【摘要】寧武天池是我國高山天池之一，而近年來受人類活動(dòng)影響，天池水量逐漸減少。根據(jù)水鹽均衡分析結(jié)果表明，人類活動(dòng)影響導(dǎo)致天池地表水徑流條件的改變、地下水側(cè)向補(bǔ)給條件的改變和天池排泄條件的改變，進(jìn)而影響到天池水量衰減的權(quán)重分別為22%、20%和58%，而天池排泄量的增加是天池水量衰減的主要原因，如果按此趨勢(shì)發(fā)展，天池最終水量均衡狀態(tài)已接近干涸，失去了其旅游景觀價(jià)值及生態(tài)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】寧武天池；水鹽均衡；衰減分析

1、寧武天池概況

寧武天池古稱祁連池或馬營海，是我國高山天池之一，位于寧武縣城西南20km的黃河流域和海河流域分水嶺東部，海子背村村南1km處，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°12′、北緯38°52′，海拔1771m，形成于新生代第四紀(jì)冰川期，距今約300萬年。多少年來，人們對(duì)天池的認(rèn)識(shí)是“陽旱不涸、陰霖不溢、澄亭如鑒”。然而，近年來湖水水位呈明顯下降趨勢(shì)。據(jù)調(diào)查，上世紀(jì)60年代，湖面面積約0.8km2，水深8m，到2016年4月，面積僅剩0.43km2，水深減至5.5m。

2、分析研究機(jī)理

天然狀況下，天池補(bǔ)給途徑主要有湖面降水P（mm）、地表徑流Rs（萬m3）和地下水側(cè)向補(bǔ)給Rg（萬m3），排泄途徑有蒸發(fā)E（mm）和地下水側(cè)向排泄Qg（萬m3）。其水量平衡關(guān)系式有：

式中：Ss1為地表徑流的含鹽量，萬t；Sg1為地下水側(cè)向補(bǔ)給的含鹽量，萬t；Sg2為地下水側(cè)向排泄帶走的鹽量，萬t；ΔS為計(jì)算時(shí)段內(nèi)湖水鹽儲(chǔ)量的變化量，萬t。

經(jīng)《內(nèi)陸湖泊水鹽均衡定律及其實(shí)證》（馬秀峰等）提出并證明了內(nèi)陸湖泊水鹽均衡定律，即在一定條件下，湖泊經(jīng)長期演化之后，入、蓄水礦化比與損、補(bǔ)水量之比的代數(shù)和將收斂為1。基于此理論，根據(jù)天池水量平衡及鹽量平衡關(guān)系，得到以下規(guī)律：

若天池水量長期存在不等式約束條件：

式中：Am為天池最高水位Hm時(shí)的水面面積，km2；A0為天池最低水位H0時(shí)的水面面積，km2；C為地表徑流與地下水側(cè)向補(bǔ)給混合后的入湖水礦化度，mg/L；Sm為湖泊水鹽均衡以后的礦化度，mg/L。

3、天池水鹽均衡分析

由于缺少對(duì)天池的歷史觀測資料，根據(jù)人們對(duì)天池水量變化的認(rèn)識(shí)，可將天池的演變大致分為以下兩個(gè)階段：

（1）1992以前，天池受人類活動(dòng)影響小，水量變化不大，可將這個(gè)時(shí)段近似作為天池水鹽均衡的穩(wěn)定時(shí)期；

（2）1992以后，受人類活動(dòng)影響，如天池周邊興修隧洞、隧道、水利工程等，天池水量在此期間有所減少，可將此時(shí)段作為天池逐步向水鹽均衡期演變的過渡時(shí)期；

據(jù)此，可將天池水鹽均衡期可分為兩種均衡狀態(tài)，第一種為天池自然演變，未受人類活動(dòng)影響，所形成的歷史均衡期；第二種為受到現(xiàn)狀補(bǔ)給區(qū)人類活動(dòng)影響，改變天池自然條件，且各種影響已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，并在假定天池已達(dá)到鹽平衡狀態(tài)且不考慮排泄條件變化的影響，所最終形成的現(xiàn)狀均衡期。

在均衡狀態(tài)下，湖泊水量及礦化度均不發(fā)生變化，且水量均衡及鹽量均衡存在一定的關(guān)系。即：

據(jù)此可分析計(jì)算得到天池兩種狀態(tài)下的水均衡期特征。式中入湖礦化度C由地表入湖徑流量礦化度CRs和地下水側(cè)向補(bǔ)給量礦化度CRg共同決定。其計(jì)算公式為：

C= （7）

由于天池區(qū)域資料條件較為缺乏，很多數(shù)據(jù)無法直接獲取，只能通過人們直觀的認(rèn)識(shí)及現(xiàn)狀獲取的資料來綜合分析，從而確定天池在不同條件下的最佳均衡期特征。

（1）歷史均衡期

從對(duì)天池歷史條件的調(diào)查了解到，天池水面面積約0.8km2，且能夠保持較為穩(wěn)定的水量均衡狀態(tài)，因此對(duì)于天池歷史均衡期的均衡條件仍以天池水面面積為0.8km2的狀態(tài)進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算分析，最終確定歷史均衡期水量平衡關(guān)系及均衡特征為：天池水面面積為0.80km2，湖庫蓄水量為300.0萬m3，均衡期礦化度為350.0mg/L。

（2）現(xiàn)狀均衡期

由于現(xiàn)狀條件受人類活動(dòng)影響，改變了天池自然條件，因此假設(shè)在各種影響已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，且天池現(xiàn)狀已達(dá)到鹽平衡狀態(tài)來進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算分析，最終確定現(xiàn)狀均衡期水量平衡關(guān)系及均衡特征為：天池水面面積為0.50km2，湖庫水量為220.0萬m3，均衡期礦化度為292.0mg/L。詳見表3-1。

4、天池2008～2015年水量平衡分析及水量衰減分析

4.1 降水及蒸發(fā)分析

天池水量衰減主要發(fā)生于2000年以后，因此主要分析降水或蒸發(fā)2000年以后的變化情況，據(jù)此了解其對(duì)天池水量衰減的影響。

（1）降水 分析資料為1971～2015年海子背雨量站年、月、日降水資料。

通過分析計(jì)算，海子背雨量站降水量呈豐枯變化，且2001～2015年平均降水量較多年平均降水量偏豐8.9%，因此，降水量的變化不是天池水量衰減的主要影響因素。

降雨模式主要用于表征區(qū)域內(nèi)降雨特性，小量級(jí)的頻繁降水只能濕潤地表，當(dāng)單次降水量較少時(shí)，降雨從地表迅速蒸發(fā)而不產(chǎn)生徑流，對(duì)于土壤水分補(bǔ)充來講是無效降水。分析認(rèn)為日降水量小于5mm的均為無效降水，據(jù)此來統(tǒng)計(jì)大于5mm的日降水量值來分析降水模式改變所帶來的影響。通過分析，雖然2001-2015年年均累積降水量與年降水量的比值有所減少，但年均累積降水量較多年平均偏豐。因此，降雨模式的變化不是天池水量衰減的主要影響因素。

（2）蒸發(fā) 分析資料為1959～2013年寧武氣象站年、月、日蒸發(fā)資料。

通過采用山西省第二次水資源評(píng)價(jià)中汾河流域的水面蒸發(fā)折算系數(shù)：非冰期0.63，冰期0.61，計(jì)算得到寧武氣象站1959～2013年E601型水面蒸發(fā)量。通過分析，2001～2013年蒸發(fā)量較多年平均蒸發(fā)量偏小7.5%，因此分析認(rèn)為，區(qū)域蒸發(fā)量變化不是天池水量衰減的主要影響因素。

4.2 天池水量變化

因天池水量觀測記錄只有2008～2015年，故分析計(jì)算僅對(duì)2008～2015年天池的水量平衡關(guān)系與上述兩個(gè)均衡期水量平衡關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，據(jù)此來分析判斷天池補(bǔ)給或排泄量的變化情況。

4.3 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)天池調(diào)查了解，現(xiàn)狀情況下，天池即有暖泉溝水庫的調(diào)水補(bǔ)給W暖，又有冰期采冰水量W采，故現(xiàn)狀天池水量平衡關(guān)系公式為：

0.1A*P+Rs+Rg+W暖=0.1A*E +Qg+U采±ΔV （8）

根據(jù)上式分別分析各項(xiàng)目的計(jì)算參數(shù)。

（1）湖面降水量0.1A*P、湖面蒸發(fā)量0.1A*E

湖面降水（蒸發(fā)）量通過天池水面面積乘以降水深（蒸發(fā)深）計(jì)算得到。

（2）入湖地表徑流量Rs

河流的徑流主要受到降雨、氣溫、時(shí)空分布、流域形態(tài)、人類活動(dòng)等因素的影響。由于天池匯水面積較小，且沒有合適的水文站能夠代表天池匯水區(qū)的徑流特征，計(jì)算方法參考《忻州市不同水文下墊面降雨徑流關(guān)系特性分析》（楊丙寅）的分析研究，采用不同水文下墊面特征進(jìn)行分析計(jì)算。

降水是影響徑流量的另一個(gè)主要因素，對(duì)于天池歷史均衡期年，由于地下水位較現(xiàn)狀水位要高，而不易迅速蒸發(fā)，故對(duì)于天池歷史均衡期降水量采用年均降水量計(jì)算，而現(xiàn)狀均衡期及2008～2015年時(shí)段采用的降水量以日降水大于5mm的累積年降水量作為徑流量計(jì)算的依據(jù)。

（3）地下水側(cè)向補(bǔ)給量Rg

地下水側(cè)向補(bǔ)給量計(jì)算采用降水入滲補(bǔ)給法來推求。根據(jù)砂頁巖地區(qū)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值來看，天池匯水區(qū)采用降水入滲系數(shù)0.17的取值較為合理。由于現(xiàn)狀條件天池匯水區(qū)受余莊隧道的影響，地下水補(bǔ)給量按年均減少6萬m3/a來進(jìn)行分析計(jì)算。

（4）地下水側(cè)向排泄量Qg

由于受人類活動(dòng)影響，如暖泉溝水庫的除險(xiǎn)加固、天池東岸修建碼頭、暖泉溝水庫岸邊人工開挖等均會(huì)對(duì)天池地下水側(cè)向排泄量產(chǎn)生影響。由于已知天池的蓄水量變化情況，在排除未考慮到的大的排泄或補(bǔ)給項(xiàng)的影響后，根據(jù)水量平衡原理，可求得天池側(cè)向排泄量的變化情況。

（5）暖泉溝水庫補(bǔ)給天池水量W暖、采冰取走的水資源量U采

根據(jù)調(diào)查，暖泉溝水庫補(bǔ)給天池水量：2011年20萬m3；2013年45萬m3。天池冬季采冰取走的水資源估算量：2012年5萬m3；2013年8萬m3。

4.4 天池現(xiàn)狀水量平衡

根據(jù)以上天池水量平衡計(jì)算參數(shù)的選取，分析計(jì)算得到2008～2015年天池水量平衡關(guān)系。

4.5 天池現(xiàn)狀水量平衡與均衡期對(duì)比分析

如表4-2為計(jì)算得到的天池2008～2015年水量平衡關(guān)系與不同條件下均衡期水量關(guān)系的對(duì)比情況表，由前述可知，現(xiàn)狀降水量或蒸發(fā)量的變化不是天池水量衰減的主要因素，表中看到降水或蒸發(fā)量的變化主要原因?yàn)榫鈼l件的改變，使得天池水面面積發(fā)生改變，從而改變其降水或蒸發(fā)量，但其根本原因在于降水深度或蒸發(fā)深度值的大小，與天池水面面積變化無關(guān)。因此，對(duì)于天池水量的變化主要考慮地表入湖徑流量Rs、地下水側(cè)向補(bǔ)給量Rg以及地下水側(cè)向排泄量Qg的改變。

為了直觀了解到表4-2各項(xiàng)影響程度大小，按下列公式進(jìn)行分析：

×100% （9）

式中： 為某計(jì)算量的影響程度； 為現(xiàn)狀均衡期的計(jì)算量； 為歷史均衡期的計(jì)算量； 為這一計(jì)算量在歷史均衡期補(bǔ)給或排泄總量的權(quán)重。因已排除自然因素對(duì)天池水量的影響，故其余項(xiàng)目的變化量均由人類活動(dòng)影響造成，為直觀了解人類活動(dòng)影響造成的大小，在上述基礎(chǔ)上，再通過分析得到其人類活動(dòng)影響的權(quán)重。通過分析，得到以下結(jié)果：

①2008～2015年與現(xiàn)狀均衡條件改變后所形成的現(xiàn)狀均衡期對(duì)比

通過分析對(duì)比，因地下水側(cè)向排泄量增加的影響程度為31.9%，而對(duì)于整個(gè)人類活動(dòng)影響天池水量變化衰減的情形來看，因人類活動(dòng)影響導(dǎo)致天池側(cè)向排泄量增加，進(jìn)而導(dǎo)致天池水量衰減，其影響權(quán)重為100%。

②2008～2015年與歷史均衡期對(duì)比

同樣，通過分析對(duì)比，因人類活動(dòng)影響導(dǎo)致地表水徑流條件改變和地下水側(cè)向補(bǔ)給條件的改變，其影響程度分別為8.3%和7.9%，地下水側(cè)向排泄量的影響程度為24.4%?？v觀整個(gè)天池水量衰減時(shí)期，可以得到，人類活動(dòng)影響導(dǎo)致天池地表水徑流條件改變、地下水補(bǔ)給徑流條件的改變和天池排泄條件的改變，其權(quán)重分別為22%、20%和58%。

5、天池水鹽均衡發(fā)展趨勢(shì)分析

根據(jù)上述天池地下水的側(cè)向排泄量變化特征，依據(jù)水鹽均衡規(guī)律，分別按照多年平均地下水排泄量48.2萬m3和現(xiàn)狀地下水排泄量34.2萬m3分析計(jì)算得到兩種排泄?fàn)顟B(tài)下的天池水均衡發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)?shù)叵滤判沽繛?8.2萬m3時(shí)，天池最終的水鹽均衡期特征為水面面積0.12km2，蓄水量5.0萬m3，湖水礦化度132.7mg/L。

當(dāng)?shù)叵滤判沽繛?4.2萬m3時(shí)，天池最終的水鹽均衡期特征為水面面積0.32km2，蓄水量50.0萬m3，湖水礦化度187.1mg/L。

從上述發(fā)展趨勢(shì)來看，如果天池不加以保護(hù)，仍以多年平均或現(xiàn)狀排泄量發(fā)展，其最終均衡狀態(tài)已接近干涸，失去了其旅游景觀價(jià)值及生態(tài)價(jià)值。

6、結(jié)論

通過對(duì)天池區(qū)域降水及蒸發(fā)分析結(jié)果表明，降水和蒸發(fā)不是天池水量衰減主要原因；通過天池現(xiàn)狀水量平衡與天池歷史均衡期及現(xiàn)狀均衡期對(duì)比分析認(rèn)為，天池水量的衰減與地表徑流條件的改變、地下水側(cè)向補(bǔ)給條件的改變以及地下水側(cè)向排泄條件的改變均有關(guān)系，且地下水側(cè)向排泄條件的改變?yōu)橹饕绊懸蛩?，而造成天池各?xiàng)均衡條件改變的因素為人類活動(dòng)影響。從天池發(fā)展趨勢(shì)來看，若不加以保護(hù)，天池最終均衡狀態(tài)已近干涸，失去其旅游景觀及生態(tài)價(jià)值。

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