塔里木河水量平衡计算与分析

2018-01-26孟栋伟塔里木河流域水政监察分队

河南水利与南水北调 2017年12期

□孟栋伟（塔里木河流域水政监察分队）

1 区域概况

塔里木河流域位于新疆南部，是环塔里木盆地的阿克苏河、喀什噶尔河、叶尔羌河、和田河、开都－孔雀河、迪那河、渭干河与库车河、克里雅河和车尔臣河等九大水系144条河流的总称。流域总面积102万km2。塔里木河干流位于塔里木盆地北缘，起始于阿克苏河、叶尔羌河及和田河的交汇处—肖夹克，归宿于台特马湖，干流全长1 321 km。地势为西高东低、北高南低，由西向东倾斜，至铁干里克转向由北向南。塔里木河历史上是著名的游荡性河流，北至天山山麓，南至塔克拉玛干沙漠，摆幅达80～130 km。北部受天山褶皱构造抬升而使冲积扇形平原向南延伸，迫使河流南移；南部冲积平原受冲积物和风成沙的堆高，又迫使河流北返，如此往复，便形成了广阔而深厚的平原。

2 研究数据

2.1 水文与气象

塔河干流属大陆性暖温带极端干旱气候，降雨稀少，蒸发强烈，气候干燥，多风，日照长，温差大，夏季炎热，冬季干冷。多年平均气温10.70℃，极端最高气温达43.60℃，极端最低气温-30.90℃。＞10℃积温4 000～4 500℃之间，日照小时数约3 000 h，无霜期187-233 d。多年平均降水量17.40～42.80 mm，蒸发能力为1 125～1 600 mm（以折算E－601型蒸发皿蒸发量计算），干旱指数为17～50，属极端干旱地区。干流地区多风沙、浮尘天气，以下游地区尤为严重，每年大风（＞17.20 m/s即8级以上风）天气达20 d之多，若羌县达40 d之多；沙暴日多达20 d，起沙风（＞5 m/s）年均出现202次，最大风速达40 m/s。

2.2 水位

由于塔里木河干流治理河段长，河段内水位、流量的测验站少，各河段设计水位主要用天然河道水面线（伯努力方程）推算。考虑到大断面测量时间不一，有些断面不满足宽度要求，本次利用现有水文站的设计水位流量关系对推算结果进行了修正。到2005年，各水文站水位流量关系以现状水位流量关系作为基础，并考虑设计水平年河床淤积进行设计。

3 水量平衡计算

3.1 水量平衡模型

基于出入河流的水量之差与河流增减水之间的关系，建立水量平衡方程式如下：

其中：△t—计算的时段；△V—流域库容变化量（m3），时段末水量大于时段初水量时，△V＞0，反之，△V＜0；A—流域水面面积（m2），其为水位h的函数；P—流域降水量（mm）；E—流域蒸发量（mm）；Qin—流域入水量（m3）；Qout—流域出水量（m3）。

考虑到塔里木河的实际情况，可以将式（1）表示如下：

3.2 水平衡项计算

独立封闭的塔里木盆地为内陆盆地，地下水从西向东，从南、北两侧向塔里木河干流汇集，盆地内深厚的松散层，形成连通的孔隙潜水含水层，松散层主要为粉砂、细砂和砂壤土，具中等富水性和透水性，渗透系数在10-3cm/s左右。干流区年降水量40 mm左右，入渗补给甚微；宽广的盆地，地形高差不大，地下水坡降小流速甚微。近河靠洪水期侧向入渗和泛滥漫溢区入渗及沼泽、湖泊、水库、渠系、农田灌水入渗补给地下水。地下水排泄靠河道枯水期，水位降低时侧向回渗以及灌区排水渠和泛滥平原区低洼地水位高于临界水深时，大气蒸发或植物蒸腾。

3.2.1 河川径流量

根据1956-1999年（水文年）实测资料统计，多年平均进入塔里木河干流的水量为46.30亿m3，其中汛期（7-9月）32.50亿m3，占全年来水量的70.20%；非汛期（10-来年6月）13.80亿m3，占全年来水量的29.80%。自20世纪50年代起至90年代末，进入干流的水量呈递减的趋势，由50年代的55.60亿m3减少到90年代41.60亿m3。径流量的年际变化较大，阿拉尔断面最大年径流为77.60亿m3（1956年）,最小为28.10亿m3（1993年），最大与最小年径流之比为2.76。

3.2.2 河面蒸发量

河面蒸发量是塔里木河水量平衡的重要构成要素，塔河于1980年以后若干测站观测数据缺失且蒸发皿折算系数出现异常，为此，笔者建立塔河水面蒸发量模型并结合彭曼公式法进行河面蒸发量的计算，彭曼公式对气象数据要求较充足，许多测站都无法满足其要求，所以笔者引用Valinantzas等人对彭曼公式所进行的化简，只需要有温度、湿度、日照、风速等数据指标就可以计算出河面蒸发量。

图1 塔河蒸发量计算值与观测值的拟合图

其中：EPEN——河面蒸发量（mm）；α——太阳辐射的水面反射系数，取α=0.08；RS——大气底太阳辐射强度（MJ/m2·d）；RA——大气顶太阳辐射强度（MJ/m2·d）；RH——相对湿度（%）；U——风速（m/s）；T——温度均值，T=（Tmax+Tmin）/2，Tmax、Tmin为温度最高、最低值。

在6个测站中，乌斯满站的蒸发量计算值与观测值吻合程度最佳，故选其为塔河蒸发量，式（4）所给出的简化公式仅仅适合温度均值≥-9℃的情况，即只能计算塔河4-11月的蒸发量，11-来年3月的蒸发量（占全年蒸发量5.40%）按照年内蒸发量分布比例加以推算。

将塔河全年蒸发量与测站观测值对比，蒸发皿折算系数取0.64，则通过图1可以看出，观测值与计算值相关系数高达0.94，充分表明拟合程度较优。

3.3 水量平衡计算

第三时段内，水位、降水和径流发生了更大的变化，为了寻找原因，可以用实测值减去系列均值后计算各个气象因素的累积距平值。经计算，降水、蒸发、径流和水位的系列均值为256.98 mm、1 137.81 mm、10.87×108m3和541 m，其累计距平值的变动均呈现规律性。起初，水位、降水和径流具有近乎一致的变动趋势，在1985年达到最低后急剧反转上升，至2001年达到最高后又急剧下降，与此同时蒸发的变动则恰恰相反。第二时段的水位、降水和径流的累积距平值变化幅度小于第三时段，而蒸发正好相反，这表明2001年后塔河水位急剧下降并非由蒸发变动而致，很可能由降水和径流的急剧下降引起，而这一变化应归因于气候的变化，结合气象卫星遥感检测资料对塔河区域气候变化的分析结果可以看出，21世纪以来，干燥事件的明显增多引致干旱事件频发，气候逐渐变得暖干，导致降水减少、径流减少而蒸发增大，这也与文章的分析结果一致。

表1中，△V表示考虑到径流Q、降水P、蒸发E之后的流域库容变化量，从计算结果的对比可以看出，按照相关系数取值大小的顺序，径流+降水对库容影响最大，其次为径流，影响最小的是蒸发，这与上述分析结论完全吻合。

4 结论

文章对塔里木河干流水文过程和水平衡过程进行了计算，并进行了月水量的平衡分析，计算结果表明，2001年后气候的变化造成塔河水位持续降低，降水减少，蒸发增大，进而引起塔河水量损失，径流和入水量均减少，河川径流对流域水位影响程度最大。虽然文章所计算的塔河水量平衡结果与已有的研究成果存在些许差距，这主要是由于计算方法、所选时段和时间步长等客观因素造成，并不影响结论的科学性。