西北干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量計算

西北干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量計算

受地理環(huán)境和氣候條件的影響，中國西北干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境相對脆弱。此外，人類活動的影響容易發(fā)生，如河流中斷、河流沼澤消失、河流下游自然植被退化。因此，對內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境所需水量的研究具有重要意義。自20世紀40年代以來,對河流生態(tài)環(huán)境需水量的概念、涵義及計算方法已做了大量研究。對河流生態(tài)環(huán)境需水量計算,國外常采用7Q10法、Tennant法、Texas法、NGPRP法、濕周法、R2-Cross法、CASIMIR法、IFIM/PHABSIM法、RCHARC法、BBM法及整體評價法等,這些方法多側(cè)重于計算生物維持其自身發(fā)展及保護生物多樣性需水量。國內(nèi)則根據(jù)河流不同生態(tài)功能分項計算需水量,一般包括河流基本生態(tài)、維持水生生物棲息地、水質(zhì)凈化、輸沙排鹽、滲漏和蒸發(fā)及景觀與娛樂等需水量。目前,我國對西北干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量的研究較少,仍以通用的7Q10法、Tennant法、環(huán)境功能設(shè)定法、水質(zhì)目標約束法及分項計算法等方法為主。在西北干旱區(qū),河流下游發(fā)育著大片的天然植被,而河流與地下水密切的水力聯(lián)系是這些天然植被生存的前提,在已有研究中卻少有提及。鑒此,本文根據(jù)西北干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)的特點分析內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量的計算方法,并以新疆臺蘭河為例計算其生態(tài)環(huán)境需水量。1內(nèi)陸河水生生物群落西北干旱區(qū)內(nèi)陸河發(fā)源于高寒山區(qū),山區(qū)水量大、流速快,出山口后由于強烈蒸發(fā)和滲漏水量變小,河道呈現(xiàn)寬、淺、散的特點。因此,對于內(nèi)陸河,尤其是小河流,洪水過程非常重要,不僅輸送大部分泥沙,且為河流下游綠洲提供大量生活、生產(chǎn)及生態(tài)用水。內(nèi)陸河水生生物群落較少,所以可不考慮維持水生生物棲息地需水量;含沙量較大,一般無景觀與娛樂功能,景觀與娛樂需水量不予計算;水質(zhì)污染較少,水質(zhì)凈化需水量亦可忽略不計。內(nèi)陸河下游常常發(fā)育大片天然植被,主要依靠汲取地下水而繁衍,河流下游需要足夠的側(cè)向徑流量以維持地下水埋深,是天然植被的主要水源。因此,在研究內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量時,計算河流下游天然植被生態(tài)環(huán)境需水量是非常必要的。西北干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量的計算應(yīng)包括河流基本生態(tài)需水量、河流輸沙需水量、河流滲漏補給地下水量及河流下游天然植被需水量。1.1河道最小水量河流基本生態(tài)需水量指為維持河床基本形態(tài)、防止河道斷流、保持水體天然自凈能力和避免河流水體生物群落遭到無法恢復(fù)的破壞而保留在河道中的最小水量。干旱區(qū)內(nèi)陸河流水體生物群落較少,河流基本生態(tài)需水量主要用于維持河床基本形態(tài)及防止河道斷流,可采用最小月流量平均法計算:Wb=365×24×3600×11010∑i=1Qi,mini=1?2???10(1)式中,Wb為河流基本生態(tài)需水量,m3/a;Qi,min為近10年中第i年最小月平均流量,m3/s。1.2泥沙輸送的季節(jié)和年際變化河流輸沙需水量指保持河道水流泥沙沖淤平衡所需水量,主要與河流上游來水來沙條件、泥沙顆粒組成、河流類型及河道形態(tài)等有關(guān)。干旱區(qū)內(nèi)陸河流含沙量較大,而汛期含沙量一般占全年含沙量的80%以上,即泥沙輸送主要集中在汛期。因此,根據(jù)汛期輸送單位泥沙所需的水量計算河流輸沙需水量:Ws=St/Scmax(2)式中,St為多年平均年輸沙量,kg/a;Scmax為多年最大月平均含沙量,kg/m3。1.3河流滲漏補給地下水量計算干旱區(qū)的平原或盆地,降水稀少,對地下水的補給通常很少;發(fā)源于山區(qū)的河流,高山冰雪融水或高山降水往往成為主要的甚至為唯一地下水補給來源。而在一些內(nèi)陸河下游無地表水補給的斷流河道,地下水則成為維系荒漠河岸林植物生長的唯一水源。因此,河道滲漏補給地下水量在整個生態(tài)系統(tǒng)中具有重要意義,是干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量計算不可缺少的部分。當河流與含水層有天然水力聯(lián)系時,可根據(jù)河流兩側(cè)地下水長期觀測孔取得的資料估算河流滲漏補給地下水量:Wl=KIhLT(3)式中,K為含水層滲透系數(shù),m/d;I為地下水水力坡度;h為含水層厚度,m;L為河水與地下水存在水力聯(lián)系的河段長度,m;T為河道過水時間,d。如果河流兩側(cè)無地下水動態(tài)觀測資料,可采用水文分析法計算河流滲漏補給地下水量:Wl=(Q上-Q下)(1-λ)L/L′(4)式中,Q上、Q下分別為上、下游水文站實測流量,m3/a;λ為兩測站間水面蒸發(fā)量與兩岸浸潤帶蒸發(fā)量之和占(Q上-Q下)的比率,由試驗確定;L為計算河段的長度,m;L′為兩測站間河段長度,m。1.4干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)需水量計算保護和改善生態(tài)環(huán)境的用水包括保護和恢復(fù)內(nèi)陸河下游的天然植被及生態(tài)環(huán)境用水。內(nèi)陸河下游天然植被是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,主要依賴地下水和地表水生存,因此河流下游天然植被生態(tài)需水量也應(yīng)包括在內(nèi)陸河流域河流生態(tài)環(huán)境需水量的計算中。干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)需水量計算的常用方法有面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植物蒸散發(fā)量法、水量平衡法、生物量法、基于遙感技術(shù)的計算方法。每種方法都有其優(yōu)缺點和適用范圍,其中面積定額法計算簡便,適用范圍廣,計算公式為:Wv=Ν∑i=1Wi=Ν∑i=1Airii=1?2???Ν(5)式中,Wv為植被生態(tài)需水總量,m3/a;Wi為植被類型i的生態(tài)需水量,m3/a;Ai為植被類型i的面積,m2;ri為植被類型i的生態(tài)需水定額,m3/(m2·a)。2托木爾峰流域以新疆臺蘭河為例,計算其生態(tài)環(huán)境需水量。臺蘭河位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)(圖1),發(fā)源于天山托木爾峰南麓,全長90km,流域總面積5145.9km2,是典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流。根據(jù)臺蘭水文站觀測資料,臺蘭河多年平均徑流量為7.56×108m3,徑流年際變化較大,年內(nèi)分配極不均勻,汛期(6~8月)水量占全年水量的66.6%。2.1臺蘭河的基本生態(tài)需求根據(jù)式(1),由臺蘭水文站近10年流量觀測資料計算得Wb=1.42×108m3/a。2.2含沙量的分配臺蘭河河流含沙量較大,年均懸移質(zhì)含沙量為3.93kg/m3;含沙量年內(nèi)分配極不均勻,汛期(6~8月)含沙量占全年含沙量的80%以上。根據(jù)式(2),由臺蘭水文站多年輸沙觀測資料計算得Ws=2.15×108m3/a。2.3滲漏補給量計算臺蘭河上下游滲透系數(shù)差別很大,王琴等研究表明從沖積平原到河流出山口,地下水系統(tǒng)的滲透系數(shù)由4m/d變?yōu)?00m/d;王曉惠等通過抽水試驗結(jié)果計算得到位于臺蘭河沖洪積扇扇緣的滲透系數(shù)為25~50m/d。因此,直接用式(3)估算臺蘭河滲漏補給量誤差較大。本文根據(jù)臺蘭水文站徑流資料和老龍口引水資料,采用水文分析法計算臺蘭河滲漏補給地下水量,結(jié)果見表1。河流滲漏補給地下水量與河道天然來水有關(guān),豐水年河流滲漏補給地下水量較大,枯水年則較小。本文取各年河流滲漏量的平均值作為臺蘭河滲漏補給地下水量Wl=1.48×108m3/a。2.4生態(tài)需水的測定臺蘭河流域內(nèi)天然植被主要位于臺蘭河下游東南側(cè)的烏魯克亞天然保護區(qū),保護區(qū)面積約9.2×104ha,其中紅柳5.0×104ha,灌木林1.0×104ha,胡楊3.2×104ha。結(jié)合已有研究結(jié)果,設(shè)定紅柳及灌木林生態(tài)需水定額為2700m3/(ha·a),胡楊生態(tài)需水定額為3000m3/(ha·a)。通過式(5)計算得Wv=2.58×108m3/a。2.5臺蘭河適宜生態(tài)環(huán)境需水量臺蘭河基本生態(tài)需水量為1.42×108m3/a,這是臺蘭河河道內(nèi)水量的最小值,若低于此值,臺蘭河就有可能發(fā)生斷流現(xiàn)象。臺蘭河是典型的內(nèi)陸河,多年平均徑流為7.56×108m3,洪水過程對其極為重要。根據(jù)臺蘭河汛期的水量、來沙量,河流輸沙過程主要在汛期完成。若汛期不能充分輸沙必然導致大量的泥沙在河槽淤積,進而導致河床不斷抬高,洪水威脅日益加大。因此,從保護河流生態(tài)系統(tǒng)及維護下游防洪安全考慮,汛期輸沙需水必須得到滿足。一般來說,河流輸沙需水量得到滿足后,河流的基本生態(tài)需水量也就能夠得到滿足。當河流輸沙需水量與河流滲漏補給地下水量都能滿足時,河流生態(tài)系統(tǒng)就能良好地運行,因此將這兩項之和稱為河流適宜生態(tài)環(huán)境需水量。臺蘭河適宜生態(tài)環(huán)境需水量為3.63×108m3/a。臺蘭河下游天然植被生態(tài)需水量為2.58×108m3/a,主要依靠吸收地下水來維持生長,目前地下水主要依靠烏魯亞克河下游及臺蘭河下游東南側(cè)向補給。隨著流域水資源的開發(fā),臺蘭河下游河道水量將會大幅減少。為維持天然生態(tài)區(qū)的地下水位,需通過生態(tài)輸水工程向烏魯克亞天然保護區(qū)輸水,以提高生態(tài)用水的保證率。3生態(tài)需水量及需水資源量a.結(jié)合已有研究結(jié)果及干旱區(qū)內(nèi)陸河流生態(tài)系統(tǒng)的特點,分析了干旱區(qū)內(nèi)陸河流生態(tài)環(huán)境需水量的計算方法,并計算了新疆臺蘭河生態(tài)環(huán)境需水量。結(jié)果表明,臺蘭河基本生態(tài)需水量為1.42×108m3/a,適宜生態(tài)環(huán)境需水量為3.63×108m3/a,分別占臺蘭河多年平均徑流量的18.78%和48.02%。臺蘭河下游天然植被生態(tài)需水量為2.58×108m3/a,目前主要由地下水