塔里木河干流上游生態用水計算分析

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

水資源的數量和質量對于流域生態環境的維護與發展十分關鍵，當前，學術界在深入探討水生態環境利用和保護問題的過程中，提出了一些全新的概念，如生態用水、生態需水、生態耗水、生態系統配水等，其中，生態用水[1]是流域等生態系統維持、發展和良性循環所使用和發生的水量。塔里木河干流生態環境脆弱，近年來受人類活動影響，地形地貌、土壤、水文和生態等均發生不同程度的改變，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]，表現出較強的耐旱能力，水分消耗相對較小，所以生態用水主要供給天然植被的生長和發育，維持干流生態水位及用于植被的蒸騰。塔河干流上游生態環境用水量的保護關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數量和生態維持水量組成，地下水位恢復量即指流域斷流導致地下水嚴重虧空，為恢復埋深4 m的基本水位所需水量；生態維持水量是待地下水位恢復后，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用水量、年側向排泄量、河道水面年蒸發量、按5年計算恢復的需水量及河段總恢復需水量的基礎上，根據干流上游生態建設目標，進行干流上游生態用水總量和年生態用水供給量的量化計算。

1 研究區概況

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用水情況。塔河干流下游控制生態面積53.942 km2，生態需水量1.34×107m3，研究區屬大陸性溫帶極端性干旱氣候，多風少雨，蒸發極強，氣候干燥，日照較長，晝夜季節溫差大，年平均氣溫為11.3℃，歷史上所出現的極端溫度分別為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重不足，導致生態環境明顯劣變，為恢復和重建生態環境，遏制生態系統的日益退化，流域管理部門主要通過建立應急輸水工程，為天然植被提供生態用水以緩解長期缺水對生態環境的不利影響。合理調度水量的前提是進行生態用水的定量估算，尤其是地下水位恢復總水量，常用的估算方法包括干物質法、蒸騰法、水熱系數法、土壤蒸滲儀法等[3]。

3 塔里木河干流上游生態用水定量分析

塔河干流上游生態用水主要由地下水位恢復需水量、側向排水量、水面蒸發量等組成，此外，為維持和恢復天然植被，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水量

地下水位恢復總水量所包括的水位恢復總量按照下式估算:

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域的寬度為依據計算；n為土壤干容量，g/cm3，主要根據n=35.72exp(-0.185h)求得。

根據理論公式，可以求得塔河干流上游各段水位恢復水量，具體見表1。

表1 塔河干流上游各段地下水位恢復總量

3.2 塔河干流上游年側向排泄量

側向排水量按下式估算:

式中:Qs是塔河干流上游年側向排泄量；K是潛水滲透系數，m/d；I是水力坡度；A1是過水斷面面積，為計算過水斷面面積，區潛水層厚度均值30 m，河道總長為斷面長；T是天數，取T=365 d。

河干流上游年側向排水量計算結果見表2。

表2 塔河干流上游年側向排泄量計算結果

3.3 塔河干流上游河道水面年蒸發量

河道水面蒸發按下式估算:

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

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量計算結果見表3。

表3 塔河干流上游河道水面蒸發量

3.4 塔河干流上游按5年計算恢復的需水量

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

式中:相關參數涵義同前，Q5是按5年所計算的塔河干流上游生態恢復總蓄水量，億m3；W5是按5年所計算的生態恢復年平均需水量，億m3/a。

估算結果如下:

3.5 塔河干流全河段年生態維持總水量

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量，即生態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維持總水量，億m3；Qv是保護區域內生態狀況年平均耗水量；A是生態保護區域面積；E是潛水蒸發量；Qs和Qe分別為年側向排泄量和流域水面蒸發量。

具體計算結果見表4。

表4 塔河干流上游全河段年生態維持總水量

4 結語及建議

4.1 結論

通過對塔里木河干流上游水資源特性、水資源可持續利用量以及生態耗水、需水量的計算可知，塔河干流上游各段地下水位恢復水量合計8.9921億m3，年側向排水量合計0.6704億m3/a，上游河道水面蒸發量合計0.1326億m3/a，按5年所計算的生態恢復年平均需水量2.601億m3/a，干流上游全河段年生態維持總水量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數量和生態維持水量與流域生態用水標準水量之間仍存在一定差距。

4.2 建議

1）加強生態水量合理調配，實現流域生態環境與社會經濟協調發展。

2）對于如地下水重要形成區等在維護流域生態穩定方面發揮重要作用的生態區域，必須有限開發，加大保護，并強化流域生態水資源優化調度方面的研究，為流域生態水資源的保護提供理論依據。

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