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        東居延海入湖水量及水面變化分析

        2019-07-26 08:33:02王明權(quán)
        關(guān)鍵詞:儲(chǔ)水量來(lái)水量入湖

        王明權(quán)

        (甘肅廣播電視大學(xué) 理工農(nóng)醫(yī)學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

        一、研究背景

        位于內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗北部的東居延海,是我國(guó)第二大內(nèi)陸河黑河的尾閭湖之一。黑河以鶯落峽以上為上游,鶯落峽至正義峽為中游,正義峽以下為下游。黑河出祁連山北麓鶯落峽進(jìn)入中游,縱貫河西走廊重鎮(zhèn)張掖全境。隨著以農(nóng)業(yè)為主的中游社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,對(duì)水資源的需求不斷增加,導(dǎo)致黑河下泄下游的水量減少。黑河出正義峽進(jìn)入下游后,從上世紀(jì)60年代起干流再無(wú)地表支流匯入[1]。除河流沿岸和居延三角洲外,大部分為沙漠戈壁,屬極端干旱區(qū),降雨稀少不能產(chǎn)生持續(xù)的地表徑流,東居延海1992年干涸,額濟(jì)納地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡。2002年黑河調(diào)水入東居延海,從2005年的入湖水與上年度的調(diào)水匯合后,東居延海不再干涸。通過(guò)多年的探索實(shí)踐,調(diào)水工作取得了很大成效,額濟(jì)納綠洲生態(tài)環(huán)境惡化得到了有效遏制,東居延海湖區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好發(fā)展。另外,位于黑河上游東、西兩岔交匯處下游11公里的黃藏寺水利樞紐工程,是黑河干流首座控制性工程,現(xiàn)已開(kāi)工建設(shè)?!逗诤狱S藏寺水利樞紐工程項(xiàng)目建議書(shū)》認(rèn)為該工程樞紐完成后可以增加狼心山斷面來(lái)水量1.18×108m3。工程投入使用后必將對(duì)黑河調(diào)水產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。東居延海維持一定的水面面積是生態(tài)環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展的內(nèi)在要求,而水面面積是湖體在一定儲(chǔ)水量作用下的外在表現(xiàn)。分析狼心山斷面來(lái)水量與東居延海的入湖水量的關(guān)系,研究?jī)?chǔ)水量與水面面積的變化規(guī)律及水面面積變化的影響因素,能夠?yàn)闁|居延海進(jìn)一步開(kāi)展生態(tài)調(diào)水工作提供科學(xué)支持。

        二、數(shù)據(jù)來(lái)源與整理

        本文中研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)鶯落峽斷面實(shí)測(cè)來(lái)水量、狼心山斷面過(guò)水量、向東居延海補(bǔ)水量、東居延海最大水面面積的數(shù)據(jù)來(lái)源于水利部黃河水利委員會(huì)黃河網(wǎng)(www.yellowriver.gov.cn/)黑河干流水量調(diào)度情況公告。東居延海水面面積與儲(chǔ)水量的數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)黑河流域管理局(www.hhglj.org/category/zwgk)發(fā)布的水情信息。在數(shù)據(jù)整理中,對(duì)于東居延海水面面積相同、儲(chǔ)水量不同的情況,保持水面面積數(shù)據(jù)不變,儲(chǔ)水量的數(shù)據(jù)取平均值;儲(chǔ)水量相同、水面面積不同的情況,保持儲(chǔ)水量的數(shù)據(jù)不變,水面面積數(shù)據(jù)取平均值。

        三、東居延海入湖水量分析

        (一)狼心山斷面來(lái)水量和東居延海入湖水量

        自2008年以來(lái)狼心山斷面來(lái)水量累計(jì)80.18×108m3,年均來(lái)水量7.29×108m3,最小來(lái)水量為2010年的4.83×108m3,最大來(lái)水量為2017年的10.71×108m3。東居延海累計(jì)入湖水量7.36×108m3,年均入湖水量0.669×108m3,最小入湖水量為2010年的0.48×108m3,最大入湖水量為2017年的0.89×108m3。東居延海入湖水量占狼心山斷面來(lái)水量的比在6.07%~15.15%之間。根據(jù)圖1所示,狼心山斷面來(lái)水量離散性大于東居延海入湖水量,總體呈現(xiàn)波動(dòng)中上升趨勢(shì)。

        圖1 狼心山斷面來(lái)水量和東居延海入湖水量圖

        按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論,相關(guān)系數(shù)R 表明了隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的密切程度。進(jìn)行相關(guān)分析時(shí),為了避免過(guò)大的抽樣誤差,水文變量至少應(yīng)有10 項(xiàng)同期觀測(cè)資料,東居延海的入湖水量與狼心山斷面的來(lái)水量的系列資料符合樣本容量要求。用excel中的數(shù)據(jù)分析工具,對(duì)東居延海入湖水量與狼心山斷面來(lái)水量做相關(guān)分析,Rsquare=0.14145,表明東居延海入湖水量與狼心山斷面來(lái)水量?jī)烧咧g的相關(guān)關(guān)系不密切。

        狼心山水利樞紐包括東西河入口的分水閘和狼心山水文站。狼心山水文站是黑河干流進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納綠洲的重要水文控制站。狼心山水利樞紐位于額濟(jì)納綠洲上游頂點(diǎn),也是黑河下游河道分流為東河(入東居延海)和西河(入西居延海)的起點(diǎn)。在東西兩河之間,建有東干渠與狼心山水利樞紐相連。東干渠流程約120km,最終注入東河,利用渠道輸水效率高的優(yōu)點(diǎn)向東西河之間的中戈壁進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水,遏制中戈壁的生態(tài)退化。另外,也可關(guān)閉東干渠上的節(jié)制閘輸水到東河后直接向東居延海補(bǔ)水。狼心山水利樞紐通過(guò)設(shè)在東西河口的分水閘通過(guò)閘門(mén)調(diào)節(jié),向各河調(diào)配水量。東西河的調(diào)配水量沒(méi)有固定的比例,東居延海入湖水量只是狼心山來(lái)水量中的一部分。這是東居延海入湖水量與狼心山斷面來(lái)水量?jī)烧咧g的相關(guān)關(guān)系不密切的原因之一。

        (二)東河河道輸水損失率計(jì)算

        東居延海所在的額濟(jì)納綠洲位于阿拉善高原的湖盆低地,地處亞洲大陸腹地,屬于典型的溫帶大陸性氣候區(qū)。氣候極端干旱,水資源貧乏,降雨產(chǎn)生的地表徑流不能維持河流的常年流動(dòng)。黑河下游河道都是天然河道,正義峽到哨馬營(yíng)河段處于沙漠腹地,受沙漠入侵及風(fēng)積沙的影響,河道內(nèi)形成眾多沙丘,屬沙質(zhì)河床,河道的滲漏失較大,哨馬營(yíng)至狼心山斷河道相對(duì)較窄,由于河床下切交深,存在相對(duì)穩(wěn)定的河槽,河道的滲漏失較小。而從狼心山到東居延海,即東河段,河道輸水損失變得更加復(fù)雜。東河斷面不規(guī)則,屬寬淺型沙質(zhì)河床,河道滲漏量大。東河在居延海三角洲向北又分為11條支流,成扇形分布。雖然黑河調(diào)水實(shí)施“全線閉口、集中下泄”措施,但是上游鶯落峽下泄水量不受人為調(diào)節(jié),河道的過(guò)水流量隨時(shí)間變化,在不考慮輸水過(guò)程中的向河道外引流的情況下,此區(qū)間的河道輸水損失,采用自由滲流情況下的渠道滲漏損失經(jīng)驗(yàn)公式(1)估算河道損失流量[2]。

        Γ:地下水頂托修正系數(shù);

        A:河床土壤透水系數(shù);

        m—河床土壤透水指數(shù);

        Qn—河道凈流量,m3/s;

        L—河道長(zhǎng)度,km;

        河道輸水損失率按(2)計(jì)算。

        η—河道輸水損失率;

        在總結(jié)國(guó)內(nèi)外建筑防火設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和消防科研成果以及開(kāi)展大量科學(xué)研究的基礎(chǔ)上,公安部組織編制了《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建規(guī)》),新增了對(duì)建筑保溫系統(tǒng)的防火要求,于2015年5月1日實(shí)施,并于2018年進(jìn)行了局部修訂?!督ㄒ?guī)》第6.7節(jié)建筑保溫和外墻裝飾對(duì)外墻保溫作了具體規(guī)定,整體上體現(xiàn)了“材料防火”與“構(gòu)造防火”的理念,以條文規(guī)定的形式將這兩個(gè)理念予以明確,可以認(rèn)為該規(guī)范可用于解決外保溫使用階段的火災(zāi)問(wèn)題。

        以東居延海入湖水量與單次補(bǔ)水時(shí)間的比值作為Qn;區(qū)段內(nèi)的地下水埋深較大,地下水頂托修正系數(shù)γ=1;根據(jù)河道土質(zhì)性質(zhì),河床土壤透水系數(shù)A=3.4,河床土壤透水指數(shù)m=0.5;河道長(zhǎng)度L以160km 計(jì)。采用(1)、(2)對(duì)不同補(bǔ)水天數(shù)對(duì)應(yīng)的入湖水量計(jì)算輸水損失率,結(jié)果如表1所示。經(jīng)計(jì)算得到狼心山到東居延海河段河道輸水損失率均值為57.96%。從狼心山到東居延海段河道輸水損失率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正義峽到馬哨營(yíng)的26.65%、馬哨營(yíng)到狼心山的10.75%[3]。采用狼心山到東居延海河段河道輸水損失率均值為57.96%,對(duì)每年度東河需要過(guò)水量進(jìn)行還原計(jì)算。如表2所示,東河需過(guò)水量最小為0.83×108m3,需過(guò)水量最大為1.54×108m3。東河需過(guò)水量占狼心山來(lái)水量比在10.47%~26.13%的范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí),由表1可知,東河也存在輸水流量大而河道輸水損失率

        表1 東居延海單次補(bǔ)水輸水損失率表

        四、東居延海水面面積變化分析

        (一)東居延海水面年內(nèi)變化規(guī)律

        黑河水是東居延海改善和恢復(fù)生態(tài)植被的惟一水源。通過(guò)調(diào)水將緩解這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化、沙漠侵襲的趨勢(shì),有效補(bǔ)充湖濱地區(qū)的地下水小的特點(diǎn)。因此,在向東居延海補(bǔ)水過(guò)程中,在計(jì)劃入湖水量相同的情況下,應(yīng)采用減小補(bǔ)水天數(shù),加大流量的措施。位,改善生態(tài)環(huán)境。2002年黑河調(diào)水首次流入東居延海,2004年開(kāi)始至今東居延海不再干涸。東居延海自2008年以來(lái),調(diào)水入湖累計(jì)34 次,入湖水量總計(jì)7.34108m3,水面面積最大43.1 km2,2008年以來(lái)的的當(dāng)年最大面面積與入湖水量如圖2所示。

        表2 東河各年度需過(guò)水量表

        圖2 東居延海當(dāng)年最大面積與入湖水量圖

        在東居延海補(bǔ)水過(guò)程中,單位時(shí)間內(nèi)入湖水量大于單位時(shí)間內(nèi)湖水的損耗,湖面面積才會(huì)隨補(bǔ)水時(shí)間的持續(xù)而增大。入湖水量一部分轉(zhuǎn)化為湖內(nèi)的儲(chǔ)存水體,一部分用于湖水的損耗。在一年之內(nèi),開(kāi)始由于東居延海封凍,湖面面積不發(fā)生變化。解凍以后東居延海水面面積由于沒(méi)有水體的補(bǔ)充只有水量損耗先是逐漸減小。隨著黑河調(diào)水工作的開(kāi)始,同期入湖水量大于同期湖水的損耗量,東居的延海開(kāi)始儲(chǔ)水,湖面面積不斷增大。在補(bǔ)水的末期,入湖水量小于湖水的損耗量時(shí),儲(chǔ)水量不再增加,湖面面積不再增大,開(kāi)始減小。湖面面積最大值不是在補(bǔ)水工作結(jié)束時(shí)出現(xiàn),而是存在于補(bǔ)水后期入湖水量等于湖水的損耗量時(shí)。補(bǔ)水結(jié)束以后,由于有沒(méi)有水體補(bǔ)充,水面面積隨時(shí)間推移持續(xù)減小。每年12月初左右,隨著氣溫的降低,東居延海封凍后湖面面積不發(fā)生變化。歷年調(diào)水入湖次數(shù)不完全相同,通常湖面面積最大值產(chǎn)生于年內(nèi)最后一次補(bǔ)水過(guò)程中。

        (二)水面面積與儲(chǔ)水量、水深與儲(chǔ)水量曲線繪制

        隨著東居延海補(bǔ)水工作的開(kāi)展,儲(chǔ)水量和水面面積不斷增長(zhǎng),考慮到因湖盆的形狀不規(guī)則,湖面面積依儲(chǔ)水量變化的關(guān)系采用多項(xiàng)式擬合,多項(xiàng)式擬合問(wèn)題實(shí)際就是按偏差平方和最小的原則選取擬合曲線,并且采取二項(xiàng)式方程為擬合曲線的方法,稱(chēng)為最小二乘法。多項(xiàng)式在本質(zhì)上是無(wú)邊界的振蕩函數(shù)。東居延海補(bǔ)水成效最主要的直觀表現(xiàn)就是水面面積值。為了使擬合精度提高,結(jié)合補(bǔ)水效果,對(duì)東居延海水面面積為31.8km2、儲(chǔ)水量為2830×104m3作起點(diǎn),以水面面積為43.1km2、儲(chǔ)水量為9750×104m3作終點(diǎn)的區(qū)段,若以水面面積為因變量、儲(chǔ)水量為自變量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。水面面積與儲(chǔ)水量的關(guān)系如圖3所示?;貧w方程:

        圖3 東居延海水面面積與儲(chǔ)水量曲線

        (3)式中y為水面面積,單位km2;x為儲(chǔ)水量,單位104m3。R2=0.9989 表明公式擬合較好。

        根據(jù)收集到的水面面積和與之對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)水量的值,由小到大排序,采用(4)式計(jì)算相鄰水面之間高差ΔZ,自湖底逐個(gè)高差累加,便可得到某一儲(chǔ)水量對(duì)應(yīng)的水深[4]。繪制的東居延海水深與儲(chǔ)水量曲線如圖4所示。

        ΔZ:水層深度,即兩相鄰水面的高差,m;

        ΔV:相鄰水面的容積,m3;

        F上,F(xiàn)下:兩相鄰水面面積,m2;

        圖4 東居延海水深與儲(chǔ)水量曲線

        對(duì)應(yīng)由儲(chǔ)水量為2830×104m3、水面面積為31.8km2,變化到儲(chǔ)水量為9750×104m3、水面面積為43.1 km2,儲(chǔ)水量增加了6920×104m3,水面面積增加11.3 km2,而水深增加了1.747 m。在補(bǔ)水過(guò)程中,水深的增加速度小于儲(chǔ)水量的增加速度。在水面面積為43.1 km2時(shí),東居延海最大水深為3.09 m,平均水深為2.26 m。東居延海水深與儲(chǔ)水量曲線體現(xiàn)東居延海的湖盆成淺碟狀形態(tài)。

        (三)東居延海水量耗損分析

        東居延海是內(nèi)陸湖,湖內(nèi)水體沒(méi)有排泄口,也無(wú)生產(chǎn)生活向外引用水。湖水的消耗主要是蒸發(fā)、滲漏。而東居延海滲漏量由滲透損失和滲漏損失兩部分組成。

        蒸發(fā)量是指在一定時(shí)段內(nèi),水分經(jīng)蒸發(fā)而散布到空中的量,通常用蒸發(fā)掉的水層厚度的毫米數(shù)表示,一般溫度越高、濕度越小、風(fēng)速越大、氣壓越低、則蒸發(fā)量就越大;反之蒸發(fā)量就越小。由于東居延海所處的氣象環(huán)境,蒸發(fā)損失的水量占水量耗損絕大部分。根據(jù)蒸發(fā)量的定義,東居延海年蒸發(fā)量就是不考慮補(bǔ)水情況下湖面水面下降的高度,與水面面積無(wú)關(guān)。在蒸發(fā)量相同條件下,湖面面積較大時(shí)蒸發(fā)損耗的水量多,因此在年內(nèi)蒸發(fā)量高峰過(guò)后的時(shí)段進(jìn)行補(bǔ)水,補(bǔ)水水量轉(zhuǎn)化為湖體儲(chǔ)水量的效率高,對(duì)湖面面積的擴(kuò)大效果好。

        由于飽和湖岸土體而引起的湖水損失稱(chēng)為滲透損失,這種滲透現(xiàn)象在東居延海補(bǔ)水時(shí)發(fā)生,只要在補(bǔ)水過(guò)程中湖面面積增大, 就會(huì)產(chǎn)生滲透損失。滲透損失決定于湖面面積的增加量、湖岸土體補(bǔ)水前的孔隙率和需滲透飽和的湖岸面到地下水面之間的高差。

        湖水沿透水層的滲水通道外滲,而引起的損失,稱(chēng)滲漏損失。在東居沿海進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的最初幾年滲漏損失較大,當(dāng)補(bǔ)水工作進(jìn)行幾年后,因向東居沿海的補(bǔ)水多在上游發(fā)生雨洪時(shí)期進(jìn)行,補(bǔ)水過(guò)程中水流挾帶的泥沙進(jìn)入東居沿海,由于水流流速減小,泥沙淤積,湖底孔隙逐漸被淤塞,且湖岸地下水位升高,因而滲漏損失會(huì)逐漸遞減趨于穩(wěn)定。另外,由于額濟(jì)納盆地南、西、北三面為低山環(huán)抱,東居延海處于盆地的低洼地帶,隨著黑河調(diào)水工作的進(jìn)行,河道內(nèi)入滲的部分水體可能會(huì)以地下徑流方式補(bǔ)給湖水,因此認(rèn)為東居延海水量耗損不包括滲漏損失。

        五、結(jié)論

        狼心山分水閘調(diào)配給東河的水量不存在完全比例關(guān)系,且河道在不同的流量情況下輸水效率不同,所以東居延海的入湖水量與狼心山斷面的來(lái)水量雖然存在一定的聯(lián)系,但兩者之間的相關(guān)關(guān)系不密切。狼心山到東居延海的河道輸水損失率均值為57.96%,是東居延海的入湖水量與狼心山來(lái)水量相關(guān)關(guān)系不顯著的主要因素。由于東河河道的輸水損失率高,因此在向東居延海輸水過(guò)程中需要采用大流量補(bǔ)水的措施。東居延海水面面積與儲(chǔ)水量曲線、水深與儲(chǔ)水量曲線直觀反映了水面面積、儲(chǔ)水量、水深之間的關(guān)系,可以作為東居延海補(bǔ)水管理調(diào)度的重要依據(jù)。東居延海水量耗損主要是蒸發(fā)損失,在年內(nèi)蒸發(fā)量高峰過(guò)后的時(shí)段進(jìn)行補(bǔ)水,補(bǔ)水水量轉(zhuǎn)化為湖體儲(chǔ)水量的效率高,對(duì)湖面面積的擴(kuò)大效果好。

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