塔里木河干流上游生態(tài)用水計算分析

劉華利

（塔里木河流域干流管理局新其滿管理站，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

水資源的數(shù)量和質(zhì)量對于流域生態(tài)環(huán)境的維護與發(fā)展十分關(guān)鍵，當(dāng)前，學(xué)術(shù)界在深入探討水生態(tài)環(huán)境利用和保護問題的過程中，提出了一些全新的概念，如生態(tài)用水、生態(tài)需水、生態(tài)耗水、生態(tài)系統(tǒng)配水等，其中，生態(tài)用水[1]是流域等生態(tài)系統(tǒng)維持、發(fā)展和良性循環(huán)所使用和發(fā)生的水量。塔里木河干流生態(tài)環(huán)境脆弱，近年來受人類活動影響，地形地貌、土壤、水文和生態(tài)等均發(fā)生不同程度的改變，尤其是天然植被因物理干旱和生理干旱而在長期演變過程中，逐漸形成強大根系，能夠在干旱條件下吸取可溶性鹽類[2]，表現(xiàn)出較強的耐旱能力，水分消耗相對較小，所以生態(tài)用水主要供給天然植被的生長和發(fā)育，維持干流生態(tài)水位及用于植被的蒸騰。塔河干流上游生態(tài)環(huán)境用水量的保護關(guān)鍵在于自然植被生長維護所需水量的正常供給。塔河干流上游自然植被生長維護所需水量主要由地下水位恢復(fù)數(shù)量和生態(tài)維持水量組成，地下水位恢復(fù)量即指流域斷流導(dǎo)致地下水嚴(yán)重虧空，為恢復(fù)埋深4 m的基本水位所需水量；生態(tài)維持水量是待地下水位恢復(fù)后，用于喬灌木生長所需的耗水量。本文在估算塔河干流上游生態(tài)用水量、年側(cè)向排泄量、河道水面年蒸發(fā)量、按5年計算恢復(fù)的需水量及河段總恢復(fù)需水量的基礎(chǔ)上，根據(jù)干流上游生態(tài)建設(shè)目標(biāo)，進行干流上游生態(tài)用水總量和年生態(tài)用水供給量的量化計算。

1 研究區(qū)概況

塔里木河干流始于阿克蘇河、葉爾羌河、和田河匯集口，分為上游段、中游段和下游段具體見圖1，本文主要研究塔河流域恰拉到臺特瑪湖河段生態(tài)用水情況。塔河干流下游控制生態(tài)面積53.942 km2，生態(tài)需水量1.34×107m3，研究區(qū)屬大陸性溫帶極端性干旱氣候，多風(fēng)少雨，蒸發(fā)極強，氣候干燥，日照較長，晝夜季節(jié)溫差大，年平均氣溫為11.3℃，歷史上所出現(xiàn)的極端溫度分別為44.2℃和-31.7℃，無霜期約211 d，年平均降水量在20.3 mm～39.9mm范圍，年平均蒸發(fā)量在1047 mm～1596 mm，極端干旱。

圖1 塔里木河干流上中下游河段示意圖

2 研究方法

塔河干流上游近30年來地表徑流補給嚴(yán)重不足，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境明顯劣變，為恢復(fù)和重建生態(tài)環(huán)境，遏制生態(tài)系統(tǒng)的日益退化，流域管理部門主要通過建立應(yīng)急輸水工程，為天然植被提供生態(tài)用水以緩解長期缺水對生態(tài)環(huán)境的不利影響。合理調(diào)度水量的前提是進行生態(tài)用水的定量估算，尤其是地下水位恢復(fù)總水量，常用的估算方法包括干物質(zhì)法、蒸騰法、水熱系數(shù)法、土壤蒸滲儀法等[3]。

3 塔里木河干流上游生態(tài)用水定量分析

塔河干流上游生態(tài)用水主要由地下水位恢復(fù)需水量、側(cè)向排水量、水面蒸發(fā)量等組成，此外，為維持和恢復(fù)天然植被，也需要進行用水定量分析。

3.1 塔河干流上游各段地下水位恢復(fù)水量

地下水位恢復(fù)總水量所包括的水位恢復(fù)總量按照下式估算:

式中:ΔQ為潛水位上升Δh幅度時需要補給的地下水量，億m3；δ為潛水位變動所具備的飽和差，取含水層的飽和差δ=0.258；A為流域面積，主要以流域兩岸植被保護區(qū)域的寬度為依據(jù)計算；n為土壤干容量，g/cm3，主要根據(jù)n=35.72exp(-0.185h)求得。

根據(jù)理論公式，可以求得塔河干流上游各段水位恢復(fù)水量，具體見表1。

表1 塔河干流上游各段地下水位恢復(fù)總量

3.2 塔河干流上游年側(cè)向排泄量

側(cè)向排水量按下式估算:

式中:Qs是塔河干流上游年側(cè)向排泄量；K是潛水滲透系數(shù)，m/d；I是水力坡度；A1是過水?dāng)嗝婷娣e，為計算過水?dāng)嗝婷娣e，區(qū)潛水層厚度均值30 m，河道總長為斷面長；T是天數(shù)，取T=365 d。

河干流上游年側(cè)向排水量計算結(jié)果見表2。

表2 塔河干流上游年側(cè)向排泄量計算結(jié)果

3.3 塔河干流上游河道水面年蒸發(fā)量

河道水面蒸發(fā)按下式估算:

式中:Qe是流域水面蒸發(fā)量，億m3；L是河道長度，m；B是河道寬度，m；E0是20 cm口徑蒸發(fā)皿所測得的年蒸發(fā)量值，mm；ε是折算系數(shù)。

塔河干流上游河段河道長度495 km，即L=495×103m，Qe=0.1891億 m3/a。

塔河干流上游河道水面蒸發(fā)量計算結(jié)果見表3。

表3 塔河干流上游河道水面蒸發(fā)量

3.4 塔河干流上游按5年計算恢復(fù)的需水量

在上述估算的基礎(chǔ)上再進行干流上游河段總恢復(fù)需水量估算，總恢復(fù)需水量與年均需水量之和Q5按下式估算:

式中:相關(guān)參數(shù)涵義同前，Q5是按5年所計算的塔河干流上游生態(tài)恢復(fù)總蓄水量，億m3；W5是按5年所計算的生態(tài)恢復(fù)年平均需水量，億m3/a。

估算結(jié)果如下:

3.5 塔河干流全河段年生態(tài)維持總水量

塔河干流上游河段潛水埋深升至4 m后為滿足植被蒸散所需的河道下泄數(shù)量，即生態(tài)維持所需總水量按下式計算:

式中:Qk是塔河干流全河段年生態(tài)維持總水量，億m3；Qv是保護區(qū)域內(nèi)生態(tài)狀況年平均耗水量；A是生態(tài)保護區(qū)域面積；E是潛水蒸發(fā)量；Qs和Qe分別為年側(cè)向排泄量和流域水面蒸發(fā)量。

具體計算結(jié)果見表4。

表4 塔河干流上游全河段年生態(tài)維持總水量

4 結(jié)語及建議

4.1 結(jié)論

通過對塔里木河干流上游水資源特性、水資源可持續(xù)利用量以及生態(tài)耗水、需水量的計算可知，塔河干流上游各段地下水位恢復(fù)水量合計8.9921億m3，年側(cè)向排水量合計0.6704億m3/a，上游河道水面蒸發(fā)量合計0.1326億m3/a，按5年所計算的生態(tài)恢復(fù)年平均需水量2.601億m3/a，干流上游全河段年生態(tài)維持總水量1.231億m3/a。塔河干流上游自然植被生長維護所需要的地下水位恢復(fù)數(shù)量和生態(tài)維持水量與流域生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)水量之間仍存在一定差距。

4.2 建議

1）加強生態(tài)水量合理調(diào)配，實現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。

2）對于如地下水重要形成區(qū)等在維護流域生態(tài)穩(wěn)定方面發(fā)揮重要作用的生態(tài)區(qū)域，必須有限開發(fā)，加大保護，并強化流域生態(tài)水資源優(yōu)化調(diào)度方面的研究，為流域生態(tài)水資源的保護提供理論依據(jù)。

3）在基于生態(tài)用水定額和需水量定量研究的基礎(chǔ)上，探討干流生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的用水理論模式，維護天然植被生態(tài)良性發(fā)展所需的用水比例和用水方式等。