謝 蕾，王 杰，張 沛，李 江，龍愛華，，海 洋

(1.新疆水利水電規(guī)劃設計管理局， 新疆 烏魯木齊 830000；2.石河子大學 水利與土木建筑學院， 新疆 石河子 832000；3.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室， 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。塔里木河流域屬于典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域。

塔里木河是上千萬祖祖輩輩生活在南疆各族人民的“生命之河”。20世紀60、70年代，人類活動日益加劇，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)了長期斷流的現(xiàn)象[4]。2000年之后實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]。

在以上人類活動對流域水文過程產(chǎn)生負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€耦合系統(tǒng)，水資源循環(huán)已由單一的自然水循環(huán)結構演化成為“自然-人工”二元水循環(huán)結構。有必要結合“自然-社會”二元水循環(huán)理論，將人類活動視為系統(tǒng)的內(nèi)生變量，從自然、社會兩個系統(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)用水關系[7]，合理開發(fā)利用水資源以實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(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，結合重要水文站節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從自然和社會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科學依據(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，歸宿于臺特瑪湖，全長1 321 km(其中阿拉爾到臺特瑪湖1 273 km)，海拔高程760 m～1 020 m，流域面積1.76 萬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，導致河床不斷抬高，河流來回改道遷移，擺幅達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)建設兵團農(nóng)一師、農(nóng)二師所屬的15個團場?？兹负油ㄟ^揚水站從博斯騰湖抽水經(jīng)庫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以平原水庫為主，目前已建8座，分別為其滿水庫(總庫容0.42 億m3，下同)、大寨水庫(0.196 億m3)、結然力克水庫(0.68 m3)、帕滿水庫(0.4 億m3)、喀爾曲尕水庫(0.19 m3)、塔里木水庫(0.247 m3)、大西海子水庫(0.987 m3)、恰拉水庫(1.61 億m3)，合計總庫容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，其中大西海子以上66個，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河段之間的河道兩岸，涉及阿克蘇地區(qū)沙雅縣、庫車縣，巴州輪臺縣、庫爾勒市、尉犁縣，第一師阿拉爾市和第二師塔里木墾區(qū)，灌區(qū)沿塔里木河呈狹長帶狀不連續(xù)分布。灌區(qū)分為三種類型：一是從水庫引水的灌區(qū)，稱為庫灌區(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-自然二元屬性下通量耦合，其社會經(jīng)濟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)分河道外社會經(jīng)濟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)自然與社會經(jīng)濟耗散水量總值，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) 社會經(jīng)濟河道耗散水量Weco。表示河段內(nèi)用于社會經(jīng)濟耗散的水量，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為社會經(jīng)濟河道外耗散水量；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。表示除去社會經(jīng)濟河道外耗散水量以外，屬于河道蒸發(fā)、滲漏、漫溢以及社會經(jīng)濟用水的無效蒸發(fā)損耗水量，詳見式(3)。

Wnat=Wz-Weco

(3)

2.2 計算分區(qū)

塔里木河干流河共劃分為6個河段，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—臺特瑪湖，全段共1 273 km[8]，每段河長分別為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測資料，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)引水量無實測資料，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數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall突變檢驗的方法進行分析可知，1957年—2016年阿拉爾水文站的來水情況呈現(xiàn)下降趨勢，但下降趨勢并不顯著(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[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)展導致了經(jīng)濟社會引水量的增加[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)計值出現(xiàn)了拐點，呈現(xiàn)上升的趨勢，這說明干流來水量有增加的趨勢，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(z=-2.86，P=0.002)，恰拉斷面的來水量的UF統(tǒng)計值在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顯著，而在2000年之后表現(xiàn)為上升的趨勢，見圖3。2000年開始恰拉水文站的流量呈現(xiàn)出波動式上升的趨勢，主要原因之一是由于進行了塔河流域生態(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對阿拉爾斷面與恰拉斷面來水量的Mann-Kendall突變檢驗

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

3.2 社會經(jīng)濟用水量資料及增量分析

2000年—2016年塔里木河干流社會經(jīng)濟用水整體呈現(xiàn)增加的趨勢，其多年平均社會經(jīng)濟用水量為20.18 億m3，綜合耗水率為69.6%，凈耗水量為14.05 億m3。2016年社會經(jīng)濟用水為22.06 億m3，比2000年的15.77 億m3增加了6.29 億m3，年均增長率為2.0%，用水變化過程及趨勢見圖6。按行業(yè)分析，農(nóng)業(yè)用水量增量Δ為5.92 億m3，占總增量的絕對多數(shù)比例高達94%，其余工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境等增量Δ小計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)用水增長最多。從地方與兵團方面分析，兵團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關系

圖5 90%來水頻率下各斷面之間的相關關系

圖6塔里木河干流社會經(jīng)濟用水變化過程圖

3.3 各河段多年平均年河道耗散水量分析

阿拉爾-臺特瑪湖河段長1 273 km，根據(jù)2000年—2016年引水與退水數(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，社會經(jīng)濟耗散水量為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)計分析表 單位：億m3

從不同河段角度分析，社會經(jīng)濟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，無社會經(jīng)濟用水的活動，因此并無水資源的社會經(jīng)濟耗散；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，單位長度河道內(nèi)耗散水量最大的為河段3，為381萬m3/km，上游河段1和河段2的平均單位河長河道內(nèi)耗水量306萬m3/km居中，而中游河段4和河段5的最低為253萬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個月的來水量僅占全年的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)耗散水量和社會經(jīng)濟耗散水量，均與來水呈現(xiàn)正比關系，年內(nèi)最大值也均出現(xiàn)在8月，該月社會經(jīng)濟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的相關關系[9]，遇豐水年情況來水量與河道損耗及社會經(jīng)濟引水量之間的相關關系較平、枯水年略大。原因是豐水年的自然耗散與社會經(jīng)濟耗散量雖然有所增加，但是由于耗散量增加的幅度遠遠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果與前人的研究結果相一致[12-14]，也從側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系可知，如果要維持整個干流不斷流，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關系詳見圖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關系圖

4 結 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，但在1993年之后來水量有增加的趨勢；恰拉水文站來水量呈顯著下降的趨勢，在2000年之后由于來水偏豐及流域的綜合治理工程等實施，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)耗散水量與社會經(jīng)濟耗散水量與來水呈現(xiàn)正比例關系，8月份社會經(jīng)濟耗散水量、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，綜合河道耗散水量為42.81 億m3，其中社會經(jīng)濟耗散水量為14.05 億m3，單位河長耗水量為0.0251 億m3/km，特別是位于節(jié)水灌溉面積增長較快的沙雅和尉犁縣(河段3)，其單位河長社會經(jīng)濟耗散量最大為309 萬m3/km，比河段1—河段5的平均值147 萬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，個別地州的高效節(jié)水面積利用率尚不足30%，事實上未發(fā)揮高效節(jié)水的作用。建議通過采取執(zhí)行分類水價和階梯水價[16]、建立水權交易長效機制、加快末級渠系配套工程建設、優(yōu)化農(nóng)業(yè)結構[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依據(jù)，為南疆社會穩(wěn)定和人民的脫貧攻堅提供堅強的水資源保障。