引洮一期工程對(duì)受水區(qū)水資源變化影響研究

梁麗霞，楊富元，張忠揚(yáng)，馬章懷，王一博

（1.甘肅省引洮工程水資源利用中心，蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

為改善水資源時(shí)空分布的差異性，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)高效利用，人工引水是解決水資源短缺和時(shí)空調(diào)控的主要措施之一［1］。我國(guó)水源的分布有明顯的空間差異性和時(shí)間上的不平衡性［2］。干旱地區(qū)水資源短缺和時(shí)空差異給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)［3］。水利工程是水資源有效調(diào)控和管理措施之一，可提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)均衡的有效分配，使有限的水資源得到合理化利用，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展［4］。

洮河是黃河上游的第一大一級(jí)支流，其干流河道長(zhǎng)673 km，流域面積25 527 km2，自產(chǎn)水資源總量47.2 億m3。引洮工程是解決甘肅省中部地區(qū)干旱缺水主要工程［5］，引洮一期工程自2015年建成通水，給受水區(qū)提供了一定的水資源，改善了受水區(qū)缺水狀況，促進(jìn)了受水區(qū)的發(fā)展和人民生活水平的提高［5］。引洮一期供水工程是大型跨流域調(diào)水工程，該工程對(duì)受水區(qū)的水資源時(shí)空變化和區(qū)域水文循環(huán)產(chǎn)生一定影響。在國(guó)際上，大型水利工程也是調(diào)配水資源的主要工程措施［6］。美國(guó)、前蘇聯(lián)、印度等國(guó)家都是采用人為修建引水工程的措施改善干旱地區(qū)缺水的問題［7］。但是，這種工程擾動(dòng)自然狀態(tài)的水資源時(shí)空分布，對(duì)取水水源及受水區(qū)的水資源水量、水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，出現(xiàn)土地荒漠化和地表、地下水質(zhì)惡化等水環(huán)境問題［8，9］。

本研究以引洮一期工程受水區(qū)及周邊區(qū)域水資源的變化為研究對(duì)象，通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和相關(guān)模型對(duì)比分析，揭示引洮一期工程對(duì)受水區(qū)水資源的變化影響，為進(jìn)一步深入研究引洮總體工程實(shí)施的影響提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究資料和研究方法

1.1 區(qū)域概況和資料

本文以引洮一期工程受水區(qū)為研究區(qū)，西起臨洮，東至?xí)?，南起隴西，北至榆中（34.84°N～36.45°N，103.47°E～105.52°E），受水區(qū)范圍見圖1。受水區(qū)地勢(shì)整體由西北向東南呈遞減態(tài)勢(shì)，海拔最高處在興隆山區(qū)域3 936 m，平均海拔2 088 m。年降水量300～450 mm，年蒸發(fā)量1 400～1 700 mm，干旱指數(shù)3.0～4.0，氣溫日變化和季節(jié)性變化較大，夏季日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射充足，地面蒸發(fā)量要遠(yuǎn)大于降水量，導(dǎo)致地表極度缺水，水土流失嚴(yán)重［10］，水資源嚴(yán)重缺乏。受水區(qū)屬于山丘、溝壑和盆地相互交錯(cuò)地區(qū)。植被類型和群落結(jié)構(gòu)單一，主要是旱生灌木、草原及稀疏林地。人類活動(dòng)主要以典型的傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)為主。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 WRF模擬潛在蒸散發(fā)和降水的方法介紹

選用WRF V4.0模式［11］在引洮一期工程受水區(qū)進(jìn)行氣象水文的模擬。模式采用雙層嵌套，粗細(xì)網(wǎng)格水平方向格距分別為15 km 和5 km，格點(diǎn)數(shù)89×89、75×75，網(wǎng)格中心35.70°N，104.95°E。模式垂直方向設(shè)有27 層地形追隨垂直坐標(biāo)，積分步長(zhǎng)為90 s。

根據(jù)WRF 模型輸出結(jié)果對(duì)受水區(qū)潛在蒸散發(fā)和降水進(jìn)行計(jì)算。受水區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)可由WRF 模式直接輸出，并通過Arc-Map 10.2 進(jìn)行裁剪繪制。潛在蒸散發(fā)ET0由模式輸出的氣溫、風(fēng)速、輻射等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步根據(jù)糧農(nóng)組織（FAO）的指導(dǎo)方針［12］，使用Penman-Monteith 方程［公式（1）］進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過ArcMap 10.2 進(jìn)行裁剪繪制。該方法在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，可以在任何氣候和土地利用中使用，無需局部校正［13-15］。具體公式如下：

式中：ET0為潛在蒸散，mm/d；Rn為凈輻射，MJ/（m2·d）；G 為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；T 為日平均氣溫，℃；u2為2 m 高度的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際的水蒸氣壓力，kPa；Δ 為水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

1.2.2 模型輸入數(shù)據(jù)

本文采用FNL 全球數(shù)據(jù)（https：//rda.ucar.edu/）作為WRF 模型的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。FNL 數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）發(fā)布的全球再分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為1°×1°，間隔時(shí)間為6 h。該產(chǎn)品來自全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GDAS），該系統(tǒng)持續(xù)從全球電信系統(tǒng)（GTS）和其他來源收集觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于多種分析。參數(shù)包括地表壓力、海平面壓力、位勢(shì)高度、溫度、海面溫度、土壤溫度、u、v 風(fēng)速等。研究選擇引洮一期工程通水后的2015、2017、2020年分別進(jìn)行模擬。

1.2.3 徑流量以及地下水位研究方法

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析法，對(duì)引洮工程供水前及供水后徑流量和地下水位的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，然后進(jìn)行圖表的繪制，通過對(duì)圖表的分析得出引洮工程對(duì)研究區(qū)的影響。

1.2.4 徑流量以及地下水位數(shù)據(jù)

河道徑流量數(shù)據(jù)來源甘肅省水文資料、供水工程實(shí)際監(jiān)測(cè)資料和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的資料，地下水位的資料來源于甘肅省水文局引洮一期工程的定點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)資料。

2 結(jié) 果

2.1 蒸散發(fā)的變化

蒸散發(fā)是陸地水文循環(huán)的關(guān)鍵過程，受到氣候、降水及下墊面條件等因素的影響。通過對(duì)受水區(qū)蒸散發(fā)的時(shí)空變化進(jìn)行分析（圖2），發(fā)現(xiàn)蒸散發(fā)量在山區(qū)較低，在平緩的盆地和平原區(qū)較高，在夏季較高而在冬季較低。2017年的年平均蒸散發(fā)量比2015年降低了12.5%，其中，春、夏和秋三季的蒸散發(fā)量較2015年分別降低了21.6%、12.5%和11.1%，而冬季蒸散發(fā)量則升高了6.7%。在年內(nèi)夏季蒸發(fā)強(qiáng)烈，冬季蒸發(fā)微弱，2015年夏季的蒸散發(fā)量比冬季高6.1 倍，而2017年夏季的蒸散發(fā)量比冬季高5.2 倍。結(jié)果表明，受水區(qū)的蒸散發(fā)量在供水后較供水前有一定幅度的降低，這是由于引洮一期工程對(duì)受水區(qū)地下水和地表水的補(bǔ)充，導(dǎo)致受水區(qū)的土壤溫度有所下降，從而降低了土壤蒸發(fā)量。受水區(qū)2020年的蒸散發(fā)量與2015年的相比，山區(qū)蒸散發(fā)量有所增加，尤其在6-7月時(shí)段的變化最為明顯。說明受水區(qū)的植被生態(tài)環(huán)境改善，植物蒸騰量增強(qiáng)，另一方面由于引洮一期工程供水使土壤的含水量增加而引起蒸散發(fā)量的增加。

圖2 引洮工程覆蓋區(qū)潛在蒸散發(fā)變化分布圖Fig.2 Distribution map of the potential evapotranspiration changes in the coverage area of Yintao Project

2.2 降水變化

降水是受水區(qū)水資源的主要來源。運(yùn)用WRF 模型對(duì)引洮工程運(yùn)行前的2015年及運(yùn)行后的2017年和2020年受水區(qū)降水的時(shí)空變化進(jìn)行分析（圖3），結(jié)果顯示，2017年降水量比2015年增加了75.36%，春季增加了10.03%，而秋季則有所降低，在冬季基本沒有變化。2015年的夏季降水量比冬季多了10.8倍，最大值出現(xiàn)在9月，為77.9 mm，而2017年的夏季降水量比冬季多17.2 倍，最大值則出現(xiàn)在8月，為204.96 mm。2020年的降水量較2015年整體減少；在空間上，受水區(qū)的降水主要集中在南部地區(qū)，其他地區(qū)降水相對(duì)較少。受水區(qū)的降水在空間和時(shí)間上具有變異性，說明降水的變化主要受氣候的影響，而受引洮工程的影響相對(duì)較弱。

圖3 受水區(qū)近3年的月降水變化分布特征圖Fig.3 Distribution characteristics of monthly precipitation change in water receiving area in recent 3 years

2.3 徑流的變化

河道徑流量是地表水資源量的重要指標(biāo)，主要來源于夏季的降水。受水區(qū)內(nèi)2018-2020年第一季度（1-3月份）的徑流量變化如表1所示。

表1 2018-2020年研究區(qū)域內(nèi)1-3月徑流量變化表Tab.1 Table of river discharge changes in the study area from January to March，2018-2020

在1-3月份，除靖遠(yuǎn)站2020 河道徑流量較2019年減少（21萬m3），其他各站1-3月河道徑流量均逐年增加，其中堯甸站2020年1-3月徑流量較2018年、2019年分別增加323.9 萬、195萬m3；大羊營(yíng)站較2018年、2019年分別增加597 萬、294 萬m3；郭城驛站則是分別增加381萬、174 萬m3。另外，臨洮站和西河站2018年1-3月均無河道徑流量，而2019年則分別增加了207萬和116 萬m3的河道徑流量，這表明自2019年開始運(yùn)行后，該區(qū)段內(nèi)河道的流量逐漸增加，實(shí)現(xiàn)從無到有的情況，且兩站徑流量2021年較2019年同期分別增加174萬和221 萬m3，由此可見引洮一期工程的供水，使各河道的徑流量有了明顯的上升。

通過對(duì)2018年和2021年4-6月徑流量的分析表明（表2），2021年洮河流域徑流量較2018年增加了196.5 萬m3；臨洮（三）站增加了290.4 萬m3。祖厲河流域的西河（二）站2018年的徑流量為0，2021年較2018年增加了232.1 萬m3，徑流量實(shí)現(xiàn)從無到有的狀況。另外，祖厲河流域大羊營(yíng)（二）站、郭城驛站和靖遠(yuǎn)站2021年河道的徑流量較2018年分別增加了154.6萬、262.2萬和486 萬m3。由此可見，由于引洮一期工程的投入運(yùn)行，區(qū)域內(nèi)各河道的徑流均呈現(xiàn)出大幅度的增加趨勢(shì)，水資源明顯增加。

表2 2018和2021年研究區(qū)域內(nèi)河道徑流量（4-6月）變化表 萬m3Tab.2 Table of river discharge（April-June）changes in the study area in 2018 and 2021

2.4 地下水的影響

引洮供水一期工程運(yùn)行對(duì)受水區(qū)的水資源影響不僅僅是對(duì)地表水資源量的影響，同時(shí)對(duì)受水區(qū)的地下水也產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響。內(nèi)官-香泉盆地是引洮一期供水工程的主要灌區(qū)，通過分析該盆地供水前后供水井的水位變化可以初步研究引洮一期工程供水對(duì)地下水資源的影響。根據(jù)甘肅省定西水文水資源勘測(cè)局的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)黃家坡、清溪、先鋒3 個(gè)研究樣地的觀測(cè)井水位2018-2021年4-6月份的平均水位對(duì)比分析結(jié)果顯示（表3），內(nèi)官盆地的黃家坡、清溪、先鋒觀測(cè)井地下水位在2018-2021年時(shí)段內(nèi)整體呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)，其中黃家坡觀測(cè)井2021年地下水位分別比2018年、2019年和2020年同期的地下水位上升了2.76、2.50和1.71 m；先鋒站2021年的觀測(cè)井水位比2018年、2019年和2020年同期的地下水位分別上升了6.54、1.08 和0.89 m；清溪站2021年監(jiān)測(cè)井水位比2018年、2019年和2020年同期的地下水位分別上升了1.93、1.14 和2.65 m。段耀峰［16］對(duì)香泉盆地、臥龍川盆地、內(nèi)官盆地3 個(gè)盆地在2001-2010年年均水位變化的研究結(jié)果顯示，3 個(gè)盆地的地下水位下降速率分別為0.66～0.99、0.12～0.92、0.21～1.01 m/a，說明研究區(qū)在引洮一期工程運(yùn)行前地下水位呈現(xiàn)快速的下降趨勢(shì)，地下水的排泄量嚴(yán)重大于補(bǔ)給量，呈現(xiàn)負(fù)均衡狀態(tài)。而由上述分析可知引洮一期供水工程運(yùn)行以后，受水區(qū)的地下水得到明顯補(bǔ)給，地下水位回升明顯，這表明引洮一期工程增強(qiáng)了對(duì)受水區(qū)地下水的補(bǔ)給，區(qū)域水資源矛盾得到有效緩解。

表3 內(nèi)官盆地各監(jiān)測(cè)井歷年同期地下水月平均水位分析表Tab.3 Analysis table of monthly average groundwater-level of monitoring Wells in Neiguan Basin

3 討 論

在全球變化背景下，干旱半干旱地區(qū)水資源時(shí)空差異越來越突出，引水工程對(duì)受水區(qū)水資源的影響主要表現(xiàn)在降水、蒸發(fā)、地表和地下水資源的變化上［17］。引洮一期工程的通水運(yùn)行大大減輕了受水區(qū)的用水壓力，也促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的逐步改善。本研究中降水和蒸散發(fā)的變化具有明顯的不確定性，2015-2020年的變化中蒸散發(fā)量表現(xiàn)出先減小后增加的變化，而降水表現(xiàn)出先增加后減少的變化過程，而且在季節(jié)上的變化又有所不同（圖2 和圖3），這說明區(qū)域氣候和水文循環(huán)過程主要受區(qū)域氣候和大氣環(huán)流的作用，受引洮工程的作用較為微弱。

自2015年引洮一期工程供水以來，洮河和祖厲河徑流量都明顯增加，部分?jǐn)嗔鞯暮佣位謴?fù)流水，受水區(qū)的天然降水非常稀少，不足以補(bǔ)給河道徑流，兩個(gè)河道徑流增加都是由于引洮一期工程的引水改變了河道徑流量。證明引水工程是調(diào)控天然水資源時(shí)空不均衡的有效方法，也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理的主要技術(shù)手段。受水區(qū)的降水補(bǔ)給地下水非常弱，降水主要是對(duì)淺層包氣帶水的補(bǔ)給，深層地下水補(bǔ)給非常少。通過對(duì)內(nèi)官-香泉盆地地下水位變化的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，在引洮一期工程供水前，內(nèi)官-香泉盆地的地下水均衡均呈負(fù)均衡狀態(tài)，地下水排泄量均大于補(bǔ)給量。2019年內(nèi)官-香泉盆地地下水資源量均大于地下水資源開發(fā)利用量，說明引洮一期工程運(yùn)行以來，受水區(qū)地下水資源量在逐漸增加，使受水區(qū)的地下水資源量總體上得到了補(bǔ)給。因此，可得出引洮一期工程運(yùn)行明顯增加了受水區(qū)地下水的補(bǔ)給量，地下水資源得到恢復(fù)和增加，將對(duì)受水區(qū)的干旱生態(tài)環(huán)境治理恢復(fù)產(chǎn)生積極影響。

4 結(jié) 論

基于以上的研究可以得到以下結(jié)論：

（1）引洮一期工程受水區(qū)蒸散發(fā)2017年相比2015年為減少，這說明了供水對(duì)地表水和地下水的補(bǔ)給使土壤溫度降低從而減少了蒸發(fā)量，而2020年相比2015年為增加，這說明了受水區(qū)的植被生態(tài)環(huán)境改善，植物蒸騰量增強(qiáng)以及引洮一期工程供水使土壤的含水量增加而致使蒸散發(fā)量增強(qiáng)。

（2）在引洮一期供水后，受水地區(qū)的河道徑流明顯增加，典型洮河和祖厲河流域的徑流在全時(shí)段都有增加，其中洮河流域徑流量年均增加量為161.95～190.5萬m3；祖厲河流域徑流量年均增加量為80.5～248.5 萬m3。引洮一期工程受水區(qū)的地表徑流有著明顯的改善，實(shí)現(xiàn)了區(qū)段內(nèi)河道的水資源恢復(fù)過程和生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)。

（3）引洮一期供水受水區(qū)的地下補(bǔ)給非常明顯，全流域的地下水超采現(xiàn)象得到了遏制，其中黃家坡觀測(cè)井地下水位增幅為0.26～1.71 m/a；清溪站觀測(cè)井地下水位增幅為0.79～2.65 m/a；先鋒站觀測(cè)井地下水位增幅為0.79～5.46 m/a。