艾比湖最低生態水位及生態缺水量研究

巴音查汗

(博爾塔拉蒙古自治州水文勘測局，新疆 博樂 833400)

艾比湖流域位于新疆維吾爾自治區歐亞大陸腹地的中緯度地帶，與海洋的距離比較遠，且北、西和南三面被高山阻隔，該流域以干旱少雨、蒸發量大、日照充足以及氣候變化劇烈為主要特征，水資源十分匱乏[1]。

由于各種環境因素的作用，致使艾比湖流域生態系統出現逆向演替現象，天然植遭到嚴重退化衰敗[2]，其主要特征表現為：天然植被群落由濕生、中生向早生、超早生和鹽生、耐沙生種類演替，超早生小喬木密度降低，植被蓋度下降，建群種植株高度降低，耐鹽堿的梭梭、堿蓬、豬毛菜等減少，根系發達的固沙植物白梭梭、沙拐棗、沙蓬、對節刺等種類減少，覆蓋度降低，白梭梭年齡結構“老齡化”，幼齡植株稀少，更新緩慢。流域內博河下游因徑流季節分布不均勻及兩水轉化影響夏季缺水，精河灌區春季缺水[3]。因流域調蓄工程數量少、規模小，水量調蓄能力僅3000萬m3，占流域總需水量的存3%，流域仍然存在4000～6000萬m3缺水量，從而形成大量的缺水型中低產田，嚴重制約著農牧業的發展[4]。另外，流域內無域外調水工程，難以從根本上解決艾比湖生態用水不足問題。

基于以上背景，借鑒前人提出的艾比湖最低生態水位確定方法，并結合艾比湖流域的現狀計算艾比湖最低生態水位，分析艾比湖流域的生態缺水量，對保證艾比湖流域生態系統的可持續發展，具有重要的理論意義與現實意義[5]。

1 最低生態水位研究

最低生態水位是真個流域中生態水位的下限值，低于生態水位下限值時，該流域的生態系統就會受到極其嚴重的破壞。在研究艾比湖最低生態水位之前，需要確定最低生態水位的計算方法，根據艾比湖流域的現狀及實際情況，本文選用天然水位資料法和湖泊形態分析法對新疆艾比湖流域的最低生態水位進行了研究。

1.1 天然水位資料法計算艾比湖最低水位

天然水位資料法是先假設艾比湖流域的生態系統已經適應了長期以來的水位年際和年內變化，分析多年以來的月平均水位值，取多個水位值中的最小值最為艾比湖流域的最低生態水位，具體表達式為：

Zemin=Min(Zmin1，Zmin1，L，Zmini，L，Zminn)

(1)

式中，Zemin—新疆艾比湖流域的最低生態水位；Min—取最小值函數；Zmini—第i年的最低生態水位；n—艾比湖流域的水位資料年限。

天然水位資料法的應用前提是艾比湖生態系統已經適應了長期以來的水位變化。最低生態水位是指流域的水資源在滿足生態系統可持續發展的前提下，使新疆艾比湖水位始終保持最低值[6]。

艾比湖流域在1950年之前一直處于與天然接近的狀況[7]。在20世紀中期流域水面比較大，流域內鳥類種類繁多、植被生長茂盛；20世紀中期以后流域水位開始快速下降，水面面積由1070km2急劇縮小到大約522 km2。湖面面積萎縮使得流域內沙漠化危害日益嚴重，流域內沙丘的頻繁移動使得揚沙浮塵惡劣天氣情況劇增。存在湖底的大量鹽粒和塵埃，在阿拉山口的大風作用下，致使艾比湖流域內植被嚴重退化，導致流域整個生態系統的環境質量急劇降低[8]。21世紀初，艾比湖流域的湖面開始擴大，三年時間內增加到了900 km2左右，利用天然水位資料法通過衛星監測，得到了2014年到2018年新疆艾比湖流域湖面面積變化情況見表1。

表1 2014—2018年新疆艾比湖流域面積變化情況

21世紀以來，隨著艾比湖流域湖面面積不斷擴大，生態系統得到一定程度上恢復。因此，可以利用2014年到2018年艾比湖流域湖面面積資料來代替天然情況下的湖面面積情況，表1中雖然沒有2017年的艾比湖流域面積變化情況，但是根據相關文獻的參考，2017年湖面面積為835 km2，2017年流入的水量沒有2016年多，但是流域內的降水量和經流量比2018年還要多，這些數據都能表明2017年的數據缺失對艾比湖流域最低生態水位的計算不會產生影響。

經過計算統計2014—2018年艾比湖流域的湖面面積為613km2對應的最低生態水位為192m，統計的四年湖面面積資料與1950年以前的比較接近，具有一定的代表性，從保護流域生態系統的角度出發，統計出來的最低生態水位值是比較合理的，但是歷史最低水位值相比卻有較大偏差。

1.2 湖泊形態分析法計算艾比湖最低水位

水是湖泊生態系統中最重要的組成部分，流入的水量和湖面面積都時刻影響著艾比湖的功能[9]，采用水位來反映艾比湖的水文和地形狀況，湖面面積來表征艾比湖的生態功能[10]。艾比湖的水位與湖面面積變化之間的關系與拋物線的線性比較相近，在艾比湖的某一個水位處，湖面面積會隨著水位的增加產生一個突變，如果艾比湖水位與平均水位相近，就可以認為此時水位就是最低生態水位[11]。艾比湖最低生態水位的計算步驟為：

(1)根據艾比湖水位、湖面面積和艾比湖容積的關系，采用內插的方法來計算艾比湖水位每上漲一個單位湖面面積的增加量[12]。

(2)根據艾比湖水位與湖面面積的增加量數據，繪制艾比湖水位-湖面面積增加率關系圖，查找關系圖中拐點處對應的水位。

(3)比較計算出的水位與平均水位，確定艾比湖最低生態水位[13]。

根據艾比湖的生態功能，利用形態分析法計算最低水位是最合適的，水位與湖面面積變化關系如圖1所示。

圖1 艾比湖水位與湖面面積變化關系圖

從圖1中可以看出，艾比湖水面面積增加率的最大值對應的水位是191m，對應的湖面面積為568.2km2，統計出2014—2018年的最低水位值為192.2m。采用湖泊形態分析法得到的艾比湖最低生態水位與天然最低水位相差只有1.2m，但是由于艾比湖流域屬于淺水湖，當湖泊水位上升1m時，艾比湖的湖面變化只有25km2，與天然水位資料法計算出來的結果相比，最低水位相差達到了1.2m，但是湖面面積卻相差45.3km2。從保護艾比湖生態系統的角度出發，湖泊形態分析法計算得到的水位值偏低，嚴重威脅到艾比湖生態系統。

2 生態缺水量研究

通過計算艾比湖生態缺水量來研究流域的生態缺水量，將流域水分濕度條件的下限、上下限的平均值和上限設置為計算生態缺水量的最小、最適宜、最大需水量等級，作為計算生態缺水量的目標[14]。生態缺水量可以被定義為艾比湖生態需水量的特征值與實際需水量的差值，在艾比湖生態系統中屬于管理上的問題[15]，缺水量的計算公式為：

EFSij=EFi-θj×S×L

(2)

式中，EFSij—需水量目標等級為i且埋深條件為j時的缺水量，m3;EFi—目標等級為i時的需水量，m3;EF1、EF2、EF3—最小、最適宜及最大需水量；θj—初始艾比湖的含水率，%，j的取值為1、2；θ1、θ2—敏感水位和警戒水位的含水率。

EFi可以由下式計算：

EFi=qoi×S×L

(3)

式中，qoi—含水率，%；S—湖面面積，m3；L—湖水埋深，m。

根據上述給出的需水量的計算方法，計算得到不同情境下艾比湖生態需水量，見表2。

表2 不同情境下艾比湖生態需水量

在模擬新疆艾比湖生態系統不同埋深下的含水率基礎上，在艾比湖敏感水位為1.25m和警戒水位為3m的條件下，計算出艾比湖模擬3.5m深的平均含水率，見表3。

表3 艾比湖模擬3.5m深的平均含水率

結合艾比湖模擬3.5m深的平均含水率，通過計算得到艾比湖生態系統的缺水量，見表4。

表4 艾比湖生態系統的缺水量

表4中可以看出，艾比湖的夏季生態缺水量遠遠大于春季和秋季兩個季節總和，主要原因是由于艾比湖在夏季的水分蒸發量是最大的，然而湖水的降水量遠遠小于湖水的蒸發量，使得艾比湖的水分流失量變大，因此，導致了需水量的需求也最大。在艾比湖埋深在1.25、3.00m的條件下，艾比湖生態缺水量分別為1.82×108、6.4×108m3。

表4的統計中，有一部分艾比湖生態缺水量為負值，明顯出艾比湖生態系統的水分條件很充足，并不需要充分給予水分補充。由于艾比湖流域在冬季時沒有任何植物生長，因此冬季的生態缺水量通常忽略不計。在缺水量研究中，分別將春、夏、秋三個季節的生態缺水量累計相加，就可以直接得到艾比湖全年的生態缺水量。

3 結語

從保護艾比湖生態系統的角度出發，研究艾比湖最低生態水位和生態缺水量是合理的。

(1)提出了艾比湖最低生態水位及生態缺水量研究。參考天然水位資料法和湖泊形態分析法，并結合艾比湖的實際情況，分析和計算了艾比湖最低生態水位，完成艾比湖最低生態水位的研究。結果表明，艾比湖最低生態水位為191.4m。

(2)采用情景模擬的方式，獲得了艾比湖水位的敏感水位和警戒水位，分別計算出艾比湖的生態缺水量，完成了艾比湖生態缺水量的研究，結果表明，艾比湖生態缺水量主要是由湖水蒸發和流失導致的。