新疆白楊河流域特征及生態(tài)植被需水分析

張愛民,郝天鵬,周和平,馬占寶,崔師勝

1 新疆白楊河流域管理局,烏魯木齊 830000 2 新疆水利廳水利管理總站,烏魯木齊 830000 3 新疆白楊河流域管理局水利管理中心,烏魯木齊 830039

白楊河流域地處新疆天山東部,流域上游為天山博格達峰前山帶烏魯木齊市達坂城區(qū),年均降水量70mm,流域下游為天山之南的吐魯番托克遜縣區(qū),年均降水量不足10mm,由此形成了流域內(nèi)上游降水少、下游降水稀缺的干旱與極端干旱格局。流域水生態(tài)環(huán)境,上游由于天山博格達峰長年高山積雪冰川和降水作用,以及達坂城地處山間盆地及其水文地質(zhì)土壤環(huán)境條件,具有較明顯地表水地下水相互轉(zhuǎn)換,多以河谷疏林灌叢草甸濕地綠洲生態(tài)植被群體；下游吐魯番市托克遜縣區(qū)域,位于流域下游降水稀少完全依賴河流補給地下水,下游周邊及末端尾閭艾丁湖,水生態(tài)環(huán)境植被多以駱駝刺荒漠化草地分布。特殊條件下水生態(tài)環(huán)境需水分析研究,對流域生態(tài)環(huán)境管理保護具有重要意義。生態(tài)環(huán)境植被需水研究,一般多采用衛(wèi)星遙感、GIS等3S技術(shù)[1- 2]結(jié)合Penman-Monteith法[3- 6],可以分析解決生態(tài)植被面積與生態(tài)需水關(guān)系,對于生態(tài)環(huán)境綠洲植被需水量計算時段,多以植被4至10月生長期考慮,但這樣可能會忽略干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境需水以河流下滲補給地下水特性。潛水蒸發(fā)法和面積定額法是計算植被生態(tài)需水常用方法[7- 10],有分析表明這兩種方法比較結(jié)果相差10%較小。有學(xué)者[11]建立干旱區(qū)植物生長與地下水位對數(shù)正態(tài)分布模型,計算生態(tài)需水量與其他方法比較相差也較小,表明不同方法分析結(jié)果差別不大可以選用。生態(tài)環(huán)境綠洲植被需水量占河道年徑流量比重分析(生態(tài)需水基本流量),有歷史流量法、水力定額法、棲息地法等多種分析方法,這些方法優(yōu)缺點對比認為,傳統(tǒng)水文學(xué)(Tennant)法較適合干旱區(qū)河道生態(tài)需水計算[12- 13],然而,此方法以年均徑流量特定百分率計算河道水量存在一些不足,因此,有學(xué)者[14- 16]提出并應(yīng)用河道基本生態(tài)需水年內(nèi)展布法,體現(xiàn)年徑流豐枯變化滿足河流生態(tài)需求,采用這種方法,以東居延海為研究對象估算年均生態(tài)需水量,約占鶯落峽水文測站年徑流量16.3%、14.6%、9.4%[17]；以漢江流域?qū)嵶C分析干支流控制斷面最小下泄生態(tài)基流處于年均流量15%—20%[18]；生態(tài)基流至少滿足占年均徑流量10%以上生態(tài)需求[19]；有學(xué)者以河流系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟服務(wù)功能總經(jīng)濟價值最大值確定河流生態(tài)基流,并以此分析西北黃河最大支流渭河寶雞段河流生態(tài)基流占徑流35.0%[20]。由此可見,同一算法不同目標分析結(jié)果均有差異。

新疆白楊河流域地處干旱與極端干旱區(qū),流域上游生態(tài)綠洲植被需水源于降水與河道徑流沿程地下水共同補給作用,流域下游降水稀缺幾乎為零,自然生態(tài)綠洲植被需水完全依靠河流補給地下水利用,考慮天然降水河道徑流及地下水利用生態(tài)需水[21- 22]特征,本文以衛(wèi)星遙感獲取不同類型生態(tài)用水面積,采用Penman-Monteith和面積定額及河道水文年內(nèi)展布法,分析白楊河流域天然灌叢荒漠植被生境需水量及河道時段生態(tài)基流,為流域生態(tài)需水評估及管理保護提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 流域概況

白楊河流域水系發(fā)源于天山東部博格達峰南麓,形成“四源一干一湖”流域格局：上游為烏魯木齊市達坂城盆地區(qū),由黑溝河、阿克蘇河、高崖子河三條源流,在達坂城盆地以南的峽口匯集形成了白楊河干流；以達坂城峽口匯集區(qū)為起點的白楊河干流全長約150 km,向南走向沿途天然河道并有柯爾堿溝、阿拉溝等小支流匯入后,進入白楊河流域下游天山南部前山平原戈壁荒漠帶,到此,由西向東南穿越吐魯番市托克遜縣城外50 km尾閭,注入我國第一、世界第三低地,最低點高程-154.6 m著名內(nèi)陸咸水湖——艾丁湖,西南面庫姆塔格沙漠(見圖1)。白楊河流域地跨兩個行政區(qū),上游烏魯木齊市達坂城盆地干旱區(qū),下游地處極端干旱區(qū)吐魯番市托克遜縣區(qū)域,流域地理坐標88° 10′—89° 11′E,42° 29′—43° 48′N,東西最寬約120 km,南北最長約150 km,艾丁湖臨湖河口以上流域總面積5173.4 km2。

1.2 流域特征

白楊河流域上游達坂城區(qū),北、西、南均有高山屏障,形成一個半封閉地勢低洼的山間盆地,冷濕空氣不易進入,平原區(qū)為典型溫帶大陸性干旱氣候,顯著氣象特征是風(fēng)多風(fēng)大、酷熱干燥、降水量少、蒸發(fā)強烈。流域盛行西風(fēng)、西北風(fēng),年均8級以上大風(fēng)大于108 d。達坂城為新疆著名風(fēng)區(qū),達坂城區(qū)境內(nèi)低山丘陵區(qū)年均降水量70.5mm,但在高山區(qū)年均降水量可高達400mm,降水量主要集中在夏季,占年降水量80%,春季降水很少,年均蒸發(fā)量2582.5mm為年均降水量的36.6倍,年均氣溫8.8℃。流域下游吐魯番市托克遜縣區(qū)域,年均降水量7.8mm,最長連續(xù)無降水日高達298 d,年均蒸發(fā)量3403.9mm,蒸發(fā)量為降水量的436倍,蒸發(fā)量最高可高達5000.0mm。下游托克遜區(qū)春、夏季焚風(fēng)頻繁,年均干熱風(fēng)發(fā)生大于93次,對農(nóng)作物破壞性大。年均氣溫高達14.1℃,是上游達坂城區(qū)年均氣溫8.8℃的1.76倍,7月份年均氣溫32.3℃,1月年均氣溫-9.3℃,日最高氣溫≥35℃,酷暑期長達100 d以上[23],是我國極其少有的氣候差異懸殊、干旱與極端干旱疊加交織流域氣候。

圖1 白楊河流域水系生態(tài)環(huán)境分布示意Fig.1 Distribution of ecological environment in Baiyang River Basin

白楊河流域整體呈現(xiàn)高中低山區(qū)、前山洪積與河流沖積、河谷與山間盆地、山前草甸與平原泉水溢出沼澤濕地及荒漠戈壁多樣性地貌環(huán)境類型。上游源于天山博格達峰南坡冰川42.36億m3儲量,形成年均水資源量3.10億m3,其中地下水天然補給0.51億m3[24]。由于流域地貌環(huán)境多樣性及水文地質(zhì)條件影響,上游諸河道及自峽口之間地表與地下水轉(zhuǎn)化補給變化較多,自峽口匯集貫穿流域下游白楊河干流,地表與地下水表現(xiàn)出部分河流時隱時現(xiàn)：大草湖至小草湖河流段常年有水,小草湖后沿程滲漏較大轉(zhuǎn)換為地下水至巴依托海河道無水,巴依托海后以泉水溢出至紅河谷常年有水,紅河谷后沿程滲漏轉(zhuǎn)換成地下水至托克遜縣區(qū)河道無水,之后托克遜縣城形成地表水,途經(jīng)托克遜縣城后逐步轉(zhuǎn)換為地下水至尾閭艾丁湖。

1.3 計算方法

基于流域水生態(tài)環(huán)境結(jié)合遙感投影,考慮天然生態(tài)環(huán)境河谷林草、濕地、艾丁湖及周邊駱駝刺荒漠草地三類。生態(tài)需水按Penman-Monteith分析[25- 26]：

(1)

式中,ET0為生態(tài)植被蒸發(fā)蒸騰量,mm/d；Δ為溫度—飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處切線斜率,kPa/℃；Rn為凈輻射,MJ m-2d-1；G為土壤熱通量,MJ m-2d-1；γ為濕度表常數(shù),kPa/℃；T為平均氣溫,℃；u2為2m高觀測風(fēng)速,m/s；ea飽和水汽壓,kPa；ed實際水汽壓,kPa。

植被系數(shù)為生態(tài)植被階段需水與生態(tài)植被蒸發(fā)蒸騰量比值,按下式分析：

(2)

式中,KC為植被系數(shù)；i為生態(tài)植被生長i階段；n為生態(tài)植被生長劃分階段數(shù)目；ETi為生態(tài)植被生長i階段需水量,mm；ET0i為生態(tài)植被生長i階段蒸發(fā)蒸騰量,mm。

生態(tài)植被需水量、生態(tài)植被蒸發(fā)蒸騰量、植被系數(shù)關(guān)系如下：

ET=ET0·KC-P0

(3)

式中,ET為生態(tài)植被需水,mm；ET0為生態(tài)植被蒸發(fā)蒸騰量,mm；KC為植被系數(shù)；P0為有效雨量,mm。降雨量P值,P0=Pa,新疆南疆a(chǎn)=0.35；北疆a(chǎn)=0.52；全疆a(chǎn)=0.41[27]。

不同生態(tài)環(huán)境植被需水量,按下式分析：

W=ETω

(4)

式中,W為生態(tài)需水量,m3；ω為各河流水系形成的生態(tài)環(huán)境植被區(qū)面積,hm2。

基于流域經(jīng)濟社會生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,維持流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及生物多樣性,遵循流域河流水系形成的生態(tài)環(huán)境屬性,采用生態(tài)基流需水指標分析流域源流、干流河谷林草生態(tài)基流及需水量,平原濕地、尾閭艾丁湖天然植被生態(tài)需水量。鑒于流域上游河谷林、濕地植被生長用水主要為河道來水下滲及降水共同補給,下游戈壁荒漠化植被生長源于地下水,采用生態(tài)基流Tennant法分析：

(5)

由于生態(tài)基流Tennant法依賴經(jīng)驗,因此,將河道生態(tài)基流與生態(tài)需水結(jié)合并滿足生態(tài)需水量W以下關(guān)系式：

(6)

式中,q為分析河流滿足生態(tài)需水要求生態(tài)基流,m3/s；d為分析河流滿足生態(tài)需水要求的生態(tài)基流量分析時間,天數(shù)。

調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)利用Excel 2007進行圖表繪制分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)區(qū)需水分析

2.1.1需水定額

由流域氣象站長系列氣象數(shù)據(jù),以干旱區(qū)中等及強風(fēng)地面覆蓋25%—50%樹木間種雜草,考慮植被系數(shù)[28],按式(1)—(3)計算流域區(qū)不同時段及年生態(tài)需水定額如表1所示,結(jié)果表明,流域下游托克遜極端干旱區(qū)生態(tài)植被需水定額1156 mm,比上游達坂城干旱區(qū)生態(tài)植被需水定額968 mm高出188 mm增加了19.4%。

表1 白楊河流域生態(tài)綠洲植被需水定額分析

2.1.2生態(tài)環(huán)境及需水量

基于勘察遙感解譯,流域生態(tài)環(huán)境植被類型,上游達坂城區(qū)主要為河谷林草(河谷疏林,河谷灌叢,河漫灘草甸)、濕地(沼澤草甸)；下游艾丁湖及周邊主要分布駱駝刺間有紅柳荒漠草地(圖2)。流域河流水系生態(tài)環(huán)境面積(表2)顯示,上游達坂城區(qū)源流平原生態(tài)區(qū)分布面積2923.6 hm2,其中：河谷林草1502.3 hm2,濕地1421.37 hm2。下游白楊河(柯爾堿溝無分布)平原生態(tài)區(qū)分布面積18639.0 hm2,其中：河谷林草602.1 hm2,濕地83.3 hm2；駱駝刺及草地17953.6 hm2。流域生態(tài)需水面積21562.6 hm2,其中：河谷林草2104.4 hm2,濕地1504.6 hm2；駱駝刺草地17953.6 hm2。

基于表2生態(tài)類型面積,按式(4)得生態(tài)環(huán)境植被需水量(表3)結(jié)果可知,流域生態(tài)總需水量7880萬m3,其中：河谷林草(河谷疏林,河谷灌叢,河漫灘草甸)2151萬m3；濕地(沼澤草甸)1473萬m3；干流白楊河尾閭艾丁湖駱駝刺草地4256萬m3。各河流區(qū)生態(tài)需水量為：黑溝河年生態(tài)需水量921萬m3,其中： 河谷林草230萬m3；濕地 691萬m3。阿克蘇河年生態(tài)需水量1048萬m3,其中：河谷林草586萬m3；濕地462萬m3。高崖子河年生態(tài)需水量862萬m3,其中： 河谷林草639萬m3；濕地223萬m3。干流白楊河年生態(tài)需水量793萬m3,其中：河谷林草696萬m3；濕地97萬m3。干流白楊河補給尾閭艾丁湖駱駝刺草地水量4256萬m3,主要考慮9—12月,原因在于艾丁湖補給水系復(fù)雜,包括白楊河、阿拉溝、柯爾堿溝、大河沿子、塔爾郎、煤窯溝、黑溝、恰勒坎河、二塘溝、柯柯亞河、坎爾其溝等諸河流?，F(xiàn)狀白楊河進入艾丁湖水量約3024萬m3。艾丁湖周邊分布駱駝刺草甸植被約27313.9hm2,據(jù)流域下游托克遜縣境內(nèi)白楊河、阿拉溝兩河年均徑流分攤,白楊河供給駱駝刺生態(tài)用水面積17953.6 hm2(占生態(tài)用水總面積65%)。由此9—12月白楊河干流末端駱駝刺草甸植被生態(tài)需水定額238 mm。

圖2 白楊河流域不同類型生態(tài)環(huán)境植被Fig.2 Different types of ecological environment vegetation in Baiyang River Basin

表2 白楊河流域平原區(qū)不同生態(tài)類型分布面積/hm2

2.2 生態(tài)基流分析

由式(5)—(6)計算生態(tài)基流表4結(jié)果可知,流域上游達坂城區(qū)黑溝河4—9月主用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.48m3/s和766萬m3,10—3月次用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.10m3/s和155萬m3,生態(tài)需水占年均徑流18%。阿克蘇河4—9月主用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.55m3/s和872萬m3,10—3月次用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.11m3/s和177萬m3,生態(tài)需水占年均徑流12%。高崖子河4—9月主用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.45m3/s和717萬m3,10—3月次用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.09m3/s和145萬m3,生態(tài)需水占年均徑流12%。干流白楊河4—9月主用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.39m3/s和613萬m3,10—3月次用水期,生態(tài)基流和水量分別為0.11 m3/s和180萬m3,生態(tài)需水占年均徑流6%。

表3 白楊河流域平原區(qū)生態(tài)需水量分析/萬m3

流域下游托克遜境內(nèi)及艾丁湖4—9月主用水期,生態(tài)基流和水量分別為1.23m3/s和1939萬m3,10—3月次用水期,生態(tài)基流和水量分別為1.47m3/s和2317萬m3,生態(tài)需水占年均徑流32%。全流域河流生態(tài)基流2.50m3/s,生態(tài)需水量7880萬m3,其中：4—9月主用水期,生態(tài)基流和水量分別為3.10m3/s和4906萬m3,10—3月次用水期,生態(tài)基流和水量分別為1.89m3/s和2974萬m3,生態(tài)需水占年均徑流17%,介于10%—30%,屬于水生態(tài)環(huán)境一般或較低要求。鑒于生態(tài)需水及河道生態(tài)基流遵循河流水系屬性,因此,流域生態(tài)基流水量可利用黑溝、阿克蘇、高崖子渠首引水工程調(diào)配。

表4 白楊河流域平原區(qū)生態(tài)基流及控制斷面

2.3 流域生態(tài)需水特性

需水量是生態(tài)植被耗水分析重要指標,基于這一指標分析了新疆部分流域生態(tài)需水變化情況。由表5分析表明,生態(tài)需水與環(huán)境氣象間具有很好相關(guān)性,但流域地理環(huán)境位置不同,對生態(tài)需水影響效應(yīng)表現(xiàn)出一定差異：對生態(tài)需水M(mm)產(chǎn)生負效應(yīng)(導(dǎo)致生態(tài)需水增加)影響因素,白楊河流域是風(fēng)速u、日照時數(shù)n、相對濕度U、蒸發(fā)量W；和田河流域是氣溫T、風(fēng)速u、日照時數(shù)n、相對濕度U、蒸發(fā)量W；葉爾羌河流域是氣溫T、風(fēng)速u、相對濕度U、蒸發(fā)量W；阿克蘇河流域是有效降水P0、氣溫T、風(fēng)速u、相對濕度U、蒸發(fā)量W；巴州孔雀河流域是有效降水P0、氣溫T、水汽壓e、蒸發(fā)量W；瑪納斯河流域是氣溫T、風(fēng)速u、蒸發(fā)量W；博爾塔拉河流域是氣溫T、水汽壓e、風(fēng)速u、蒸發(fā)量W。分析表明,不同流域生態(tài)需水產(chǎn)生負效應(yīng)共同影響因素是蒸發(fā)量W,環(huán)境因素對生態(tài)需水影響程度大小為u>n>T>U>e>W；產(chǎn)生正效應(yīng)(導(dǎo)致生態(tài)需水量減少)影響因素主要是水汽壓e、有效降水P0、氣溫T,對生態(tài)需水影響程度大小為e>P0>T>n>u>U。這說明,不同地理環(huán)境流域生態(tài)需水量受當?shù)鼐C合氣象環(huán)境共同影響作用,其中生態(tài)需水負效應(yīng)主因為風(fēng)速u和日照n,正效應(yīng)主因體現(xiàn)在水汽壓e和有效降水P0。

表5 流域生態(tài)需水與環(huán)境關(guān)系分析

由圖3分析可以看出,不同流域年內(nèi)生態(tài)需水M(mm)變化,具有隨著月份增加呈現(xiàn)由小漸增7至8月最大,之后逐漸減小的變化規(guī)律。從不同流域生態(tài)需水量比較看出,白楊河、和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、巴州孔雀河、瑪納斯河、博爾塔拉河7個流域年生態(tài)需水,分別為1071mm、689mm、663mm、656 mm、523mm、510mm、470mm,以白楊河流域年生態(tài)需水量為基準,其他6個流域分別占白楊河流域生態(tài)需水量的64%、62%、61%、49%、48%、44%。明顯看出,白楊河流域生態(tài)需水量最大,博爾塔拉河流域生態(tài)需水量最小。白楊河流域地處天山東部,降水稀少氣候干燥氣溫高,尤其是風(fēng)多風(fēng)大頻繁干旱與極端干旱區(qū)。天山以南昆侖山脈和田河、葉爾羌河流域,降水少蒸發(fā)量高氣象干旱荒漠區(qū)。阿克蘇河、巴州孔雀河流域地處天山之南,降水稀少蒸發(fā)強烈沙漠綠洲灌區(qū)?，敿{斯河、博爾塔拉河流域地處天山北坡準格爾盆地前緣及天山西部,年均降水150—200mm,年均蒸發(fā)量1700—2000 mm棕漠土區(qū)。分析結(jié)果與流域所處地理環(huán)境氣象因素吻合。

圖3 干旱區(qū)部分流域生態(tài)需水變化分析Fig.3 Analysis of ecological water demand change in some watersheds in arid area

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)流域上游達坂城生態(tài)區(qū)年需水量3624萬m3,其中：黑溝需水量921萬m3(河谷林草230萬m3；濕地691萬m3)；阿克蘇生態(tài)需水量1048萬m3(河谷林草586萬m3；濕地462萬m3)；高崖子生態(tài)需水量862萬m3(河谷林草639萬m3；濕地223萬m3)；干流白楊河年生態(tài)需水量793萬m3(河谷林草696萬m3；濕地97萬m3),流域下游干流白楊河補給艾丁湖及周邊駱駝刺草地生態(tài)水量4256萬m3。流域年均生態(tài)需水總量7880萬m3。

(2) 流域河道總體生態(tài)基流2.50m3/s,占年均徑流量的17%,其中：上游達坂城區(qū)黑溝河生態(tài)基流0.29m3/s,占該河年均徑流量18%；阿克蘇分別為0.33m3/s和12%；高崖子分別為0.27 m3/s和12%；出自峽口白楊河干流分別為0.25m3/s和6%。下游托克遜境內(nèi)由白楊河干流調(diào)節(jié)艾丁湖生態(tài)基流1.35m3/s,占年均徑流量的32%。

(3)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境植被耗水具有明顯流域特征,上游生態(tài)植被生長依附于河流及地下水轉(zhuǎn)化和天然降水共同補給；下游由于降水稀缺完全依賴河道徑流補給地下水作用。生態(tài)需水量調(diào)節(jié)與河道取水工程相關(guān),生態(tài)用水控制斷面即該河道渠首引水工程。

(4)生態(tài)植被需水是表征水生態(tài)環(huán)境用水重要指標,白楊河流域年生態(tài)需水量1071mm,天山南部和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、巴州孔雀河,天山北部瑪納斯河、博爾塔拉河流域年生態(tài)需水量,分別占白楊河流域的64%、62%、61%、49%、48%,說明白楊河流域地處極端干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境耗水高的基本特性。

3.2 討論

(1)常用的生態(tài)基流水文學(xué)Tennant法,以河流年均徑流量的10%—30%估算植被生長環(huán)境需水,此方法由于人為選取參數(shù)計算結(jié)果與實際存在差別。本文以生態(tài)區(qū)年內(nèi)不同時段需水為前提反演河流生態(tài)基流,雖然得出生態(tài)基流占河道年均徑流量比例在10%—30%,但這種方法將生態(tài)區(qū)需水與河流徑流年內(nèi)分配結(jié)合更貼切實際。

(2)有學(xué)者和研究人員多以4至10月作為植被生長期生態(tài)需水分析期,干旱尤其是極端干旱區(qū)降水稀少蒸發(fā)十分強烈,生態(tài)用水主要甚至完全依賴河流輸水和地下潛水補給,因此考慮11至次年3月時段是穩(wěn)妥的。

(3)有學(xué)者認為干旱區(qū)生態(tài)補水基本上是大流量下泄,生態(tài)基流分析實際意義不大,馬玉其等人[30]就新疆開都河水資源調(diào)度對焉耆盆地生產(chǎn)生活和生態(tài)影響,計算了開都河生態(tài)基流,馬樂軍等人[31]提出分級分區(qū)確立水利工程最小下泄生態(tài)基流方法,為不同區(qū)域生態(tài)基流確定提供方案。干旱區(qū)河道水文生態(tài)基流分析有助于生態(tài)環(huán)境植被耗水容量,以及河道在不同階段承擔(dān)的下泄水量,為生態(tài)需水保障提供技術(shù)支持。當然具體過程需依照流域河道生態(tài)區(qū)分布及水利工程布局,在正確合理安排農(nóng)業(yè)工業(yè)生活用水的基礎(chǔ)上,可以采取掄洪大水下泄、集中利用冬春季河道水下泄等方案實施。

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