白 濤，許 佳，2，鄧銘江，2，慕鵬飛，李永兵，趙 星

（1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.新疆寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 阿勒泰 836500）

1 研究背景

我國(guó)對(duì)生態(tài)修復(fù)的研究起始于1990年代。2003年，董哲仁［1］提出了“生態(tài)水工學(xué)”的概念，指出在傳統(tǒng)水利工程的設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮動(dòng)植物的生存需求，保證河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，建設(shè)人水和諧的生態(tài)水利工程。目前國(guó)內(nèi)正在興起河流生態(tài)修復(fù)的研究和應(yīng)用的浪潮，在水質(zhì)生態(tài)修復(fù)、河道形態(tài)修復(fù)、生態(tài)河堤建設(shè)、生態(tài)景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域取得了大量的研究成果［2-3］。但在水庫(kù)生態(tài)水量下泄后的演進(jìn)、調(diào)節(jié)、灌溉、耗水等研究領(lǐng)域關(guān)注偏少，導(dǎo)致水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度與下游植被的灌溉系統(tǒng)相脫節(jié)。由于目前河谷林草灌溉方式比較粗獷，尚未做到精細(xì)化灌溉，造成生態(tài)調(diào)度的需水量過(guò)大以及絕大部分區(qū)域無(wú)法得到有效灌溉等，整體的生態(tài)修復(fù)效果不明顯。

2013年，張瑞強(qiáng)等［4］研究了水分補(bǔ)償對(duì)內(nèi)蒙古退化草地生態(tài)修復(fù)效果；2015年，劉鈺等［5］研究了四平地區(qū)玉米和大豆生育期內(nèi)多年平均降水量和需水規(guī)律，提出了作物適宜灌水量；2016年，Borin等［6］研究了不同灌溉方式下土壤溶液化學(xué)特性、水稻響應(yīng)及水分利用效率；李茉等［7］針對(duì)灌溉水資源供需矛盾突出且用水效率低等問(wèn)題，研究能夠保證灌溉水資源可持續(xù)利用的安全閾值；2017年，鄧銘江等［8］針對(duì)我國(guó)額爾齊斯河流域生態(tài)問(wèn)題，提出了漓漫灌溉理念；2018年，林俊強(qiáng)等［9］通過(guò)文獻(xiàn)梳理和分析，提出了生態(tài)修復(fù)頂層設(shè)計(jì)思路；蔣尚明等［10］依托灌溉試驗(yàn)站田間降水-作物耗水-土壤水相互轉(zhuǎn)化的長(zhǎng)序列試驗(yàn)成果，構(gòu)建了灌區(qū)田間尺度水量蓄-耗-灌-排全過(guò)程的水資源模擬模塊；楊高等［11］通過(guò)物理結(jié)構(gòu)完整性定量評(píng)估了河岸帶生態(tài)修復(fù)效應(yīng)，研究成果對(duì)缺少實(shí)測(cè)資料的生態(tài)修復(fù)工程具有重要的應(yīng)用價(jià)值；2019年，Peng等［12］分析了影響田間作物生理需水量的環(huán)境因素，提供了一種有效的作物需水量預(yù)測(cè)模型，用以估算作物生育期的需水量；2020年，杜彥良等［13］根據(jù)濕地植物對(duì)水質(zhì)的作用機(jī)理，利用MIKE模型模擬了人工濕地中各水質(zhì)指標(biāo)的變化，研究成果為大尺度濕地生態(tài)修復(fù)提供了依據(jù)。

上述針對(duì)生態(tài)修復(fù)的研究成果比較具體，如水分補(bǔ)償、提出灌水量、提供一種需水量預(yù)測(cè)模型等，但對(duì)采取新的生態(tài)灌溉方式研究較少。眾所周知，灌溉方式?jīng)Q定了植被的生態(tài)需耗水過(guò)程，是銜接植被需水過(guò)程和生態(tài)調(diào)度供水過(guò)程的核心因素。傳統(tǒng)的生態(tài)灌溉方式忽略了灌溉方式對(duì)生態(tài)調(diào)度供水的影響，存在灌溉覆蓋率低、生態(tài)水量利用效率低以及土地鹽堿化和沼澤化現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新一種新的生態(tài)灌溉方式。

額爾齊斯河發(fā)源于阿爾泰山，是新疆主要的三條跨界河流之一，也是我國(guó)唯一流向北冰洋的國(guó)際性河流［14］。其流經(jīng)阿爾泰各山脈之間，降水較多，河網(wǎng)發(fā)育，眾多支流均從干流右岸匯入，形成了典型的梳狀水系，上游主要支流有喀拉額爾齊斯河、克蘭河、布爾津河和哈巴河等。其中，中國(guó)境內(nèi)流域面積5.7萬(wàn)km2，河長(zhǎng)633 km。隨著新疆北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)額爾齊斯河流域水資源的開(kāi)發(fā)力度和規(guī)模的需求也在不斷地加大，導(dǎo)致額爾齊斯河流域水資源綜合利用矛盾突出，可用于生態(tài)的水量很少，河流生態(tài)系統(tǒng)需水長(zhǎng)期得不到滿足，河谷林面積不斷減少，林分質(zhì)量不斷下降，造成河谷植被和草場(chǎng)退化，魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)物的棲息地環(huán)境惡化等一系列生態(tài)問(wèn)題。鑒于此，本文以額爾齊斯河流域?yàn)槔?，在鄧銘江提出的漓漫灌溉基本理念的基礎(chǔ)上［8］，深入、系統(tǒng)地闡述漓漫灌溉理論體系，對(duì)比了漓漫灌溉與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉之間的差異，通過(guò)對(duì)流域內(nèi)生態(tài)工程的具體實(shí)施以及漓漫灌溉重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的劃分，確定了漓漫灌溉模式，依據(jù)漓漫灌溉技術(shù)所述方法分析計(jì)算了河谷林草生態(tài)需水量，制定了河谷林草灌溉制度。研究成果對(duì)流域內(nèi)河谷林草、濕地等生態(tài)目標(biāo)的改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和歷史意義，對(duì)指導(dǎo)國(guó)際河流的水資源綜合開(kāi)發(fā)高效利用及其可持續(xù)發(fā)展具有較高的實(shí)用價(jià)值和理論價(jià)值。

2 漓漫灌溉的基本理論

2.1 漓漫灌溉產(chǎn)生的必要條件 目前，針對(duì)河谷林草的灌溉以“大水漫灌”“洪水淹灌”為主，灌溉范圍主要集中于河道兩岸的低洼灘地和生態(tài)渠道延伸的有限地帶，而遠(yuǎn)離河道以及地勢(shì)比較高的絕大部分區(qū)域無(wú)法得到有效灌溉，導(dǎo)致生態(tài)供水量大但有效耗水量低、灌溉效果差以及生態(tài)水量在灌區(qū)滯留時(shí)間短暫，很大一部分水量退回至河道，浪費(fèi)了有限的、寶貴的水資源，生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于地處干旱區(qū)的額爾齊斯河流域而言，通過(guò)水庫(kù)調(diào)度手段塑造適宜的洪水過(guò)程是修復(fù)和保護(hù)受損河谷林草生態(tài)系統(tǒng)的重要措施之一。自LSW水庫(kù)蓄水運(yùn)行以來(lái)，通過(guò)干支流梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行開(kāi)展了全流域、大尺度的生態(tài)調(diào)度實(shí)踐，已取得了一定的效果。但由于基礎(chǔ)理論研究薄弱，河谷林草需耗水機(jī)理尚不清楚，且現(xiàn)行的生態(tài)調(diào)度未考慮與河谷林草灌溉方式以及水庫(kù)下游的閘、壩、渠等生態(tài)工程的聯(lián)合運(yùn)行，導(dǎo)致水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度與下游陸生植被的灌溉系統(tǒng)相脫節(jié)，理論研究成果難以應(yīng)用于實(shí)踐。

為了擴(kuò)大灌溉面積、增加灌溉強(qiáng)度和深度、提高灌溉效率，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的目標(biāo)，亟待創(chuàng)新河道外植被的灌溉方式。通過(guò)發(fā)揮流域內(nèi)生態(tài)閘-阻水堤-牧業(yè)大渠等生態(tài)工程的直接調(diào)控作用，將水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度與河道外陸生植被的灌溉系統(tǒng)相耦合，創(chuàng)新灌溉理念和調(diào)控技術(shù)，將灌溉水量反復(fù)、持續(xù)地消耗在河道沿程，以有效提高生態(tài)水的利用效率。

2.2 漓漫灌溉的定義及內(nèi)涵 目前生態(tài)灌溉的研究仍集中于大水漫灌，其耗水量較大，水資源利用不充分，無(wú)法做到精細(xì)化灌溉。在此背景下，鄧銘江等［8］創(chuàng)新性地提出了一種新的生態(tài)灌溉方式—漓漫灌溉。本文通過(guò)對(duì)漓漫灌溉基礎(chǔ)理論的深入研究，豐富健全了漓漫灌溉體系，為額爾齊斯河生態(tài)調(diào)度與實(shí)踐研究提供相關(guān)理論依據(jù)。

漓漫灌溉基本定義：根據(jù)河谷生態(tài)系統(tǒng)需水要求及生態(tài)分區(qū)，利用水庫(kù)群生態(tài)調(diào)度所營(yíng)造的人造洪峰過(guò)程，通過(guò)生態(tài)水利工程調(diào)控，耦合生態(tài)與水文過(guò)程，形成適時(shí)、適量、精細(xì)化的生態(tài)灌溉方式，稱(chēng)之為漓漫灌溉。

漓漫灌溉基本內(nèi)涵：主要體現(xiàn)在“阻、引、疏、漫”四個(gè)方面，其中“阻”表示在下游減水河段修建生態(tài)閘、阻水堤、溢流口等工程措施，進(jìn)而可以延長(zhǎng)淹灌時(shí)間，擴(kuò)大淹灌范圍；“引”表示通過(guò)引水閘、牧業(yè)大渠進(jìn)行引水灌溉；“疏”表示疏通河汊支流，建設(shè)林草灌溉渠道；“漫”表示形成水網(wǎng)通達(dá)，水勢(shì)漫溢，浸沒(méi)林草濕地的生態(tài)灌溉系統(tǒng)。

漓漫灌溉特點(diǎn)：（1）阻水滲透灌溉：工程簡(jiǎn)單，不改變河勢(shì)，投資少，收效大，通過(guò)挖水平溝、魚(yú)鱗坑、人工筑壩等方式攔阻水勢(shì)，使水沿河漫灘及溝、坑慢慢下流滲透，達(dá)到灌溉目的；（2）天然草地灌溉：有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，提高草場(chǎng)利用效率，可用于灌溉面積大的天然草場(chǎng)。

2.3 漓漫灌溉系統(tǒng) 針對(duì)傳統(tǒng)灌溉方式存在水庫(kù)生態(tài)供水量大、水流在漫灌區(qū)滯留時(shí)間短、灌溉面積有限、生態(tài)耗水率低等問(wèn)題，本文基于漓漫灌溉理論研究成果，設(shè)計(jì)了一種漓漫灌溉系統(tǒng)，即在河谷生態(tài)區(qū)，通過(guò)生態(tài)閘、壅水壩、阻水堤、溢流口、牧業(yè)大渠、低揚(yáng)程水泵、汊河支流等工程措施，改善河道外植被的生態(tài)供水條件，塑造有利于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的生態(tài)水文過(guò)程，保證河谷林草能最大程度吸納水分，以形成河湖聯(lián)通、水網(wǎng)通達(dá)、水勢(shì)漫溢，浸沒(méi)林草濕地的生態(tài)灌溉系統(tǒng)。

2.3.1 漓漫灌溉系統(tǒng)的組成 完整的漓漫灌溉系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示。

圖1 漓漫灌溉系統(tǒng)

（1）水源工程。水源工程包括河流、湖泊、水庫(kù)等可以作為灌溉的水源，但需要修建相對(duì)應(yīng)的工程措施，如泵站、閘壩等附屬設(shè)施以保證輸配水的正常有序進(jìn)行。

（2）輸水、配水渠道。輸水、配水渠道為漓漫灌溉的各級(jí)固定渠道，其功能是將灌溉水從水源引入，并輸送分配到各個(gè)灌水區(qū)域。包括牧業(yè)大渠、灌溉干渠等。

（3）渠系建筑物。渠系建筑物包括生態(tài)閘、雍水壩、分水閘、阻水堤、溢流口等，擔(dān)負(fù)著輸配水、控制渠道水位、量測(cè)渠道過(guò)水流量、疏通河汊等任務(wù)。

2.3.2 漓漫灌溉系統(tǒng)的工程布置 生態(tài)閘壩和生態(tài)渠道的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)運(yùn)行是有效實(shí)施漓漫灌溉的重要前提。漓漫灌溉系統(tǒng)涉及的工程布置應(yīng)符合灌區(qū)總體設(shè)計(jì)和灌溉標(biāo)準(zhǔn)要求。如牧業(yè)大渠主要布置在灌區(qū)較高的地帶，以便自流控制較大的灌溉面積，其他各級(jí)灌溉渠道也應(yīng)布置在各自控制范圍內(nèi)較高地帶。通過(guò)已有的阻水堤群和牧業(yè)大渠群為基礎(chǔ)，修建灌溉渠道疏通河汊支流，融入生態(tài)閘壩群可進(jìn)行精細(xì)化的生態(tài)調(diào)度。

額爾齊斯河中下游生態(tài)工程主要采用全河段閘（堰）攔河引水、河道無(wú)壩側(cè)向引水及支流閘（堰）攔河三種工程布置形式；其中，JLKL 生態(tài)閘工程對(duì)引渠采用格賓石籠襯砌，修建了攔河氣盾閘；KLTL生態(tài)閘工程，緊鄰現(xiàn)狀渠道布置；KKS生態(tài)閘工程可以在枯水期雍高水位，能夠增加KKS濕地的淹灌面積；AKTBK生態(tài)渠道工程，主要引額爾齊斯河左分支水流等。上述工程均可在一定范圍內(nèi)控制河谷林草的灌溉任務(wù)。生態(tài)工程位置分布如圖2所示。

圖2 額爾齊斯河流域生態(tài)工程分布情況

2.4 漓漫灌溉與農(nóng)業(yè)灌溉的區(qū)別 農(nóng)業(yè)灌溉經(jīng)歷了由人工灌溉到機(jī)械自動(dòng)化灌溉的過(guò)程，由傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)到利用水資源作用于作物根部節(jié)水灌溉技術(shù)的過(guò)程。常見(jiàn)的灌水方法有全面灌溉和局部灌溉兩大類(lèi)。全面灌溉在灌溉時(shí)濕潤(rùn)整個(gè)農(nóng)田根系活動(dòng)層內(nèi)的土壤，適合于密植作物；主要包括畦灌、溝灌、淹灌和漫灌等。局部灌溉的特點(diǎn)是灌溉時(shí)只濕潤(rùn)作物周?chē)耐寥?，遠(yuǎn)離作物根部的行間或棵間的土壤仍然保持干燥；優(yōu)點(diǎn)在于灌水均勻、節(jié)約資源、對(duì)土壤和地形的適應(yīng)性強(qiáng)等，比較適合灌溉寬行作物、果樹(shù)、葡萄、瓜類(lèi)等；主要包括滲灌、滴灌、微噴灌、涌灌和膜上灌等。各種灌水方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，有一定的適用范圍，在選擇時(shí)主要應(yīng)考慮到作物、地形、土壤和水源等條件。

相比于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉，漓漫灌溉重點(diǎn)考慮生態(tài)修復(fù)和保護(hù)，在河谷林草區(qū)、濕地等采用漓漫灌溉的方式可以保證河谷林草能最大程度地吸納水分，以達(dá)到最佳的生態(tài)效果。二者之間的區(qū)別如表1所示。

表1 農(nóng)業(yè)灌溉與漓漫灌溉區(qū)別

3 漓漫灌溉的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)阿勒泰地區(qū)河谷林草、河漫灘、干支汊河水系和控制性工程等分布情況，對(duì)額爾齊斯河流域生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行漓漫灌區(qū)劃分，確定閘渠工程與灌區(qū)一一對(duì)應(yīng)的靶區(qū)灌溉模式。針對(duì)河谷生態(tài)實(shí)際情況，建立生態(tài)需水量計(jì)算方法，以期在現(xiàn)有及未來(lái)控制性水利工程格局下保障天然河谷林草的用水需求。

3.1 漓漫灌溉分區(qū) 漓漫灌溉分區(qū)是從考慮流域地形地貌、河谷林草及濕地分布特點(diǎn)、生產(chǎn)力水平、生態(tài)供水方式等因素出發(fā)，劃分出不同的灌溉區(qū)域，以高效地利用水資源。灌溉分區(qū)是流域灌溉規(guī)劃的重要組成部分，正確使用科學(xué)的分區(qū)方法是進(jìn)行灌區(qū)合理劃分的基礎(chǔ)保障。

根據(jù)河谷林草及濕地灌溉系統(tǒng)的自然地理及氣候條件，結(jié)合河流、水系、水資源利用分區(qū)和行政區(qū)劃，對(duì)漓漫灌溉生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行灌溉分區(qū)。

（1）按灌區(qū)所在水系及河流劃分的一級(jí)漓漫灌溉區(qū)。一級(jí)漓漫灌溉分區(qū)以流域水系作為主導(dǎo)因素來(lái)反映地帶的差異。根據(jù)額河流域的河流水系地理位置，將灌溉分區(qū)劃分為5個(gè)一級(jí)區(qū)，分別為額爾齊斯河干流區(qū)、克蘭河下游區(qū)、布爾津河下游區(qū)、哈巴河下游區(qū)和KKS濕地區(qū)。

（2）按灌區(qū)所在河流位置或支流劃分的二級(jí)漓漫灌溉區(qū)。二級(jí)漓漫灌溉分區(qū)以工程措施，河流交匯口等的地理位置作為主導(dǎo)因素來(lái)反映灌區(qū)差異。根據(jù)已建工程措施，河流交匯口等將各個(gè)一級(jí)分區(qū)劃分為9個(gè)二級(jí)區(qū)。其中，額爾齊斯河干流區(qū)劃分為L(zhǎng)SW水庫(kù)～SGLK、SGLK～BEJH匯合口以及BEJH匯合口—國(guó)境線區(qū)；KLH下游區(qū)劃分為KZJE水庫(kù)—西水東引一期投入點(diǎn)和西水東引一期投入點(diǎn)—KKS；布爾津河下游區(qū)劃分為BEJ 出山口—THT 和THT—BEJH 匯合口；哈巴河下游區(qū)劃分為HBH出山口—HBH匯合口；濕地區(qū)劃分為KKS濕地。

（3）按自然地理，氣候條件及耕作單元?jiǎng)澐值娜?jí)漓漫灌溉區(qū)。為了分析地區(qū)間生態(tài)環(huán)境需水量差異，將生態(tài)環(huán)境需水與水資源管理有機(jī)結(jié)合起來(lái)。三級(jí)分區(qū)以自然地理，氣候條件及耕作單元為依據(jù)劃分。額河流域漓漫灌溉三級(jí)分區(qū)具體如表2所示。

表2 額爾齊斯河流域漓漫灌溉分區(qū)

3.2 生態(tài)需水量計(jì)算

3.2.1 Penman-Monteith公式 灌區(qū)非農(nóng)地生態(tài)需水的計(jì)算，應(yīng)包括林地、草地、灌木地等的生態(tài)需水計(jì)算。由于一般植物的基礎(chǔ)生理需水量相比蒸散發(fā)耗水量占比很小，可在計(jì)算過(guò)程中忽略不計(jì)。因此，植被的生態(tài)需水量可以直接通過(guò)計(jì)算植被的蒸散發(fā)耗水量來(lái)確定。生態(tài)需水量一般情況下應(yīng)為變量，時(shí)間不同、地點(diǎn)不同、生態(tài)保護(hù)的對(duì)象與目標(biāo)不同，生態(tài)需水均不一樣。在生態(tài)需水計(jì)算中，常采用的方法為聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式法［15］。彭曼公式雖然不能精確估計(jì)1d或1h的潛在蒸發(fā)，但能比較精確估算較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)值，因而對(duì)林地、草地、灌木地以及葦?shù)氐葷撛隍v發(fā)量的計(jì)算，可以運(yùn)用彭曼公式計(jì)算植被的騰發(fā)量。

1992年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織公布了彭曼公式的最新修正形式，即Penman-Monteith公式，以苜蓿為參考作物，假設(shè)作物植株高度為0.12m，固定的作物表面阻力位70m/s，反射率為0.23，非常類(lèi)似于表面開(kāi)闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、完全遮蓋地面而水分充分適宜的綠色草地的蒸散量。參考作物的騰發(fā)量ET0 的計(jì)算公式為：

式中：ET0為參考作物可能騰發(fā)量，mm/d；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為地表凈輻射，MJ/（m2· d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2· d）；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；Tmean為研究區(qū)日平均溫度，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水氣壓，kPa。

3.2.2 經(jīng)驗(yàn)公式 采用Penman-Monteith公式計(jì)算植被的需水量過(guò)程非常復(fù)雜，且受資料限制，很難進(jìn)行長(zhǎng)系列計(jì)算。依據(jù)現(xiàn)有計(jì)算植被騰發(fā)量的方法，從影響植被騰發(fā)量的諸多因素中，選擇幾個(gè)主要因素（例如水面蒸發(fā)、氣溫、濕度、輻射等），再根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)資料分析主要因素與植被騰發(fā)量之間存在的數(shù)量關(guān)系，最后歸納成某種經(jīng)驗(yàn)公式。大量研究表明［16-18］，參考作物騰發(fā)量與水面蒸發(fā)量具有較好的相關(guān)性。在實(shí)際應(yīng)用中，通?？捎脤?shí)測(cè)水面蒸發(fā)量來(lái)估算ET0，計(jì)算公式為：

式中：λ為折減系數(shù)；E601為?601蒸發(fā)皿測(cè)得的水面蒸發(fā)量，mm。

3.2.3 植被生態(tài)需水定額 通過(guò)計(jì)算植被的騰發(fā)量ET0，利用不同林地植被的植物需水系數(shù)Kt以及換算系數(shù)ξ，可計(jì)算出該植被的生態(tài)需水定額［20］。計(jì)算公式為：

式中：ETi為不同植被的需水定額，mm；ξ為換算系數(shù)，ξ=2/3。

3.2.4 植被生態(tài)需水量 對(duì)于干旱地區(qū)的植被生態(tài)需水量的計(jì)算，有眾多專(zhuān)家學(xué)者們根據(jù)植被類(lèi)型以及所處的流域氣象、土壤、生態(tài)等條件的不同，提出了不同的計(jì)算方法。每種方法均有各自優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍。其中，面積定額法適用于防風(fēng)固沙林、人工綠洲等較為容易獲得數(shù)據(jù)的植被生態(tài)需水量的計(jì)算；潛水蒸發(fā)法適用于降水量稀少，完全依賴(lài)地下水維持植被生長(zhǎng)的干旱地區(qū)。因此本文選擇采用面積定額法求解河谷林草的生態(tài)需水量。以流域內(nèi)某一類(lèi)型植被的面積乘以其生態(tài)需水定額計(jì)算得到該類(lèi)型植被的生態(tài)需水量，各類(lèi)型植被生態(tài)需水量之和為流域內(nèi)植被生態(tài)需水總量［21］。計(jì)算公式為：

式中：Wi,t為植被類(lèi)型為i在t時(shí)段的生態(tài)需水量，m3；ETi，t為植被類(lèi)型為i在t時(shí)刻的需水定額，m2/m3；Ai為植被類(lèi)型為i的面積：m2。

4 實(shí)例應(yīng)用與效果分析

額爾齊斯河河谷是大西洋水汽進(jìn)入北疆的重要通道，從“LSW”水庫(kù)以下，由于河谷逐漸寬闊平坦，河道分岔漫流，在兩岸的灘地上生長(zhǎng)著茂密的河谷次生林和優(yōu)良的河谷草場(chǎng)，形成獨(dú)特的河谷生態(tài)系統(tǒng)。河谷主要生長(zhǎng)額河楊、銀白楊和歐洲黑楊等，楊樹(shù)為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，兩岸以楊柳科樹(shù)種為建群種的河谷林是我國(guó)唯一的天然分布區(qū)，被譽(yù)為“中國(guó)的野生楊樹(shù)基因庫(kù)”，同時(shí)也是我國(guó)“三北”防護(hù)林的重要組成部分，在涵養(yǎng)水源、防止沿岸水土流失和風(fēng)蝕沙侵、保護(hù)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等方面起著極其重要的作用。

目前，流域在干支流上投運(yùn)的大中型和生態(tài)水利工程有30多個(gè)，包括25座生態(tài)閘、7條牧業(yè)大渠等。流域內(nèi)河谷牧草的生態(tài)需水主要集中在4—9月份，根據(jù)植被生態(tài)需水特性和當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤及灌水等因素制定灌溉制度，以期為?guī)劃、設(shè)計(jì)灌溉工程和進(jìn)行灌區(qū)運(yùn)行管理提供基礎(chǔ)資料，是編制和執(zhí)行灌區(qū)用水計(jì)劃的重要依據(jù)。

4.1 基本資料 本文所采用的水文氣象資料主要來(lái)源于FH、ALT以及BEJ氣象站的實(shí)測(cè)資料，包括ALT、FH、BEJ站2008—2018年的月實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)資料以及FH站日平均氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等資料。研究資料匯總見(jiàn)表3。

表3 研究資料

4.2 河谷林草的生態(tài)需水量 河谷林草生態(tài)需水量是指保障特定發(fā)展階段的流域河谷生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮其正常功能而必須的一定數(shù)量和質(zhì)量的水，具有明顯的時(shí)空性、復(fù)雜性和綜合性，是確定植被灌溉定額的基礎(chǔ)。由于植被生態(tài)需水量的長(zhǎng)期實(shí)測(cè)較為困難，因此本文利用研究方法中的式（1）、式（2）和式（3）計(jì)算河谷林草的生態(tài)需水量。

4.2.1 參考作物騰發(fā)量 參考作物騰發(fā)量（refer?ence crop evapotranspiration，ET0）是計(jì)算植被騰發(fā)量ET 的關(guān)鍵參數(shù)。依據(jù)FH 站2008—2018年的日實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)、2016—2017年氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)彭曼公式（1）計(jì)算額河干流參考作物4—9月份逐日ET0，如表4所示。

從表4中可知：（1）2016、2017年額河干流參考作物騰發(fā)量分別為760 mm、822 mm；（2）2016、2017年的5月中旬至7月下旬均為需水高峰期，高峰期騰發(fā)量分別為395 mm、481 mm，分別占4—9月總騰發(fā)量的52%、59%；（3）各旬折減系數(shù)λ在0.65～0.75之間，取平均值λ為0.73。

表4 2016—2017年額河干流參考作物的騰發(fā)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)2008—2018年FH、ALT、BEJ 氣象站4—9月份的平均水面蒸發(fā)量，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)式（2）和上述推算出的折減系數(shù)λ，計(jì)算出參考作物多年平均各月騰發(fā)量ET0，如圖3所示。

圖3 額河干流參考作物多年平均騰發(fā)量

從圖3中可知：（1）2008—2018年4—9月額河干流的參考作物平均總騰發(fā)量為756 mm；（2）額河干流在2008—2018年的5月中旬至7月下旬為需水高峰期，高峰期參考作物平均騰發(fā)量為429 mm，占4—9月總騰發(fā)量的57%。

4.2.2 需水系數(shù)Kt的確定 需水系數(shù)與植被生長(zhǎng)狀況、土壤供水條件等因素有關(guān)?？紤]到冬季（11—次年3月）植物停止生長(zhǎng)，大氣蒸發(fā)能力較小，而地面也多為積雪所覆蓋，蒸發(fā)耗水主要來(lái)自積雪，因此不考慮冬季的生態(tài)需水。通過(guò)參考《美國(guó)國(guó)家灌溉工程手冊(cè)》及有關(guān)研究成果，擬定出各種林、草的需水系數(shù)如表5所示。

表5 額河干流不同植被的需水系數(shù)

4.2.3 生態(tài)需水定額的確定 各種植被類(lèi)型的生態(tài)需水定額是決定生態(tài)環(huán)境需水精度的關(guān)鍵因素。由于影響植被生態(tài)需水的因素較多，在自然條件下植被的生態(tài)需水定額難以測(cè)定。本文采用式（3）估算植被的生態(tài)需水定額。額河干流不同植被的需水定額如表6所示。

表6 額河干流不同植被的需水定額（單位：m3/畝）

4.2.4 生態(tài)需水量的確定 由于額河流域內(nèi)生態(tài)退化問(wèn)題形勢(shì)嚴(yán)峻，從整個(gè)流域來(lái)講，應(yīng)當(dāng)首先考慮植被生態(tài)用水，再考慮其他用水。根據(jù)表5和表6中的數(shù)據(jù)，通過(guò)式（4）計(jì)算額河干流漓漫灌溉二級(jí)分區(qū)的河谷林草生態(tài)需水量，如表7所示。河谷林草生態(tài)需水的年內(nèi)過(guò)程及額河干流分區(qū)用水量組成，如圖4所示。

通過(guò)表7、圖3和圖4可知：（1）額河干流河谷林草4—9月份生態(tài)總需水量6.47億m3，4—9月各占比6%、16%、25%、27%、18%、10%，其中6—7月份需水量最大，約占4—9月份總需水量的52%；（2）Ⅰ-1段（LSW水庫(kù)至SGLK）河谷林草總需水量0.37億m3，占額河干流總需水量的9%；Ⅰ-2 段（SGLK～BEJH 匯合口）河谷林草總需水2.97 億m3，占額河干流總需水量的74%；Ⅰ-3 段（BEJH匯合口～國(guó)境線區(qū)）河谷林草總需水0.68億m3，占額河干流總需水量的17%；（3）參考作物騰發(fā)量與河谷牧草生態(tài)需水規(guī)律基本一致。

圖4 額河干流河谷林草的生態(tài)需水過(guò)程及占比

表7 額河干流二級(jí)分區(qū)河谷林草生態(tài)需水（單位：萬(wàn)m3）

4.3 河谷林草的漓漫灌溉制度 灌溉制度主要包括灌水時(shí)間、灌水次數(shù)、灌水定額和灌溉定額。灌溉制度是規(guī)劃、設(shè)計(jì)灌溉工程和進(jìn)行灌區(qū)運(yùn)行管理的基本資料。自然條件下河谷林草灌溉方式屬地面灌，不同植被在4—9月期間內(nèi)間歇性灌溉6～9次左右。根據(jù)灌溉試驗(yàn)資料，參考河谷林草生態(tài)需水量，制定河谷林草灌溉制度，如表8所示。

從表8 中可知：（1）流域內(nèi)各種植被中，葦?shù)氐墓喔榷~最大，占研究植被總灌溉定額的27%，沙地草地的灌溉定額最小，占研究植被總灌溉定額的6%；（2）河谷林草的灌溉主要集中在4—9月份，各個(gè)植被的灌水次數(shù)在6～9次，灌水持續(xù)時(shí)間在4～8 d；其中，灌水持續(xù)8 d占比48%，灌水持續(xù)7 天占比30%；（3）在6月30日—7月8日，不同植被的灌水定額總和最大，為300 m3/畝，占4—9月總灌水定額的13%，其中，葦?shù)毓嗨~最大，灌木地最?。唬?）不同灌溉時(shí)段下，各個(gè)植被的總灌水定額超過(guò)100 m3/畝的占4—9月總灌水定額的67%。

表8 額河干流河谷林草灌溉制度

4.4 漓漫灌溉的監(jiān)測(cè)與實(shí)施效果 漓漫灌溉實(shí)施過(guò)程中，生態(tài)閘壩群、牧業(yè)大渠群控制了180個(gè)灌溉單元，每個(gè)單元設(shè)置了1～2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括范圍、面積、水深等參數(shù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合流域內(nèi)“閘-渠-泵”綜合調(diào)控作用的漓漫灌溉措施能夠基本滿足231萬(wàn)畝河谷林草漓漫灌溉面積、水深等生態(tài)需水要求，基本實(shí)現(xiàn)了額河河谷核心區(qū)漓漫灌溉全覆蓋。

目前，河谷內(nèi)土壤環(huán)境已經(jīng)得到有效改善，減少了土地沙化、鹽堿化，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境得到了有效地改善，核心區(qū)植被覆蓋度恢復(fù)至75%左右，河谷林草的長(zhǎng)勢(shì)良好，如圖5所示。且牧草產(chǎn)量有逐年增加的趨勢(shì)。實(shí)施漓漫灌溉后，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，額河河谷牧草平均產(chǎn)量提高了25%，按照鮮草收購(gòu)價(jià)格280元/噸計(jì)算，可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益1890萬(wàn)元/年，有效提高了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的經(jīng)濟(jì)收入。

圖5 核心區(qū)植被覆蓋度年際變化

5 結(jié)論與建議

（1）本文從我國(guó)額爾齊斯河流域生態(tài)問(wèn)題的基本現(xiàn)狀出發(fā)，深入闡述了漓漫灌溉理論，構(gòu)建了漓漫灌溉系統(tǒng)，合理地對(duì)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行了漓漫灌溉分區(qū)，提出了生態(tài)需水量計(jì)算方法，確定了閘渠工程與灌區(qū)一一對(duì)應(yīng)的靶區(qū)灌溉模式，在231萬(wàn)畝的河谷林草中，漓漫灌溉工程可控制河谷林草面積135萬(wàn)畝，通過(guò)地下水側(cè)向補(bǔ)給控制面積96萬(wàn)畝，實(shí)現(xiàn)了漓漫灌區(qū)的全覆蓋，為實(shí)施精細(xì)化生態(tài)調(diào)度奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和工程調(diào)控體系。

（2）漓漫灌溉相比較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉，更加注重考慮生態(tài)的修復(fù)和保護(hù)。采用漓漫灌溉的方式相比傳統(tǒng)“大水漫灌”，可以有效減少生態(tài)需水量，提高生態(tài)水的利用效率，以有限的水資源最大程度地達(dá)到河谷林草與濕地的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)效果。

（3）對(duì)漓漫灌溉技術(shù)進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明：計(jì)算的參考作物騰發(fā)量與河谷牧草生態(tài)需水規(guī)律一致，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果合理；河谷林草生態(tài)需水主要集中在4—9月份，其中，6—7月份生態(tài)需水最大，參考河谷林草生態(tài)需水，依據(jù)灌溉試驗(yàn)資料制定的漓漫灌溉制度能夠?yàn)楹笃诠鄥^(qū)用水管理提供依據(jù)。

（4）經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：河谷林草長(zhǎng)勢(shì)良好，且牧草產(chǎn)量有逐年增加的趨勢(shì)；核心區(qū)植被覆蓋度已恢復(fù)至75%左右。因此，通過(guò)生態(tài)調(diào)度與漓漫灌溉耦合，河谷林草的生態(tài)能夠得到有效恢復(fù)和改善，當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的發(fā)展和農(nóng)牧民生活的基本需求能夠得到較大程度的提高。

研究成果對(duì)發(fā)展生態(tài)灌溉的理論和方法，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值；為河谷林草漓漫灌溉生態(tài)調(diào)度起始時(shí)間和流量過(guò)程閾值的界定奠定了技術(shù)支撐；對(duì)促進(jìn)流域河谷林草、濕地等生態(tài)目標(biāo)的改善和實(shí)施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義；對(duì)確保流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水之間的相對(duì)均衡、保護(hù)與修復(fù)流域內(nèi)河谷林草的生境提供了科學(xué)依據(jù)。目前，部分生態(tài)工程仍處于在建及待建狀態(tài)，相關(guān)配套措施仍不夠完善，漓漫灌溉和梯級(jí)水庫(kù)群的調(diào)控系統(tǒng)尚未健全。今后需考慮更多的生態(tài)控制工程，以充分提高生態(tài)水量的利用效率。此外，當(dāng)前額河流域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)對(duì)象主要考慮了河谷林草，對(duì)河道內(nèi)保護(hù)性魚(yú)類(lèi)的保護(hù)未做深入研究，下一步將綜合考慮河道內(nèi)、河道外的保護(hù)對(duì)象，開(kāi)展更為系統(tǒng)與深入的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究。