塔里木河水量平衡計算與分析

□孟棟偉（塔里木河流域水政監(jiān)察分隊）

1 區(qū)域概況

塔里木河流域位于新疆南部，是環(huán)塔里木盆地的阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都－孔雀河、迪那河、渭干河與庫車河、克里雅河和車爾臣河等九大水系144條河流的總稱。流域總面積102萬km2。塔里木河干流位于塔里木盆地北緣，起始于阿克蘇河、葉爾羌河及和田河的交匯處—肖夾克，歸宿于臺特馬湖，干流全長1 321 km。地勢為西高東低、北高南低，由西向東傾斜，至鐵干里克轉(zhuǎn)向由北向南。塔里木河歷史上是著名的游蕩性河流，北至天山山麓，南至塔克拉瑪干沙漠，擺幅達(dá)80～130 km。北部受天山褶皺構(gòu)造抬升而使沖積扇形平原向南延伸，迫使河流南移；南部沖積平原受沖積物和風(fēng)成沙的堆高，又迫使河流北返，如此往復(fù)，便形成了廣闊而深厚的平原。

2 研究數(shù)據(jù)

2.1 水文與氣象

塔河干流屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，多風(fēng)，日照長，溫差大，夏季炎熱，冬季干冷。多年平均氣溫10.70℃，極端最高氣溫達(dá)43.60℃，極端最低氣溫-30.90℃。＞10℃積溫4 000～4 500℃之間，日照小時數(shù)約3 000 h，無霜期187-233 d。多年平均降水量17.40～42.80 mm，蒸發(fā)能力為1 125～1 600 mm（以折算E－601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量計算），干旱指數(shù)為17～50，屬極端干旱地區(qū)。干流地區(qū)多風(fēng)沙、浮塵天氣，以下游地區(qū)尤為嚴(yán)重，每年大風(fēng)（＞17.20 m/s即8級以上風(fēng)）天氣達(dá)20 d之多，若羌縣達(dá)40 d之多；沙暴日多達(dá)20 d，起沙風(fēng)（＞5 m/s）年均出現(xiàn)202次，最大風(fēng)速達(dá)40 m/s。

2.2 水位

由于塔里木河干流治理河段長，河段內(nèi)水位、流量的測驗站少，各河段設(shè)計水位主要用天然河道水面線（伯努力方程）推算?？紤]到大斷面測量時間不一，有些斷面不滿足寬度要求，本次利用現(xiàn)有水文站的設(shè)計水位流量關(guān)系對推算結(jié)果進(jìn)行了修正。到2005年，各水文站水位流量關(guān)系以現(xiàn)狀水位流量關(guān)系作為基礎(chǔ)，并考慮設(shè)計水平年河床淤積進(jìn)行設(shè)計。

3 水量平衡計算

3.1 水量平衡模型

基于出入河流的水量之差與河流增減水之間的關(guān)系，建立水量平衡方程式如下：

其中：△t—計算的時段；△V—流域庫容變化量（m3），時段末水量大于時段初水量時，△V＞0，反之，△V＜0；A—流域水面面積（m2），其為水位h的函數(shù)；P—流域降水量（mm）；E—流域蒸發(fā)量（mm）；Qin—流域入水量（m3）；Qout—流域出水量（m3）。

考慮到塔里木河的實際情況，可以將式（1）表示如下：

3.2 水平衡項計算

獨立封閉的塔里木盆地為內(nèi)陸盆地，地下水從西向東，從南、北兩側(cè)向塔里木河干流匯集，盆地內(nèi)深厚的松散層，形成連通的孔隙潛水含水層，松散層主要為粉砂、細(xì)砂和砂壤土，具中等富水性和透水性，滲透系數(shù)在10-3cm/s左右。干流區(qū)年降水量40 mm左右，入滲補(bǔ)給甚微；寬廣的盆地，地形高差不大，地下水坡降小流速甚微。近河靠洪水期側(cè)向入滲和泛濫漫溢區(qū)入滲及沼澤、湖泊、水庫、渠系、農(nóng)田灌水入滲補(bǔ)給地下水。地下水排泄靠河道枯水期，水位降低時側(cè)向回滲以及灌區(qū)排水渠和泛濫平原區(qū)低洼地水位高于臨界水深時，大氣蒸發(fā)或植物蒸騰。

3.2.1 河川徑流量

根據(jù)1956-1999年（水文年）實測資料統(tǒng)計，多年平均進(jìn)入塔里木河干流的水量為46.30億m3，其中汛期（7-9月）32.50億m3，占全年來水量的70.20%；非汛期（10-來年6月）13.80億m3，占全年來水量的29.80%。自20世紀(jì)50年代起至90年代末，進(jìn)入干流的水量呈遞減的趨勢，由50年代的55.60億m3減少到90年代41.60億m3。徑流量的年際變化較大，阿拉爾斷面最大年徑流為77.60億m3（1956年）,最小為28.10億m3（1993年），最大與最小年徑流之比為2.76。

3.2.2 河面蒸發(fā)量

河面蒸發(fā)量是塔里木河水量平衡的重要構(gòu)成要素，塔河于1980年以后若干測站觀測數(shù)據(jù)缺失且蒸發(fā)皿折算系數(shù)出現(xiàn)異常，為此，筆者建立塔河水面蒸發(fā)量模型并結(jié)合彭曼公式法進(jìn)行河面蒸發(fā)量的計算，彭曼公式對氣象數(shù)據(jù)要求較充足，許多測站都無法滿足其要求，所以筆者引用Valinantzas等人對彭曼公式所進(jìn)行的化簡，只需要有溫度、濕度、日照、風(fēng)速等數(shù)據(jù)指標(biāo)就可以計算出河面蒸發(fā)量。

圖1 塔河蒸發(fā)量計算值與觀測值的擬合圖

其中：EPEN——河面蒸發(fā)量（mm）；α——太陽輻射的水面反射系數(shù)，取α=0.08；RS——大氣底太陽輻射強(qiáng)度（MJ/m2·d）；RA——大氣頂太陽輻射強(qiáng)度（MJ/m2·d）；RH——相對濕度（%）；U——風(fēng)速（m/s）；T——溫度均值，T=（Tmax+Tmin）/2，Tmax、Tmin為溫度最高、最低值。

在6個測站中，烏斯?jié)M站的蒸發(fā)量計算值與觀測值吻合程度最佳，故選其為塔河蒸發(fā)量，式（4）所給出的簡化公式僅僅適合溫度均值≥-9℃的情況，即只能計算塔河4-11月的蒸發(fā)量，11-來年3月的蒸發(fā)量（占全年蒸發(fā)量5.40%）按照年內(nèi)蒸發(fā)量分布比例加以推算。

將塔河全年蒸發(fā)量與測站觀測值對比，蒸發(fā)皿折算系數(shù)取0.64，則通過圖1可以看出，觀測值與計算值相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94，充分表明擬合程度較優(yōu)。

3.3 水量平衡計算

第三時段內(nèi)，水位、降水和徑流發(fā)生了更大的變化，為了尋找原因，可以用實測值減去系列均值后計算各個氣象因素的累積距平值。經(jīng)計算，降水、蒸發(fā)、徑流和水位的系列均值為256.98 mm、1 137.81 mm、10.87×108m3和541 m，其累計距平值的變動均呈現(xiàn)規(guī)律性。起初，水位、降水和徑流具有近乎一致的變動趨勢，在1985年達(dá)到最低后急劇反轉(zhuǎn)上升，至2001年達(dá)到最高后又急劇下降，與此同時蒸發(fā)的變動則恰恰相反。第二時段的水位、降水和徑流的累積距平值變化幅度小于第三時段，而蒸發(fā)正好相反，這表明2001年后塔河水位急劇下降并非由蒸發(fā)變動而致，很可能由降水和徑流的急劇下降引起，而這一變化應(yīng)歸因于氣候的變化，結(jié)合氣象衛(wèi)星遙感檢測資料對塔河區(qū)域氣候變化的分析結(jié)果可以看出，21世紀(jì)以來，干燥事件的明顯增多引致干旱事件頻發(fā)，氣候逐漸變得暖干，導(dǎo)致降水減少、徑流減少而蒸發(fā)增大，這也與文章的分析結(jié)果一致。

表1中，△V表示考慮到徑流Q、降水P、蒸發(fā)E之后的流域庫容變化量，從計算結(jié)果的對比可以看出，按照相關(guān)系數(shù)取值大小的順序，徑流+降水對庫容影響最大，其次為徑流，影響最小的是蒸發(fā)，這與上述分析結(jié)論完全吻合。

4 結(jié)論

文章對塔里木河干流水文過程和水平衡過程進(jìn)行了計算，并進(jìn)行了月水量的平衡分析，計算結(jié)果表明，2001年后氣候的變化造成塔河水位持續(xù)降低，降水減少，蒸發(fā)增大，進(jìn)而引起塔河水量損失，徑流和入水量均減少，河川徑流對流域水位影響程度最大。雖然文章所計算的塔河水量平衡結(jié)果與已有的研究成果存在些許差距，這主要是由于計算方法、所選時段和時間步長等客觀因素造成，并不影響結(jié)論的科學(xué)性。

表1 塔河水量平衡的相關(guān)分析表

［1］王志杰，李暢游，等.內(nèi)蒙古呼倫湖水量平衡計算與分析［J］，湖泊科學(xué)，2012，24（2）：273-281.

［2］鄧秋良，周明.淺析預(yù)蓄充庫灌區(qū)的水量平衡計算［J］.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，水利規(guī)劃與設(shè)計，2011（3）：25-29.