干旱区绿洲用水效率模拟及分析——以策勒绿洲为例

赵冰茜，王光焰，刘 毅，桂东伟，严 冬，孙怀卫

(1.华中科技大学水电与数字化工程学院，武汉 430072；2.塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000；3.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830001)

0 引 言

干旱半干旱地区水资源匮乏，人口大多聚集在水资源较为丰富的地区，其中绿洲作为沙漠中独特的景观，为人们的生产生活提供条件。与湿润区所面临的水资源过度利用等问题不同，在干旱区更多面临着水资源的不合理调配使得无效用水量占比较大的困境，由此也造成了水资源有效利用效率不高。因此，研究绿洲内水资源的可持续管理和调配具有重要的意义。策勒绿洲位于塔里木盆地南缘策勒县[1]，与农业相关的经济超过97%，农业耗水量也超过90%，灌溉用水有限量是策勒县经济发展的主要限制条件。在管理者角度上，希望通过水资源的全局调配，在发展可持续的前提下，实现所有产业产值最大化；而在农民的角度上，只希望农业产值的最大化，此时整个社会的产值不一定是最大的。由此提出了绿洲水资源用水效率确定和多尺度分析的实际难题。

已有大量研究表明，灌溉水利用效率具有尺度效应[2,3]。本研究选择策勒绿洲为研究对象，针对绿洲灌溉用水效率确定及多尺度分析问题，对干旱区平原耗散型模型进行适当修改后用于研究绿洲内水分转换和实现区域内水循环过程的模拟，并以此为基础对不同区域、不同尺度下的灌溉水利用效率进行计算和比较分析，以期获得绿洲内水资源管理和决策的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

选择位于南疆塔里木盆地南缘平原区的策勒县(东经80°03′～82°10′、北纬35°18′～39°30′，如图1所示)为典型研究区。该区属暖温带干旱荒漠气候，多年平均降水量和水面蒸发量分别为34.8和2 505 mm。区域依赖于策勒河径流水资源。策勒河发源于昆仑山北坡中段，属冰雪融水和雨水混合补给为主的河流。其中策勒水文站以上流域面积1 876 km2，河长136.2 km，1958-2018年的年均径流量为1.23 亿m3。

图1 策勒绿洲空间位置和土地利用简图[4]

项目组通过实地调研得到了策勒绿洲的渠系分布图。为分析绿洲不同尺度下的用水效率，根据斗、农渠的分布情况将研究区划分为8个地块(如图2所示)。该区以特色林果为主，其中农区作物中红枣、胡桃、石榴面积分别占59.4%、23.0%、5.7%(据项目组实地调研数据)。对应各区块可以发现，红枣、胡桃在各个地块均有种植，其中该县特色林石榴集中分布在地块①。研究区内降雨极少，完全不能满足作物的耗水需求，而水库引水灌溉只能在夏季气温上升后冰雪融水增多的情况下才能实现，因此，3-4月作物需水期初始主要依靠地下抽水灌溉满足需求。

图2 策勒绿洲灌溉分区图

1.2 数据来源

通过现场调查、年鉴查阅、监测数据抄录等方式，获取项目区数据主要包括斗渠引水量、气象数据、地下测井水位、作物种植结构等，对数据进行初步分析后依据年度数据完整和各种数据匹配完好的原则选取2008年为典型年开展研究。各部分数据情况如下。

(1)斗渠引水量。斗渠从2号闸门引水进入策勒镇，从3号闸门进入策勒乡。策勒绿洲内斗级渠道由混凝土砌成，因此不考虑其渗漏量。

(2)气象数据。从策勒水文站获得每日降水量，策勒地区各月多年平均蒸散发量，并计算得到作物全年耗水量作为参考。

(3)地下水位。策勒绿洲内有25口测井，2008年内17口井有实测地下水埋深数据，并通过2015年各测井的地下水埋深及水位高程数据对2008年水位高程数据进行校正。

(4)作物种植结构。项目组在作物种植结构调查基础上，采用区域点位实测数据计算得到地块内不同种类作物种植面积。

1.3 水循环模拟模型

依据水均衡原理建立数学模拟模型并对区域内水分循环转换进行分区模拟的方法在多个灌区内得到了很好的应用[5,6]。由于策勒地区年降水量远远小于年蒸发量，不适用于蓄满产流和超渗产流，水文循环采用干旱区绿洲耗散型水文模型。模型中考虑到多种水体的转换，其中针对平原中复杂的人类活动重点考虑了引水灌溉、作物种植、地下水开采对水循环的影响。

研究区主要为农业灌溉区，其水分转换过程主要包括地面入渗、地面蒸散发、土壤水和地下水之间水分交换。根据研究区水分转换特征将农区分为上土壤层、下土壤层和地下水层。其主要物理过程可概化为：①受引水灌溉影响，农区土壤层水分交换最为活跃。②上土壤层可看成表层土壤，该层发生的主要物理过程有灌溉和降水、上土壤层蒸发、下渗到下土壤层。③下土壤层可以看成地下水位以上非表层土壤，这一层主要的物理过程有上土壤层水分下渗、下土壤层蒸发、下渗到地下水层。④引水经过渠系损耗一部分水，剩余水量成为灌溉水全部渗入土壤层。⑤农区蒸散发量只考虑上土壤层蒸发和下土壤层蒸发，上土壤层水分充足时，蒸发全由上土壤层水提供；上土壤层水分不足时，由下土壤层根据下土壤层胁迫程度完成剩余部分，但在缺水灌溉时如果地下水埋深比较浅，毛管水上升到下土壤层供作物蒸发。⑥地下水层是地下水位以下饱和水土壤层，该层含水量稳定。⑦农区模型中，引水灌溉，作物蒸散发、地下水排水的改变都会引起上、下土壤层蓄水量的响应；地下水层蒸发，下土壤层下渗和地下水排水都会引起地下水埋深的变化。图3为干旱区平原绿洲耗散型模型中农区水文物理过程示意图(在胡和平等[7]上修改)，EU、EM为上、下土壤层蒸散发量，I为渠道灌溉量，P为降水量，P′为抽水灌溉量，EG为潜水蒸发量，FWM为上下土壤层交换量，FGM为深层渗漏量，IIG和IGW分别为地下水侧向出、入流量，单位均为mm/d；WU、WM分别为上、下土壤层蓄水量，WUM、WMM分别为上、下土壤层蓄水容量，单位均为mm。

图3 模型中农区水文物理过程示意图

1.4 尺度界定和用水效率计算

本文将渠西和渠东的地块分成2组，分别将面积按渠道引流方向逐块累加，空间尺度不断变大，构成不同的空间尺度。对于渠西地块，尺度A为地块①的控制范围，尺度B为地块①和地块②的控制范围，尺度C为地块①、②、③的控制范围，尺度D为渠西所有地块的控制范围；对于渠东地块，尺度A′为地块⑧的控制范围，尺度B′为地块⑦和地块⑧的控制范围，尺度C′为地块⑥、⑦、⑧的控制范围，尺度D′为渠东所有地块的控制范围。

本文选择腾发量占净入流量比例作为灌溉用水效率进行尺度效应分析，对渠西渠东不同空间尺度的灌溉用水效率进行计算，公式如下[8]：

(1)

式中：k为地块编号；t为尺度i对应的控制范围内地块总数；FRi为尺度i对应的控制范围内腾发量占净入流量比例；Pk为地块k的年降雨量；Ik为地块k斗渠引水量；ΔSk为地块k土壤层蓄水变量；ΔGk为地块k地下水库蓄水变量；m为作物种类编号；n为作物种类总和；ETk,m为地块k中m类作物的蒸散发量。

采用纳什效率系数评价模型性能，公式如下：

(2)

2 结果与分析

2.1 模型模拟效果检验

采用策勒绿洲2008年实测地下水埋深率定模型参数，并进行验证。图4将模拟的地下水埋深与实测值进行对比，计算得出相对误差均小于15%，Ens基本大于0.5(如渠西Ens值为0.300～0.746)，可以看出一致性较好。部分偏差的原因可能是：①模拟中时间上的最小尺度为1 d，实际上不同地块的灌溉时段可能有差别；②将研究区土壤概化为均质各向同性，而实际中上土壤层渗透系数要小于下土壤层。模型模拟与实测结果的比较可以说明，修正后的平原耗散型模型能够恰当地模拟绿洲水分转换过程，因此可以用于绿洲水均衡分析。

2.2 绿洲水均衡分析

利用建立的水平衡模型对2008年研究区不同地块进行模拟，得到水平衡框架如表1所示。

研究区域土壤层和地下水层的水分输入输出比例如图5所示。在土壤水分输入项主要包括渠道灌溉量、降水量和抽水灌溉量，其中各地块水分主要来源于渠道灌溉量，达到土壤水分供给的96.02%，而降水量和抽水灌溉只占极小的比例。在土壤层输出项中，地块内腾发量与深层渗漏量的比例大约在5∶1。在地下水输入中，渗漏补给量与地下水侧向入流量之比约为5∶2，渗漏补给量为田间灌溉时的深层渗漏量。在地下水输出方面，地下抽水量所占的比重非常小，占6.45%，其余均为地下水侧向入流量，地下抽水只发生在春季，春季渠道灌溉量较少，抽取少量地下水以满足春季作物的灌溉需求。

图4 研究区地下水埋深模拟值与实测值对比

表1 研究区水平衡框架 mm/a

图5 研究区水分收支

2.3 绿洲用水效率分析

图6为不同尺度渠西和渠东灌溉水利用效率的评估结果。从图6中可以看出，尺度增加渠西和渠东用水效率均为上升趋势，但上升并不明显。渠西地块从1个到4个，灌溉水利用效率从81.48%变化到83.42%，提升了1.94%，渠东从83.07%变化到84.17%，只提升1.11%，渠西的变化比渠东大的原因可能是渠西的回归水重复利用比例即抽水灌溉量比例比渠东大。

图6 不同尺度渠西和渠东用水效率

3 讨 论

用水效率具有尺度效应是各地块之间回归水重复利用和各地块之间种植结构的差异性导致的[9，10]。许多水文学者发现灌溉水利用效率会随尺度的增大而变大[11，12]。但在本文的典型绿洲研究中，虽然可以观察到一定的用水效率随尺度增加而上升的尺度效应，但是并不完全吻合。其中，渠西处从尺度C到尺度D的用水效率却在尺度上有所减少。究其原因可能为地块④相较于其他地块粮食作物种植面积相对较大，而果树面积相较小，为保证粮食产量，粮食作物灌溉需水量比果树大，用水效率较低，使得渠西尺度D的用水效率较低。

干旱区平原绿洲耗散型水文模型在新疆典型绿洲的应用需要对模型参数进行本地化调试。本文研究虽然成功实现了典型绿洲内水均衡模型的分析，但仅以2008年为典型年数据。策勒绿洲部分数据并不完全，模型使用过程中减少了初始模型参数数量，使得模型对某些参数过于敏感，模型模拟结果与实际情况有差别。本文未将不同模型应用在策勒地区进行对比，不能明显表现选择该模型的优越性，仍有待后续进一步的工作。

4 结 论

该模型基于策勒绿洲2008年的实测数据，将模型应用在中国塔里木盆地南缘的小区域时调试参数并验证，用本地化的参数对2008年策勒地下水埋深进行模拟，结果表明：

(1)本地化参数后的干旱区平原绿洲耗散型水文模型能较好地模拟策勒绿洲各个分区的地下水埋深。

(2)模型输出研究区的水平衡结果显示，土壤水的主要输入是渠道灌溉量，主要输出是腾发量；地下水层主要输入是深层渗漏量，主要输出是地下水侧向出流量。

(3)研究区用水效率的分析结果验证了用水效率随尺度增大而增大，回归水重复利用比例和作物空间差异性会影响用水效率的尺度效应。回归水重复利用比例偏低导致用水效率的尺度效应有限，作物空间差异性也对尺度效应有削减作用。