東居延海入湖水量及水面變化分析

王明權(quán)

（甘肅廣播電視大學 理工農(nóng)醫(yī)學院，甘肅 蘭州 730030）

一、研究背景

位于內(nèi)蒙古額濟納旗北部的東居延海，是我國第二大內(nèi)陸河黑河的尾閭湖之一。黑河以鶯落峽以上為上游，鶯落峽至正義峽為中游，正義峽以下為下游。黑河出祁連山北麓鶯落峽進入中游，縱貫河西走廊重鎮(zhèn)張掖全境。隨著以農(nóng)業(yè)為主的中游社會經(jīng)濟發(fā)展，對水資源的需求不斷增加，導致黑河下泄下游的水量減少。黑河出正義峽進入下游后，從上世紀60年代起干流再無地表支流匯入[1]。除河流沿岸和居延三角洲外，大部分為沙漠戈壁，屬極端干旱區(qū)，降雨稀少不能產(chǎn)生持續(xù)的地表徑流，東居延海1992年干涸，額濟納地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴重失衡。2002年黑河調(diào)水入東居延海，從2005年的入湖水與上年度的調(diào)水匯合后，東居延海不再干涸。通過多年的探索實踐，調(diào)水工作取得了很大成效，額濟納綠洲生態(tài)環(huán)境惡化得到了有效遏制，東居延海湖區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好發(fā)展。另外，位于黑河上游東、西兩岔交匯處下游11公里的黃藏寺水利樞紐工程，是黑河干流首座控制性工程，現(xiàn)已開工建設(shè)。《黑河黃藏寺水利樞紐工程項目建議書》認為該工程樞紐完成后可以增加狼心山斷面來水量1.18×108m3。工程投入使用后必將對黑河調(diào)水產(chǎn)生深遠的影響。東居延海維持一定的水面面積是生態(tài)環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展的內(nèi)在要求，而水面面積是湖體在一定儲水量作用下的外在表現(xiàn)。分析狼心山斷面來水量與東居延海的入湖水量的關(guān)系，研究儲水量與水面面積的變化規(guī)律及水面面積變化的影響因素，能夠為東居延海進一步開展生態(tài)調(diào)水工作提供科學支持。

二、數(shù)據(jù)來源與整理

本文中研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)鶯落峽斷面實測來水量、狼心山斷面過水量、向東居延海補水量、東居延海最大水面面積的數(shù)據(jù)來源于水利部黃河水利委員會黃河網(wǎng)(www.yellowriver.gov.cn/)黑河干流水量調(diào)度情況公告。東居延海水面面積與儲水量的數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會黑河流域管理局(www.hhglj.org/category/zwgk)發(fā)布的水情信息。在數(shù)據(jù)整理中，對于東居延海水面面積相同、儲水量不同的情況，保持水面面積數(shù)據(jù)不變，儲水量的數(shù)據(jù)取平均值；儲水量相同、水面面積不同的情況，保持儲水量的數(shù)據(jù)不變，水面面積數(shù)據(jù)取平均值。

三、東居延海入湖水量分析

（一）狼心山斷面來水量和東居延海入湖水量

自2008年以來狼心山斷面來水量累計80.18×108m3，年均來水量7.29×108m3，最小來水量為2010年的4.83×108m3，最大來水量為2017年的10.71×108m3。東居延海累計入湖水量7.36×108m3，年均入湖水量0.669×108m3，最小入湖水量為2010年的0.48×108m3，最大入湖水量為2017年的0.89×108m3。東居延海入湖水量占狼心山斷面來水量的比在6.07%～15.15%之間。根據(jù)圖1所示，狼心山斷面來水量離散性大于東居延海入湖水量，總體呈現(xiàn)波動中上升趨勢。

圖1 狼心山斷面來水量和東居延海入湖水量圖

按照數(shù)理統(tǒng)計理論，相關(guān)系數(shù)R 表明了隨機變量之間相關(guān)關(guān)系的密切程度。進行相關(guān)分析時，為了避免過大的抽樣誤差，水文變量至少應有10 項同期觀測資料，東居延海的入湖水量與狼心山斷面的來水量的系列資料符合樣本容量要求。用excel中的數(shù)據(jù)分析工具，對東居延海入湖水量與狼心山斷面來水量做相關(guān)分析，Rsquare=0.14145，表明東居延海入湖水量與狼心山斷面來水量兩者之間的相關(guān)關(guān)系不密切。

狼心山水利樞紐包括東西河入口的分水閘和狼心山水文站。狼心山水文站是黑河干流進入內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納綠洲的重要水文控制站。狼心山水利樞紐位于額濟納綠洲上游頂點，也是黑河下游河道分流為東河（入東居延海）和西河（入西居延海）的起點。在東西兩河之間，建有東干渠與狼心山水利樞紐相連。東干渠流程約120km，最終注入東河，利用渠道輸水效率高的優(yōu)點向東西河之間的中戈壁進行生態(tài)補水，遏制中戈壁的生態(tài)退化。另外，也可關(guān)閉東干渠上的節(jié)制閘輸水到東河后直接向東居延海補水。狼心山水利樞紐通過設(shè)在東西河口的分水閘通過閘門調(diào)節(jié)，向各河調(diào)配水量。東西河的調(diào)配水量沒有固定的比例，東居延海入湖水量只是狼心山來水量中的一部分。這是東居延海入湖水量與狼心山斷面來水量兩者之間的相關(guān)關(guān)系不密切的原因之一。

（二）東河河道輸水損失率計算

東居延海所在的額濟納綠洲位于阿拉善高原的湖盆低地，地處亞洲大陸腹地，屬于典型的溫帶大陸性氣候區(qū)。氣候極端干旱，水資源貧乏，降雨產(chǎn)生的地表徑流不能維持河流的常年流動。黑河下游河道都是天然河道，正義峽到哨馬營河段處于沙漠腹地，受沙漠入侵及風積沙的影響，河道內(nèi)形成眾多沙丘，屬沙質(zhì)河床，河道的滲漏失較大，哨馬營至狼心山斷河道相對較窄，由于河床下切交深，存在相對穩(wěn)定的河槽，河道的滲漏失較小。而從狼心山到東居延海，即東河段，河道輸水損失變得更加復雜。東河斷面不規(guī)則，屬寬淺型沙質(zhì)河床，河道滲漏量大。東河在居延海三角洲向北又分為11條支流，成扇形分布。雖然黑河調(diào)水實施“全線閉口、集中下泄”措施，但是上游鶯落峽下泄水量不受人為調(diào)節(jié)，河道的過水流量隨時間變化，在不考慮輸水過程中的向河道外引流的情況下，此區(qū)間的河道輸水損失，采用自由滲流情況下的渠道滲漏損失經(jīng)驗公式（1）估算河道損失流量[2]。

Γ：地下水頂托修正系數(shù)；

A：河床土壤透水系數(shù)；

m—河床土壤透水指數(shù)；

Qn—河道凈流量，m3/s；

L—河道長度，km；

河道輸水損失率按（2）計算。

η—河道輸水損失率；

在總結(jié)國內(nèi)外建筑防火設(shè)計經(jīng)驗和消防科研成果以及開展大量科學研究的基礎(chǔ)上，公安部組織編制了《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB 50016-2014（以下簡稱《建規(guī)》），新增了對建筑保溫系統(tǒng)的防火要求，于2015年5月1日實施，并于2018年進行了局部修訂?！督ㄒ?guī)》第6.7節(jié)建筑保溫和外墻裝飾對外墻保溫作了具體規(guī)定，整體上體現(xiàn)了“材料防火”與“構(gòu)造防火”的理念，以條文規(guī)定的形式將這兩個理念予以明確，可以認為該規(guī)范可用于解決外保溫使用階段的火災問題。

以東居延海入湖水量與單次補水時間的比值作為Qn；區(qū)段內(nèi)的地下水埋深較大，地下水頂托修正系數(shù)γ=1；根據(jù)河道土質(zhì)性質(zhì)，河床土壤透水系數(shù)A=3.4，河床土壤透水指數(shù)m=0.5；河道長度L以160km 計。采用（1）、（2）對不同補水天數(shù)對應的入湖水量計算輸水損失率，結(jié)果如表1所示。經(jīng)計算得到狼心山到東居延海河段河道輸水損失率均值為57.96%。從狼心山到東居延海段河道輸水損失率遠遠高于正義峽到馬哨營的26.65%、馬哨營到狼心山的10.75%[3]。采用狼心山到東居延海河段河道輸水損失率均值為57.96%，對每年度東河需要過水量進行還原計算。如表2所示，東河需過水量最小為0.83×108m3，需過水量最大為1.54×108m3。東河需過水量占狼心山來水量比在10.47%～26.13%的范圍內(nèi)波動。同時，由表1可知，東河也存在輸水流量大而河道輸水損失率

表1 東居延海單次補水輸水損失率表

四、東居延海水面面積變化分析

（一）東居延海水面年內(nèi)變化規(guī)律

黑河水是東居延海改善和恢復生態(tài)植被的惟一水源。通過調(diào)水將緩解這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化、沙漠侵襲的趨勢，有效補充湖濱地區(qū)的地下水小的特點。因此，在向東居延海補水過程中，在計劃入湖水量相同的情況下，應采用減小補水天數(shù)，加大流量的措施。位，改善生態(tài)環(huán)境。2002年黑河調(diào)水首次流入東居延海，2004年開始至今東居延海不再干涸。東居延海自2008年以來，調(diào)水入湖累計34 次，入湖水量總計7.34108m3，水面面積最大43.1 km2，2008年以來的的當年最大面面積與入湖水量如圖2所示。

表2 東河各年度需過水量表

圖2 東居延海當年最大面積與入湖水量圖

在東居延海補水過程中，單位時間內(nèi)入湖水量大于單位時間內(nèi)湖水的損耗，湖面面積才會隨補水時間的持續(xù)而增大。入湖水量一部分轉(zhuǎn)化為湖內(nèi)的儲存水體，一部分用于湖水的損耗。在一年之內(nèi)，開始由于東居延海封凍，湖面面積不發(fā)生變化。解凍以后東居延海水面面積由于沒有水體的補充只有水量損耗先是逐漸減小。隨著黑河調(diào)水工作的開始，同期入湖水量大于同期湖水的損耗量，東居的延海開始儲水，湖面面積不斷增大。在補水的末期，入湖水量小于湖水的損耗量時，儲水量不再增加，湖面面積不再增大，開始減小。湖面面積最大值不是在補水工作結(jié)束時出現(xiàn)，而是存在于補水后期入湖水量等于湖水的損耗量時。補水結(jié)束以后，由于有沒有水體補充，水面面積隨時間推移持續(xù)減小。每年12月初左右，隨著氣溫的降低，東居延海封凍后湖面面積不發(fā)生變化。歷年調(diào)水入湖次數(shù)不完全相同，通常湖面面積最大值產(chǎn)生于年內(nèi)最后一次補水過程中。

（二）水面面積與儲水量、水深與儲水量曲線繪制

隨著東居延海補水工作的開展，儲水量和水面面積不斷增長，考慮到因湖盆的形狀不規(guī)則，湖面面積依儲水量變化的關(guān)系采用多項式擬合，多項式擬合問題實際就是按偏差平方和最小的原則選取擬合曲線，并且采取二項式方程為擬合曲線的方法，稱為最小二乘法。多項式在本質(zhì)上是無邊界的振蕩函數(shù)。東居延海補水成效最主要的直觀表現(xiàn)就是水面面積值。為了使擬合精度提高，結(jié)合補水效果，對東居延海水面面積為31.8km2、儲水量為2830×104m3作起點，以水面面積為43.1km2、儲水量為9750×104m3作終點的區(qū)段，若以水面面積為因變量、儲水量為自變量進行多項式擬合。水面面積與儲水量的關(guān)系如圖3所示?；貧w方程：

圖3 東居延海水面面積與儲水量曲線

（3）式中y為水面面積，單位km2；x為儲水量，單位104m3。R2=0.9989 表明公式擬合較好。

根據(jù)收集到的水面面積和與之對應的儲水量的值，由小到大排序，采用（4）式計算相鄰水面之間高差ΔZ，自湖底逐個高差累加，便可得到某一儲水量對應的水深[4]。繪制的東居延海水深與儲水量曲線如圖4所示。

ΔZ：水層深度，即兩相鄰水面的高差，m；

ΔV：相鄰水面的容積，m3；

F上，F(xiàn)下：兩相鄰水面面積，m2；

圖4 東居延海水深與儲水量曲線

對應由儲水量為2830×104m3、水面面積為31.8km2，變化到儲水量為9750×104m3、水面面積為43.1 km2，儲水量增加了6920×104m3，水面面積增加11.3 km2，而水深增加了1.747 m。在補水過程中，水深的增加速度小于儲水量的增加速度。在水面面積為43.1 km2時，東居延海最大水深為3.09 m，平均水深為2.26 m。東居延海水深與儲水量曲線體現(xiàn)東居延海的湖盆成淺碟狀形態(tài)。

（三）東居延海水量耗損分析

東居延海是內(nèi)陸湖，湖內(nèi)水體沒有排泄口，也無生產(chǎn)生活向外引用水。湖水的消耗主要是蒸發(fā)、滲漏。而東居延海滲漏量由滲透損失和滲漏損失兩部分組成。

蒸發(fā)量是指在一定時段內(nèi)，水分經(jīng)蒸發(fā)而散布到空中的量，通常用蒸發(fā)掉的水層厚度的毫米數(shù)表示，一般溫度越高、濕度越小、風速越大、氣壓越低、則蒸發(fā)量就越大；反之蒸發(fā)量就越小。由于東居延海所處的氣象環(huán)境，蒸發(fā)損失的水量占水量耗損絕大部分。根據(jù)蒸發(fā)量的定義，東居延海年蒸發(fā)量就是不考慮補水情況下湖面水面下降的高度，與水面面積無關(guān)。在蒸發(fā)量相同條件下，湖面面積較大時蒸發(fā)損耗的水量多，因此在年內(nèi)蒸發(fā)量高峰過后的時段進行補水，補水水量轉(zhuǎn)化為湖體儲水量的效率高，對湖面面積的擴大效果好。

由于飽和湖岸土體而引起的湖水損失稱為滲透損失，這種滲透現(xiàn)象在東居延海補水時發(fā)生，只要在補水過程中湖面面積增大， 就會產(chǎn)生滲透損失。滲透損失決定于湖面面積的增加量、湖岸土體補水前的孔隙率和需滲透飽和的湖岸面到地下水面之間的高差。

湖水沿透水層的滲水通道外滲，而引起的損失，稱滲漏損失。在東居沿海進行生態(tài)補水的最初幾年滲漏損失較大，當補水工作進行幾年后，因向東居沿海的補水多在上游發(fā)生雨洪時期進行，補水過程中水流挾帶的泥沙進入東居沿海，由于水流流速減小，泥沙淤積，湖底孔隙逐漸被淤塞，且湖岸地下水位升高，因而滲漏損失會逐漸遞減趨于穩(wěn)定。另外，由于額濟納盆地南、西、北三面為低山環(huán)抱，東居延海處于盆地的低洼地帶，隨著黑河調(diào)水工作的進行，河道內(nèi)入滲的部分水體可能會以地下徑流方式補給湖水，因此認為東居延海水量耗損不包括滲漏損失。

五、結(jié)論

狼心山分水閘調(diào)配給東河的水量不存在完全比例關(guān)系，且河道在不同的流量情況下輸水效率不同，所以東居延海的入湖水量與狼心山斷面的來水量雖然存在一定的聯(lián)系，但兩者之間的相關(guān)關(guān)系不密切。狼心山到東居延海的河道輸水損失率均值為57.96%，是東居延海的入湖水量與狼心山來水量相關(guān)關(guān)系不顯著的主要因素。由于東河河道的輸水損失率高，因此在向東居延海輸水過程中需要采用大流量補水的措施。東居延海水面面積與儲水量曲線、水深與儲水量曲線直觀反映了水面面積、儲水量、水深之間的關(guān)系，可以作為東居延海補水管理調(diào)度的重要依據(jù)。東居延海水量耗損主要是蒸發(fā)損失，在年內(nèi)蒸發(fā)量高峰過后的時段進行補水，補水水量轉(zhuǎn)化為湖體儲水量的效率高，對湖面面積的擴大效果好。