新疆白楊河流域水資源可利用量與生態(tài)需水分析

謝 蕾

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

水資源可利用量與可供水量是水資源規(guī)劃的重要指標(biāo)，其中水資源可利用量是控制水資源的合理開發(fā)利用的重要指標(biāo)，可供水量是規(guī)劃水資源供需分析的基礎(chǔ)。根據(jù)國務(wù)院國發(fā)〔2012〕3號《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，要求嚴(yán)格控制用水總量，全面提高用水效率，嚴(yán)格控制入河湖排污總量[1]。新疆維吾爾自治區(qū)水利廳于2017年編制完成了《新疆用水總量控制方案》，2020年全疆用水控制指標(biāo)為550.2億m3，2030年為526億m3，并將分解到十四個地州各縣級行政區(qū)的用水總量控制指標(biāo)下發(fā)到各地(州、市)、兵團(tuán)師(市)，要求細(xì)化分解任務(wù)落實，在進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃時原則上均要嚴(yán)格按照用水總量控制方案進(jìn)行。

在進(jìn)行流域水資源規(guī)劃工作過程中，涉及到跨兩個地州的河流時，出現(xiàn)了上下游兩地在各自行政區(qū)的“三條紅線”用水總量控制指標(biāo)保持不變的前提下，為爭取水權(quán)，出現(xiàn)流域“三條紅線”地表水用水總量控制指標(biāo)超過本流域的地表水資源量的不合理情況。因此本文通過科學(xué)分析流域可利用水資源量，并在此基礎(chǔ)上計算可供水量，為白楊河流域確定分河流的“三條紅線”及水資源規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

白楊河發(fā)源于東天山支脈博格達(dá)山南坡，上游達(dá)坂城區(qū)主要支流有黑溝、阿克蘇河、高崖子溝等，托克遜縣的主要支流有柯爾堿溝和阿拉溝，最終流向尾閭-吐魯番市境內(nèi)的艾丁湖，河流全長150km，流域總面積5173.4km2。艾丁湖為季節(jié)性湖泊，是吐魯番盆地水系的尾閭和最后歸宿地[2]，其向心水系的主要河流有白楊河、阿拉溝等14條河流，除有白楊河在部分季節(jié)有水進(jìn)入艾丁湖，其他河流已斷流。

白楊河峽口水文站以上集水面積2160km2，多年平均降水量為7.55億m3(折合146mm)，達(dá)坂城區(qū)降水量約240mm，托克遜縣降水量約65mm，降水量東北部大于西南部。達(dá)坂城區(qū)年蒸發(fā)量約1070mm，干旱指數(shù)為3～19，屬溫帶大陸性干旱和半干旱氣候；托克遜縣年蒸發(fā)量約1400mm，干旱指數(shù)為85～225，屬極端干旱的溫帶內(nèi)陸荒漠氣候。

2 計算方法和數(shù)據(jù)

2.1地表水資源可利用量計算方法

2.1.1 評價方法一

地表水資源可利用量的計算需統(tǒng)籌考慮河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境和其它用水，可供“三生”利用的一次性最大水量(不含回歸水)。干旱半干旱區(qū)的計算公式如下[3- 4]：

W地表水可利用量=W天然河川徑流量-W不可以被利用量-W不可能被利用量

(1)

(1)不可以被利用水量計算

不可以被經(jīng)濟(jì)社會利用地表水量主要包括：①按照有關(guān)規(guī)定預(yù)留給上游、下游區(qū)域的利用量(W上、W下)；②用于保持通河濕地與湖泊維持水量平衡的水量(W濕地、R入湖)；③河道內(nèi)需保持的最小水量，在干旱區(qū)為河道兩岸天然植被需水(W河谷林草)、保持河道基本功能的水量[5](W生態(tài)基流)。地表水資源可利用量計算關(guān)鍵是如何確定維持通河湖泊濕地水量平衡的水量和河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量。

W濕地、W河谷林草計算方法：

對于用于維持通河湖泊濕地水量平衡等生態(tài)用水采用面積定額法[6- 8]，計算公式為：

(2)

式中，Wi/a—i項植被類型的年生態(tài)需水量，i代表濕地草甸或河谷林草；ET0t—第t月參考作物蒸發(fā)量，mm；t從4—10月，理論上參考Penman-Monteith計算；kt，i，—i項植被類型t月生態(tài)需水系數(shù)，為植物最大需水量與最大可能蒸散量之比，以參考作物蒸發(fā)量為基礎(chǔ)，乘植物系數(shù)kt后即為植物實際最大蒸散需求量[9]；Pet—第t月的有效降水量，mm；Ai—i種植被類型的生態(tài)面積。

R入湖計算方法：

R入湖指通河湖泊補(bǔ)水量，計算公式為：

R入湖=(E-P)+ΔV

(3)

式中，E—湖面蒸發(fā)量、P—湖面降雨量、ΔV—湖泊水量儲變量。

W生態(tài)基流計算方法：

生態(tài)基流是指為維持河流基本生態(tài)功能和形態(tài)的河道內(nèi)最小流量。河流基本生態(tài)功能主要為維持河道不斷流、避免河流水生生物群落遭受到無法恢復(fù)的破壞等。結(jié)合研究區(qū)特點，本次河道內(nèi)需保留的最小水量(W生態(tài)基流)采用水文學(xué)法中Tennant的標(biāo)準(zhǔn)流量核定方法分析確定。

(2)不可能被利用地表水量計算

不可能被利用水量主要為受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素限制，開發(fā)利用有難度的地表水和工程調(diào)節(jié)能力之外的調(diào)洪棄水。但實際情況往往是將調(diào)洪棄水看作河道內(nèi)需保持最小水量的一部分，不計入不可能被利用水量中[5]。受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素限制開發(fā)利用有難度的地表水(W不可能)為發(fā)源于前山帶的保證率低的季節(jié)性暴雨洪溝產(chǎn)水量、高山區(qū)外流河及山間盆地等產(chǎn)水，利用徑流深等值線圖量算的方法估算該水量。

2.1.2 評價方法二

利用地表水資源量扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，計算公式為：

W地表水可利用量=W地表水資源量-W生態(tài)需水

(4)

式中，W地表水資源量—多年平均地表水資源量；W生態(tài)需水—河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為基本生態(tài)環(huán)境需水量(W生態(tài)基流)和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量(W濕地、R入湖、W河谷林草)兩部分組成。河道內(nèi)需水具有不耗水且可多項功能用水可以重復(fù)利用的特點，因此河道內(nèi)總需水量是在各項河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)需水量計算的基礎(chǔ)上取外包值。

2.2 水資源可利用總量計算方法

水資源可利用總量估算公式為：

W可利用總量=W地表+W地下-W重復(fù)量

(5)

W重復(fù)量=ρ(W渠滲+W田滲)

式中，W地表—地表水資源可利用量；W地下—淺層地下水資源可開采量；W重復(fù)量—平原區(qū)淺層地下水的渠系滲漏和田間入滲補(bǔ)給量的開采利用部分；ρ—可開采系數(shù)，是地下水資源可開采量與地下水資源量的比值。

2.3 數(shù)據(jù)來源

文章徑流分析選用數(shù)據(jù)來自達(dá)坂城黑溝渠首、阿克蘇渠首、高崖子渠首等水文巡測站；峽口、柯爾堿溝、英雄橋、阜康白楊河、煤窯溝、阿拉溝等國家基本水文站、小草湖水文專用站等建站以來到2014年實測系列資料。降雨、蒸發(fā)分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選用達(dá)坂城站國家基本氣象站、阿拉溝水文站、吐魯番國家基本氣象站、托克遜國家基本氣象站等系列實測資料。生態(tài)需水分析面積數(shù)據(jù)采用2015年的白楊河流域遙感衛(wèi)片解譯。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 水資源總量評價成果

根據(jù)實測與徑流深等值線量算等方法計算，白楊河流域水資源總量(1956—2014年系列)為31009萬m3，其中地表水資源量為25920萬m3，地下水天然補(bǔ)給量為5089萬m3，詳見表1。還原后白楊河達(dá)坂城區(qū)與托克遜縣界處年徑流量為23566萬m3，白楊河烏魯木齊市實測出區(qū)水量、白楊河入托克遜縣實測入?yún)^(qū)水量為13164萬m3。

3.2 上游區(qū)利用、預(yù)留給下游區(qū)(W上、下)及不可能利用水量(W不可能)

白楊河流域上下游分別在兩個完整的行政區(qū)，對于全流域W上和W下均為零。

W不可能為利用徑流深等值線圖估算前山帶的流程短水量保證程度低的間歇性暴雨洪溝產(chǎn)水量為3085萬m3。

3.3 生態(tài)環(huán)境需水量

3.3.1河谷林草需水量(W河谷林草)

白楊河流域河谷區(qū)分布有少量河谷林草植被，主要由河谷疏林、灌叢和河漫灘低地草甸植被組成，河谷林草植被具有水域涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性等生態(tài)功能，但受流域水資源開發(fā)、灌區(qū)擴(kuò)張、草場過牧等因素的影響，河谷林草面積萎縮，呈衰敗趨勢，噩待保護(hù)。根據(jù)遙感解譯成果，白楊河流域現(xiàn)狀河谷林草面積3540.3hm2，其中黑溝、阿克蘇溝、高崖子溝平原區(qū)河谷林草面積為2938.2hm2、白楊河干流區(qū)為602.1hm2，詳見表2；白楊河流域多年平均參考作物騰發(fā)量ET0，選取達(dá)坂城氣象站和托克遜縣氣象站氣象資料，其中黑溝區(qū)、阿克蘇溝區(qū)和高崖子溝區(qū)采用達(dá)坂城氣象站E601實測資料，白楊河干流區(qū)采用托克遜縣氣象站E601實測資料詳見表3；生態(tài)需水系數(shù)kt參考新疆地方標(biāo)準(zhǔn)中林業(yè)灌溉用水定額，結(jié)合流域植被生長需滿足的地下水位要求、土壤供水條件等因素，確定本流域的生態(tài)需水系數(shù)，詳見表4；多年平均降水量Pe月過的程詳見表5，經(jīng)計算流域河谷林草需水量W河谷林草為1148萬m3，詳見表6。

表1 白楊河流域各分區(qū)水資源量表 單位：km2/萬m3

表2 白楊河流域分區(qū)河谷林草面積A統(tǒng)計表 單位：hm2

表3 白楊河流域多年平均參考作物蒸散發(fā)量ET0計算結(jié)果表 單位：mm

表4 白楊河流域河谷林草生態(tài)需水系數(shù)K

表5 白楊河流域多年平均降水量Pe年內(nèi)分配過程表 單位：mm

表6 白楊河流域河谷林草需水量計算成果表 單位：萬m3

表7 白楊河流域峽口控制斷面生態(tài)基流計算表

表8 白楊河流域分區(qū)平原區(qū)濕地生態(tài)需水計算過程表

3.3.2河道內(nèi)需保留的最小水量(W生態(tài)基流)

河道內(nèi)需保持的最小水量推薦采用水文學(xué)法中的Tennant法作為生態(tài)基流確定的方法。將10—3月多年平均流量的10%、4—9月多年平均流量的30%作為生態(tài)基流，詳見表7。

3.3.3 維持通河湖泊濕地水量平衡的水量

(1)通河濕地水量(W濕地)

根據(jù)生態(tài)調(diào)查及遙感調(diào)查成果，白楊河流域濕地主要分布于達(dá)坂城城區(qū)以南，黑溝、阿克蘇溝、高崖子溝匯合處的大草湖區(qū)和干流下游小草湖區(qū)，在各源流出山口以下的灌區(qū)周邊也有少量分布，總面積1504.7hm2，其中黑溝、阿克蘇溝、高崖子溝平原區(qū)濕地面積1421.4hm2，白楊河干流區(qū)濕地面積為83.3hm2，濕地需水量為1627萬m3，逐月生態(tài)需水系數(shù)和分區(qū)需水量詳見表8。

(2)通河湖泊-艾丁湖需白楊河供水量(R入湖)

艾丁湖位于吐魯番市境內(nèi)，是吐魯番盆地水系14條河共同的尾閭和最終歸宿地，隨著上游用水量大幅度增加，入湖水量顯著減少，已經(jīng)退化為鹽湖，生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)惡化。白楊河作為艾丁湖入湖水系之一，需要承擔(dān)向艾丁湖補(bǔ)水的任務(wù)，改善艾丁湖生態(tài)環(huán)境。

根據(jù)調(diào)查研究，為保證艾丁湖的基本生態(tài)功能，湖區(qū)生態(tài)需水量為5.03億m3，其中河道蒸發(fā)需水量為0.67億m3，自然旱生植被需水量為3.56億m3，艾丁湖生態(tài)補(bǔ)水為0.80億m3[10]。其中需白楊河承擔(dān)的艾丁湖生態(tài)供水量為3024萬m3[11]。

3.4 流域多年平均水資源可利用量結(jié)果

白楊河流域河道最小生態(tài)環(huán)境需水量統(tǒng)籌考慮生態(tài)基流及給艾丁湖生態(tài)補(bǔ)水量，逐月取外包值；流域地下水可開采量9492萬m3，地下水可開采量與地表水可利用量不重復(fù)的一次性地下水可開采量為4925萬m3(其中達(dá)坂城區(qū)可開采系數(shù)ρ取0.5，托克遜縣ρ取0.65)。

3.4.1 方法一評價結(jié)果

方法一利用倒算法在白楊河流域多年平均地表水資源量25920萬m3基礎(chǔ)上，扣除不可能被利用水量3085萬m3、河谷林草和濕地需水量2775萬m3，給艾丁湖生態(tài)補(bǔ)水量3024萬m3，白楊河地表水可利用量為17036萬m3，占地表水資源量的66%；加上地下水可開采量與地表水可利用量不重復(fù)的一次性地下水可開采量，方法一計算的白楊河流域利用水資源可利用總量為21961萬m3，詳見表9。

3.4.2 方法二評價結(jié)果

方法二地表水可利用量用地表水資源量25920萬m3扣除河谷林草濕地需水量2775萬m3和預(yù)留艾丁湖的生態(tài)水量3024萬m3后，其余20121萬m3均為地表水可利用量。方法二計算的流域水資源可利用總量為25046萬m3，方法與結(jié)果詳見圖1和表9。

3.5 推薦結(jié)果

白楊河流域位于干旱區(qū)又是跨區(qū)河流，考慮到不可能被利用水量3085萬m3為等值線圖量算的山前平原區(qū)不受水文站控制的徑流，其分布位置有部分在達(dá)坂城濕地附近，其中有相當(dāng)一部分為濕地所耗，一部分滲入地下轉(zhuǎn)化為地下水最終被天然植被消耗，可以認(rèn)為，該水量屬于狹義生態(tài)環(huán)境需水概念，即維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再惡化并有所改善所需的水資源總量。所以本文推薦方法二計算的水資源可利用量25046萬m3，其中地表水可利用量為20121萬m3。

表9 白楊河流域水資源可利用量表 單位：萬m3

圖1 白楊河流域水資源可利用量及可供水量計算框圖(萬m3)

評價指標(biāo)度量標(biāo)準(zhǔn)承載狀況判別超載臨界超載不超載用水總量用水總量指標(biāo)>用水總量指標(biāo)介于用水總量指標(biāo)的0.9～1倍<用水總量指標(biāo)的90%地下水開采量地下水開采量指標(biāo)>地下水開采量指標(biāo)介于地下水開采量指標(biāo)的0.9～1倍(對現(xiàn)狀地下水不超采的地區(qū)采用1倍)<地下水開采量指標(biāo)的90%(對現(xiàn)狀地下水不超采的地區(qū)采用100%)

4 流域水資源承載能力分析

4.1 流域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2016年白楊河流域總?cè)丝?0.91萬人，流域內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)為54.26億元，總灌溉面積44.72萬畝，綜合灌溉水利用系數(shù)0.51。2016年白楊河流域總用水量為37900萬m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為34812萬m3，占總用水量的91.8%。按供水水源分，地表水供水量為24964萬m3，占總用水量的65.9%；地下水開采量約12936萬m3，其中超采量為5122萬m3，超采區(qū)主要分布于托克遜縣夏鄉(xiāng)、郭勒布衣鄉(xiāng)、托克遜縣等灌區(qū)，托克遜縣屬中型嚴(yán)重超采區(qū)。

4.2 水資源承載能力核算

水資源承載能力選取用水總量指標(biāo)、地下水開采控制量(或可開采量)作為評價指標(biāo)。目前從達(dá)坂城和托克遜兩地分解到流域的“三條紅線”用水總量控制指標(biāo)合計超出流域水資源量可以看出，流域?qū)λY源需求大于流域水資源量，水資源短缺是限制流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸。隨著白楊河流域社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，流域上下游水資源供需矛盾更加尖銳，生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題也更加突出。因此為合理開發(fā)流域水資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，制定科學(xué)可行的用水總量控制指標(biāo)是十分必要和迫切的。

本文在水資源可利用量分析的基礎(chǔ)上，從流域水資源開發(fā)利用狀況、稟賦條件和未來水資源配置格局等方面考慮，采用地表水可利用量20121萬m3與地下水可開采量9492萬m3的合計值29612萬m3作為流域用水總量控制指標(biāo)是合理的，詳見圖1，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行流域水資源承載狀況的分析評價。

4.3 水資源承載狀況評價

參考表10的水資源承載狀況分析評價標(biāo)準(zhǔn)[12]，從現(xiàn)狀用水量37900萬m3超過用水總量控制指標(biāo)8288萬m3、地下水超采5122萬m3兩個方面分析，流域水資源承載狀況屬于超載。白楊河流域人均水資源量為2842m3，屬于缺水區(qū)域。流域存在的問題主要有農(nóng)業(yè)用水量占比大，且用水效率低；社會經(jīng)濟(jì)用水已嚴(yán)重擠占生態(tài)流量；上游缺乏控制性工程等。

5 結(jié)論和建議

(1)針對白楊河干旱區(qū)內(nèi)陸河流域自然環(huán)境及水資源特點，文章在充分考慮到生態(tài)環(huán)境用水基礎(chǔ)上，計算流域多年平均地表水可利用量，并分析了流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用及水資源承載狀況，為水資源合理配置提供依據(jù)和支撐，為相關(guān)跨區(qū)河流“三條紅線”用水總量控制指標(biāo)的復(fù)核和確定提供借鑒。

(2)為確保白楊河流域社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，建議近期應(yīng)加大流域節(jié)水力度，全面推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)，大力提高農(nóng)業(yè)等行業(yè)水資源利用效率。在上游修建控制性工程充分合理利用地表水。

(3)合理調(diào)整和控制經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少經(jīng)濟(jì)社會用水負(fù)荷。以水定地，有必要的區(qū)域需采取退減高耗水作物種植面積、淘汰高耗水落后產(chǎn)能等措施，加強(qiáng)地下水資源保護(hù)，超采區(qū)限制地下水開采，并制定相關(guān)保障措施，以實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

(4)健全水資源管理制度，建立水資源承載能力監(jiān)測預(yù)警機(jī)制。不斷加強(qiáng)監(jiān)控能力建設(shè)、完善水資源管理制度、建立水資源承載能力監(jiān)測預(yù)警機(jī)制等。

(5)考慮到艾丁湖是14條河共同的尾閭，因此除白楊河的其他13條河也要采取措施，保證下泄艾丁湖一定的生態(tài)水量，維持艾丁湖一定的湖面規(guī)模；遠(yuǎn)期通過增加外調(diào)水，加大地表水的調(diào)配力度，緩解流域地下水超采，改善流域生態(tài)環(huán)境。