哈爾騰河蘇干湖水系水資源分析評(píng)價(jià)及趨勢(shì)研究

胡士輝，張照璽

(1.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004；2.河南黃河水文勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450004)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，水資源是人類賴以生存的重要因素，人們對(duì)有限水資源開發(fā)利用不合理，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，水資源供需矛盾日益突出，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，因此對(duì)區(qū)域水資源評(píng)價(jià)和分析極為重要，水資源方面的研究也越來(lái)越受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。蔣鳴等研究了滇中調(diào)水規(guī)劃區(qū)水資源分析評(píng)價(jià)；蔣海英等分析了喀什噶爾河流域水資源利用現(xiàn)狀，總結(jié)梳理水資源利用開發(fā)存在的問題，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，對(duì)合理利用開發(fā)流域水資源，提出了深化水利改革等措施對(duì)策；陶云等分析了云南水資源變化對(duì)氣候變暖的響應(yīng)，為云南社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展以及水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)；胡東來(lái)等對(duì)宜賓以上流域降水量、水資源特點(diǎn)、總水資源量以及未來(lái)的變化趨勢(shì)進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，為南水北調(diào)西線工程提供必要的技術(shù)支撐。

哈爾騰河蘇干湖水系是柴達(dá)木盆地西北端一個(gè)獨(dú)立水系，主要由平行流向的大、小哈爾騰河及其尾閭大、小蘇干湖組成。大、小蘇干湖是西北干旱區(qū)為數(shù)不多的2塊天然濕地，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。本文通過(guò)分析評(píng)價(jià)蘇干湖盆地水資源量，分析研究變化環(huán)境下區(qū)域徑流和兩湖水域演變趨勢(shì)，對(duì)敦煌水資源管理與生態(tài)保護(hù)、“引哈濟(jì)黨”調(diào)水決策等具有重要意義。

1 流域概況

1.1 基本情況

哈爾騰河蘇干湖水系流域面積20835km2，其中青海省2833km2，甘肅省18002km2。大哈爾騰河是柴達(dá)木盆地第5條大河，出山口花海子以上集水面積5967km2，河長(zhǎng)340余km；小哈爾騰河河長(zhǎng)60km，流域面積1320km2，兩河潛流后進(jìn)入大小蘇干湖。大蘇干湖長(zhǎng)21.2km，最大寬7.0km，平均寬5.0km，水域面積106.0km2，pH值8.9，礦化度32.25g/L，屬咸水湖；小蘇干湖長(zhǎng)6.3km，最大湖水寬度3.2km，平均寬1.68km，水域面積10.6km2，湖水pH7.4，礦化度1.63g/L，屬微咸水湖。大、小哈爾騰河以冰雪融水補(bǔ)給為主，河源區(qū)有冰川250條，冰川面積322.46km2，儲(chǔ)量185.82億m3，年融水量1.54億m3。

1.2 水資源分區(qū)

哈爾騰河蘇干湖為獨(dú)立水系，可作為1個(gè)完整的水資源分區(qū)進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)，其中平原區(qū)面積9403km2，山丘區(qū)面積11432km2。鑒于山丘區(qū)是流域水資源的重要補(bǔ)給源，為深入探索區(qū)內(nèi)降水、地表水資源空間分布規(guī)律和特征，綜合考慮區(qū)域年降水總量、河川徑流總量、年地下水總量、蒸發(fā)量、降水徑流比等因素，對(duì)山丘區(qū)分區(qū)進(jìn)一步細(xì)化，表1、圖1給出7個(gè)次一級(jí)分區(qū)及面積區(qū)劃。

表1 哈爾騰河蘇干湖水系山區(qū)水資源分區(qū)表

2 水資源分析評(píng)價(jià)

2.1 降水與蒸發(fā)

(1)降水量

基于哈爾騰河蘇干湖水系8處水文、氣象站點(diǎn)61年(1956—2016年)降水?dāng)?shù)據(jù)系列插補(bǔ)展延，結(jié)合地形、地貌、氣候、植被等因素綜合分析，流域多年平均降水總量為27.17億m3，平均年降水深為130.4mm；20%、50%、75%、95%不同保證率條件下相應(yīng)降水量分別為166.5、125.1、97.4、65.4mm。

降水地區(qū)分布極不均勻，降水量由東南部向西北部、四周山區(qū)向盆地中心遞減，東南部山丘區(qū)降水在100～250mm之間，山前洪積扇的降水介于50～100mm之間，西北部平原區(qū)降水在25mm左右，盆地中心大面積荒漠區(qū)降水多在20～50mm之間，大蘇干湖湖區(qū)年平均降水不足20mm。降水在垂直變化上隨海拔升高而增加，且多雨區(qū)降水隨海拔升高的增率大于少雨區(qū)。

流域降水年內(nèi)分配不均，各代表站連續(xù)最大4個(gè)月降水量均出現(xiàn)在5—8月，占全年降水量的71.4%～84.6%；年降水量Cv值在0.36～0.58之間，最大年降水量與最小年降水量比值在5.0～16.5之間，極值比最大的敦煌氣象站達(dá)16.5，年際變化較大。

(2)蒸發(fā)量

水面蒸發(fā)量地區(qū)分布與降水量相反，由東南向西北，由四周山區(qū)向盆地中心遞增，蒸發(fā)量從四周1000mm向盆地中心大蘇干湖附近遞增到最高值(冷湖站蒸發(fā)量為1757mm)。

各代表站蒸發(fā)量年內(nèi)分配不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月蒸發(fā)量基本上都出現(xiàn)在5—8月，占年蒸發(fā)量的比例在55.68%～58.93%之間。各代表站水面蒸發(fā)量年際變化較穩(wěn)定，最大水面蒸發(fā)量與最小水面蒸發(fā)量極值比在1.24～1.36之間，Cv值在0.05～0.08之間。

2.2 地表水資源量

(1)大哈爾騰河徑流分析

流域內(nèi)徑流實(shí)測(cè)資料稀少，歷史上在大哈爾騰河曾設(shè)有花海子水文站，但資料系列不連續(xù)。為合理插補(bǔ)展延資料系列，如圖2所示為流域外臨近黨城灣、德令哈水文站和花海子水文站同期年徑流量趨勢(shì)，花海子水文站與黨城灣水文站年徑流量趨勢(shì)相關(guān)較好，故以此站為參證站，采用倍比法建立花海子水文站1956—2016年徑流量系列。適線統(tǒng)計(jì)大哈爾騰河徑流量年均徑流量3.228億m3；20%、50%、75%、95%不同保證率條件下相應(yīng)年徑流量分別為3.577億、3.1607億、2.8997億、2.618億m3。

圖2 黨城灣、德令哈和花海子水文站同期年徑流量趨勢(shì)圖

大哈爾騰河徑流年內(nèi)分配極不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月(6—9月)徑流量占全年徑流量的77%。在干旱少雨的年份，氣溫較高，冰雪消融起到調(diào)節(jié)年際間水量的作用，Cv值相對(duì)較小(0.14)，年際變化相對(duì)穩(wěn)定，年徑流量連豐、連枯年數(shù)不是很長(zhǎng)，一般在2～4年，連枯期總年數(shù)為連豐期總年數(shù)的2倍。

(2)流域徑流地區(qū)分布

在大哈爾騰河徑流分析的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌降水量地區(qū)分布、地形以及植被變化等，如圖3所示為流域1956—2016年多年平均徑流深等值線圖，年徑流深在地域上的分布規(guī)律與降水基本一致，盆地年徑流深變化在2～80mm之間，四周山區(qū)徑流深多在10～50mm之間，其他四周山區(qū)徑流深多在10～50mm之間，河流出山口后，徑流大量下滲，降水以補(bǔ)給地下水為主。

徑流形成區(qū)與散失區(qū)相分離，山口成為界限。山區(qū)是徑流的形成區(qū)，自河源至河流出山口，河流水量逐漸增加。平原區(qū)則是地表徑流的轉(zhuǎn)化散失區(qū)，基本不產(chǎn)流，大部分中、小河流出山口后，大量蒸發(fā)、滲漏、消失，以垂直滲漏方式補(bǔ)給地下水。

(3)分區(qū)地表水資源量

依據(jù)花海子水文站1956—2016年年徑流量系列，通過(guò)倍比縮放建立流域1956—2016年地表水資源量系列，結(jié)合流域徑流深等值線圖，計(jì)算得出哈爾騰河蘇干湖區(qū)分區(qū)地表水資源量見表2，山區(qū)面積11432km2，地表水資源量4.329億m3；按省級(jí)行政區(qū)分，多年平均徑流量青海境內(nèi)為1.322億m3，甘肅2.747億m3。

表2 哈爾騰河蘇干湖區(qū)分區(qū)地表水資源量成果表

適線推求流域不同保證率的地表水資源量，區(qū)域豐水年(P=20%)地表水資源量為4.797億m3，平水年(P=50%)地表水資源量為4.238億m3，偏枯年(P=75%)地表水資源量為3.887億m3，枯水年(P=95%)地表水資源量為3.511億m3。

2.3 地下水資源量

(1)山丘區(qū)地下水資源量

山區(qū)地下水資源量采用排泄法計(jì)算，近似等于河川基流量、山前基巖裂隙水側(cè)向排泄量、出山口處的河床潛流排泄量、淺層地下水實(shí)際開采量和潛水蒸發(fā)量等各排泄量之和。柴達(dá)木山區(qū)多數(shù)為高寒凍土地區(qū)，潛水蒸發(fā)量、淺層地下水實(shí)際開采量極小可忽略不計(jì)。

河川基流量指由地下水滲透補(bǔ)給河水的部分，是地下水的主要排泄量，采用直線斜割法計(jì)算盆地多年平均河川基流總量為2.1698億m3；采用格爾木近山地段的觀49孔資料推算盆地山前基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給量0.2209億m3；河床潛流量采用剖面法利用達(dá)西公式計(jì)算結(jié)果為0.5475億m3；經(jīng)分析評(píng)價(jià)，山丘區(qū)多年平均地下水資源量為2.9382億m3。

圖3 1956—2016年多年平均徑流深等值線

(2)平原區(qū)地下水資源量

平原區(qū)地下水資源量采用補(bǔ)給法計(jì)算，主要包括降水入滲補(bǔ)給量、山前基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給量、河床潛流補(bǔ)給量、地表水體補(bǔ)給量等；其中山前基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給量、河床潛流補(bǔ)給量同山丘區(qū)一致。

降水入滲補(bǔ)給量是指降水滲入到土壤中，并在重力作用下滲透補(bǔ)給地下水的水量，降水入滲計(jì)算面積在充分分析前人資料的基礎(chǔ)上，對(duì)埋深小于5m的地區(qū)在地形圖上量算，多年平均降水入滲補(bǔ)給量為0.1555億m3；地表水體補(bǔ)給量主要指河道滲漏補(bǔ)給量，全盆地河流出山后河道滲漏補(bǔ)給量為1.1424億m3；經(jīng)分析評(píng)價(jià)，平原區(qū)多年平均地下水總補(bǔ)給量2.0664億m3。

(3)地下水資源總量

盆地多年平均地下水資源總量為3.3451億m3。其中，山丘區(qū)地下水資源量為2.9382億m3，平原區(qū)地下水資源量為2.0664億m3，平原區(qū)與山丘區(qū)地下水之間重復(fù)量為1.6595億m3。

2.4 水資源總量

水資源總量是指區(qū)域降水形成的地表和地下產(chǎn)水量，即地表徑流量與降水入滲補(bǔ)給量之和?；谝陨铣晒?，哈爾騰河蘇干湖水系水資源總量5.253億m3，其中地表水資源量為4.329億m3，地下水資源量為3.3451億m3，兩者之間的重復(fù)量為2.4211億m3。

3 水資源變化趨勢(shì)分析

3.1 徑流量變化趨勢(shì)分析

流域徑流主要由冰川融雪補(bǔ)給，氣溫直接影響冰川消融，是徑流變化的最主要因素。本次采用德令哈氣象站、冷湖氣象站、大柴旦氣象站和敦煌氣象站1956—2016年氣溫資料分析，如圖4所示為1956—2016年流域年平均氣溫過(guò)程線，區(qū)域多年平均氣溫為-0.14℃，年平均氣溫呈現(xiàn)增加區(qū)域，增加速率為0.054℃/a，且增加趨勢(shì)顯著。

圖4 1956—2016年流域年平均氣溫過(guò)程線

為分析區(qū)域氣溫升高對(duì)徑流的影響程度，依據(jù)大哈爾騰河2008年5月—2016年12月實(shí)測(cè)月徑流量資料和月平均氣溫資料，建立哈爾騰河月徑流量與月平均氣溫的相關(guān)關(guān)系如圖5所示，分析發(fā)現(xiàn)兩者呈指數(shù)關(guān)系，且相關(guān)關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)R2=0.86，表明大哈爾騰河徑流量主要取決于氣溫；當(dāng)平均氣溫大于10℃后，月徑流量迅速增加，且增加速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平均氣溫低于10℃時(shí)的增加速率。

圖5 大哈爾騰河月徑流量與月平均氣溫相關(guān)關(guān)系

1956—2016年各月平均氣溫統(tǒng)計(jì)成果見表3，區(qū)域各月平均氣溫都呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。上升速率最快的為2月，達(dá)到0.085℃/a，1月、2月、11月和12月的平均氣溫變化速率較其他月份大，平均氣溫高于10℃的6月、7月和8月增加速率在12個(gè)月中處于平均水平，在評(píng)價(jià)區(qū)域平均氣溫迅速上升的條件下，流域徑流量呈增加趨勢(shì)，但增加量不大。

表3 評(píng)價(jià)區(qū)域月平均氣溫統(tǒng)計(jì)表

3.2 大小蘇干湖面積變化趨勢(shì)分析

蘇干湖盆地是嵌套在柴達(dá)木盆地中的一個(gè)封閉盆地，大、小蘇干湖是盆地地表水和地下水的匯集中心，兩湖相距20km，大蘇干湖為咸水湖、小蘇干湖為淡水湖。為探究氣溫、徑流變化對(duì)蘇干湖湖域的影響，本文采用Landst系列衛(wèi)星遙感影像，解譯提取大、小蘇干湖湖面面積，分析其變化趨勢(shì)。

如圖6所示為1986—2016年大、小蘇干湖區(qū)衛(wèi)星遙感影像，結(jié)果表明大蘇干湖湖面面積在101.6037～113.7651km2之間變化，小蘇干湖湖面面積在11.4579～12.2278km2之間。小蘇干湖湖面面積幾乎保持穩(wěn)定；大蘇干湖湖面面積呈現(xiàn)穩(wěn)步增加狀態(tài)，面積變化主要集中在湖泊東側(cè)，其余方向的水體邊界變化不大。

圖6 部分年份衛(wèi)星遙感影像

如圖7所示為2008—2016年大小蘇干湖湖面面積與實(shí)測(cè)徑流量過(guò)程線，大小蘇干湖流域面積主要受冰川融雪和地下水補(bǔ)給影響，氣溫升高是蘇干湖流域冰川退縮的主導(dǎo)因素，隨著近年氣溫增加，大小蘇干湖流域冰川融雪速度加快，徑流量增加，進(jìn)入大小蘇干湖的水量增加，水域面積增大。

圖7 2008—2016年大小蘇干湖湖面面積與實(shí)測(cè)徑流量過(guò)程線

4 結(jié)論

(1)區(qū)域多年平均降水量為130.4mm，年內(nèi)分布不均，汛期降水量約占全年的80%；年際變化較大，最大與最小降水量極值比5.0～16.5之間；地區(qū)分布極不均勻，降水量由四周山區(qū)向盆地中心遞減。蒸發(fā)量地區(qū)分布與降水量相反，從四周1000mm向盆地中心1700mm遞增。

(2)大哈爾騰河徑流量年均徑流量3.228億m3，年內(nèi)分配極不均勻，汛期徑流量占全年徑流量的77%；年際變化較為穩(wěn)定；年徑流深地域分布規(guī)律與降水基本一致，年徑流深變化在2～80mm之間。

(3)區(qū)域水資源總量5.253億m3，地表水資源量4.329億m3，地下水資源量3.3451億m3，重復(fù)計(jì)算量2.4211億m3。

(4)大哈爾騰河徑流量主要取決于氣溫，且平均氣溫大于10℃后的月徑流量增加速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)低于10℃時(shí)；區(qū)域多年月平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，但平均氣溫高于10℃的月份年際間增加速率并不大，故區(qū)域徑流量年際間總體呈增加趨勢(shì)，增加量不大。

(5)大小蘇干湖流域冰川融雪速度與溫度增加趨勢(shì)一致，融雪加快和徑流量的增加，引起大小蘇干湖水量增容，兩湖水域面積也呈增大趨勢(shì)。

研究成果能夠?yàn)椤耙?jì)黨”調(diào)水決策提供支撐；本文僅對(duì)哈爾騰河蘇干湖水資源影響因素及變化趨勢(shì)進(jìn)行了宏觀分析，未考慮地形、地貌等因素的影響，仍需進(jìn)一步深入研究。