黑河流域水循環特征研究*

侯蘭功,肖洪浪,鄒松兵,楊永剛,肖生春

(中國科學院寒區旱區環境與工程研究所生態水文和流域科學重點實驗室,蘭州730000)

水循環是聯系大氣水、地表水和地下水的紐帶,其變化深刻地影響著全球水資源系統和生態環境系統的結構和演變,影響著人類社會的發展和生產活動。20世紀60年代以來,在世界面臨資源與環境等全球問題的背景下,聯合國教科文組織(UNESCO)和世界氣象組織(WMO)等國際機構,組織和實施了一系列重大國際科學計劃。例如,國際水文計劃(IHP)、世界氣候研究計劃(WCRP)及其子計劃全球能量與水循環實驗(GEWEX)、國際地圈生物圈計劃(IGBP)及其子計劃水文循環的生物圈(BAHC)方面等。在這些科學計劃中,水循環在全球氣候和生態環境變化中所起的作用,受到極大重視,成為各項科學計劃共同關注的科學問題[1]。在中國西北地區,由于水資源短缺問題,由此導致流域生態環境質量趨于退化和社會經濟發展面臨的一系列問題,業已引起科學家和國家政府的極大關注[2-3]。1995年,在國際地圈生物圈計劃中國國家委員會(IGBP2CNC)框架下,成立了IGBP核心計劃“水文循環的生物圈方面(BAHC)”中國委員會。國家自然科學基金委員會、科技部、水利部、環境部、林業部等多個部門,業已支持了多項水科學基礎研究計劃和與國家需求緊密聯系的水資源研究項目。如國家科技部“九五”攻關項目、國家基礎研究發展規劃項目、西部行動計劃項目等。這些項目的開展,為研究中國西部水文循環與水資源時間空間演變規律研究提供了有力的支持。黑河流域是西北內陸典型的干旱、半干旱區,其中游平原區年降水量不足200 mm,下游平原區年降水量少于50 mm,平原區90%的水資源依賴祁連山區補給,而全流域90%的人口和社會經濟分布在中游區,以至應該輸送給下游區的水資源量被中游區生產和生活用水大量擠占,導致下游區居延海等湖泊干涸,生態環境極度惡化,沙塵暴頻發[4-5]。客觀認識黑河流域水循環特征,已經成為黑河流域水資源可持續利用和下游區生態環境修復所面臨的重要科學問題之一。

1 自然概況與氣候特征

1.1 流域概況

黑河發源于祁連山北麓,流經青海、甘肅、內蒙古三省(區),干流長821 km,流域面積約 13萬km2,是我國第二大內陸河,也是西北、華北地區重要的綠色源流(見圖1)。黑河流域南以祁連山為界,北與蒙古人民共和國接壤,東西分別與石羊河和疏勒河流域相鄰。其中60%是戈壁和丘陵山區,平原面積約5萬km2。黑河流域基本處于青藏和蒙新高原的交匯地帶,地貌地勢西高東低、南高北低。多年以來,黑河流域在人類活動強烈作用和區域氣候變化雙重驅動下,各類景觀元素發生了十分復雜的結構變化和相互轉換[6-8],整體景觀大致可分為:高山冰雪凍土帶、山區植被帶、山前綠洲帶和荒漠帶[9]。受青藏高原隆起與周圍高大山系的影響,海拔在2 500～4 000 m的高山冰雪凍土帶,氣溫較低,現代冰川、積雪發育;山區植被帶海拔2 300～3 400m,降水較多[10],植被帶內森林密布,灌木、喬木茂盛,對山區水源具有涵養作用[11-12],從而使山區成為黑河流域徑流主要形成區[9];山前綠洲帶海拔1 000～2 000 m,降水較少、氣溫較高,成為徑流的次要補給區和散失區;而荒漠帶海拔1 000～1 500 m,由于區內極端干旱,成為徑流的主要散失區。

圖1 黑河流域研究區略圖

1.2 流域分段概況

自祁連山源區,經南部盆地至北部盆地,黑河流域地勢由高至低,構成上、中、下游三個屬性不同的分區,水資源具有明顯的區位分帶性。

黑河出山口鶯落峽以上為上游區,河道長303 km,海拔高程為1 700～5 564m,年降水量為300～600mm,平均350 mm,冰川儲量136億 m3,每年融水量約4億m3,是黑河流域的主要產流區和水資源形成源區。

鶯落峽至正義峽為中游區,河道長185 km,海拔高程為1 352～1 700 m,兩岸地勢平坦,光熱資源充足,降水量50～200 mm。出山口地表徑流水量的80%～90%在山前平原戈壁帶入滲補給地下水,地下水年均補給量26.9億m3。入滲水量的60%～70%在溢出帶通過泉水方式流出地下補給地表水。中游區分布著廣闊的人工綠洲和部分鹽堿化土地,是黑河流域水資源主要耗水區和調控關鍵區,同時還承擔保障下游區生活、生產和生態用水供給的責任。

正義峽以北為下游區,河道長333 km,海拔高程為912～1 249 m,除河流沿岸和居延三角洲外,大部為荒漠戈壁,年均降水量47 mm,最小年份僅17 mm,氣候異常干燥,屬極端干旱區,風沙災害頻發,是目前黑河流域嚴重缺水區和生態環境脆弱區,也是我國北方沙塵暴的主要物源區之一,其生態環境狀況依賴于中游區下泄水量多少。

1.3 流域氣候特征

黑河流域深居內陸,遠離海洋,屬大陸性氣候干旱區,氣候的地帶性和區域性非常明顯。其特點是冬季寒冷漫長,降水少;春季回暖快,干旱多風沙天氣;夏季氣溫高,降水相對集中;全年晝夜溫差大。根據地形,流域可分為3個氣候帶:祁連山高寒半干旱區,年平均氣溫＜4℃,無霜期140 d,年日照時數2 600 h;走廊冷溫帶干旱區,年平均氣溫5～10℃,無霜期160 d,年日照時數＞2 800 h,風沙大;北部山地和戈壁沙漠溫帶特干旱區,年平均氣溫6～10℃,無霜期140～160 d,年日照時數2 800～3 300 h,降水稀少,溫差大,春夏季常有沙塵暴天氣出現。

2 流域降水量與蒸散發耗水量

2.1 蒸散耗水量計算方法

采用作物潛在蒸散量和波文比方法來推算作物的蒸散耗水量。其中潛在蒸散量的計算目前常用的是改進后的Penman-Monteith公式[13]:

式中:ET0——每天的參考蒸散發(mm/d);Rn——太陽凈輻射[MJ/(m2?d];G——土壤熱通量[M J/(m2?d)];Δ——飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);γ——干濕球常數(kPa/℃);Ta——平均大氣溫度(℃);u2——2 m 處風速(m/s);es——飽和水汽壓(kPa);ea——實際水汽壓(kPa)。

則實際蒸散耗水量可通過下式計算得到:

式中 :ETc——實際蒸散耗水量(mm/d);Kc——作物系數。A llen[13]等根據不同的植物類型給出了不同的作物系數。

黑河流域下游額濟納綠洲的蒸散耗水量在波文比系統日常觀測的基礎上運用下式計算得到:

式中:Rn——太陽凈輻射(W/m2);ETc——蒸散發(mm/d);H ——感熱通量(W/m2);G——土壤熱通量(W/m2);ΔT——上下空氣溫度差(℃);Δe——上下水汽壓差(kPa);λ——汽化潛熱(MJ/kg);γ——干濕球常數(kPa/℃)。

2.2 上游降水量與蒸散耗水量

祁連山的降水影響著山區地表徑流、冰雪融水對河流的補給,并直接控制著黑河的水文情勢。由于山區降水比較豐富,因而成為黑河中下游地區每年得以更新的地表水資源來源。根據氣象、水文多年觀測資料,黑河流域山區降水為200～600 mm,降水隨高程增加(10～25)mm/100m。

黑河上游既是徑流的形成區,也是水量消耗的重要區。控制山區徑流的是降水和蒸發,從山區的降水-徑流分析,降水除了形成徑流以外,其余的水量主要消耗于山區的蒸發(見表1)。在高山冰川帶,已有的研究結果表明[14]:祁連山冰川以少活動和最少活動為主,東段為負平衡,西段為正平衡。總體來看祁連山冰川物質近似處于動態平衡中,也就是說冰川積累量等于消融量。其積累量主要來源于降雨量,消融量主要為蒸發(或升華)和徑流,冰川的平均溫度很低,蒸發量(或升華量)很小,一般可以忽略。所以高山冰川帶的降水幾乎全部轉化為徑流。在凍土寒漠帶,降水量相對豐富,蒸發能力較弱,盡管無植被生長(或者植被較少),但產流率高,年降水的70%左右可以轉化為徑流,徑流系數可達0.7。在那些降水量和熱量不能滿足喬木林生長的山坡,僅生長灌木林和耐寒、耐干的草本;從森林帶以下至草原帶和荒漠帶,隨降水量的減少,植被變得稀疏,甚至裸露,在這些帶內降水完全損失于蒸發蒸騰,無徑流產生,是上游主要的水量消耗區。

表1 黑河上游降水與蒸散估算

2.3 中游降水量與蒸散耗水量

在黑河流域,中游是人類活動最密集的地區,隨著人工綠洲的建設,灌溉面積擴大,在這一區域蒸發蒸騰非常旺盛,當地的降水量遠遠不能滿足蒸散量,所以中游是出山徑流的重要消耗區,自身不產流。在黑河中游,出山徑流與降水首先補給地下水,然后再以泉水形式出露地表,轉換成為地表水,并被人類生產生活利用,最終消耗于陸面的蒸發蒸騰。自從黑河分水方案實施以后,中游地區可利用的徑流量減少,為了彌補用水量的不足,當地加大了地下水的開采量,使得中游的地下水儲量大幅減少。根據計算(見表2),黑河中游東支包括區域為山丹、民樂、甘州、臨澤、高臺,年總蒸散耗水量 44.24億 m3,其中綠洲蒸散耗水量28.6億m3,占中游東支總耗水量的 64.65%;荒漠蒸發量 15.64億 m3,占35.35%。黑河中游西支包括區域為肅州、嘉峪關,年總蒸散耗水量11.4億m3,其中綠洲蒸散量6.52億m3,占中游西支總耗水量的57.19%;荒漠蒸發量4.88億m3,占42.81%。黑河中游東西支合計總蒸散耗水量 55.64億 m3,綠洲合計總蒸散耗水量35.12億m3,占中游總耗水量的63.12%;荒漠合計總蒸發耗水量20.52,占36.88%。

表2 黑河中下游降水與蒸散估算

2.4 下游降水量與蒸散耗水量

由于黑河中游水資源過度開發,攔截泄放至下游的水量,使下游河道成為季節性水道,或完全干涸,減少了向下游輸送的淡水資源量,同時綠洲灌溉和土地開發打破原有土壤鹽分平衡,加上灌溉回歸水的影響,使下游地區水質咸化,土壤鹽堿化,引起下游天然綠洲生態系統急劇退化;由于減少了河道行水,干枯河床遭受風沙影響,造成風蝕積沙;并使內陸河終端湖水量減少,乃至枯竭,也改變了流域內水量的區域分配。黑河下游地處中國西北極端干旱區,來自中游的下泄水量與當地的降水幾乎全部為蒸散所消耗,使得下游成為徑流的主要散失區。根據計算(見表 2),下游綠洲區的蒸散發耗水量為18.54億 m3,荒漠蒸發耗水量25.98億 m3,兩項合計得到下游地區年總蒸散耗水量44.52億m3,其中綠洲占41.64%,荒漠占58.36%。

3 黑河流域水資源變化時空特征

根據水文站觀測資料及無測站小河溝估算數據,計算了近50 a來,進入黑河流域南盆地(走廊平原區張掖、酒嘉盆地)、北盆地(金塔、鼎新盆地)和額濟納盆地的地表徑流水資源量。從圖2可以看出,進入南盆地的地表水資源量基本保持在多年平均水平(約35億m3),并從1980s以來略有增加;經過南盆地走廊平原區大規模利用后,進入北盆地水資源量呈現出逐步減少的趨勢,并在1990s急劇減少,表明近50 a來,走廊平原區人類活動對水資源的開發利用在逐步增強;最終進入到額濟納盆地的水資源量呈現出與北盆地平行變化的趨勢。

圖2 黑河流域水資源變化時空特征

4 結論

由于黑河流域四周為高山高原的地理環境,形成了干旱地帶獨具特色的水循環系統,水資源在流域的水循環中形成、運移、轉化和消耗。而且該地區還受不同季風環流的影響,參與空中的全球水循環[16-17](見圖 3)。

圖3 黑河流域水循環示意圖

(1)降水:根據已有的研究結果表明[18],黑河流域上空水汽輸入為2 484億m3,而輸出水汽為2 196億m3,水汽凈收入量為288億m3,按流域總蒸發水量計算,進入水汽循環水量約為195.6億m3,則本地區有483.6億m3的水汽凈收入。輸送入境的水汽與本地水汽在合適的條件下才形成降水,受地形抬升和地理位置的影響,高山降水多于平原,盆地周邊多于盆地腹地,迎風坡多于背風坡。所以高山是干旱區的“濕島”,在高山地區形成多降水中心,成為河流的發源地。盡管上游山地面積僅占不到1/4,但平均每年降落在山區的降水量估算有141.68億m3;中下游內陸盆地成為低降水極值中心,盡管降水少,但由于面積較大,降水總量約有55.13億m3。

(2)徑流:山區降水約有30%可形成河水、泉水和湖水,與冰川融水徑流匯合成為河川徑流的補給源,成為中下游平原地區人類直接開發利用的地表水資源。山溪徑流從河源到出山口沿程增加,據統計每年向中下游平原地區輸送的地表徑流約35億m3。流入中下游平原的河水受山前水文地質條件影響,大量入滲,并供沿途人類飲用、植物吸收消耗和陸面蒸散,不斷減少。

(3)蒸散:蒸散是黑河流域水循環中最重要的過程。通過水面、地下水和地表蒸散,可使大量的水分散失在開敞的水文循環之中;另外植物根系可以從土壤中吸收客觀水量,并通過蒸騰汽化大量水分。這種蒸發、蒸騰損失在黑河流域達到195.6億m3,其中在上游山區蒸散約95.44億m3的水分,中下游蒸散損失的水量約達到100.16億m3。

(4)問題:黑河流域水資源分配格局的改變,使得原來大量消耗于下游的河川徑流量逐步轉移到山前平原綠洲,增大的平原綠洲蒸發蒸騰水量,一方面改善了綠洲的局部生態環境,形成綠洲小氣候,產生綠洲效應;另一方面,大量蒸發的水汽在臨近高山山麓地帶在盛行風向的影響下向上運動,必將有部分向山區輸送,從而參與內陸水分循環,并形成小部分降水[19]。隨著全球升溫水循環加劇,這種局地水分循環是否會增加這里的降水量?其影響的幅度有多大?這些問題都會影響到黑河流域水資源的合理利用評價。

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