高 喆，李 凱，周潤田，趙 沛，董國濤

（黑河水資源與生態(tài)保護研究中心，甘肅蘭州730030）

水資源是我國西北內陸地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)平衡的關鍵制約因素［1-2］。黑河是我國第二大內陸河，但水資源有限，中游用水量增加導致進入下游的水量減少［3］，致使下游河道斷流、土地荒漠化日趨嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化［4］，為解決這些問題，國家自2000年起對黑河干流水量實施統(tǒng)一調度。2000—2017年正義峽—狼心山區(qū)間的耗水損失量年均為5.43億m3（約占正義峽斷面下泄水量的48%），最大為7.83億m3（2003年），最小為 4.29億 m3（2001年），相差較大。河段蒸發(fā)滲漏損失量的變化使下游水量配置存在不確定性，嚴重影響實時調度效果。

河道的蒸發(fā)滲漏是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)［5］，也是水文地質學的重要內容［6］，河道滲漏量是確定河流與地下水之間轉化量的重要參數(shù)，也是區(qū)域水資源管理的重要方面［7］。近年來，隨著技術的發(fā)展和測量手段的提高，許多新方法被應用到河道蒸發(fā)和滲漏研究中。T.VOGT等［8］應用光學纖維高分辨率垂直溫度剖面儀估算了河道滲漏損失速率；K.D.KINZLI等［9］利用聲學多普勒流速剖面儀測定灌區(qū)渠道滲漏損失；席海洋等［10］對滲透速率特征進行了研究，分析了影響滲透速率的主要因素；李靜［11］通過抽水試驗，運用水力層析法對含水層的滲漏通道進行了反演；龍德江［12］利用主成分回歸法對影響水面蒸發(fā)的主要因素進行了分析；丁薇［13］采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型對水面蒸發(fā)量進行了預測研究；魏光輝等［14］采用關聯(lián)分析法對比分析了新疆準噶爾盆地南緣及塔里木盆地北緣非冰期水面蒸發(fā)影響因素；還有學者采用水力學、同位素以及示蹤等方法研究地下水滲漏補給機理并對滲漏量進行確定［15］。對于黑河下游河道蒸發(fā)和滲漏的研究，仵彥卿等［16］采用電導方法定性研究了鼎新至哨馬營河段滲漏的轉化途徑，張應華等［17］定點估算了鼎新至居延海河段每年的河道滲漏量。以往的研究多集中在河道滲漏轉化途徑、蒸發(fā)滲漏量估算及影響因素等方面，很少涉及將河道蒸發(fā)量和滲漏量分別計算。經(jīng)過黑河干流水量調度多年實踐，人們已初步掌握了下游正義峽—狼心山河段的輸水損失規(guī)律，但河道蒸發(fā)量和滲漏量分別占的比例大小尚不清晰，需要開展河道蒸發(fā)量和滲漏量分割計算，以提高生態(tài)調度輸水效率和水資源配置效益。筆者基于水量平衡法，計算黑河干流正義峽—狼心山河段的蒸發(fā)量與滲漏量，以期為黑河干流水量精細化調度提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑河下游地處中亞荒漠東南部，屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū)。多年平均氣溫為8.4℃，降水量為53.3 mm，蒸發(fā)強烈，干燥系數(shù)為44.7，屬極端干旱區(qū)。本文研究河段位于黑河干流下游正義峽與狼心山水文控制斷面之間，跨甘肅省高臺縣、金塔縣和內蒙古自治區(qū)額濟納旗，區(qū)間河道長度為211.6 km，其中：正義峽—哨馬營段161.4 km，哨馬營—狼心山段50.2 km。根據(jù)2000—2017年觀測資料，正義峽、哨馬營、狼心山水文站多年平均徑流量分別為 11.14億、7.22億、6.10億m3。

2 研究方法

（1）數(shù)據(jù)源及處理。本文氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）和水文站獲取，遙感影像由地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）下載，水文數(shù)據(jù)由正義峽、哨馬營、狼心山水文站獲取。插值和遙感數(shù)據(jù)解譯利用 ArcGIS實現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡算法通過Matlab編碼實現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計、關系擬合、相關性分析分別利用Excel、SPSS及SigmaPlot完成。

（2）河道水面蒸發(fā)量計算。研究區(qū)河段地處平原區(qū)，河道較寬淺平緩，水流速度較小，W蒸發(fā)可近似看作靜止水面蒸發(fā)量。受氣象條件差異和水面面積影響，水面蒸發(fā)呈現(xiàn)較大時空變異性，對于任意河段，單位時間內水面蒸發(fā)總量計算公式為

式中：E為單位時間單位面積蒸發(fā)量；A為計算時段的水面面積。

水面蒸發(fā)量通常利用蒸發(fā)皿實測獲得，但研究區(qū)內只有鼎新氣象站有蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，而單點蒸發(fā)量數(shù)據(jù)無法在整個河段內插值，因此采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法［18］，利用鼎新站蒸發(fā)量和氣象數(shù)據(jù)，建立蒸發(fā)量（E）和氣溫 （T）、相對濕度 （Rh）、氣壓 （P）、風速 （Ws）、日照時數(shù) （Sd）的關系：

式（2）中，P、Sd和Ws在局部區(qū)域差異較小，因此可以利用鼎新站資料代替；T和Rh在更大空間范圍內具有良好的規(guī)律性，并且易于觀測，數(shù)據(jù)相對易于獲取，本文采用克里金法［19］，根據(jù)鼎新氣象站數(shù)據(jù)，通過時空插值得到正義峽、哨馬營、狼心山水文站數(shù)據(jù)。計算時段內的河道水面面積通過建立流量—水面面積關系獲取，不同時段的河道水面面積通過遙感影像解譯獲取（本文采用的遙感影像包括Landsat4 TM、Landsat5 TM 和 Landsat 8 OLI＿TIRS）。

（3）水面面積確定。選取2004年黑河水量常規(guī)調度期開始以來的 12期（20050417、20060911、20060927、20070914、20100720、20100922、20110925、20130930、20140512、20150718、20160720、20170824，其中：2004—2011年為 TM影像數(shù)據(jù)，2012—2017年為ETM影像數(shù)據(jù)）Landsat TM/ETM遙感影像（軌道行列號為134/032），通過目視解譯獲取各期河道內的過水面積。

（4）蒸發(fā)滲漏量計算。根據(jù)水量平衡原理，一段閉合河道內水量損失等于輸入量和輸出量的差值，因此在有出入口水文站控制的河段，河道內水量變化可以根據(jù)上下游水文站徑流量計算：

式中：ΔW為河道內水量變化量；I和O分別為同一時段上游水文站輸入徑流量和下游水文站輸出徑流量。

一般河道水量變化包括支流匯入量、流出量、取用水量、河道與地下水交換量以及蒸發(fā)量和降水量。正義峽—狼心山段黑河干流無支流匯入或流出，河道和地下水的交換只有滲漏，而沒有地下水補給河水。因此，該段河流水量變化可以表示為

式中I、O和W取用水可以通過觀測資料直接獲得，W降水在單位面積降水量已知的情況下可以通過河段面積計算得到。結合式（1）、式（2），通過E和A計算河段蒸發(fā)總量后，河段滲漏量則可以通過式（5）得到。

3 結果分析

3.1 河段蒸發(fā)量計算

3.1.1 日均流量與河道過水面積之間的關系

水流從正義峽站傳輸?shù)缴隈R營站需要24～34 h，基于正義峽站前一日流量數(shù)據(jù)，構建日均流量和區(qū)間河道過水面積之間的關系（見圖1（a）），當正義峽站流量小于130 m3/s時，正義峽—哨馬營段的過水面積與正義峽站前一日流量成以e為底的指數(shù)函數(shù)關系：y＝36.015e0.0069x（R2＝0.81）。 同樣，哨馬營—狼心山段的過水面積與哨馬營站前一日流量也是以e為底的指數(shù)函數(shù)關系（見圖 1（b））：y ＝ 13.776e0.0068x（R2＝0.81）。

圖1 日均流量與過水面積之間的關系

3.1.2 日均流量分布及累計頻率

統(tǒng)計2005—2017年正義峽水文站日均流量分布及累計頻率（見圖2（a）），可知正義峽站的日均流量為0～130 m3/s的比例在95%以上，因此可利用正義峽站的日均流量與正義峽—哨馬營段過水面積的關系式計算該河段的過水面積。同樣，統(tǒng)計2005—2017年哨馬營站日均流量分布及累計頻率（見圖2（b）），可知哨馬營站的日均流量為0～130 m3/s的比例在95%以上，因此可利用哨馬營站日均流量與哨馬營—狼心山段過水面積的關系式計算該河段的過水面積。

圖2 日均流量分布與累計頻率

3.1.3 各河段月過水面積計算

利用正義峽站日均流量與正義峽—哨馬營段過水面積關系式y(tǒng)＝36.015e0.0069x、哨馬營站日均流量與哨馬營—狼心山段過水面積關系式y(tǒng)＝13.776e0.0068x，結合正義峽站與哨馬營站日均流量資料，計算得到2005—2017年正義峽—哨馬營河段過水面積和哨馬營—狼心山河段過水面積，并計算河段月均過水面積，計算結果分別見表1、表2。

3.1.4 蒸發(fā)量計算

根據(jù)鼎新氣象站2005—2017年蒸發(fā)量資料，結合黑河干流正義峽—狼心山河段的月均過水面積，計算得到該河段的年蒸發(fā)量（見圖3）。2005—2017年正義峽—狼心山河段年平均蒸發(fā)量為1.32億m3，其中：2013年最高（1.46億 m3），2005年最低（1.19億 m3）。正義峽—哨馬營河段蒸發(fā)量約為哨馬營—狼心山河段的3倍，兩河段的變化趨勢基本一致。

表1 2005—2017年正義峽—哨馬營段月均過水面積 km2

表2 2005—2017年哨馬營—狼心山段月均過水面積 km2

圖3 2005—2017年正義峽—狼心山河段蒸發(fā)量變化

3.2 蒸發(fā)量和滲漏量分割計算

根據(jù)2005—2017年正義峽、哨馬營及狼心山水文站徑流實測資料，正義峽站多年平均進入下游的水量為12.23億 m3，其中：2010 年最?。?.61 億 m3），2017年最大（15.87億m3）；哨馬營站和狼心山站多年平均進入下游的水量分別為7.92億、6.83億m3，最小年份和最大年份均分別為2010年和2017年，各水文站年徑流量變化趨勢基本一致（見圖4）。

圖4 2005—2017年各站年徑流量變化情況

鼎新灌區(qū)是正義峽—哨馬營段最重要的取用水河段，主要引水口門為大墩門引水樞紐，根據(jù)2005—2017年大墩門引水樞紐資料，多年平均引水量為1.01億m3，其中2017年引水量最大，為1.27億m3。哨馬營—狼心山段多年平均引水量為0.29億m3，最大引水年份也是2017年，引水量為0.38億m3。各河段引水量見表3。

表3 2005—2017年正義峽—狼心山段引水量及滲漏量億m3

根據(jù)水量平衡原理，河段總的蒸發(fā)滲漏損失量為上斷面過水量減去下斷面過水量，再減去區(qū)間引水量。從正義峽—狼心山河段各年總的蒸發(fā)滲漏損失量減去年蒸發(fā)量即可得到年滲漏量（見表3）。由表3可知：2005—2017年正義峽—狼心山河段年平均滲漏量為2.77 億 m3，這與張婕等［20］計算的 2005—2013 年該河段年均滲漏量2.69億m3基本一致；2014年滲漏量最大（4.03億 m3），2008 年滲漏量最?。?.12 億 m3）；正義峽—哨馬營河段滲漏量約為哨馬營—狼心山河段的5倍。由正義峽—狼心山河段蒸發(fā)量、滲漏量對比（見圖5）可知，多年平均蒸發(fā)量與滲漏量之比約為1∶2。

圖5 2005—2017年正義峽—狼心山河段蒸發(fā)量、滲漏量對比

4 結 論

（1）基于對黑河干流正義峽—狼心山段不同流量級下河道過水面積的遙感解譯，建立了不同斷面日均流量與過水面積的關系式，結合氣象觀測資料與正義峽—狼心山段的過水面積，計算獲得該河段年平均蒸發(fā)量為1.32億m3。

（2）正義峽—哨馬營河段蒸發(fā)量、滲漏量分別約為哨馬營—狼心山河段的3倍、5倍，兩段的變化趨勢基本一致。

（3）基于水量平衡原理，對正義峽—狼心山河段的蒸發(fā)量、滲漏量進行分割，結果表明該河段多年平均滲漏量為2.77億m3，約為多年平均蒸發(fā)量的2倍。