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        極端干旱區(qū)尾閭湖生態(tài)需水估算——以東居延海為例

        2014-05-05 06:17:04趙傳燕
        生態(tài)學(xué)報(bào) 2014年8期
        關(guān)鍵詞:生態(tài)

        張 華,張 蘭,趙傳燕

        (西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070)

        湖泊是陸地上重要的水體,主要通過入湖河川徑流、湖面降水和地下水而獲得水量,具有生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)、改善局部氣候、抑制沙塵暴和維護(hù)生物多樣性等多種功能。近年來,人類對(duì)湖泊資源的超載開采和不合理利用而導(dǎo)致湖泊不斷干枯、萎縮和水質(zhì)污染,從而造成湖泊周邊植被退化、生物多樣性減少、土地沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題。因此,迫切需要研究湖泊生態(tài)需水,協(xié)調(diào)人類與湖泊資源的關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)配置和持續(xù)利用。

        國外學(xué)者較早意識(shí)到保障湖泊生態(tài)需水的重要性,并對(duì)許多湖泊進(jìn)行了研究。David等認(rèn)為,湖泊水量必須保持在一定范圍內(nèi),才能保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的健康[1]。Abbaspour等以伊朗的烏爾米耶湖為例,通過確定生態(tài)、水質(zhì)和水量3個(gè)環(huán)境變量指標(biāo),研究了湖泊生態(tài)需水量[2]。Wharton通過建立數(shù)值模型,對(duì)維持珊頓公園Jualbup湖一定水位的需水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[3]。墨累-達(dá)令流域管理局對(duì)巴望達(dá)令河上游麥寧迪湖的環(huán)境需水進(jìn)行評(píng)估,以應(yīng)對(duì)新的環(huán)境問題和實(shí)施環(huán)境調(diào)水方案[4]。目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)湖泊生態(tài)需水的研究包括烏梁素海[5,6]、臥龍湖[7]、南四湖[8]、洞庭湖[9]、紅堿淖湖[10]、鄱陽湖[11]、烏古倫湖[12]、艾比湖[13]等。這些研究大多集中在濕潤半濕潤地區(qū),干旱區(qū)內(nèi)陸河尾閭湖生態(tài)需水研究較少。

        黑河下游為生態(tài)需水研究的熱點(diǎn)區(qū)域,已有的研究集中在以植被類型或生態(tài)系統(tǒng)類型為單元估算蒸散量,進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)區(qū)域的生態(tài)需水[14-16]。東居延海作為黑河下游重要的水資源庫,其水量的多寡對(duì)維系下游的生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán),遏制沙塵暴,改善鹽堿化和荒漠化具有重要作用,但尚未有學(xué)者對(duì)其生態(tài)需水進(jìn)行研究。目前,國內(nèi)外對(duì)湖泊生態(tài)需水的概念、內(nèi)涵還沒有形成統(tǒng)一的定義。本文估算的東居延海生態(tài)需水是指維持東居延海適宜的水域面積,防止湖泊萎縮和嚴(yán)重退化,保護(hù)和恢復(fù)周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境所必需消耗的水量,主要是湖泊水面蒸發(fā)和湖泊滲漏。本研究能為實(shí)現(xiàn)黑河流域水資源合理配置和維持東居延海湖泊生態(tài)功能提供依據(jù),為制定流域生態(tài)恢復(fù)方案提供科學(xué)參考。

        1 研究區(qū)概況

        黑河在狼心山分為東西兩河,分別注入尾閭湖東居延海(蘇古淖爾)、西居延海(噶順淖爾)和天鵝湖等。本文研究區(qū)為東居延海,經(jīng)緯度位置42°10'—42°20'N,101°12'—101°19'E,行政區(qū)劃上隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗(圖1),位于巴丹吉林沙漠西北邊緣。終年受蒙古氣團(tuán)控制,屬溫帶大陸性極端干旱氣候。光熱充足、蒸發(fā)量大、降水稀少。根據(jù)額濟(jì)納旗氣象站1961—2011年氣象資料,多年平均氣溫8.9℃,極端最高氣溫40.6℃,極端最低氣溫-35.3℃,日溫差一般為14—17℃,最高達(dá)34℃。多年平均降水量35.1 mm,年內(nèi)降水量60—70%集中在7—9月,多年平均蒸發(fā)量3317.1 mm。

        圖1 東居延海地理位置示意圖Fig.1 The geographical position of East Juyanhai

        東居延海是額濟(jì)納綠洲生態(tài)系統(tǒng)最重要的支撐點(diǎn),1927—1932年中瑞考察隊(duì)測(cè)量水域面積在30 km2以上,北部最大水深4.12 m,1958年航片測(cè)算水域面積為35.5 km2[17]。但自20世紀(jì) 60年代以來,由于黑河中游地區(qū)耗水量增加,補(bǔ)給下游額濟(jì)納旗的黑河水量不斷減少,造成下游綠洲荒漠化迅速發(fā)展,生態(tài)環(huán)境急劇退化,最終導(dǎo)致1992年東居延海徹底干涸。2000年開始對(duì)黑河流域進(jìn)行水資源統(tǒng)一調(diào)度,2002年,經(jīng)過調(diào)度的黑河水到達(dá)東居延海,水域面積最大達(dá)到23.5 km2。到2012年,由ETM影像獲得的東居延海水域面積最高達(dá)到55.96 km2,已經(jīng)連續(xù)8年不干涸,周邊生態(tài)環(huán)境得到較大改善。

        2 數(shù)據(jù)與模型

        2.1 數(shù)據(jù)

        遙感數(shù)據(jù)為2002—2012年各月的 Landsat 7 ETM+影像,來源為美國地質(zhì)勘查局(United Stated Geological Survey,USGS),軌道號(hào)為 133—31,影像云量小于30%,該數(shù)據(jù)具有較好的時(shí)間連續(xù)性。先對(duì)遙感影像進(jìn)行簡單幾何校正與配準(zhǔn)預(yù)處理,采用目視解譯法提取湖泊多邊形面域,利用ArcGIS 9.3對(duì)其進(jìn)行投影,再計(jì)算出湖泊面積。2003年5月31日以后,獲取的數(shù)據(jù)由于Landsat 7 ETM+機(jī)載掃描行校正器(SLC)故障有條帶,本文利用文獻(xiàn)18的方法對(duì)數(shù)據(jù)條帶進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后的影像誤差小,精度高[18]。

        氣象數(shù)據(jù)采用距東居延海最近的額濟(jì)納旗氣象站2002—2012年各月平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、水汽壓、降水量,來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)。因湖內(nèi)平均風(fēng)速比陸地約大2—3 m/s,湖內(nèi)靜風(fēng)率比陸地約少一半以上,所以湖面風(fēng)速采用氣象站風(fēng)速加3的處理方法,即W=W'+3W'為地面平均風(fēng)速(m/s)[19]。

        鶯落峽是黑河上游與中游的界限,正義峽是中游與下游的界限,黑河在狼心山分為東河與西河,這幾個(gè)水文站點(diǎn)是黑河干流的控制性站點(diǎn)。因此采用鶯落峽、正義峽和狼心山2002—2012年徑流量數(shù)據(jù)分析其與東居延海生態(tài)需水的關(guān)系。該數(shù)據(jù)來源于黑河流域管理局。

        2.2 生態(tài)需水估算模型

        東居延海屬于尾閭湖,根據(jù)水量平衡原理,其生態(tài)需水量應(yīng)保證補(bǔ)充湖泊水面蒸散的耗水量和湖泊滲漏需水量,故東居延海生態(tài)需水量等于水面蒸發(fā)耗水量、湖泊滲漏量與降水補(bǔ)給量之差,計(jì)算式如下:

        式中,V(t)為t時(shí)段內(nèi)湖泊生態(tài)需水量(m3);E(t)為t時(shí)段內(nèi)湖泊水面蒸發(fā)耗水量(m3);Q(t)為t時(shí)段內(nèi)湖泊滲漏需水量(m3);P(t)為t時(shí)段內(nèi)湖泊降水補(bǔ)給量(m3)。

        2.2.1 湖泊面積

        運(yùn)用月保證率設(shè)定法計(jì)算不同保證率下湖泊面積。

        首先,將ETM影像解譯獲得的東居延海2002—2012年各月湖面面積,按照由大到小的順序排列;其次,對(duì)湖面面積進(jìn)行分組,確定組數(shù)、組距和各組的頻數(shù),計(jì)算各組的頻率;然后,根據(jù)湖泊結(jié)構(gòu)和功能選擇適宜的保證率(50%、75%、95%);最后,計(jì)算不同保證率下對(duì)應(yīng)的月及多年平均情況下的各月湖泊面積[20]。

        2.2.2 湖面蒸發(fā)耗水量

        水面蒸發(fā)量計(jì)算式如下:

        式中,Ea為單位面積水面蒸發(fā)量(mm/d);A(t)為t時(shí)段內(nèi)湖泊的面積(m2)。

        其中,Ea是運(yùn)用李萬義建立的水面蒸發(fā)量計(jì)算模型來確定,模型如下[21]:

        式中,e0為水面飽和水汽壓(hpa);e150為水面上空1.5 m處水汽壓(hpa);W為水面以上1.5 m處風(fēng)速(m/s);U為相對(duì)濕度,以小數(shù)計(jì)。

        飽和水汽壓e0可按馬格努斯(Magnus)經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算[20]:

        式中,e0水為氣溫為 t時(shí)對(duì)應(yīng)的水面飽和水汽壓(hpa);e0冰為氣溫為 t時(shí)對(duì)應(yīng)的冰面飽和水汽壓(hpa)。

        將式(4)或(5)代入(3)式,得到水面蒸發(fā)計(jì)算模型的具體表達(dá)式如下:

        東居延海冬季寒冷,湖水每年從11月中旬開始結(jié)冰,1月形成穩(wěn)定的冰蓋,次年3月中旬出現(xiàn)浮冰。因此,1月、2月和12月采用式(5)計(jì)算飽和水汽壓,其他月份采用式(4)計(jì)算飽和水汽壓。所以,3—11月的湖泊水面蒸發(fā)量用式(6)進(jìn)行計(jì)算,12—翌年2月的湖泊水面蒸發(fā)量用式(7)進(jìn)行計(jì)算。

        2.2.3 滲漏量

        湖泊滲漏需水量為湖泊的滲漏系數(shù)與湖泊面積乘積[22],其表達(dá)式為:

        式中,k為隔水巖層(亞粘土層)滲漏系數(shù),經(jīng)驗(yàn)值為0.01(mm/d)[23]。

        2.2.4 降水補(bǔ)給量式中,p為單位面積降水量(m)。

        3 東居延海生態(tài)需水估算

        3.1 不同保證率下湖面面積計(jì)算

        湖泊面積保證率是指在某一時(shí)段內(nèi),湖面面積大于或小于某一界限的頻率的總和,用于說明該種狀況出現(xiàn)的可靠程度。圖2為ETM影像解譯獲得的東居延海2002—2012年各月湖面實(shí)際面積,選擇50%為理想保證率,75%為適宜保證率,95%為最小保證率[24],按 2.2.1 方法計(jì)算出保證率分別為50%、75%、95%的各月湖面面積(表1)。

        圖2 東居延海2002—2012年各月湖面實(shí)際面積Fig.2 The actual surface area of each month from 2002 to 2012 of East Juyanhai

        3.2 蒸發(fā)耗水量計(jì)算

        依據(jù)氣象數(shù)據(jù),由式(3)—(6)或(7)計(jì)算出東居延海2002—2012年各月月均蒸發(fā)量,再由式(2)得到不同保證率的各月月均蒸發(fā)量(圖3)。

        圖3 東居延海2002—2012年各月月均蒸發(fā)量和不同保證率的各月月均蒸發(fā)耗水量Fig.3 The average monthly evaporation from 2002 to 2012 and the evaporation water consumption under different guarantee rates of East JuYanHai

        3.3 滲漏量計(jì)算

        因東居延海是淺水湖泊,湖底面積可近似地等于湖面面積,由表1和式(8)得到東居延海在不同保證率下月均、年均滲漏量(表2)。

        表1 東居延海不同保證率下各月湖面面積Table 1 The surface area of each month under different guarantee rates of East Juyanhai

        表2 東居延海在不同保證率下的滲漏量Table 2 The leakage of under different guarantee rates of East JuYanHai

        3.4 降水補(bǔ)給量計(jì)算

        利用額濟(jì)納旗氣象站觀測(cè)的月降水量計(jì)算出2002—2012年各月月均降水量和年均降水量,再由式(9)計(jì)算出東居延海在不同保證率下降水補(bǔ)給量(表 3)。

        表3 東居延海在不同保證率下的湖面降水補(bǔ)給量Table 3 The precipitation of different guarantee rates of East JuYanHai

        3.5 生態(tài)需水量

        將保證率為50%、75%、95%的蒸發(fā)耗水量、滲漏量、降水補(bǔ)給量代入(1)式中,得到東居延海不同保證率的各月月均和年均生態(tài)需水量(表4)。

        表4 東居延海生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果Table 4 The ecological water requirement calculations of East Juyanhai

        4 結(jié)論與討論

        東居延海自2002年7月恢復(fù)水域以來,雖然有兩次干涸,但湖面面積總體在不斷擴(kuò)大(圖2)。東居延海地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈,年均湖面蒸發(fā)耗水量大(圖3),在保證率為50%、75%、95%下的年均蒸發(fā)耗水量分別為 1.79×108、1.61×108、1.04×108m3,年均滲漏量分別為 15.08×104、13.53×104、8.73×104m3(表2),年均降水補(bǔ)給量分別為 118.11×104、105.99×104、68.41×104m3(表 3),年均生態(tài)需水量分別為1.78×108、1.60×108、1.03×108m3(表 4)。

        圖4 東居延海年均生態(tài)需水量與各水文站年徑流量的百分比Fig.4 The annual ecological water requirement of East Juyanhai with percentagesoftheannualrunoffofeach hydrological station

        根據(jù)鶯落峽、正義峽、狼心山年徑流資料,得到各水文站2002—2012年年均徑流量分別為18.44×108、10.95×108、5.78×108m3。東居延海在保證率為50%、75%、95% 下的年均生態(tài)需水量分別約占鶯落峽年均徑流量的 9.66%、8.66%、5.59%,約占正義峽年均徑流量的 16.27%、14.60%、9.42%,約占狼心山年均徑流量的 30.81%、27.65%、17.84%(圖4)。

        生態(tài)需水量估算結(jié)果表明:在最小保證率95%下,維持東居延海23.94 km2的湖泊面積,使湖泊不再萎縮,周邊生態(tài)環(huán)境不嚴(yán)重退化的最小生態(tài)需水量為1.03×108m3;在適宜保證率75%下,維持東居延海37.09 km2的湖泊面積,使其周邊生態(tài)環(huán)境得到初步改善的生態(tài)需水量為1.60×108m3;在理想保證率50%下,維持東居延海41.33 km2的湖泊面積,使其周邊生態(tài)環(huán)境得到較大改善的生態(tài)需水量為1.78×108m3。黑河徑流量對(duì)東居延海及額濟(jì)納綠洲有直接的影響,東居延海及其周邊生態(tài)環(huán)境對(duì)黑河徑流量存在依賴關(guān)系。因此,在不同時(shí)期,應(yīng)根據(jù)東居延海生態(tài)需水量占黑河流域上、中、下游徑流量的比例合理分配水資源。

        本文利用遙感技術(shù)目視解譯ETM影像提取東居延海2002—2012年各月湖面面積,通過水文保證率法確定不同保證率下的湖面面積,結(jié)合額濟(jì)納旗氣象站觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算湖泊蒸發(fā)耗水量和降水補(bǔ)給量,根據(jù)湖泊滲漏系數(shù)估算湖泊滲漏量,并運(yùn)用水平衡原理構(gòu)建湖泊生態(tài)需水模型,對(duì)東居延海的生態(tài)需水量進(jìn)行了初步估算。能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)黑河流域水資源的科學(xué)管理、合理配置和持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù),對(duì)恢復(fù)和重建東居延海周邊植被具有一定的參考價(jià)值。

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