塔河下游水量轉(zhuǎn)化特征及生態(tài)輸水策略探討

阿里木·阿布都克然木

（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

塔里木河流域被公認(rèn)為是中國生態(tài)最脆弱的流域，由于流域灌溉農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，水土資源的掠奪式開發(fā)，各源流所匯入水量集聚減少。自上世紀(jì)70年代大西海子水庫攔河水庫建成后，阿拉干斷面以下完全斷流，地下水埋深下降至12 m左右，天然植被大規(guī)模衰減，塔里木河流域下游水量補(bǔ)給與恢復(fù)已刻不容緩。自2002年開始陸續(xù)啟動塔河下游生態(tài)輸水戰(zhàn)略，到2017年基本完成流域生態(tài)輸水的預(yù)期目標(biāo)[1]。然而，塔河上游各源流徑流量與下游水量之間相關(guān)程度不高，下游數(shù)量豐枯變化更多受制于人為因素的影響，再加上當(dāng)前極端水文事件持續(xù)增加，應(yīng)充分利用流域水資源持續(xù)偏豐的時機(jī)，大力加強(qiáng)下游生態(tài)輸水及地下水的補(bǔ)給力度，實現(xiàn)藏水于地下，為流域水量恢復(fù)創(chuàng)造條件。如何基于現(xiàn)有的流域來水條件，進(jìn)行輸水過程的系統(tǒng)性分析，充分考慮流域水量轉(zhuǎn)化規(guī)律及最佳輸水方式，實現(xiàn)人為間歇性生態(tài)輸水替代自然洪水滿溢，更好地體現(xiàn)生態(tài)輸水的實際效果。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取大西海子、肖夾克、新渠滿、臺特瑪湖、英蘇、依干不及麻等斷面2002年～2017年數(shù)次生態(tài)輸水過程中所獲取的水量、持續(xù)時間、流量規(guī)模、流程等實測數(shù)據(jù)作為地表水監(jiān)測資料。選取大西海子、肖夾克、新渠滿、臺特瑪湖、英蘇、依干不及麻等斷面逐月的地下水埋深實測數(shù)據(jù)作為地下水監(jiān)測資料。以塔河下游鐵干里克中心氣象站2002年～2017年直徑20 cm蒸發(fā)皿所實測逐月蒸發(fā)量為氣象資料。地表水和地下水埋深等監(jiān)測數(shù)據(jù)均從塔河流域管理局獲取。

1.2 研究方法

基于所獲取的塔河流域?qū)崪y數(shù)據(jù)及實地考察，依據(jù)水量轉(zhuǎn)化原則，提出流域河道耗水特征描述及單位河長耗水率指標(biāo)，進(jìn)行歷次輸水效應(yīng)的逐次分析。根據(jù)流域河水和地下水的轉(zhuǎn)化特征及規(guī)律，進(jìn)行輸水現(xiàn)狀地下水時空響應(yīng)與輸水有效性影響范圍的分析，構(gòu)建河道分區(qū)域水量平衡關(guān)系，并分析輸水方式、耗水特征以及不同輸水條件下流域水環(huán)境恢復(fù)目標(biāo)及生態(tài)輸水策略。

流域水量沿程損失即為河道耗水的過程，河道耗水量受流量、河床地質(zhì)、河道形態(tài)、植被狀況等因素的影響。通過分析河道監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，并利用水量平衡關(guān)系便可求得河段耗水量所具有的特征，公式如下：

式中：W1為河道上游斷面來水量，m3/s；W2為河道下游斷面來水量，m3/s；ΔW為斷面之間的耗水量，m3；L為斷面之間的河長，m；DW為單位河長的耗水量，m3；k為單位河長的耗水率，%。在已知斷面流量的情況下，可依據(jù)上述公式進(jìn)行單位河長的流量損失率δ計算，計算結(jié)果見表1，并根據(jù)輸水期間實測資料進(jìn)行歷次輸水過程中水量轉(zhuǎn)化關(guān)系的計算、分析與評價。

基于流域河道區(qū)間水量消耗與轉(zhuǎn)化特征，構(gòu)建河道水量平衡方程：

式中：W庫為大西海子水庫下泄水量，m3/s；W包為輸水期流域河岸土壤包氣帶水量，由蒸騰量和包氣帶水量凈增長量構(gòu)成；W地為河岸地下水補(bǔ)給量，億m3；W蒸發(fā)為河道水面蒸發(fā)量，mm，根據(jù)直徑20 cm蒸發(fā)皿所測逐日蒸發(fā)量和水面折算系數(shù)之積求得；W入湖為滲入特瑪湖的水量，億m3。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 河段耗水及變化趨勢

影響流域河段耗水強(qiáng)度的主要因素是過水流量及地下水的前期補(bǔ)給水量，單位河長耗水率指標(biāo)能充分表征河道水量轉(zhuǎn)化的趨勢特征。塔河流域水量轉(zhuǎn)化以地下水補(bǔ)給和土壤水為主，而水面蒸發(fā)較小，所以，河道耗水特征主要由河道入滲特征決定，大西海子水庫下游先后進(jìn)行的16次生態(tài)輸水基本達(dá)成流域年下泄水量平均值3.50×108m3的預(yù)期目標(biāo)，帶來了較好的生態(tài)效益及社會經(jīng)濟(jì)效益。流域生態(tài)輸水后不同河段單位河長流量損失率δ計算結(jié)果見表1。

表1 塔河不同河段單位河長耗水率計算結(jié)果 單位：%/km

由表1可知，從沿程分布角度來看，依干不及麻-臺特瑪湖河段單位河長耗水率計算值最大，究其原因主要是河道輸水流速緩慢、水量大規(guī)模消耗、河床沉積物細(xì)密所致；從時間序列考察，單位河長耗水率表現(xiàn)出在輸水初期取值較大、隨后逐漸減小，在第11次輸水后又增大的趨勢特征，這主要是受輸水方式變化的影響，前五次輸水主要以河道線狀輸水方式為主，旨在實現(xiàn)河道疏通、加速河水流入臺特瑪湖，在這種輸水方式下，地下水迅速形成頂托入滲性態(tài)，使單位河長耗水率迅速衰減，水流到達(dá)臺特瑪湖的時間迅速縮短，為防止過量河水流入湖泊，必須進(jìn)行分流[2]。所以，在后續(xù)的輸水過程中，待河水接近尾閭，便會打開生態(tài)閘門并利用汊河分水，這種對自然河流漫溢行為的模擬導(dǎo)致后期單位河長耗水率上升。

2.2 地下水位響應(yīng)特征

通過對塔河流域下游的英蘇、肖夾克斷面的地下水響應(yīng)過程分析可知，地下水位上升速度先快后慢，距離河流越近，則響應(yīng)幅度越大，具體見圖1和圖2。在輸水過程中，河水水位遠(yuǎn)高于地下水位，導(dǎo)致河道兩側(cè)水力坡度不斷增大，從河流中心向兩側(cè)的地下水徑流下泄運(yùn)動持續(xù)增強(qiáng)，水位回升較快，但是在離河道較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)影響較為滯后。隨著單位河長耗水率的不斷下降，河水對地下水進(jìn)行垂直集中入滲補(bǔ)給后隨即向兩側(cè)擴(kuò)散，沿程發(fā)生裸地和植被蒸騰消耗。地下水位上升的過程中，潛水蒸發(fā)量的增加將抑制水位的上升，從而形成兩者之間的制衡機(jī)制，可見，長期間歇性輸水對流域地下水的影響存在一定界線，其對地下水位的恢復(fù)作用是有限的，塔河流域下游地下水位的恢復(fù)應(yīng)考慮雙河道、汊河、生態(tài)閘等其他的輸水方式[3]。

圖1 英蘇斷面地下水位變動趨勢

圖2 肖夾克斷面地下水位變動趨勢

2.3 河道水量轉(zhuǎn)化特征

河道輸水過程其實就是包括水面蒸發(fā)、河床滲漏等的水量動態(tài)轉(zhuǎn)化過程，河道滲漏過程對土壤水和地下水起到補(bǔ)給作用，并補(bǔ)償天然植被水量消耗。通過對斷面輸水前后地下水位變幅的監(jiān)測，求出不同斷面地下水位的恢復(fù)量，水面蒸發(fā)量以及包氣帶水量補(bǔ)給量通過式（4）求得。16次生態(tài)輸水對流域河道沿岸地下水補(bǔ)給量為24.82×108m3，占47.59%；包氣帶水量補(bǔ)給量為23.25×108m3，占44.58%；流域水面蒸發(fā)量為1.24×108m3，占2.38%；流入臺特瑪湖水量為2.84×108m3，占5.45%。在生態(tài)輸水總量中扣除水面蒸發(fā)后，仍有97.62%的水量用于地下水和包氣帶等水量的補(bǔ)給，起到流域河道地下水補(bǔ)給與恢復(fù)的作用。

3 生態(tài)輸水方案

綜合上述分析，塔河下游生態(tài)輸水方案的確定應(yīng)充分考慮河段耗水變動趨勢特征、地下水位響應(yīng)特征及河道水量轉(zhuǎn)化特征，依據(jù)現(xiàn)有河床安全運(yùn)行流量，建立以大西海子水庫和臺特瑪湖為首尾庫，河道交替輸水+河畔蓄水的水量調(diào)度運(yùn)行模式，具體輸水時段、輸水方式、輸水持續(xù)時間及輸水流量見表2。

表2 塔河下游生態(tài)輸水方案

表2中輸水時段、持續(xù)時間及輸水流量的確定主要依據(jù)流域河段單位河長耗水率、地下水位響應(yīng)特征及河道水量轉(zhuǎn)化特征，這種輸水策略能有效克服流域河段水量消耗過多、水流推進(jìn)緩慢的難題，能確保大西海子以下河段生態(tài)用水，解決下游河段水量分配矛盾，實現(xiàn)快速輸水的目的，且對于流域來水偏枯年份更加適用。由于冬季生態(tài)輸水策略對下游河道水量調(diào)節(jié)具有一定滯后性，可以考慮結(jié)合上游水庫調(diào)蓄作用并權(quán)衡水量調(diào)配目標(biāo)后綜合進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過本文的分析可以看出，塔里木河下游生態(tài)輸水方案的實施基本遏制了流域下游河道的進(jìn)一步枯竭與生態(tài)系統(tǒng)的退化，但是流域生態(tài)脆弱性并未得到徹底逆轉(zhuǎn)。前期對流域下游所實施的生態(tài)輸水策略雖基本達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。但是，塔河上游各源流徑流量與下游水量之間相關(guān)程度并不高，下游數(shù)量豐枯變化更多受制于人為因素的影響，再加上當(dāng)前極端水文事件持續(xù)增加，應(yīng)充分利用流域水資源持續(xù)偏豐的時機(jī)，大力加強(qiáng)下游生態(tài)輸水及地下水的補(bǔ)給力度。就生態(tài)輸水方式而言，現(xiàn)已從前期的單通道、河道交替輸水向河道交替輸水+汊河輸水方式轉(zhuǎn)變，總輸水量顯著增加。塔河下游生態(tài)輸水及生態(tài)改變是一個長期且漫長的過程，生態(tài)環(huán)境對輸水的影響仍需進(jìn)行長期監(jiān)測。