干旱区绿洲是干旱区独有的自然人文景观, 其面积仅占干旱区面积的4%-5%, 却集中了该区域90%以上的人口与95%以上的社会财富, 是干旱地区人类赖以生存的基础和精华所在, 同时也是干旱区最敏感的部分和经济发展的承载体^[1-4]。而水资源作为绿洲存在的基本条件, 是维系绿洲生态系统和流域生态安全与经济社会和谐发展的决定性因素, 同时也是保护生态环境和决定绿洲规模的最关键因素^[5-8]。生态环境需水研究是目前生态学和水科学研究的热点领域, 研究生态环境需水的目的是实现区域水资源的优化配置和高效利用, 最终实现区域水-经济-生态与环境系统的协调可持续发展^[9-13]。近些年, 尽管国内外大量学者针对河流、湖泊、湿地、植被和城市等各种生态系统开展了生态需水方面的研究^[14-23], 同时开展了基于水土保持、生态安全、生态保护、生态功能等方面的生态需水研究^{[1, 24-29]}, 取得了一些可喜的成果。然而针对干旱内陆河流域绿洲生态需水方面的研究相对欠缺, 尤其在流域绿洲尺度基于生态保护目标对生态环境需水进行综合研究与估算还相对薄弱。因此, 针对干旱内陆河流域绿洲特殊地理生态环境状况, 开展基于生态保护目标的流域绿洲生态需水研究, 估算流域绿洲生态需水量, 从而为流域绿洲生态环境的健康发展提供科学依据。本文根据疏勒河中游绿洲生态环境现状, 确定了未来生态环境保护目标, 基于保护目标估算了流域中游绿洲生态需水量, 从而为区域生态需水的合理配置提供参考。

1 研究区概况

疏勒河流域位于河西走廓西端, 是河西地区三大内陆河水系之一, 流域全长550 km, 面积39497 km²。中游绿洲位于疏勒河中游的走廊平原地带, 海拔1050-1300 m, 地势平坦开阔, 分布有大片绿洲。由于独特地理位置和气候条件, 导致区域形成昼夜温差大, 蒸发强烈的气候环境, 属典型温带大陆性干旱气候, 多年平均降水量39.2-63.1 mm, 蒸发量2469-2869.4 mm, 多年平均气温6.95-9.42 ℃, 行政区划包括敦煌、瓜州和玉门的绝大部分地方。同时由于人类强烈的社会活动, 导致区域脆弱生态系统环境日趋恶化, 主要表现为绿色生态严重退化, 湿地面积缩小, 盐碱地、沙地迅速增加, 对当地的社会经济发展产生了一定的影响。再加之人类活动对水资源利用量的不断增加, 使得区域生态环境需水严重不足, 致使流域中游绿洲天然植被萎缩严重, 从而影响当地生态环境的良性循环和阻碍社会经济的可持续发展。中游绿洲植被呈水平带状分布, 其分布模式和主要植物组成, 是随地形地貌、土壤质地、含盐量及地下水位诸生态因素而改变的, 不同的植被群落反映了植被类型的差异, 也反映了区域自然条件的特点, 其主要植被类型有森林植被、农业绿洲植被、沼泽植被、草甸植被和荒漠植被等类型。

2 疏勒河中游绿洲生态环境需水理论框架

目前, 疏勒河中游绿洲区已出现了类似石羊河、黑河流域水土资源开发利用过程中出现的植被衰亡、草场退化、湿地衰减、生物多样性受损、土地盐渍化、沙漠化等一系列生态环境问题。为了进一步保护疏勒河中游绿洲生态环境, 恢复中游绿洲生态系统功能, 生态环境需水指维持中游绿洲的稳定性和绿洲植被面积, 保护绿洲河流湖泊以及湿地生态系统的稳定与平衡所需水量。因此, 生态环境需水内涵包括两个方面, 一是研究现状生态环境背景下, 保护和维持其天然及人工生态系统不再退化需要多少水量；二是针对生态环境己经恶化的地区, 为改善区域生态环境状况, 维持区域社会经济、生态环境的可持续发展, 采取水资源调控配置措施恢复中游绿洲生态系统功能, 在这种情况下, 要根据中游绿洲生态环境恢复目标, 确定所需要的生态环境恢复水量^{[9, 30]}。因此, 确定疏勒河流域中游绿洲生态环境需水量主要包括：天然植被需水量, 湿地生态环境需水量, 河流生态环境需水量和防治耕地盐碱化环境需水量。

3 疏勒河中游绿洲生态保护与恢复目标确定

根据疏勒河中游绿洲的实际情况, 选择1990年、2000年和2013年Landsat TM/ETM影像解译成果作为生态演变研究的基础资料(图 1), 依据1990年遥感影像解译成果和不同生态需水类型面积确定疏勒河流域2020年和2030年生态保护目标。疏勒河中游绿洲区演化一方面受制于上游来水量的多寡, 另一方面受人类活动的干扰和调节。在区域有限的水资源条件下, 要使得疏勒河中游绿洲的植被得到恢复, 需采用相应的辅助工程以及保障措施。通过有计划有步骤地实施轮牧、限牧和退牧, 大力推行围栏封育, 减轻绿洲区的牲畜压力及其对绿洲的直接破坏；保护和恢复天然胡杨林、红柳等植被, 加大人工种植怪柳、梭梭等植被建设；选育耐旱耐盐物种, 有计划地对疏勒河中游绿洲地区林草植被实行人工调控, 以发挥水资源的最大生态效益；增强疏勒河中游绿洲地区天然林草植被、人工种植林草植被的恢复和生长能力, 以提高中下游绿洲系统的生命支持能力。同时通过人工措施, 保护水域生态系统, 恢复湿地功能, 促进区域水域生态系统健康发展。因此, 疏勒河中游绿洲生态恢复的主要目标为植被生态系统和水域生态系统, 其具体包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠、湖泊、水库和沼泽地。结合疏勒河中游绿洲区1990年、2000年和2013年不同类型土地利用面积, 确定2020年和2030年疏勒河中游绿洲区植被生态系统和水域生态系统生态恢复目标, 见表 1。

4 基于生态保护目标的疏勒河中游绿洲生态环境需水计算方法

根据疏勒河中游生态保护与恢复目标主要为天然植被、湿地和河流生态系统的良性循环和健康可持续发展。本文根据疏勒河中游绿洲生态环境状况以及生态环境需水理论框架, 确定区域生态需水模型结构, 并建立计算式为：

(1)

式中, W为区域生态环境需水量(10⁸m³/a)；W_v为天然植被生态环境需水量(10⁸m³/a); W_r为河流生态环境需水量(10⁸m³/a)；W_w为湿地生态环境需水量(10⁸m³/a)；W_s为防治耕地盐碱化环境需水量(10⁸m³/a)。

4.1 天然植被生态环境需水量W_v计算方法

由于干旱区植被生长的特殊性, 地下水状况的好坏决定植物生长的好坏。因此, 植被生长需水在综合考虑时空尺度基础上, 时间按月计算, 空间上按植被优势物种划分^{[6, 31]}。其计算W_v模型为：

(2)

其中ET_ij可根据阿里维扬诺夫公式计算^[6], 即：

(3)

式中, W_v为植被生态环境需水量(m³/a)；K为植被系数；A_i为i种生态区的面积(m²)；ET_ij为潜水蒸发量(mm)；(E_Φ20)_ij为常规气象蒸发皿蒸发值(mm), H为为地下水埋深(m)；H_max为极限地下水深度(m)；a, b为为经验系数；i=1, 2, …, n；j=1, 2, …, 12。

阿维里扬诺夫公式是典型的潜水蒸发模型, 计算方法中待定参数包括极限地下水埋深H_max、经验系数a、b, 在不同地区参数取值不同, 其中参数标定是根据甘肃水文二队和中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在玉门、张掖等地的试验数据所得^[9]。极限地下水埋深H_max是停止蒸发时的地下水埋深, 在干旱区, 有植被盖度的区域以5 m为限, 荒漠区以4.5 m为限, 如果极限地下水埋深大于这些深度, 其潜水蒸发量可近似认为等于零, 这也是目前水文地质计算中普遍采用的值。参数a、b是与植被覆盖度、土质有关的待定系数, 不同植被覆盖度和不同的土质其系数不同, 本文根据荒漠区特点确定a为0.62, b为2.80。

4.2 河流生态环境需水量W_r的计算方法

河流生态环境需水量计算相对复杂, 涉及相关原则相对较多, 本文基于功能性需求原则、分时段考虑原则建立河流生态环境需水量的计算模型, 结合干旱区河流特点, 主要涉及河流基本生态、水质净化、输沙、河道渗漏补给和水面蒸发需水量^{[6, 12, 32]}。因此, 方法的选择适合干旱区河流生态环境需水量的计算:

(4)

式中, W_b, W_c, W_s, W_l, W_e分别为河流基本生态、水质净化、输沙、河道渗漏补给和水面蒸发需水量。由于疏勒河属于典型内陆河流域, 其水质可满足饮用与灌溉需要, 因此本文暂不考虑计算河流水质污染稀释自净需水量W_c。

4.2.1 河流基本生态环境需水量W_b的计算方法

河流基本生态环境需水量以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量^[33]。其计算公式为：

(5)

式中, W_b为河流基本生态环境需水量(10⁸m³/a)；Q_ij为第i年第j月的河流月均流量(m³/s)；T为常数, 其值为31.536×10⁶s；n为统计年数。

4.2.2 河流输沙需水量W_s的计算方法

由于河流输沙需水量与河流输沙量、流量、水沙动力条件等因素有关, 而汛期水量相对较大, 能完成河流输沙功能, 因此, 将汛期用于输沙的水量和非汛期调水调沙(冲沙) 的水量作为河流输沙需水量^[34-35], 其计算公式如下：

(6)

式中, W_s为河流输沙需水量(10⁸m³/a)；S_n为多年平均输沙量(kg)；C_ij为第i年第j月的河流月均含沙量(kg/m³)；n为统计年数。

4.2.3 河道渗漏补给需水量W_l的计算方法

由于受河床岩性、河道输水流量、地下水埋深等因素的影响^[6], 因此, 河道渗漏补给量可按达西定律计算：

(7)

式中, W_l为河道渗漏补给量(10⁸m³/a)；K为含水层渗透系数(m/d)；I为水力坡度(‰)；L为含水层厚度(m)；H为过水断面宽度, m；t为时间(d)。

4.2.4 河流水面蒸发生态需水量W_e的计算方法

河流水面蒸发生态需水量与降水量、水域面积、水面蒸发量息息相关^[36], 因此水面蒸发需水量计算公式为：

(8)

式中, W_e为河流水面蒸发生态需水量(10⁸m³/a)；A为水面面积(km²)；E为水面蒸发强度(mm)；P为平均降水量(mm)。

水面蒸发强度E用下式表示, 其水面折算系数为：

(9)

(10)

式中, K为水面蒸发折算系数；E₂₀为20cm常规蒸发皿观测的水面蒸发量(mm)；E20为20 m²水面蒸发池观测的水面蒸发量(mm)。

4.3 湿地生态环境需水量W_w的计算方法

由于湿地类型不同, 生态环境需水量的计算方法也存在差异, 其生态环境需水量的确定相对比较复杂^{[6, 37]}, 因此, 本文按如下公式计算：

(11)

式中, W_w为湿地生态环境需水量(10⁸m³/a)；A_i为某湿地水面面积(hm²)；E_i为相应的水面蒸发能力。

4.4 防治耕地盐碱化环境需水量W_s的计算方法

干旱区内陆河流域, 由于水资源短缺, 特别是春旱严重, 通常采用秋天灌溉、春播前灌溉和生育期加大灌溉定额的方法减少盐分对农作物的危害^[6]。这部分具有双重作用, 加大的灌溉水量, 称之为防治土地盐碱化的环境需水量^[38]。其计算公式如下：

(12)

式中, W_s为防治土地盐碱化的环境需水量(10⁸m³/a)；A_s为盐碱化土地面积(hm²)；m_s为为盐碱土地环境需水定额(m³/hm²)。

5 数据来源

(1) 降水与蒸发数据降水与蒸发数据来源于甘肃省气象局, 根据收集到玉门市56a降水与20 cm常规蒸发皿观测资料统计分析, 得到多年各月降水量与蒸发量(表 2)。

(2) 径流与输沙数据径流与输沙数据采用1953-2010年疏勒河流域中游潘家庄水文站统计资料, 数据来源于甘肃省水文水资源局。

(3) 植被影响系数参考河西走廊玉门镇以及石羊河流域相关试验成果作为计算依据^{[9, 39]}(表 3)。

(4) 单位面积蒸发量根据植物生长确定疏勒河中游植被潜水埋深变动范围, 依据参考文献^[40]：有林地1.0-4.5 m, 灌木林地1.0-4.0 m, 疏林地1.0-5.0 m, 其他林地2.0-6.0 m, 高覆盖度草地1.0-3.5 m, 中覆盖度草地为2.0-3.0 m, 低覆盖度草地为2.0-4.0 m。依据研究区每种植被类型的地下水埋深范围和平均埋深, 并按相应公式计算得到不同潜水埋深蒸发量和不同植被单位面积蒸散量计算结果(表 4)。

6 生态保护目标下中游绿洲生态需水量计算 6.1 天然植被生态环境需水量

根据确定的天然植被生态环境需水计算方法, 结合2013年疏勒河中游绿洲土地利用类型, 从而计算出2013年疏勒河流域中游绿洲维护植被生态环境需水量计算结果1.90×10⁸ m³(表 5)。按不同植被计算的生态需水量, 2013年林地需水量占6.84%, 为0.13×10⁸m³, 草地占93.16%, 为1.77×10⁸m³。同样, 计算得出保护目标下2020年、2030年疏勒河流域中游绿洲维护植被生态环境需水量分别为2.24×10⁸m³和2.47×10⁸m³(表 5)。按不同植被计算的生态需水量, 2020年林地需水量占5.80%, 为0.13×10⁸m³, 草地占94.20%, 为2.11×10⁸m³；2030年林地需水量占5.67%, 为0.14×10⁸m³, 草地占94.33%, 为2.33×10⁸m³。

6.2 河流生态环境需水量 6.2.1 河流基本生态环境需水量

利用1953-2010年疏勒河流域中游潘家庄水文站58a的河流流量统计数据, 得到疏勒河中游多年月平均流量和多年月最小流量, 并根据式(5), 得出疏勒河基本生态环境需水量为1.00×10⁸ m³。采用Tennant法(取疏勒河干流多年平均(1953-2010年) 年径流量9.48×10⁸m³的百分比作为河道基本生态环境需水量) 在10%情况下, 计算出河流生态基流为0.95×10⁸ m³。因此, 取二者平均值0.98×10⁸ m³作为疏勒河河流基本生态环境需水量。保护目标下2020年、2030年疏勒河流域中游绿洲河流基本生态环境需水量不变, 仍为0.98×10⁸ m³。

6.2.2 河流输沙需水量

利用疏勒河流域中游潘家庄水文站含沙量统计数据, 计算得出潘家庄水文站处输沙需水量作为疏勒河流域中游河流输沙需水量。潘家庄水文站处多年平均输沙量为203.01×10⁴ m³, 最大月平均含沙量53.86 kg/m³。计算得出潘家庄水文站处输沙需水量为1.11×10⁸m³。因此, 疏勒河流域中游河流输沙需水量为1.11×10⁸ m³。保护目标下2020年、2030年疏勒河流域中游绿洲河流基河流输沙需水量不变, 仍为1.11×10⁸ m³。

6.2.3 河流渗漏补给需水量

疏勒河干流中游长124 km, 根据收集资料得到疏勒河中游渗透系数、水力坡度和含水层厚度平均值分别为15.28、0.003 m和20 m, 确定时间为365 d, 计算得到入渗量为0.83×10⁸ m³。保护目标下2020年、2030年疏勒河流域中游绿洲河流渗漏补给需水量不变, 仍为0.83×10⁸ m³。

6.2.4 河流水面蒸发生态需水量

疏勒河流域中游多年平均降水量为63.78 mm, 多年蒸发量2704.87 mm。根据清华大学玉门试验站观测资料, 通过累计潜水蒸发量和累积蒸发皿蒸发量计算得出水面蒸发折算系数为0.59。计算得2013年河流水面蒸发生态需水量为(表 6)0.68×10⁸m³。计算得出保护目标下2020年、2030年河流水面蒸发生态环境需水量分别为0.73×10⁸m³和0.80×10⁸m³(表 6)。

6.2.5 河流生态环境需水总量

通过计算, 在不考虑河流输沙需水量时, 河流生态环境需水量由河流基本生态、河道渗漏补给和河流水面蒸发需水量组成, 2013年、2020年和2030年分别为2.49×10⁸ m³、2.54×10⁸ m³和2.61×10⁸ m³, 其中河流基本生态环境需水量占河流生态环境需水量分别为39.4%、38.6%和37.5%, 渗漏补给需水量与水面蒸发环境需水量分别占为33.3%、32.7%、31.8%和27.3%、28.7%、30.7%(表 7)。在考虑输沙需水量时, 河流生态环境需水量由河流输沙、河道渗漏补给和河流水面蒸发需水量组成, 2013年、2020年和2030年分别为2.62×10⁸ m³、2.67×10⁸ m³和2.74×10⁸ m³, 其中河流输沙生态环境需水量占河流生态环境需水总量分别为42.4%、41.6%和40.5%, 河道渗漏补给需水量分别占31.6%、31.1%和30.3%, 河流水面蒸发生态需水量分别占26.0%、27.3%和29.2%(表 7)。

6.3 湿地生态环境需水量

2013年湿地生态环境需水量为2.70×10⁸ m³(表 6), 其中沼泽生态环境需水量为2.24×10⁸ m³, 占湿地生态环境需水量的83.0%, 水库生态环境需水量为0.39×10⁸ m³, 占湿地生态环境需水量的14.4%, 湖泊生态环境需水量为0.07×10⁸ m³, 占湿地生态环境需水量的2.6%, 说明在疏勒河中游绿洲区沼泽地所占比例相对较大, 应进一步加强湿地保护。结合2020年和2030年湿地面积保护目标, 经计算2020年和2030年疏勒河中游绿洲湿地生态环境需水量分别为3.13×10⁸ m³和3.71×10⁸ m³(表 6), 其中沼泽生态环境需水量分别为2.64×10⁸ m³和3.17×10⁸ m³, 分别占湿地生态环境需水量的84.3%和85.4%, 水库生态环境需水量分别为0.42×10⁸ m³和0.46×10⁸ m³, 分别占湿地生态环境需水量的13.5%和12.4%, 湖泊生态环境需水量分别为0.07×10⁸ m³和0.08×10⁸ m³, 分别占湿地生态环境需水量的2.2%和2.2%。

6.4 防治耕地盐碱化环境需水量

由于气候、地形地貌、水文地质条件、含盐土壤母质以及人类活动影响是造成当地盐碱化的主要原因, 在地形相对平坦的中游地区, 地下径流条件差, 地下水位高, 加之水利工程措施不完善, 如不合理灌溉、排水沟道失修或淤积堵塞严重及排水系统不配套等因素, 导致区域耕地盐碱化的发生, 耕地盐碱化达到总耕地面积的20%以上^[41]。因此, 为了进一步减少盐分对作物的危害, 采用秋灌和春灌方式压减耕地盐分。一方面用较大的水量能将土壤中的盐分淋洗达到作物生长的目标, 另一方面还要节约用水, 防止抬高地下水位和影响土壤肥力^[38]。根据干旱区不同质地不同含盐量土壤的洗盐定额, 结合疏勒河中游实际情况, 依据参考文献^[41]实验成果, 从而确定疏勒河流域灌区播前灌溉定额为1500-2000 m³/hm², 据此确定防治耕地盐碱化的灌溉定额600 m³/hm²。

2013年灌区盐碱化面积占耕地面积的20%, 面积达到33561.39 hm², 计算得到区域防治耕地盐碱化的环境需水量为0.20×10⁸ m³(表 7)。保护目标下2020年、2030年防治耕地盐碱化环境需水量保持2013年值不变, 其值为0.20×10⁸ m³。

6.5 保护目标下疏勒河平原区生态环境需水总量

基于不同的生态保护目标, 设定不同生态需水情景计算生态环境需水总量, 分别设定情景1为最大生态需水量、情景2为最小生态需水量和情景3为最适生态需水量。根据设定情景, 分别计算疏勒河中游绿洲生态环境需水的最大值、最小值及最适值。

(1) 最大生态环境需水量(情景1) 若生态环境保护目标包括保证疏勒河河道水沙平衡, 即考虑输沙环境需水量, 由总表 7可知：在保证输沙需水的前提下, 河流基本生态环境需水量可以得到满足。因此, 疏勒河流域中游绿洲生态环境需水总量为：天然植被生态环境需水量+河流输沙生态环境需水量+河道渗漏补给需水量+河流水面蒸发量+湿地生态环境需水量+防治耕地盐碱化环境需水量。计算得到2013、2020和2030年疏勒河流域中游绿洲生态环境需水量最大值分别为7.42×10⁸ m³、8.24×10⁸ m³和9.12×10⁸ m³(表 8)。

(2) 最小生态环境需水量(情景2) 若生态环境保护目标是仅保证天然生态系统需水量(天然植被生态环境需水量与湿地环境需水量), 则疏勒河流域中游绿洲生态环境需水总量为：天然植被生态环境需水量+河流基本生态环境需水量+河道渗漏补给需水量+河流水面蒸发量+湿地生态环境需水量。计算得到2013、2020和2030疏勒河流域中游绿洲生态环境需水量最小值分别为7.09×10⁸ m³、7.91×10⁸ m³和8.79×10⁸ m³(表 8)。

(3) 最适生态环境需水量(情景3) 若生态环境保护目标为天然生态系统需水量与防治耕地盐碱化需水要求, 则疏勒河流域中游绿洲生态环境需水总量为：天然植被生态环境需水量+河流基本生态环境需水量+河道渗漏补给需水量+河流水面蒸发量+湿地生态环境需水量+防治耕地盐碱化环境需水量。计算得到2013、2020、2030年疏勒河流域中游绿洲生态环境需水量最适值分别为7.29×10⁸ m³、8.11×10⁸ m³和8.99×10⁸ m³(表 8)。

7 中游绿洲生态需水时空变化特征 7.1 中游绿洲生态需水时间变化特征

通过计算各月植被生态、河流基本生态、河流输沙、河道渗漏补给、河流水面蒸发、湿地生态以及防治耕地盐碱化环境需水量, 累加得到2013年、保护目标2020年和2030年每个月的生态环境需水量, 进而探讨疏勒河中游绿洲生态环境需水量年内变化趋势(图 2)。从疏勒河中游绿洲生态环境需水量年内变化曲线(图 2) 可知, 2013年、2020年和2030年疏勒河中游绿洲生态环境需水量年内变化趋势基本一致。均呈现11月至2月, 生态环境需水量较小, 且月间变化不大, 最小值出现在1月份, 分别为0.17×10⁸ m³、0.18×10⁸ m³和0.19×10⁸ m³；2月至7月, 生态环境需水量呈直线增长阶段, 7月到达曲线峰顶, 分别为1.41×10⁸ m³、1.53×10⁸ m³和1.66×10⁸ m³, 分别是最小月1月份的8.2倍、8.5倍和8.7倍；7月至8月, 生态环境需水量开始减少, 但幅度不大；8月至11月, 生态环境需水量急剧下降, 分别从8月份的1.24×10⁸ m³、1.35×10⁸ m³和1.46×10⁸ m³, 降至11月份的0.29×10⁸ m³、0.31×10⁸ m³和0.33×10⁸ m³, 降幅分别为4.3、4.4倍和4.4倍。总体而言, 2013年、2020年和2030年, 从4月至10月期间累积生态环境需水量占全年总生态环境需水量分别为83.54%、83.81%和84.05%, 而5月至8月期间累积生态环境需水量占全年的比例分别为58.01%、58.08%和58.13%, 已超过全年的一半, 说明疏勒河中游绿洲生态环境需水量主要集中在5-8月。

7.2 中游绿洲生态需水空间变化特征

通过计算敦煌、玉门和瓜州3个区域植被生态、河流基本生态、河流输沙、河道渗漏补给、河流水面蒸发、湿地生态以及防治耕地盐碱化环境需水量, 得到2013年、保护目标2020年和2030年不同区域的生态环境需水量, 进而探讨疏勒河中游绿洲生态环境需水量空间变化特征(表 9, 图 3)。从表 9和图 3可知, 2013年、2020年和2030年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量均呈现瓜州最大, 玉门最小, 敦煌介于二者之间的空间变化特征。2013年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量分别为2.87×10⁸ m³、1.20×10⁸ m³和4.32×10⁸ m³, 分别占总需水量8.4×10⁸ m³的34.2%、14.3%和51.5%；2020年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量分别为3.22×10⁸ m³、1.37×10⁸ m³和4.64×10⁸ m³, 分别占总需水量9.23×10⁸ m³的34.9%、14.8%和50.3%；2030年敦煌、玉门和瓜州生态环境需水量分别为3.68×10⁸ m³、1.51×10⁸ m³和4.92×10⁸ m³, 分别占总需水量10.11×10⁸ m³的36.4%、14.9%和48.7%。说明疏勒河中游绿洲生态环境需水量瓜州所占比例相对较大, 玉门相对最小, 敦煌介于二者之间。

8 结论与讨论

根据所确定的计算方法, 得到疏勒河中游绿洲2013年天然植被、河流基本生态、河流输沙、河流渗漏补给、水面蒸发、湿地生态环境需水量和防治耕地盐碱化生态环境需水量分别为1.90×10⁸、0.98×10⁸、1.11×10⁸、0.83×10⁸、0.68×10⁸、2.70×10⁸ m³和0.20×10⁸ m³。同时计算得出保护目标下2020年和2030年天然植被、河流基本生态、河流输沙、河流渗漏补给、水面蒸发、湿地生态环境需水量和防治耕地盐碱化生态环境需水量分别为2.24×10⁸、0.98×10⁸、1.11×10⁸、0.83×10⁸、0.73×10⁸、3.13×10⁸、0.20×10⁸ m³和2.47×10⁸、0.98×10⁸、1.11×10⁸、0.83×10⁸、0.80×10⁸、3.71×10⁸ m³和0.20×10⁸ m³。

根据确定的生态保护目标, 计算得出2013、2020和2030年疏勒河中游绿洲最大、最小和最适生态环境需水量分别为7.42×10⁸、7.09×10⁸、7.29×10⁸ m³, 8.24×10⁸、7.91×10⁸、8.11×10⁸ m³和9.12×10⁸、8.79×10⁸、8.99×10⁸ m³, 分别占疏勒河中游绿洲区水资源总量15.65×10⁸ m³的47.4%、45.3%、46.6%, 52.6%、50.5%、51.8%和58.3%、56.2%、57.4%, 结果表明2013年疏勒河中游绿洲生态环境需水量相对较低, 不足流域水资源总量的一半, 保护目标下2020年和2030年生态环境需水比例有所提高, 基本能满足区域生态环境用水, 同时随着未来区域“引哈济党工程”的实施, 在流域绿洲水资源配置中应适当提高生态用水的比例, 满足流域绿洲生态需水需求, 改善绿洲生态环境, 促进绿洲生态系统健康持续发展。

河道内生态环境需水受河床岩性、河道输水流量、河道水文特性等因素的影响, 但属于可控制生态环境用水, 为了满足河流生态环境的功能, 在流域绿洲水资源配置中, 应优先满足, 而河道外生态环境需水受降水、经济社会用水以及人类活动等因素影响, 相对比较复杂, 在流域绿洲水资源配置中, 应综合考虑进行配置^[6]。在不考虑和考虑河流输沙需水量时, 2013、2020和2030年疏勒河河流生态环境需水量分别为2.49×10⁸、2.54×10⁸、2.61×10⁸ m³和2.62×10⁸ m³、2.67×10⁸和2.74×10⁸ m³。

时间变化特征方面, 2013年、2020年和2030年疏勒河中游绿洲生态环境需水量年内主要集中于5-8月, 累积生态环境需水量占全年的比例分别为58.01%、58.08%和58.13%；空间变化特征方面, 疏勒河中游绿洲生态环境需水量瓜州所占比例相对较大, 玉门相对最小, 敦煌介于二者之间。

对于生态需水计算的研究, 疏勒河流域的相关研究相对较少, 仅有很少学者对疏勒河流域湖泊湿地生态需水量进行了估算, 尤其针对流域中游绿洲生态需水量研究几乎为零, 本文较系统详细地从天然植被、河流基本生态、河流输沙、河流渗漏补给、水面蒸发、湿地生态和防治耕地盐碱化环境需水量方面估算了现状生态环境需水量, 同时基于未来生态保护目标, 估算了保护目标下流域中游绿洲生态环境需水量, 计算结果为区域生态环境保护和恢复以及水资源综合管理和优化配置提供一定参考依据, 同时研究结果对促进《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划》的顺利实施具有一定借鉴与参考作用。然而, 研究时间尺度相对较长, 区别于以往定点定时研究, 计算涉及方法相对较多, 选取参数也相对较多, 同时受区域下垫面条件和多方面因素影响, 未来保护目标下流域生态环境需水还有待于进一步研究和深入。随着中游绿洲耕地面积的不断增大, 对水资源的需求也相应的增大, 而流域地表水资源的严重不足, 导致对地下水开采量的日益增加, 从而影响中游绿洲天然植被和湿地所需的生态水量, 导致区域生态环境的日益退化。因此, 基于生态需水计算结果, 未来应进一步加强生态保护目标下流域水资源调控与配置研究, 提高水资源综合管理程度, 协调流域不同区域、不同行业和不同部门之间水资源配置比例, 提出流域绿洲生态恢复和水资源配置方案, 确保流域中游绿洲生态目标与经济目标的协调发展, 实现流域绿洲水资源与生态环境的协调可持续发展。