塔里木河流域最大灌溉面積與超載情況探討*

郭宏偉，徐海量，趙新風(fēng)，凌紅波

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

塔里木河流域最大灌溉面積與超載情況探討*

郭宏偉1,2，徐海量1，趙新風(fēng)1，凌紅波1

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

基于塔里木河流域水資源量及利用水平資料，結(jié)合《塔里木河流域工程與非工程措施五年實(shí)施方案》，通過Mann-kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)及未來趨勢(shì)變化Hurst指數(shù)檢驗(yàn)分析了近20 a來塔里木河流域耕地面積變化特征，計(jì)算探討了該流域現(xiàn)狀水平年(2010年)以及規(guī)劃年(2020年)可承載的最大灌溉面積、現(xiàn)狀水平年灌溉面積超載情況、不同來水頻率下規(guī)劃年規(guī)劃灌溉面積超載和生態(tài)水保證情況。結(jié)果表明：① 1990-2010年流域耕地面積顯著增加，且在未來一段時(shí)間將持續(xù)增加。② 現(xiàn)狀水平年流域可承載最大灌溉面積為129.06萬hm2，除和田河外其它均超載，超載面積共計(jì)43.33萬hm2。③ 規(guī)劃年在25%來水頻率下，除了開都-孔雀河流域其他均不超載，但是相等規(guī)劃灌溉面積在枯(特枯)水期會(huì)出現(xiàn)超載現(xiàn)象，規(guī)劃灌溉面積的制定還要參照枯(特枯)水期流域能承載的最大灌溉面積；在50%、75%及90%來水頻率下，流域規(guī)劃灌溉面積超載嚴(yán)重，管理部門應(yīng)認(rèn)識(shí)到灌溉面積規(guī)劃中存在的問題，提出更加科學(xué)的規(guī)劃方案。④ 在25%、50%、75%及90%等4種來水頻率下2020年流域生態(tài)水分別可保證95.7%、81.2%、61.4%、44.2%，表明在規(guī)劃年的枯水期生態(tài)水供應(yīng)有一定壓力。本研究為遏制塔里木河流域自然生態(tài)和環(huán)境惡化趨勢(shì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)流域以水資源量來定人工綠洲規(guī)模、優(yōu)化水資源利用規(guī)劃與配水制度意義重大。

塔里木河流域；最大灌溉面積；超載面積；不同來水頻率

塔里木河流域是中國(guó)乃至世界生態(tài)最為脆弱的地區(qū)之一。流域氣候干旱，降水稀少，屬于典型的暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.6～11.5 ℃，年均降水量大約為116.8 mm[1-2]。近年來降水則在流域源流區(qū)及干流都有增加趨勢(shì)。流域水資源的形成以冰雪融水補(bǔ)給為主，并有降雨徑流加入，各河流均以河流出山口為界，出山口以上為徑流形成區(qū)，徑流量沿程遞增；河流出山以后，沿程滲漏、蒸發(fā)，用于灌溉、流入湖泊或盆地，徑流量沿程遞減，最后消失于湖泊、灌區(qū)或沙漠中[3-4]。流域多年平均水資源總量為430.2億m3。自20世紀(jì)80年代末尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來，流域各源流普遍進(jìn)入豐水期，阿克蘇河、和田河和葉爾羌河近10 a平均來水量比多年平均來水量增加了27.45億m3，對(duì)干流下游生態(tài)輸水影響較大的開都河近10年的水量也比多年平均高出0.74億m3。然而，由于源流區(qū)灌溉面積增加了一倍多，年用水量平均約增加50億m3，導(dǎo)致補(bǔ)給干流的總水量并未有明顯變化[5-6]。因此，在現(xiàn)有的水土資源擴(kuò)張開發(fā)模式下，降水與源流來水的增多對(duì)干流來水增加的影響并不大。

從20世紀(jì)50年代開始，在源流阿克蘇河、和田河、葉爾羌河，甚至在塔里木河干流，開發(fā)了大規(guī)模的灌溉農(nóng)業(yè)。過度的水土資源開發(fā)利用，特別是1972年下游大西海子攔河水庫(kù)建成以后，直接導(dǎo)致河道斷流。為了保護(hù)流域的生態(tài)環(huán)境，拯救斷流近30 a瀕于毀滅的下游“綠色走廊”，中國(guó)政府投資107億元，于2001年啟動(dòng)了塔里木河流域近期綜合治理工程。如今，流域生態(tài)環(huán)境得到初步改善，近期綜合治理雖取得了明顯成效，但這與近10 a和田河、葉爾羌河、阿克蘇河和開都-孔雀河(以下簡(jiǎn)稱“開-孔河”)4條源流天然來水持續(xù)偏豐的客觀原因是密切相關(guān)的；同時(shí)，前期治理從2000-2009年實(shí)施后，源流通過常規(guī)和高科技節(jié)水增加11.4億m3，開發(fā)地下水1.4億m3，合計(jì)12.8億 m3，但是這些水量并沒有輸往干流，而是全部被開荒占用[7]，耕地的大規(guī)模、無序、快速擴(kuò)張毀壞了大面積的天然植被并擠占了大量的生態(tài)用水，從20世紀(jì)70年代初開始，下游300余km的河道斷流近30 a，過度無序的水土開發(fā)、嚴(yán)重惡化的生態(tài)環(huán)境和由此引發(fā)的各種社會(huì)矛盾，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[8]，厘清近年來各流域耕地面積變化情況、以水資源為主線計(jì)算并分析規(guī)劃年各流域能承載的最大灌溉面積及超載情況等相關(guān)研究的開展勢(shì)在必行。然而，由于流域面積巨大，各流域耕地耗水情況各不相同且十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的開展甚少。

為此，本文基于塔里木河流域水資源量及水資源利用水平資料，結(jié)合《塔里木河流域工程與非工程措施五年實(shí)施方案》(2002年)(以下簡(jiǎn)稱《五年實(shí)施方案》)[9]，通過Mann-kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)及未來趨勢(shì)變化Hurst指數(shù)檢驗(yàn)分析了近20 a來塔里木河流域耕地面積變化特征，計(jì)算探討了流域現(xiàn)狀水平年(2010年)以及規(guī)劃年(2020年)可承載的最大灌溉面積、現(xiàn)狀水平年灌溉面積超載情況、不同來水頻率下規(guī)劃年規(guī)劃灌溉面積超載和生態(tài)水保證情況。其目的是為遏制流域自然生態(tài)和環(huán)境惡化趨勢(shì)提供基礎(chǔ)依據(jù)，這對(duì)塔里木河流域以水資源量來定人工綠洲規(guī)模、優(yōu)化水資源利用規(guī)劃與配水制度意義重大。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于新疆南部，是環(huán)塔里木盆地的阿克蘇河、渭干河、迪那河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都河—孔雀河、克里雅河、車爾臣河等9大水系共144條河流的總稱，流域總面積102萬km2，多年平均徑流量約401億m3。流域分為干流區(qū)和源流區(qū)，葉爾羌河和阿克蘇河在肖夾克會(huì)合后始稱塔里木河，干流自身不產(chǎn)流，從肖夾克至臺(tái)特瑪湖河道全長(zhǎng)1 321 km，其中上游河段肖夾克至英巴扎，長(zhǎng)495 km；中游河段英巴扎至恰拉，長(zhǎng)398 km；下游河段恰拉至臺(tái)特瑪湖，長(zhǎng)428 km。受人類活動(dòng)與氣候變化的影響，許多源流早已中斷了向干流的水量補(bǔ)給，目前9大向心聚流水系中，阿克蘇河、和田河、葉爾羌河和開都河-孔雀河4條源流與干流有地表水力聯(lián)系，本文以下簡(jiǎn)稱為“四源一干”(圖1)。

圖1 塔里木河流域水系示意圖Fig.1 The water system of Tarim River Basin

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

塔里木河流域“四源一干”不同來水頻率下的水量分配方案由《塔河流域近期綜合治理規(guī)劃》(2001)[10]和《塔里木河流域“四源一干”地表水水量分配方案》(2010)(以下簡(jiǎn)稱《分配方案》)[11]獲得。流域綜合毛灌溉定額和2010及2020年生活、工業(yè)、牲畜規(guī)劃用水量參照了《塔里木河流域綜合治理規(guī)劃》(2012)。塔里木河“四源一干”2010年實(shí)際灌溉面積和2020年規(guī)劃面積參照了《五年實(shí)施方案》。在塔里木河“四源一干”各流域行政區(qū)劃范圍的基礎(chǔ)上，以1991-2011年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]與《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒》[13]為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)出1990-2010年塔里木河流域“四源一干”耕地面積。

各流域生態(tài)需水量前人研究結(jié)果有差異，郭斌[14]分析了開-孔河流域供需水平衡，并對(duì)該流域未來水量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，將該流域生態(tài)需水定為20.01億m3；雷志棟等[15]認(rèn)為葉爾羌河與阿克蘇河流域生態(tài)需水量分別為23.87億、13.11億m3；關(guān)洪濤等[16]在對(duì)和田河綠色走廊天然生態(tài)需水量進(jìn)行估算時(shí)得出和田河流域生態(tài)需水量為7.05 m3。有關(guān)部門指出“打通沿線、穿越沙漠另需水10億m3”。本文采用以上兩項(xiàng)之和17.05億m3作為和田河流域的生態(tài)需水量；2011年徐海量[17]在完成《塔里木河生態(tài)需水及對(duì)策研究》研究報(bào)告時(shí)，將干流流域生態(tài)需水量定為37.4億m3。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地面積變化趨勢(shì)檢驗(yàn) 基于秩的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法常用來預(yù)測(cè)時(shí)間序列資料的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，使用該方法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)時(shí)，無需事先假定樣本的統(tǒng)計(jì)分布。本文在以往研究成果[18]的基礎(chǔ)上通過Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)近20 a來塔里木河流域的耕地面積變化趨勢(shì)；Hurst指數(shù)是定量描述時(shí)間序列長(zhǎng)程依賴性的有效方法[19]，在水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、氣候?qū)W、地質(zhì)和地球化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，近期在10年以上時(shí)間序列的植被覆蓋變化研究中應(yīng)用起來[20-21]。本文采用最常用的R/S分析法[22]計(jì)算Hurst指數(shù)，以檢驗(yàn)流域耕地未來趨勢(shì)變化。其過程為：

首先，對(duì)時(shí)間序列(X1，X2，X3，…，Xn)依次比較，結(jié)果記為sgnθ：

(1)

接著便可用如下公式計(jì)算出Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值：

(2)

式中xk、xi為要進(jìn)行檢驗(yàn)的隨機(jī)變量，n為所選數(shù)據(jù)序列的長(zhǎng)度。

則與此相關(guān)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

(3)

隨著n的逐漸增加,Zc很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，當(dāng)-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2時(shí)，接受原假設(shè)，表明樣本沒有明顯變化趨勢(shì)，其中，±Z1-a/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中值為1-a/2時(shí)對(duì)應(yīng)的顯著性水平a下的統(tǒng)計(jì)值。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量Zc為正值，說明序列有上升趨勢(shì)；Zc為負(fù)值，則表示有下降趨勢(shì)。

在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，常用β表示時(shí)間序列變化率，其公式為：

?j

(4)

式中，1

再在以上基礎(chǔ)上進(jìn)行基于R/S分析的Hurst指數(shù)計(jì)算，其基本步驟如下:

對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列x(t),t=1,2…。均值序列為:

(5)

累積離差為

(6)

極差為

τ=1,2…

(7)

標(biāo)準(zhǔn)差為

τ=1,2…

(8)

Mandelbrotetal證實(shí)了Hurst的研究,并得出了更廣泛的指數(shù)律,即

(9)

式中H為Hurst指數(shù)(00.5時(shí)，意味著未來的變化狀況與過去一致，這個(gè)過程具有持續(xù)性。

2.2.2 最大農(nóng)業(yè)水量及最大灌溉面積 根據(jù)流域水系組成及其徑流特性、人工綠洲與天然綠洲分布格局以及生態(tài)環(huán)境的地域特征綜合分析，流域生態(tài)調(diào)度應(yīng)通過“初始水權(quán)管理、源流總量控制，豐平水期確保生態(tài)流量、枯水期保證最小灌溉面積”實(shí)現(xiàn)流域水資源配置方案目標(biāo)，其技術(shù)路線如圖2，以此為依據(jù)得出不同來水頻率下最大農(nóng)業(yè)水量的計(jì)算方法：

1)豐、平水年份，最大農(nóng)業(yè)水量是用區(qū)域多年平均水資源總量扣除人類生活、牲畜及工業(yè)用水量[10]等后的水量，還要留出滿足下游天然植被保護(hù)和恢復(fù)所需的水量，即：

W農(nóng)業(yè)=W總-W生活-W牲畜-W工業(yè)-W生態(tài)

(10)

2)枯水年(75%來水頻率)農(nóng)業(yè)最大水量的計(jì)算方法是：如果流域的水資源量在滿足生活、牲畜、工業(yè)用水、給干流下泄，以及生態(tài)需水量后，留給農(nóng)業(yè)灌溉的水量大于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積所需水量，此時(shí)流域最大農(nóng)業(yè)水量的計(jì)算同豐、平水期的計(jì)算方法一樣；如果流域水資源總量減去以上各用水量后，剩余的水量小于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水時(shí)，將《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水量的90%作為農(nóng)業(yè)用水。

3)特枯水年(90%來水頻率)農(nóng)業(yè)最大水量的計(jì)算方法是：如果流域的水資源量在滿足生活、牲畜、工業(yè)用水、給干流下泄，以及生態(tài)需水量后，留給農(nóng)業(yè)灌溉的水量大于《五年實(shí)施方案》[9]規(guī)劃面積所需水量，此時(shí)流域最大農(nóng)業(yè)水量的計(jì)算同豐、平水期的計(jì)算方法一樣；如果流域水資源總量減去以上各用水量后，剩余的水量小于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水時(shí)，將《五年實(shí)施方案》[9]規(guī)劃面積用水量的75%作為農(nóng)業(yè)用水。

圖2 塔里木河流域水資源配置技術(shù)路線圖Fig.2 Technical route of water resources allocation in Tarim River Basin

流域可承載的最大灌溉面積在最大農(nóng)業(yè)水量的基礎(chǔ)上通過綜合毛灌溉定額計(jì)算。其計(jì)算公式為：最大灌溉面積=最大農(nóng)業(yè)水量/綜合毛灌溉定額。

2.2.3 生態(tài)水保證率計(jì)算 在干旱區(qū)，降水極少，因此生態(tài)用水補(bǔ)給主要通過河流，如果流域灌溉面積超載，一定的超載面積必定會(huì)擠占一定的生態(tài)水量，導(dǎo)致天然植被得不到補(bǔ)給而衰敗甚至消失。為了準(zhǔn)確反映塔里木河流域“四源一干”生態(tài)水的保證情況，本文計(jì)算了流域生態(tài)水保證率，計(jì)算方法為：流域能夠用到生態(tài)的水資源量除以該流域總的生態(tài)需水量[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域耕地面積變化趨勢(shì)

地域等因素造成塔里木河流域水資源分布不均，而水資源是綠洲面積的決定性因素，那么耕地的面積變化也會(huì)隨水分條件差異呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)資料顯示，塔里木河“四源一干”中，葉爾羌河、阿克蘇河流域是河川徑流量最大的流域，同時(shí)也是擁有耕地面積最大的兩大流域。圖3顯示了近20 a“四源一干”耕地面積變化情況。

圖3 1990-2010年塔里木河“四源一干”耕地面積變化Fig.3 The area change of cultivated land of four source streams and the mainstream of Tarim river in 1990-2010

經(jīng)Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)，近20 a來，塔里木河流域“四源一干”耕地面積呈顯著增加的趨勢(shì)(表1)。其中，增加最快的流域是葉爾羌河流域，以平均每年0.96萬hm2的速度增加，開-孔河和阿克蘇河流域增加速度分別為每年0.93萬hm2和0.50萬hm2。對(duì)塔里木河流域耕地面積計(jì)算時(shí)間序列的Hurst指數(shù)。結(jié)果顯示，塔里木河“四源一干”各流域耕地面積在未來一段時(shí)間將呈持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)。按目前的趨勢(shì)發(fā)展下去，2020年塔里木河流域耕地面積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出流域承載力。

表1 塔里木河流域“四源一干”耕地面積變化Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)及未來趨勢(shì)檢驗(yàn)1)Table1 The Mann-Kendall trend test and future trend test of area changes of cultivated land of four source streams and the mainstream of Tarim river basin

1)Sig.為顯著性，**表示極顯著；R表示接受原假設(shè)

3.2 現(xiàn)狀水平年最大灌溉面積及超載情況

在現(xiàn)狀水平年，流域處于平水期，最大農(nóng)業(yè)水量按照豐、平水期最大農(nóng)業(yè)水量計(jì)算方法計(jì)算。通過計(jì)算，塔里木河流域“四源一干”在可承載能力水平下各流域最大的灌溉面積如表2所示。

比較 “四源一干”2010年實(shí)際灌溉面積與其可承載的最大灌溉面積(表3)，2010年塔里木河流域“四源一干”中除和田河流域外，其余流域灌溉面積均處于超載水平。其中開-孔河灌溉面積超載最為嚴(yán)重，超載百分比為85.3%。

表2 塔里木河“四源一干”2010年可承載的最大灌溉面積Table 2 The maximum irrigation area of four source streams and the mainstream of Tarim river basin in 2010

表3 塔里木河“四源一干”2010年耕地超載情況Table 3 Cultivated land overload situations of four source streams and the mainstream of Tarim river basin in 2010

近20 a(1990-2010年)塔里木河“四源一干”耕地面積不斷增加，按這一趨勢(shì)發(fā)展下去，規(guī)劃年(2020年)塔里木河流域耕地面積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出流域承載力，這無疑會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)用水搶占生態(tài)用水, 上游用水搶占下游用水破壞下游水過程的完整性被，使得綠洲退化，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響[24-26]。水資源是塔里木河流域農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)最主要的制約因素, 有關(guān)部門必須從戰(zhàn)略高度來認(rèn)識(shí)塔里木河流域現(xiàn)階段水資源短缺問題與耕地面積不合理擴(kuò)張之間存在的矛盾，嚴(yán)格控制灌溉面積增長(zhǎng),建立高效節(jié)水農(nóng)業(yè)體系,發(fā)展高效生態(tài)農(nóng)業(yè), 以扭轉(zhuǎn)塔里木河流域灌溉面積持續(xù)超載的嚴(yán)重危機(jī)[27]。

3.3 規(guī)劃年最大灌溉面積、超載及生態(tài)水保證情況

基于國(guó)家《水文基本術(shù)語和符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50095-98)[28]中河川徑流豐枯年型劃分方法，根據(jù)塔里木河多年來水量的皮爾遜Ⅲ型頻率分布曲線，當(dāng)某年來水頻率小于25%時(shí)，則河流處于特豐水年；當(dāng)來水頻率介于25%～50%時(shí)，河流處于偏豐水年；當(dāng)來水頻率介于50%～75%時(shí)，河流處于平水年；當(dāng)來水頻率大于75%時(shí)，則河流水系進(jìn)入枯水年；當(dāng)某年來水頻率介于75%～90%時(shí)，定義河流水系處于偏枯水年；當(dāng)來水頻率大于90%時(shí)，則河流水系進(jìn)入特枯水年。本文分別計(jì)算了各流域四種來水頻率下規(guī)劃年的最大灌溉面積、超載及生態(tài)水保證情況。

3.3.1 25%來水頻率 當(dāng)來水頻率為25%時(shí)，流域處于是豐水期，最大農(nóng)業(yè)水量按照豐、平水期最大農(nóng)業(yè)水量計(jì)算方法計(jì)算。通過計(jì)算，2020年塔里木河流域“四源一干”除開-孔河流域規(guī)劃灌溉面積超出最大灌溉面積14.6%外，其它流域均不超載(表4)。

3.3.2 50%來水頻率 當(dāng)來水頻率為50%時(shí)，流域處于平水期，最大灌溉面積的計(jì)算與豐水期一致。通過計(jì)算，2020年塔里木河流域“四源一干”除和田河流域不超載外，其他流域均超載，超載主要發(fā)生在開-孔河和塔里木河干流，分別超出其最大灌溉面積的31.6%和34.1%(表5)。

3.3.3 75%來水頻率 當(dāng)來水頻率為75%時(shí)，屬于枯水年份，在計(jì)算2020年塔里木河“四源一干”能承載的最大灌溉面積時(shí)，由于和田河與阿克蘇河流域這兩個(gè)流域的水資源量在滿足生活、牲畜、工業(yè)用水、給干流下泄，以及生態(tài)需水量后，留給農(nóng)業(yè)灌溉的水量大于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積所需水量，此時(shí)這兩個(gè)流域最大農(nóng)業(yè)水量的計(jì)算同豐、平水期的計(jì)算方法一樣，得出和田河與阿克蘇河流域最大農(nóng)業(yè)用水分別為18.6億、42.7億m3。在計(jì)算開-孔河、葉爾羌河與塔里木河干流最大灌溉水量時(shí)，由于這3個(gè)流域水資源總量減去生活、工業(yè)、牲畜用水、給干流下泄水量，以及生態(tài)需水量后，留給農(nóng)業(yè)灌溉的水量小于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水，依據(jù)枯水期調(diào)水原則，這三個(gè)流域75%來水頻率下的最大農(nóng)業(yè)水量為《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水量的90%，得出開-孔河、葉爾羌河與干流的最大灌溉水量分別為14.64億、35.03億、8.47億m3(表6)。

表4 塔里木河“四源一干”2020年25%來水頻率時(shí)最大灌溉面積及規(guī)劃灌溉面積超載情況Table 4 The maximum irrigation area and planning irrigation area overload situations of four source streams and the mainstream of Tarim river basin in 25% runoff frequency in 2020

表5 塔里木河“四源一干”2020年50%來水頻率時(shí)最大灌溉面積及規(guī)劃灌溉面積超載情況Table 5 The maximum irrigation area and planning irrigation area overload situations of four source streams and the mainstream of Tarim river basin in 50% runoff frequency in 2020

在75%來水頻率下，2020年塔里木河“四源一干”規(guī)劃灌溉面積與最大灌溉面積相比均超載，超載主要發(fā)生在塔里木河干流、葉爾羌河和開-孔河，分別超出其最大灌溉面積的54.8%、36.4%和34.2%。

表6 2020年75%來水頻率時(shí)塔里木河“四源一干”最大灌溉面積、規(guī)劃灌溉面積超載及生態(tài)水保證情況Table 6 The maximum irrigation area, planning irrigation area overload situations and ecological water guarantee situations of four source streams and the mainstream of Tarim river basin in 75% runoff frequency in 2020

在75%來水頻率下，生態(tài)可能受影響，因?yàn)楦爻d引起生態(tài)水?dāng)D占現(xiàn)象，造成生態(tài)水虧缺。和田河流域超載面積最少，能保證生態(tài)水的92.9%，葉爾羌河流域超載面積最多，僅能保證生態(tài)水的46.5%。經(jīng)合計(jì)，2020年在75%來水頻率下塔里木河流域“四源一干”26.78億m3的生態(tài)水將被擠占。

3.3.4 90%來水頻率 當(dāng)來水頻率為90%時(shí)，屬于枯水年份，在計(jì)算2020年塔里木河“四源一干”能承載的最大灌溉面積時(shí)，由于和田河與阿克蘇河流域的水資源量在滿足生活、工業(yè)、牲畜用水、給干流下泄水量，以及生態(tài)需水量后，留給農(nóng)業(yè)灌溉的水量大于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水(表12)，在計(jì)算這兩個(gè)流域90%來水頻率下最大農(nóng)業(yè)水量時(shí)，同豐、平水期的計(jì)算方法一樣，得出和田河與阿克蘇河流域最大農(nóng)業(yè)用水分別為17.4億m3、35.77億m3。在計(jì)算開-孔河、葉爾羌河與干流最大灌溉水量時(shí)，由于這3個(gè)流域水資源總量在扣除生活、牲畜、工業(yè)用水、給干流下泄水量，以及生態(tài)需水量后，留給農(nóng)業(yè)灌溉的水量小于《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水量，據(jù)枯水期調(diào)水原則，這3個(gè)流域90%來水頻率下的最大灌溉水量為《五年實(shí)施方案》規(guī)劃面積用水量的75%，得出開-孔河、葉爾羌河與干流的最大灌溉水量分別為12.2 億m3,29.19億m3,7.06億m3(表7)。

在90%來水頻率下，2020年塔里木河流域“四源一干”灌溉面積與規(guī)劃面積相比均超載，干流超載最為嚴(yán)重，超載比例為85.8%，開-孔河和葉爾羌河超載較為嚴(yán)重，超載百分比分別為61.0%和63.7%。

表7 塔里木河“四源一干”2020年90%來水頻率時(shí)最大灌溉面積、規(guī)劃灌溉面積超載及生態(tài)水保證情況Table 7 The maximum irrigation area, planning irrigation area overload situations and ecological water guarantee situations of four source streams and the mainstream of Tarim river basin in 90% runoff frequency in 2020

在90%來水頻率下，和田河流域超載面積最少，能保證生態(tài)水的85.9%，葉爾羌河流域超載面積多，僅能保證生態(tài)水的22.1%。經(jīng)合計(jì)，2020年在90%來水頻率下塔里木河流域“四源一干”44.59億m3的生態(tài)水將被擠占。

綜上所述，在規(guī)劃年，當(dāng)來水頻率為25%時(shí)，塔里木河流域“四源一干”中除開-孔河流域規(guī)劃面積超出了最大灌溉面積的15.0%外，其它均不超載，在50%、75%和90%來水頻率下，規(guī)劃灌溉面積分別超載13.49萬 hm2，28.05萬 hm2和46.98萬 hm2。這表明豐水期流域水量基本可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉，規(guī)劃灌溉面積在合理范圍之內(nèi)，但是相等規(guī)劃灌溉面積在枯(特枯)水期會(huì)出現(xiàn)超載現(xiàn)象，所以規(guī)劃灌溉面積的制定還要參照其他來水頻率下流域所能承載的最大灌溉面積；規(guī)劃灌溉面積的嚴(yán)重超載勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致流域內(nèi)耕地的大規(guī)模、快速擴(kuò)張，使得大面積的天然植被被毀壞，不利于流域水土資源合理配置，管理部分應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段規(guī)劃灌溉面積制定中存在的問題，在遵守自然規(guī)律的基礎(chǔ)上提出更加科學(xué)、準(zhǔn)確的流域規(guī)劃方案，進(jìn)而指導(dǎo)流域良性發(fā)展[29]。在75%和90%來水頻率下，即枯水期，流域生態(tài)水保證率過低，表明在規(guī)劃年枯水期生態(tài)水的供應(yīng)有一定壓力，而持續(xù)枯水期引發(fā)輸往下游水量減少，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致下游天然植被得不到灌溉而死亡[30]，所以要在規(guī)劃灌溉面積的制定過程中參照枯(特枯)水期流域所能承載的最大灌溉面積，同時(shí)對(duì)現(xiàn)階段枯(特枯)水期生態(tài)水供應(yīng)就已經(jīng)困難的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)行退地，以遏制流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。

4 結(jié) 論

通過以上分析與研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)近20 a(1990-2010年)塔里木河“四源一干”耕地面積呈顯著增加的趨勢(shì)：耕地面積增加最快的流域是葉爾羌河流域，以平均每年0.96萬 hm2的速度增加，開-孔河和阿克蘇河流域增加速度分別為每年0.93萬hm2和0.50萬hm2。

2)現(xiàn)狀水平年塔里木河“四源一干”能承載的最大灌溉面積為129.06萬 hm2，除了和田河流域灌溉面積不超載外，其它流域均超載，總計(jì)超載面積為43.33萬 hm2，其中葉爾羌河、阿克蘇河、開-孔河、干流河流域分別超載8.77、14.04、16.59、3.93萬 hm2，超載比例分別為21.1%、35.0%、85.3%、64.6%。

3)規(guī)劃年在25%來水頻率下，塔里木河流域“四源一干”能承載的最大的灌溉面積是167.80萬 hm2，除了開-孔河流域規(guī)劃面積超出了最大灌溉面積的15.0%外，其它均不超載。在50%來水頻率下，可承載的最大灌溉面積為144.78萬 hm2，開-孔河、干流、葉爾羌河流域規(guī)劃灌溉面積分別超出其最大灌溉面積的31.6%、34.1%、10.7%；在75%來水頻率下，可承載的最大灌溉面積為126.94萬 hm2，開-孔河、干流、葉爾羌河流域規(guī)劃灌溉面積分別超出最大灌溉面積的34.2%、54.8%、36.4%，阿克蘇河與和田河流域超載比例較小，分別超出最大灌溉面積的7.4%、6.5%；在90%來水頻率下，可承載的最大灌溉面積為108.01萬 hm2，開-孔河、干流、葉爾羌河、阿克蘇河、和田河流域灌溉面積分別超出最大灌溉面積61.0%、85.8%、63.7%、28.2%、13.8%。

4)隨來水量的減少，生態(tài)水被擠占現(xiàn)象更加嚴(yán)重，在25%、50%、75%、90%四種來水頻率下，2020年生態(tài)水分別可保證95.7%、81.2%、61.4%、44.2%。

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The maximum irrigation area and overload situations of the mainstream of Tarim river basin

GUOHongwei1,2,XUHailiang1,ZHAOXinfeng1,LINGHongbo1

(1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Science, Urumqi 831400,China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The changes of cultivated land area in the Tarim River Basin in recent years were analyzed with Mann-kendall monotonic trend test and future trend change Hurst index based on water resources quantity and water resources utilization level data in Tarim River Basin and combined with theMeasuresofTarimRiverBasinProjectandNon-projectImplementationPlanforFiveYear. The following factors were calculated for four source streams and mainstream of the Tarim River Basin: maximum irrigation area in 2010 and 2020, irrigation area overload situations in 2010, planning irrigation area overload situations and ecological water guarantee situations at different runoff frequencies in 2020. The results showed that: ① The cultivated land area increased significantly during 1990-2010, and it will keep increasing in the following years. ② The maximum irrigation area of the Tarim River basin in 2010 is 129.06×104hm2. All basins except for the Hotan River Basin are overloaded, and total overload area is 43.33×104hm2.③ In 2020, all basins except for Kai-Kong River Basin are not overloaded at 25% runoff frequency, but equal planning irrigation area will be overloaded in dry season. The formulation of planning irrigation area should refer to the maximum irrigation area that the basin can carry in dry season; planning irrigation area of the basin is seriously overloaded at 50%, 75% and 90% runoff frequency, respectively, so management department should recognize the problems in planning irrigation area and put forward more scientific planning schemes. ④ Guarantee rates of ecological water in the basin at water frequencies of 25%, 50%, 75% and 90% are 95.7%,81.2%,61.4%,44.2%, respectively, suggesting that in the planning year there is a certain pressure on the ecological water supply during the dry season. This study provides a basis for the containment of the ecological and environmental deterioration of the Tarim River Basin, and it is also significant for the determination of artificial oasis scale of the basin according to the water resources quantity, optimization of water resource utilization planning and water distribution.

Tarim River Basin; maximum irrigation area; overloading problem; different runoff frequencies

2016-03-31 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(31400466,30970549,41471099)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金(201501060)

郭宏偉(1991年生),男;研究方向：恢復(fù)生態(tài)學(xué)；E-mail:ghwxzsy@163.com

趙新風(fēng)(1981年生),女;研究方向：恢復(fù)生態(tài)學(xué)；E-mail:zxinfeng668@sina.com

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.02.021

S274

A

0529-6579(2017)02-0140-11