黑河下游额济纳三角洲生态耗水及生态输水利用效率定量研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:taomeizi2006
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蒸散发很大程度上决定了干旱区水量收支状况,是水文循环过程中的关键环节。定量自然景观蒸散发导致的生态耗水在干旱区水循环过程和水资源管理研究中具有重要意义。额济纳三角洲位于黑河下游的极端干旱区,沿河发育的绿洲是中国西北和华北地区重要的生态保护屏障,但水资源禀赋差、利用效率低导致了水资源短缺,进而引发了地下水位降低、绿洲植被退化、湖泊萎缩等严峻的生态环境问题。始于2000年的黑河生态输水工程为下游三角洲提供水量补给,至今已取得显著的生态修复成效。但与此同时,黑河生态输水涉及流域有限水资源的人为分配,加剧了流域上、中、下游水资源的供需矛盾。为了有效缓解这一矛盾,黑河生态输水方案优化、流域水资源科学管理和高效利用的现实意义显得尤为重要。  论文以额济纳三角洲为研究区,结合自水面蒸发原位观测及模型模拟,通过定量自然水体水面蒸发确定了区域潜在蒸散发(大气蒸发力);根据水分耗散和补给特征,结合NDVI阈值和野外植被调查验证,划分了研究区主要自然景观;根据自然景观的蒸散耗水特点,分别针对性地选择了阿维里扬诺夫潜水蒸发公式、改进的河岸绿洲植被蒸散估算模型、自建的水面蒸发经验模型定量了3类自然景观的生态耗水;基于广义资源利用效率的定义,以黑河生态输水的保护目标为依据,以评价生态输水以来在进行生态修复时对生态输水的利用效率为目标,构建了生态输水利用效率评价模型,并评价了2004-2015年的利用效率;基于自然景观生态耗水的特点,以及生态输水-地下水-景观生态耗水的关系,给出了黑河生态输水时空分配方案的优化建议。主要研究结论如下:  (1)基于自然水体水面蒸发原位观测结果,额济纳三角洲潜在蒸散发(大气蒸发力)为1486mm。2013-2016年4-9月的观测期内,日水面蒸发量为6.5mm/天,观测期总蒸发量年平均值为1183mm。基于模型估算结果,2002-2015年自然水体年平均蒸发量为1480.2mm,且呈现0.59mm/yr的增加趋势;4-9月水面蒸发剧烈,蒸发量平均值为1233.3mm,占全年蒸发量的比例超过了83%。  (2)研究区主要的3类自然生态景观为荒漠戈壁、河岸绿洲和水域,三者总面积占研究区面积的98.5%。设置NDVI阈值(0.075)划分了河岸绿洲和荒漠戈壁的范围,2004-2015年河岸绿洲面积累计增长了502km2,年均增长率为2.6%。其中,河岸绿洲恢复较快的是2005-2012年,2013-2015年绿洲面积趋于稳定,绿洲恢复成效显著。  (3)2004-2015年研究区平均年生态耗水量7.79亿m3。其中,荒漠戈壁的年生态耗水最大,平均值为4.35亿m3,河岸绿洲次之,平均值为2.75亿m3,水域的最小,平均值为0.69亿m3,分别占总生态耗水量的56%、35%、9%。2004-2015年荒漠戈壁区累计无效耗水量为52.21亿m3,占同期生态输水总量(71.26亿m3)的73.6%,生态输水存在被无效消耗、浪费的情况。同时,3种自然景观生态耗水年内分布不均匀,主要集中在4-9月,占全年总耗水量的比例均在78%以上。  (4)2004-2015年黑河生态输水利用效率年平均值为30.4%,仅为此模型的理论上限60.5%的约一半,输水利用效率的优化提升空间还很大。2004-2015年,利用效率整体呈增大的趋势,在2013年达到最大值39.5%;2012-2015年是输水利用效率稳步增长的阶段,生态输水的成效也在此时段内趋于明显。  (5)为使得生态输水及生态修复都高效率进行,适宜的年生态输水量为6.11亿m3;保证东居延海水量收支平衡的现阶段适宜湖面面积为43.9km2,相应的年入湖补给量为0.54亿m3。生态输水年内时空优化配置策略是:①在9月末至次年4月末进行持续、稳定的输水;②在较好协调流域中上游用水需求及水库科学联合调度的前提下,在植被生长初期(展叶期)进行直达绿洲核心区的高脉冲式输水;③10月-次年4月严格按湖泊需水分次补给。在上述输水优化方案情景下,生态输水利用效率为52.3%,是2004-2015年平均值的1.75倍。生态输水方案的优化提高了水资源利用效率,节约了干旱区宝贵的水资源。  论文研究结果可为黑河流域水资源科学管理和高效利用提供决策建议,并可为流域最严格水资源管理实践提供典型案例参考。
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