干旱區(qū)綠洲用水效率模擬及分析
——以策勒綠洲為例

趙冰茜，王光焰，劉 毅，桂東偉，嚴(yán) 冬，孫懷衛(wèi)

(1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430072；2.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830001)

0 引 言

干旱半干旱地區(qū)水資源匱乏，人口大多聚集在水資源較為豐富的地區(qū)，其中綠洲作為沙漠中獨(dú)特的景觀，為人們的生產(chǎn)生活提供條件。與濕潤(rùn)區(qū)所面臨的水資源過(guò)度利用等問題不同，在干旱區(qū)更多面臨著水資源的不合理調(diào)配使得無(wú)效用水量占比較大的困境，由此也造成了水資源有效利用效率不高。因此，研究綠洲內(nèi)水資源的可持續(xù)管理和調(diào)配具有重要的意義。策勒綠洲位于塔里木盆地南緣策勒縣[1]，與農(nóng)業(yè)相關(guān)的經(jīng)濟(jì)超過(guò)97%，農(nóng)業(yè)耗水量也超過(guò)90%，灌溉用水有限量是策勒縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要限制條件。在管理者角度上，希望通過(guò)水資源的全局調(diào)配，在發(fā)展可持續(xù)的前提下，實(shí)現(xiàn)所有產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值最大化；而在農(nóng)民的角度上，只希望農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的最大化，此時(shí)整個(gè)社會(huì)的產(chǎn)值不一定是最大的。由此提出了綠洲水資源用水效率確定和多尺度分析的實(shí)際難題。

已有大量研究表明，灌溉水利用效率具有尺度效應(yīng)[2,3]。本研究選擇策勒綠洲為研究對(duì)象，針對(duì)綠洲灌溉用水效率確定及多尺度分析問題，對(duì)干旱區(qū)平原耗散型模型進(jìn)行適當(dāng)修改后用于研究綠洲內(nèi)水分轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水循環(huán)過(guò)程的模擬，并以此為基礎(chǔ)對(duì)不同區(qū)域、不同尺度下的灌溉水利用效率進(jìn)行計(jì)算和比較分析，以期獲得綠洲內(nèi)水資源管理和決策的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選擇位于南疆塔里木盆地南緣平原區(qū)的策勒縣(東經(jīng)80°03′～82°10′、北緯35°18′～39°30′，如圖1所示)為典型研究區(qū)。該區(qū)屬暖溫帶干旱荒漠氣候，多年平均降水量和水面蒸發(fā)量分別為34.8和2 505 mm。區(qū)域依賴于策勒河徑流水資源。策勒河發(fā)源于昆侖山北坡中段，屬冰雪融水和雨水混合補(bǔ)給為主的河流。其中策勒水文站以上流域面積1 876 km2，河長(zhǎng)136.2 km，1958-2018年的年均徑流量為1.23 億m3。

圖1 策勒綠洲空間位置和土地利用簡(jiǎn)圖[4]

項(xiàng)目組通過(guò)實(shí)地調(diào)研得到了策勒綠洲的渠系分布圖。為分析綠洲不同尺度下的用水效率，根據(jù)斗、農(nóng)渠的分布情況將研究區(qū)劃分為8個(gè)地塊(如圖2所示)。該區(qū)以特色林果為主，其中農(nóng)區(qū)作物中紅棗、胡桃、石榴面積分別占59.4%、23.0%、5.7%(據(jù)項(xiàng)目組實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù))。對(duì)應(yīng)各區(qū)塊可以發(fā)現(xiàn)，紅棗、胡桃在各個(gè)地塊均有種植，其中該縣特色林石榴集中分布在地塊①。研究區(qū)內(nèi)降雨極少，完全不能滿足作物的耗水需求，而水庫(kù)引水灌溉只能在夏季氣溫上升后冰雪融水增多的情況下才能實(shí)現(xiàn)，因此，3-4月作物需水期初始主要依靠地下抽水灌溉滿足需求。

圖2 策勒綠洲灌溉分區(qū)圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、年鑒查閱、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)抄錄等方式，獲取項(xiàng)目區(qū)數(shù)據(jù)主要包括斗渠引水量、氣象數(shù)據(jù)、地下測(cè)井水位、作物種植結(jié)構(gòu)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后依據(jù)年度數(shù)據(jù)完整和各種數(shù)據(jù)匹配完好的原則選取2008年為典型年開展研究。各部分?jǐn)?shù)據(jù)情況如下。

(1)斗渠引水量。斗渠從2號(hào)閘門引水進(jìn)入策勒鎮(zhèn)，從3號(hào)閘門進(jìn)入策勒鄉(xiāng)。策勒綠洲內(nèi)斗級(jí)渠道由混凝土砌成，因此不考慮其滲漏量。

(2)氣象數(shù)據(jù)。從策勒水文站獲得每日降水量，策勒地區(qū)各月多年平均蒸散發(fā)量，并計(jì)算得到作物全年耗水量作為參考。

(3)地下水位。策勒綠洲內(nèi)有25口測(cè)井，2008年內(nèi)17口井有實(shí)測(cè)地下水埋深數(shù)據(jù)，并通過(guò)2015年各測(cè)井的地下水埋深及水位高程數(shù)據(jù)對(duì)2008年水位高程數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

(4)作物種植結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目組在作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)查基礎(chǔ)上，采用區(qū)域點(diǎn)位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到地塊內(nèi)不同種類作物種植面積。

1.3 水循環(huán)模擬模型

依據(jù)水均衡原理建立數(shù)學(xué)模擬模型并對(duì)區(qū)域內(nèi)水分循環(huán)轉(zhuǎn)換進(jìn)行分區(qū)模擬的方法在多個(gè)灌區(qū)內(nèi)得到了很好的應(yīng)用[5,6]。由于策勒地區(qū)年降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于年蒸發(fā)量，不適用于蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流，水文循環(huán)采用干旱區(qū)綠洲耗散型水文模型。模型中考慮到多種水體的轉(zhuǎn)換，其中針對(duì)平原中復(fù)雜的人類活動(dòng)重點(diǎn)考慮了引水灌溉、作物種植、地下水開采對(duì)水循環(huán)的影響。

研究區(qū)主要為農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，其水分轉(zhuǎn)換過(guò)程主要包括地面入滲、地面蒸散發(fā)、土壤水和地下水之間水分交換。根據(jù)研究區(qū)水分轉(zhuǎn)換特征將農(nóng)區(qū)分為上土壤層、下土壤層和地下水層。其主要物理過(guò)程可概化為：①受引水灌溉影響，農(nóng)區(qū)土壤層水分交換最為活躍。②上土壤層可看成表層土壤，該層發(fā)生的主要物理過(guò)程有灌溉和降水、上土壤層蒸發(fā)、下滲到下土壤層。③下土壤層可以看成地下水位以上非表層土壤，這一層主要的物理過(guò)程有上土壤層水分下滲、下土壤層蒸發(fā)、下滲到地下水層。④引水經(jīng)過(guò)渠系損耗一部分水，剩余水量成為灌溉水全部滲入土壤層。⑤農(nóng)區(qū)蒸散發(fā)量只考慮上土壤層蒸發(fā)和下土壤層蒸發(fā)，上土壤層水分充足時(shí)，蒸發(fā)全由上土壤層水提供；上土壤層水分不足時(shí)，由下土壤層根據(jù)下土壤層脅迫程度完成剩余部分，但在缺水灌溉時(shí)如果地下水埋深比較淺，毛管水上升到下土壤層供作物蒸發(fā)。⑥地下水層是地下水位以下飽和水土壤層，該層含水量穩(wěn)定。⑦農(nóng)區(qū)模型中，引水灌溉，作物蒸散發(fā)、地下水排水的改變都會(huì)引起上、下土壤層蓄水量的響應(yīng)；地下水層蒸發(fā)，下土壤層下滲和地下水排水都會(huì)引起地下水埋深的變化。圖3為干旱區(qū)平原綠洲耗散型模型中農(nóng)區(qū)水文物理過(guò)程示意圖(在胡和平等[7]上修改)，EU、EM為上、下土壤層蒸散發(fā)量，I為渠道灌溉量，P為降水量，P′為抽水灌溉量，EG為潛水蒸發(fā)量，F(xiàn)WM為上下土壤層交換量，F(xiàn)GM為深層滲漏量，IIG和IGW分別為地下水側(cè)向出、入流量，單位均為mm/d；WU、WM分別為上、下土壤層蓄水量，WUM、WMM分別為上、下土壤層蓄水容量，單位均為mm。

圖3 模型中農(nóng)區(qū)水文物理過(guò)程示意圖

1.4 尺度界定和用水效率計(jì)算

本文將渠西和渠東的地塊分成2組，分別將面積按渠道引流方向逐塊累加，空間尺度不斷變大，構(gòu)成不同的空間尺度。對(duì)于渠西地塊，尺度A為地塊①的控制范圍，尺度B為地塊①和地塊②的控制范圍，尺度C為地塊①、②、③的控制范圍，尺度D為渠西所有地塊的控制范圍；對(duì)于渠東地塊，尺度A′為地塊⑧的控制范圍，尺度B′為地塊⑦和地塊⑧的控制范圍，尺度C′為地塊⑥、⑦、⑧的控制范圍，尺度D′為渠東所有地塊的控制范圍。

本文選擇騰發(fā)量占凈入流量比例作為灌溉用水效率進(jìn)行尺度效應(yīng)分析，對(duì)渠西渠東不同空間尺度的灌溉用水效率進(jìn)行計(jì)算，公式如下[8]：

(1)

式中：k為地塊編號(hào)；t為尺度i對(duì)應(yīng)的控制范圍內(nèi)地塊總數(shù)；FRi為尺度i對(duì)應(yīng)的控制范圍內(nèi)騰發(fā)量占凈入流量比例；Pk為地塊k的年降雨量；Ik為地塊k斗渠引水量；ΔSk為地塊k土壤層蓄水變量；ΔGk為地塊k地下水庫(kù)蓄水變量；m為作物種類編號(hào)；n為作物種類總和；ETk,m為地塊k中m類作物的蒸散發(fā)量。

采用納什效率系數(shù)評(píng)價(jià)模型性能，公式如下：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型模擬效果檢驗(yàn)

采用策勒綠洲2008年實(shí)測(cè)地下水埋深率定模型參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證。圖4將模擬的地下水埋深與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得出相對(duì)誤差均小于15%，Ens基本大于0.5(如渠西Ens值為0.300～0.746)，可以看出一致性較好。部分偏差的原因可能是：①模擬中時(shí)間上的最小尺度為1 d，實(shí)際上不同地塊的灌溉時(shí)段可能有差別；②將研究區(qū)土壤概化為均質(zhì)各向同性，而實(shí)際中上土壤層滲透系數(shù)要小于下土壤層。模型模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較可以說(shuō)明，修正后的平原耗散型模型能夠恰當(dāng)?shù)啬M綠洲水分轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此可以用于綠洲水均衡分析。

2.2 綠洲水均衡分析

利用建立的水平衡模型對(duì)2008年研究區(qū)不同地塊進(jìn)行模擬，得到水平衡框架如表1所示。

研究區(qū)域土壤層和地下水層的水分輸入輸出比例如圖5所示。在土壤水分輸入項(xiàng)主要包括渠道灌溉量、降水量和抽水灌溉量，其中各地塊水分主要來(lái)源于渠道灌溉量，達(dá)到土壤水分供給的96.02%，而降水量和抽水灌溉只占極小的比例。在土壤層輸出項(xiàng)中，地塊內(nèi)騰發(fā)量與深層滲漏量的比例大約在5∶1。在地下水輸入中，滲漏補(bǔ)給量與地下水側(cè)向入流量之比約為5∶2，滲漏補(bǔ)給量為田間灌溉時(shí)的深層滲漏量。在地下水輸出方面，地下抽水量所占的比重非常小，占6.45%，其余均為地下水側(cè)向入流量，地下抽水只發(fā)生在春季，春季渠道灌溉量較少，抽取少量地下水以滿足春季作物的灌溉需求。

圖4 研究區(qū)地下水埋深模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表1 研究區(qū)水平衡框架 mm/a

圖5 研究區(qū)水分收支

2.3 綠洲用水效率分析

圖6為不同尺度渠西和渠東灌溉水利用效率的評(píng)估結(jié)果。從圖6中可以看出，尺度增加渠西和渠東用水效率均為上升趨勢(shì)，但上升并不明顯。渠西地塊從1個(gè)到4個(gè)，灌溉水利用效率從81.48%變化到83.42%，提升了1.94%，渠東從83.07%變化到84.17%，只提升1.11%，渠西的變化比渠東大的原因可能是渠西的回歸水重復(fù)利用比例即抽水灌溉量比例比渠東大。

圖6 不同尺度渠西和渠東用水效率

3 討 論

用水效率具有尺度效應(yīng)是各地塊之間回歸水重復(fù)利用和各地塊之間種植結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致的[9，10]。許多水文學(xué)者發(fā)現(xiàn)灌溉水利用效率會(huì)隨尺度的增大而變大[11，12]。但在本文的典型綠洲研究中，雖然可以觀察到一定的用水效率隨尺度增加而上升的尺度效應(yīng)，但是并不完全吻合。其中，渠西處從尺度C到尺度D的用水效率卻在尺度上有所減少。究其原因可能為地塊④相較于其他地塊糧食作物種植面積相對(duì)較大，而果樹面積相較小，為保證糧食產(chǎn)量，糧食作物灌溉需水量比果樹大，用水效率較低，使得渠西尺度D的用水效率較低。

干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型在新疆典型綠洲的應(yīng)用需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行本地化調(diào)試。本文研究雖然成功實(shí)現(xiàn)了典型綠洲內(nèi)水均衡模型的分析，但僅以2008年為典型年數(shù)據(jù)。策勒綠洲部分?jǐn)?shù)據(jù)并不完全，模型使用過(guò)程中減少了初始模型參數(shù)數(shù)量，使得模型對(duì)某些參數(shù)過(guò)于敏感，模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況有差別。本文未將不同模型應(yīng)用在策勒地區(qū)進(jìn)行對(duì)比，不能明顯表現(xiàn)選擇該模型的優(yōu)越性，仍有待后續(xù)進(jìn)一步的工作。

4 結(jié) 論

該模型基于策勒綠洲2008年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將模型應(yīng)用在中國(guó)塔里木盆地南緣的小區(qū)域時(shí)調(diào)試參數(shù)并驗(yàn)證，用本地化的參數(shù)對(duì)2008年策勒地下水埋深進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：

(1)本地化參數(shù)后的干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型能較好地模擬策勒綠洲各個(gè)分區(qū)的地下水埋深。

(2)模型輸出研究區(qū)的水平衡結(jié)果顯示，土壤水的主要輸入是渠道灌溉量，主要輸出是騰發(fā)量；地下水層主要輸入是深層滲漏量，主要輸出是地下水側(cè)向出流量。

(3)研究區(qū)用水效率的分析結(jié)果驗(yàn)證了用水效率隨尺度增大而增大，回歸水重復(fù)利用比例和作物空間差異性會(huì)影響用水效率的尺度效應(yīng)?；貧w水重復(fù)利用比例偏低導(dǎo)致用水效率的尺度效應(yīng)有限，作物空間差異性也對(duì)尺度效應(yīng)有削減作用。