基于生態(tài)安全的阿瓦提灌區(qū)生態(tài)需水量研究

郭玉丹, 何 英, 彭 亮

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

近幾十年來(lái)，由于人類活動(dòng)強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，對(duì)水的需求量也隨之增加，使得灌區(qū)水資源供需矛盾更加突出，在水與生態(tài)環(huán)境方面表現(xiàn)出來(lái)的主要問(wèn)題有：農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)增加，導(dǎo)致土壤飽和度降低，出現(xiàn)鹽堿化；生態(tài)用水得不到保障，土壤沙化，植被枯萎；灌溉面積持續(xù)增加，供需水平衡關(guān)系矛盾更加突出，水資源季節(jié)分布尤為不均衡；大量開(kāi)采地下水，加重了生態(tài)環(huán)境的惡化。為降低生態(tài)環(huán)境的破壞和地下水減少等現(xiàn)象的發(fā)生，相關(guān)學(xué)者已展開(kāi)大量研究[1]。根據(jù)不同植被生態(tài)需水特點(diǎn)，探索計(jì)算生態(tài)需水量，確定適宜的灌區(qū)規(guī)模并提出用水建議，為維護(hù)灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境及綠洲生態(tài)，合理配置有限的水資源具有一定的理論意義[2]。

翻閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，對(duì)生態(tài)需水的研究有很多種。在20世紀(jì)80年代末，最早提出了“生態(tài)用水”的問(wèn)題[3]。在初步研究中，針對(duì)河流的生態(tài)需水量，提出河流流量的相關(guān)一些概念，這些概念雖然沒(méi)有表現(xiàn)出完整性的生態(tài)系統(tǒng)，但卻初步展現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境需水的含義[4]。之后，國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)在生態(tài)需水研究上[5]。對(duì)于生態(tài)環(huán)境，人們的意識(shí)不斷加強(qiáng)，不少國(guó)家更加重視生態(tài)環(huán)境需水，尤其是一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家[6]。

國(guó)外生態(tài)需水研究主要圍繞在河流生態(tài)環(huán)境需水等方面，前期的研究出發(fā)點(diǎn)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(huán)境需水量上，結(jié)合水文、水力學(xué)和生態(tài)三部分，并在南非推廣[8]；Everaert等[9](2013年)以相關(guān)模型為基礎(chǔ)，研究歐洲的生態(tài)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(nóng)業(yè)的關(guān)系，得出農(nóng)業(yè)需水量隨氣象的變化而變化；Curtis等[11](2014年)通過(guò)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(qū)是自治區(qū)糧棉重要產(chǎn)區(qū)之一，也是全國(guó)重要的優(yōu)良棉生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)用水主要由老大河流經(jīng)阿瓦提縣第一分水閘向阿瓦提灌區(qū)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(duì)有限的水資源，灌溉面積的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)用水，使得生態(tài)環(huán)境越發(fā)脆弱。為保障生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)展基于生態(tài)安全的阿瓦提灌區(qū)生態(tài)需水研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究區(qū)概況

阿瓦提縣是阿克蘇地區(qū)面積較大的一個(gè)縣，地理坐標(biāo)北緯39°31′～40°50′，東經(jīng)79°45′～81°05′。阿瓦提縣轄一鎮(zhèn)、七鄉(xiāng)、三個(gè)農(nóng)場(chǎng)，含有四大灌區(qū)，分別是拜什艾日克灌區(qū)、玉滿灌區(qū)、豐收灌區(qū)和英艾日克灌區(qū)，灌區(qū)位置分布示意圖見(jiàn)圖1。

阿瓦提縣多年平均降水量為47.8 mm，多年平均蒸發(fā)量1 162.2 mm，為降水量的24倍，多年平均氣溫10.4℃，無(wú)霜期192.6 d[12]，日數(shù)由平原向山區(qū)遞減。灌區(qū)通過(guò)阿克蘇老大河引水，流經(jīng)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(zhǎng)40 km。

根據(jù)《阿瓦提縣地下水開(kāi)發(fā)建設(shè)實(shí)施方案》，阿瓦提灌區(qū)2016年地下水補(bǔ)給資源總量為3.44×108m3，地下水可開(kāi)采量為1.09×108m3。根據(jù)《關(guān)于阿克蘇地區(qū)各縣市及兵團(tuán)第一師實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度落實(shí) “三條紅線”控制指標(biāo)的復(fù)核意見(jiàn)》新水函(2015)10號(hào)文件規(guī)定，阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣“三條紅線”用水量控制指標(biāo)表見(jiàn)表1。

表1 阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣“三條紅線”用水量控制指標(biāo)表 108 m3

阿瓦提灌區(qū)是新疆典型的以糧棉為主導(dǎo)的地區(qū)，2016年阿瓦提縣耕地面積為9.61×104hm2，農(nóng)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(shù)據(jù)：收集阿瓦提灌區(qū)2000-2017年逐日的水文氣象資料(包括風(fēng)速、氣溫、濕度和降水?dāng)?shù)據(jù))，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng)站。

水文地質(zhì)參數(shù)：水文地質(zhì)參數(shù)來(lái)自新疆阿克蘇市阿瓦提縣灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水水文地質(zhì)勘查報(bào)告。

圖1 阿瓦提灌區(qū)地理位置分布示意圖

3 灌區(qū)生態(tài)需水量的研究方法

3.1 有效降水量的計(jì)算

有效降水量是計(jì)算生態(tài)需水量的基礎(chǔ)，參考徐小波等[13]在南疆的有效降水量計(jì)算方法得出阿瓦提縣灌區(qū)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(shù)(南疆取0.55)。

3.2 彭曼公式法

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

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

(2)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)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(shù)kPa/℃；U2為2 m高處的平均風(fēng)速，m/s。

(3)

(4)

式中：a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，各地州取值見(jiàn)表2所示；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，h/d；N為最大可能日照時(shí)數(shù)，h/d；Ra為地面上空大氣層頂接收的太陽(yáng)輻射能，MJ/(m2·d)；Tmax為日(時(shí)段)最高氣溫，℃；Tmin為日(時(shí)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(shí)測(cè)a、b值

注：數(shù)據(jù)來(lái)源：《新疆地下水研究》[14]和《新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》[15]。

3.3 定額法

草地生態(tài)需水量和河流水面蒸發(fā)需水量用面積定額法進(jìn)行計(jì)算，即需水定額(年蒸發(fā)量)乘以面積。計(jì)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(tài)需水定額(E表示流域年蒸發(fā)量mm)。

3.4 Tennant法

河道基本生態(tài)需水量用蒙大拿法計(jì)算。其中將生態(tài)最小需水量定義為該流域年平均徑流量的10%～15%；生態(tài)最佳需水量定義為該流域年平均徑流量的60%～100%；最大生態(tài)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(jì)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(dá)西定律

河流滲漏需水量采用達(dá)西定律，其計(jì)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(shù),m/d；I為水力坡度,%；L為河道長(zhǎng)度,m；H為含水層厚度,m；T為時(shí)間,d。

4 結(jié)果與討論

4.1 有效降水量

從表3可以看出，阿瓦提灌區(qū)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(shù)據(jù)計(jì)算出阿瓦提灌區(qū)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(tǒng)計(jì)表 mm

4.2 河道外生態(tài)需水量

河道外生態(tài)需水量是指為保障生態(tài)平衡，河道外生態(tài)所需要的基本水量。對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，陸地植被的需水規(guī)律是生態(tài)需水研究的基礎(chǔ)[16]。

從圖2阿瓦提灌區(qū)2000-2017年多年平均月蒸發(fā)量和降水量可以看出，多年平均降水量1-5月呈上升趨勢(shì)，5-7月基本趨于穩(wěn)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(fā)量變化較穩(wěn)定，7月的蒸發(fā)量最大，12月的蒸發(fā)量最小。降水少，導(dǎo)致空氣濕度小，從而多年平均蒸發(fā)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(xiàn)在2013年，最小值1 121.3 mm，出現(xiàn)在2000年。多年蒸散量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在2003-2007年增長(zhǎng)速度較快，之后呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)，2014年以后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于全球氣候變暖，溫度上升，降雨量少，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射變大，從而蒸散量增加。根據(jù)阿瓦提灌區(qū)蒸散量的最大值、最小值和平均值，選用阿瓦提灌區(qū)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(qū)多年平均月蒸發(fā)量和降水量變化圖

圖3 阿瓦提灌區(qū)2000-2017年平均蒸散量變化圖

4.2.1 天然植被生態(tài)需水量估算

(1)天然林地的生態(tài)需水量估算。天然林地的生態(tài)需水量采用彭曼公式法。天然林地在陸地生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)演變與發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)相關(guān)資料[17]得出灌區(qū)天然灌木林地的生態(tài)需水系數(shù)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(tài)需水定額為2 081.9 mm，凈生態(tài)需水定額為2 055.6 mm，根據(jù)土壤水修正系數(shù)0.38，得出阿瓦提灌區(qū)2016年天然林地生態(tài)需水量1.25×108m3。天然林地的生態(tài)需水量計(jì)算表見(jiàn)表4。

表4 天然林地的生態(tài)需水量計(jì)算表

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

表5 草地的生態(tài)需水量計(jì)算表

4.2.2 人工植被生態(tài)需水量估算

(1)農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)需水量估算。農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)需水量采用彭曼公式法計(jì)算。農(nóng)田防護(hù)林是為改善小氣候保證作物穩(wěn)產(chǎn)而營(yíng)造的防護(hù)林。參考作物蒸散量為2 238.6 mm，防護(hù)林的生態(tài)需水系數(shù)為0.93，土壤水分修正系數(shù)取0.37，有效降水量為26.3 mm，農(nóng)田防護(hù)林的需水定額1 522.6 mm，凈需水定額1 496.3 mm，農(nóng)田防護(hù)林面積為0.5×104hm2。計(jì)算得出阿瓦提灌區(qū)2016年農(nóng)田防護(hù)林的生態(tài)需水量為0.03×108m3。農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)需水量計(jì)算表見(jiàn)表6。

表6 農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)需水量計(jì)算表

(2)作物生態(tài)需水量估算。作物生態(tài)需水量采用彭曼公式法計(jì)算。作物生態(tài)需水量是指作物經(jīng)過(guò)正常生長(zhǎng)發(fā)育，獲得高產(chǎn)量植株體的所需要的水量之和。目前阿瓦提縣灌區(qū)作物主要包括糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，糧食作物為冬小麥、玉米和復(fù)播玉米，經(jīng)濟(jì)作物為棉花(常規(guī)灌)、棉花(滴灌)和其他經(jīng)作物。根據(jù)資料，作物生態(tài)需水量計(jì)算表見(jiàn)表7，由表7可以看出，作物總生態(tài)需水量為4.39×108m3，其中，棉花的生態(tài)需水量最大，為3.41×108m3，這是因?yàn)榘⑼咛峁鄥^(qū)種植作物主要以棉花為主；其他經(jīng)作物的生態(tài)需水量最小，為0.12×108m3。綜合以上計(jì)算結(jié)果得出阿瓦提灌區(qū)2016年河道外生態(tài)需水量為6.8×108m3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。各生態(tài)需水量所占比重見(jiàn)圖4。由圖4可知，作物生態(tài)需水量占的比例最大，農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)需水量占的比例最小。

表7 阿瓦提縣各種作物生態(tài)需水量計(jì)算表

注：作物需水定額和種植面積數(shù)據(jù)來(lái)源于阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣農(nóng)田水利規(guī)劃現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告

表8 阿瓦提灌區(qū)河道外生態(tài)需水量 108 m3

4.3 河道內(nèi)生態(tài)需水量

河道內(nèi)生態(tài)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(tài)需水量估算 河道基本生態(tài)需水量是指維持河道最基本的生態(tài)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(qū)的地表水資源主要由老大河提供，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)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(qū)限額配水量為8.62×108m3/a。采用蒙大拿法計(jì)算得出，阿瓦提灌區(qū)2016年的基本生態(tài)需水量為0.86×108m3。阿瓦提灌區(qū)河流生態(tài)需水量計(jì)算表見(jiàn)表9。

圖4 阿瓦提灌區(qū)河道外各生態(tài)需水量比例

表9 阿瓦提灌區(qū)河流生態(tài)需水量計(jì)算表108m3

4.3.2 河流輸沙需水量 對(duì)于西北地區(qū)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)河流具有干旱少雨的特點(diǎn)，致使河流泥沙問(wèn)題表現(xiàn)的更加突出。過(guò)量泥沙問(wèn)題導(dǎo)致水平面上升，甚至?xí)霈F(xiàn)地上河的危險(xiǎn)。根據(jù)老大河水文站1958-1965、1981-1984年共12 a完整的泥沙測(cè)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，阿瓦提灌區(qū)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(qū)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(lái)源有：上游山區(qū)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(lái)的風(fēng)化物，導(dǎo)致河流輸沙需水量增大。河流輸沙需水量計(jì)算表見(jiàn)表10。

表10 河流輸沙需水量計(jì)算表

4.3.3 河流水面蒸發(fā)需水量 由圖2可知，降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量。所以對(duì)于西北地區(qū)來(lái)說(shuō)，河流水面蒸發(fā)不容忽視。阿瓦提灌區(qū)年蒸發(fā)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(qū)的水面蒸發(fā)需水量為0.52×108m3。根據(jù)雒天峰等[18]的資料，動(dòng)水比靜水水面狀態(tài)下多蒸發(fā)12%～38%，取25%。計(jì)算得出阿瓦提灌區(qū)2016年水面蒸發(fā)需水量為0.65×108m3。河流水面蒸發(fā)需水量見(jiàn)表11。

表11 河流水面蒸發(fā)需水量計(jì)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(qū)滲漏需水占阿瓦提灌區(qū)河道內(nèi)生態(tài)需水重要一部分，采用達(dá)西公式(公式7)計(jì)算河流滲漏需水量。其中，滲漏系數(shù)K取3，I取0.57%，河道長(zhǎng)度L取0.75×105m，含水層厚度H取98 m，時(shí)間T取365 d，得出河流滲漏需水量0.89×108m3。

綜合以上結(jié)果，得出阿瓦提灌區(qū)2016年河道內(nèi)生態(tài)需水量為6.57×108m3，見(jiàn)表12，各生態(tài)需水量所占比重見(jiàn)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(qū)實(shí)行限額配水，沒(méi)有多余水量進(jìn)行排砂，導(dǎo)致渠系淤積嚴(yán)重。

表12 阿瓦提灌區(qū)河道內(nèi)生態(tài)需水量 108 m3

圖5 阿瓦提灌區(qū)河道內(nèi)各生態(tài)需水量比例

4.4 建議

通過(guò)本次研究，提出以下建議：

(1)在農(nóng)業(yè)用水方面，嚴(yán)格控制用水總量，適當(dāng)壓減灌溉面積，農(nóng)田作物上多推廣滴灌等節(jié)水措施，適當(dāng)調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，增加耗水量小的農(nóng)作物類型。

(2)在工程建設(shè)方面，對(duì)引水樞紐進(jìn)行優(yōu)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(yùn)行效率，保障渠道正常輸水和高效節(jié)水技術(shù)應(yīng)用。

(3)在生態(tài)濕地恢復(fù)與保護(hù)方面，利用艾西曼湖攔蓄洪水和灌溉棄水，恢復(fù)艾西曼湖生態(tài)濕地功能，同時(shí)兼顧蓄余補(bǔ)缺，調(diào)節(jié)水量，緩解春旱，沉蓄泥沙的作用。

5 結(jié) 論

在分析整理大量資料的前提下，針對(duì)不同植被生態(tài)需水特點(diǎn)，采用與之相適宜的生態(tài)需水研究方法對(duì)阿瓦提灌區(qū)生態(tài)需水進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)果表明：阿瓦提灌區(qū)2016年生態(tài)需水總量為13.37×108m3，其中河道外生態(tài)需水量6.8×108m3，占需水總量的50.86%；河道內(nèi)生態(tài)需水量6.57×108m3，占需水總量的49.14%。

通過(guò)阿瓦提灌區(qū)生態(tài)需水量研究，提出阿瓦提生態(tài)用水建議，為今后阿瓦提的水資源開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。研究過(guò)程中還存在以下問(wèn)題：在計(jì)算參考作物蒸散量時(shí)，由于技術(shù)和人員的問(wèn)題，地面上空大氣層頂接收的太陽(yáng)輻射能是通過(guò)公式計(jì)算而不是儀器測(cè)出，這給計(jì)算帶來(lái)了誤差，從而影響研究區(qū)的參考作物蒸散量。在今后的研究中，通過(guò)人員和技術(shù)的改進(jìn)，可使參考作物蒸散量的計(jì)算更加準(zhǔn)確。