魏光輝，張洛晨，姜振盈

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

流域水資源合理配置是指在特定的區(qū)域或流域范圍內(nèi)，遵循公平、高效和可持續(xù)利用的原則[1-3]，以水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，通過(guò)各種工程與非工程措施，考慮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律和資源配置準(zhǔn)則，通過(guò)合理抑制需求、有效增加供水、積極保護(hù)生態(tài)環(huán)境等手段和措施[4-5]，對(duì)多種可利用水資源在區(qū)域間和各用水部門間進(jìn)行的合理調(diào)配，實(shí)現(xiàn)有限水資源的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境綜合效益最大，以及水質(zhì)和水量的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)配[6-11].

近幾十年來(lái)，塔里木河流域自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)生了顯著的變化，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，并引發(fā)生物多樣性受損、土地退化、鹽漬化擴(kuò)張、現(xiàn)代荒漠化、沙漠化進(jìn)程加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，直接威脅流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和人類的生存安全.塔里木河流域問(wèn)題的關(guān)鍵在于，流域水資源的不合理配置、水資源開(kāi)發(fā)利用的低效、初始水權(quán)制度的薄弱、水利設(shè)施不配套，用水不科學(xué)、以及水資源統(tǒng)一監(jiān)管的不足.因此，研究該區(qū)域的水資源可持續(xù)利用與合理配置具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義.

該文針對(duì)塔里木河干流水資源開(kāi)發(fā)利用中的關(guān)鍵問(wèn)題，統(tǒng)籌兼顧天然植被生態(tài)用水與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水，并重點(diǎn)探討生態(tài)用水的合理配置模式.研究成果對(duì)流域水資源開(kāi)發(fā)、利用與管理，以及改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.塔里木河流域水系(見(jiàn)圖1).

圖1 塔里木河流域水系

1 研究方法

對(duì)流域而言，水資源利用既存在上下游關(guān)系，同時(shí)在每一個(gè)利用單元上又存在復(fù)雜的“二元”水循環(huán)關(guān)系.但無(wú)論在流域上，還是在利用單元上，均遵守水量平衡基本原理為[12-13]：

Woutflow=Winflow+Wrunoff-Wstore-Wuse

(1)

式中：Woutflow—單元的出流；

Winflow—單元的入流；

Wrunoff—單元的區(qū)間天然徑流量；

Wstore—單元河道和水庫(kù)的蓄變量增值；

Wuse—單元的地表水耗水量.

對(duì)于各河段，則有水量平衡方程為：

W=WE+WH+WN-WC

(2)

式中：W—河段的區(qū)間耗水總量；

WE—河段天然植被生態(tài)需水量；

WH—河段的河道損失量；

WN—河段農(nóng)業(yè)引水總量；

WC—河段重復(fù)水量，即為滲漏水量與漫溢的下滲水量之和.

2 不同需水情景下的河段水量配置方案

2.1 不同植被類型的生態(tài)需水量

為實(shí)現(xiàn)塔里木河干流水資源的優(yōu)化配置，首先對(duì)干流河段的需水量進(jìn)行分析.同時(shí)，考慮到干流不同的來(lái)水頻率，將河段需水分為四種情景進(jìn)行研究，即：情景1，滿足全河段需水；情景2，滿足高覆蓋植被生態(tài)需水、河損和農(nóng)業(yè)引水；情景3，滿足高覆蓋植被生態(tài)需水、河損及90%農(nóng)業(yè)引水；情景4，部分滿足天然植被生態(tài)需水、河損與90%農(nóng)業(yè)引水.基于此，計(jì)算得到了干流上中游河段不同植被類型下的生態(tài)需水量(見(jiàn)表1).

表1 干流上中游不同植被類型下的生態(tài)需水量 單位：×108m3

表1中，塔里木河干流上中游天然植被中高覆蓋草地生態(tài)需水量占總需水量的65.7%，其次是有林地占26.3%，低覆蓋草地的生態(tài)需水量最少，僅為2.9%.

2.2 不同情景下的河段水量配置

(1)情景1

首先，確定四個(gè)河段農(nóng)業(yè)引水和天然植被生態(tài)需水量(見(jiàn)表2).

表2 干流上中游各河段總需水量計(jì)算 單位:×108m3

表2中，干流上中游的總需水量為40.29×108m3，其中新其滿-英巴扎河段需水量最大，占總需水量的39.6%，其后依次為阿拉爾-新其滿、英巴扎-烏斯?jié)M、烏斯?jié)M-恰拉，分別占總需水量的25.4%、22.4%和12.6%；結(jié)合阿拉爾-恰拉河段2005—2013年的區(qū)間耗水資料，該時(shí)段耗水量的平均值為39.6×108m3，從而表明該計(jì)算方式具有較好的科學(xué)性和可行性，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠.恰拉以下所需生態(tài)水總量為4.96×108m3，河灌區(qū)及泵灌區(qū)農(nóng)業(yè)引水總量為2.23×108m3，總需水量為7.19×108m3，因此可計(jì)算得到各控制斷面的下泄水量，即阿拉爾、新其滿、英巴扎、烏斯?jié)M、恰拉五個(gè)水文控制斷面的過(guò)水量應(yīng)分別為47.48×108m3、37.27×108m3、21.31×108m3、12.28×108m3和7.19×108m3.

(2)情景2

提取塔里木河干流上中游高覆蓋植被區(qū)的生態(tài)需水量，結(jié)合該河段農(nóng)業(yè)引水?dāng)?shù)據(jù)，得到其不同河段的總需水量(見(jiàn)表3).

表3 干流上中游各河段總需水量 單位：×108 m3

在表3中，干流上中游的總需水量為38.13×108m3，其中新其滿-英巴扎河段需水量最大，占總需水量的40.8%，其后依次為阿拉爾-新其滿、英巴扎-烏斯?jié)M、烏斯?jié)M-恰拉，分別占總需水量的24.8%、22.5%和11.9%.結(jié)合下游的最低總需水量為6.76×108m3，因此可計(jì)算得到滿足塔里木河干流需水下各控制斷面的下泄水量，即阿拉爾、新其滿、英巴扎、烏斯?jié)M、恰拉五個(gè)水文控制斷面的過(guò)水量分別應(yīng)為44.89×108m3、35.43×108m3、19.87×108m3、11.30×108m3和6.76×108m3.

(3)情景3

根據(jù)塔里木河干流不同植被生態(tài)需水量及農(nóng)業(yè)引水量，計(jì)算得到各河段高覆蓋植被生態(tài)需水及90%農(nóng)業(yè)引水下的總需水量(見(jiàn)表4).

表4 干流上中游各河段總需水量計(jì)算 單位：×108m3

在表4中，干流阿拉爾至烏斯?jié)M在10～12月份需滿足1.39×108m3的需水量，而烏斯?jié)M至恰拉則無(wú)需供水，僅依靠回流水量即可滿足河道水量消耗.總體上，干流上中游的需水總量為36.69×108m3，其中阿拉爾至恰拉分別占其25.1%、40.6%、22.2%和12.1%.考慮下游的天然植被主要依靠河道滲漏補(bǔ)給為主為，因此恰拉以下設(shè)定滿足河道滲漏(3.38×108m3)及90%保證率下的農(nóng)業(yè)用水(2.01×108m3)，此時(shí)下游的需水總量為5.39×108m3；據(jù)此，計(jì)算得到塔里木河干流各水文斷面的下泄水量，即情景3下阿拉爾、新其滿、英巴扎、烏斯?jié)M、恰拉五個(gè)水文控制斷面的過(guò)水量分別應(yīng)為42.08×108m3、32.85×108m3、17.95×108m3、9.82×108m3和5.39×108m3.

(4)情景4

對(duì)情景4下天然植被的生態(tài)需水設(shè)定為：充分滿足7、8、9月高覆蓋植被的生態(tài)需水要求，1～6月和10～12月滿足其生態(tài)需水量的50%(見(jiàn)表5).

表5 干流上中游各河段總需水量計(jì)算 單位：×108 m3

在表5中，塔里木河上中游的總需水量為27.56×108m3，其中阿拉爾至烏斯?jié)M分別占25.7%、39.1%、23.9%和11.3%，前后五個(gè)時(shí)段分別占總需水量的28.8%、21.4%、24.1%、13.9%和11.8%.情景4下以滿足下游大西海子以下生態(tài)需水(2.67×108m3)及90%保證率農(nóng)業(yè)用水(2.01×108m3)為首要目標(biāo)，而農(nóng)業(yè)引水考慮利用開(kāi)都-孔雀河調(diào)水予以補(bǔ)給，則該情景下阿拉爾、新其滿、英巴扎、烏斯?jié)M、恰拉五個(gè)水文控制斷面的過(guò)水量分別應(yīng)為32.24×108m3、25.15×108m3、14.38×108m3、7.78×108m3和4.68×108m3.

特別地，當(dāng)阿拉爾站來(lái)水小于32.24×108m3時(shí)，則至少首先滿足75%保證率下的農(nóng)業(yè)用水10.54×108m3.由于干流河道內(nèi)最小生態(tài)需水量為20.53×108m3，因此若阿拉爾站來(lái)水量低于32.24×108m3時(shí)，則不再預(yù)留生態(tài)水，生態(tài)用水僅依靠河道側(cè)滲水量補(bǔ)給.

3 結(jié)果分析

塔里木河干流生態(tài)水配置應(yīng)結(jié)合不同的來(lái)水頻率(見(jiàn)表6)、各河段總需水量及天然植被生態(tài)需水的時(shí)空分布特點(diǎn)綜合制定.本文以河段需水為切入點(diǎn)，從時(shí)間尺度和空間尺度兩個(gè)方向綜合制定在不同來(lái)水頻率及不同河段需水情景下的生態(tài)水配置方案.

表6 干流不同來(lái)水頻率下的徑流量 單位：×108 m3

3.1 情景1下的生態(tài)水量配置方案

在情景1下，從時(shí)間尺度上，塔里木河干流需來(lái)水47.48×108m3，而10%和25%頻率下的徑流量分別為68.90×108m3和56.47×108m3，可完全滿足情景1下的需水要求；在上述兩來(lái)水頻率下，應(yīng)根據(jù)塔里木河各河段、各時(shí)段總的需水量進(jìn)行生態(tài)水配置.從空間尺度上，由于上述兩來(lái)水頻率下的徑流量分別多于干流需水量21.42×108m3和8.99×108m3，而滿足河段需水僅是實(shí)現(xiàn)天然植被的生態(tài)保護(hù)，因此應(yīng)依靠引水工程對(duì)稀疏植被區(qū)進(jìn)行大量的河水漫溢(見(jiàn)圖1)，以達(dá)到促進(jìn)天然植被生態(tài)恢復(fù)的目的.

根據(jù)以往的研究成果，10%來(lái)水頻率下已可實(shí)現(xiàn)整個(gè)天然植被區(qū)域的河水漫溢，因此本文重點(diǎn)分析25%來(lái)水頻率下的引水漫溢水量分配.基于塔里木河干流各河段稀疏天然植被的分布面積比例，劃分上中下游在25%來(lái)水頻率下的河水漫溢水量(見(jiàn)表7).

圖1 塔里木河干流主要引水漫溢區(qū)

表7 塔里木河干流引水漫溢水量 單位:×108 m3

引水漫溢，主要是借助于節(jié)制閘、生態(tài)閘以及舊河道對(duì)附近地區(qū)進(jìn)行漫灌.根據(jù)表8中各河段的水量分配情況，結(jié)合各個(gè)河段的閘口和舊河道的實(shí)際情況，安排引水漫溢工作.

根據(jù)干流植被的生態(tài)需水量，減去河損補(bǔ)給量，再結(jié)合的各段配置的漫溢水量，最后得出干流各個(gè)河段需依靠生態(tài)閘口引水量(見(jiàn)表8).

表8 情景1下各河段生態(tài)引水量 單位：×108 m3

3.2 情景2、3下的生態(tài)水配置方案

在情景2下，從時(shí)間尺度上看，塔里木河干流需來(lái)水44.89×108m3，而50%的來(lái)水頻率下，來(lái)水量為44.06×108m3，只能剛剛滿足高覆蓋植被、河道損耗和農(nóng)業(yè)引水，再無(wú)結(jié)余水量進(jìn)行引水漫溢.在此情形之下，設(shè)定各個(gè)河段的生態(tài)引水量(見(jiàn)表9).

表9 情景2、3下各河段生態(tài)引水量 單位：×108 m3

若來(lái)水量持續(xù)減少，可適當(dāng)壓縮灌溉面積.如在情景3下，干流需來(lái)水42.08×108m3，在滿足高覆蓋植被、河道損耗和90%保證率下的農(nóng)業(yè)引水的同時(shí)，仍多余1.98×108m3水量，但該水量仍需回補(bǔ)農(nóng)業(yè)用水，因此各河段的生態(tài)引水量參照表9進(jìn)行分配.

3.3 情景4下的生態(tài)水配置方案

當(dāng)來(lái)水頻率為75%，塔里木河干流水量為33.05×108m3，而情景4下的需水量為32.24×108m3，可滿足生態(tài)需水要求，此時(shí)，生態(tài)引水應(yīng)參照表10進(jìn)行分配.但當(dāng)阿拉爾站來(lái)水低于32.24×108m3時(shí)，則至少首先滿足75%保證率下的農(nóng)業(yè)用水10.54×108m3.

由于干流河道內(nèi)最小生態(tài)需水量20.53×108m3，因此若阿拉爾來(lái)水量低于32.24×108m3時(shí)，則不再預(yù)留生態(tài)水，生態(tài)用水僅依靠河道側(cè)滲水量補(bǔ)給.

表10 情景4下各河段生態(tài)引水量 單位：×108 m3

特別地，在90%來(lái)水頻率時(shí)，塔里木河干流水量為24.40×108m3，在滿足75%保證率下的農(nóng)業(yè)用水的前提下，僅剩余13.86×108m3的水量用于河損，尚不能滿足河道最小生態(tài)需水要求.考慮到植被需水主要集中在7～9月，因此可選擇這3個(gè)月份集中下放生態(tài)水.

4 結(jié) 論

(1)基于干流不同來(lái)水頻率，分為四種情景研究各河段需水：滿足全部需水下的上中游總需水量為40.29億m3；滿足河段高覆蓋植被、河損和農(nóng)業(yè)引水下的上中游總需水量為38.13億m3；滿足河段高覆蓋植被、河損和90%農(nóng)業(yè)引水下的上中游總需水量為36.69億m3；部分滿足天然植被生態(tài)需水、河損與90%農(nóng)業(yè)引水下的上中游總需水量為27.56億m3.

(2)在來(lái)水頻率為10%時(shí)，來(lái)水量為68.9億m3，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)天然植被區(qū)域的河水漫溢；來(lái)水頻率為25%時(shí)，來(lái)水量為56.47億m3，比干流需水量多8.99億m3，可分河段進(jìn)行引水漫溢；在來(lái)水頻率為50%和75%時(shí)，可滿足情景3、4下的水量需求.當(dāng)來(lái)水量等于或小于32.24億m3，此時(shí)原則上不再預(yù)留生態(tài)水，生態(tài)用水僅依靠河道側(cè)滲水量補(bǔ)給.

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