忻州市宁武天池水量衰减分析研究

【摘要】宁武天池是我国高山天池之一，而近年来受人类活动影响，天池水量逐渐减少。根据水盐均衡分析结果表明，人类活动影响导致天池地表水径流条件的改变、地下水侧向补给条件的改变和天池排泄条件的改变，进而影响到天池水量衰减的权重分别为22%、20%和58%，而天池排泄量的增加是天池水量衰减的主要原因，如果按此趋势发展，天池最终水量均衡状态已接近干涸，失去了其旅游景观价值及生态价值。

【关键词】宁武天池；水盐均衡；衰减分析

1、宁武天池概况

宁武天池古称祁连池或马营海，是我国高山天池之一，位于宁武县城西南20km的黄河流域和海河流域分水岭东部，海子背村村南1km处，地理坐标为东经112°12′、北纬38°52′，海拔1771m，形成于新生代第四纪冰川期，距今约300万年。多少年来，人们对天池的认识是“阳旱不涸、阴霖不溢、澄亭如鉴”。然而，近年来湖水水位呈明显下降趋势。据调查，上世纪60年代，湖面面积约0.8km2，水深8m，到2016年4月，面积仅剩0.43km2，水深减至5.5m。

2、分析研究机理

天然状况下，天池补给途径主要有湖面降水P（mm）、地表径流Rs（万m3）和地下水侧向补给Rg（万m3），排泄途径有蒸发E（mm）和地下水侧向排泄Qg（万m3）。其水量平衡关系式有：

式中：Ss1为地表径流的含盐量，万t；Sg1为地下水侧向补给的含盐量，万t；Sg2为地下水侧向排泄带走的盐量，万t；ΔS为计算时段内湖水盐储量的变化量，万t。

经《内陆湖泊水盐均衡定律及其实证》（马秀峰等）提出并证明了内陆湖泊水盐均衡定律，即在一定条件下，湖泊经长期演化之后，入、蓄水矿化比与损、补水量之比的代数和将收敛为1。基于此理论，根据天池水量平衡及盐量平衡关系，得到以下规律：

若天池水量长期存在不等式约束条件：

式中：Am为天池最高水位Hm时的水面面积，km2；A0为天池最低水位H0时的水面面积，km2；C为地表径流与地下水侧向补给混合后的入湖水矿化度，mg/L；Sm为湖泊水盐均衡以后的矿化度，mg/L。

3、天池水盐均衡分析

由于缺少对天池的历史观测资料，根据人们对天池水量变化的认识，可将天池的演变大致分为以下两个阶段：

（1）1992以前，天池受人类活动影响小，水量变化不大，可将这个时段近似作为天池水盐均衡的稳定时期；

（2）1992以后，受人类活动影响，如天池周边兴修隧洞、隧道、水利工程等，天池水量在此期间有所减少，可将此时段作为天池逐步向水盐均衡期演变的过渡时期；

据此，可将天池水盐均衡期可分为两种均衡状态，第一种为天池自然演变，未受人类活动影响，所形成的历史均衡期；第二种为受到现状补给区人类活动影响，改变天池自然条件，且各种影响已达稳定状态，并在假定天池已达到盐平衡状态且不考虑排泄条件变化的影响，所最终形成的现状均衡期。

在均衡状态下，湖泊水量及矿化度均不发生变化，且水量均衡及盐量均衡存在一定的关系。即：

据此可分析计算得到天池两种状态下的水均衡期特征。式中入湖矿化度C由地表入湖径流量矿化度CRs和地下水侧向补给量矿化度CRg共同决定。其计算公式为：

C= （7）

由于天池区域资料条件较为缺乏，很多数据无法直接获取，只能通过人们直观的认识及现状获取的资料来综合分析，从而确定天池在不同条件下的最佳均衡期特征。

（1）历史均衡期

从对天池历史条件的调查了解到，天池水面面积约0.8km2，且能够保持较为稳定的水量均衡状态，因此对于天池历史均衡期的均衡条件仍以天池水面面积为0.8km2的状态进行分析。经计算分析，最终确定历史均衡期水量平衡关系及均衡特征为：天池水面面积为0.80km2，湖库蓄水量为300.0万m3，均衡期矿化度为350.0mg/L。

（2）现状均衡期

由于现状条件受人类活动影响，改变了天池自然条件，因此假设在各种影响已达稳定状态，且天池现状已达到盐平衡状态来进行分析。经计算分析，最终确定现状均衡期水量平衡关系及均衡特征为：天池水面面积为0.50km2，湖库水量为220.0万m3，均衡期矿化度为292.0mg/L。详见表3-1。

4、天池2008～2015年水量平衡分析及水量衰减分析

4.1 降水及蒸发分析

天池水量衰减主要发生于2000年以后，因此主要分析降水或蒸发2000年以后的变化情况，据此了解其对天池水量衰减的影响。

（1）降水 分析资料为1971～2015年海子背雨量站年、月、日降水资料。

通过分析计算，海子背雨量站降水量呈丰枯变化，且2001～2015年平均降水量较多年平均降水量偏丰8.9%，因此，降水量的变化不是天池水量衰减的主要影响因素。

降雨模式主要用于表征区域内降雨特性，小量级的频繁降水只能湿润地表，当单次降水量较少时，降雨从地表迅速蒸发而不产生径流，对于土壤水分补充来讲是无效降水。分析认为日降水量小于5mm的均为无效降水，据此来统计大于5mm的日降水量值来分析降水模式改变所带来的影响。通过分析，虽然2001-2015年年均累积降水量与年降水量的比值有所减少，但年均累积降水量较多年平均偏丰。因此，降雨模式的变化不是天池水量衰减的主要影响因素。

（2）蒸发 分析资料为1959～2013年宁武气象站年、月、日蒸发资料。

通过采用山西省第二次水资源评价中汾河流域的水面蒸发折算系数：非冰期0.63，冰期0.61，计算得到宁武气象站1959～2013年E601型水面蒸发量。通过分析，2001～2013年蒸发量较多年平均蒸发量偏小7.5%，因此分析认为，区域蒸发量变化不是天池水量衰减的主要影响因素。

4.2 天池水量变化

因天池水量观测记录只有2008～2015年，故分析计算仅对2008～2015年天池的水量平衡关系与上述两个均衡期水量平衡关系进行对比，据此来分析判断天池补给或排泄量的变化情况。

4.3 计算参数选取

根据天池调查了解，现状情况下，天池即有暖泉沟水库的调水补给W暖，又有冰期采冰水量W采，故现状天池水量平衡关系公式为：

0.1A*P+Rs+Rg+W暖=0.1A*E +Qg+U采±ΔV （8）

根据上式分别分析各项目的计算参数。

（1）湖面降水量0.1A*P、湖面蒸发量0.1A*E

湖面降水（蒸发）量通过天池水面面积乘以降水深（蒸发深）计算得到。

（2）入湖地表径流量Rs

河流的径流主要受到降雨、气温、时空分布、流域形态、人类活动等因素的影响。由于天池汇水面积较小，且没有合适的水文站能够代表天池汇水区的径流特征，计算方法参考《忻州市不同水文下垫面降雨径流关系特性分析》（杨丙寅）的分析研究，采用不同水文下垫面特征进行分析计算。

降水是影响径流量的另一个主要因素，对于天池历史均衡期年，由于地下水位较现状水位要高，而不易迅速蒸发，故对于天池历史均衡期降水量采用年均降水量计算，而现状均衡期及2008～2015年时段采用的降水量以日降水大于5mm的累积年降水量作为径流量计算的依据。

（3）地下水侧向补给量Rg

地下水侧向补给量计算采用降水入渗补给法来推求。根据砂页岩地区降水入渗补给系数的经验值来看，天池汇水区采用降水入渗系数0.17的取值较为合理。由于现状条件天池汇水区受余庄隧道的影响，地下水补给量按年均减少6万m3/a来进行分析计算。

（4）地下水侧向排泄量Qg

由于受人类活动影响，如暖泉沟水库的除险加固、天池东岸修建码头、暖泉沟水库岸边人工开挖等均会对天池地下水侧向排泄量产生影响。由于已知天池的蓄水量变化情况，在排除未考虑到的大的排泄或补给项的影响后，根据水量平衡原理，可求得天池侧向排泄量的变化情况。

（5）暖泉沟水库补给天池水量W暖、采冰取走的水资源量U采

根据调查，暖泉沟水库补给天池水量：2011年20万m3；2013年45万m3。天池冬季采冰取走的水资源估算量：2012年5万m3；2013年8万m3。

4.4 天池现状水量平衡

根据以上天池水量平衡计算参数的选取，分析计算得到2008～2015年天池水量平衡关系。

4.5 天池现状水量平衡与均衡期对比分析

如表4-2为计算得到的天池2008～2015年水量平衡关系与不同条件下均衡期水量关系的对比情况表，由前述可知，现状降水量或蒸发量的变化不是天池水量衰减的主要因素，表中看到降水或蒸发量的变化主要原因为均衡条件的改变，使得天池水面面积发生改变，从而改变其降水或蒸发量，但其根本原因在于降水深度或蒸发深度值的大小，与天池水面面积变化无关。因此，对于天池水量的变化主要考虑地表入湖径流量Rs、地下水侧向补给量Rg以及地下水侧向排泄量Qg的改变。

为了直观了解到表4-2各项影响程度大小，按下列公式进行分析：

×100% （9）

式中： 为某计算量的影响程度； 为现状均衡期的计算量； 为历史均衡期的计算量； 为这一计算量在历史均衡期补给或排泄总量的权重。因已排除自然因素对天池水量的影响，故其余项目的变化量均由人类活动影响造成，为直观了解人类活动影响造成的大小，在上述基础上，再通过分析得到其人类活动影响的权重。通过分析，得到以下结果：

①2008～2015年与现状均衡条件改变后所形成的现状均衡期对比

通过分析对比，因地下水侧向排泄量增加的影响程度为31.9%，而对于整个人类活动影响天池水量变化衰减的情形来看，因人类活动影响导致天池侧向排泄量增加，进而导致天池水量衰减，其影响权重为100%。

②2008～2015年与历史均衡期对比

同样，通过分析对比，因人类活动影响导致地表水径流条件改变和地下水侧向补给条件的改变，其影响程度分别为8.3%和7.9%，地下水侧向排泄量的影响程度为24.4%。纵观整个天池水量衰减时期，可以得到，人类活动影响导致天池地表水径流条件改变、地下水补给径流条件的改变和天池排泄条件的改变，其权重分别为22%、20%和58%。

5、天池水盐均衡发展趋势分析

根据上述天池地下水的侧向排泄量变化特征，依据水盐均衡规律，分别按照多年平均地下水排泄量48.2万m3和现状地下水排泄量34.2万m3分析计算得到两种排泄状态下的天池水均衡发展状态。

当地下水排泄量为48.2万m3时，天池最终的水盐均衡期特征为水面面积0.12km2，蓄水量5.0万m3，湖水矿化度132.7mg/L。

当地下水排泄量为34.2万m3时，天池最终的水盐均衡期特征为水面面积0.32km2，蓄水量50.0万m3，湖水矿化度187.1mg/L。

从上述发展趋势来看，如果天池不加以保护，仍以多年平均或现状排泄量发展，其最终均衡状态已接近干涸，失去了其旅游景观价值及生态价值。

6、结论

通过对天池区域降水及蒸发分析结果表明，降水和蒸发不是天池水量衰减主要原因；通过天池现状水量平衡与天池历史均衡期及现状均衡期对比分析认为，天池水量的衰减与地表径流条件的改变、地下水侧向补给条件的改变以及地下水侧向排泄条件的改变均有关系，且地下水侧向排泄条件的改变为主要影响因素，而造成天池各项均衡条件改变的因素为人类活动影响。从天池发展趋势来看，若不加以保护，天池最终均衡状态已近干涸，失去其旅游景观及生态价值。

参考文献：

[1]马秀峰，阮本清，许凤冉.内陆湖泊水均衡定律及其实证.水利学报.2012.4；

[2]杨丙寅.忻州市不同水文下垫面降雨径流关系特征分析.地下水.2009.3；

[3]范堆相.山西省水资源评价.水利水电出版社。