基于生態安全的阿瓦提灌區生態需水量研究

郭玉丹, 何 英, 彭 亮

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

近幾十年來，由于人類活動強度的不斷加強，對水的需求量也隨之增加，使得灌區水資源供需矛盾更加突出，在水與生態環境方面表現出來的主要問題有：農業用水量持續增加，導致土壤飽和度降低，出現鹽堿化；生態用水得不到保障，土壤沙化，植被枯萎；灌溉面積持續增加，供需水平衡關系矛盾更加突出，水資源季節分布尤為不均衡；大量開采地下水，加重了生態環境的惡化。為降低生態環境的破壞和地下水減少等現象的發生，相關學者已展開大量研究[1]。根據不同植被生態需水特點，探索計算生態需水量，確定適宜的灌區規模并提出用水建議，為維護灌區的生態環境及綠洲生態，合理配置有限的水資源具有一定的理論意義[2]。

翻閱國內外相關資料，對生態需水的研究有很多種。在20世紀80年代末，最早提出了“生態用水”的問題[3]。在初步研究中，針對河流的生態需水量，提出河流流量的相關一些概念，這些概念雖然沒有表現出完整性的生態系統，但卻初步展現出生態環境需水的含義[4]。之后，國內外的研究熱點在生態需水研究上[5]。對于生態環境，人們的意識不斷加強，不少國家更加重視生態環境需水，尤其是一些歐美發達國家[6]。

國外生態需水研究主要圍繞在河流生態環境需水等方面，前期的研究出發點主要集中在河道枯季流量的研究[7]。D.Louw(2010年)在估算河流環境需水量上，結合水文、水力學和生態三部分，并在南非推廣[8]；Everaert等[9](2013年)以相關模型為基礎，研究歐洲的生態和管理方面；Shiulee Chakraborty等[10](2013年)在研究不同的氣候條件下與作物蒸散量和農業的關系，得出農業需水量隨氣象的變化而變化；Curtis等[11](2014年)通過模型證明了作物需水隨溫度的升高及降水量的增加而增加。

阿瓦提灌區是自治區糧棉重要產區之一，也是全國重要的優良棉生產基地，農業用水主要由老大河流經阿瓦提縣第一分水閘向阿瓦提灌區輸水。2016年，阿瓦提縣總灌溉面積為11.23×104hm2，較14年前灌溉面積增加了3.29×104hm2。面對有限的水資源，灌溉面積的不斷擴大導致農業用水擠占生態用水，使得生態環境越發脆弱。為保障生態環境的可持續發展，開展基于生態安全的阿瓦提灌區生態需水研究具有現實意義。

2 研究區概況

阿瓦提縣是阿克蘇地區面積較大的一個縣，地理坐標北緯39°31′～40°50′，東經79°45′～81°05′。阿瓦提縣轄一鎮、七鄉、三個農場，含有四大灌區，分別是拜什艾日克灌區、玉滿灌區、豐收灌區和英艾日克灌區，灌區位置分布示意圖見圖1。

阿瓦提縣多年平均降水量為47.8 mm，多年平均蒸發量1 162.2 mm，為降水量的24倍，多年平均氣溫10.4℃，無霜期192.6 d[12]，日數由平原向山區遞減。灌區通過阿克蘇老大河引水，流經阿瓦提縣最后匯入新大河，與葉爾羌河及和田河相匯后向東泄入塔里木河，全長40 km。

根據《阿瓦提縣地下水開發建設實施方案》，阿瓦提灌區2016年地下水補給資源總量為3.44×108m3，地下水可開采量為1.09×108m3。根據《關于阿克蘇地區各縣市及兵團第一師實行最嚴格水資源管理制度落實 “三條紅線”控制指標的復核意見》新水函(2015)10號文件規定，阿克蘇地區阿瓦提縣“三條紅線”用水量控制指標表見表1。

表1 阿克蘇地區阿瓦提縣“三條紅線”用水量控制指標表 108 m3

阿瓦提灌區是新疆典型的以糧棉為主導的地區，2016年阿瓦提縣耕地面積為9.61×104hm2，農作物播種面積8.9×104hm2，其中糧食占22.36% ，棉花占74.92%，其它作物占2.72%。

水文氣象數據：收集阿瓦提灌區2000-2017年逐日的水文氣象資料(包括風速、氣溫、濕度和降水數據)，數據來源于中國氣象網站。

水文地質參數：水文地質參數來自新疆阿克蘇市阿瓦提縣灌區農業供水水文地質勘查報告。

圖1 阿瓦提灌區地理位置分布示意圖

3 灌區生態需水量的研究方法

3.1 有效降水量的計算

有效降水量是計算生態需水量的基礎，參考徐小波等[13]在南疆的有效降水量計算方法得出阿瓦提縣灌區的有效降水量P0。

P0=P·q

(1)

式中：P0為有效降水量;P為降水量;q為降水有效利用系數(南疆取0.55)。

3.2 彭曼公式法

Penman-Monteith法，是通用的計算植被需水量的基本方法。天然林地和人工植被生態需水量采用彭曼公式法。

根據Penman-Monteith公式計算阿瓦提灌區的參考作物蒸散量，計算公式如(2)、(3)、(4)所示：

(2)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水汽壓隨溫度的變化率，kPa/℃；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為濕度表常數kPa/℃；U2為2 m高處的平均風速，m/s。

(3)

(4)

式中：a、b為經驗系數，各地州取值見表2所示；n為實際日照時數，h/d；N為最大可能日照時數，h/d；Ra為地面上空大氣層頂接收的太陽輻射能，MJ/(m2·d)；Tmax為日(時段)最高氣溫，℃；Tmin為日(時段)最低氣溫，℃；Ti、Ti-1分別為第i天、第i-1天的平均氣溫，℃；Tn、Tn-1分別為第n月、第n-1月的平均氣溫，℃。

表2 新疆各地實測a、b值

注：數據來源：《新疆地下水研究》[14]和《新疆農業大學學報》[15]。

3.3 定額法

草地生態需水量和河流水面蒸發需水量用面積定額法進行計算，即需水定額(年蒸發量)乘以面積。計算公式如(5)所示：

W=∑Wi=∑(Ai·ri)=A·E

(5)

式中：Ai為作物i的種植面積(A為河流水面的面積104hm2)；ri為該作物的凈生態需水定額(E表示流域年蒸發量mm)。

3.4 Tennant法

河道基本生態需水量用蒙大拿法計算。其中將生態最小需水量定義為該流域年平均徑流量的10%～15%；生態最佳需水量定義為該流域年平均徑流量的60%～100%；最大生態需水量定義為該流域年徑流量的200%。

3.5 比值法

河流輸沙需水量采用比值法，其計算公式如(6)所示：

(6)

式中：WS為河流輸沙需水量,108m3；St為年平均輸沙量,104t；Cmax為年最大月含沙量的平均值,kg/m3。

3.6 達西定律

河流滲漏需水量采用達西定律，其計算公式如(7)所示。

W=2K·I·L·H·T

(7)

式中：W為河道滲漏需水量,108m3；K為滲透系數,m/d；I為水力坡度,%；L為河道長度,m；H為含水層厚度,m；T為時間,d。

4 結果與討論

4.1 有效降水量

從表3可以看出，阿瓦提灌區的降水量主要集中在5、6、7和8月份，7月份的降水量最多，1、2、11和12月降水量偏少，12月的降水量最少。由公式(1)和表3的數據計算出阿瓦提灌區多年有效降水量為26.3 mm。

表3 阿瓦提縣歷年各月平均降水量統計表 mm

4.2 河道外生態需水量

河道外生態需水量是指為保障生態平衡，河道外生態所需要的基本水量。對于生態系統來說，陸地植被的需水規律是生態需水研究的基礎[16]。

從圖2阿瓦提灌區2000-2017年多年平均月蒸發量和降水量可以看出，多年平均降水量1-5月呈上升趨勢，5-7月基本趨于穩定，從7月以后逐步下降，7月的降水量最大，12月的降水量最小。多年平均蒸發量變化較穩定，7月的蒸發量最大，12月的蒸發量最小。降水少，導致空氣濕度小，從而多年平均蒸發量大于降水量。

從圖3阿瓦提縣2000-2017年平均蒸散量可以看出，多年平均蒸散量1 675.1 mm，最大值2 254.8 mm。

出現在2013年，最小值1 121.3 mm，出現在2000年。多年蒸散量呈現上升的趨勢，在2003-2007年增長速度較快，之后呈現穩步增長，2014年以后趨于穩定狀態。這是由于全球氣候變暖，溫度上升，降雨量少，導致太陽輻射變大，從而蒸散量增加。根據阿瓦提灌區蒸散量的最大值、最小值和平均值，選用阿瓦提灌區2016年作為基期年，其參考作物蒸散量為2 238.6 mm。

圖2 阿瓦提灌區多年平均月蒸發量和降水量變化圖

圖3 阿瓦提灌區2000-2017年平均蒸散量變化圖

4.2.1 天然植被生態需水量估算

(1)天然林地的生態需水量估算。天然林地的生態需水量采用彭曼公式法。天然林地在陸地生態系統和生態系統演變與發展過程中發揮著重要的作用。根據相關資料[17]得出灌區天然灌木林地的生態需水系數為0.29，2016年灌木林地的面積16×104hm2，有效降水量為26.3 mm，灌木林地的生態需水定額為2 081.9 mm，凈生態需水定額為2 055.6 mm，根據土壤水修正系數0.38，得出阿瓦提灌區2016年天然林地生態需水量1.25×108m3。天然林地的生態需水量計算表見表4。

表4 天然林地的生態需水量計算表

(2)草地生態需水量估算。草地的生態需水量采用定額法計算。已知參考作物蒸散量2 238.6 mm，草地生態需水系數0.22，草地的生態需水定額492.5 mm，草地的凈生態需水定額466.2 mm。草地的面積6.37×104hm2及土壤修正系數(0.38)， 由公式3得出阿瓦提灌區2016年草地的生態需水量為1.13×108m3。草地的生態需水量計算表見表5。

表5 草地的生態需水量計算表

4.2.2 人工植被生態需水量估算

(1)農田防護林生態需水量估算。農田防護林生態需水量采用彭曼公式法計算。農田防護林是為改善小氣候保證作物穩產而營造的防護林。參考作物蒸散量為2 238.6 mm，防護林的生態需水系數為0.93，土壤水分修正系數取0.37，有效降水量為26.3 mm，農田防護林的需水定額1 522.6 mm，凈需水定額1 496.3 mm，農田防護林面積為0.5×104hm2。計算得出阿瓦提灌區2016年農田防護林的生態需水量為0.03×108m3。農田防護林生態需水量計算表見表6。

表6 農田防護林生態需水量計算表

(2)作物生態需水量估算。作物生態需水量采用彭曼公式法計算。作物生態需水量是指作物經過正常生長發育，獲得高產量植株體的所需要的水量之和。目前阿瓦提縣灌區作物主要包括糧食作物和經濟作物，糧食作物為冬小麥、玉米和復播玉米，經濟作物為棉花(常規灌)、棉花(滴灌)和其他經作物。根據資料，作物生態需水量計算表見表7，由表7可以看出，作物總生態需水量為4.39×108m3，其中，棉花的生態需水量最大，為3.41×108m3，這是因為阿瓦提灌區種植作物主要以棉花為主；其他經作物的生態需水量最小，為0.12×108m3。綜合以上計算結果得出阿瓦提灌區2016年河道外生態需水量為6.8×108m3。計算結果見表8。各生態需水量所占比重見圖4。由圖4可知，作物生態需水量占的比例最大，農田防護林生態需水量占的比例最小。

表7 阿瓦提縣各種作物生態需水量計算表

注：作物需水定額和種植面積數據來源于阿克蘇地區阿瓦提縣農田水利規劃現狀調查報告

表8 阿瓦提灌區河道外生態需水量 108 m3

4.3 河道內生態需水量

河道內生態需水量主要是保證河流輸沙和河流滲漏等所需要的水量。

4.3.1 河道基本生態需水量估算 河道基本生態需水量是指維持河道最基本的生態水量平衡，且保證下游不受到威脅所要求的水量。阿瓦提灌區的地表水資源主要由老大河提供，經過實測資料分析得出，老大河多年平均徑流量為26.24×108m3，其中給阿瓦提灌區限額配水量為8.62×108m3/a。采用蒙大拿法計算得出，阿瓦提灌區2016年的基本生態需水量為0.86×108m3。阿瓦提灌區河流生態需水量計算表見表9。

圖4 阿瓦提灌區河道外各生態需水量比例

表9 阿瓦提灌區河流生態需水量計算表108m3

4.3.2 河流輸沙需水量 對于西北地區來說，大多數河流具有干旱少雨的特點，致使河流泥沙問題表現的更加突出。過量泥沙問題導致水平面上升，甚至會出現地上河的危險。根據老大河水文站1958-1965、1981-1984年共12 a完整的泥沙測驗資料統計，阿瓦提灌區多年平均輸沙量為169.34×104t，多年最大月含沙量的平均值為4.06 kg/m3，采用比值法，由公式(4)得出阿瓦提灌區2016年河流輸沙需水量4.17×108m3。阿克蘇河是多泥沙性河流，泥沙主要來源有：上游山區冰雪融水夾帶的冰磧物；河道兩岸地表裸露，山巖石隨冰雪融水和雨水沖刷下來的風化物，導致河流輸沙需水量增大。河流輸沙需水量計算表見表10。

表10 河流輸沙需水量計算表

4.3.3 河流水面蒸發需水量 由圖2可知，降水量遠遠小于蒸發量。所以對于西北地區來說，河流水面蒸發不容忽視。阿瓦提灌區年蒸發量為1 162.2 mm，河流水面的面積0.45×108m2，由定額法得出阿瓦提灌區的水面蒸發需水量為0.52×108m3。根據雒天峰等[18]的資料，動水比靜水水面狀態下多蒸發12%～38%，取25%。計算得出阿瓦提灌區2016年水面蒸發需水量為0.65×108m3。河流水面蒸發需水量見表11。

表11 河流水面蒸發需水量計算表

4.3.4 河流滲漏需水量 由于巖石的空隙、斷層等原因向地下滲漏的水量為滲漏水量。阿瓦提灌區滲漏需水占阿瓦提灌區河道內生態需水重要一部分，采用達西公式(公式7)計算河流滲漏需水量。其中，滲漏系數K取3，I取0.57%，河道長度L取0.75×105m，含水層厚度H取98 m，時間T取365 d，得出河流滲漏需水量0.89×108m3。

綜合以上結果，得出阿瓦提灌區2016年河道內生態需水量為6.57×108m3，見表12，各生態需水量所占比重見圖5。由圖5可知，河流輸沙需水量占的比重最大，為63.47%，這是由于老大河是多沙性河流，含沙量大；阿瓦提灌區實行限額配水，沒有多余水量進行排砂，導致渠系淤積嚴重。

表12 阿瓦提灌區河道內生態需水量 108 m3

圖5 阿瓦提灌區河道內各生態需水量比例

4.4 建議

通過本次研究，提出以下建議：

(1)在農業用水方面，嚴格控制用水總量，適當壓減灌溉面積，農田作物上多推廣滴灌等節水措施，適當調整作物種植結構，增加耗水量小的農作物類型。

(2)在工程建設方面，對引水樞紐進行優化，提出骨干渠道有效排沙措施，減少渠道泥沙淤積，提高工程的使用壽命和運行效率，保障渠道正常輸水和高效節水技術應用。

(3)在生態濕地恢復與保護方面，利用艾西曼湖攔蓄洪水和灌溉棄水，恢復艾西曼湖生態濕地功能，同時兼顧蓄余補缺，調節水量，緩解春旱，沉蓄泥沙的作用。

5 結 論

在分析整理大量資料的前提下，針對不同植被生態需水特點，采用與之相適宜的生態需水研究方法對阿瓦提灌區生態需水進行計算，研究結果表明：阿瓦提灌區2016年生態需水總量為13.37×108m3，其中河道外生態需水量6.8×108m3，占需水總量的50.86%；河道內生態需水量6.57×108m3，占需水總量的49.14%。

通過阿瓦提灌區生態需水量研究，提出阿瓦提生態用水建議，為今后阿瓦提的水資源開發利用提供理論依據和技術支撐。研究過程中還存在以下問題：在計算參考作物蒸散量時，由于技術和人員的問題，地面上空大氣層頂接收的太陽輻射能是通過公式計算而不是儀器測出，這給計算帶來了誤差，從而影響研究區的參考作物蒸散量。在今后的研究中，通過人員和技術的改進，可使參考作物蒸散量的計算更加準確。