艾丁湖最低生態(tài)水位分析研究

周 蕾

(吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番，838000)

1 流域概況

艾丁湖位于吐魯番市區(qū)以南約50km的覺洛塔格山北麓，是吐魯番盆地水系的尾閭和最后歸宿地，湖面低于海平面154m。受水資源開發(fā)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)、人類活動(dòng)增多影響，入湖水量不斷減少，湖泊水面面積不斷縮小，至2013年5月已演變?yōu)榧竟?jié)性湖泊，湖水面積最大僅為4km2。艾丁湖區(qū)域有14條主要河流，分別為大河沿、塔爾朗河、煤窯溝河、黑溝、恰勒坎河、二塘溝、柯柯亞、坎爾其、柯爾堿溝、白楊河、阿拉溝、魚爾溝、烏斯通溝、祖魯木圖溝等。艾丁湖及入湖水系位置示意如圖1所示。

圖1 艾丁湖及入湖水系位置示意

2 氣象水文

艾丁湖區(qū)域?qū)俚湫偷母珊祷哪詺夂?，夏季炎熱，冬季干冷，各月氣溫年?nèi)分配極不均勻。艾丁湖區(qū)域降水十分稀少，年內(nèi)分配極不均勻，多年平均年降水82.6mm，年際變化較大，最大年降水量與最小年降水量相差高達(dá)16倍以上；蒸發(fā)十分強(qiáng)烈，平原區(qū)水面蒸發(fā)達(dá)1800mm，年際變化相對(duì)穩(wěn)定，蒸發(fā)隨高程增加而遞減的趨勢(shì)較為顯著；地區(qū)內(nèi)多大風(fēng)，甚者造成風(fēng)災(zāi)，多年年最大風(fēng)速平均值23.0m/s，多年最大瞬時(shí)風(fēng)速40m/s，風(fēng)向NW。

艾丁湖區(qū)域內(nèi)河流徑流量年內(nèi)分配很不均勻，夏季自5月下旬進(jìn)入豐水期，持續(xù)到8、9月，占全年徑流量的60%～80%；冬季12月-2月徑流量占全年徑流量的2%～7%。徑流量年際變化較小，各河流75%保證率的徑流量在多年平均徑流量的71%～84%之間，河流徑流量的年變動(dòng)系數(shù)Cv在0.21～0.31之間，最大年徑流量在最小年徑流量的2.5～3.5倍之間。各入湖河流徑流量如表1所示。

表1 艾丁湖區(qū)域地表徑流量統(tǒng)計(jì)

3 水資源開發(fā)現(xiàn)狀及存在問題

截至目前，艾丁湖區(qū)域已建成水庫(kù)17座，設(shè)計(jì)總庫(kù)容18657.66萬(wàn)m3，其中中型水庫(kù)6座，小(1)型水庫(kù)8座，小(2)型水庫(kù)3座；有在建水庫(kù)1座，設(shè)計(jì)總庫(kù)容3024萬(wàn)m3；已建成渠首18座，控灌面積7.86萬(wàn)hm2；已配套干、支、斗、農(nóng)四級(jí)渠道6298.8km，防滲率80.86%。

艾丁湖生態(tài)區(qū)入湖水量不斷減少，湖面萎縮，其生態(tài)區(qū)生態(tài)壓力不斷增大，惡化趨勢(shì)明顯。一是地下水位不斷下降，生態(tài)、生活用水風(fēng)險(xiǎn)增大；二是陸生與水生物種植被消亡趨勢(shì)加劇，區(qū)域生態(tài)惡化；三是區(qū)域土地沙化、沙漠化趨勢(shì)有所反復(fù)，沙塵、鹽塵天氣爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)增大。

4 艾丁湖最低生態(tài)水位分析

生態(tài)水位是維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的合理水位，最低生態(tài)水位是其下限值，是維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的最低水位，湖泊生態(tài)基流是指維持湖泊最低生態(tài)水位的基本流量。根據(jù)艾丁湖區(qū)域特點(diǎn)，其生態(tài)基流主要由三部分組成，分別是河道水面蒸發(fā)量、湖區(qū)附近自然旱生植被的需水量及艾丁湖自身生態(tài)需水量。

4.1 河道水面蒸發(fā)計(jì)算

將流域多年平均蒸發(fā)量等值線圖與河流水面分布圖疊加，利用加權(quán)平均法計(jì)算各河流的多年平均蒸發(fā)強(qiáng)度，再乘以相應(yīng)河流面積得到河道水面蒸發(fā)量?？紤]到魚兒溝等4條入湖河流水面面積均不足10萬(wàn)m2，此處忽略。最終計(jì)算的艾丁湖流域內(nèi)10條主要河流水面蒸發(fā)耗水情況如表2所示。

表2 艾丁湖流域內(nèi)10條主要河流水面蒸發(fā)耗水量

由表2可知，艾丁湖流域內(nèi)10條主要河流水面總面積為3349.23萬(wàn)m2，河流多年水面平均蒸發(fā)量為1618.5mm，10條河流水面耗水總量為5420.73萬(wàn)m3。

4.2 植被生態(tài)需水量計(jì)算

采用面積定額法和潛水蒸發(fā)法對(duì)比計(jì)算艾丁湖自然旱生植被生態(tài)需水量。

4.2.1 面積定額法

植被生態(tài)需水定額的計(jì)算采取聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)提出的基于參考作物蒸散發(fā)量(ET0)、土壤水分限制系數(shù)(KS)及植物系數(shù)(KC)的計(jì)算方法，公式如下：

ETk=ET0×Ksk×Kck

式中：ETk為第k種植被的需水定額(mm)；ET0為參考作物的蒸散發(fā)(mm)；Ksk為第k種植被的土壤水分現(xiàn)值系數(shù)；Kck為第k種植被的植被系數(shù)。

不同植被類型的生態(tài)需水定額見表3，不同植被類型生態(tài)需水量見表4。利用面積定額法最終計(jì)算的湖區(qū)周邊自然旱生植被的生態(tài)需水量為4.03億m3。

表3 植被生態(tài)需水定額 單位：m3/畝

表4 不同植被類型生態(tài)需水

4.2.2 潛水蒸發(fā)法

艾丁湖區(qū)域降水稀少，入湖的14條主要河流只有白楊河在部分季節(jié)有水進(jìn)入艾丁湖，其他河流在進(jìn)入艾丁湖的路上斷流，徑流對(duì)自然旱生植被的補(bǔ)給微弱，可以認(rèn)為天然植被的生存主要依靠地下水來(lái)維持，因此可以采用潛水蒸發(fā)法計(jì)算，其公式如下：

Wt=a(1-H/Hmax)bE601S

式中：Wt為植被生態(tài)需水量(m3)；S為地下水埋深為H時(shí)的植被面積(m2)；E601為601型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量(m)；H為地下水埋深(m)；Hmax為地下水蒸發(fā)極限埋深(m)；a、b為與植被覆蓋度、土質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，得到湖區(qū)自然旱生植被的生態(tài)需水量為3.37億m3。

4.2.3 結(jié)果合理性分析

面積定額法利用參考作物的蒸散發(fā)計(jì)算植被的生態(tài)需水，由于資料限制，本次計(jì)算氣象站點(diǎn)覆蓋度較低，參考作物蒸散發(fā)的計(jì)算結(jié)果不能內(nèi)插到整個(gè)研究區(qū)，因此計(jì)算結(jié)果特異性較差；潛水蒸發(fā)法計(jì)算采用地下水埋深數(shù)據(jù)、植被系數(shù)、601型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)均為模型模擬和相似地區(qū)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果更加合理。因此采用潛水蒸發(fā)法計(jì)算結(jié)果3.37億m3作為湖區(qū)植被生態(tài)需水量成果。

4.3 湖泊生態(tài)需水量計(jì)算

利用艾丁湖湖區(qū)的高程點(diǎn)，計(jì)算艾丁湖的湖容曲線，得到其不同等高線下的湖面面積及湖體容積如表5所示。由于湖區(qū)附近無(wú)監(jiān)測(cè)計(jì)量的站點(diǎn)，因此入湖水量采用水量平衡方程推求，艾丁湖主湖區(qū)來(lái)水量主要消耗于蒸發(fā)和副湖區(qū)的補(bǔ)水，采用下式計(jì)算：

表5 不同等高線下艾丁湖的湖面面積和湖體容積

W入=W主湖末-W主湖初+E主湖+W副湖

W副湖=W副湖末-W副湖初+E副湖

E湖=E主湖+E副湖

式中：W入為時(shí)段入湖水量；W主湖末為時(shí)段末主湖湖水量；W主湖初為時(shí)段初主湖湖水量；W副湖末為時(shí)段末副湖湖水量；W副湖初為時(shí)段初副湖湖水量；E湖為時(shí)段內(nèi)湖面總的蒸發(fā)量；W副湖為風(fēng)吹走的水量。

根據(jù)2000-2015年遙感圖像分析的歷年各月湖區(qū)水面面積資料，使用上述方法推求歷年入湖水量，結(jié)果如表6所示。將2005-2008年艾丁湖湖泊水體、河口濕地、鹽生草墊的狀態(tài)作為艾丁湖生態(tài)保護(hù)目標(biāo)狀態(tài)，其相應(yīng)的入湖生態(tài)需水確定為0.60億m3。

表6 2000-2015年艾丁湖入湖水量

綜上，確定艾丁湖生態(tài)基流為4.51億m3，其中入湖生態(tài)需水為0.60億m3，河流蒸發(fā)需水0.54億m3，旱生植被需水3.37億m3。

4.4 最低生態(tài)水位確定

采用湖泊形態(tài)分析法分析確定艾丁湖最低生態(tài)水位，將湖泊庫(kù)容作為湖泊水文和地形子系統(tǒng)特征的指標(biāo)，湖面面積作為湖泊功能指標(biāo)，則湖面庫(kù)容變化率為湖泊庫(kù)容與面積關(guān)系函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，其最大值相應(yīng)水位即為最低生態(tài)水位，其采用下式計(jì)算：

F=f(H)

式中：H為湖泊水位(m)；F為湖泊面積(km2)；F為湖泊面積增加值(km2)。

根據(jù)艾丁湖主湖區(qū)湖容曲線，利用艾丁湖湖區(qū)的高程點(diǎn)，將表5中等高線H(m)進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算艾丁湖的湖面面積F(km2)和湖面面積增加值△F(km2)，如表7所示。

表7 不同等高線下艾丁湖的湖面面積增加值

根據(jù)上表湖面水位H(m)和相應(yīng)的湖面面積增加值△F(km2)建立水位x和面積y的增加率關(guān)系方程，y=-6.8933x4-4181.6x3-951208x2-100000000x-4000000000，對(duì)上式求導(dǎo)數(shù)，令其等于零，所得x的最小值即最低生態(tài)水位值為-150.81m。

根據(jù)2005-2008年主湖區(qū)多年平均水面面積和地形資料估算得出艾丁湖湖泊生態(tài)水位為-150.91m，與利用湖泊形態(tài)分析法計(jì)算成果相差-0.1m，差異較小，說(shuō)明結(jié)果可信。綜合考慮確定艾丁湖最低生態(tài)水位為-150.81m。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)河流多年平均蒸發(fā)強(qiáng)度乘以相應(yīng)河流面積得到入湖河道水面蒸發(fā)量，通過(guò)面積定額法與潛水蒸發(fā)法比對(duì)得到湖區(qū)自然旱生植被的生態(tài)需水量，通過(guò)湖容關(guān)系與遙感測(cè)量比對(duì)得到了湖泊生態(tài)需水量，最終得到了艾丁湖生態(tài)基流量。采用湖泊形態(tài)分析法分析確定艾丁湖最低生態(tài)水位為-150.81m的結(jié)論。

下階段，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步優(yōu)化艾丁湖水資源配置體系，考慮區(qū)域水資源承載能力，合理配置用水；健全閘壩生態(tài)流量調(diào)度與統(tǒng)一管理，增加主要河流枯水期徑流量，保障艾丁湖生態(tài)用水；在重要控制斷面建設(shè)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，強(qiáng)化艾丁湖生態(tài)水位的常態(tài)化監(jiān)測(cè)和管控。