黑河干流正义峡—狼心山段蒸发渗漏量计算

高 喆，李 凯，周润田，赵 沛，董国涛

（黑河水资源与生态保护研究中心，甘肃兰州730030）

水资源是我国西北内陆地区社会经济发展和生态平衡的关键制约因素［1-2］。黑河是我国第二大内陆河，但水资源有限，中游用水量增加导致进入下游的水量减少［3］，致使下游河道断流、土地荒漠化日趋严重，生态环境恶化［4］，为解决这些问题，国家自2000年起对黑河干流水量实施统一调度。2000—2017年正义峡—狼心山区间的耗水损失量年均为5.43亿m3（约占正义峡断面下泄水量的48%），最大为7.83亿m3（2003年），最小为 4.29亿 m3（2001年），相差较大。河段蒸发渗漏损失量的变化使下游水量配置存在不确定性，严重影响实时调度效果。

河道的蒸发渗漏是水循环的重要环节［5］，也是水文地质学的重要内容［6］，河道渗漏量是确定河流与地下水之间转化量的重要参数，也是区域水资源管理的重要方面［7］。近年来，随着技术的发展和测量手段的提高，许多新方法被应用到河道蒸发和渗漏研究中。T.VOGT等［8］应用光学纤维高分辨率垂直温度剖面仪估算了河道渗漏损失速率；K.D.KINZLI等［9］利用声学多普勒流速剖面仪测定灌区渠道渗漏损失；席海洋等［10］对渗透速率特征进行了研究，分析了影响渗透速率的主要因素；李静［11］通过抽水试验，运用水力层析法对含水层的渗漏通道进行了反演；龙德江［12］利用主成分回归法对影响水面蒸发的主要因素进行了分析；丁薇［13］采用神经网络模型对水面蒸发量进行了预测研究；魏光辉等［14］采用关联分析法对比分析了新疆准噶尔盆地南缘及塔里木盆地北缘非冰期水面蒸发影响因素；还有学者采用水力学、同位素以及示踪等方法研究地下水渗漏补给机理并对渗漏量进行确定［15］。对于黑河下游河道蒸发和渗漏的研究，仵彦卿等［16］采用电导方法定性研究了鼎新至哨马营河段渗漏的转化途径，张应华等［17］定点估算了鼎新至居延海河段每年的河道渗漏量。以往的研究多集中在河道渗漏转化途径、蒸发渗漏量估算及影响因素等方面，很少涉及将河道蒸发量和渗漏量分别计算。经过黑河干流水量调度多年实践，人们已初步掌握了下游正义峡—狼心山河段的输水损失规律，但河道蒸发量和渗漏量分别占的比例大小尚不清晰，需要开展河道蒸发量和渗漏量分割计算，以提高生态调度输水效率和水资源配置效益。笔者基于水量平衡法，计算黑河干流正义峡—狼心山河段的蒸发量与渗漏量，以期为黑河干流水量精细化调度提供参考。

1 研究区概况

黑河下游地处中亚荒漠东南部，属典型的温带大陆性气候区。多年平均气温为8.4℃，降水量为53.3 mm，蒸发强烈，干燥系数为44.7，属极端干旱区。本文研究河段位于黑河干流下游正义峡与狼心山水文控制断面之间，跨甘肃省高台县、金塔县和内蒙古自治区额济纳旗，区间河道长度为211.6 km，其中：正义峡—哨马营段161.4 km，哨马营—狼心山段50.2 km。根据2000—2017年观测资料，正义峡、哨马营、狼心山水文站多年平均径流量分别为 11.14亿、7.22亿、6.10亿m3。

2 研究方法

（1）数据源及处理。本文气象数据从中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）和水文站获取，遥感影像由地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）下载，水文数据由正义峡、哨马营、狼心山水文站获取。插值和遥感数据解译利用 ArcGIS实现，神经网络算法通过Matlab编码实现，数据统计、关系拟合、相关性分析分别利用Excel、SPSS及SigmaPlot完成。

（2）河道水面蒸发量计算。研究区河段地处平原区，河道较宽浅平缓，水流速度较小，W蒸发可近似看作静止水面蒸发量。受气象条件差异和水面面积影响，水面蒸发呈现较大时空变异性，对于任意河段，单位时间内水面蒸发总量计算公式为

式中：E为单位时间单位面积蒸发量；A为计算时段的水面面积。

水面蒸发量通常利用蒸发皿实测获得，但研究区内只有鼎新气象站有蒸发皿数据，而单点蒸发量数据无法在整个河段内插值，因此采用神经网络算法［18］，利用鼎新站蒸发量和气象数据，建立蒸发量（E）和气温 （T）、相对湿度 （Rh）、气压 （P）、风速 （Ws）、日照时数 （Sd）的关系：

式（2）中，P、Sd和Ws在局部区域差异较小，因此可以利用鼎新站资料代替；T和Rh在更大空间范围内具有良好的规律性，并且易于观测，数据相对易于获取，本文采用克里金法［19］，根据鼎新气象站数据，通过时空插值得到正义峡、哨马营、狼心山水文站数据。计算时段内的河道水面面积通过建立流量—水面面积关系获取，不同时段的河道水面面积通过遥感影像解译获取（本文采用的遥感影像包括Landsat4 TM、Landsat5 TM 和 Landsat 8 OLI＿TIRS）。

（3）水面面积确定。选取2004年黑河水量常规调度期开始以来的 12期（20050417、20060911、20060927、20070914、20100720、20100922、20110925、20130930、20140512、20150718、20160720、20170824，其中：2004—2011年为 TM影像数据，2012—2017年为ETM影像数据）Landsat TM/ETM遥感影像（轨道行列号为134/032），通过目视解译获取各期河道内的过水面积。

（4）蒸发渗漏量计算。根据水量平衡原理，一段闭合河道内水量损失等于输入量和输出量的差值，因此在有出入口水文站控制的河段，河道内水量变化可以根据上下游水文站径流量计算：

式中：ΔW为河道内水量变化量；I和O分别为同一时段上游水文站输入径流量和下游水文站输出径流量。

一般河道水量变化包括支流汇入量、流出量、取用水量、河道与地下水交换量以及蒸发量和降水量。正义峡—狼心山段黑河干流无支流汇入或流出，河道和地下水的交换只有渗漏，而没有地下水补给河水。因此，该段河流水量变化可以表示为

式中I、O和W取用水可以通过观测资料直接获得，W降水在单位面积降水量已知的情况下可以通过河段面积计算得到。结合式（1）、式（2），通过E和A计算河段蒸发总量后，河段渗漏量则可以通过式（5）得到。

3 结果分析

3.1 河段蒸发量计算

3.1.1 日均流量与河道过水面积之间的关系

水流从正义峡站传输到哨马营站需要24～34 h，基于正义峡站前一日流量数据，构建日均流量和区间河道过水面积之间的关系（见图1（a）），当正义峡站流量小于130 m3/s时，正义峡—哨马营段的过水面积与正义峡站前一日流量成以e为底的指数函数关系：y＝36.015e0.0069x（R2＝0.81）。 同样，哨马营—狼心山段的过水面积与哨马营站前一日流量也是以e为底的指数函数关系（见图 1（b））：y ＝ 13.776e0.0068x（R2＝0.81）。

图1 日均流量与过水面积之间的关系

3.1.2 日均流量分布及累计频率

统计2005—2017年正义峡水文站日均流量分布及累计频率（见图2（a）），可知正义峡站的日均流量为0～130 m3/s的比例在95%以上，因此可利用正义峡站的日均流量与正义峡—哨马营段过水面积的关系式计算该河段的过水面积。同样，统计2005—2017年哨马营站日均流量分布及累计频率（见图2（b）），可知哨马营站的日均流量为0～130 m3/s的比例在95%以上，因此可利用哨马营站日均流量与哨马营—狼心山段过水面积的关系式计算该河段的过水面积。

图2 日均流量分布与累计频率

3.1.3 各河段月过水面积计算

利用正义峡站日均流量与正义峡—哨马营段过水面积关系式y＝36.015e0.0069x、哨马营站日均流量与哨马营—狼心山段过水面积关系式y＝13.776e0.0068x，结合正义峡站与哨马营站日均流量资料，计算得到2005—2017年正义峡—哨马营河段过水面积和哨马营—狼心山河段过水面积，并计算河段月均过水面积，计算结果分别见表1、表2。

3.1.4 蒸发量计算

根据鼎新气象站2005—2017年蒸发量资料，结合黑河干流正义峡—狼心山河段的月均过水面积，计算得到该河段的年蒸发量（见图3）。2005—2017年正义峡—狼心山河段年平均蒸发量为1.32亿m3，其中：2013年最高（1.46亿 m3），2005年最低（1.19亿 m3）。正义峡—哨马营河段蒸发量约为哨马营—狼心山河段的3倍，两河段的变化趋势基本一致。

表1 2005—2017年正义峡—哨马营段月均过水面积 km2

表2 2005—2017年哨马营—狼心山段月均过水面积 km2

图3 2005—2017年正义峡—狼心山河段蒸发量变化

3.2 蒸发量和渗漏量分割计算

根据2005—2017年正义峡、哨马营及狼心山水文站径流实测资料，正义峡站多年平均进入下游的水量为12.23亿 m3，其中：2010 年最小（9.61 亿 m3），2017年最大（15.87亿m3）；哨马营站和狼心山站多年平均进入下游的水量分别为7.92亿、6.83亿m3，最小年份和最大年份均分别为2010年和2017年，各水文站年径流量变化趋势基本一致（见图4）。

图4 2005—2017年各站年径流量变化情况

鼎新灌区是正义峡—哨马营段最重要的取用水河段，主要引水口门为大墩门引水枢纽，根据2005—2017年大墩门引水枢纽资料，多年平均引水量为1.01亿m3，其中2017年引水量最大，为1.27亿m3。哨马营—狼心山段多年平均引水量为0.29亿m3，最大引水年份也是2017年，引水量为0.38亿m3。各河段引水量见表3。

表3 2005—2017年正义峡—狼心山段引水量及渗漏量亿m3

根据水量平衡原理，河段总的蒸发渗漏损失量为上断面过水量减去下断面过水量，再减去区间引水量。从正义峡—狼心山河段各年总的蒸发渗漏损失量减去年蒸发量即可得到年渗漏量（见表3）。由表3可知：2005—2017年正义峡—狼心山河段年平均渗漏量为2.77 亿 m3，这与张婕等［20］计算的 2005—2013 年该河段年均渗漏量2.69亿m3基本一致；2014年渗漏量最大（4.03亿 m3），2008 年渗漏量最小（2.12 亿 m3）；正义峡—哨马营河段渗漏量约为哨马营—狼心山河段的5倍。由正义峡—狼心山河段蒸发量、渗漏量对比（见图5）可知，多年平均蒸发量与渗漏量之比约为1∶2。

图5 2005—2017年正义峡—狼心山河段蒸发量、渗漏量对比

4 结 论

（1）基于对黑河干流正义峡—狼心山段不同流量级下河道过水面积的遥感解译，建立了不同断面日均流量与过水面积的关系式，结合气象观测资料与正义峡—狼心山段的过水面积，计算获得该河段年平均蒸发量为1.32亿m3。

（2）正义峡—哨马营河段蒸发量、渗漏量分别约为哨马营—狼心山河段的3倍、5倍，两段的变化趋势基本一致。

（3）基于水量平衡原理，对正义峡—狼心山河段的蒸发量、渗漏量进行分割，结果表明该河段多年平均渗漏量为2.77亿m3，约为多年平均蒸发量的2倍。