基于二元理論的塔河干流水資源耗散研究

謝 蕾，王 杰，張 沛，李 江，龍愛華，，海 洋

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000；2.石河子大學(xué) 水利與土木建筑學(xué)院， 新疆 石河子 832000；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038)

內(nèi)陸河指由內(nèi)陸山區(qū)降雨或高山融雪產(chǎn)生的、不能流入海洋、只能流入內(nèi)陸湖泊或在內(nèi)陸消失的河流[1]。這類河流大多處于半干旱和干旱地區(qū)，最終消失沙漠里或匯集于洼地形成尾閭湖，年平均流量一般較小，但因暴雨、融雪引發(fā)的洪峰卻很大[2]。內(nèi)流河與內(nèi)陸河相似，也是單獨(dú)流入盆地，水量少，多數(shù)為季節(jié)性的間歇河，礦化度由上游向下游增加[3]，最終消失在內(nèi)陸。塔里木河流域?qū)儆诘湫偷母珊祬^(qū)內(nèi)陸河流域。

塔里木河是上千萬(wàn)祖祖輩輩生活在南疆各族人民的“生命之河”。20世紀(jì)60、70年代，人類活動(dòng)日益加劇，隨著塔里木河源流區(qū)與干流中上游傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的大發(fā)展，耕地面積急劇擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)引水量逐漸增加，加之河道本身蒸發(fā)和滲漏損失巨大，流域水資源供需矛盾突出，特別是枯水年，干流下游出現(xiàn)了長(zhǎng)期斷流的現(xiàn)象[4]。2000年之后實(shí)施的塔里木河流域近期綜合治理工程挽救了生態(tài)極度脆弱的塔里木河下游地區(qū)[5-6]。

在以上人類活動(dòng)對(duì)流域水文過程產(chǎn)生負(fù)面和正面影響的情況下，水文系統(tǒng)和人類系統(tǒng)已演變?yōu)橐粋€(gè)耦合系統(tǒng)，水資源循環(huán)已由單一的自然水循環(huán)結(jié)構(gòu)演化成為“自然-人工”二元水循環(huán)結(jié)構(gòu)。有必要結(jié)合“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)理論，將人類活動(dòng)視為系統(tǒng)的內(nèi)生變量，從自然、社會(huì)兩個(gè)系統(tǒng)來分析流域水資源的耗散規(guī)律，為協(xié)調(diào)人類用水和生態(tài)用水關(guān)系[7]，合理開發(fā)利用水資源以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

本文基于塔里木河干流區(qū)2000年—2016年水利工程的引、退水情況，結(jié)合重要水文站節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從自然和社會(huì)角度分析核算不同來水頻率、不同河段、年際與年內(nèi)的水資源耗散情況，為塔里木河干流的綜合治理與水資源配置工作提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 河流水系

塔里木河干流起始于阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河三源流交匯處的肖夾克，歸宿于臺(tái)特瑪湖，全長(zhǎng)1 321 km(其中阿拉爾到臺(tái)特瑪湖1 273 km)，海拔高程760 m～1 020 m，流域面積1.76 萬(wàn)km2。是著名的游蕩性河流，河床寬淺、水流散亂，河床沙洲密布，泥沙沿程大量淤積，導(dǎo)致河床不斷抬高，河流來回改道遷移，擺幅達(dá)80 km～130 km。河流穿越阿克蘇地區(qū)的2縣1市，巴音郭楞蒙古自治州的3縣1市及生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師、農(nóng)二師所屬的15個(gè)團(tuán)場(chǎng)?？兹负油ㄟ^揚(yáng)水站從博斯騰湖抽水經(jīng)庫(kù)塔干渠向塔里木河下游灌區(qū)輸水，形成“四源一干”的水系格局，塔里木河干流流域河流水系及水文站網(wǎng)分布情況詳見圖1。塔里木河干流阿拉爾站多年平均年徑流量45.6 億m3，最大年徑流量為2010年的71.9 億m3，最小年徑流量為2009年的13.83 億m3，相差5.2倍，年際變化較大。

圖1塔里木河流域河流水系及水文站網(wǎng)分布示意圖

1.2 水利工程現(xiàn)狀

分布在塔里木河干流的水庫(kù)以平原水庫(kù)為主，目前已建8座，分別為其滿水庫(kù)(總庫(kù)容0.42 億m3，下同)、大寨水庫(kù)(0.196 億m3)、結(jié)然力克水庫(kù)(0.68 m3)、帕滿水庫(kù)(0.4 億m3)、喀爾曲尕水庫(kù)(0.19 m3)、塔里木水庫(kù)(0.247 m3)、大西海子水庫(kù)(0.987 m3)、恰拉水庫(kù)(1.61 億m3)，合計(jì)總庫(kù)容4.74 億m3。塔里木河干流沿岸建有輸水堤649.5 km，分水樞紐4座(含烏斯?jié)M和東河灘樞紐)，閘(堰)等引水工程74個(gè)，其中大西海子以上66個(gè)，基本為有閘控制。

塔里木河干流灌區(qū)主要分布在阿拉爾到大西海子水庫(kù)河段之間的河道兩岸，涉及阿克蘇地區(qū)沙雅縣、庫(kù)車縣，巴州輪臺(tái)縣、庫(kù)爾勒市、尉犁縣，第一師阿拉爾市和第二師塔里木墾區(qū)，灌區(qū)沿塔里木河呈狹長(zhǎng)帶狀不連續(xù)分布。灌區(qū)分為三種類型：一是從水庫(kù)引水的灌區(qū)，稱為庫(kù)灌區(qū)；二是通過引水閘口從塔里木河直接引水的灌區(qū)，稱為河灌區(qū)；三是從河道內(nèi)揚(yáng)水灌溉的稱為泵灌區(qū)。

1.3 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

表1 塔里木河干流2016年分行業(yè)、分區(qū)域用水量表 單位：億m3

2 研究方法

2.1 計(jì)算方法與模型

塔里木河干流河道的水量耗散遵循物質(zhì)平衡公式，即為社會(huì)-自然二元屬性下通量耦合，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水在塔里木河流域占用比例逐漸增加，改變了自然河道內(nèi)耗散水量規(guī)律，因此非常必要區(qū)分河道外社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量與自然河道內(nèi)耗散水量。

(1) 綜合河道耗散水量Wz。表示該河段內(nèi)自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量總值，即用上斷面的來水減去下斷面的泄水，詳見式(1)。

Wz=Wu-Wd

(1)

式中：Wz為綜合河道耗散水量；Wu為上斷面來水；Wd為下斷面泄水量。

(2) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)河道耗散水量Weco。表示河段內(nèi)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散的水量，即農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境用水與各類用水的耗水率的乘積，詳見式(2)。

(2)

式中：Weco為社會(huì)經(jīng)濟(jì)河道外耗散水量；Wi為i行業(yè)用水量，i從1到4分別表示農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境等；ρi為i行業(yè)耗水率。

(3) 自然河道內(nèi)耗散水量Wnat。表示除去社會(huì)經(jīng)濟(jì)河道外耗散水量以外，屬于河道蒸發(fā)、滲漏、漫溢以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水的無效蒸發(fā)損耗水量，詳見式(3)。

Wnat=Wz-Weco

(3)

2.2 計(jì)算分區(qū)

塔里木河干流河共劃分為6個(gè)河段，分別為阿拉爾—新其滿、新其滿—英巴扎、英巴扎—烏斯?jié)M、烏斯?jié)M—恰拉、恰拉—大西海子與大西海子—臺(tái)特瑪湖，全段共1 273 km[8]，每段河長(zhǎng)分別為189 km、258 km、179 km、219 km、108 km和320 km，各河段所屬管理站情況見表2。

表2 塔里木河干流各河段劃分情況表

2.3 資料來源及處理

塔里木河干流水文斷面阿拉爾、新其滿、英巴扎、烏斯?jié)M和恰拉等水文站數(shù)據(jù)為水文局提供的整編實(shí)測(cè)資料，1957年—2016年塔里木河干流來水及恰拉下泄年徑流量詳見圖2。泵灌區(qū)引水量無實(shí)測(cè)資料，以600 m3/667m2灌溉定額，按面積核算其年引水量，泵灌區(qū)年引水過程按河灌區(qū)的月際間引水比例分配到各個(gè)月份。

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圖2 1957年—2016年塔里木河干流來水及恰拉下泄年徑流量

3 水資源耗散分析

3.1 干流多年來水情況分析

基于1957年—2016年阿拉爾和恰拉水文站的多年徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)的方法進(jìn)行分析可知，1957年—2016年阿拉爾水文站的來水情況呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)并不顯著(z=-0.89，P=0.19)，這與上游的阿克蘇河、葉爾羌河和和田河自1957年以來天然徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)[9]不盡相同，而這一定程度上映證了塔里木河源流區(qū)種植農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)社會(huì)引水量的增加[10]。阿拉爾斷面突變年份發(fā)生在1969年，且1972年之后UF統(tǒng)計(jì)值均小于0，但未超出1.96的顯著水平，而1993年之后UF統(tǒng)計(jì)值出現(xiàn)了拐點(diǎn)，呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這說明干流來水量有增加的趨勢(shì)，這是由于塔里木河源流區(qū)的天然徑流量的增加造成的。

恰拉來水量呈顯著減少的趨勢(shì)(z=-2.86，P=0.002)，恰拉斷面的來水量的UF統(tǒng)計(jì)值在1965年之后小于0，且在1972之后超出了1.96的顯著性，說明來水量下降的趨勢(shì)顯著，而在2000年之后表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)，見圖3。2000年開始恰拉水文站的流量呈現(xiàn)出波動(dòng)式上升的趨勢(shì)，主要原因之一是由于進(jìn)行了塔河流域生態(tài)綜合治理，不定期的向下生態(tài)輸水為下游生態(tài)提供水資源保障，原因之二是流域整體來水偏豐。

圖3對(duì)阿拉爾斷面與恰拉斷面來水量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

不同來水頻率下、不同相鄰斷面之間的過水量之間的相關(guān)性存在顯著差異，其中豐水年各個(gè)相鄰斷面之間水量的相關(guān)性較強(qiáng)，而枯水年社會(huì)經(jīng)濟(jì)引水量較大、河長(zhǎng)較長(zhǎng)、河道損耗量的占比較大，導(dǎo)致了相鄰斷面之間的線性相關(guān)關(guān)系不強(qiáng)。同一來水頻率下不同河段之間的斷面過水量的相關(guān)性也存在明顯差異，上游河段相鄰斷面的過水量之間的線性相關(guān)性更強(qiáng)，中下游河段的線性相關(guān)性較弱，見圖4和圖5。

3.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量資料及增量分析

2000年—2016年塔里木河干流社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其多年平均社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量為20.18 億m3，綜合耗水率為69.6%，凈耗水量為14.05 億m3。2016年社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水為22.06 億m3，比2000年的15.77 億m3增加了6.29 億m3，年均增長(zhǎng)率為2.0%，用水變化過程及趨勢(shì)見圖6。按行業(yè)分析，農(nóng)業(yè)用水量增量Δ為5.92 億m3，占總增量的絕對(duì)多數(shù)比例高達(dá)94%，其余工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境等增量Δ小計(jì)0.37 億m3，不到總增量的6%。在農(nóng)業(yè)用水增量中，耕地灌溉用水增加量最大，為4.35 億m3，其次為果園灌溉用水，為1.24 億m3，這兩項(xiàng)占總增量之比為89%，特別是沙雅和尉犁縣農(nóng)業(yè)用水增長(zhǎng)最多。從地方與兵團(tuán)方面分析，兵團(tuán)第二師用水增量占總用水增量的近四分之一。2016年與2000年各行業(yè)和區(qū)域用水增量對(duì)比分析見表3。

圖4 10%來水頻率下各斷面之間過水量之間的相關(guān)關(guān)系

圖5 90%來水頻率下各斷面之間的相關(guān)關(guān)系

圖6塔里木河干流社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水變化過程圖

3.3 各河段多年平均年河道耗散水量分析

阿拉爾-臺(tái)特瑪湖河段長(zhǎng)1 273 km，根據(jù)2000年—2016年引水與退水?dāng)?shù)據(jù)以及各行業(yè)的耗水情況分析，17年間河道平均來水量為45.96 億m3，基本在流域內(nèi)耗散殆盡[11]，其中河段1—河段5的中上游區(qū)間綜合河道耗散水量為42.81 億m3，大西海子下泄生態(tài)水量為3.15 億m3。在河段1—河段5耗水量中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量為14.05 億m3，自然河道內(nèi)耗散水量為28.75 億m3，耗散率為67.2%，自然河道內(nèi)耗散水量偏大，每千米河道內(nèi)水量耗水率為0.0302 億m3/km。多年平均不同河段的耗水量見表3。

表3 塔里木河干流各河段2000年—2016年多年平均水資源耗散情況統(tǒng)計(jì)分析表 單位：億m3

從不同河段角度分析，社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量最大的河段是第3河段(即英巴扎—烏斯?jié)M河段)，為5.54億m3，其次為第1河段(阿拉爾—新其滿河段)3.86億m3，河段6是塔里木河下游，無社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水的活動(dòng)，因此并無水資源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散；自然河道內(nèi)耗散總量最大的是第2河段(新其滿—烏斯?jié)M河段)，為7.42億m3，單位長(zhǎng)度河道內(nèi)耗散水量最大的為河段3，為381萬(wàn)m3/km，上游河段1和河段2的平均單位河長(zhǎng)河道內(nèi)耗水量306萬(wàn)m3/km居中，而中游河段4和河段5的最低為253萬(wàn)m3/km。塔里木河干流下游段大西海子以下至阿拉干段存在著雙河道的現(xiàn)象，并且自庫(kù)爾干斷面以下已經(jīng)無明顯河道。因此，下游大西海子泄洪閘的下泄水量全部用于河道和湖泊耗散。

3.4 年內(nèi)河道耗散分配規(guī)律分析

根據(jù)塔里木河干流各河段(2000年—2016年)多年平均河道耗散水量年內(nèi)分配月過程分析，阿拉爾—大西海子來水從5月份至8月份徑流量逐漸增加，8月份最大值為18.14億m3，12最小值最少為0.58億m3。10月至次年5月共8個(gè)月的來水量?jī)H占全年的19%，綜合耗散水量為6.17億m3占年耗水量的15%。而洪水期6月—9月來水量37.43億m3占全年的81%，也是耗水主要產(chǎn)生的時(shí)段，綜合耗散量為34.23億m3，占總耗水的85%。自然河道內(nèi)耗散水量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量，均與來水呈現(xiàn)正比關(guān)系，年內(nèi)最大值也均出現(xiàn)在8月，該月社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量和自然河道內(nèi)耗散水量分別為5.31億m3、11.8億m3，見圖7。多年平均年內(nèi)不同時(shí)段耗水情況見表4。

圖7 2000年—2016全河段多年平均年內(nèi)水量分配過程分析

表4 2000年—2016年塔里木河干流全河段多年平均年內(nèi)耗散水量分析

3.5 合理性分析

根據(jù)前人研究成果，塔里木河干流的水資源耗散情況與來水量存在著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[9]，遇豐水年情況來水量與河道損耗及社會(huì)經(jīng)濟(jì)引水量之間的相關(guān)關(guān)系較平、枯水年略大。原因是豐水年的自然耗散與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散量雖然有所增加，但是由于耗散量增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于來水量增加的幅度。塔里木河干流新其滿—英巴扎、烏斯?jié)M—恰拉河段的自然河道損耗所占比例較大的這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果相一致[12-14]，也從側(cè)面上證明了本研究的正確性。

根據(jù)阿拉爾斷面的來水量與恰拉樞紐合成斷面的來水量關(guān)系可知，如果要維持整個(gè)干流不斷流，到恰拉合成斷面有水通過，則阿拉爾斷面的來水量不能少于40.24 億m3，2000年—2016年阿拉爾與恰拉斷面過水量之間的相關(guān)關(guān)系詳見圖8。為了能滿足向大西海子下游輸送3.5 億m3生態(tài)用水的要求，加上恰拉—大西海子河段的損耗，阿拉爾的來水量不得少于46.56 億m3。這一結(jié)果與宋郁東等在滿足干流上中游需水中方案的下泄水量46.2 億m3的研究成果十分相近[8，15，]，從而也證實(shí)了二者研究的正確性。

圖8 2000年—2016年阿拉爾與恰拉斷面過水量之間的相關(guān)關(guān)系圖

4 結(jié) 論

(1) 1960年—1992年塔里木河干流阿拉爾水文站的來水量呈現(xiàn)不顯著地減少趨勢(shì)，但在1993年之后來水量有增加的趨勢(shì)；恰拉水文站來水量呈顯著下降的趨勢(shì)，在2000年之后由于來水偏豐及流域的綜合治理工程等實(shí)施，使得恰拉斷面來水量有所增加。

(2) 塔里木河干流2016年比2000的用水總量增加了6.29 億m3，其中主要增加的行業(yè)為農(nóng)業(yè)，增加量為5.92 億m3，占94%。自然河道內(nèi)耗散水量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量與來水呈現(xiàn)正比例關(guān)系，8月份社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量、自然河道內(nèi)耗散水量均為全年最大值，分別為5.31 億m3和11.8 億m3。自然河道水量耗散率67.2%，河道內(nèi)耗水量占比較高。

(3) 多年平均耗水量持續(xù)增長(zhǎng)，綜合河道耗散水量為42.81 億m3，其中社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散水量為14.05 億m3，單位河長(zhǎng)耗水量為0.0251 億m3/km，特別是位于節(jié)水灌溉面積增長(zhǎng)較快的沙雅和尉犁縣(河段3)，其單位河長(zhǎng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗散量最大為309 萬(wàn)m3/km，比河段1—河段5的平均值147 萬(wàn)m3/km超出110%。

(4) 2000年—2016年南疆共發(fā)展高效節(jié)水面積99.533×104hm2，占灌溉面積的38.6%，但受水價(jià)偏低、林糧間種、管理方式等因素影響，高效節(jié)水工程的利用率較低，推廣難度大，個(gè)別地州的高效節(jié)水面積利用率尚不足30%，事實(shí)上未發(fā)揮高效節(jié)水的作用。建議通過采取執(zhí)行分類水價(jià)和階梯水價(jià)[16]、建立水權(quán)交易長(zhǎng)效機(jī)制、加快末級(jí)渠系配套工程建設(shè)、優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)[17-18]等措施，改變高效節(jié)水灌溉面積重建輕管的現(xiàn)狀，充分利用好高效節(jié)水灌溉方式，提高水資源利用的效率和效益，為塔里木河的水資源的合理配置提供科學(xué)依據(jù)，為南疆社會(huì)穩(wěn)定和人民的脫貧攻堅(jiān)提供堅(jiān)強(qiáng)的水資源保障。