黑河流域水资源研究进展_宁宝英

'第28卷第6期中国沙漠Vol.28No.62008年11月JOURNALOFDESERTRESEARCHNov.2008文章编号:1000-694X(2008)06-1180-06黑河流域水资源研究进展1,22,32,42宁宝英,何元庆,和献中,李宗省(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:A[6]9914万t。1研究区概况2研究现状黑河流域是我国西北干旱地区第二大内陆河流对黑河流域而言,水资源是贯穿黑河研究的主域,大致介于38b00c)42b00cN,98b00c)101b30cE,线和核心,是联系流域生态系统和经济系统的纽带,52流域面积约113@10km,流长821km,流域地跨也是该区域社会经济环境可持续发展的最主要限制[1][3,7-8][9-13]青海、甘肃和内蒙古3省区。黑河流域平均海拔因子。目前,黑河流域水资源及生态和水[14-16]为3600m,相对高差为3000m左右,生态格局、气资源供需平衡问题是研究的热点。由于水资候状况具有明显的垂直地带性,大致可分为高山冰源在黑河流域上中下游具有的作用和功能不同,并[2]雪冻土带、山区植被带、山前绿洲带和荒漠带。上据此将流域划分为上游产流区、中游消耗区和下游[17]游祁连山区和中游走廊区和年降水量分别为300~消失区,因此,本文对于黑河流域水资源的研究500mm和100~250mm,下游额尔济纳旗绿洲为荒亦主要分区域详述,多区域存在或跨区域的研究内[3]漠极端干旱区,降水量不足45mm。黑河流域包括容另列专题,以期对以往的研究有更清晰的认知。大小支流30多条,均发源于祁连山,多年平均水资源33[4]2.1上游产流区总量41173亿m,其中出山径流量36183亿m。黑河流域被莺落峡和正义峡分为上中下三部黑河上游是位于青藏高原北缘的祁连山地,属分:莺落峡以上为上游,是主要产流区,包括青海祁青藏高原的祁连山-青海湖气候区,降水多、蒸发少、连县和甘肃肃南县部分地区;莺落峡和正义峡之间气温低、高寒阴湿,是黑河流域地表水资源的发源地[18]为中游,是主要用水区,包括甘肃山丹、民乐、甘洲、和产流区。由于山区汇流区冰川、积雪和冻土等临泽、高台等县(区);正义峡以下为下游,是河湖尾与气温密切相关,对气候变化十分敏感。因此,研究闾消失区,包括甘肃金塔鼎新灌区、东风场区和内蒙全球变暖条件下,黑河流域山区汇流区降水的可能古额济纳旗。下游从狼心山断面以下又分额济纳东变化及其与全球气候变暖的关系,对制定区域社会[5]河和西河,并分别流向东、西居延海。现拥有耕地经济发展规划与水资源开发利用及管理有着非常重22[19]2676km,农田灌溉面积1929km,粮食总产量要的意义。由于上游是产流区,所以对于上游祁收稿日期: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(CXTD-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。Email:ningbaoying@163.com 第6期宁宝英:黑河流域水资源研究进展1181连山地寒区水文的研究得到众多学者的广泛关注,呈增加之势,究其原因主要与降水量的增加密切相[19]也产生了许多有益的研究成果,具体包括以下几个关。蓝永超等认为黑河山区汇流区目前处于一方面:种暖湿的气候背景,即伴随着全球气候增温,降水量2.1.1冰雪变化与黑河径流量亦呈增长的趋势,增幅与北半球中高纬地区的平均[20]杨针娘认为黑河流域祁连山区发育的冰川增幅一致。曹玲等分析了黑河洪峰的历年演变规律3[32]年融水量2198亿m,占河流径流量的8%;冯起及其与气候变化的关系,认为最大洪峰流量与上[21][22]等也认同8%的构成比例。高前兆等通过对游洪峰日前三天的降水量之间相关关系较好,相关黑河上游流量补给成分的分析,认为典型平水年当系数为013,黑河上游气温较高时,年最大洪峰出现中地下水的补给量达1/3以上,高山冰雪融水的补时间较早,而气温较低时,最大洪峰出现时间相对较给在4%左右,两者之和可达40%左右。关于全球晚,这说明年最大洪峰对气候变暖的响应程度很好;[20][18]变化对冰雪的影响,杨针娘对我国西部雪线高度李林等发现黑河流域雨水对流量的补给在相对(Hs)与气温、降水的关系得到如下经验公式:减少而积雪融水对流量的补给在相对增加,这也是Hs=11343Pc-38717Tac-69186流域对气候变暖的响应。[33]可见气温降低015e与降水量增加144mm是等效王亚军等采用树木年轮资料和1956)1995的。故全球范围内的升温对冰川物质平衡的影响要年莺落峡月平均流量资料重建了黑河230a以来[23][24]比降水显著得多。丁永建等也得到类似的结3)6月径流变化,发现在过去的230a,黑河3)6论。月径流以丰水为主,目前正处于相对枯水阶段。而[34]20世纪80年代后期在黑河流域进行了一系列康兴成等依据黑河上游流域获取的树木年轮样应用卫星资料监测积雪分布、变化和融雪径流方面本和该河上游径流资料,重建了黑河上游近千年来[25]的研究。刘政凯等用NOAA气象卫星的出山径流量,并通过中长周期的变化分析表明:在目[26]AVHRR影像测量了黑河上游积雪;曾群柱等对前全球气候变暖背景下,黑河出山径流正处于一个黑河上游(莺落峡站)春季径流总量功率谱做了方差百年尺度上的丰水期。周期分析,并建立了相应的径流预报模型。90年代为了更好地说明西北干旱区内陆河流域出山口初,杨针娘等在祁连山黑河上游冰沟流域进行了寒径流变化对气候变化的响应,多人建立了响应模型。[27][35][36]区水文观测实验,对寒区径流形成及产流模式、如康尔泗利用改进的HBV径流模型计算后[28]冻土水文过程等方面进行了较为系统的研究。认为如果黑河上游山区在全球变暖趋势下未来数十[29][37]近来王金叶等运用先进的小气候自动记录仪和年气温升高1e,引起的年径流量减少约相当于[28]TDR等技术对黑河上游进行了广泛的野外观测,并降水量的13%、丁永建等发现影响黑河流域年径结合常规的观测资料讨论了黑河上游林区冻土的水流变化的主要因素为年降水,与平均值相比降水的文功能。研究表明:黑河上游冻土面积约为增加使年径流增加了16%,而气温的上升则使径流26500km,占流域面积的45%,对水资源的形成和减少316%。稳定性有重要影响。2.1.3径流量的模拟和预测2.1.2黑河出山口径流变化特征及其对气候变化基于水文过程线的变化是一种非线性过程的特的响应点,对径流特征的描述采用非线性分析可以较好地随着黑河流域气候变暖,黑河流量也发生了相认识径流的趋势性、周期性和随机波动性。陈仁升[30][38]应的变化,对此已有许多成功的研究:蓝永超等等应用非线性动力学理论和方法,对黑河出山口根据有关水文气象台站的观测数据,利用定级分类、径流的非线性特征进行分析,结果表明黑河出山口滑动平均和波谱分析等方法,对黑河出山径流(莺落径流的年内分布、年平均径流量的一次峰、谷变化符峡站)的年际变化特征进行了分析。研究表明:黑河合单重或双重威布尔分布且具有自相似性质。认为出山径流目前处于1990年开始的枯水段的上升段,流量和降水量呈良好的线性关系,与气温呈良好的[39-41]预计21世纪初若干年该流域出山径流变化以平水指数关系。此外,CRNN神经网络水文模型、[31][41][42]或平水偏丰为主。丁永建等对黑河流域气候与小波变换、灰色预测方法、时间序列分解模[43][44][45]径流的关系进行了分析,认为近40a来黑河流域年型、Kalman滤波方法、概念性水文模型也降水和气温总体上呈现增加之势,且导致径流量亦在模拟和预测黑河流域出山口径流量研究中得到应 1182中国沙漠第28卷用,效果较好。2.3下游消失区2.2中游消耗区下游地区包括金塔盆地、鼎新盆地及额济纳盆中游地区由张掖、酒泉、山丹盆地组成,土地面地。近半个世纪特别是近10a以来,随着黑河中游2积为2156万km,占全流域22%,耕地占全流域的工农业生产的持续发展引起的引用河水量的不断增[57]95%。本区年均气温为716e,降水量140mm左加,黑河下游入口站正义峡站的河川径流量由203右,而蒸发量却高达1700mm。本区是甘肃省的主世纪50年代1219亿m减少到90年代的619亿3要产粮基地,以灌溉农业经济为主。水资源开发利m,尤其在80年代以后,随着中游地区商品粮基地用程度很高,大量水资源用于农业灌溉,且用水方式建设规模的扩大,农业灌溉引水量剧增,导致流域内粗放,挤占了生态环境用水。/非灌不殖0、/地尽水众多支流与干流失去了水力联系,下泻水量大幅度[58]耕0是本区最显著的特点[46]。减少。致使黑河下游地区原本就已十分脆弱的生态环境进一步恶化,狼心山断流时间越来越长。从黑河流域现状用水地区分布看,中游用水占从而引发了绿洲萎缩、草场载畜量下降、湖泊干涸、全流域用水的8216%。从用水结构来看,中游地区水质恶化、土地荒漠化、沙漠化等一系列生态环境问的农业仍然是用水的主体,其用水量占总用水量的[59]题。95%,其中农田灌溉、林木业用量分别占8712%和[46]本区的水资源问题主要表现在:¹河湖萎缩,地717%,该地区也是我国西部重要的粮食基地,仅[60]下水位下降。由于上游来水量减少,开采量又增河西走廊的张掖地区年产粮食约80万t,其产量占加,造成地下水位不断下降。据额济纳水利局统计,甘肃省粮食总产量的17%左右,提供的商品粮占全3[47]黑河下游来水由20世纪50年代的1015亿m,减省商品粮的35%。本区水资源问题主要表现在:3[48][49]少到目前2~3亿m。相应的断流时间也由100d¹区域性地下水位下降,泉水资源衰减;º水延长到现在的200d左右,西、东居延海分别于1961资源优化配置水平低,用水结构不合理,水资源利用[7]年、1992年先后干涸,之后也时干时续,变成茫茫[50-51][52]率低;»部分地区水体矿化度升高,局部水沙漠。近10a来在额济纳流域1000多眼机井中,体污染加重。[59]已有60%供水不足,10%干涸。º水质下降:三由于中游水资源供需平衡明显受区域过境水量-1角洲地带水质矿化度普遍提高2~3g#L,有些控制,并且随着黑河流域统一调水措施的实行,如何-1地方地下水含氟量甚至达4mg#L以上,两湖地在现有的水资源条件约束下,在确保中游地区每年-1[59,61]区井水中砷的含量超过0104mg#L。刘蔚3[53]9148~11158亿m最适生态需水量的前提下,合[62]等认为上中游人类活动的影响使向下游输送水理利用并使之发挥最大的生态与经济效益,成为中量的减少是下游河水矿化度增高的主要原因。[54]游水资源合理利用的研究重点。张勃等认为要缓解水资源的约束,中游地区必须走土地利用结构2.4其他相关研究优化之路,并提出了优化的方向。2.4.1同位素研究[46]针对中游地区的用水现状,张凯等提出了发水体中的同位素信息在认识黑河流域水资源的展高效节水农业、开发空中云水资源和加强流域虚转化规律研究中得到很好利用。钱云平等[63]分析[55]拟水研究的对策。吉喜斌等对黑河中游典型灌[64]了黑河流域环境同位素特征。聂振龙等应用环区水资源供需平衡的研究认为,遵循内陆河流域地境同位素方法研究了黑河源区水文循环特征。Wu[65]表水与地下水的转化规律,利用节水技术,调整生态等利用同位素氡-222在黑河流域中游确定了河[66]用水比例,确定绿洲合理的水资源承载能力是实现水与地下水的转化量。张应华等运用氧同位素[56]流域可持续发展的有利措施。丁宏伟等认为黑研究了黑河中游盆地地下水与河水转化。陈建生[67]河中游发展以开采地下水为主,辅以开发河水的水等用同位素方法研究了额济纳盆地承压含水层[68]资源利用方案,较发展以开发河水为主,辅以开采地地下水的补给。武选民等对黑河下游额济纳盆下水的水资源利用方案优越得多,既能满足中游经地地下水同位素的研究发现,盆地内的承压水和戈济的可持续发展,也可确保黑河过正义峡的河川径壁平原区的潜水基本没有受到现代河水的影响,是流量,兼顾了下游的生态环境保护。地质时期补给的,同位素证据还解释了承压含水层 第6期宁宝英:黑河流域水资源研究进展1183之间的越流问题。允许取水许可指标在市场上交易;»技术手段:旨在2.4.2水资源承载力研究提高水资源利用效率的各项技术层面的措施,包括因为水资源量为黑河流域限制因子,因此在一调整产业结构,发展高效节水农业,发展高新节水技定资源约束条件下,利用模型分析和预测特定区域术,加强节水水利工程建设,控污治污等。水资源合理利用方案具有重大现实意义。王根[69]3小结与展望绪应用多目标规划方法,探讨了黑河流域中下游间不同输水条件下,额济纳旗绿洲区的水资源合理综上所述,水资源作为黑河流域尤其是中下游利用方案,结果认为若能保证正义峡下泻水量多年地区社会经济环境可持续发展的主要因子,在近3033平均111432亿m,75%年型为101147亿m的水a来受到研究者的广泛关注,并在冰雪变化与黑河平,可使额济纳绿洲区灌溉面积比现状扩大2~3径流量、黑河出山口径流变化特征及其对气候变化倍,农田稳定灌溉面积比现状扩大3~4倍,同时逐的响应以及径流量的模拟与预测、水资源利用状况渐恢复东居延海湖水和西河区地下水位,从而实现及对策以及同位素、水资源承载力和水资源管理的稳定现状绿洲规模并使生态环境逐步恢复的生态建理论方法和措施方面取得了长足进展,为黑河流域[70]设目标。曲耀光等认为黑河中游地区在完成水可持续发展提供了科学的参考。[7]资源开发利用的第二阶段后,水资源不会成为社会程国栋认为从生态经济的角度探讨环境变化经济发展的制约因素,张掖如果能按计划完成流域条件下黑河流域水资源可持续利用的管理技术和对社会经济发展的预测目标,可以达到中等发达国家策,从水-生态-经济综合集成的角度,建立综合的模[71]的水平。苏志勇等却认为,在分水情况下,张掖型集成环境,并在此基础上,探讨流域水资源合理开地区难以在21世纪20年代支撑135108万人达到发利用技术,开发流域水资源管理决策支持系统,将[6][4]目前中等发达国家的水平。袁伟等利用流域评价是可持续发展理论解析化的有益尝试。肖洪浪等发展系数、协调系数、公平系数和可持续发展系数,从宏观的流域尺度,提出重视水循环研究、实现生态从水资源开发利用方式、社会发展方式、经济发展模水文学实验研究和流域科学集成的研究展望,为今式、生态恢复程度等方面分析水资源承载力,结果表后的黑河流域水资源研究指明了方向。笔者认为,2明:适度退耕还林还草,退耕还林还草383km,灌在保障黑河流域社会经济发展的同时,对水污染问溉水利用系数提高到0152左右,增加高新技术节水题的相关研究也需要加强,以保护有限且紧缺的水2灌溉面积466km;人口低速增长;经济适度发展,资源。流域GDP年增长率为815%;额济纳绿洲高中盖度致谢:感谢庞洪喜、赵井东、宋波、院玲玲、张宁宁、植被面积由现状的约25%增加到规划水平年的贾文雄在本文写作过程中给予的帮助!40%是水资源承载能力适宜的方案。2.4.3水资源管理的理论方法和措施参考文献(References):在对黑河流域水资源充分认识的基础上,如何[1]高前兆,李福兴.黑河流域水资源合理开发利用[M].兰州:甘合理利用现有水资源,使之最大限度地为黑河流域肃科学技术出版社,1991:1-228.的生态环境经济的可持续发展服务,使流域利益最[2]陈仁升,康尔泗,杨建平,等.黑河干流山区流域月蒸发力计算大化,是当前针对既定的客观事实,更贴近当前社会模型[J].水文,2002,22(6):5-10.[3]王根绪,程国栋.近50年来黑河流域水文及生态环境变化需要的迫切问题。研究者们采用多种多样的研究方[J].中国沙漠,1998,18(3):233-238.法和理论,尤其是生态经济学理论对水资源的利用[4]肖洪浪,程国栋.黑河流域水问题与水管理的初步研究[J].中进行了深入研究。国沙漠,2006,26(1):1-5.有学者提出缓解黑河流域水资源矛盾必须提高[5]李启森,赵文智,冯起,等.黑河流域及绿洲水资源可持续利用[4,72-73]理念及对策[J].自然资源学报,2005,20(3):370-377.单方水的效益的观点。纵观学者们提出的各[6]袁伟,郭宗楼,吴军林,等.黑河流域水资源承载能力分析[J].种各样的水资源管理和利用的对策和措[4,43,74-76]生态学报,2006,26(7):2108-2114.施,主要有3类:¹政府行政手段:均强调[7]程国栋.黑河流域可持续发展的生态经济学研究[J].冰川冻要强化政府的水资源调控功能,实行水资源的统一土,2002,24(4):335-343.管理和调度;同时包括立法、制度改革等内容;º市[8]张济世,康尔泗,姚进忠,等.黑河流域水资源生态环境安全问场运作途径:探索水资源市场化管理的运行机制,如题研究[J].中国沙漠,2004,24(4):425-430. 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