干旱区新疆天然绿洲生态需水量分析

Analysis on Ecological Water Demand of Natural Oasis in Arid Area of Xinjiang

摘要: 山区降水冰川融雪产流和平原区几乎不产流的水文气象特征，构建了平原区河道径流补给河谷林草及尾闾湿地湖泊天然绿洲的生态格局。为研究平原河谷林草尾闾湿地湖泊天然绿洲需水，选择代表性河谷林草及河流尾闾湿地植被群落生境，采用气象、土壤、植被生理三种方法同步监测，运用植被耗水和地统模型研究天然绿洲生态需水，结果表明：1) 河谷林草毛耗水强度(含有效降水) 340~520 mm/a，净耗水强度(扣除有效降水)，北疆片区245~500 mm/a；2) 河谷林草湿地湖泊生态毛需水量(含有效降水) 203~216亿m³，完全依靠河流补给净需水量190~204亿m³；3) 河流尾闾平原洼地面积1 km²以上湖泊基本生态贮水量135亿m³，河谷林草需水量62亿m³；4) 生态需水量河流年径流量占比，2020年、2021年及年均分别为25.6%、23.8%和24.7%；5) 河道生态基流供给宜遵循河谷林草需水特征及河流“浅漫湿–枯平丰”规律，不宜集中或平均式补给。

Abstract: The mountain precipitation, glacier melting and snow melting runoff producing plain has almost no hydrological and meteorological characteristics, and the ecological pattern of natural oasis where river runoff in the plain area recharges the valley forest and grass and the wetland and lake at the end is constructed. In order to study the water demand of natural oasis in the wetland and lake at the end of forest and grass in the plain valley, the representative habitat of forest and grass in the valley and wetland vegetation at the end of the river were selected, and the three methods of meteorology, soil, and vegetation physiology were used to monitor simultaneously. The vegetation water consumption and geological model were used to study the ecological water demand of natural oasis. The results showed that: 1) The gross water consumption intensity (including effective precipitation) of forest and grass in the valley was 340~520 mm/a, and the net water consumption intensity (excluding effective precipitation) was 245~500 mm/a in Northern Xinjiang. 2) Ecological gross water demand (including effective precipitation) of river valley forest grass wetland lake is 20.3~21.6 billion m³; The net water demand is 19~20.4 billion m³ completely supplied by rivers. 3) At the end of the river, plain depression ≥ 1 km², the basic ecological water storage of lakes is 13.5 billion m³, and the water demand of forest and grass in river valleys is 6.2 billion m3; 4) The proportion of annual runoff of rivers with ecological water demand in 2020, 2021 and the annual average is 25.6%, 23.8% and 24.7% respectively. 5) The supply of river ecological base flow should follow the characteristics of forest and grass water demand in the river valley and the rule of “shallow wet dry flat high” in the river, instead of centralized or average supply.

1. 引言

生态环境由非生物和生物生态环境构成 [1] ，水生环境是生物生态环境的重要组成，水生环境基本生存或适宜最小水量 [2] 是维系生态环境正常功能的基本条件。新疆降水稀少蒸发强烈气温高温差大日照长，山区与平原物候差异悬殊，具有典型的内陆河流山区产流，平原几乎为非产流区特征。因此，河道内河谷林草生长 [3] [4] [5] 和下游尾闾湖泊及周边天然绿洲需水，完全依赖出山口以下平原区河流地表径流补给 [6] ，河道外 [7] 生态需水是人为干预的，包括绿地林草灌溉。

新疆全域生态需水量有诸多研究，贾宝全 [8] 以林业、草场等统计数据及部分试验资料估算1995年生态用水总量238亿m³，其中北疆片占17.8%；东疆占5.4%；南疆占76.8%。李兰奇 [9] 2003年分析新疆天然生态需水量208亿m³，其中河谷林草湿地180亿m³；博斯腾、乌伦古、艾比湖主要湖泊需水量28亿m³，而实际上博斯腾湖基本需水50~60亿m³。周宏飞 [10] 等人2005年分析新疆生态需水约229亿m³。周和平 [11] 2008年基于生境地理评估新疆山区平原区生态需水360~440亿m³，基本阈值400亿m³。龙爱华等 [12] 2019年以水资源公报及水量平衡原理，分析新疆2016年前后山区平原生态需水307亿m³。

新疆流域生态需水量方面，李肖杨等 [13] 2020年以孔雀河流域植被类型及多年径流，用潜水蒸发定额法分析河道1 km辐射范围天然植被需水9500万m³，相当于耗水强度203 mm。李骊等 [14] 2020年以Landsat TM遥感影像及流域统计年鉴，分析克孜河流域植被生态需水9.73亿m³，确定5.5 m潜水蒸发极限地下水位埋深。郭宏伟等 [15] 分析和田河流域生态需水红线8.85亿m³。何兵等 [16] 采用改进Tennant法、Texas法、月保证率法、河流输沙需水等方法，分析叶尔羌河流域生态需水2.33亿m³。范文波等 [17] 分析玛纳斯河流域生态需水量8.84亿m³，占地表水量38.59%。

干旱内陆河生态需水计算方面，陈敏建等 [18] 提出，植被水面需水量扣除有效降水部分即为径流生态需水量。施文军等 [19] 提出内陆河流域河道内、外生态需水项，以及河道内基础流量需水和河道外植被需水量估算方法。生态环境需水计算法 [20] [21] 可分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法及整体法四类。沿河植被生态需水研究常有植被蒸散量、潜水蒸发、水量平衡、生物量，最小流量、Tennant (河道年径流占比)等诸多方法，其中植被蒸散量分析结果准确性相对高，需周期性试验观测，但目前这方面监测甚少。

本研究基于代表性流域河谷林草生长蒸散量，采用三种技术方法多年同步监测，综合环境、气象水文、相关分析、植被系数、河道受水面积等因素，分析新疆平原区河谷林草及尾闾湖泊天然绿洲生态需水、生态基流及占比，为干旱区新疆生态需水河道径流调控管理提供依据。

2. 资料与方法

2.1. 研究区概况

新疆地处我国西北边陲，远离海洋深居内陆腹地(73˚40'E~96˚18'E, 34˚25'N~49˚10'N)，面积166万km²，占国土面积1/6。年均降水量154.1 mm，年均蒸发量2125.4 mm，干旱指数10~15，属典型温带干旱大陆性气候 [22] 。新疆河谷林草湿地湖泊水量由河流供给，大于1 km²湖泊108~138处，面积5136~6969 km²，可贮水520亿m³ (山区产流385亿m³；平原135亿m³只占26%) [23] [24] 。新疆570多条河流源于山区组成流域单元，形成平原区河道径流补给河谷林草尾闾湿地湖泊天然绿洲生态格局。新疆天山北部有额尔齐斯–乌伦古河及额敏河流域，山区年降水200~600 mm，平原年降水100~200 mm；天山西端伊犁河流域是新疆降水最多区域 [25] [26] ，山区降水400 mm以上，平原降水减少；天山西部艾比湖和天山北坡中部玛纳斯河流域，山区年降水200~550 mm，平原年降水100~150 mm；天山东部艾丁湖和石城子河及伊吾河流域 [27] ，山区年降水100~500 mm，平原年降水50~150 mm；天山南坡开孔河、渭干河、阿克苏河及喀什噶尔河流域，山区年降水150~500 mm，平原年降水50~100 mm；天山南端昆仑山北麓叶尔羌河及和田河流域，海拔5000 m以上高山区 [28] 年降水量460~675 mm，平原区年降水仅30~80 mm。由此可见，山区为源流形成区，出山口前山和平原为河道径流及散失区，河流维系着河谷林草湿地湖泊天然绿洲生态水环境。

2.2. 试验设计

考虑到不同生态环境植被生长状态，以“1、水生态环境类型”分区域，设置二个监测区：上游达坂城降水与河道径流互补型(1-JS)、下游托克逊降水稀缺地下水补给型(1-DS)；以“2、植被群落生长优劣程度”为梯度，上游达坂城下游托克逊区，均设三个监测区位：生长中等(2-Z)、生长一般(2-B)、生长较差(2-C)。环境监测内容为土壤水分土温(TS)、植被群落生理耗水(SL)和环境气象要素(QX)。鉴于天然河谷林草乔灌木植被群落生长分布区域面积较大，因此测区不设重复的全面观测。

2.3. 监测方法

表1为河谷林草生态耗水监测区位，白杨河流域上游达坂城，代表天山北部降水与河道径流互补型环境；下游托克逊代表降水稀缺地下水补给干旱环境。上游达坂城、下游托克逊区各三个监测区位，共布设6台土壤水分仪全年每4 h自动监测1 m土体土壤水分土温；上游达坂城、下游托克逊区各一个监测区位，布设2台植被生理光谱仪，全年每1 h自动监测叶绿素指数、蒸散、冠层覆盖、植被系数、植物耗水；上游达坂城、下游托克逊区各一个监测区位，布设2台自动气象站自动观测气温、湿度、风速、日照、水汽压、降水量、蒸发。以上土壤水分仪、植被生理光谱仪和气象观测三种技术方法同步监测。

Table 1. Monitoring points for ecological water consumption of forest and grass in valley

表1. 河谷林草生态耗水监测点位

2.4. 分析算法

基于土壤墒情监测河谷林草植被耗水分析：

$E{T}_{1-2}=\left[10{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{\gamma }_i{H}_i\left({\beta }_i{}_1-{\beta }_i{}_2\right)}+P\right]/d$ (1)

式中：ET_1-2为植被耗水，mm/d；i为土壤层次数；n为土壤层次总数目；γ_i为第i层土壤容量，g/cm³；H_i为土壤层深，m；β_i1为监测点第i层土壤起始含水率，%；β_i2为监测末段土壤含水率，%；P为时段内降水量，mm；d为始末间隔时间，d。

植被能够吸收近红外(750~1300 nm)和短波近红外(1300~2500 nm)区域辐射性能，采用光谱遥感监测植被生长生理水分 [29] ，利用一阶微分可较好清除大气土壤凋落物等低频光谱成分对监测目标影响，反映植被光谱内在特性，进行植被生长生理叶绿素、叶面积、冠层覆盖指数、蒸散耗水等信息定量反演 [30] [31] ：

$\rho \left({\lambda }_i\right)=\frac{\rho \left({\lambda }_i{}_{+1}-{\lambda }_i{}_{-1}\right)}{2\Delta \lambda }\approx \frac{d\rho \left({\lambda }_i\right)}{d{\lambda }_i}$ (2)

式中：ρ为利用近红外高光谱与植被目标之间反射率；λ为连续的电磁波段波长。

基于气象要素生态植被耗水：

$ET=E{T}_0\times K_c-P_0$ (3)

式中：ET为植被耗水，mm；ET₀为植被潜在蒸散量，mm；K_c为植被系数；P₀为有效雨量，mm。

ET₀由观测气温、日照、风速、水汽压、高程纬度，经彭曼(Penman-Monteith)式计算，植被系数K_c按下式：

$K_c={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}E{T}_i/E{T}_{0i}}$ (4)

式中：i为植被生长i阶段；n为植被生长划分阶段数目；ET_i为植被生长i阶段耗水，mm；ET_0i为植被生长i阶段蒸散量，mm。

基于不同流域气象水文与监测区耗水信息，采用地统模型得不同流域植被耗水强度：

$m=\{\begin{array}{l}{X}_i{}_1,X_i{}_2,X_i{}_3,X_i{}_4,\cdots ,X_{in}\\ k_0+k_1{x}_1+k_2{x}_2+\cdots +k_n{x}_n\\ R\ge R_{\left(a,n\right)}\\ F\ge F_{\left(a,n\right)}\end{array}$ (5)

式中：m为植被年耗水强度，mm；X_in为生态环境影响因子；k_n、x_n为方程拟合系数和自变量因素；R、F为检验相关系数和方差；R_(a,n)、F_(a,n)为相关系数和方差临界值；a、n为置信度和统计检验样本数。

由植被耗水强度，可得流域生态需水量、生态基流、生态需水量河道径流占比：

$W=\left[\left(m-P_0\right)A\right]\times 1000$ (6)

$q=\left(W/86400\right)/d$ (7)

$B=\left(W/Q\right)\times 100$ (8)

式中：W为生态需水量，m³；P₀为有效雨量，mm (有效降水转化系数参考 [32] a = 0.35~0.52平均0.41)；A为平原区河流受水面积，km²；q为河道生态基流，m³/s；d为生态基流分析时段，d；B为生态需水量W河道径流量Q占比，%。

3. 结果与分析

3.1. 不同环境植被水分生理

植被水分生理监测表明，上游达坂城中纬度较高海拔，植被叶绿素指数和蒸散量低于下游托克逊艾丁湖低海拔区，植被生长短波辐射量高于下游区。植被叶绿素、蒸散量、短波辐射量，随月增加变化，年内5~8月达峰区间，9~12月逐渐下降，1月和12月最小。达坂城区植被叶绿素、植物蒸散、短波辐射量年际变化，2020年分别为0.51、3.08 mm/d和15.0 MJ/m²，2021年为0.60、1.74 mm/d和10.1 MJ/m²；下游托克逊艾丁湖区2020年分别为1.84、4.06 mm/d和11.3 MJ/m²，2021年为2.04、2.34 mm/d和7.6 MJ/m²。可见，较高海拔区叶绿素、植物蒸散量比低海拔区小，而植被短波辐射量则反之，这与海拔高区紫外线短波长多茎干粗短叶面小灌木林草生长，下游低海拔多可见光荒漠耐旱植被生长相关，表明干旱区生态植被在高程区域、植被蒸散、气象环境等方面差异性大。

3.2. 不同环境土壤水分土温

植被土壤水分监测表明，上游达坂城区2020年1 m深土温和土壤含水率13.4℃和12.7%；2021年为8.6℃和15.5%。下游托克逊区，2020年1 m深土温和土壤含水率19.6℃和32.4%；2021年14.3℃和31.3%。这说明上游有一定降水和河道径流影响，植被生长土壤水分土温消长变化较快，下游托克逊区主要由河道地下水补给，植被生长土壤水分土温变化相对较慢。植被生长环境土温、土壤含水率变化，逐月增加与季节一致；土壤含水率总体呈现前低中多后期降趋势，土壤含水率没有明显峰值尤其是冬春季处于较低状态，这与随机降水和地下水补给区水分补给有关，有利于植被适应环境对水分的需求。

3.3. 植被耗水及植被系数

根据环境气象、土壤墒情、植被光谱三种技术监测，由式(1)至(4)分析得上游达坂城和下游托克逊植被生长耗水ET (mm/d)，从表2看出，植被耗水年内1至8月逐月增加，植被耗水出现2个峰区分别为5月和7至8月间，9至12月耗水渐降，1和12月最小。下游托克逊区耗水明显大于上游达坂城，但耗水规律趋于一致，体现了流域上下游不同干旱气候程度影响。由2020及2021年监测看出，植物系数K_c有较好重现规律，因此以植被系数K_c与气温T、水汽压e、风速u、日照时数n、相对湿度U、降水P之间，可以拟合回归方程如式(9)~(10)所示：

$K_c=0.2518-0.0067T+0.3971e-0.0966u+0.0219n-0.0033U-0.0054P$ (9)

$K_c=0.8567+0.0096T-0.0761e-0.0662u-0.0189n-0.0049U+0.0039P$ (10)

拟合方程相关系数R = 0.791~0.964；方差F = 4.74~36.76，统计检验表明，均大于临界值R = 0.404~0.515及F = 2.51~3.67区间，相关系数R和方差F均有较好的显著性，由此拟合方程与不同流域环境因素关联，可拓展获得不同流域环境植被耗水参数。

Table 2. Watershed vegetation water consumption by three monitoring methods for different environments

表2. 流域不同环境三种监测方法植被耗水

4. 流域生态环境需水分析

4.1. 植被耗水强度

植被耗水强度是生态植被用水分析基础参数，综合23个流域 [33] [34] 33条代表性河流以及44个环境气象测站，进行不同流域环境耗水特性关联分析。由表3植被系数K_c与气象要素拟合方程，以流域代表性河流44个气象测站2009~2019年均气象要素，计算不同流域植被系数，由植被系数与不同流域环境气象要素，以彭曼法获代表性测站植被蒸散量，按式(6)得不同流域生态植被毛耗水强度(含有效降水)、净耗水强度(扣除有效降水)。图1为23个流域2020至2021年河谷林草净耗水强度，可以看出，艾丁湖、和田河、车尔臣河、若羌河等流域年耗水强度相对高；额敏河、金沟河、博尔塔拉河、奎屯河、伊犁河等流域年耗水强度相对减小。艾丁湖流域地处天山东部，降水稀少气候干燥高温，尤其是风多风大频繁极端干旱区；昆仑山脉和田河、叶尔羌河流域降

(a) 2020年监测分析值(b) 2021年监测分析值

Figure 1. Annual net water consumption intensity of ecological vegetation in the basin

图1. 流域生态植被年净耗水强度

水少蒸发量高干旱荒漠区；阿克苏、孔雀河流域地处天山之南，降水少蒸发多沙漠绿洲区；玛纳斯、博尔塔拉河流域天山北坡准格尔盆地前缘天山北部，年降水150~200 mm，年蒸发量1700~2000 mm。分析结果与流域地理环境水文气象情形趋势相同。

4.2. 生态环境需水量

4.2.1. 河流植被环境受水面积

出山口平原区河流植被环境范围受水面是河谷林草需水基础。河流生态环境受水面积主要考虑干流河道长度 [35] 影响范围。出山口以下平原区河流长度参数，采用流域河道几何图形平面投影成果 [36] ，出山口以下平原区干流长度9842 km，平均宽度1916 m，河流环境范围受水面积18,857 km²，即全疆流域出山口以下平原区，由河流供给河谷林草植被生长受水面积188.6万hm² (公顷)。

4.2.2. 流域需水量及径流占比

流域生态需水量分析结果见表3，平原区河谷林草及湿地湖泊毛需水量(含有效降水)，2020~2021年为216.18~203.07亿m³；净需水量(扣有效降水)，2020~2021年为204.16~189.57亿m³。平原河流尾闾洼地≥1 km²湖泊基本贮水135.363亿m³，其中阿勒泰诸河流60.200亿m³主要供给乌伦古湖；源于精河、博尔塔拉河、奎屯河等供给平原洼地艾比湖7.000亿m³；昌吉天山北麓诸河流3.610亿m³供给玛纳斯湖和克拉玛依平原洼地艾里克湖；乌鲁木齐河尾闾湿地湖泊0.300亿m³东道海子湖；艾丁湖流域0.163亿m³尾闾艾丁湖；哈密巴伊盆地河区1.100亿m³山前平原巴里坤湖；开都孔雀河供给平原区57.323亿m³博斯腾湖及其下游沙丘罗布泊等湖泊；阿克苏渭干河3.58亿m³河流下游冲击扇洼地艾西曼湖及沙雅阿奇克达希湖；喀什噶尔河流域0.100亿m³硝尔库勒湖；叶尔羌河供给0.477亿m³平原沙丘小面积湖泊；和田河流域0.710亿m³零散平原沙丘小面积湖泊：塔里木河干流终端台特玛湖0.800亿m³。生态环境净需水量河流径流占比2020~2021年25.6%~23.8%。由图2看出，生态环境净需水量河流径流占比由小到大流域区为：伊犁、塔河干流、和田、喀什、阿克苏、乌鲁木齐、克州、昌吉、哈密、博州、吐鲁番、阿勒泰、巴州。河流径流占比最高前5位巴州、阿勒泰、吐鲁番、博州及哈密流域片区；占比最小前5位伊犁、塔额、塔河干流、和田及喀什流域片区。可见，平原区湿地湖泊贮水及其数量是增加生态水量比重的主要原因。

4.2.3. 生态基流及供给配置

生态基流是河湖分区阶段供给调控管理的重要抓手 [37] ，由监测区植被耗水与河道径流对比(图3)看出，河谷林草耗水1至8月逐月增加，8月之后随之逐渐下降，植被耗水峰期与河道年径流变化有同步相似性。因此，生态基流供给宜遵循植被耗水“浅漫湿”特征及河流年径流“枯平丰”季节属性，不宜集中或平均式供给调配。

Table 3. Ecological water demand in plain area of Xinjiang basin (Unit: 108 m3)

表3. 新疆流域平原区生态需水量(单位：亿m³)

Figure 2. Proportion of annual runoff of ecological clean water channels in plain area

图2. 平原区生态净用水河道年径流量占比分布

(a) 2020年监测 (b) 2021年监测

Figure 3. Relationship between ecological water consumption and river runoff in the monitoring area of the basin

图3. 流域监测区生态耗水与河道径流关系

5. 结论

综合环境气象水文、相关分析、植被系数、河道受水等因素，分析了干旱区新疆生态植被耗水强度及需水量。平原区生态毛需水量(含有效降水)，2020年和2021年为217和203亿m³。平原区生态净需水量(扣有效降水)，2020年和2021年为204和190亿m³，其中河流尾闾平原洼地≥1 km²湖泊基本生态贮水量135亿m³；河谷林草需水量69~45亿m³。生态水河流径流量占比，2020和2021年为25.6%、23.8%。河道生态基流供给调控宜遵循河谷林草需水“浅漫湿”及河流“枯平丰”属性规律，不宜集中一次或平均式水量调配。

基金项目

新疆水利科技专项(YF2020-01; XSKJ-2022-17)。

参考文献