西北干旱区湖泊生态需水研究——以内蒙古乌梁素海为例

丁夏平

(内蒙古河套灌区水利发展研究中心，内蒙古 临河 015000)

乌梁素海位于我国内蒙古自治区巴彦淖尔市境内，是由黄河改道形成的河迹湖，对维护周边地区生态平衡起着重要的作用[1]。多年来，乌梁素海水质恶化、盐分积累、泥沙淤积、植被退化、沼泽化问题突出，现状水域面积已从新中国成立前的800 km2缩减到现在的293 km2[2]。近年来经过治理，排入乌梁素海的入湖污染物有所控制，污染程度有所减轻，但目前状况仍然不容乐观，生态环境问题依然存在，且存在湖区和出湖水质不稳定达到地表Ⅴ类水标准和COD超标等问题。保证其入湖水量是维持湖泊现有水面发挥其水生态功能的基本条件，是维持乌梁素海湖泊现有水面和水生态健康的主要制约因素。治理乌梁素海必须率先科学规划水资源，保证其生态需水要求[3-5]。

1 水面维持生态需水量

河套灌区降雨量远低于蒸发量，在天然状态下，天然蒸发和降雨很难构成乌梁素海的水量收支平衡。为了保持水位不降低和湖泊面积不缩小，需要有一定的增量输入水量，该增量输入水量即为水面维持生态需水量。

1.1 湖泊湿地功能法计算维持水量

(1)水面区蒸发量。水面蒸发量采用乌拉特前旗气象站1996—2017年系列计算，多年平均蒸发量为2343.0 mm(20 cm口径蒸发皿)。根据相关试验结果类比，乌梁素海地区20 cm口径蒸发皿转换成20 m2蒸发池(可代表水面蒸发)蒸发折减系数全年平均为0.56，由此得到多年平均水面蒸发量为1312.1 mm。湖泊水面蒸发量根据水面蒸发和近4 a水面面积(143 km2)计算。因此，水面区多年平均蒸发量为1.88亿m3。

(2)芦苇区蒸散量。根据水生植物芦苇的生育期特点，将芦苇区蒸散量计算划分为2个阶段，一是芦苇快速生长季节(5—10月)；二是寒冷季节，其中，11月中旬至翌年3月底以冰冻时间为主，4月份是芦苇发芽时期，生长耗水微弱。芦苇快速生长季节蒸散量采用芦苇生长蒸散深度和历年芦苇面积来计算。通过与扎龙湿地类比得知，由于湿地水生植物芦苇的影响，芦苇湿地蒸发量较水面蒸发增长了10%，且乌梁素海芦苇生长季(5—10月)期间水面蒸发量占全年蒸发量的73.7%，该时段乌梁素海地区20 cm口径蒸发皿转换成20 m2蒸发池蒸发折减系数取值0.589。经计算，芦苇生长季蒸散深度为1118.8 mm，与黄河三角洲芦苇中等覆盖度55%(1100 mm)相近；近年来经过治理，芦苇面积维持在150.0 km2，经计算，芦苇生长季节蒸散发水量为1.68亿m3。在寒冷季节芦苇区蒸散量按水面估算，该时段乌梁素海地区20 cm口径蒸发皿转换成20 m2蒸发池蒸发折减系数取值0.502，即0.46亿m3。因此，芦苇区多年平均年蒸散量为2.14亿m3。

(3)渗漏需水量。根据《乌梁素海按水库运行管理专题报告》，乌梁素海湖泊每年向乌梁素海西北岸渗漏水量约0.71亿m3，扣除乌梁素海东岸补给量0.17亿m3。因此，乌梁素海每年平均补给地下水量为0.54亿m3。

(4)陆面降水量。多年平均降水量采用乌拉特前旗1996—2017年系列计算，为219.7 mm；其中，多年平均径流深为8.8 mm，由此得出陆面降水深度为210.9 mm。陆面降水量根据多年平均陆面降水量和历年水面面积(293 km2)计算。因此，多年平均陆面降水量为0.62亿m3。

综合以上4项构成，维持湖泊现状水面的需水量为3.94亿m3。

1.2 水平衡法分析印证维持水量

根据乌梁素海1988—2017年运行资料，采用水平衡方法计算乌梁素海年实际耗水量，主要根据乌梁素海入湖水量扣除乌梁素海出湖水量及湖泊水量蓄变量进行估算，计算成果见表1。

表1 乌梁素海维持现状水面所需的水量计算

当补充水量与实际耗水量相等时才能维持乌梁素海的水量平衡，2000—2017年平均实际耗水量为3.92亿m3，因此，同湖泊湿地功能法计算维持水量3.94亿m3相对比，乌梁素海维持现状水面所需生态水量不宜小于3.94亿m3。

为控制乌梁素海内源污染并保护其生物多样性，近年来经过治理，乌梁素海芦苇区控制在150 km2，河口湿地面积也在逐步扩大。虽然这样一方面减少了明水面区蒸散量，但另一方面也增加了因滩地复水所带来的水面蒸发和滩地植物蒸腾蒸发。

综上分析，乌梁素海水面维持生态需水量为3.94亿m3。

2 洗盐生态需水量

2.1 维持现状盐分平衡所需水量

由于来水带入盐分，而湖泊湿地的水分蒸发会造成盐分在水体中的富集，因此,要保持湖泊的盐分浓度不产生明显上升，需要输入一定量的低盐水体，该输入水量即为溶盐洗盐生态需水量。

确定物质平衡时的生态需水量，应该服从湖泊的水质平衡。假定湖泊的物质贮存量是稳定的，则输入的物质总量应该等于排出的元素物质总量，则有式(1)：

PCp+Q灌排C灌排+Q下C下+Q生态C生态=Q退C退+Q渗C渗+HCH

(1)

式中：CP、C灌排、C下、C生态、C退和C渗分别为乌梁素海湖面降水、灌排渠道补水、地下水补给、湖泊生态用水和乌梁素海入黄退水及向周围渗漏中的盐分浓度，g/L；P、Q灌排、Q下、Q生态、Q退和Q渗分别为乌梁素海湖面降水、灌排渠道补水、地下水补给、湖泊生态用水、乌梁素海入黄退水量及向周围渗漏水量，m3;CH为收获物的盐分浓度,g/L；H为 每年的芦苇收获量，t。此处湖泊生态用水完全用于洗盐，全部退入黄河，即Q生态=Q退。

根据河套灌区的多年统计资料(2000—2017年)，灌区排干系统输入水量Q灌排平均为5.11亿m3/a；降雨量P取1996—2017年多年平均值219.7 mm，扣除多年平均径流深8.8 mm，湖区面积维持目前水面面积293 km2，即0.62亿m3/a；地下水的补给量Q下主要来源于乌梁素海周边补给，根据多年地下水位等值线和相关地区水文地质参数测算，乌梁素海周边补给量约为0.17亿m3/a；全湖渗漏量Q渗为0.58～0.75亿m3/a，取多年平均值0.66亿m3/a；芦苇的收获量H取2014—2017年平均约为10×104t；入湖灌区排干系统的盐分浓度C灌排取2000—2017年的平均值1.95 g/L；乌梁素海周边的地下水矿化度C下为3.80 g/L(全灌区平均值)；雨水中的矿化度CP取0.07 g/L；生态用水来自黄河，黄河在巴彦淖尔境内的水质矿化度C生态多年平均在0.48～0.50 g/L，估算时取0.50 g/L。湖内挺水和沉水植物平均含盐分CH为0.5%；湖泊目前的盐分C退取2014—2017年的平均值3.30 g/L。

由以上水量平衡分析可得，2025年，要保持湖区现状水面和水盐平衡，至少需向乌梁素海补充2.83亿m3的生态水量。

2.2 矿化度降到3.0 g/L所需洗盐水量

将湖泊目前的盐分(2014—2017年的平均值)3.30 g/L降低到3.00 g/L，计算溶盐洗盐所需的水量。根据下列公式(2)：

PCp+Q灌排C灌排+Q下C下+Q生态C生态-(Q退C退+Q渗C渗+HCH)=-0.3Q库

(2)

式中：Q库为乌梁素海库容，4.0亿m3。计算得出，将湖泊盐分从3.3 g/L降到3.0 g/L，需要溶盐洗盐生态需水量为3.87亿m3。

3 结 论

(1)乌梁素海生态需水量主要包括水面维持生态需水量、洗盐生态需水量和水质达标生态需水量三部分。

(2)为维持乌梁素海现状水面293 km2面积不萎缩，蓄水水量不减少，所需生态水量不宜小于3.94亿m3/a。

(3)为维持乌梁素海水体矿化度持续低于 3.0 g/L，所需洗盐生态水量不宜小于3.87亿m3/a。

(4)根据河套灌区2000—2017年统计数据，灌区年均退入乌梁素海的水量约为5.11亿m3，灌区的正常退水，即可满足乌梁素海水面和水量的自维持，尚富余1.17亿m3。由于融盐洗盐水量为3.87亿m3，因此，灌区的正常退水，除满足乌梁素海水面和水量维持外，尚不能完全满足洗盐生态用水需求，缺2.70亿m3。