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，由于人類活動強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，對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)出來的主要問題有：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)者已展開大量研究[1]。根據(jù)不同植被生態(tài)需水特點(diǎn)，探索計算生態(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]。

翻閱國內(nèi)外相關(guān)資料，對生態(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”的問題[3]。在初步研究中，針對河流的生態(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，國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)在生態(tài)需水研究上[5]。對于生態(tài)環(huán)境，人們的意識不斷加強(qiáng)，不少國家更加重視生態(tài)環(huán)境需水，尤其是一些歐美發(fā)達(dá)國家[6]。

國外生態(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)、三個農(nóng)場，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℃，無霜期192.6 d[12]，日數(shù)由平原向山區(qū)遞減。灌區(qū)通過阿克蘇老大河引水，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40 km。

根據(jù)《阿瓦提縣地下水開發(fā)建設(shè)實施方案》，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)第一師實行最嚴(yán)格水資源管理制度落實 “三條紅線”控制指標(biāo)的復(fù)核意見》新水函(2015)10號文件規(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)來源于中國氣象網(wǎng)站。

水文地質(zhì)參數(shù)：水文地質(zhì)參數(shù)來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 有效降水量的計算

有效降水量是計算生態(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公式計算阿瓦提灌區(qū)的參考作物蒸散量，計算公式如(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)驗系數(shù)，各地州取值見表2所示；n為實際日照時數(shù)，h/d；N為最大可能日照時數(shù)，h/d；Ra為地面上空大氣層頂接收的太陽輻射能，MJ/(m2·d)；Tmax為日(時段)最高氣溫，℃；Tmin為日(時段)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 新疆各地實測a、b值

注：數(shù)據(jù)來源：《新疆地下水研究》[14]和《新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報》[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)行計算，即需水定額(年蒸發(fā)量)乘以面積。計算公式如(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為河道長度,m；H為含水層厚度,m；T為時間,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。對于生態(tài)系統(tǒng)來說，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，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，在2003-2007年增長速度較快，之后呈現(xiàn)穩(wěn)步增長，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)需水量計算表見表4。

表4 天然林地的生態(tài)需水量計算表

(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)需水量計算表見表5。

表5 草地的生態(tài)需水量計算表

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)需水量計算表見表6。

表6 農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)需水量計算表

(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算。作物生態(tài)需水量是指作物經(jīng)過正常生長發(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)需水量計算表見表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，這是因為阿瓦提灌區(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。計算結(jié)果見表8。各生態(tài)需水量所占比重見圖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)需水量計算表

注：作物需水定額和種植面積數(shù)據(jù)來源于阿克蘇地區(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)過實測資料分析得出，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)需水量計算表見表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)需水量計算表108m3

4.3.2 河流輸沙需水量 對于西北地區(qū)來說，大多數(shù)河流具有干旱少雨的特點(diǎn)，致使河流泥沙問題表現(xiàn)的更加突出。過量泥沙問題導(dǎo)致水平面上升，甚至?xí)霈F(xiàn)地上河的危險。根據(jù)老大河水文站1958-1965、1981-1984年共12 a完整的泥沙測驗資料統(tǒng)計，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。河流輸沙需水量計算表見表10。

表10 河流輸沙需水量計算表

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。所以對于西北地區(qū)來說，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，動水比靜水水面狀態(tài)下多蒸發(fā)12%～38%，取25%。計算得出阿瓦提灌區(qū)2016年水面蒸發(fā)需水量為0.65×108m3。河流水面蒸發(fā)需水量見表11。

表11 河流水面蒸發(fā)需水量計算表

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%，河道長度L取0.75×105m，含水層厚度H取98 m，時間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，見表12，各生態(tài)需水量所占比重見圖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)實行限額配水，沒有多余水量進(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)需水研究方法對阿瓦提灌區(qū)生態(tài)需水進(jìn)行計算，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發(fā)利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。研究過程中還存在以下問題：在計算參考作物蒸散量時，由于技術(shù)和人員的問題，地面上空大氣層頂接收的太陽輻射能是通過公式計算而不是儀器測出，這給計算帶來了誤差，從而影響研究區(qū)的參考作物蒸散量。在今后的研究中，通過人員和技術(shù)的改進(jìn)，可使參考作物蒸散量的計算更加準(zhǔn)確。