高 喆，李 凱，周潤田，趙 沛，董國濤

（黑河水資源與生態(tài)保護(hù)研究中心，甘肅蘭州730030）

水資源是我國西北內(nèi)陸地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)平衡的關(guān)鍵制約因素［1-2］。黑河是我國第二大內(nèi)陸河，但水資源有限，中游用水量增加導(dǎo)致進(jìn)入下游的水量減少［3］，致使下游河道斷流、土地荒漠化日趨嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化［4］，為解決這些問題，國家自2000年起對黑河干流水量實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度。2000—2017年正義峽—狼心山區(qū)間的耗水損失量年均為5.43億m3（約占正義峽斷面下泄水量的48%），最大為7.83億m3（2003年），最小為 4.29億 m3（2001年），相差較大。河段蒸發(fā)滲漏損失量的變化使下游水量配置存在不確定性，嚴(yán)重影響實(shí)時調(diào)度效果。

河道的蒸發(fā)滲漏是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)［5］，也是水文地質(zhì)學(xué)的重要內(nèi)容［6］，河道滲漏量是確定河流與地下水之間轉(zhuǎn)化量的重要參數(shù)，也是區(qū)域水資源管理的重要方面［7］。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和測量手段的提高，許多新方法被應(yīng)用到河道蒸發(fā)和滲漏研究中。T.VOGT等［8］應(yīng)用光學(xué)纖維高分辨率垂直溫度剖面儀估算了河道滲漏損失速率；K.D.KINZLI等［9］利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀測定灌區(qū)渠道滲漏損失；席海洋等［10］對滲透速率特征進(jìn)行了研究，分析了影響滲透速率的主要因素；李靜［11］通過抽水試驗(yàn)，運(yùn)用水力層析法對含水層的滲漏通道進(jìn)行了反演；龍德江［12］利用主成分回歸法對影響水面蒸發(fā)的主要因素進(jìn)行了分析；丁薇［13］采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對水面蒸發(fā)量進(jìn)行了預(yù)測研究；魏光輝等［14］采用關(guān)聯(lián)分析法對比分析了新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣及塔里木盆地北緣非冰期水面蒸發(fā)影響因素；還有學(xué)者采用水力學(xué)、同位素以及示蹤等方法研究地下水滲漏補(bǔ)給機(jī)理并對滲漏量進(jìn)行確定［15］。對于黑河下游河道蒸發(fā)和滲漏的研究，仵彥卿等［16］采用電導(dǎo)方法定性研究了鼎新至哨馬營河段滲漏的轉(zhuǎn)化途徑，張應(yīng)華等［17］定點(diǎn)估算了鼎新至居延海河段每年的河道滲漏量。以往的研究多集中在河道滲漏轉(zhuǎn)化途徑、蒸發(fā)滲漏量估算及影響因素等方面，很少涉及將河道蒸發(fā)量和滲漏量分別計(jì)算。經(jīng)過黑河干流水量調(diào)度多年實(shí)踐，人們已初步掌握了下游正義峽—狼心山河段的輸水損失規(guī)律，但河道蒸發(fā)量和滲漏量分別占的比例大小尚不清晰，需要開展河道蒸發(fā)量和滲漏量分割計(jì)算，以提高生態(tài)調(diào)度輸水效率和水資源配置效益。筆者基于水量平衡法，計(jì)算黑河干流正義峽—狼心山河段的蒸發(fā)量與滲漏量，以期為黑河干流水量精細(xì)化調(diào)度提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑河下游地處中亞荒漠東南部，屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū)。多年平均氣溫為8.4℃，降水量為53.3 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，干燥系數(shù)為44.7，屬極端干旱區(qū)。本文研究河段位于黑河干流下游正義峽與狼心山水文控制斷面之間，跨甘肅省高臺縣、金塔縣和內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗，區(qū)間河道長度為211.6 km，其中：正義峽—哨馬營段161.4 km，哨馬營—狼心山段50.2 km。根據(jù)2000—2017年觀測資料，正義峽、哨馬營、狼心山水文站多年平均徑流量分別為 11.14億、7.22億、6.10億m3。

2 研究方法

（1）數(shù)據(jù)源及處理。本文氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）和水文站獲取，遙感影像由地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）下載，水文數(shù)據(jù)由正義峽、哨馬營、狼心山水文站獲取。插值和遙感數(shù)據(jù)解譯利用 ArcGIS實(shí)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通過Matlab編碼實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、關(guān)系擬合、相關(guān)性分析分別利用Excel、SPSS及SigmaPlot完成。

（2）河道水面蒸發(fā)量計(jì)算。研究區(qū)河段地處平原區(qū)，河道較寬淺平緩，水流速度較小，W蒸發(fā)可近似看作靜止水面蒸發(fā)量。受氣象條件差異和水面面積影響，水面蒸發(fā)呈現(xiàn)較大時空變異性，對于任意河段，單位時間內(nèi)水面蒸發(fā)總量計(jì)算公式為

式中：E為單位時間單位面積蒸發(fā)量；A為計(jì)算時段的水面面積。

水面蒸發(fā)量通常利用蒸發(fā)皿實(shí)測獲得，但研究區(qū)內(nèi)只有鼎新氣象站有蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，而單點(diǎn)蒸發(fā)量數(shù)據(jù)無法在整個河段內(nèi)插值，因此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［18］，利用鼎新站蒸發(fā)量和氣象數(shù)據(jù)，建立蒸發(fā)量（E）和氣溫 （T）、相對濕度 （Rh）、氣壓 （P）、風(fēng)速 （Ws）、日照時數(shù) （Sd）的關(guān)系：

式（2）中，P、Sd和Ws在局部區(qū)域差異較小，因此可以利用鼎新站資料代替；T和Rh在更大空間范圍內(nèi)具有良好的規(guī)律性，并且易于觀測，數(shù)據(jù)相對易于獲取，本文采用克里金法［19］，根據(jù)鼎新氣象站數(shù)據(jù)，通過時空插值得到正義峽、哨馬營、狼心山水文站數(shù)據(jù)。計(jì)算時段內(nèi)的河道水面面積通過建立流量—水面面積關(guān)系獲取，不同時段的河道水面面積通過遙感影像解譯獲取（本文采用的遙感影像包括Landsat4 TM、Landsat5 TM 和 Landsat 8 OLI＿TIRS）。

（3）水面面積確定。選取2004年黑河水量常規(guī)調(diào)度期開始以來的 12期（20050417、20060911、20060927、20070914、20100720、20100922、20110925、20130930、20140512、20150718、20160720、20170824，其中：2004—2011年為 TM影像數(shù)據(jù)，2012—2017年為ETM影像數(shù)據(jù)）Landsat TM/ETM遙感影像（軌道行列號為134/032），通過目視解譯獲取各期河道內(nèi)的過水面積。

（4）蒸發(fā)滲漏量計(jì)算。根據(jù)水量平衡原理，一段閉合河道內(nèi)水量損失等于輸入量和輸出量的差值，因此在有出入口水文站控制的河段，河道內(nèi)水量變化可以根據(jù)上下游水文站徑流量計(jì)算：

式中：ΔW為河道內(nèi)水量變化量；I和O分別為同一時段上游水文站輸入徑流量和下游水文站輸出徑流量。

一般河道水量變化包括支流匯入量、流出量、取用水量、河道與地下水交換量以及蒸發(fā)量和降水量。正義峽—狼心山段黑河干流無支流匯入或流出，河道和地下水的交換只有滲漏，而沒有地下水補(bǔ)給河水。因此，該段河流水量變化可以表示為

式中I、O和W取用水可以通過觀測資料直接獲得，W降水在單位面積降水量已知的情況下可以通過河段面積計(jì)算得到。結(jié)合式（1）、式（2），通過E和A計(jì)算河段蒸發(fā)總量后，河段滲漏量則可以通過式（5）得到。

3 結(jié)果分析

3.1 河段蒸發(fā)量計(jì)算

3.1.1 日均流量與河道過水面積之間的關(guān)系

水流從正義峽站傳輸?shù)缴隈R營站需要24～34 h，基于正義峽站前一日流量數(shù)據(jù)，構(gòu)建日均流量和區(qū)間河道過水面積之間的關(guān)系（見圖1（a）），當(dāng)正義峽站流量小于130 m3/s時，正義峽—哨馬營段的過水面積與正義峽站前一日流量成以e為底的指數(shù)函數(shù)關(guān)系：y＝36.015e0.0069x（R2＝0.81）。 同樣，哨馬營—狼心山段的過水面積與哨馬營站前一日流量也是以e為底的指數(shù)函數(shù)關(guān)系（見圖 1（b））：y ＝ 13.776e0.0068x（R2＝0.81）。

圖1 日均流量與過水面積之間的關(guān)系

3.1.2 日均流量分布及累計(jì)頻率

統(tǒng)計(jì)2005—2017年正義峽水文站日均流量分布及累計(jì)頻率（見圖2（a）），可知正義峽站的日均流量為0～130 m3/s的比例在95%以上，因此可利用正義峽站的日均流量與正義峽—哨馬營段過水面積的關(guān)系式計(jì)算該河段的過水面積。同樣，統(tǒng)計(jì)2005—2017年哨馬營站日均流量分布及累計(jì)頻率（見圖2（b）），可知哨馬營站的日均流量為0～130 m3/s的比例在95%以上，因此可利用哨馬營站日均流量與哨馬營—狼心山段過水面積的關(guān)系式計(jì)算該河段的過水面積。

圖2 日均流量分布與累計(jì)頻率

3.1.3 各河段月過水面積計(jì)算

利用正義峽站日均流量與正義峽—哨馬營段過水面積關(guān)系式y(tǒng)＝36.015e0.0069x、哨馬營站日均流量與哨馬營—狼心山段過水面積關(guān)系式y(tǒng)＝13.776e0.0068x，結(jié)合正義峽站與哨馬營站日均流量資料，計(jì)算得到2005—2017年正義峽—哨馬營河段過水面積和哨馬營—狼心山河段過水面積，并計(jì)算河段月均過水面積，計(jì)算結(jié)果分別見表1、表2。

3.1.4 蒸發(fā)量計(jì)算

根據(jù)鼎新氣象站2005—2017年蒸發(fā)量資料，結(jié)合黑河干流正義峽—狼心山河段的月均過水面積，計(jì)算得到該河段的年蒸發(fā)量（見圖3）。2005—2017年正義峽—狼心山河段年平均蒸發(fā)量為1.32億m3，其中：2013年最高（1.46億 m3），2005年最低（1.19億 m3）。正義峽—哨馬營河段蒸發(fā)量約為哨馬營—狼心山河段的3倍，兩河段的變化趨勢基本一致。

表1 2005—2017年正義峽—哨馬營段月均過水面積 km2

表2 2005—2017年哨馬營—狼心山段月均過水面積 km2

圖3 2005—2017年正義峽—狼心山河段蒸發(fā)量變化

3.2 蒸發(fā)量和滲漏量分割計(jì)算

根據(jù)2005—2017年正義峽、哨馬營及狼心山水文站徑流實(shí)測資料，正義峽站多年平均進(jìn)入下游的水量為12.23億 m3，其中：2010 年最小（9.61 億 m3），2017年最大（15.87億m3）；哨馬營站和狼心山站多年平均進(jìn)入下游的水量分別為7.92億、6.83億m3，最小年份和最大年份均分別為2010年和2017年，各水文站年徑流量變化趨勢基本一致（見圖4）。

圖4 2005—2017年各站年徑流量變化情況

鼎新灌區(qū)是正義峽—哨馬營段最重要的取用水河段，主要引水口門為大墩門引水樞紐，根據(jù)2005—2017年大墩門引水樞紐資料，多年平均引水量為1.01億m3，其中2017年引水量最大，為1.27億m3。哨馬營—狼心山段多年平均引水量為0.29億m3，最大引水年份也是2017年，引水量為0.38億m3。各河段引水量見表3。

表3 2005—2017年正義峽—狼心山段引水量及滲漏量億m3

根據(jù)水量平衡原理，河段總的蒸發(fā)滲漏損失量為上斷面過水量減去下斷面過水量，再減去區(qū)間引水量。從正義峽—狼心山河段各年總的蒸發(fā)滲漏損失量減去年蒸發(fā)量即可得到年滲漏量（見表3）。由表3可知：2005—2017年正義峽—狼心山河段年平均滲漏量為2.77 億 m3，這與張婕等［20］計(jì)算的 2005—2013 年該河段年均滲漏量2.69億m3基本一致；2014年滲漏量最大（4.03億 m3），2008 年滲漏量最?。?.12 億 m3）；正義峽—哨馬營河段滲漏量約為哨馬營—狼心山河段的5倍。由正義峽—狼心山河段蒸發(fā)量、滲漏量對比（見圖5）可知，多年平均蒸發(fā)量與滲漏量之比約為1∶2。

圖5 2005—2017年正義峽—狼心山河段蒸發(fā)量、滲漏量對比

4 結(jié) 論

（1）基于對黑河干流正義峽—狼心山段不同流量級下河道過水面積的遙感解譯，建立了不同斷面日均流量與過水面積的關(guān)系式，結(jié)合氣象觀測資料與正義峽—狼心山段的過水面積，計(jì)算獲得該河段年平均蒸發(fā)量為1.32億m3。

（2）正義峽—哨馬營河段蒸發(fā)量、滲漏量分別約為哨馬營—狼心山河段的3倍、5倍，兩段的變化趨勢基本一致。

（3）基于水量平衡原理，對正義峽—狼心山河段的蒸發(fā)量、滲漏量進(jìn)行分割，結(jié)果表明該河段多年平均滲漏量為2.77億m3，約為多年平均蒸發(fā)量的2倍。