黑河流域水资源研究进展_宁宝英

文章编号:1000-694X (2008)06-1180-06黑河流域水资源研究进展收稿日期:2008-04-17;改回日期:2008-07-02基金项目:中国科学院创新团队国际合作伙伴计划(CXT D -Z2005-2);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW -317);玉龙雪山旅游开发管委会地方项目资助作者简介:宁宝英(1979)),女,山东费县人,博士研究生,主要从事生态经济与区域可持续发展方面研究。

E mail:ningbaoying@宁宝英1,2,何元庆2,3,和献中2,4,李宗省2(1.中国科学院资源环境信息中心,甘肃兰州730000; 2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃兰州730000; 3.中国科学院青藏高原研究所,北京100085; 4.玉龙雪山省级旅游开发区管委会,云南丽江674100)摘 要:作为典型的内陆河流域,黑河流域历来是研究寒区、旱区水文与水资源的热点地区。

水资源是联系该流域生态系统和经济系统的纽带,更是其社会经济环境可持续发展最主要的限制因子。

因此,对于黑河流域水资源的研究非常广泛,也取得了很多高水平的研究成果,这些研究内容主要包括:上游产流区的冰雪变化与黑河径流量、黑河出山口径流变化特征及其对气候变化的响应以及径流量的模拟与预测;中下游耗散区的水资源利用状况及对策;同位素、水资源承载力以及水资源管理的理论方法和措施。

今后的重点应从流域的宏观尺度,开展黑河流域生态经济的综合研究、生态水文学和水污染问题的研究。

关键词:黑河流域;水资源;研究进展中图分类号:F323.213文献标识码:A1 研究区概况黑河流域是我国西北干旱地区第二大内陆河流域,大致介于38b 00c )42b 00c N,98b 00c )101b 30c E,流域面积约113@105km 2,流长821km,流域地跨青海、甘肃和内蒙古3省区[1]。

黑河流域平均海拔为3600m,相对高差为3000m 左右,生态格局、气候状况具有明显的垂直地带性,大致可分为高山冰雪冻土带、山区植被带、山前绿洲带和荒漠带[2]。

上游祁连山区和中游走廊区和年降水量分别为300~500mm 和100~250mm,下游额尔济纳旗绿洲为荒漠极端干旱区,降水量不足45mm [3]。

黑河流域包括大小支流30多条,均发源于祁连山,多年平均水资源总量41173亿m 3,其中出山径流量36183亿m 3[4]。

黑河流域被莺落峡和正义峡分为上中下三部分:莺落峡以上为上游,是主要产流区,包括青海祁连县和甘肃肃南县部分地区;莺落峡和正义峡之间为中游,是主要用水区,包括甘肃山丹、民乐、甘洲、临泽、高台等县(区);正义峡以下为下游,是河湖尾闾消失区,包括甘肃金塔鼎新灌区、东风场区和内蒙古额济纳旗。

下游从狼心山断面以下又分额济纳东河和西河,并分别流向东、西居延海[5]。

现拥有耕地2676km 2,农田灌溉面积1929km 2,粮食总产量9914万t[6]。

2 研究现状对黑河流域而言,水资源是贯穿黑河研究的主线和核心,是联系流域生态系统和经济系统的纽带,也是该区域社会经济环境可持续发展的最主要限制因子[3,7-8]。

目前,黑河流域水资源及生态[9-13]和水资源供需平衡问题[14-16]是研究的热点。

由于水资源在黑河流域上中下游具有的作用和功能不同,并据此将流域划分为上游产流区、中游消耗区和下游消失区[17],因此,本文对于黑河流域水资源的研究亦主要分区域详述,多区域存在或跨区域的研究内容另列专题,以期对以往的研究有更清晰的认知。

2.1 上游产流区黑河上游是位于青藏高原北缘的祁连山地,属青藏高原的祁连山-青海湖气候区,降水多、蒸发少、气温低、高寒阴湿,是黑河流域地表水资源的发源地和产流区[18]。

由于山区汇流区冰川、积雪和冻土等与气温密切相关,对气候变化十分敏感。

因此,研究全球变暖条件下,黑河流域山区汇流区降水的可能变化及其与全球气候变暖的关系,对制定区域社会经济发展规划与水资源开发利用及管理有着非常重要的意义[19]。

由于上游是产流区,所以对于上游祁第28卷 第6期2008年11月中 国 沙 漠JO U RN A L O F DESERT R ESEA RCHV ol.28 No.6Nov.2008连山地寒区水文的研究得到众多学者的广泛关注,也产生了许多有益的研究成果,具体包括以下几个方面:2.1.1冰雪变化与黑河径流量杨针娘[20]认为黑河流域祁连山区发育的冰川年融水量2198亿m3,占河流径流量的8%;冯起等[21]也认同8%的构成比例。

高前兆等[22]通过对黑河上游流量补给成分的分析,认为典型平水年当中地下水的补给量达1/3以上,高山冰雪融水的补给在4%左右,两者之和可达40%左右。

关于全球变化对冰雪的影响,杨针娘[20]对我国西部雪线高度(H s)与气温、降水的关系得到如下经验公式:H s=11343P c-38717Ta c-69186可见气温降低015e与降水量增加144mm是等效的。

故全球范围内的升温对冰川物质平衡的影响要比降水显著得多[23]。

丁永建等[24]也得到类似的结论。

20世纪80年代后期在黑河流域进行了一系列应用卫星资料监测积雪分布、变化和融雪径流方面的研究。

刘政凯等[25]用NOAA气象卫星的AVH RR影像测量了黑河上游积雪;曾群柱等[26]对黑河上游(莺落峡站)春季径流总量功率谱做了方差周期分析,并建立了相应的径流预报模型。

90年代初,杨针娘等在祁连山黑河上游冰沟流域进行了寒区水文观测实验,对寒区径流形成及产流模式[27]、冻土水文过程[28]等方面进行了较为系统的研究。

近来王金叶等[29]运用先进的小气候自动记录仪和TDR等技术对黑河上游进行了广泛的野外观测,并结合常规的观测资料讨论了黑河上游林区冻土的水文功能。

研究表明:黑河上游冻土面积约为6500km2,占流域面积的45%,对水资源的形成和稳定性有重要影响。

2.1.2黑河出山口径流变化特征及其对气候变化的响应随着黑河流域气候变暖,黑河流量也发生了相应的变化,对此已有许多成功的研究:蓝永超等[30]根据有关水文气象台站的观测数据,利用定级分类、滑动平均和波谱分析等方法,对黑河出山径流(莺落峡站)的年际变化特征进行了分析。

研究表明:黑河出山径流目前处于1990年开始的枯水段的上升段,预计21世纪初若干年该流域出山径流变化以平水或平水偏丰为主。

丁永建等[31]对黑河流域气候与径流的关系进行了分析,认为近40a来黑河流域年降水和气温总体上呈现增加之势,且导致径流量亦呈增加之势,究其原因主要与降水量的增加密切相关。

蓝永超等[19]认为黑河山区汇流区目前处于一种暖湿的气候背景,即伴随着全球气候增温,降水量亦呈增长的趋势,增幅与北半球中高纬地区的平均增幅一致。

曹玲等分析了黑河洪峰的历年演变规律及其与气候变化的关系[32],认为最大洪峰流量与上游洪峰日前三天的降水量之间相关关系较好,相关系数为013,黑河上游气温较高时,年最大洪峰出现时间较早,而气温较低时,最大洪峰出现时间相对较晚,这说明年最大洪峰对气候变暖的响应程度很好;李林等[18]发现黑河流域雨水对流量的补给在相对减少而积雪融水对流量的补给在相对增加,这也是流域对气候变暖的响应。

王亚军等[33]采用树木年轮资料和1956)1995年莺落峡月平均流量资料重建了黑河230a以来3)6月径流变化,发现在过去的230a,黑河3)6月径流以丰水为主,目前正处于相对枯水阶段。

而康兴成等[34]依据黑河上游流域获取的树木年轮样本和该河上游径流资料,重建了黑河上游近千年来出山径流量,并通过中长周期的变化分析表明:在目前全球气候变暖背景下,黑河出山径流正处于一个百年尺度上的丰水期。

为了更好地说明西北干旱区内陆河流域出山口径流变化对气候变化的响应,多人建立了响应模型。

如康尔泗[35]利用改进的H BV径流模型[36]计算后认为如果黑河上游山区在全球变暖趋势下未来数十年气温升高1e[37],引起的年径流量减少约相当于降水量的13%、丁永建等[28]发现影响黑河流域年径流变化的主要因素为年降水,与平均值相比降水的增加使年径流增加了16%,而气温的上升则使径流减少316%。

2.1.3径流量的模拟和预测基于水文过程线的变化是一种非线性过程的特点,对径流特征的描述采用非线性分析可以较好地认识径流的趋势性、周期性和随机波动性。

陈仁升等[38]应用非线性动力学理论和方法,对黑河出山口径流的非线性特征进行分析,结果表明黑河出山口径流的年内分布、年平均径流量的一次峰、谷变化符合单重或双重威布尔分布且具有自相似性质。

认为流量和降水量呈良好的线性关系,与气温呈良好的指数关系。

此外,CRNN神经网络水文模型[39-41]、小波变换[41]、灰色预测方法[42]、时间序列分解模型[43]、Kalman滤波方法[44]、概念性水文模型[45]也在模拟和预测黑河流域出山口径流量研究中得到应1181第6期宁宝英:黑河流域水资源研究进展用,效果较好。

2.2中游消耗区中游地区由张掖、酒泉、山丹盆地组成,土地面积为2156万km2,占全流域22%,耕地占全流域的95%。

本区年均气温为716e,降水量140mm左右,而蒸发量却高达1700mm。

本区是甘肃省的主要产粮基地,以灌溉农业经济为主。

水资源开发利用程度很高,大量水资源用于农业灌溉,且用水方式粗放,挤占了生态环境用水。

/非灌不殖0、/地尽水耕0是本区最显著的特点[46]。

从黑河流域现状用水地区分布看,中游用水占全流域用水的8216%。

从用水结构来看,中游地区的农业仍然是用水的主体,其用水量占总用水量的95%,其中农田灌溉、林木业用量分别占8712%和717%[46],该地区也是我国西部重要的粮食基地,仅河西走廊的张掖地区年产粮食约80万t,其产量占甘肃省粮食总产量的17%左右,提供的商品粮占全省商品粮的35%[47]。

本区水资源问题主要表现在:¹区域性地下水位下降[48],泉水资源衰减[49];º水资源优化配置水平低,用水结构不合理,水资源利用率低[50-51];»部分地区水体矿化度升高[52],局部水体污染加重。

由于中游水资源供需平衡明显受区域过境水量控制,并且随着黑河流域统一调水措施的实行,如何在现有的水资源条件约束下,在确保中游地区每年9148~11158亿m3最适生态需水量[53]的前提下,合理利用并使之发挥最大的生态与经济效益,成为中游水资源合理利用的研究重点。

张勃等[54]认为要缓解水资源的约束,中游地区必须走土地利用结构优化之路,并提出了优化的方向。

针对中游地区的用水现状,张凯等[46]提出了发展高效节水农业、开发空中云水资源和加强流域虚拟水研究的对策。