和田河流域干流河道耗水過程分析

余其鷹，白云崗，張江輝，曹 彪

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 研究背景

全球氣候變化背景下，極端水文災(zāi)害頻發(fā)，新疆干旱區(qū)水資源年內(nèi)分布變率較大，豐水期洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，枯水期水資源短缺問題日益突出[1-2]。人們?yōu)榱松鐣?huì)經(jīng)濟(jì)增長，極度開采地表、地下水資源，忽略了用水過程中產(chǎn)生的損失，使水資源供需矛盾更加尖銳[3]。河道損失是指水在河道傳輸過程中產(chǎn)生的損失，分析流域內(nèi)水流傳播中不同河段、不同流速在河道中產(chǎn)生的損失是水量平衡計(jì)算的重要部分，可為流域科學(xué)規(guī)劃、精細(xì)調(diào)度水資源提供理論依據(jù)[4]。和田河是新疆和田地區(qū)各族人民賴以生存的母親河，以水源降水和冰川融水補(bǔ)給為主[5]，由于和田河流域蒸發(fā)量大、降水少、河道較寬，使得和田河“來水-引水-退水”過程中天然蒸發(fā)和滲漏損失巨大，產(chǎn)生了季節(jié)性來水量減少、河道斷流、地下水位下降等生態(tài)問題[6]。有限的水資源造成了生產(chǎn)建設(shè)用水和生態(tài)用水之間的矛盾、不同季節(jié)不同作物用水之間的矛盾、“和田綠洲”用水和塔里木河流域用水之間的矛盾[7]。

水資源合理分配、科學(xué)配置一直是水資源管理部門的重要目標(biāo)。蒸散發(fā)是干旱區(qū)水資源消耗的主要形式，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)蒸散發(fā)已進(jìn)行了廣泛研究，如楊揚(yáng)等[8]利用遙感經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪懔税敫珊祬^(qū)陸面蒸發(fā)量；許敏等[9]基于MODIS和ERA-Interim對(duì)安徽省地表蒸散發(fā)及其受植被覆蓋度的影響，發(fā)現(xiàn)地表ET呈南高北低趨勢(shì)，植被覆蓋度與ET逐月相關(guān)系數(shù)為0.85；Adnan等[10]發(fā)現(xiàn)巴基斯坦區(qū)域ET在冬季時(shí)對(duì)水汽壓更為敏感，夏季對(duì)風(fēng)速更為敏感；蔣春宇等[11]運(yùn)用CRAE模型和水量平衡方程驗(yàn)證了CRAE模型在和田地區(qū)具有良好的實(shí)用性。新疆干旱地區(qū)水資源運(yùn)移過程產(chǎn)生的蒸散發(fā)是水文循環(huán)的主要過程，王杰等[6]根據(jù)和田河流域水文站實(shí)測(cè)資料，分別計(jì)算3種工況下的自上游控制站至下游肖塔站的河道水量損失率，分析河道損失的原因，其結(jié)果對(duì)和田河流域水資源開發(fā)和管理有一定價(jià)值；雷雨等[12]利用塔里木河斷面地表徑流數(shù)據(jù)分析各河段耗水過程，明晰了塔里木河流域干流河道損失水量組成、去向以及變化規(guī)律，為流域水資源分段管理以及科學(xué)調(diào)度提供了理論依據(jù)。眾多學(xué)者利用不同方法對(duì)不同地區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行了相關(guān)研究，但針對(duì)和田地區(qū)河道水量耗散特征尚無定論。當(dāng)前，和田河流域存在灌區(qū)毛引水量較大，實(shí)際灌溉用水量遠(yuǎn)小于引水量，以及灌區(qū)毛引水量小、無降水情況下到達(dá)田間用水量超過實(shí)際引水量的問題，兩種極端問題給當(dāng)?shù)睾拥拦芾砉ぷ髟斐删薮罄_。

因此，為了使和田市水資源管理部門摸清水量損失的組成、轉(zhuǎn)化及消耗規(guī)律，本文根據(jù)2006-2018年和田河流域主要干支流河段引水和退水等資料，定量研究各河段來水與耗水的相關(guān)關(guān)系，定性研究河道耗水與河損之間的關(guān)系，為緩解和田地區(qū)水資源供給緊張狀況及科學(xué)管理提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

和田河流域位于塔里木盆地南緣，地理位置介于東經(jīng)77°25′～81°43′、北緯34°52′～40°28′，流域總面積48 870 km2，流域東鄰克里雅河流域，南以昆侖山、喀拉昆侖山及克什米爾與我國西藏為界，西與葉爾羌河流域接壤，北為塔里木盆地南部邊緣[13]。和田河源流分為東西二支，東支為玉龍喀什河(簡(jiǎn)稱玉河)，西支為喀拉喀什河(簡(jiǎn)稱喀河)。玉河全長513 km，喀河全長808 km，兩河在闊什拉什匯合，兩河匯合口至肖夾克段稱為和田河(見圖1)，和田河最終在肖塔站下游10 km處匯入塔里木河，玉河和喀河的多年平均徑流量分別為22.19×108、21.48×108m3。和田河流域目前建有9個(gè)水文站，玉河水文站包括黑山、同古孜洛克、玉河渠首和艾格利牙；喀河水文站包括托滿、喀河渠首、烏魯瓦提和吐直魯克；和田干流下游建有肖塔水文站。由于黑山和托滿水文站位于出山口以上，僅用于每年6-9月測(cè)量汛期洪水量，本文不做研究。本文擬研究的水文站點(diǎn)位置和基本信息見圖1和表1。

表1 擬研究的和田河流域各水文站特征值

圖1 和田河流域概況及水文站分布

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

水文站的逐日徑流數(shù)據(jù)由和田地區(qū)水文局提供。各河段的灌溉及生態(tài)引水、退水?dāng)?shù)據(jù)資料由塔里木河流域和田管理局提供。由于吐直魯克和艾格利牙兩個(gè)關(guān)鍵水文站于2006年建成，為保證研究時(shí)段同步性，本文研究時(shí)段選擇2006-2018年。

3.2 研究方法

3.2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn) Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并廣泛用于研究水文和氣候長時(shí)間序列的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，具有結(jié)果受少數(shù)異常值干擾小、能顯示數(shù)據(jù)顯著突出和突變的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[14-15]。本文利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值Z進(jìn)行地表徑流顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時(shí)假設(shè)該序列無趨勢(shì)。通過雙尾檢驗(yàn)，在給定顯著水平下，由正態(tài)分布表中查臨界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2時(shí)，則拒絕原假設(shè)，即趨勢(shì)顯著。Z>0表示地表徑流量呈上升趨勢(shì)，Z<0表示地表徑流量呈下降趨勢(shì)，Z的絕對(duì)值越大，說明地表徑流量變化趨勢(shì)越顯著。

3.2.2 河道耗水量計(jì)算 水量平衡原理是質(zhì)量守恒定律在水循環(huán)中特定的表現(xiàn)形式，由水量平衡方程表示。水量平衡方程中的各項(xiàng)資料隨研究區(qū)的不同而變化[16]。在某段時(shí)間，某研究區(qū)河道水量平衡可由公式(1)、(2)表示。

W耗=W經(jīng)濟(jì)+W生態(tài)+W河損

(1)

式中：W耗為河段總耗水量，108m3；W經(jīng)濟(jì)為國民經(jīng)濟(jì)引水量，108m3;W生態(tài)為生態(tài)灌溉引水量，108m3；W河損為河道損失水量，108m3，包括河道滲漏、蒸發(fā)、漫溢和地下回歸水量，簡(jiǎn)稱“河損”。

W河損=W來水-W引水+W退水-W下泄

(2)

式中：W來水為上游斷面實(shí)際來水量，108m3；W引水為引水量，108m3；W退水為退水量，108m3；W下泄為下游斷面下泄水量，108m3。

某河段單位河長河道損失水量和河損率計(jì)算如公式(3)、(4)。

W單位河長河損=W河損/L

(3)

K=W河損/W來水

(4)

式中：W單位河長河損為某河段單位河長的河道損失水量，108m3；L為某河段的河長，km；K為某河段河道的損失率，%。

4 結(jié)果與分析

4.1 和田河流域地表徑流量變化特點(diǎn)

4.1.1 干流地表徑流量年際變化趨勢(shì) 由于源流自出山口后年際灌溉引水、水庫蓄水和生活用水水量不確定，逐年用水量變化過程年際差異很大。對(duì)5個(gè)主要水文站2006-2018年的徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，徑流量年際變化Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)如表2所示。烏魯瓦提、同古孜洛克為出山口水文站，來水量基本不受人為干擾，年際間平均徑流量相差不大，吐直魯克和艾格利牙在上游水文站來水相當(dāng)?shù)那闆r下，兩河平均年徑流量相差約10×108m3，表明喀拉喀什河(以下稱喀河)流域總耗水量遠(yuǎn)大于玉龍喀什河(以下稱玉河)流域。烏魯瓦提水文站Z<0，年徑流量呈微弱遞減趨勢(shì)，同古孜洛克、吐直魯克、艾格利牙和肖塔站Z均大于0且小于1.96(α=0.05)，故年徑流量均表現(xiàn)為微弱遞增趨勢(shì)。

表2 2006-2018年和田河流域年徑流量M-K單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)

4.1.2 干流地表徑流量年內(nèi)趨勢(shì)變化 和田河出山口兩水文站與肖塔站距離相差不大，其發(fā)源地、徑流量、冰川類型、氣候條件、下墊面等情況基本相同[17-18]，故將出山口水文站流量相加作為上游來水量，以此來判定年內(nèi)月徑流量的變化特征。逐月徑流量和Z統(tǒng)計(jì)量分析結(jié)果見表3和圖2。

表3 2006-2018年和田河流域月平均徑流量及其變化趨勢(shì)

圖2 和田河流域各月平均徑流量占年徑流量的比例

由表3可以看出，統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)1-6月統(tǒng)計(jì)量Z小于0，月徑流量表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，其中1月統(tǒng)計(jì)量Z值小于-1.96,表現(xiàn)為顯著減小趨勢(shì)；7-12月徑流量表現(xiàn)為微弱增大趨勢(shì)，其中8、9月增大趨勢(shì)強(qiáng)于其他月份。綜合來看，夏秋兩季徑流量最大，且徑流量表現(xiàn)為增大趨勢(shì)；年內(nèi)徑流量在8月達(dá)到峰值，逐月徑流量變化幅度較大，這主要是由于源流區(qū)受氣溫和降水以及部分人類活動(dòng)的共同影響，所以各月份徑流量的關(guān)聯(lián)性較弱。

由圖2可以看出，山口的月徑流量呈“單峰型”，和田河源流屬于季節(jié)性河流，四季徑流量占比分別為12%、65%、17%、6%，豐水期主要集中在6-9月，占全年徑流量的74%，4-10月農(nóng)作物灌溉和生態(tài)輸水占年徑流量的88%，1-2月最少，僅占4%。和田河流域徑流量大小主要與氣溫密切相關(guān)，春季、冬季氣溫較低，所以徑流量占比分別為12%、6%。夏季溫度升高，冰川積雪融化加快，降水量相對(duì)增加，徑流量也隨之增大。由于夏、秋兩季來水量較多，所以綠洲區(qū)適宜種植夏、秋兩季需水量較大的農(nóng)作物。

4.2 河道耗水過程分析

河道耗水主要指河道損失和河道引水之和。其中，河道損失是指水運(yùn)移過程中蒸發(fā)、滲漏和漫溢水量之和；河道引水是指用于生產(chǎn)建設(shè)、農(nóng)田灌溉和生態(tài)灌溉的總引水量。

4.2.1 各河段耗水量特征 根據(jù)水量平衡原理，結(jié)合2006-2018年和田河河道7個(gè)水文站實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各河段耗水量，各河段耗水特征如表4所示。

表4 2006-2018年和田河干流各河段年均耗水量特征

分析表4可知，和田河流域主要耗水集中在烏魯瓦提-喀河渠首、同古孜洛克-玉河渠首段，分別占天然來水量的28%、15%，其次為吐直魯克、艾格利牙-肖塔段，耗水量占比為11%?？偟膩砜?，喀河段的耗水占比為玉河段的2倍，其主要原因是“和田綠洲”喀河控制綠洲面積更大，農(nóng)田灌溉引水大，渠道長，但河損量也隨之增加；吐直魯克、艾格利牙-肖塔段河段為319 km，其主要耗水為生態(tài)輸水和蒸發(fā)滲漏。

4.2.2 各河段逐年耗水量特點(diǎn) 利用2006-2018年和田河流域5個(gè)斷面逐年來水量、引水量、退水量計(jì)算各斷面耗水量及其占總耗水量的比例，結(jié)果如圖3、4所示。

由圖3可計(jì)算出和田河年耗水量與天然來水量均值分別為39.22×108、51.39×108m3，理論值能滿足塔里木河9.7×108m3的下泄目標(biāo)[19]，各河段最大耗水量(2010年)與最小耗水量(2017年)的差值約為13×108m3，河段耗水量與天然來水量變化趨勢(shì)基本一致。

圖3 2006-2018和田河流域年耗水量

由圖4可知，喀河段、玉河段平均耗水量分別占總耗水量的52%、32%；烏魯瓦提-喀河渠首段平均耗水占比最大，為44%，同古孜洛克-玉河渠首段平均耗水量占比為24%，兩河段耗水量變化趨勢(shì)基本一致；喀河渠首-吐直魯克段耗水占比年際差異變化較大，最低耗水量占比與最高耗水量占比相差14%，其中2009、2016年耗水占比最低，分別為3%、2%；玉河渠首-艾格利牙河段平均耗水量占比為14%，其中2017年耗水量占比最大，高出均值7%；干流吐直魯克、艾格利牙-肖塔段為沙漠段，幾乎沒有農(nóng)田灌溉，耗水主要用于生態(tài)輸水以及河道滲漏和蒸發(fā)，該河段平均耗水量占比為10%，耗水量占比與總耗水量趨勢(shì)一致?？傮w上看，烏魯瓦提-喀河渠首與同古孜洛克-玉河渠首段引水量較大，是因?yàn)閮啥魏恿髯甜B(yǎng)著和田綠洲170×104人口，供給 903×104hm2農(nóng)田灌溉用水。

圖4 2006-2018年和田河流域各河段耗水占比

4.2.3 斷面來水量與河段耗水量的關(guān)系 河段耗水量取決于斷面來水量的大小，為明晰和田河流域各河段來水與耗水的相關(guān)關(guān)系，將各河段耗水量與上游斷面來水量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖5 和田河流域各河段耗水量與上游斷面來水量關(guān)系曲線

由圖5可看出，在和田河流域5個(gè)河段中，烏魯瓦提-喀河渠首河段(圖5(a))和同古孜洛克-玉河渠首河段(圖5(c))的來水量與耗水量基本無相關(guān)性，其余3個(gè)河段相關(guān)性較好，且通過0.05的顯著檢驗(yàn)。圖5(a)、5(c)所示河段為流域來水量及耗水量最大的河段，由于受氣候和水利樞紐的影響，其上游來水徑流量極不穩(wěn)定，河段耗水量不受上游斷面來水量的影響，最大耗水量和最小耗水量相差4.00×108m3，多年平均耗水量分別為16.96×108、9.80×108m3。圖5(b)、5(d)所示河段為綠洲下游段，擬合曲線表明耗水量隨著來水量的增加而增加，因此這兩個(gè)河段可以用斷面來水量來推算耗水量。圖5(e)表明該河段來水量與河道耗水量呈顯著3次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)來水量小于12×108m3時(shí)，耗水量隨著來水量的增加而增加；當(dāng)來水量大于12×108m3且小于22×108m3時(shí)，耗水量隨著來水量的增加而出現(xiàn)減少的趨勢(shì)；當(dāng)來水量超過22×108m3時(shí)，耗水量又隨之增加，說明上游斷面來水約為20×108m3時(shí)的輸水效率最高。吐直魯克、艾格利牙-肖塔段屬于沙漠段，河道呈 “游蕩型”，河道中分布著大量小島狀沙洲，徑流量豐枯懸殊，使得河床易沖易淤，當(dāng)斷面流量小于蒸發(fā)量時(shí)，河道出現(xiàn)斷流，水量不能到達(dá)下游肖塔站；流量較大時(shí)，河道積水面積變寬，蒸發(fā)量增大，加之河道較淺，由此引發(fā)嚴(yán)重的漫溢損失和側(cè)向滲漏，水量亦不能到達(dá)下游肖塔斷面。圖5(f)表明出山口總來水量與河段總耗水量呈正相關(guān)關(guān)系，流域耗水量隨來水量的增加而增加，說明可用天然來水量推算流域耗水量。

4.3 河道水量損耗分析

水量在河道運(yùn)移過程中會(huì)產(chǎn)生大量自然損失，不同下墊面、不同河段將產(chǎn)生不同程度的損耗，如農(nóng)田引水灌溉滲漏、水量過大引起的漫溢、蒸發(fā)損失等，同時(shí)雨季低洼處地下水補(bǔ)給產(chǎn)生負(fù)損耗使得河段引水量和實(shí)際用水量之間存在較大差異。所以為滿足灌區(qū)需水量及下泄水量目標(biāo)，需細(xì)化分析和田河流域各河段不同時(shí)間尺度的水量損失規(guī)律。

4.3.1 干流各河段河損規(guī)律分析 基于水量平衡法，2006-2018年和田河流域各河段河道損失特征如表5所示。由表5可見，和田河流域多年平均河損量為15.25×108m3，單位河長平均河損為0.03×108m3/km。其中吐直魯克、艾格利牙-肖塔段河損量最大，河損量為6.34×108m3；喀河渠首-吐直魯克段次之，河損量為3.07×108m3；同古孜洛克-玉河渠首段距離短，河損量最小。從單位河長河損來看，同古孜洛克-玉河渠首段的河損最大，達(dá)到0.13×108m3/km；烏魯瓦提-喀河渠首段為0.03×108m3/km；其他河段單位河長河損均為0.02×108m3/km。綜合各河段特點(diǎn)，同古孜洛克-玉河渠首段位于玉河出山口段，河道縱坡大，距離短，河槽條件好，河損量基本不隨來水量的增加而增加，河損量穩(wěn)定，但單位河長河損最大；吐直魯克、艾格利牙-肖塔段為沙漠段，河道呈寬淺形，沿岸生長著茂密的胡楊林阻止沙漠合攏[20]，且有護(hù)林工作人員在6-9月汛期開展生態(tài)林引水灌溉，水量主要用于補(bǔ)給地下水和植物蒸散發(fā)，因該段河道較長，故單位河長河損量較小。

表5 2006-2018年和田河流域各河段多年平均河損量特征值

4.3.2 逐年河損特點(diǎn)分析 喀河和玉河各河段逐年河損量及河損量占比如圖6所示(因吐直魯克、艾格利牙-肖塔段無水文站，故將河道耗水視為河損量，此處不做分析)。由圖6可知，各年份喀河渠首-吐直魯克段河損量普遍大于其他河段，最大河損量為6.35×108m3(2010年)，最小河損量為0.50×108m3(2016年)，河損占比平均值為32%；烏魯瓦提-喀河渠首段河損量次之，平均河損量為2.29×108m3，其中2018年河損量最小，僅為0.17×108m3，河損占比平均值為26%；同古孜洛克-玉河渠首、玉河渠首-艾格利牙河段隸屬玉河，兩河段平均河損量均為2.6×108m3，其中2013年兩河段總河損量最大，河損占比分別為32%、23%?？傮w上看，耗水量與河損量呈正相關(guān)；2012年喀河和玉河的總河損量最大，為13.71×108m3，2009年河損量最小，為4.0×108m3；2018年同古孜洛克-玉河渠首段河損量為負(fù)值，主要原因是2017-2018年連續(xù)兩年處于豐水年，喀河沿岸灌溉生產(chǎn)引水大，將過剩水量排入玉龍喀什河同古孜洛克-玉河渠首段，退水量大于引水量，故河損量小于零。

圖6 2006-2018年和田河流域喀河和玉河各河段河損量及其占比

4.3.3 河段耗水量與河損量的關(guān)系 為探究河段耗水量與河損量之間的相關(guān)關(guān)系，明晰不同耗水尺度下的河道損失，將喀河和玉河各河段年河損量與耗水量進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖7。由圖7可知，各河段河損量與耗水量存在正相關(guān)關(guān)系，且通過0.05的顯著檢驗(yàn)，其中喀河渠首-吐直魯克、玉河渠首-艾格利牙河段的擬合精度最高，這表明可利用耗水量推算河損量。

圖7 喀河和玉河各河段耗水量與河損量關(guān)系曲線

5 結(jié)論與建議

根據(jù)和田河流域2006-2018年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過分析源流區(qū)年內(nèi)和年際徑流量變化、斷面來水量與河段耗水量的關(guān)系、河段耗水量與河損量的關(guān)系得出以下結(jié)論：

(1)年際間地表徑流量除烏魯瓦提水文站外，其他水文站均表現(xiàn)為微弱增大趨勢(shì)；年內(nèi)地表月徑流量呈“單峰型”，夏秋兩季徑流呈增大趨勢(shì)，6-9月豐水期徑流量占全年總徑流量74%。和田河流域易發(fā)生旱澇交替出現(xiàn)的自然災(zāi)害。

(2)烏魯瓦提-喀河渠首段年均耗水量最大，為16.97×108m3/a，耗水占比為28%，玉河渠首-艾格利牙年均耗水量最小，為2.81×108m3/a，耗水占比為2%，5個(gè)河段總耗水量隨著來水量的增加而增加，但逐段耗水量與上斷面來水量相關(guān)性較差。

(3)和田河流域多年平均河損量與耗水量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，多年平均河損量為15.25×108m3，單位河長平均河損為0.03×108m3/km，和田河干流獨(dú)特的地形及氣候條件使吐直魯克、艾格利牙-肖塔段河段的河損量最大，達(dá)到6.34×108m3。

(4)玉龍喀什河和喀拉喀什河天然來水量相差不大，由于烏魯瓦提水利樞紐汛期蓄水錯(cuò)峰，枯水期下泄調(diào)節(jié)水量起到了防洪抗旱作用，所以喀拉喀什河徑流量年內(nèi)變化幅度相對(duì)較??；同時(shí)，喀拉喀什河年均耗水量高于玉龍喀什河14.49×108m3，年均河損量高于玉龍喀什河1.81×108m3，故和田河流域水資源規(guī)劃治理的重點(diǎn)應(yīng)為喀拉喀什河。

(5)喀河渠首-吐直魯克和玉河渠首-艾格利牙河段的年均河損量合計(jì)為5.1×108m3，河損量較大，且河道缺乏輸水、擋水建筑物，建議修建河床整治建筑物。