东居延海入湖水量及水面变化分析

王明权

（甘肃广播电视大学 理工农医学院，甘肃 兰州 730030）

一、研究背景

位于内蒙古额济纳旗北部的东居延海，是我国第二大内陆河黑河的尾闾湖之一。黑河以莺落峡以上为上游，莺落峡至正义峡为中游，正义峡以下为下游。黑河出祁连山北麓莺落峡进入中游，纵贯河西走廊重镇张掖全境。随着以农业为主的中游社会经济发展，对水资源的需求不断增加，导致黑河下泄下游的水量减少。黑河出正义峡进入下游后，从上世纪60年代起干流再无地表支流汇入[1]。除河流沿岸和居延三角洲外，大部分为沙漠戈壁，属极端干旱区，降雨稀少不能产生持续的地表径流，东居延海1992年干涸，额济纳地区生态系统严重失衡。2002年黑河调水入东居延海，从2005年的入湖水与上年度的调水汇合后，东居延海不再干涸。通过多年的探索实践，调水工作取得了很大成效，额济纳绿洲生态环境恶化得到了有效遏制，东居延海湖区生态环境持续向好发展。另外，位于黑河上游东、西两岔交汇处下游11公里的黄藏寺水利枢纽工程，是黑河干流首座控制性工程，现已开工建设。《黑河黄藏寺水利枢纽工程项目建议书》认为该工程枢纽完成后可以增加狼心山断面来水量1.18×108m3。工程投入使用后必将对黑河调水产生深远的影响。东居延海维持一定的水面面积是生态环境持续健康发展的内在要求，而水面面积是湖体在一定储水量作用下的外在表现。分析狼心山断面来水量与东居延海的入湖水量的关系，研究储水量与水面面积的变化规律及水面面积变化的影响因素，能够为东居延海进一步开展生态调水工作提供科学支持。

二、数据来源与整理

本文中研究基础数据莺落峡断面实测来水量、狼心山断面过水量、向东居延海补水量、东居延海最大水面面积的数据来源于水利部黄河水利委员会黄河网(www.yellowriver.gov.cn/)黑河干流水量调度情况公告。东居延海水面面积与储水量的数据来源于黄河水利委员会黑河流域管理局(www.hhglj.org/category/zwgk)发布的水情信息。在数据整理中，对于东居延海水面面积相同、储水量不同的情况，保持水面面积数据不变，储水量的数据取平均值；储水量相同、水面面积不同的情况，保持储水量的数据不变，水面面积数据取平均值。

三、东居延海入湖水量分析

（一）狼心山断面来水量和东居延海入湖水量

自2008年以来狼心山断面来水量累计80.18×108m3，年均来水量7.29×108m3，最小来水量为2010年的4.83×108m3，最大来水量为2017年的10.71×108m3。东居延海累计入湖水量7.36×108m3，年均入湖水量0.669×108m3，最小入湖水量为2010年的0.48×108m3，最大入湖水量为2017年的0.89×108m3。东居延海入湖水量占狼心山断面来水量的比在6.07%～15.15%之间。根据图1所示，狼心山断面来水量离散性大于东居延海入湖水量，总体呈现波动中上升趋势。

图1 狼心山断面来水量和东居延海入湖水量图

按照数理统计理论，相关系数R 表明了随机变量之间相关关系的密切程度。进行相关分析时，为了避免过大的抽样误差，水文变量至少应有10 项同期观测资料，东居延海的入湖水量与狼心山断面的来水量的系列资料符合样本容量要求。用excel中的数据分析工具，对东居延海入湖水量与狼心山断面来水量做相关分析，Rsquare=0.14145，表明东居延海入湖水量与狼心山断面来水量两者之间的相关关系不密切。

狼心山水利枢纽包括东西河入口的分水闸和狼心山水文站。狼心山水文站是黑河干流进入内蒙古自治区额济纳绿洲的重要水文控制站。狼心山水利枢纽位于额济纳绿洲上游顶点，也是黑河下游河道分流为东河（入东居延海）和西河（入西居延海）的起点。在东西两河之间，建有东干渠与狼心山水利枢纽相连。东干渠流程约120km，最终注入东河，利用渠道输水效率高的优点向东西河之间的中戈壁进行生态补水，遏制中戈壁的生态退化。另外，也可关闭东干渠上的节制闸输水到东河后直接向东居延海补水。狼心山水利枢纽通过设在东西河口的分水闸通过闸门调节，向各河调配水量。东西河的调配水量没有固定的比例，东居延海入湖水量只是狼心山来水量中的一部分。这是东居延海入湖水量与狼心山断面来水量两者之间的相关关系不密切的原因之一。

（二）东河河道输水损失率计算

东居延海所在的额济纳绿洲位于阿拉善高原的湖盆低地，地处亚洲大陆腹地，属于典型的温带大陆性气候区。气候极端干旱，水资源贫乏，降雨产生的地表径流不能维持河流的常年流动。黑河下游河道都是天然河道，正义峡到哨马营河段处于沙漠腹地，受沙漠入侵及风积沙的影响，河道内形成众多沙丘，属沙质河床，河道的渗漏失较大，哨马营至狼心山断河道相对较窄，由于河床下切交深，存在相对稳定的河槽，河道的渗漏失较小。而从狼心山到东居延海，即东河段，河道输水损失变得更加复杂。东河断面不规则，属宽浅型沙质河床，河道渗漏量大。东河在居延海三角洲向北又分为11条支流，成扇形分布。虽然黑河调水实施“全线闭口、集中下泄”措施，但是上游莺落峡下泄水量不受人为调节，河道的过水流量随时间变化，在不考虑输水过程中的向河道外引流的情况下，此区间的河道输水损失，采用自由渗流情况下的渠道渗漏损失经验公式（1）估算河道损失流量[2]。

Γ：地下水顶托修正系数；

A：河床土壤透水系数；

m—河床土壤透水指数；

Qn—河道净流量，m3/s；

L—河道长度，km；

河道输水损失率按（2）计算。

η—河道输水损失率；

在总结国内外建筑防火设计经验和消防科研成果以及开展大量科学研究的基础上，公安部组织编制了《建筑设计防火规范》GB 50016-2014（以下简称《建规》），新增了对建筑保温系统的防火要求，于2015年5月1日实施，并于2018年进行了局部修订。《建规》第6.7节建筑保温和外墙装饰对外墙保温作了具体规定，整体上体现了“材料防火”与“构造防火”的理念，以条文规定的形式将这两个理念予以明确，可以认为该规范可用于解决外保温使用阶段的火灾问题。

以东居延海入湖水量与单次补水时间的比值作为Qn；区段内的地下水埋深较大，地下水顶托修正系数γ=1；根据河道土质性质，河床土壤透水系数A=3.4，河床土壤透水指数m=0.5；河道长度L以160km 计。采用（1）、（2）对不同补水天数对应的入湖水量计算输水损失率，结果如表1所示。经计算得到狼心山到东居延海河段河道输水损失率均值为57.96%。从狼心山到东居延海段河道输水损失率远远高于正义峡到马哨营的26.65%、马哨营到狼心山的10.75%[3]。采用狼心山到东居延海河段河道输水损失率均值为57.96%，对每年度东河需要过水量进行还原计算。如表2所示，东河需过水量最小为0.83×108m3，需过水量最大为1.54×108m3。东河需过水量占狼心山来水量比在10.47%～26.13%的范围内波动。同时，由表1可知，东河也存在输水流量大而河道输水损失率

表1 东居延海单次补水输水损失率表

四、东居延海水面面积变化分析

（一）东居延海水面年内变化规律

黑河水是东居延海改善和恢复生态植被的惟一水源。通过调水将缓解这一地区生态环境恶化、沙漠侵袭的趋势，有效补充湖滨地区的地下水小的特点。因此，在向东居延海补水过程中，在计划入湖水量相同的情况下，应采用减小补水天数，加大流量的措施。位，改善生态环境。2002年黑河调水首次流入东居延海，2004年开始至今东居延海不再干涸。东居延海自2008年以来，调水入湖累计34 次，入湖水量总计7.34108m3，水面面积最大43.1 km2，2008年以来的的当年最大面面积与入湖水量如图2所示。

表2 东河各年度需过水量表

图2 东居延海当年最大面积与入湖水量图

在东居延海补水过程中，单位时间内入湖水量大于单位时间内湖水的损耗，湖面面积才会随补水时间的持续而增大。入湖水量一部分转化为湖内的储存水体，一部分用于湖水的损耗。在一年之内，开始由于东居延海封冻，湖面面积不发生变化。解冻以后东居延海水面面积由于没有水体的补充只有水量损耗先是逐渐减小。随着黑河调水工作的开始，同期入湖水量大于同期湖水的损耗量，东居的延海开始储水，湖面面积不断增大。在补水的末期，入湖水量小于湖水的损耗量时，储水量不再增加，湖面面积不再增大，开始减小。湖面面积最大值不是在补水工作结束时出现，而是存在于补水后期入湖水量等于湖水的损耗量时。补水结束以后，由于有没有水体补充，水面面积随时间推移持续减小。每年12月初左右，随着气温的降低，东居延海封冻后湖面面积不发生变化。历年调水入湖次数不完全相同，通常湖面面积最大值产生于年内最后一次补水过程中。

（二）水面面积与储水量、水深与储水量曲线绘制

随着东居延海补水工作的开展，储水量和水面面积不断增长，考虑到因湖盆的形状不规则，湖面面积依储水量变化的关系采用多项式拟合，多项式拟合问题实际就是按偏差平方和最小的原则选取拟合曲线，并且采取二项式方程为拟合曲线的方法，称为最小二乘法。多项式在本质上是无边界的振荡函数。东居延海补水成效最主要的直观表现就是水面面积值。为了使拟合精度提高，结合补水效果，对东居延海水面面积为31.8km2、储水量为2830×104m3作起点，以水面面积为43.1km2、储水量为9750×104m3作终点的区段，若以水面面积为因变量、储水量为自变量进行多项式拟合。水面面积与储水量的关系如图3所示。回归方程：

图3 东居延海水面面积与储水量曲线

（3）式中y为水面面积，单位km2；x为储水量，单位104m3。R2=0.9989 表明公式拟合较好。

根据收集到的水面面积和与之对应的储水量的值，由小到大排序，采用（4）式计算相邻水面之间高差ΔZ，自湖底逐个高差累加，便可得到某一储水量对应的水深[4]。绘制的东居延海水深与储水量曲线如图4所示。

ΔZ：水层深度，即两相邻水面的高差，m；

ΔV：相邻水面的容积，m3；

F上，F下：两相邻水面面积，m2；

图4 东居延海水深与储水量曲线

对应由储水量为2830×104m3、水面面积为31.8km2，变化到储水量为9750×104m3、水面面积为43.1 km2，储水量增加了6920×104m3，水面面积增加11.3 km2，而水深增加了1.747 m。在补水过程中，水深的增加速度小于储水量的增加速度。在水面面积为43.1 km2时，东居延海最大水深为3.09 m，平均水深为2.26 m。东居延海水深与储水量曲线体现东居延海的湖盆成浅碟状形态。

（三）东居延海水量耗损分析

东居延海是内陆湖，湖内水体没有排泄口，也无生产生活向外引用水。湖水的消耗主要是蒸发、渗漏。而东居延海渗漏量由渗透损失和渗漏损失两部分组成。

蒸发量是指在一定时段内，水分经蒸发而散布到空中的量，通常用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示，一般温度越高、湿度越小、风速越大、气压越低、则蒸发量就越大；反之蒸发量就越小。由于东居延海所处的气象环境，蒸发损失的水量占水量耗损绝大部分。根据蒸发量的定义，东居延海年蒸发量就是不考虑补水情况下湖面水面下降的高度，与水面面积无关。在蒸发量相同条件下，湖面面积较大时蒸发损耗的水量多，因此在年内蒸发量高峰过后的时段进行补水，补水水量转化为湖体储水量的效率高，对湖面面积的扩大效果好。

由于饱和湖岸土体而引起的湖水损失称为渗透损失，这种渗透现象在东居延海补水时发生，只要在补水过程中湖面面积增大， 就会产生渗透损失。渗透损失决定于湖面面积的增加量、湖岸土体补水前的孔隙率和需渗透饱和的湖岸面到地下水面之间的高差。

湖水沿透水层的渗水通道外渗，而引起的损失，称渗漏损失。在东居沿海进行生态补水的最初几年渗漏损失较大，当补水工作进行几年后，因向东居沿海的补水多在上游发生雨洪时期进行，补水过程中水流挟带的泥沙进入东居沿海，由于水流流速减小，泥沙淤积，湖底孔隙逐渐被淤塞，且湖岸地下水位升高，因而渗漏损失会逐渐递减趋于稳定。另外，由于额济纳盆地南、西、北三面为低山环抱，东居延海处于盆地的低洼地带，随着黑河调水工作的进行，河道内入渗的部分水体可能会以地下径流方式补给湖水，因此认为东居延海水量耗损不包括渗漏损失。

五、结论

狼心山分水闸调配给东河的水量不存在完全比例关系，且河道在不同的流量情况下输水效率不同，所以东居延海的入湖水量与狼心山断面的来水量虽然存在一定的联系，但两者之间的相关关系不密切。狼心山到东居延海的河道输水损失率均值为57.96%，是东居延海的入湖水量与狼心山来水量相关关系不显著的主要因素。由于东河河道的输水损失率高，因此在向东居延海输水过程中需要采用大流量补水的措施。东居延海水面面积与储水量曲线、水深与储水量曲线直观反映了水面面积、储水量、水深之间的关系，可以作为东居延海补水管理调度的重要依据。东居延海水量耗损主要是蒸发损失，在年内蒸发量高峰过后的时段进行补水，补水水量转化为湖体储水量的效率高，对湖面面积的扩大效果好。