浅析塔里木河干流河段水量渗漏

何向东

(阿克苏水文勘测局,新疆 阿克苏 843000)

1 概述

塔里木河是国最长的内陆河,干流位于塔克拉玛干沙漠北部,自叶尔羌河、和田河及阿克苏河汇合口起点肖夹克开始至台特玛湖,全长共 1 321 km,是中国最长的内陆河。按塔里木河干流地貌特征,将阿拉尔至英巴扎划为上游,英巴扎至恰拉为中游,恰拉至台特玛湖为下游。流域水系演变频繁,主河道自身多次南北摆动,地形为西高东低、北高南低,由西向东倾斜,河流具有游荡性,南北摆幅达 80～130 km。属平原型河流。塔里木河干流自身不产流,干流水量主要由阿克苏河、叶尔羌河、和田河三源流补给。上游河段河道比较顺直,汊流少,水面较宽,一般在500～1 000 m, 河漫滩发育明显,阶地发育不明显。中游段河道弯曲,水流缓慢,水面宽度明显减少,一般在200～500 m。

图1 塔里木河水系示意图

其干流不产流,属纯耗散性河流,其中河道径流在河道运行过程中通过河床渗漏补给地下水,是沿岸植被生态需水的重要来源。根据水文断面分布,将塔里木河上游分为阿拉尔～新渠满、新渠满～英巴扎两河段,中游为英巴扎～乌斯曼、乌斯曼～恰拉两河段,下游为恰拉～台特玛湖河段。

2 数据来源及计算方法

2.1 数据来源

本文在计算时采用了 2006-2018 年阿拉尔、新渠满、英巴扎、乌斯曼、阿其克及恰拉等水文站的月径流数据;上游阿拉尔、新渠满和中游英巴扎、沙吉力克、沙子河口、乌斯曼、阿其克、铁依孜、恰拉监测断面地下水数据;塔里木河下游大西海子、英苏、阿拉干、依干不及麻、台特玛湖等 5 个地表水监测断面,12 个地下水监测断面和 3 个土壤水监测断面,及 77 眼地下水监测井数据。

2.2 研究方法

2.2.1 上中游渗漏水量计算

根据地下水动力学的基本定律——达西定律,河水下渗水量的计算公式为:

QR=WLq R=K等效WL(hR-hG)/△L

(1)

式中:QR为河段渗漏量(m3),K等效为渗透系数(m/d),本文利用河段采样点渗透系数均值,W为河宽(m),L为河长(m),hR为河道水位(m),hG为地下水位(m),△L为河道水量补给地下水路径长度(m),地下水位hG与△L为实际观测数据。根据以往研究成果,塔里木河干流阿拉尔～新渠满、新渠满～英巴扎、英巴扎～乌斯满、乌斯满～恰拉河段渗透系数均值分别为 0.053 m/d、0.139 m/d、0.191 m/d、0.265 m/d(t=20 ℃)。

根据前人研究成果研究成果,河流水面宽度W及河道水位hG可根据断面径流流量求出,各段河流水面宽度 W 及河道水位 hR 计算公式为:

WAL=15.582QAL0.498 5

(2)

hR-AL=0.409Ln(QAL)

(3)

式中:WAL为阿拉尔水文断面水面宽度(m),hR-AL为阿拉尔水文断面河道水位,QAL为阿拉尔水文断面径流量(亿 m3)。

WXQ=24.476QXQ0.380 9

(4)

hR-XQ=0.409Ln(QXQ)

(5)

式中:WXQ为新渠满水文断面水面宽度(m),hR-XQ为新渠满水文断面河道水位,QXQ为新渠满水文断面径流量(亿m3)。

WYB=24.476QYB0.177 6

(6)

hR-YB=0.8 hR-XQ

(7)

式中:WYB为英巴扎水文断面水面宽度(m),hR-YB为新渠满水文断面河道水位,QYB为英巴扎水文断面径流量(亿 m3)。

2.2.2 下游水量平衡计算

河道水量平衡包含包气带补给水量、地下水补给量、河道水面蒸发量和尾闾湖泊的入湖水量。其中,河道沿岸包气带补给量主要用于裸地蒸发、植物蒸腾、及增加土壤含水量。塔里木河下游大西海子至台特玛湖生态输水的水量平衡方程如下:

W下= W包+W地下+W蒸发+ W入湖

(8)

式中:W下为大西海子水库下泄水量,即下游河道来水总量;W包为输水间河道沿岸包气带的补给水量,包括输水期内腾发量与包气带净增水量;W地下为输水期内河道沿岸地下水补给量;W蒸发为输水期间河道水面蒸发量;W入湖为进入台特玛湖水量。

3 塔里木河上中游渗漏水量变化特点

3.1 上中游渗漏水量变化特点

塔里木河干流河床平坦宽阔,地表水下渗补给地下水具有良好的水文地质条件,利用各河段径流及沿岸地下水监测数据推算出各河段逐年渗漏水量,结果如表1所示。

表1 塔里木河上中游渗漏水量总体特征

根据表1,2006-2018年之间塔里木河干流上中游平均渗漏水量为 10.64 亿 m3,其中阿拉尔～新渠满、新渠满～英巴扎、英巴扎～乌斯曼及乌斯曼～恰拉河段渗漏水量均值分别为 2.92 亿 m3、2.82 亿 m3、2.68 亿 m3及 2.22 亿 m3,分别占总渗漏水量的 27.47%、26.48%、25.16%及 20.88%。单位河长渗漏量均值为 125.87万 m3/km,其中阿拉尔～新渠满河段单位河长渗漏水量为 154.58万 m3/km,英巴扎～乌斯曼河段次之,为149.52万 m3/km,新渠满～英巴扎与乌斯曼～恰拉河段单位河长渗漏水量较为接近,分别为 109.18万 m3/km、101.42万 m3/km,阿拉尔～ 新渠满为塔里木河干流起点河段,来水量较大,河道内水位较高,且河床宽阔, 因此渗漏能力较强,单位河长渗漏水量较大;英巴扎～乌斯曼流速较慢,河床沉积物质地较粗,渗漏能力也较强。

3.2 上中游渗漏水量逐年变化特点

受源流区来水影响,塔里木河干流来水存在显著的年际变化特征,渗漏过程与来水过程密切相关,本报告基于渗漏水量逐月计算结果,分析厘清 2006-2018 年的渗漏水量变化特点(图 2)。2006-2018 年之间,塔里木河干流渗漏水量年际变化显著,总体介于 8.56 亿 m3(2014年)～14.54亿 m3(2017 年),2006-2009 年之间不断减少,2010 年增大,2011-2013 年之间变化较小, 2014-2018 年渗漏水量呈现增加。从各河段渗漏水量占比来看,2006-2009 年之间,阿拉尔～新渠满和新渠满～英巴扎渗漏水量所占比例逐渐增大,2010-2018 年之间,塔里木河上游(阿拉尔～新渠满和新渠满～英巴扎)和中游(英巴扎～乌斯曼和乌斯曼～恰拉)所占比例变化较小,总体呈现出渗漏水量越小,上游(阿拉尔～新渠满及新渠满～英巴扎)渗漏水量所占比例越大,如 2009年,渗漏水量仅9 亿 m3,阿拉尔～新渠满和新渠满～英巴扎占比达到 84.44%;反之,阿拉尔～ 新渠满和新渠满～英巴扎所占比例越小,如 2010年,渗漏水量达到 12.69亿 m3, 阿拉尔～新渠满和新渠满～英巴扎所占比例仅为 44.37%。这与当年来水情况有关,来水偏少的年份干流来水在上游河段大量消耗,至中游英巴扎断面来水量极小,造成中游河段渗漏水量明显小于上游河段。

图2 2006-2018 年塔里木河干流渗漏水量变化(A)及各河段占比(B)特点

3.3 上中游渗漏水量年内分布特征

塔里木河是一条季节性河流,年内存在明显的丰枯变化,为厘清渗漏水量的年内分布特征,本报告利用2006-2018 年塔里木河干流各河段逐月渗漏水量计算数据,求出每月的平均渗漏水量,见图3。塔里木河干流上中游渗漏水量主要集中在7-9月份,共占年平均渗漏水量的 65.74%,其中8月份渗漏水量最多,占33.15%。11月至次年 4 月仅占年平均渗漏水量的15.2%。

图3 2006-2016 年塔里木河干流渗漏水量年内分布特征

3.4 渗漏水量与来水量关系分析

根据前文分析,塔里木河干流上中游渗漏水量存在显著的年际和年内变化, 而来水量是造成这种差异的主要原因。因此,本报告利用各断面的逐月径流数据和各河段逐月渗漏水量数据,拟合两者的关系方程,明确来水与渗漏水量关系(图4和表2)。

表2 断面来水与河段渗漏水量拟合方程

图4 断面来水与河段渗漏水量拟合方程

根据图 4 和表2,断面来水与河段渗漏水量均呈显著的正相关关系,即随着来水量的增加渗漏水量也呈增加趋势。其中,乌斯曼～恰拉渗漏水量与断面来水拟合关系最好(R2=0.887 7),英巴扎～乌斯曼拟合关系最差(R2=0.639 7)。但随着来水量的持续增加,渗漏水量增长幅度逐渐减小,这与河道本身水文地质条件相关,来水量的增加使得河道水位及水面宽幅不断增加,渗漏水量进而增多, 但随着来水量的持续增加,受河道形态影响,河道内水位及水面宽幅增加幅度减缓,且径流会漫过堤防,形成漫溢跑水,从而使得渗漏水量增速放缓。

4 结语

通过计算,塔里木河干流2006-2018 年之间上中游平均渗漏水量为 10.64 亿 m3, 其中阿拉尔～新渠满、新渠满～英巴扎、英巴扎～乌斯曼及乌斯曼～恰拉河段分别占总渗漏水量的 27.47%、26.48%、25.16%及 20.88%;上中游渗漏水量主要集中在7-9月份,共占年平均渗漏水量的65.74%,其中8 月份渗漏水量最多,占33.15%;断面来水与河段渗漏水量均呈显著的正相关关系,即随着来水量的增加渗漏水量也呈增加趋势。其中,乌斯曼～ 恰拉渗漏水量与断面来水拟合关系最好(R2=0.887 7),英巴扎～乌斯曼拟合关系最差。