基于生態(tài)恢復的阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化研究

聶 艷， 郭永瑞， 譚 盈,2， 黃衛(wèi)東， 劉新華

（1.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.中國城市規(guī)劃設計研究院深圳分院，廣東 深圳 518000；3.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 841000）

近年來學術(shù)界和工程界使用生態(tài)輸水調(diào)度提法越來越多，但一直沒有對其給出明確定義，主要體現(xiàn)在關于生態(tài)目標的選取以及優(yōu)化調(diào)度目標的先后次序上［1-4］；大部分學者認為是將生態(tài)因素考慮到水庫、湖泊調(diào)度和區(qū)域水資源配置中，旨在恢復受損的自然生態(tài)系統(tǒng)，促進生態(tài)系統(tǒng)自我修復能力而實施的各項工程調(diào)度措施的統(tǒng)稱［5-8］。20世紀70年代，塔里木河道完全斷流，下游地下水位顯著下降，河道兩岸的自然植被大面積退化并伴隨較嚴重的土地荒漠化［9-11］。為拯救斷流近30 a、瀕于毀滅的“綠色走廊”，于2001年啟動塔里木河流域生態(tài)輸水工程，經(jīng)過21 次累計84.3×108m3的生態(tài)輸水，塔河下游生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，地下水位呈明顯上升，天然生態(tài)逐步恢復，生態(tài)環(huán)境明顯改善［12-16］；鄧銘江等學者也根據(jù)多年連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對塔河下游生態(tài)調(diào)度策略與模式進行了探討［1,5］；而對塔河上游、塔河源流生態(tài)輸水影響和調(diào)度的研究非常有限。2017 年阿克蘇河被納入塔里木河流域胡楊林重點保護區(qū)生態(tài)補水區(qū)，利用主汛期和灌溉間歇期，實施生態(tài)輸水工程，4 a 累計輸水3.5018×108m3。其中4 次向艾希曼湖區(qū)累計輸水2.2285×108m3；2 次向第一師邊緣胡楊林區(qū)輸水1.2733×108m3。生態(tài)輸水后天然湖泊逐步恢復，自然植被明顯好轉(zhuǎn)［17-20］。但目前的生態(tài)輸水并未完全覆蓋流域內(nèi)自然植被重點區(qū)域，生態(tài)輸水閘口距離自然植被分布區(qū)較遠，影響了輸水效果。因此，本文在系統(tǒng)識別流域自然植被重點區(qū)和科學估算生態(tài)需水的基礎上，借助輸水網(wǎng)絡分析建立阿克蘇河流域基于生態(tài)恢復目標的生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化框架，以期為下一步阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度、生態(tài)輸水響應和生態(tài)用水精細管理等提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，地理位置介于40°08′～41°35′N，78°47′～82°43′E之間，流域內(nèi)總面積約為5.3×104km2。流域內(nèi)由上游庫瑪拉克河和托什干河匯合后史稱阿克蘇河，阿克蘇河與流域南側(cè)由南至北流入的葉爾羌河、和田河于三河源匯合后注入塔里木河，是塔里木河最大的源流，年均徑流量為78.2×108m3；具有明顯的大陸性季風氣候，干燥少雨，典型的荒漠植被有胡楊（Populus euphratica）、檉柳（Tamarix chinensis）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、蘆葦（Phragmites australis）等［17-20］。目前阿克蘇河流域生態(tài)輸水主要通過四條輸水通道完成（圖1）。其中，向艾希曼湖濕地進行生態(tài)輸水的輸水通道有三條，一是從西大橋分水樞紐配水經(jīng)勝利渠、阿音柯干渠到6 號閘、7 號閘向艾希曼湖區(qū)的薩依力克湖補水，通過8 號閘向艾希曼湖區(qū)的皇宮湖補水；二是通過勝利渠48分水閘向艾希曼湖區(qū)的一團海子濕地補水；三是從西大橋分水樞紐配水經(jīng)老大河到第1 分水閘經(jīng)洋瓦力克渠到阿瓦提縣3號閘向艾希曼湖補水。向第一師邊緣胡楊林區(qū)進行生態(tài)輸水的輸水通道分布在塔南灌區(qū)，主要依托塔南二干渠完成。

圖1 阿克蘇河流域生態(tài)輸水路徑及自然植被重點區(qū)Fig.1 Sketch map of ecological water conveyance route and key natural vegetation regions in Aksu River Basin

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取2015—2020 年覆蓋研究區(qū)植被生長期內(nèi)少云、可見度高、覆蓋全流域的高分1 號影像，以及部分覆蓋了胡楊林集中分布的高分2 號影像，數(shù)據(jù)來源于中國衛(wèi)星應用中心（http://www.cresda.com/CN/）。應用ENVI 5.3 軟件對原始遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌和裁剪、圖像融合等預處理。借助CART（Classification and regression tree）決策樹監(jiān)督分類來提取自然植被信息，選擇驗證樣本區(qū)進行精度評價，Kappa 系數(shù)均在0.83以上，識別精度較高［21-23］。

2.2 研究方法

2.2.1面積定額法 自然植被的生態(tài)需水量通過面積定額法計算［20,24］，公式如下：

式中：W為自然植被生態(tài)需水總量（m3）；wi為植被類型i的生態(tài)需水量（m3）；Ai為植被類型i的面積（hm2）；ri為植被類型i的生態(tài)需水定額（m3·hm-2）。參考《阿克蘇河流域管理志》，確定艾希曼湖濕地區(qū)和第一師邊緣胡楊林區(qū)的林地灌溉定額為5500 m3·hm-2，灌木/草地的灌溉定額為4750 m3·hm-2；五團邊緣胡楊林區(qū)和流域下游胡楊林區(qū)的林地灌溉定額為6150 m3·hm-2，灌木/草地的灌溉定額為5250 m3·hm-2。

2.2.2水量平衡法 艾希曼湖為干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊，湖泊生態(tài)需水量主要為入湖水量，即水面蒸發(fā)耗水量、湖泊滲漏量與降水補給量之差。采用水量平衡法計算湖泊生態(tài)需水量［20,25］，公式如下：

式中：W為湖泊總生態(tài)需水量（m3）；Wj為各月湖泊生態(tài)需水量（m3）；E20j為第j月20 m2蒸發(fā)池水面蒸發(fā)量（mm）；Qj為第j月湖泊滲漏水量，滲漏量為0.01 mm·d-1；Pj為第j月平均降水量（mm）；S為湖泊面積（hm2）。

3 流域生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化研究

3.1 自然植被重點區(qū)的識別

為獲取流域內(nèi)集中連片的自然植被重點分布區(qū)域，以借助CART 建立的阿克蘇河流域自然植被數(shù)據(jù)集為基礎，逐像元統(tǒng)計2015—2020年阿克蘇河流域自然植被（胡楊和灌木為主）的分布頻次和面積（表1），2015—2020 年自然植被分布頻次為1～6次，數(shù)值越大，表示自然植被出現(xiàn)的頻次越高，植被生長越穩(wěn)定。

表1 重點區(qū)域內(nèi)自然植被頻次分布面積統(tǒng)計Tab.1 Area of natural vegetation frequency distribution area in key regions /km2

流域內(nèi)胡楊等自然植被重點區(qū)主要分布在東北方向的五團邊緣胡楊林區(qū)、艾希曼湖濕地區(qū)、第一師邊緣胡楊林區(qū)3個區(qū)域（圖1），自然植被除了胡楊外，多以蘆葦、檉柳、駱駝刺、梭梭、羅布麻等灌木為主。從空間分布頻次看，自然植被的分布頻次由中間向四周遞減，中心區(qū)域的分布頻次可達到4～6次，胡楊等生長相對穩(wěn)定；邊緣分布頻次低至1～2次，自然植被生長易遭到人為破壞。第一師邊緣胡楊林區(qū)的胡楊林生長最穩(wěn)定，胡楊分布頻次高達5～6次的面積占比最大。阿克蘇河沿線兩側(cè)也廣泛分布著胡楊等自然植被，且分布頻次較高，有些地方達5～6次，胡楊等自然植被生長穩(wěn)定。

3.2 生態(tài)需水量的估算

本文將流域內(nèi)3個自然植被重點區(qū)域作為流域植被修復的主要區(qū)域，自然植被和天然湖泊是流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)主要的生物因子和非生物因子，因此，以修復流域內(nèi)自然植被重點區(qū)域內(nèi)的自然植被和天然湖泊作為生態(tài)輸水修復目標。

3.2.1自然植被生態(tài)需水量 以恢復和維持自然植被群落生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的穩(wěn)定性作為自然植被恢復的出發(fā)點，以2015—2020 年阿克蘇河流域3個重點區(qū)域內(nèi)自然植被分布頻次≥2 的范圍作為恢復目標下的面積，計算生態(tài)恢復目標下自然植被的生態(tài)需水量。通過面積定額法計算獲取3個自然植被重點區(qū)域2020年自然植被的生態(tài)需水量，再結(jié)合流域灌溉水利用系數(shù)（0.55）得到艾希曼湖濕地區(qū)、第一師邊緣胡楊林區(qū)、五團邊緣胡楊林區(qū)3 個自然植被重點區(qū)的實際生態(tài)需水量分別為0.86×108m3、2.73×108m3、1.14×108m3，合計約4.73×108m3。

3.2.2天然湖泊生態(tài)需水量 盡管近幾年來艾希曼湖天然水面面積逐年擴大，但相對20世紀90年代，天然水面面積萎縮較為嚴重，尤其是西部和南部一團海子、二團海子及東南部水域明顯縮小；如果僅以2015—2020 年艾希曼湖的水面變化來考慮天然湖泊恢復目標所需的生態(tài)需水量，難以滿足艾希曼湖水面持續(xù)恢復的需求。因此，結(jié)合前期研究成果，以1996年艾希曼湖水面面積（61.57 km2）作為天然湖泊的恢復目標，采用水量平衡法計算艾希曼湖濕地天然湖泊的生態(tài)需水量。統(tǒng)計艾希曼湖濕地近50 a的年氣象數(shù)據(jù)，參考前期研究成果［20］，計算得到艾希曼湖濕地自然湖泊單位面積生態(tài)需水量為10809 m3·hm-2，即艾希曼湖濕地自然湖泊達到恢復目標所需的年生態(tài)需水量為0.67×108m3。

3.3 生態(tài)輸水時間的確定

生態(tài)輸水時間的確定，一方面需要考慮自然植被對生態(tài)用水的需求，另一方面是水資源實際情況對生態(tài)用水的限制，流域總水量的季節(jié)變化和綠洲農(nóng)業(yè)用水量的季節(jié)差異直接影響流域內(nèi)生態(tài)用水量的季節(jié)差異。流域內(nèi)主要的地表水來源為阿克蘇河，根據(jù)《阿克蘇河流域志》統(tǒng)計阿克蘇河上游2個出山口水文站的多年月徑流量，以2021年流域內(nèi)阿克蘇河為主要引水源的各個灌區(qū)計劃用水量為例（表2），估算阿克蘇河生態(tài)用水量的季節(jié)變化。在保障流域內(nèi)作物灌溉需求的情況下，10月—次年4 月，流域內(nèi)生態(tài)用水量都不足2×108m3，生態(tài)輸水時間在5—9 月的存量充足，7 月和8 月的生態(tài)用水存量最多。

表2 阿克蘇河流域月生態(tài)用水量分配Tab.2 Monthly distribution of ecological water consumption in Aksu River Basin /108m3

結(jié)合流域GF-1 影像獲取的自然植被年內(nèi)NDVI時序變化發(fā)現(xiàn)流域自然植被從6月開始進入快速生長期，直到10 月開始落葉；再對比流域的4 次生態(tài)輸水，發(fā)現(xiàn)2020年6月實施的9 d 0.12×108m3的小流量、短時間生態(tài)輸水后自然植被的NDVI 無明顯變化，而其他時間實施生態(tài)輸水后的當月或滯后1個月左右，自然植被的NDVI 呈現(xiàn)明顯上升趨勢。因此，阿克蘇河流域?qū)嵤┥鷳B(tài)輸水的時間建議在5—9月對自然植被的生長補給最合適。

目前阿克蘇河流域生態(tài)輸水工作一年進行1～2次，一年內(nèi)進行單次生態(tài)輸水工作安排在7—8月對水資源的利用效率最高，自然植被生長對水資源補給的需求也大；一年內(nèi)進行2 次生態(tài)輸水的工作安排則可以在自然植被進入快速生長期之前，即5—6月增加一次輸水工作，結(jié)合流域自然植被與生態(tài)輸水的響應關系，建議單次輸水量應多于0.2×108m3、輸水天數(shù)多于10 d以保證生態(tài)輸水的效果，7—8月再進行第2次生態(tài)輸水。

3.4 生態(tài)輸水路徑的優(yōu)化

當前阿克蘇河流域的生態(tài)輸水，沒有覆蓋東北方向的五團邊緣胡楊林區(qū)，對第一師邊緣胡楊林區(qū)的生態(tài)輸水沿塔南二干渠穿過胡楊林區(qū)，但開設的生態(tài)輸水口卻在第一師邊緣胡楊林區(qū)的東部，離自然植被主要分布區(qū)較遠，生態(tài)輸水過程中由于生態(tài)水的下滲和向周圍水平的擴散并伴隨著蒸發(fā)、蒸騰的消耗，生態(tài)輸水效果減弱。為科學合理確定流域生態(tài)輸水途徑，本文針對艾希曼湖濕地、第一師邊緣胡楊林區(qū)和五團邊緣胡楊林區(qū)3個自然植被重點區(qū)，結(jié)合流域現(xiàn)狀渠系網(wǎng)絡和地形坡度，構(gòu)建流域生態(tài)輸水網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，通過最小距離成本求解并提取生態(tài)輸水起點至終點的最短路徑；由于阿克蘇河流域采取面狀生態(tài)輸水的方式，輸水閘口應該設置在區(qū)域內(nèi)的高處，以提高生態(tài)輸水的效率。

基于30 m空間分辨率的全球數(shù)字高程模型ASTER GDEM提取流域及3個自然植被重點區(qū)的高程分布特征（圖2）。阿克蘇河流域內(nèi)西北高、東南低，其中，艾希曼湖濕地北部、東部高，南部、西部低，適宜在濕地的北部、東部選取輸水閘口；第一師邊緣胡楊林區(qū)西高東低，適宜在區(qū)域的西部選取輸水閘口；五團邊緣胡楊林區(qū)北高南低，適宜在區(qū)域的北部選取輸水閘口。各區(qū)域選取2～3個海拔較高的輸水閘口，作為網(wǎng)路分析的目標?？奎c。

流域內(nèi)的引水樞紐/攔河閘作為渠系網(wǎng)絡分析的起點（圖2），主要包括聯(lián)合渠首、西大橋引水樞紐、協(xié)合拉引水樞紐、柯柯牙爾龍口、臺蘭河龍口、五團龍口、塔里木攔河閘等，其中，聯(lián)合渠首、西大橋引水樞紐、協(xié)合拉引水樞紐和塔里木攔河閘等從阿克蘇河引水，柯柯牙爾龍口、臺蘭河龍口、五團龍口分別從柯柯牙河、臺蘭河、喀拉玉爾袞河引水。

圖2 阿克蘇河流域生態(tài)輸水的引水樞紐和輸水閘口示意圖Fig.2 Sketch map of water diversion project and water gate of ecological water conveyance in Aksu River Basin

確定目標?？奎c和輸水起點，基于阿克蘇河流域的現(xiàn)有渠系分布，應用ArcMap 10.2 軟件Network Analyst功能模塊進行網(wǎng)絡分析［26］，計算由引水樞紐/攔河閘到各個目標?？奎c，即生態(tài)輸水閘口的最短路徑，形成阿克蘇河流域生態(tài)輸水最優(yōu)參考路徑（圖3）。

從圖3 可以看出，通過西大橋引水樞紐和塔里木攔河閘引阿克蘇河水至艾希曼湖濕地、第一師邊緣胡楊林區(qū)和流域下游胡楊林區(qū)，輸水期間的流量可以滿足2 個區(qū)域的生態(tài)用水；通過五團龍口引喀拉玉爾袞河水至五團邊緣胡楊林區(qū)，喀拉玉爾袞河多年平均徑流量為2.2×108m3，可以滿足五團邊緣胡楊林區(qū)的生態(tài)用水。上述模擬得到的生態(tài)輸水路徑可以作為今后流域生態(tài)輸水工程的參考（表3）。

表3 阿克蘇河流域生態(tài)輸水路徑優(yōu)化方案Tab.3 Optimization of ecological water conveyance path of Aksu River Basin

圖3 阿克蘇河流域生態(tài)輸水最優(yōu)路徑示意圖Fig.3 Sketch map of optimal path of ecological water conveyance in Aksu River Basin

4 結(jié)論

（1）根據(jù)自然植被的空間頻度圖確定了3個自然植被重點區(qū)，以恢復自然植被的群落穩(wěn)定性、滿足天然湖泊水面擴大需求作為出發(fā)點，估算得到艾希曼湖濕地、第一師邊緣胡楊林區(qū)、五團邊緣胡楊林區(qū)的生態(tài)需水量分別為1.53×108m3、2.73×108m3、1.14×108m3。

（2）結(jié)合流域生態(tài)用水存量的分配和自然植被生長對水資源需求的變化特征，建議流域?qū)嵤┥鷳B(tài)輸水的時間在5—9月比較適宜，一年內(nèi)可進行單次或2次生態(tài)輸水，為確保生態(tài)輸水效果，單次輸水應需達到一定的輸水量和輸水天數(shù)。

（3）基于阿克蘇河流域的引水樞紐和渠系網(wǎng)絡，建立了阿克蘇河流域輸水網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，將篩選確定的輸水閘口作為生態(tài)輸水的目標?？奎c，借助GIS 網(wǎng)絡分析識別了流域3 個自然植被重點區(qū)的生態(tài)輸水最優(yōu)路徑，第一師邊緣胡楊林區(qū)的生態(tài)輸水距離最遠，超過70 km。