和田河干流河道徑流損失與植被生態(tài)需水關(guān)系研究

龍愛華，張 沛，李 江，鄧曉雅，王 杰，徐海量，張 繼，張廣朋

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；3.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；4.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830001）

1 研究背景

河道徑流損失量（簡稱河損）是徑流行進過程中由于水面蒸發(fā)、河道滲漏和洪水漫溢等因素影響下兩斷面之間徑流量的差值，是河流水量的重要組成部分。在干旱區(qū)由于地勢平坦，河道上下游比降小，河道較寬、水流較緩，河損占比較濕潤地區(qū)大。河道滲漏是干旱區(qū)徑流性水資源補給地下水與土壤水的主要方式，也是維持天然植被正常生長繁殖的重要生態(tài)水文過程[1-2]。因此，定量分離河損的組成，對研究干旱區(qū)植被的生態(tài)需水量具有重要意義。

和田河發(fā)源于昆侖山脈，由玉龍喀什河和喀拉喀什河匯流而成，是塔里木河的三源流之一，年均約1/4的徑流下泄注入塔里木河，形成了塔里木河流域唯一貫通塔克拉瑪干沙漠的綠色走廊。因此，和田河既承擔著向塔里木河輸水的任務(wù)，又承擔著維系天然植被與生態(tài)走廊的重任，其健康持續(xù)意義重大。玉龍喀什河與喀拉喀什河匯形成和田河干流，自闊什拉什匯合口至肖塔斷面約319 km，為沙漠無人區(qū)。該河段河道寬闊平坦，根據(jù)遙感測量河道寬度500～3500 m之間，平均河寬約為1750 m。由于河段缺乏整治工程，河道泥沙淤積嚴重，河勢多變，過流能力不足，同時加上兩源流上控制性水利樞紐尚不完備，防洪能力嚴重不足，在降水與徑流量均呈增加趨勢時[3-4]，洪災(zāi)發(fā)生頻率較高[5]，因此和田河中下游河道整治一度被列為塔里木河綜合治理的重要工程任務(wù)。然而，部分學(xué)者提出和田河流域尤其是干流地區(qū)分布著瀕危的灰胡楊對區(qū)域環(huán)境改善和維持具有重要生態(tài)意義，灰胡楊的生長主要依靠和田河滲漏補給的地下水，一旦對和田河河道進行加固和整治，河道滲漏量減少，灰胡楊的生態(tài)需水的滿足程度會受到嚴重影響，并且認為近年來河道兩岸植被的退化是因為植被生態(tài)需水量得不到有效保障而造成的。上述疑問實質(zhì)是需科學(xué)合理地回答“和田河的河道滲漏水量是多少？能否滿足兩岸植被生態(tài)需水？”這兩個基本問題。為此，本研究以和田河干流為研究靶區(qū)，分析河段來水量與河道損耗水量之間的關(guān)系，定量分離河道損耗水量，探究河道滲漏水量與天然植被生態(tài)需水之間的定量響應(yīng)過程，以期為流域河道管理和最嚴格的水資源管理制度提供技術(shù)支撐，為新一輪的塔里木河流域綜合治理提供決策參考。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況和田河是昆侖山北坡的第二大河流，東鄰克里雅河流域，西與葉爾羌河流域接壤，兩河出山口多年平均（1962—2012）徑流量約44.08億m3[6]。和田河流域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛Т箨懶詺夂?，年降水量?.4～89.6 mm，年蒸發(fā)潛力為2159～3137 mm[7]。流域內(nèi)有5個水文站，分別為玉龍喀什河上的同古孜洛克（出山口）與艾格利牙、喀拉喀什河上的烏魯瓦提（出山口）與吐直魯克、以及和田河干流入塔里木河的肖塔。整個流域95%以上的人類活動和社會水資源消耗集中于玉龍喀什河和喀拉喀什河段，和田河干流無種植用地分布及人類取水活動（圖1）。

2.2 數(shù)據(jù)來源本研究使用的水文數(shù)據(jù)來源于塔里木河流域管理局與和田河流域管理局，地面氣象站觀測數(shù)據(jù)（日值）來源于中國氣象網(wǎng)（http：//www.cma.gov.cn/），遙感數(shù)據(jù)源于 Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星，下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率30 m。

2.3 研究方法

2.3.1 遙感圖像處理 本研究選擇2015年8月份Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的范圍，利用ENVI 5.3遙感圖像處理軟件，采用5、7、1波段對獲得的遙感影像進行假彩色合成用于凸顯植被和水體（植被表現(xiàn)為紅色，水體為藍色或黑色，沙漠為淺棕黃色，鹽堿地則呈現(xiàn)由青白到青灰色調(diào)等）。隨后對圖像進行波段融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪等處理，再根據(jù)國家土地資源遙感宏觀調(diào)查的分類體系，并結(jié)合統(tǒng)計資料、地形圖及Google Earth同期地面資料，建立解譯標志，應(yīng)用圖像處理軟件，采用人機交互的監(jiān)督分類方法進行解譯，按照國土資源部發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類標準》（GB/T 21010-2017）最后生成土地覆被數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況及和田河干流假彩色遙感圖

2.3.2 河道水面蒸發(fā)計算 河道水面蒸發(fā)是河道水量損耗的主要組成之一。和田河干流河道水面蒸發(fā)量采用面積定額法計算：

式中：WR為水面蒸發(fā)量，108m3；EФ為直徑20 cm水面蒸發(fā)皿觀測的水面蒸發(fā)量，mm，取柯坪、阿拉爾國家氣象站蒸發(fā)數(shù)據(jù)的平均值；k為水面折算系數(shù)，借鑒塔里木河干流的相關(guān)研究成果，取阿拉爾站與博斯騰湖的平均值0.62；AR為河段水面面積，m2，采用遙感解譯的方法獲得。

2.3.3 植被生態(tài)需水計算 潛水蒸發(fā)法適合于干旱區(qū)植被生存主要依賴于地下水的情況。和田河流域平原區(qū)降水稀少，兩岸多為中旱生的非地帶性植被，主要依靠地下潛水維持生命。因此，本研究在干流植被景觀類型遙感解譯的基礎(chǔ)上，選擇潛水蒸發(fā)法來估算天然植被需水量。潛水蒸發(fā)法即某一植被類型在某一潛水位的面積乘以該潛水位下的潛水蒸發(fā)量。計算公式為[8]：

式中：W為植被需水量，108m3；Ai為植被類型i的面積，hm2；Wgi為植被類型i在某一地下水埋深時的潛水蒸發(fā)量，mm。

植被的面積（Ai）通過遙感解譯獲得，以2015年8月份的植被分布為基準；潛水蒸發(fā)量（Wgi）是潛水蒸發(fā)法計算植被生態(tài)需水量的關(guān)鍵，以阿維利揚諾夫公式計算較為常見，計算公式如下[9-10]：

式中：a、b為經(jīng)驗系數(shù)，其中a為0.52，b為2.51[11]；hi為植被類型i的地下水埋深，m；hmax為潛水蒸發(fā)極限埋深，m；EΦ為20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm。

2.3.4 河損計算 本研究采用水量平衡方程計算河道損失水量。

式中：WL為河道損失水量；WU和WD分別為研究區(qū)河道上、下斷面水量；WP為河段降水量；WO為區(qū)間河段人類活動引水量；WI為河段回歸水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 河道水量耗散規(guī)律分析基于水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制月尺度（2007—2016多年平均）和田河干流徑流過程線，并分析干流年際來水量與肖塔下泄水量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。其中，和田河干流來水量為艾格利牙與吐直魯克水文站來水量之和。

圖2 和田河干流來水徑流過程

由圖2（a）可以看出，和田河干流來水量主要集中在7—10月份，而當年11月—翌年6月河道無水經(jīng)過，河床裸露。除2016年以外，當干流來水量較大時（當月超過8×108m3），肖塔下泄水量的峰值與上斷面有顯著的響應(yīng)關(guān)系。從年際尺度來看，和田河干流來水量與肖塔下泄水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖2（b）），根據(jù)線性擬合曲線的結(jié)果計算可知，當干流來水量小于5.23×108m3時，肖塔斷面將不會有水下泄到塔里木河。

以年為尺度計量和田河干流徑流量以及河損如表1所示。

從表1可知，和田河干流2007—2016年水量損失介于4.29×108～9.45×108m3之間，單位河長河損量介于134.48×104～296.24×104m3/km之間，其中，2009年河段水量損耗最小，2010年河段河損水量最大。以2011年塔里木河流域近期綜合治理基本完成為界限，對比分析2007—2011年和2012—2016年的不同時段徑流量和河損量，可見近期綜合治理之后干流來水量有明顯增加，河損量和單位河長河損較前一階段下降了20.32%，肖塔斷面徑流量增加了123.96%；河道輸水效率（肖塔斷面下泄水量與干流來水量之比）在近期綜合治理之前為49%，之后提高到73%。

3.2 河道水量耗散定量分離本研究將和田河干流河段河道損耗分為蒸發(fā)和滲漏兩部分，水面蒸發(fā)采用式（1）計算方法而得，河道滲漏水量為河損量與蒸發(fā)量的差值，具體情況見表2。

根據(jù)表2可知，2007—2016年和田河干流蒸發(fā)水量介于2.51×108～4.68×108m3之間，均值為3.80×108m3，占河損總量的58.88%；滲漏水量介于1.18×108～5.04×108m3，均值為2.66×108m3，占河損總量的41.20%。在塔里木河流域近期綜合治理完成后，河道滲漏水量有所下降，而水面蒸發(fā)水量增加了21%，導(dǎo)致蒸發(fā)水量占河損總量的72.64%。

表1 和田河干流河段逐年核算情況

表2 和田河干流河損定量分離

將和田河干流來水量與水面蒸發(fā)和河道滲漏進行曲線擬合，如圖3（a）所示，和田河干流河道水面蒸發(fā)量和來水量呈顯著正相關(guān)，原因是來水量越大，河道水面越寬，導(dǎo)致蒸發(fā)量越大；圖3（b）和圖3（c）表明河道滲漏水量與當年來水量無顯著相關(guān)關(guān)系，但與前一年來水量顯著相關(guān)：隨著前一年來水量的增加，河道滲漏水量呈現(xiàn)“先減后增”的變化趨勢。其主要原因可能是河道垂向入滲速度隨河床初始含水率的增大而減小，后期隨著河道來水量增大，河道濕周增加，側(cè)向滲入量隨著增大。由此可知，維持較為穩(wěn)定的年際河道來水量可有效調(diào)控河道滲漏損耗。

3.3 和田河干流天然植被生態(tài)需水根據(jù)遙感解譯結(jié)果可知，和田河干流林地和高、中覆蓋草地主要分布在河道兩岸3 km以內(nèi)，低覆蓋草地分布在河道兩岸7 km之內(nèi)，干流天然植被空間分布情況見圖4。

根據(jù)公式計算和田河干流天然植被生態(tài)需水量，選取柯坪（51720）、阿拉爾（51730）兩個國家級氣象站的2000—2016年20 cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的多年平均值（1425 mm），作為研究區(qū)的潛在蒸發(fā)數(shù)據(jù)；植被影響系數(shù)借鑒參考《中國塔里木河水資源與生態(tài)問題研究》[12]中的相關(guān)成果，見表3。

根據(jù)遙感解譯結(jié)果及地下水埋深情況，分析不同植被類型的面積及其潛水埋深情況，并根據(jù)計算公式，得到和田河干流生態(tài)需水量，見表4所示。

圖3 來水量與蒸發(fā)量和滲漏量的關(guān)系

圖4 和田河干流不同植被類型分布情況

表3 不同潛水埋深下植被影響系數(shù)

表4 和田河干流不同植被類型面積與生態(tài)需水量

根據(jù)表4可知，和田河干流生態(tài)需水量為1.37×108m3，其中高覆蓋度草地和中覆蓋度草地需水量最多，分別占總需水量的39%和32%，疏林地生態(tài)需水量最少，不足0.01×108m3。由此可知，和田河干流河道多年平均（2007—2016）滲漏水量約為2.65×108m3，近乎干流植被生態(tài)需水量2倍，因此依靠河道滲漏水量完全可滿足和田河干流天然植被的生態(tài)需水量。

4 討論

4.1 和田河干流生態(tài)需水量根據(jù)已有研究成果，塔里木河干流有林地、灌木林地、疏林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地蒸發(fā)定額分別為 1432.4、497.3、392.1、2343.8、867.3、392.1 m3/hm2[13]，基于此計算可得和田河干流天然植被生態(tài)需水量為1.28×108m3。

對比分析兩種方法計算的和田河干流天然植被生態(tài)需水總量結(jié)果（見表5）可知，二者總量差異較小，但不同植被類型計算結(jié)果差異較大，其中僅有灌木林地生態(tài)需水量差異大于50%，高、中、低覆蓋度草地生態(tài)需水量差異分別為45.33%、38.69%和43.74%。本研究取兩種方法計算的不同植被類型需水量的最大值之和及最小值之和作為干流天然植被生態(tài)需水量的范圍，可知和田河干流天然植被生態(tài)需水量介于0.99×108～1.66×108m3之間。

表5 不同計算方法下和田河干流不同植被生態(tài)需水量及其比較 （單位：×108m3）

另外，有學(xué)者研究得出和田河流域天然植被生態(tài)需水量為5.52×108m3，其中玉龍喀什河、喀拉喀什河與和田河干流3條河段植被分布面積相當，且兩源流植被質(zhì)量優(yōu)于和田河干流[8]，因此可以推斷，干流植被生態(tài)需水量小于和田河流域天然植被生態(tài)需水總量的1/3（1.84×108m3），也小于本研究中多年平均河道滲漏水量2.65×108m3。

根據(jù)干旱區(qū)天然植被的生態(tài)需水過程可知，4—6月份是胡楊返青期，7—9月份為胡楊落種期。胡楊落種期內(nèi)實現(xiàn)1～2次漫溢，可以促進植被群落的更新繁育，因此，保護與修復(fù)天然植被不僅僅要總量滿足，更應(yīng)該在滿足其生長過程需水，河道整治對徑流進行年內(nèi)調(diào)控可進一步滿足胡楊返青期的植被需水。

4.2 河道損失與植被生態(tài)需水之間的關(guān)系據(jù)以往研究成果可知，胡楊和檉柳等荒漠河岸林植被在不同水分脅迫條件下對土壤水與地下水的利用策略雖然有所不同[14]，但二者所占比重遠遠超過了90%，凝結(jié)水利用所占比例不足10%，且主要是淺根系草本植物[15]，因此，在干旱與半干旱地區(qū)，地下水和土壤水是植被滿足其生理需求的主要水分來源。地下水與土壤水的補給來源則主要是河流的側(cè)向滲漏，并且土壤水與地下水的主要排泄方式是垂向的潛水蒸發(fā)和植被蒸騰，側(cè)向的排泄量則相對很小。鑒于長時期來看流域地下水儲量恒定不變，因此可認為由地表水轉(zhuǎn)化的地下水與土壤水為潛水蒸發(fā)與植被蒸騰所消耗[2]。

在整個塔里木河流域，由于大量泥沙在河道頻繁改道的過程中沉積，形成了巨厚的第四系松散沉積層，其巖性主要為粉砂、粉土及黏性土的互層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜[16]，河流地表水與地下水相互轉(zhuǎn)換較為頻繁，難以利用地表水-地下水轉(zhuǎn)換模型模擬出河道滲漏水量，因此本研究采用河損分離的方法推算河道滲漏水量，即河道損失總量減去河道水面與潛水蒸發(fā)量。基于此，本研究所得出的河道滲漏水量即地表水轉(zhuǎn)化為地下水量約為河道損失量的41.2%，這與王希義等[17]在塔里木河下游采用同位素計算的地表水與地下水的轉(zhuǎn)化系數(shù)43.36%相近。

前文中提及部分學(xué)者擔心進行河道整治后，河道寬度縮減、河岸硬化，雖然輸水能力將得到提升，水面無效蒸發(fā)量大大減小，但滲漏補給天然植被生態(tài)水量也會相應(yīng)減少。根據(jù)地下水運動達西定律，河道滲漏水量的大小與河道面積、滲透系數(shù)和地表水與地下水的水力坡度成正比，為滿足干流河道天然植被生態(tài)保護與修復(fù)的需水量，可以通過增加地表水與地下水的水力坡度、延長過水時間等措施增加河道補給天然植被生態(tài)需水量。另外，結(jié)合玉龍喀什河與喀拉喀什河山區(qū)控制性水利樞紐，通過開展精細化生態(tài)調(diào)度，更有利于河道兩岸天然植被的生態(tài)保護與修復(fù)。

4.3 和田河干流河道損失和田河作為塔里木河干流三源流之一，向干流阿拉爾斷面下泄水量的多年平均值為11.20×108m3（2007—2016），占同期阿拉爾斷面徑流量的25%。秦勝英等[3]核算了和田河干流的河道蒸發(fā)和滲漏量，認為干流水面多年平均蒸發(fā)量為0.64×108m3，河道滲漏量0.065×108m3，漫溢水量為6.56×108m3，這一結(jié)果與本研究有較大差異，主要是前者認為干流存在較大的漫溢水量，并且蒸發(fā)量與滲漏水量較本研究偏小。

已有大量研究表明，河道漫溢對天然植被的生長和繁育具有重要作用[18]，如果河道發(fā)生大規(guī)模漫溢，必然會出現(xiàn)大面積新增天然植被。然而和田河流域天然植被面積近20年來不僅沒有增加，反而呈現(xiàn)略有減少趨勢[19]。因此本研究認為文獻[3]中和田河干流所謂河水漫溢并非是真正的漫溢，而是由于河道較寬，水面較大，河道中間形成了諸多沙洲，遙感影像上將這種現(xiàn)象認為是漫溢。

以往有研究在計算河道水面蒸發(fā)過程中，計算了河道水面寬度與來水量的關(guān)系，從而計算了不同來水情況下河道水面蒸發(fā)量。然而和田河干流由于河道較寬，多數(shù)情況下，河道水量處于漫流狀態(tài)，水面寬度小于河道寬度。雖然水面蒸發(fā)面積較小，但河床潛水位與河道水面水位持平，因此河床潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)相差無幾，可以當做水面蒸發(fā)來計算。文獻[3]中水面蒸發(fā)量較小主要原因是河床潛水蒸發(fā)部分未計入蒸發(fā)項所致。

5 結(jié)論與建議

本研究基于水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)、遙感影響資料和蒸發(fā)模型，定量分析了和田河干流河道損失組成與過程，并對天然植被的生態(tài)需水量進行了核算，結(jié)果表明：（1）多年平均來水條件下，和田河干流河損量約為6.46×108m3（2007—2016），河損率為44.48%，單位河長河損量為202.60×104m3/km。從河損的組成來看，水面蒸發(fā)量為3.5×108m3，占河損量的58.88%，滲漏水量為2.65×108m3，占41.12%；（2）和田河干流天然植被的生態(tài)需水量1.37×108m3，河道滲漏水量可以滿足植被生態(tài)水量需求。進行河道整治，不僅可以減少水面蒸發(fā)，提高和田河輸水能力，更有利于開展生態(tài)水量調(diào)度，保護和恢復(fù)干流天然植被。

當前和田河源流之一喀拉喀什河上游已建有烏魯瓦提水庫，總庫容3.47億m3，興利庫容2.24億m3；玉龍喀什河上游山區(qū)玉龍喀什水利樞紐工程設(shè)計庫容5.36億m3，建成后對和田河徑流調(diào)節(jié)能力達到20%，基本滿足流域社會經(jīng)濟需水與天然植被生態(tài)需水的調(diào)度要求。建議河道治理建設(shè)中設(shè)置生態(tài)閘口用于調(diào)度，適時適量開展天然植被漫溢灌溉。