白杨河流域地处新疆天山东部, 流域上游为天山博格达峰前山带乌鲁木齐市达坂城区, 年均降水量70mm, 流域下游为天山之南的吐鲁番托克逊县区, 年均降水量不足10mm, 由此形成了流域内上游降水少、下游降水稀缺的干旱与极端干旱格局。流域水生态环境, 上游由于天山博格达峰长年高山积雪冰川和降水作用, 以及达坂城地处山间盆地及其水文地质土壤环境条件, 具有较明显地表水地下水相互转换, 多以河谷疏林灌丛草甸湿地绿洲生态植被群体；下游吐鲁番市托克逊县区域, 位于流域下游降水稀少完全依赖河流补给地下水, 下游周边及末端尾闾艾丁湖, 水生态环境植被多以骆驼刺荒漠化草地分布。特殊条件下水生态环境需水分析研究, 对流域生态环境管理保护具有重要意义。生态环境植被需水研究, 一般多采用卫星遥感、GIS等3S技术^[1-2]结合Penman-Monteith法^[3-6], 可以分析解决生态植被面积与生态需水关系, 对于生态环境绿洲植被需水量计算时段, 多以植被4至10月生长期考虑, 但这样可能会忽略干旱区生态环境需水以河流下渗补给地下水特性。潜水蒸发法和面积定额法是计算植被生态需水常用方法^[7-10], 有分析表明这两种方法比较结果相差10%较小。有学者^[11]建立干旱区植物生长与地下水位对数正态分布模型, 计算生态需水量与其他方法比较相差也较小, 表明不同方法分析结果差别不大可以选用。生态环境绿洲植被需水量占河道年径流量比重分析(生态需水基本流量), 有历史流量法、水力定额法、栖息地法等多种分析方法, 这些方法优缺点对比认为, 传统水文学(Tennant)法较适合干旱区河道生态需水计算^[12-13], 然而, 此方法以年均径流量特定百分率计算河道水量存在一些不足, 因此, 有学者^[14-16]提出并应用河道基本生态需水年内展布法, 体现年径流丰枯变化满足河流生态需求, 采用这种方法, 以东居延海为研究对象估算年均生态需水量, 约占莺落峡水文测站年径流量16.3%、14.6%、9.4%^[17]；以汉江流域实证分析干支流控制断面最小下泄生态基流处于年均流量15%—20%^[18]；生态基流至少满足占年均径流量10%以上生态需求^[19]；有学者以河流系统生态经济服务功能总经济价值最大值确定河流生态基流, 并以此分析西北黄河最大支流渭河宝鸡段河流生态基流占径流35.0%^[20]。由此可见, 同一算法不同目标分析结果均有差异。

新疆白杨河流域地处干旱与极端干旱区, 流域上游生态绿洲植被需水源于降水与河道径流沿程地下水共同补给作用, 流域下游降水稀缺几乎为零, 自然生态绿洲植被需水完全依靠河流补给地下水利用, 考虑天然降水河道径流及地下水利用生态需水^[21-22]特征, 本文以卫星遥感获取不同类型生态用水面积, 采用Penman-Monteith和面积定额及河道水文年内展布法, 分析白杨河流域天然灌丛荒漠植被生境需水量及河道时段生态基流, 为流域生态需水评估及管理保护提供依据。

1 材料与方法 1.1 流域概况

白杨河流域水系发源于天山东部博格达峰南麓, 形成“四源一干一湖”流域格局：上游为乌鲁木齐市达坂城盆地区, 由黑沟河、阿克苏河、高崖子河三条源流, 在达坂城盆地以南的峡口汇集形成了白杨河干流；以达坂城峡口汇集区为起点的白杨河干流全长约150 km, 向南走向沿途天然河道并有柯尔碱沟、阿拉沟等小支流汇入后, 进入白杨河流域下游天山南部前山平原戈壁荒漠带, 到此, 由西向东南穿越吐鲁番市托克逊县城外50 km尾闾, 注入我国第一、世界第三低地, 最低点高程-154.6 m著名内陆咸水湖——艾丁湖, 西南面库姆塔格沙漠(见图 1)。白杨河流域地跨两个行政区, 上游乌鲁木齐市达坂城盆地干旱区, 下游地处极端干旱区吐鲁番市托克逊县区域, 流域地理坐标88° 10′—89° 11′E, 42° 29′—43° 48′N, 东西最宽约120 km, 南北最长约150 km, 艾丁湖临湖河口以上流域总面积5173.4 km²。

1.2 流域特征

白杨河流域上游达坂城区, 北、西、南均有高山屏障, 形成一个半封闭地势低洼的山间盆地, 冷湿空气不易进入, 平原区为典型温带大陆性干旱气候, 显著气象特征是风多风大、酷热干燥、降水量少、蒸发强烈。流域盛行西风、西北风, 年均8级以上大风大于108 d。达坂城为新疆著名风区, 达坂城区境内低山丘陵区年均降水量70.5mm, 但在高山区年均降水量可高达400mm, 降水量主要集中在夏季, 占年降水量80%, 春季降水很少, 年均蒸发量2582.5mm为年均降水量的36.6倍, 年均气温8.8℃。流域下游吐鲁番市托克逊县区域, 年均降水量7.8mm, 最长连续无降水日高达298 d, 年均蒸发量3403.9mm, 蒸发量为降水量的436倍, 蒸发量最高可高达5000.0mm。下游托克逊区春、夏季焚风频繁, 年均干热风发生大于93次, 对农作物破坏性大。年均气温高达14.1℃, 是上游达坂城区年均气温8.8℃的1.76倍, 7月份年均气温32.3℃, 1月年均气温-9.3℃, 日最高气温≥35℃, 酷暑期长达100 d以上^[23], 是我国极其少有的气候差异悬殊、干旱与极端干旱叠加交织流域气候。

白杨河流域整体呈现高中低山区、前山洪积与河流冲积、河谷与山间盆地、山前草甸与平原泉水溢出沼泽湿地及荒漠戈壁多样性地貌环境类型。上游源于天山博格达峰南坡冰川42.36亿m³储量, 形成年均水资源量3.10亿m³, 其中地下水天然补给0.51亿m^3[24]。由于流域地貌环境多样性及水文地质条件影响, 上游诸河道及自峡口之间地表与地下水转化补给变化较多, 自峡口汇集贯穿流域下游白杨河干流, 地表与地下水表现出部分河流时隐时现：大草湖至小草湖河流段常年有水, 小草湖后沿程渗漏较大转换为地下水至巴依托海河道无水, 巴依托海后以泉水溢出至红河谷常年有水, 红河谷后沿程渗漏转换成地下水至托克逊县区河道无水, 之后托克逊县城形成地表水, 途经托克逊县城后逐步转换为地下水至尾闾艾丁湖。

1.3 计算方法

基于流域水生态环境结合遥感投影, 考虑天然生态环境河谷林草、湿地、艾丁湖及周边骆驼刺荒漠草地三类。生态需水按Penman-Monteith分析^[25-26]：

(1)

式中, ET₀为生态植被蒸发蒸腾量, mm/d；Δ为温度—饱和水汽压关系曲线在T处切线斜率, kPa/℃；R_n为净辐射, MJ m^-2 d^-1；G为土壤热通量, MJ m^-2 d^-1；γ为湿度表常数, kPa/℃；T为平均气温, ℃；u₂为2m高观测风速, m/s；e_a饱和水汽压, kPa；e_d实际水汽压, kPa。

植被系数为生态植被阶段需水与生态植被蒸发蒸腾量比值, 按下式分析：

(2)

式中, K_C为植被系数；i为生态植被生长i阶段；n为生态植被生长划分阶段数目；ET_i为生态植被生长i阶段需水量, mm；ET_0i为生态植被生长i阶段蒸发蒸腾量, mm。

生态植被需水量、生态植被蒸发蒸腾量、植被系数关系如下：

(3)

式中, ET为生态植被需水, mm；ET₀为生态植被蒸发蒸腾量, mm；K_C为植被系数；P₀为有效雨量, mm。降雨量P值, P₀ =Pa, 新疆南疆a=0.35；北疆a=0.52；全疆a=0.41^[27]。

不同生态环境植被需水量, 按下式分析：

(4)

式中, W为生态需水量, m³；ω为各河流水系形成的生态环境植被区面积, hm²。

基于流域经济社会生态环境可持续发展, 维持流域生态系统结构功能及生物多样性, 遵循流域河流水系形成的生态环境属性, 采用生态基流需水指标分析流域源流、干流河谷林草生态基流及需水量, 平原湿地、尾闾艾丁湖天然植被生态需水量。鉴于流域上游河谷林、湿地植被生长用水主要为河道来水下渗及降水共同补给, 下游戈壁荒漠化植被生长源于地下水, 采用生态基流Tennant法分析：

(5)

式中, Q为河流年均流量, m³/s；i为河流4—9月生态主要用水期和10—3月次用水期；j为河道流量占年均流量百分数：当j=100%—60%时, 水生物提供生长环境优良；当j=60%—30%时, 水生物生长环境满意；当j=10%—30%时, 水生物生长环境一般或低要求。A为生态基流控制断面, 考虑依据①常年有水水文控制断面, ②河流上有关键控制性工程, ③重要水生生物栖息地、湿地等控制断面。

由于生态基流Tennant法依赖经验, 因此, 将河道生态基流与生态需水结合并满足生态需水量W以下关系式：

(6)

式中, q为分析河流满足生态需水要求生态基流, m³/s；d为分析河流满足生态需水要求的生态基流量分析时间, 天数。

调查统计数据利用Excel 2007进行图表绘制分析。

2 结果与分析 2.1 生态区需水分析 2.1.1 需水定额

由流域气象站长系列气象数据, 以干旱区中等及强风地面覆盖25%—50%树木间种杂草, 考虑植被系数^[28], 按式(1)—(3)计算流域区不同时段及年生态需水定额如表 1所示, 结果表明, 流域下游托克逊极端干旱区生态植被需水定额1156 mm, 比上游达坂城干旱区生态植被需水定额968 mm高出188 mm增加了19.4%。

2.1.2 生态环境及需水量

基于勘察遥感解译, 流域生态环境植被类型, 上游达坂城区主要为河谷林草(河谷疏林, 河谷灌丛, 河漫滩草甸)、湿地(沼泽草甸)；下游艾丁湖及周边主要分布骆驼刺间有红柳荒漠草地(图 2)。流域河流水系生态环境面积(表 2)显示, 上游达坂城区源流平原生态区分布面积2923.6 hm², 其中：河谷林草1502.3 hm², 湿地1421.37 hm²。下游白杨河(柯尔碱沟无分布)平原生态区分布面积18639.0 hm², 其中：河谷林草602.1 hm², 湿地83.3 hm²；骆驼刺及草地17953.6 hm²。流域生态需水面积21562.6 hm², 其中：河谷林草2104.4 hm², 湿地1504.6 hm²；骆驼刺草地17953.6 hm²。

基于表 2生态类型面积, 按式(4)得生态环境植被需水量(表 3)结果可知, 流域生态总需水量7880万m³, 其中：河谷林草(河谷疏林, 河谷灌丛, 河漫滩草甸)2151万m³；湿地(沼泽草甸)1473万m³；干流白杨河尾闾艾丁湖骆驼刺草地4256万m³。各河流区生态需水量为：黑沟河年生态需水量921万m³, 其中：河谷林草230万m³；湿地691万m³。阿克苏河年生态需水量1048万m³, 其中：河谷林草586万m³；湿地462万m³。高崖子河年生态需水量862万m³, 其中：河谷林草639万m³；湿地223万m³。干流白杨河年生态需水量793万m³, 其中：河谷林草696万m³；湿地97万m³。干流白杨河补给尾闾艾丁湖骆驼刺草地水量4256万m³, 主要考虑9—12月, 原因在于艾丁湖补给水系复杂, 包括白杨河、阿拉沟、柯尔碱沟、大河沿子、塔尔郎、煤窑沟、黑沟、恰勒坎河、二塘沟、柯柯亚河、坎尔其沟等诸河流。现状白杨河进入艾丁湖水量约3024万m³。艾丁湖周边分布骆驼刺草甸植被约27313.9hm², 据流域下游托克逊县境内白杨河、阿拉沟两河年均径流分摊, 白杨河供给骆驼刺生态用水面积17953.6 hm²(占生态用水总面积65%)。由此9—12月白杨河干流末端骆驼刺草甸植被生态需水定额238 mm。

2.2 生态基流分析

由式(5)—(6)计算生态基流表 4结果可知, 流域上游达坂城区黑沟河4—9月主用水期, 生态基流和水量分别为0.48m³/s和766万m³, 10—3月次用水期, 生态基流和水量分别为0.10m³/s和155万m³, 生态需水占年均径流18%。阿克苏河4—9月主用水期, 生态基流和水量分别为0.55m³/s和872万m³, 10—3月次用水期, 生态基流和水量分别为0.11m³/s和177万m³, 生态需水占年均径流12%。高崖子河4—9月主用水期, 生态基流和水量分别为0.45m³/s和717万m³, 10—3月次用水期, 生态基流和水量分别为0.09m³/s和145万m³, 生态需水占年均径流12%。干流白杨河4—9月主用水期, 生态基流和水量分别为0.39m³/s和613万m³, 10—3月次用水期, 生态基流和水量分别为0.11 m³/s和180万m³, 生态需水占年均径流6%。

流域下游托克逊境内及艾丁湖4—9月主用水期, 生态基流和水量分别为1.23m³/s和1939万m³, 10—3月次用水期, 生态基流和水量分别为1.47m³/s和2317万m³, 生态需水占年均径流32%。全流域河流生态基流2.50m³/s, 生态需水量7880万m³, 其中：4—9月主用水期, 生态基流和水量分别为3.10m³/s和4906万m³, 10—3月次用水期, 生态基流和水量分别为1.89m³/s和2974万m³, 生态需水占年均径流17%, 介于10%—30%, 属于水生态环境一般或较低要求。鉴于生态需水及河道生态基流遵循河流水系属性, 因此, 流域生态基流水量可利用黑沟、阿克苏、高崖子渠首引水工程调配。

2.3 流域生态需水特性

需水量是生态植被耗水分析重要指标, 基于这一指标分析了新疆部分流域生态需水变化情况。由表 5分析表明, 生态需水与环境气象间具有很好相关性, 但流域地理环境位置不同, 对生态需水影响效应表现出一定差异：对生态需水M(mm)产生负效应(导致生态需水增加)影响因素, 白杨河流域是风速u、日照时数n、相对湿度U、蒸发量W；和田河流域是气温T、风速u、日照时数n、相对湿度U、蒸发量W；叶尔羌河流域是气温T、风速u、相对湿度U、蒸发量W；阿克苏河流域是有效降水P₀、气温T、风速u、相对湿度U、蒸发量W；巴州孔雀河流域是有效降水P₀、气温T、水汽压e、蒸发量W；玛纳斯河流域是气温T、风速u、蒸发量W；博尔塔拉河流域是气温T、水汽压e、风速u、蒸发量W。分析表明, 不同流域生态需水产生负效应共同影响因素是蒸发量W, 环境因素对生态需水影响程度大小为u＞n＞T＞U＞e＞W；产生正效应(导致生态需水量减少)影响因素主要是水汽压e、有效降水P₀、气温T, 对生态需水影响程度大小为e＞P₀＞T＞n＞u＞U。这说明, 不同地理环境流域生态需水量受当地综合气象环境共同影响作用, 其中生态需水负效应主因为风速u和日照n, 正效应主因体现在水汽压e和有效降水P₀。

由图 3分析可以看出, 不同流域年内生态需水M (mm)变化, 具有随着月份增加呈现由小渐增7至8月最大, 之后逐渐减小的变化规律。从不同流域生态需水量比较看出, 白杨河、和田河、叶尔羌河、阿克苏河、巴州孔雀河、玛纳斯河、博尔塔拉河7个流域年生态需水, 分别为1071mm、689mm、663mm、656 mm、523mm、510mm、470mm, 以白杨河流域年生态需水量为基准, 其他6个流域分别占白杨河流域生态需水量的64%、62%、61%、49%、48%、44%。明显看出, 白杨河流域生态需水量最大, 博尔塔拉河流域生态需水量最小。白杨河流域地处天山东部, 降水稀少气候干燥气温高, 尤其是风多风大频繁干旱与极端干旱区。天山以南昆仑山脉和田河、叶尔羌河流域, 降水少蒸发量高气象干旱荒漠区。阿克苏河、巴州孔雀河流域地处天山之南, 降水稀少蒸发强烈沙漠绿洲灌区。玛纳斯河、博尔塔拉河流域地处天山北坡准格尔盆地前缘及天山西部, 年均降水150—200mm, 年均蒸发量1700—2000 mm棕漠土区。分析结果与流域所处地理环境气象因素吻合。

3 结论与讨论 3.1 结论

(1) 流域上游达坂城生态区年需水量3624万m³, 其中：黑沟需水量921万m³(河谷林草230万m³；湿地691万m³)；阿克苏生态需水量1048万m³(河谷林草586万m³；湿地462万m³)；高崖子生态需水量862万m³(河谷林草639万m³；湿地223万m³)；干流白杨河年生态需水量793万m³(河谷林草696万m³；湿地97万m³), 流域下游干流白杨河补给艾丁湖及周边骆驼刺草地生态水量4256万m³。流域年均生态需水总量7880万m³。

(2) 流域河道总体生态基流2.50m³/s, 占年均径流量的17%, 其中：上游达坂城区黑沟河生态基流0.29m³/s, 占该河年均径流量18%；阿克苏分别为0.33m³/s和12%；高崖子分别为0.27 m³/s和12%；出自峡口白杨河干流分别为0.25m³/s和6%。下游托克逊境内由白杨河干流调节艾丁湖生态基流1.35m³/s, 占年均径流量的32%。

(3) 流域内生态环境植被耗水具有明显流域特征, 上游生态植被生长依附于河流及地下水转化和天然降水共同补给；下游由于降水稀缺完全依赖河道径流补给地下水作用。生态需水量调节与河道取水工程相关, 生态用水控制断面即该河道渠首引水工程。

(4) 生态植被需水是表征水生态环境用水重要指标, 白杨河流域年生态需水量1071mm, 天山南部和田河、叶尔羌河、阿克苏河、巴州孔雀河, 天山北部玛纳斯河、博尔塔拉河流域年生态需水量, 分别占白杨河流域的64%、62%、61%、49%、48%, 说明白杨河流域地处极端干旱区生态环境耗水高的基本特性。

3.2 讨论

(1) 常用的生态基流水文学Tennant法, 以河流年均径流量的10%—30%估算植被生长环境需水, 此方法由于人为选取参数计算结果与实际存在差别。本文以生态区年内不同时段需水为前提反演河流生态基流, 虽然得出生态基流占河道年均径流量比例在10%—30%, 但这种方法将生态区需水与河流径流年内分配结合更贴切实际。

(2) 有学者和研究人员多以4至10月作为植被生长期生态需水分析期, 干旱尤其是极端干旱区降水稀少蒸发十分强烈, 生态用水主要甚至完全依赖河流输水和地下潜水补给, 因此考虑11至次年3月时段是稳妥的。

(3) 有学者认为干旱区生态补水基本上是大流量下泄, 生态基流分析实际意义不大, 马玉其等人^[30]就新疆开都河水资源调度对焉耆盆地生产生活和生态影响, 计算了开都河生态基流, 马乐军等人^[31]提出分级分区确立水利工程最小下泄生态基流方法, 为不同区域生态基流确定提供方案。干旱区河道水文生态基流分析有助于生态环境植被耗水容量, 以及河道在不同阶段承担的下泄水量, 为生态需水保障提供技术支持。当然具体过程需依照流域河道生态区分布及水利工程布局, 在正确合理安排农业工业生活用水的基础上, 可以采取抡洪大水下泄、集中利用冬春季河道水下泄等方案实施。