基于二元理论的塔河干流水资源耗散研究

谢 蕾，王 杰，张 沛，李 江，龙爱华，，海 洋

(1.新疆水利水电规划设计管理局， 新疆 乌鲁木齐 830000；2.石河子大学 水利与土木建筑学院， 新疆 石河子 832000；3.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京 100038)

内陆河指由内陆山区降雨或高山融雪产生的、不能流入海洋、只能流入内陆湖泊或在内陆消失的河流[1]。这类河流大多处于半干旱和干旱地区，最终消失沙漠里或汇集于洼地形成尾闾湖，年平均流量一般较小，但因暴雨、融雪引发的洪峰却很大[2]。内流河与内陆河相似，也是单独流入盆地，水量少，多数为季节性的间歇河，矿化度由上游向下游增加[3]，最终消失在内陆。塔里木河流域属于典型的干旱区内陆河流域。

塔里木河是上千万祖祖辈辈生活在南疆各族人民的“生命之河”。20世纪60、70年代，人类活动日益加剧，随着塔里木河源流区与干流中上游传统农业的大发展，耕地面积急剧扩张、农业引水量逐渐增加，加之河道本身蒸发和渗漏损失巨大，流域水资源供需矛盾突出，特别是枯水年，干流下游出现了长期断流的现象[4]。2000年之后实施的塔里木河流域近期综合治理工程挽救了生态极度脆弱的塔里木河下游地区[5-6]。

在以上人类活动对流域水文过程产生负面和正面影响的情况下，水文系统和人类系统已演变为一个耦合系统，水资源循环已由单一的自然水循环结构演化成为“自然-人工”二元水循环结构。有必要结合“自然-社会”二元水循环理论，将人类活动视为系统的内生变量，从自然、社会两个系统来分析流域水资源的耗散规律，为协调人类用水和生态用水关系[7]，合理开发利用水资源以实现经济社会的可持续发展提供依据。

本文基于塔里木河干流区2000年—2016年水利工程的引、退水情况，结合重要水文站节点的监测数据，从自然和社会角度分析核算不同来水频率、不同河段、年际与年内的水资源耗散情况，为塔里木河干流的综合治理与水资源配置工作提供基础科学依据。

1 研究区概况

1.1 河流水系

塔里木河干流起始于阿克苏河、叶尔羌河以及和田河三源流交汇处的肖夹克，归宿于台特玛湖，全长1 321 km(其中阿拉尔到台特玛湖1 273 km)，海拔高程760 m～1 020 m，流域面积1.76 万km2。是著名的游荡性河流，河床宽浅、水流散乱，河床沙洲密布，泥沙沿程大量淤积，导致河床不断抬高，河流来回改道迁移，摆幅达80 km～130 km。河流穿越阿克苏地区的2县1市，巴音郭楞蒙古自治州的3县1市及生产建设兵团农一师、农二师所属的15个团场。孔雀河通过扬水站从博斯腾湖抽水经库塔干渠向塔里木河下游灌区输水，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网分布情况详见图1。塔里木河干流阿拉尔站多年平均年径流量45.6 亿m3，最大年径流量为2010年的71.9 亿m3，最小年径流量为2009年的13.83 亿m3，相差5.2倍，年际变化较大。

图1塔里木河流域河流水系及水文站网分布示意图

1.2 水利工程现状

分布在塔里木河干流的水库以平原水库为主，目前已建8座，分别为其满水库(总库容0.42 亿m3，下同)、大寨水库(0.196 亿m3)、结然力克水库(0.68 m3)、帕满水库(0.4 亿m3)、喀尔曲尕水库(0.19 m3)、塔里木水库(0.247 m3)、大西海子水库(0.987 m3)、恰拉水库(1.61 亿m3)，合计总库容4.74 亿m3。塔里木河干流沿岸建有输水堤649.5 km，分水枢纽4座(含乌斯满和东河滩枢纽)，闸(堰)等引水工程74个，其中大西海子以上66个，基本为有闸控制。

塔里木河干流灌区主要分布在阿拉尔到大西海子水库河段之间的河道两岸，涉及阿克苏地区沙雅县、库车县，巴州轮台县、库尔勒市、尉犁县，第一师阿拉尔市和第二师塔里木垦区，灌区沿塔里木河呈狭长带状不连续分布。灌区分为三种类型：一是从水库引水的灌区，称为库灌区；二是通过引水闸口从塔里木河直接引水的灌区，称为河灌区；三是从河道内扬水灌溉的称为泵灌区。

1.3 水资源开发利用现状

表1 塔里木河干流2016年分行业、分区域用水量表 单位：亿m3

2 研究方法

2.1 计算方法与模型

塔里木河干流河道的水量耗散遵循物质平衡公式，即为社会-自然二元属性下通量耦合，其社会经济用水在塔里木河流域占用比例逐渐增加，改变了自然河道内耗散水量规律，因此非常必要区分河道外社会经济耗散水量与自然河道内耗散水量。

(1) 综合河道耗散水量Wz。表示该河段内自然与社会经济耗散水量总值，即用上断面的来水减去下断面的泄水，详见式(1)。

Wz=Wu-Wd

(1)

式中：Wz为综合河道耗散水量；Wu为上断面来水；Wd为下断面泄水量。

(2) 社会经济河道耗散水量Weco。表示河段内用于社会经济耗散的水量，即农业、工业、生活、生态环境用水与各类用水的耗水率的乘积，详见式(2)。

(2)

式中：Weco为社会经济河道外耗散水量；Wi为i行业用水量，i从1到4分别表示农业、工业、生活、生态环境等；ρi为i行业耗水率。

(3) 自然河道内耗散水量Wnat。表示除去社会经济河道外耗散水量以外，属于河道蒸发、渗漏、漫溢以及社会经济用水的无效蒸发损耗水量，详见式(3)。

Wnat=Wz-Weco

(3)

2.2 计算分区

塔里木河干流河共划分为6个河段，分别为阿拉尔—新其满、新其满—英巴扎、英巴扎—乌斯满、乌斯满—恰拉、恰拉—大西海子与大西海子—台特玛湖，全段共1 273 km[8]，每段河长分别为189 km、258 km、179 km、219 km、108 km和320 km，各河段所属管理站情况见表2。

表2 塔里木河干流各河段划分情况表

2.3 资料来源及处理

塔里木河干流水文断面阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满和恰拉等水文站数据为水文局提供的整编实测资料，1957年—2016年塔里木河干流来水及恰拉下泄年径流量详见图2。泵灌区引水量无实测资料，以600 m3/667m2灌溉定额，按面积核算其年引水量，泵灌区年引水过程按河灌区的月际间引水比例分配到各个月份。

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图2 1957年—2016年塔里木河干流来水及恰拉下泄年径流量

3 水资源耗散分析

3.1 干流多年来水情况分析

基于1957年—2016年阿拉尔和恰拉水文站的多年径流观测数据，利用Mann-Kendall突变检验的方法进行分析可知，1957年—2016年阿拉尔水文站的来水情况呈现下降趋势，但下降趋势并不显著(z=-0.89，P=0.19)，这与上游的阿克苏河、叶尔羌河和和田河自1957年以来天然径流量呈现上升的趋势[9]不尽相同，而这一定程度上映证了塔里木河源流区种植农业的大力发展导致了经济社会引水量的增加[10]。阿拉尔断面突变年份发生在1969年，且1972年之后UF统计值均小于0，但未超出1.96的显著水平，而1993年之后UF统计值出现了拐点，呈现上升的趋势，这说明干流来水量有增加的趋势，这是由于塔里木河源流区的天然径流量的增加造成的。

恰拉来水量呈显著减少的趋势(z=-2.86，P=0.002)，恰拉断面的来水量的UF统计值在1965年之后小于0，且在1972之后超出了1.96的显著性，说明来水量下降的趋势显著，而在2000年之后表现为上升的趋势，见图3。2000年开始恰拉水文站的流量呈现出波动式上升的趋势，主要原因之一是由于进行了塔河流域生态综合治理，不定期的向下生态输水为下游生态提供水资源保障，原因之二是流域整体来水偏丰。

图3对阿拉尔断面与恰拉断面来水量的Mann-Kendall突变检验

不同来水频率下、不同相邻断面之间的过水量之间的相关性存在显著差异，其中丰水年各个相邻断面之间水量的相关性较强，而枯水年社会经济引水量较大、河长较长、河道损耗量的占比较大，导致了相邻断面之间的线性相关关系不强。同一来水频率下不同河段之间的断面过水量的相关性也存在明显差异，上游河段相邻断面的过水量之间的线性相关性更强，中下游河段的线性相关性较弱，见图4和图5。

3.2 社会经济用水量资料及增量分析

2000年—2016年塔里木河干流社会经济用水整体呈现增加的趋势，其多年平均社会经济用水量为20.18 亿m3，综合耗水率为69.6%，净耗水量为14.05 亿m3。2016年社会经济用水为22.06 亿m3，比2000年的15.77 亿m3增加了6.29 亿m3，年均增长率为2.0%，用水变化过程及趋势见图6。按行业分析，农业用水量增量Δ为5.92 亿m3，占总增量的绝对多数比例高达94%，其余工业、生活、生态环境等增量Δ小计0.37 亿m3，不到总增量的6%。在农业用水增量中，耕地灌溉用水增加量最大，为4.35 亿m3，其次为果园灌溉用水，为1.24 亿m3，这两项占总增量之比为89%，特别是沙雅和尉犁县农业用水增长最多。从地方与兵团方面分析，兵团第二师用水增量占总用水增量的近四分之一。2016年与2000年各行业和区域用水增量对比分析见表3。

图4 10%来水频率下各断面之间过水量之间的相关关系

图5 90%来水频率下各断面之间的相关关系

图6塔里木河干流社会经济用水变化过程图

3.3 各河段多年平均年河道耗散水量分析

阿拉尔-台特玛湖河段长1 273 km，根据2000年—2016年引水与退水数据以及各行业的耗水情况分析，17年间河道平均来水量为45.96 亿m3，基本在流域内耗散殆尽[11]，其中河段1—河段5的中上游区间综合河道耗散水量为42.81 亿m3，大西海子下泄生态水量为3.15 亿m3。在河段1—河段5耗水量中，社会经济耗散水量为14.05 亿m3，自然河道内耗散水量为28.75 亿m3，耗散率为67.2%，自然河道内耗散水量偏大，每千米河道内水量耗水率为0.0302 亿m3/km。多年平均不同河段的耗水量见表3。

表3 塔里木河干流各河段2000年—2016年多年平均水资源耗散情况统计分析表 单位：亿m3

从不同河段角度分析，社会经济耗散水量最大的河段是第3河段(即英巴扎—乌斯满河段)，为5.54亿m3，其次为第1河段(阿拉尔—新其满河段)3.86亿m3，河段6是塔里木河下游，无社会经济用水的活动，因此并无水资源的社会经济耗散；自然河道内耗散总量最大的是第2河段(新其满—乌斯满河段)，为7.42亿m3，单位长度河道内耗散水量最大的为河段3，为381万m3/km，上游河段1和河段2的平均单位河长河道内耗水量306万m3/km居中，而中游河段4和河段5的最低为253万m3/km。塔里木河干流下游段大西海子以下至阿拉干段存在着双河道的现象，并且自库尔干断面以下已经无明显河道。因此，下游大西海子泄洪闸的下泄水量全部用于河道和湖泊耗散。

3.4 年内河道耗散分配规律分析

根据塔里木河干流各河段(2000年—2016年)多年平均河道耗散水量年内分配月过程分析，阿拉尔—大西海子来水从5月份至8月份径流量逐渐增加，8月份最大值为18.14亿m3，12最小值最少为0.58亿m3。10月至次年5月共8个月的来水量仅占全年的19%，综合耗散水量为6.17亿m3占年耗水量的15%。而洪水期6月—9月来水量37.43亿m3占全年的81%，也是耗水主要产生的时段，综合耗散量为34.23亿m3，占总耗水的85%。自然河道内耗散水量和社会经济耗散水量，均与来水呈现正比关系，年内最大值也均出现在8月，该月社会经济耗散水量和自然河道内耗散水量分别为5.31亿m3、11.8亿m3，见图7。多年平均年内不同时段耗水情况见表4。

图7 2000年—2016全河段多年平均年内水量分配过程分析

表4 2000年—2016年塔里木河干流全河段多年平均年内耗散水量分析

3.5 合理性分析

根据前人研究成果，塔里木河干流的水资源耗散情况与来水量存在着较强的相关关系[9]，遇丰水年情况来水量与河道损耗及社会经济引水量之间的相关关系较平、枯水年略大。原因是丰水年的自然耗散与社会经济耗散量虽然有所增加，但是由于耗散量增加的幅度远远小于来水量增加的幅度。塔里木河干流新其满—英巴扎、乌斯满—恰拉河段的自然河道损耗所占比例较大的这一结果与前人的研究结果相一致[12-14]，也从侧面上证明了本研究的正确性。

根据阿拉尔断面的来水量与恰拉枢纽合成断面的来水量关系可知，如果要维持整个干流不断流，到恰拉合成断面有水通过，则阿拉尔断面的来水量不能少于40.24 亿m3，2000年—2016年阿拉尔与恰拉断面过水量之间的相关关系详见图8。为了能满足向大西海子下游输送3.5 亿m3生态用水的要求，加上恰拉—大西海子河段的损耗，阿拉尔的来水量不得少于46.56 亿m3。这一结果与宋郁东等在满足干流上中游需水中方案的下泄水量46.2 亿m3的研究成果十分相近[8，15，]，从而也证实了二者研究的正确性。

图8 2000年—2016年阿拉尔与恰拉断面过水量之间的相关关系图

4 结 论

(1) 1960年—1992年塔里木河干流阿拉尔水文站的来水量呈现不显著地减少趋势，但在1993年之后来水量有增加的趋势；恰拉水文站来水量呈显著下降的趋势，在2000年之后由于来水偏丰及流域的综合治理工程等实施，使得恰拉断面来水量有所增加。

(2) 塔里木河干流2016年比2000的用水总量增加了6.29 亿m3，其中主要增加的行业为农业，增加量为5.92 亿m3，占94%。自然河道内耗散水量与社会经济耗散水量与来水呈现正比例关系，8月份社会经济耗散水量、自然河道内耗散水量均为全年最大值，分别为5.31 亿m3和11.8 亿m3。自然河道水量耗散率67.2%，河道内耗水量占比较高。

(3) 多年平均耗水量持续增长，综合河道耗散水量为42.81 亿m3，其中社会经济耗散水量为14.05 亿m3，单位河长耗水量为0.0251 亿m3/km，特别是位于节水灌溉面积增长较快的沙雅和尉犁县(河段3)，其单位河长社会经济耗散量最大为309 万m3/km，比河段1—河段5的平均值147 万m3/km超出110%。

(4) 2000年—2016年南疆共发展高效节水面积99.533×104hm2，占灌溉面积的38.6%，但受水价偏低、林粮间种、管理方式等因素影响，高效节水工程的利用率较低，推广难度大，个别地州的高效节水面积利用率尚不足30%，事实上未发挥高效节水的作用。建议通过采取执行分类水价和阶梯水价[16]、建立水权交易长效机制、加快末级渠系配套工程建设、优化农业结构[17-18]等措施，改变高效节水灌溉面积重建轻管的现状，充分利用好高效节水灌溉方式，提高水资源利用的效率和效益，为塔里木河的水资源的合理配置提供科学依据，为南疆社会稳定和人民的脱贫攻坚提供坚强的水资源保障。