趙冰茜，王光焰，劉 毅，桂東偉，嚴 冬，孫懷衛(wèi)

(1.華中科技大學水電與數(shù)字化工程學院，武漢 430072；2.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830001)

0 引 言

干旱半干旱地區(qū)水資源匱乏，人口大多聚集在水資源較為豐富的地區(qū)，其中綠洲作為沙漠中獨特的景觀，為人們的生產(chǎn)生活提供條件。與濕潤區(qū)所面臨的水資源過度利用等問題不同，在干旱區(qū)更多面臨著水資源的不合理調(diào)配使得無效用水量占比較大的困境，由此也造成了水資源有效利用效率不高。因此，研究綠洲內(nèi)水資源的可持續(xù)管理和調(diào)配具有重要的意義。策勒綠洲位于塔里木盆地南緣策勒縣[1]，與農(nóng)業(yè)相關的經(jīng)濟超過97%，農(nóng)業(yè)耗水量也超過90%，灌溉用水有限量是策勒縣經(jīng)濟發(fā)展的主要限制條件。在管理者角度上，希望通過水資源的全局調(diào)配，在發(fā)展可持續(xù)的前提下，實現(xiàn)所有產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值最大化；而在農(nóng)民的角度上，只希望農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的最大化，此時整個社會的產(chǎn)值不一定是最大的。由此提出了綠洲水資源用水效率確定和多尺度分析的實際難題。

已有大量研究表明，灌溉水利用效率具有尺度效應[2,3]。本研究選擇策勒綠洲為研究對象，針對綠洲灌溉用水效率確定及多尺度分析問題，對干旱區(qū)平原耗散型模型進行適當修改后用于研究綠洲內(nèi)水分轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水循環(huán)過程的模擬，并以此為基礎對不同區(qū)域、不同尺度下的灌溉水利用效率進行計算和比較分析，以期獲得綠洲內(nèi)水資源管理和決策的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選擇位于南疆塔里木盆地南緣平原區(qū)的策勒縣(東經(jīng)80°03′～82°10′、北緯35°18′～39°30′，如圖1所示)為典型研究區(qū)。該區(qū)屬暖溫帶干旱荒漠氣候，多年平均降水量和水面蒸發(fā)量分別為34.8和2 505 mm。區(qū)域依賴于策勒河徑流水資源。策勒河發(fā)源于昆侖山北坡中段，屬冰雪融水和雨水混合補給為主的河流。其中策勒水文站以上流域面積1 876 km2，河長136.2 km，1958-2018年的年均徑流量為1.23 億m3。

圖1 策勒綠洲空間位置和土地利用簡圖[4]

項目組通過實地調(diào)研得到了策勒綠洲的渠系分布圖。為分析綠洲不同尺度下的用水效率，根據(jù)斗、農(nóng)渠的分布情況將研究區(qū)劃分為8個地塊(如圖2所示)。該區(qū)以特色林果為主，其中農(nóng)區(qū)作物中紅棗、胡桃、石榴面積分別占59.4%、23.0%、5.7%(據(jù)項目組實地調(diào)研數(shù)據(jù))。對應各區(qū)塊可以發(fā)現(xiàn)，紅棗、胡桃在各個地塊均有種植，其中該縣特色林石榴集中分布在地塊①。研究區(qū)內(nèi)降雨極少，完全不能滿足作物的耗水需求，而水庫引水灌溉只能在夏季氣溫上升后冰雪融水增多的情況下才能實現(xiàn)，因此，3-4月作物需水期初始主要依靠地下抽水灌溉滿足需求。

圖2 策勒綠洲灌溉分區(qū)圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過現(xiàn)場調(diào)查、年鑒查閱、監(jiān)測數(shù)據(jù)抄錄等方式，獲取項目區(qū)數(shù)據(jù)主要包括斗渠引水量、氣象數(shù)據(jù)、地下測井水位、作物種植結構等，對數(shù)據(jù)進行初步分析后依據(jù)年度數(shù)據(jù)完整和各種數(shù)據(jù)匹配完好的原則選取2008年為典型年開展研究。各部分數(shù)據(jù)情況如下。

(1)斗渠引水量。斗渠從2號閘門引水進入策勒鎮(zhèn)，從3號閘門進入策勒鄉(xiāng)。策勒綠洲內(nèi)斗級渠道由混凝土砌成，因此不考慮其滲漏量。

(2)氣象數(shù)據(jù)。從策勒水文站獲得每日降水量，策勒地區(qū)各月多年平均蒸散發(fā)量，并計算得到作物全年耗水量作為參考。

(3)地下水位。策勒綠洲內(nèi)有25口測井，2008年內(nèi)17口井有實測地下水埋深數(shù)據(jù)，并通過2015年各測井的地下水埋深及水位高程數(shù)據(jù)對2008年水位高程數(shù)據(jù)進行校正。

(4)作物種植結構。項目組在作物種植結構調(diào)查基礎上，采用區(qū)域點位實測數(shù)據(jù)計算得到地塊內(nèi)不同種類作物種植面積。

1.3 水循環(huán)模擬模型

依據(jù)水均衡原理建立數(shù)學模擬模型并對區(qū)域內(nèi)水分循環(huán)轉(zhuǎn)換進行分區(qū)模擬的方法在多個灌區(qū)內(nèi)得到了很好的應用[5,6]。由于策勒地區(qū)年降水量遠遠小于年蒸發(fā)量，不適用于蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流，水文循環(huán)采用干旱區(qū)綠洲耗散型水文模型。模型中考慮到多種水體的轉(zhuǎn)換，其中針對平原中復雜的人類活動重點考慮了引水灌溉、作物種植、地下水開采對水循環(huán)的影響。

研究區(qū)主要為農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，其水分轉(zhuǎn)換過程主要包括地面入滲、地面蒸散發(fā)、土壤水和地下水之間水分交換。根據(jù)研究區(qū)水分轉(zhuǎn)換特征將農(nóng)區(qū)分為上土壤層、下土壤層和地下水層。其主要物理過程可概化為：①受引水灌溉影響，農(nóng)區(qū)土壤層水分交換最為活躍。②上土壤層可看成表層土壤，該層發(fā)生的主要物理過程有灌溉和降水、上土壤層蒸發(fā)、下滲到下土壤層。③下土壤層可以看成地下水位以上非表層土壤，這一層主要的物理過程有上土壤層水分下滲、下土壤層蒸發(fā)、下滲到地下水層。④引水經(jīng)過渠系損耗一部分水，剩余水量成為灌溉水全部滲入土壤層。⑤農(nóng)區(qū)蒸散發(fā)量只考慮上土壤層蒸發(fā)和下土壤層蒸發(fā)，上土壤層水分充足時，蒸發(fā)全由上土壤層水提供；上土壤層水分不足時，由下土壤層根據(jù)下土壤層脅迫程度完成剩余部分，但在缺水灌溉時如果地下水埋深比較淺，毛管水上升到下土壤層供作物蒸發(fā)。⑥地下水層是地下水位以下飽和水土壤層，該層含水量穩(wěn)定。⑦農(nóng)區(qū)模型中，引水灌溉，作物蒸散發(fā)、地下水排水的改變都會引起上、下土壤層蓄水量的響應；地下水層蒸發(fā)，下土壤層下滲和地下水排水都會引起地下水埋深的變化。圖3為干旱區(qū)平原綠洲耗散型模型中農(nóng)區(qū)水文物理過程示意圖(在胡和平等[7]上修改)，EU、EM為上、下土壤層蒸散發(fā)量，I為渠道灌溉量，P為降水量，P′為抽水灌溉量，EG為潛水蒸發(fā)量，F(xiàn)WM為上下土壤層交換量，F(xiàn)GM為深層滲漏量，IIG和IGW分別為地下水側向出、入流量，單位均為mm/d；WU、WM分別為上、下土壤層蓄水量，WUM、WMM分別為上、下土壤層蓄水容量，單位均為mm。

圖3 模型中農(nóng)區(qū)水文物理過程示意圖

1.4 尺度界定和用水效率計算

本文將渠西和渠東的地塊分成2組，分別將面積按渠道引流方向逐塊累加，空間尺度不斷變大，構成不同的空間尺度。對于渠西地塊，尺度A為地塊①的控制范圍，尺度B為地塊①和地塊②的控制范圍，尺度C為地塊①、②、③的控制范圍，尺度D為渠西所有地塊的控制范圍；對于渠東地塊，尺度A′為地塊⑧的控制范圍，尺度B′為地塊⑦和地塊⑧的控制范圍，尺度C′為地塊⑥、⑦、⑧的控制范圍，尺度D′為渠東所有地塊的控制范圍。

本文選擇騰發(fā)量占凈入流量比例作為灌溉用水效率進行尺度效應分析，對渠西渠東不同空間尺度的灌溉用水效率進行計算，公式如下[8]：

(1)

式中：k為地塊編號；t為尺度i對應的控制范圍內(nèi)地塊總數(shù)；FRi為尺度i對應的控制范圍內(nèi)騰發(fā)量占凈入流量比例；Pk為地塊k的年降雨量；Ik為地塊k斗渠引水量；ΔSk為地塊k土壤層蓄水變量；ΔGk為地塊k地下水庫蓄水變量；m為作物種類編號；n為作物種類總和；ETk,m為地塊k中m類作物的蒸散發(fā)量。

采用納什效率系數(shù)評價模型性能，公式如下：

(2)

2 結果與分析

2.1 模型模擬效果檢驗

采用策勒綠洲2008年實測地下水埋深率定模型參數(shù)，并進行驗證。圖4將模擬的地下水埋深與實測值進行對比，計算得出相對誤差均小于15%，Ens基本大于0.5(如渠西Ens值為0.300～0.746)，可以看出一致性較好。部分偏差的原因可能是：①模擬中時間上的最小尺度為1 d，實際上不同地塊的灌溉時段可能有差別；②將研究區(qū)土壤概化為均質(zhì)各向同性，而實際中上土壤層滲透系數(shù)要小于下土壤層。模型模擬與實測結果的比較可以說明，修正后的平原耗散型模型能夠恰當?shù)啬M綠洲水分轉(zhuǎn)換過程，因此可以用于綠洲水均衡分析。

2.2 綠洲水均衡分析

利用建立的水平衡模型對2008年研究區(qū)不同地塊進行模擬，得到水平衡框架如表1所示。

研究區(qū)域土壤層和地下水層的水分輸入輸出比例如圖5所示。在土壤水分輸入項主要包括渠道灌溉量、降水量和抽水灌溉量，其中各地塊水分主要來源于渠道灌溉量，達到土壤水分供給的96.02%，而降水量和抽水灌溉只占極小的比例。在土壤層輸出項中，地塊內(nèi)騰發(fā)量與深層滲漏量的比例大約在5∶1。在地下水輸入中，滲漏補給量與地下水側向入流量之比約為5∶2，滲漏補給量為田間灌溉時的深層滲漏量。在地下水輸出方面，地下抽水量所占的比重非常小，占6.45%，其余均為地下水側向入流量，地下抽水只發(fā)生在春季，春季渠道灌溉量較少，抽取少量地下水以滿足春季作物的灌溉需求。

圖4 研究區(qū)地下水埋深模擬值與實測值對比

表1 研究區(qū)水平衡框架 mm/a

圖5 研究區(qū)水分收支

2.3 綠洲用水效率分析

圖6為不同尺度渠西和渠東灌溉水利用效率的評估結果。從圖6中可以看出，尺度增加渠西和渠東用水效率均為上升趨勢，但上升并不明顯。渠西地塊從1個到4個，灌溉水利用效率從81.48%變化到83.42%，提升了1.94%，渠東從83.07%變化到84.17%，只提升1.11%，渠西的變化比渠東大的原因可能是渠西的回歸水重復利用比例即抽水灌溉量比例比渠東大。

圖6 不同尺度渠西和渠東用水效率

3 討 論

用水效率具有尺度效應是各地塊之間回歸水重復利用和各地塊之間種植結構的差異性導致的[9，10]。許多水文學者發(fā)現(xiàn)灌溉水利用效率會隨尺度的增大而變大[11，12]。但在本文的典型綠洲研究中，雖然可以觀察到一定的用水效率隨尺度增加而上升的尺度效應，但是并不完全吻合。其中，渠西處從尺度C到尺度D的用水效率卻在尺度上有所減少。究其原因可能為地塊④相較于其他地塊糧食作物種植面積相對較大，而果樹面積相較小，為保證糧食產(chǎn)量，糧食作物灌溉需水量比果樹大，用水效率較低，使得渠西尺度D的用水效率較低。

干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型在新疆典型綠洲的應用需要對模型參數(shù)進行本地化調(diào)試。本文研究雖然成功實現(xiàn)了典型綠洲內(nèi)水均衡模型的分析，但僅以2008年為典型年數(shù)據(jù)。策勒綠洲部分數(shù)據(jù)并不完全，模型使用過程中減少了初始模型參數(shù)數(shù)量，使得模型對某些參數(shù)過于敏感，模型模擬結果與實際情況有差別。本文未將不同模型應用在策勒地區(qū)進行對比，不能明顯表現(xiàn)選擇該模型的優(yōu)越性，仍有待后續(xù)進一步的工作。

4 結 論

該模型基于策勒綠洲2008年的實測數(shù)據(jù)，將模型應用在中國塔里木盆地南緣的小區(qū)域時調(diào)試參數(shù)并驗證，用本地化的參數(shù)對2008年策勒地下水埋深進行模擬，結果表明：

(1)本地化參數(shù)后的干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型能較好地模擬策勒綠洲各個分區(qū)的地下水埋深。

(2)模型輸出研究區(qū)的水平衡結果顯示，土壤水的主要輸入是渠道灌溉量，主要輸出是騰發(fā)量；地下水層主要輸入是深層滲漏量，主要輸出是地下水側向出流量。

(3)研究區(qū)用水效率的分析結果驗證了用水效率隨尺度增大而增大，回歸水重復利用比例和作物空間差異性會影響用水效率的尺度效應?；貧w水重復利用比例偏低導致用水效率的尺度效應有限，作物空間差異性也對尺度效應有削減作用。