分區(qū)及相應(yīng)生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果可知，以1987年綠洲生態(tài)需水結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，東河、西河綠洲區(qū)生態(tài)需水量的比例約為55∶45；以1999年需水結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，東河、西河綠洲區(qū)生態(tài)需水量的比例約為61∶39；以2010年需水結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，東河、西河綠洲區(qū)生態(tài)需水量的比例約為57∶43；以2017年需水結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，東河、西河綠洲區(qū)生態(tài)需水量的比例約為60∶40。

表4 額濟(jì)納綠洲不同年份各區(qū)域生態(tài)需水量 萬m3

（1）25%保證率來水條件下水量配置。根據(jù)狼心山不同保證率年入境水量和冬春月入境水量計(jì)算結(jié)果，在25%保證率條件下鶯落峽來水量為18.18億m3，對應(yīng)的狼心山年入境水量為5.68億m3，冬春月入境水量為1.93億m3；25%保證率下狼心山年入境水量能夠滿足2010年額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水量，東河、西河綠洲區(qū)生態(tài)需水量的比例約為57∶43，冬春月東河、西河水量配置可按照57∶43進(jìn)行下泄，其東河、西河下泄水量分別為1.10億、0.83億m3；來水偏豐時(shí)，在滿足綠洲核心區(qū)需水的條件下，可盡量調(diào)水至綠洲邊緣區(qū)。

（2）50%保證率來水條件下水量配置。50%保證率來水條件下，狼心山年來水量可達(dá)4.25億m3，冬春月狼心山斷面基本過水1.45億m3，在此來水條件下，狼心山年來水量與1999年綠洲生態(tài)需水量相當(dāng)，冬春月來水較為穩(wěn)定，東河、西河基本按照61∶39的比例分流，東河過水0.88億m3，西河過水0.57億m3。

（3）75%保證率來水條件下水量配置。75%保證率來水條件下，狼心山年來水量僅為2.53億m3，冬春月狼心山基本過水0.86億m3，狼心山年來水量明顯不能滿足綠洲生態(tài)需水，各區(qū)域均不同程度缺水。在此情況下，冬春月水量調(diào)度時(shí)應(yīng)首先保證綠洲核心區(qū)，特別是東河下游區(qū)和西河上游區(qū)用水需求，東河、西河水量可按照70∶30的比例分配，則冬春月東河可下泄0.60億m3水量，西河可下泄0.26億m3水量。

4 結(jié) 論

（1）狼心山冬春月入境水量大而集中，占全年入境水量的34%，并且這部分水量不隨鶯落峽年來水量的變化而發(fā)生較大變化；春季狼心山有較明顯的洪水過程出現(xiàn)，來水大而集中，黑河下游水資源配置可抓住這個(gè)有利時(shí)機(jī)，適時(shí)向額濟(jì)納綠洲輸水。

（2）冬春月狼心山來水量年際變化很小，來水量基本保持在2.21億m3，占全年入境水量的34%；當(dāng)狼心山25%、50%、75%保證率分別來水5.68億、4.25億、2.53億m3時(shí)，狼心山年冬春月來水量分別為1.93億、1.45 億、0.86 億 m3。

（3）開展冬春月水量配置時(shí)，25%保證率來水條件下，東河、西河水量可按照57∶43比例進(jìn)行下泄；在50%保證率來水條件下，東河、西河基本按照61∶39的比例分流；75%保證率來水條件下，東河、西河下泄水量可按照70∶30的比例分配。