瑪納斯河流域生態需水量估算

范文波,周宏飛,李俊峰

(1.新疆石河子大學 水利建筑工程學院,新疆石河子832003;2.中國科學院 新疆生態與地理研究所,烏魯木齊830011)

瑪納斯河流域地處歐亞大陸腹地,屬于典型的內陸氣候,干旱少雨,水資源短缺,植被稀少,生態環境脆弱。長期以來,人類大規模的開發活動,引起土地退化,河流斷流,地下水位下降,生態環境日益惡化。著名的瑪納斯湖在1957年水域面積還為550 km2,1972-1975年干涸[1-2]。

近年來隨著社會經濟水平的提高,改善生存條件越來越受重視。退耕還林還草,生態修復與重建工程也逐漸增多。但是,作為生態保護與重建的基礎條件即有限的水資源一直是困擾流域發展的瓶頸。本文擬就瑪納斯河流域生態需水的組成與各要素的需水開展探討,為生態需水提出具體的數量,為今后的流域生態保護提供參考。

1 瑪納斯河流域概況

瑪納斯河流域包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子市的14個農牧團場、農六師的新湖總場以及克拉瑪依的小拐鄉,總流域面積為2.655萬km2。流域源于天山,終于瑪納斯湖。河流出山口后,流速變緩,泥砂大量堆積,形成了較平緩的洪積沖積扇。洪積沖積扇之下是一條狹長的泉水溢出帶,泉水溢出帶之下是廣闊平坦的洪積沖積平原。在泉水溢出地帶內先后修建了大泉溝水庫等14座平原水庫[3],見圖1。流域內降水稀少,蒸發量大,氣候干燥,主要依賴冰川融水和降水補給。流域水系由瑪納斯河、寧家河、塔西河等組成(見表1)[4],地表水總量22.91億 m3,地下水2.54億m3,水資源總量25.43億m3。其中瑪納斯河最為典型,流域面積也最大,年徑流量為12.74億m3,徑流季節性變化大,夏季(6-8月)冰雪融化強烈,徑流量占全年徑流的60%～70%,冬季冰雪封凍,徑流量占全年徑流量的5%～7%。

表1 瑪納斯河流域各河流水資源狀況

圖1 瑪納斯河流域水庫分布圖

2 流域生態需水計算原理

瑪納斯河流域生態需水主要體現在農田防護林需水、維持農田水鹽平衡需水、維系濕地水庫需水、河道最小需水4個方面。主要根據水量平衡原理計算各生態需水量。

(1)農田防護林需水,根據最小灌溉量和灌溉面積確定。

式中：M——農田防護林需水(m3);m——最小灌溉量(m3/hm2);A——灌溉面積(hm2)。

(2)農田水鹽平衡需水,根據平均洗鹽定額和洗鹽面積確定。

式中 ：M′——農田水鹽平衡需水(m3);s——平均洗

鹽定額(m3/hm2);A——洗鹽面積(hm2)。(3)水庫生態需水

式中：E——蒸發量(mm);P——可利用的降雨量(mm);A——水庫面積(km2)。

(4)河道最小需水量根據 Tennant法(即Montana法)：

式中：Qm——河道最小需水量(m3);Qa——河道多年平均流量(m3)。

3 流域生態需水構成成分估算

3.1 農田防護林需水估算

瑪納斯河流域地處準噶爾盆地古爾班通古特沙漠南緣,多年平均降水量120～200 mm。準噶爾盆地中的古爾班通古特沙漠是中國植被條件最好的沙漠之一,多年研究表明該地區自然植被只要不存在人為破壞,基本可以依靠天然降水存活[5],即荒漠林不需要人為的額外補給。故此,瑪納斯河流域植被需水只是考慮農田防護林。根據《新疆維吾爾自治區黨委自治區人民政府關于進一步加快林業發展的意見》要求,今后農區將要建立高標準農田防護林體系,北疆農田防護林占耕地的比例在8%以上[6]。瑪納斯河作為北疆典型內陸河流域,在農業生產中一直起引導作用,根據目前的耕地面積可以得出流域防護林面積約3.45萬hm2。2009年作者參與新疆生產建設兵團森林資源規劃設計調查(簡稱兵團“二類”調查),結果調查顯示,林份的構成以楊樹、榆樹、沙棗、柳樹為多。由于樹種和樹齡之間需水差異較大,本文根據多年的生產管理與目前水量的實際分配,得出普遍灌水定額為4 500～6 000 m3/hm2。按照最小灌溉定額為4 500 m3/hm2計算,目前的防護林需水為1.55億m3。

3.2 維持農田水鹽平衡需水估算

3.2.1 瑪納斯河流域鹽堿區的構成 瑪納斯河流域農業開發歷史久遠,尤其是20世紀50年代后,大面積的開荒和大水漫灌,造成流域耕地鹽堿化程度很嚴重。統計流域內各縣市鹽堿化面積,見表2[7]。

表2顯示,瑪納斯河流域43.14萬hm2耕地中鹽堿化面積19.65萬hm2,鹽堿化面積占耕地面積的45.55%。其中石河子墾區耕地中鹽堿化面積約38.36%;瑪納斯縣耕地中鹽堿化面積約47.2%;沙灣縣耕地中鹽堿化面積約57.73%。整個流域鹽堿化構成為：非鹽化占54.45%;輕鹽化占14.09%;中鹽化占11.89%;重鹽化3.82%;鹽土占14.33%;蘇打化土占1.25%;堿化土占0.16%。

表2 瑪納斯河流域鹽堿化耕地面積

3.2.2 維持鹽堿區水鹽平衡的計算 大水洗鹽依舊是鹽堿地改良中公認的最有效的方法。羅家雄總結新疆鹽堿治理經驗,給出了不同地區與鹽堿程度的洗鹽定額[8],結合瑪納斯河流域的特點,一般洗鹽定額可以確定為4 500 m3/hm2,計算流域總洗鹽水量為8.84億m3。目前灌區采運膜下滴灌技術,減少了用水量,減緩了鹽漬化發生的速率,生產上3 a洗一次鹽堿,可以遏制耕地不再惡化。此外,作為資源性缺水的大型灌區,采用大水洗鹽的方式治理鹽堿也必須循環進行,才能安排適宜的水量。因此,采用輪流洗鹽方式,3 a為1個周期。可以每年洗鹽水量約為2.95億m3。

3.3 維系濕地水庫需水估算

3.3.1 湖泊水庫的構成 瑪納斯河流域泉水溢出帶東西長約70 km,南北寬3～5 km。泉水溢出帶內分布有蘑菇湖、馬昌湖、海子灣等泉水湖泊和一些澇壩、葦塘、沼澤地及湖積黃土洲。數以千計的溢流泉形成的沙灣河、大泉溝、小泉溝等泉水河、泉水溝,縱橫穿流其間,構成了一個典型的干旱地區內陸河天然濕地。濕地內生長有沼澤植物、草甸植物和鹽生植物等多種植物,生活著大量的水生、陸生動物,構成了具有生物多樣性的濕地生態系統。

從20世紀50-80年代,為了提高對下游的供水保證率,在瑪納斯河流域的中、下游泉水溢出地帶內先后修建了大泉溝水庫、蘑菇湖水庫等26座平原水庫[7],目前有調蓄功能發揮作用的水庫有14座,并逐漸形成了相互聯通、功能綜合的濕地水庫群。該濕地水庫群的設計總庫容為5.36億m3,總水面面積達142.4 km2(詳見表3)。

表3 水庫生態需水一覽表

3.3.2 維持湖泊水庫生態平衡的需水計算 瑪納斯河流域內的14座平原水庫主要功能是灌溉和調蓄洪水冬閑水。部分水庫還有養殖和旅游功能。因此生態需水按照水域面積上地蒸發量來計算。統計表明：瑪納斯縣多年平均蒸發量為1 691 mm,降水量為205 mm,凈蒸發量為1 486 mm;石河子多年平均蒸發量為1 514.9 mm,降雨量為 203.6 mm,凈蒸發量為1 311.3 mm;沙灣縣多年平均蒸發量1 736.1 mm,降雨量196.7 mm,凈蒸發量1 539.4 mm。按照各水庫就近地區的凈蒸發量計算水庫總蒸發量為2.01億m3。

3.4 河道最小需水量估算

關于河道生態需水的論述較多。趙琪等對瑪納斯河最小生態需水進行計算,按照最小連續30 d平均流量法計算枯水期河道最小生態需水為1.56億m3,占年平均徑流量的12.8%;按照7Q10法計算枯水期河道最小生態需水為1.26億m3,占年平均徑流量的10.3%[9]。自1998年瑪納斯河進入豐水期且伴隨著流域大規模推廣膜下滴灌技術以來,流域水庫每年有部分棄水進入河道,對河道生態環境有較大改善,并在河道尾閭形成約100 km2的濕地,植被生長良好[10]。進入河道水量因年份差異較大,統計1998-2008年多年棄水量,多年平均棄水量約為1.39億m3。按照目前的水庫棄水量,能基本維持河兩岸檉柳及其他植物的正常生長。根據Tennant法(即Montana法)河道最小需水按照多年平均流量的10%計算,瑪納斯河流域最小需水為1.27億m3。多年平均棄水量1.39億m3略大于1.27億m3,分析流域水資源利用現狀,堅持1.39億m3為長期河道生態水量是比較適宜的,既可以維持一定的生態需水又不影響農業生產。瑪納斯河是流域水系的典型代表,因此可以以此為例根據Tennant法計算其它河流的最小生態需水。塔西河多年平均流量為2.3億m3,生態需水為0.23億m3;寧家河多年平均流量為0.71億m3,生態需水為0.071億m3;金溝河多年平均流量為3.24億m3,生態需水為0.324億m3;巴音溝河多年平均流量為3.14億m3,生態需水為0.314億m3。流域水系河道總生態需水共計為2.33億m3。

4 流域生態需水量的估算

根據以上各單項需水量的計算,匯總流域生態需水量見表4。

表4 瑪納斯河流域流域生態需水數值構成

計算可以得知,維持瑪納斯河流域基本生態穩定的最小需水量為8.84億m3,占水資源量的34.64%,占地表水的38.59%。

扣除保持生態最小需水則流域水資源剩余量為16.59億m3,由于流域內95%以上的水資源用于農業生產,本文忽略其他行業的用水量以探討耕地的底線。按照水利部門給定農作物節水灌溉條件下的平均灌溉定額4 500 m3/hm2,計算出流域耕地面積的底線為36.89萬hm2(此數據不含防護林面積)。加上瑪納斯河流域防護林面積約3.45萬hm2,耕地總面積為40.34萬hm2,防護林比例為8.55%,符合北疆農田防護林比例為8%以上的標準。

目前流域實際耕地面積為43.14萬hm2,超過了滿足最低生態需水條件下的耕地面積即40.34萬hm2。因為該流域是典型的灌溉農業區,沒有灌溉就沒有農業,所以多開的耕地必然占用生態用水,這與現實也非常吻合,近期流域開始加大退耕的力度證明了這一點[11-13]。因此,目前水資源的分配是不太合理的,耕地面積過大,建議應退耕2.80萬hm2,約占耕地面積的6.5%,以保證生態用水。

5 結論

瑪納斯河流域生態需水構成主要為農田防護林需水、農田水鹽平衡需水、湖泊水庫需水和河道最小需水,按照最小需水要求分別計算,生態需水量分別為1.55億m3、2.95億m3、2.01億m3和2.33億m3。流域最小生態需水為8.84億m3,占水資源量的34.64%,占地表水的38.59%。為保證生態用水,建議適度退耕。

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