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。