忻州市寧武天池水量衰減分析研究

【摘要】寧武天池是我國高山天池之一，而近年來受人類活動影響，天池水量逐漸減少。根據(jù)水鹽均衡分析結果表明，人類活動影響導致天池地表水徑流條件的改變、地下水側向補給條件的改變和天池排泄條件的改變，進而影響到天池水量衰減的權重分別為22%、20%和58%，而天池排泄量的增加是天池水量衰減的主要原因，如果按此趨勢發(fā)展，天池最終水量均衡狀態(tài)已接近干涸，失去了其旅游景觀價值及生態(tài)價值。

【關鍵詞】寧武天池；水鹽均衡；衰減分析

1、寧武天池概況

寧武天池古稱祁連池或馬營海，是我國高山天池之一，位于寧武縣城西南20km的黃河流域和海河流域分水嶺東部，海子背村村南1km處，地理坐標為東經112°12′、北緯38°52′，海拔1771m，形成于新生代第四紀冰川期，距今約300萬年。多少年來，人們對天池的認識是“陽旱不涸、陰霖不溢、澄亭如鑒”。然而，近年來湖水水位呈明顯下降趨勢。據(jù)調查，上世紀60年代，湖面面積約0.8km2，水深8m，到2016年4月，面積僅剩0.43km2，水深減至5.5m。

2、分析研究機理

天然狀況下，天池補給途徑主要有湖面降水P（mm）、地表徑流Rs（萬m3）和地下水側向補給Rg（萬m3），排泄途徑有蒸發(fā)E（mm）和地下水側向排泄Qg（萬m3）。其水量平衡關系式有：

式中：Ss1為地表徑流的含鹽量，萬t；Sg1為地下水側向補給的含鹽量，萬t；Sg2為地下水側向排泄帶走的鹽量，萬t；ΔS為計算時段內湖水鹽儲量的變化量，萬t。

經《內陸湖泊水鹽均衡定律及其實證》（馬秀峰等）提出并證明了內陸湖泊水鹽均衡定律，即在一定條件下，湖泊經長期演化之后，入、蓄水礦化比與損、補水量之比的代數(shù)和將收斂為1?；诖死碚?，根據(jù)天池水量平衡及鹽量平衡關系，得到以下規(guī)律：

若天池水量長期存在不等式約束條件：

式中：Am為天池最高水位Hm時的水面面積，km2；A0為天池最低水位H0時的水面面積，km2；C為地表徑流與地下水側向補給混合后的入湖水礦化度，mg/L；Sm為湖泊水鹽均衡以后的礦化度，mg/L。

3、天池水鹽均衡分析

由于缺少對天池的歷史觀測資料，根據(jù)人們對天池水量變化的認識，可將天池的演變大致分為以下兩個階段：

（1）1992以前，天池受人類活動影響小，水量變化不大，可將這個時段近似作為天池水鹽均衡的穩(wěn)定時期；

（2）1992以后，受人類活動影響，如天池周邊興修隧洞、隧道、水利工程等，天池水量在此期間有所減少，可將此時段作為天池逐步向水鹽均衡期演變的過渡時期；

據(jù)此，可將天池水鹽均衡期可分為兩種均衡狀態(tài)，第一種為天池自然演變，未受人類活動影響，所形成的歷史均衡期；第二種為受到現(xiàn)狀補給區(qū)人類活動影響，改變天池自然條件，且各種影響已達穩(wěn)定狀態(tài)，并在假定天池已達到鹽平衡狀態(tài)且不考慮排泄條件變化的影響，所最終形成的現(xiàn)狀均衡期。

在均衡狀態(tài)下，湖泊水量及礦化度均不發(fā)生變化，且水量均衡及鹽量均衡存在一定的關系。即：

據(jù)此可分析計算得到天池兩種狀態(tài)下的水均衡期特征。式中入湖礦化度C由地表入湖徑流量礦化度CRs和地下水側向補給量礦化度CRg共同決定。其計算公式為：

C= （7）

由于天池區(qū)域資料條件較為缺乏，很多數(shù)據(jù)無法直接獲取，只能通過人們直觀的認識及現(xiàn)狀獲取的資料來綜合分析，從而確定天池在不同條件下的最佳均衡期特征。

（1）歷史均衡期

從對天池歷史條件的調查了解到，天池水面面積約0.8km2，且能夠保持較為穩(wěn)定的水量均衡狀態(tài)，因此對于天池歷史均衡期的均衡條件仍以天池水面面積為0.8km2的狀態(tài)進行分析。經計算分析，最終確定歷史均衡期水量平衡關系及均衡特征為：天池水面面積為0.80km2，湖庫蓄水量為300.0萬m3，均衡期礦化度為350.0mg/L。

（2）現(xiàn)狀均衡期

由于現(xiàn)狀條件受人類活動影響，改變了天池自然條件，因此假設在各種影響已達穩(wěn)定狀態(tài)，且天池現(xiàn)狀已達到鹽平衡狀態(tài)來進行分析。經計算分析，最終確定現(xiàn)狀均衡期水量平衡關系及均衡特征為：天池水面面積為0.50km2，湖庫水量為220.0萬m3，均衡期礦化度為292.0mg/L。詳見表3-1。

4、天池2008～2015年水量平衡分析及水量衰減分析

4.1 降水及蒸發(fā)分析

天池水量衰減主要發(fā)生于2000年以后，因此主要分析降水或蒸發(fā)2000年以后的變化情況，據(jù)此了解其對天池水量衰減的影響。

（1）降水 分析資料為1971～2015年海子背雨量站年、月、日降水資料。

通過分析計算，海子背雨量站降水量呈豐枯變化，且2001～2015年平均降水量較多年平均降水量偏豐8.9%，因此，降水量的變化不是天池水量衰減的主要影響因素。

降雨模式主要用于表征區(qū)域內降雨特性，小量級的頻繁降水只能濕潤地表，當單次降水量較少時，降雨從地表迅速蒸發(fā)而不產生徑流，對于土壤水分補充來講是無效降水。分析認為日降水量小于5mm的均為無效降水，據(jù)此來統(tǒng)計大于5mm的日降水量值來分析降水模式改變所帶來的影響。通過分析，雖然2001-2015年年均累積降水量與年降水量的比值有所減少，但年均累積降水量較多年平均偏豐。因此，降雨模式的變化不是天池水量衰減的主要影響因素。

（2）蒸發(fā) 分析資料為1959～2013年寧武氣象站年、月、日蒸發(fā)資料。

通過采用山西省第二次水資源評價中汾河流域的水面蒸發(fā)折算系數(shù)：非冰期0.63，冰期0.61，計算得到寧武氣象站1959～2013年E601型水面蒸發(fā)量。通過分析，2001～2013年蒸發(fā)量較多年平均蒸發(fā)量偏小7.5%，因此分析認為，區(qū)域蒸發(fā)量變化不是天池水量衰減的主要影響因素。

4.2 天池水量變化

因天池水量觀測記錄只有2008～2015年，故分析計算僅對2008～2015年天池的水量平衡關系與上述兩個均衡期水量平衡關系進行對比，據(jù)此來分析判斷天池補給或排泄量的變化情況。

4.3 計算參數(shù)選取

根據(jù)天池調查了解，現(xiàn)狀情況下，天池即有暖泉溝水庫的調水補給W暖，又有冰期采冰水量W采，故現(xiàn)狀天池水量平衡關系公式為：

0.1A*P+Rs+Rg+W暖=0.1A*E +Qg+U采±ΔV （8）

根據(jù)上式分別分析各項目的計算參數(shù)。

（1）湖面降水量0.1A*P、湖面蒸發(fā)量0.1A*E

湖面降水（蒸發(fā)）量通過天池水面面積乘以降水深（蒸發(fā)深）計算得到。

（2）入湖地表徑流量Rs

河流的徑流主要受到降雨、氣溫、時空分布、流域形態(tài)、人類活動等因素的影響。由于天池匯水面積較小，且沒有合適的水文站能夠代表天池匯水區(qū)的徑流特征，計算方法參考《忻州市不同水文下墊面降雨徑流關系特性分析》（楊丙寅）的分析研究，采用不同水文下墊面特征進行分析計算。

降水是影響徑流量的另一個主要因素，對于天池歷史均衡期年，由于地下水位較現(xiàn)狀水位要高，而不易迅速蒸發(fā)，故對于天池歷史均衡期降水量采用年均降水量計算，而現(xiàn)狀均衡期及2008～2015年時段采用的降水量以日降水大于5mm的累積年降水量作為徑流量計算的依據(jù)。

（3）地下水側向補給量Rg

地下水側向補給量計算采用降水入滲補給法來推求。根據(jù)砂頁巖地區(qū)降水入滲補給系數(shù)的經驗值來看，天池匯水區(qū)采用降水入滲系數(shù)0.17的取值較為合理。由于現(xiàn)狀條件天池匯水區(qū)受余莊隧道的影響，地下水補給量按年均減少6萬m3/a來進行分析計算。

（4）地下水側向排泄量Qg

由于受人類活動影響，如暖泉溝水庫的除險加固、天池東岸修建碼頭、暖泉溝水庫岸邊人工開挖等均會對天池地下水側向排泄量產生影響。由于已知天池的蓄水量變化情況，在排除未考慮到的大的排泄或補給項的影響后，根據(jù)水量平衡原理，可求得天池側向排泄量的變化情況。

（5）暖泉溝水庫補給天池水量W暖、采冰取走的水資源量U采

根據(jù)調查，暖泉溝水庫補給天池水量：2011年20萬m3；2013年45萬m3。天池冬季采冰取走的水資源估算量：2012年5萬m3；2013年8萬m3。

4.4 天池現(xiàn)狀水量平衡

根據(jù)以上天池水量平衡計算參數(shù)的選取，分析計算得到2008～2015年天池水量平衡關系。

4.5 天池現(xiàn)狀水量平衡與均衡期對比分析

如表4-2為計算得到的天池2008～2015年水量平衡關系與不同條件下均衡期水量關系的對比情況表，由前述可知，現(xiàn)狀降水量或蒸發(fā)量的變化不是天池水量衰減的主要因素，表中看到降水或蒸發(fā)量的變化主要原因為均衡條件的改變，使得天池水面面積發(fā)生改變，從而改變其降水或蒸發(fā)量，但其根本原因在于降水深度或蒸發(fā)深度值的大小，與天池水面面積變化無關。因此，對于天池水量的變化主要考慮地表入湖徑流量Rs、地下水側向補給量Rg以及地下水側向排泄量Qg的改變。

為了直觀了解到表4-2各項影響程度大小，按下列公式進行分析：

×100% （9）

式中： 為某計算量的影響程度； 為現(xiàn)狀均衡期的計算量； 為歷史均衡期的計算量； 為這一計算量在歷史均衡期補給或排泄總量的權重。因已排除自然因素對天池水量的影響，故其余項目的變化量均由人類活動影響造成，為直觀了解人類活動影響造成的大小，在上述基礎上，再通過分析得到其人類活動影響的權重。通過分析，得到以下結果：

①2008～2015年與現(xiàn)狀均衡條件改變后所形成的現(xiàn)狀均衡期對比

通過分析對比，因地下水側向排泄量增加的影響程度為31.9%，而對于整個人類活動影響天池水量變化衰減的情形來看，因人類活動影響導致天池側向排泄量增加，進而導致天池水量衰減，其影響權重為100%。

②2008～2015年與歷史均衡期對比

同樣，通過分析對比，因人類活動影響導致地表水徑流條件改變和地下水側向補給條件的改變，其影響程度分別為8.3%和7.9%，地下水側向排泄量的影響程度為24.4%?？v觀整個天池水量衰減時期，可以得到，人類活動影響導致天池地表水徑流條件改變、地下水補給徑流條件的改變和天池排泄條件的改變，其權重分別為22%、20%和58%。

5、天池水鹽均衡發(fā)展趨勢分析

根據(jù)上述天池地下水的側向排泄量變化特征，依據(jù)水鹽均衡規(guī)律，分別按照多年平均地下水排泄量48.2萬m3和現(xiàn)狀地下水排泄量34.2萬m3分析計算得到兩種排泄狀態(tài)下的天池水均衡發(fā)展狀態(tài)。

當?shù)叵滤判沽繛?8.2萬m3時，天池最終的水鹽均衡期特征為水面面積0.12km2，蓄水量5.0萬m3，湖水礦化度132.7mg/L。

當?shù)叵滤判沽繛?4.2萬m3時，天池最終的水鹽均衡期特征為水面面積0.32km2，蓄水量50.0萬m3，湖水礦化度187.1mg/L。

從上述發(fā)展趨勢來看，如果天池不加以保護，仍以多年平均或現(xiàn)狀排泄量發(fā)展，其最終均衡狀態(tài)已接近干涸，失去了其旅游景觀價值及生態(tài)價值。

6、結論

通過對天池區(qū)域降水及蒸發(fā)分析結果表明，降水和蒸發(fā)不是天池水量衰減主要原因；通過天池現(xiàn)狀水量平衡與天池歷史均衡期及現(xiàn)狀均衡期對比分析認為，天池水量的衰減與地表徑流條件的改變、地下水側向補給條件的改變以及地下水側向排泄條件的改變均有關系，且地下水側向排泄條件的改變?yōu)橹饕绊懸蛩兀斐商斐馗黜椌鈼l件改變的因素為人類活動影響。從天池發(fā)展趨勢來看，若不加以保護，天池最終均衡狀態(tài)已近干涸，失去其旅游景觀及生態(tài)價值。

參考文獻：

[1]馬秀峰，阮本清，許鳳冉.內陸湖泊水均衡定律及其實證.水利學報.2012.4；

[2]楊丙寅.忻州市不同水文下墊面降雨徑流關系特征分析.地下水.2009.3；

[3]范堆相.山西省水資源評價.水利水電出版社。