額濟納綠洲冬春月入境水量配置

王維邦，高 喆，范正軍，周潤田，董國濤

（黑河水資源與生態保護研究中心，甘肅蘭州730030）

水是干旱區最關鍵的生態環境因子，在干旱區“有水則綠洲、無水則荒漠”，水是制約干旱區環境與經濟發展的主要因素［1］。綠洲是干旱地區人類賴以生存的基礎，也是干旱區經濟發展的載體［2］，黑河下游有著名的額濟納天然綠洲，歷史上額濟納綠洲水草豐美，林草茂盛，牛羊成群［3］。20世紀八九十年代，黑河中上游地區用水量迅速增加［4］，進入下游地區的水量逐年減少，額濟納綠洲出現一系列生態環境問題。從2000年開始，國家決策實施黑河流域水量統一調度。2008年起，黑河流域管理局開展了生態水量調度的探索與實踐，生態水量調度針對的是全年關鍵調度期的水量，而未充分考慮冬春月（11月至翌年3月）水量。黑河額濟納綠洲以胡楊以及灌木、草本為主。喬木、灌木一般3月下旬至4月初芽開始萌動，植物種子萌發期和幼苗期對水分條件十分敏感，因此4月是額濟納綠洲需水的關鍵期［5］。冬春月來水量相對大而集中，目前對冬春月進入額濟納綠洲的水量尚未進行充分研究和分區配置，為了增強冬春月水量配置效果，開展冬春月額濟納入境水量研究和水量配置具有重要意義。

生態水量調度是一個多角度、全方位、一體化的系統工作，應掌握植物需水情況、需水規律、適宜水量等。國內學者近期對黑河生態調度和生態需水進行了實踐和探索，姜珊等［6］開展了額濟納綠洲主要植被胡楊林和紅柳林及東居延海生態需水量計算；李強坤等［2］提出了計算干旱區天然植被生態需水量的方法，通過6種方案的對比分析，給出了2010年額濟納綠洲恢復方案；郭巧玲等［7］將額濟納綠洲劃分為不同區域，計算了額濟納綠洲植被生態需水量，研究了在現狀流域水量分配方案下，綠洲生態缺水量；司建華等［5］通過對額濟納綠洲地下水位時空動態變化過程、天然植被耗水過程及水文過程的研究，確定了綠洲生態需水關鍵期；王道席等［8］研究了黑河中下游地區生態需水規律，闡述了生態水量調度模式和調度措施，總結了生態水量調度的效果；孫雅琦［9］將黑河下游綠洲核心區劃分為4個生態片區，分析計算了各生態片區適宜的分配水量，提出了豐、平、枯水年東河、西河分水比例。以上研究主要集中在額濟納綠洲生態需水量計算方面，很少有額濟納綠洲生態水量配置方面的研究，幾乎沒有涉及冬春月額濟納入境水量和水量配置方面的研究。據計算，實施黑河水量統一調度以來，冬春月額濟納入境水量可達2.21億m3，這部分水量很可觀。因此，基于額濟納綠洲生態需水量，提出了冬春月額濟納綠洲水量配置方案，以期為黑河下游冬春月水量配置提供技術支撐和參考。

1 研究區概況

黑河是我國西北地區第二大內陸河，有東、中、西3個獨立的子水系。東部子水系即黑河干流水系，全長928 km，出山口鶯落峽以上為上游，鶯落峽至正義峽為中游，正義峽以下為下游。額濟納三角洲地處黑河下游地區，位于我國西北干旱區腹地，屬典型的大陸性氣候區。該區多年平均降水量34.5 mm，多年平均水面蒸發量為1 444 mm［10］，屬于極端干旱區，生態環境極其脆弱。黑河是進入該區唯一的河流，從正義峽流經鼎新、東風場區到達狼心山，經過狼心山后分為東河、西河并進一步分叉形成多條支流。三角洲南北跨度170 km，南抵鼎新綠洲，北到西居延海和東居延海，東西寬約80 km，面積約1.1萬 km2，其中綠洲面積2016年約2 150 km2。綠洲植被主要分布在額濟納旗三角洲中心的東河、西河及19條支流的河漫灘上，特別是東河下游大量分叉形成了河岸綠洲的核心區域（見圖 1）。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究采用的鶯落峽水文數據系列為1948—2017年實測流量，狼心山水文數據系列為黑河水量統一調度以來（2000—2017年）實測日流量。在進行計算時，根據日流量換算出月徑流量和年徑流量。黑河下游額濟納綠洲生態需水量從以往研究成果及相關文獻資料獲得（見表1）。

表1 額濟納綠洲生態需水量

圖1 額濟納三角洲河網分布及生態分區

2.2 研究方法

2.2.1 狼心山入境水量

選取鶯落峽1948—2017年徑流資料，分析該系列徑流特征可以發現，該水文系列包括典型枯水年（1959—1979年）、平水年（1980—2002年）和豐水年（2003—2016年），且有周期性變化規律，整個系列為一完整周期，具有一定代表性。計算鶯落峽1948—2016年平均徑流量及變差系數，采用P-Ⅲ型頻率分布曲線進行配線，利用同頻法計算不同保證率鶯落峽來水量。利用數理統計方法，統計黑河水量常規調度以來（2004—2017年）鶯落峽和狼心山年徑流量及狼心山冬春月徑流量；采用相關分析法建立鶯落峽與鶯落峽至狼心山區間耗水之間的關系，從而計算不同保證率下狼心山年入境水量；通過統計分析狼心山年入境水量與冬春月入境水量，求得冬春月入境水量占年入境水量的比例，從而計算不同保證率狼心山冬春月入境水量。

2.2.2 額濟納綠洲冬春月水量配置

（1）水量配置原則。額濟納綠洲水量配置重點考慮以下原則：生態優先原則，在生態環境脆弱區優先滿足生態需水；可持續性原則，遵循可持續發展原則，實現生態效益、經濟效益和社會效益的最優化；整體性原則，東河和西河是相互依存、此消彼長的關系，將生態水量分配在全局進行平衡，以期達到效益最優；可恢復性原則，對于不可恢復的生態系統，要在遵循生態演化規律的基礎上，采用替代生態系統以彌補其生態功能的喪失；生態服務功能最優原則，不僅要確立合理的生態恢復規模，而且要提高生態服務能力。

（2）不同來水條件下水量配置。為滿足額濟納綠洲繼續健康發展的需求，在滿足以上原則的基礎上，在統籌考慮額濟納綠洲各個區域的生態服務功能、保護功能、資源功能等基礎上，以不同保證率年入境水量和不同規模綠洲需水量為配置依據，將額濟納綠洲水量分為25%、50%、75%來水情景進行配置。

3 結果與分析

3.1 黑河水量統一調度以來狼心山入境水量分析

黑河干流水量統一調度自2000年開始，2000—2003年為應急調度，2004年開始轉為常規調度，從這一時期開始形成了較為固定的調度模式。根據黑河水量調度實際，統計分析2004—2017年狼心山歷年徑流量和冬春月徑流量變化情況，見圖2。由圖2可以看出，狼心山2004—2017年入境水量年際變化較大，最大為2017年的10.71億m3，最小為2004年的3.55億m3，2004—2017年平均徑流量為6.49億m3；由于前期灌溉的渠系、田間滲漏及河床滲漏補給，因此狼心山冬春月入境水量較年來水量穩定，沒有特別明顯的豐、平、枯水期，入境水量變異系數小，基本保持在2.21億m3左右，這部分水量占全年入境水量的34%。冬春月相對穩定的來水量對于額濟納綠洲的健康發展有著至關重要的作用，特別是春季入境水量有助于綠洲區地下水恢復和植被萌芽。

圖2 狼心山2004—2017年徑流量變化

統計2004—2017年狼心山冬春月逐日徑流過程，計算冬春月逐日平均流量，見圖3。從圖3可以發現，狼心山從11月開始流量緩慢增大，主要原因是進入冬季后中游地區停止農業灌溉；2月初至3月中旬，由于天氣逐漸回暖，河道內儲存的冰開始融化，狼心山出現一次明顯的洪水過程，流量峰值達到50 m3/s；3月底河冰基本消失，流量又迅速減小。從以上分析可知，春季進入額濟納綠洲的水量大而集中，在進行水量配置時，可以充分利用這一特點，盡量往前期未灌溉區域或缺水區域補水。

圖3 狼心山2004—2017年冬春月平均流量

綜合上述對狼心山冬春月徑流量及來水過程的分析，狼心山冬春月入境水量不隨鶯落峽年來水量的變化而發生較大變化，在春季能形成一次明顯的春汛過程。在進行額濟納水資源配置時可充分利用該時段的穩定來水量和徑流特征，根據綠洲分布和植被覆蓋情況，分層次、分區域灌溉綠洲，從而增強冬春月水資源配置的合理性，提高用水效率。

3.2 不同保證率狼心山冬春月入境水量分析

1948—2017年鶯落峽徑流量有周期性變化規律，整個系列為一完整的水文過程，具有一定代表性。根據鶯落峽多年徑流量資料，計算出多年平均徑流量為16.32億m3，變差系數CV＝0.19，偏差系數CS的經驗取值為3.5CV。采用P-Ⅲ型頻率分布曲線進行配線，計算鶯落峽不同保證率來水量，見表2。鶯落峽豐水年（頻率為25%）、平水年（頻率為50%）和枯水年（頻率為75%）來水量分別為 18.18億、15.98億、14.09億m3。

表2 不同保證率鶯落峽來水量

統計常規調度以來鶯落峽、狼心山徑流數據。計算鶯落峽年徑流量與鶯落峽至狼心山段區間耗水量之間的相關關系（確定系數為0.823 4），見圖4。由圖4可知，鶯落峽年徑流量與鶯落峽至狼心山段區間耗水量之間有良好的相關關系，可以通過鶯落峽年來水量間接計算狼心山年來水量及冬春月入境水量，即：

式中：Wl為狼心山年入境水量；Wy為鶯落峽年來水量。

狼心山冬春月入境水量占全年水量的34%，狼心山冬春月入境水量可以根據下式計算：

式中：Wlws為狼心山冬春月入境水量；K為冬春月入境水量占全年比例，即34%。

根據式（1）和式（2）及不同保證率鶯落峽來水量，計算得到狼心山不同保證率年徑流量及冬春月入境水量，見表3。在豐水年、平水年和枯水年狼心山水文斷面年徑流量分別為5.68億、4.25億、2.53億m3，冬春月豐水年入境水量為1.93億m3，平水年為1.45億m3、枯水年為0.86億m3。

圖4 鶯落峽徑流量與鶯落峽至狼心山段區間耗水量的關系

表3 不同保證率狼心山斷面入境水量

3.3 額濟納綠洲冬春月水資源配置

3.3.1 分區及生態需水量

額濟納地區東河、西河沿線及其下游河網地區（包括東、西居延海）綠洲面積大、集中連片，植被品種多樣，是額濟納地區的綠洲核心區域，同時也是植被退化嚴重、亟待進行恢復和整治的重點區域［7］?；诖耍瑢㈩~濟納綠洲劃分為東河上游區、東河中游區、東河下游區、西河上游區、西河中游區、西河下游區和其他區域，分別獲取1987年、1999年、2010年和現狀年（2017年）各區域生態需水量，見表4。

從額濟納綠洲總生態需水量看，1987年額濟納綠洲總生態需水量最大，1999年生態需水量最小，隨后又逐年增加。主要原因是，20世紀八九十年代，黑河下游入境水量減少，生態環境遭到破壞，而從2000年黑河水量統一調度開始，下游水量明顯增加，生態環境逐漸好轉，綠洲生態需水量逐漸增加。從額濟納綠洲不同分區生態需水量看，1987年東河、西河需水比例約為55∶45，現狀年約為60∶40。對比1987年和現狀年綠洲核心區各區域生態需水量可以看出，現狀年東河上游區、中游區生態需水量較1987年有所增加，而下游區有所減少，但3個地區需水比例皆比1987年的大；現狀年西河上游區和下游區生態需水量較1987年有所減少，特別是西河下游區減少明顯，而中游區有所增加。

3.3.2 冬春月水量配置

黑河流域水資源短缺，為了使有限的水資源發揮最大的生態效益，根據額濟納綠洲1987年、1999年、2010年和現狀年生態需水量，提出不同保證率下東河、西河水量配置建議。由綠洲分區及相應生態需水量計算結果可知，以1987年綠洲生態需水結構為基準，東河、西河綠洲區生態需水量的比例約為55∶45；以1999年需水結構為基準，東河、西河綠洲區生態需水量的比例約為61∶39；以2010年需水結構為基準，東河、西河綠洲區生態需水量的比例約為57∶43；以2017年需水結構為基準，東河、西河綠洲區生態需水量的比例約為60∶40。

表4 額濟納綠洲不同年份各區域生態需水量 萬m3

（1）25%保證率來水條件下水量配置。根據狼心山不同保證率年入境水量和冬春月入境水量計算結果，在25%保證率條件下鶯落峽來水量為18.18億m3，對應的狼心山年入境水量為5.68億m3，冬春月入境水量為1.93億m3；25%保證率下狼心山年入境水量能夠滿足2010年額濟納綠洲生態需水量，東河、西河綠洲區生態需水量的比例約為57∶43，冬春月東河、西河水量配置可按照57∶43進行下泄，其東河、西河下泄水量分別為1.10億、0.83億m3；來水偏豐時，在滿足綠洲核心區需水的條件下，可盡量調水至綠洲邊緣區。

（2）50%保證率來水條件下水量配置。50%保證率來水條件下，狼心山年來水量可達4.25億m3，冬春月狼心山斷面基本過水1.45億m3，在此來水條件下，狼心山年來水量與1999年綠洲生態需水量相當，冬春月來水較為穩定，東河、西河基本按照61∶39的比例分流，東河過水0.88億m3，西河過水0.57億m3。

（3）75%保證率來水條件下水量配置。75%保證率來水條件下，狼心山年來水量僅為2.53億m3，冬春月狼心山基本過水0.86億m3，狼心山年來水量明顯不能滿足綠洲生態需水，各區域均不同程度缺水。在此情況下，冬春月水量調度時應首先保證綠洲核心區，特別是東河下游區和西河上游區用水需求，東河、西河水量可按照70∶30的比例分配，則冬春月東河可下泄0.60億m3水量，西河可下泄0.26億m3水量。

4 結 論

（1）狼心山冬春月入境水量大而集中，占全年入境水量的34%，并且這部分水量不隨鶯落峽年來水量的變化而發生較大變化；春季狼心山有較明顯的洪水過程出現，來水大而集中，黑河下游水資源配置可抓住這個有利時機，適時向額濟納綠洲輸水。

（2）冬春月狼心山來水量年際變化很小，來水量基本保持在2.21億m3，占全年入境水量的34%；當狼心山25%、50%、75%保證率分別來水5.68億、4.25億、2.53億m3時，狼心山年冬春月來水量分別為1.93億、1.45 億、0.86 億 m3。

（3）開展冬春月水量配置時，25%保證率來水條件下，東河、西河水量可按照57∶43比例進行下泄；在50%保證率來水條件下，東河、西河基本按照61∶39的比例分流；75%保證率來水條件下，東河、西河下泄水量可按照70∶30的比例分配。