塔河下游水量转化特征及生态输水策略探讨

阿里木·阿布都克然木

（塔里木河流域干流管理局新其满管理站，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

塔里木河流域被公认为是中国生态最脆弱的流域，由于流域灌溉农业的大规模发展，水土资源的掠夺式开发，各源流所汇入水量集聚减少。自上世纪70年代大西海子水库拦河水库建成后，阿拉干断面以下完全断流，地下水埋深下降至12 m左右，天然植被大规模衰减，塔里木河流域下游水量补给与恢复已刻不容缓。自2002年开始陆续启动塔河下游生态输水战略，到2017年基本完成流域生态输水的预期目标[1]。然而，塔河上游各源流径流量与下游水量之间相关程度不高，下游数量丰枯变化更多受制于人为因素的影响，再加上当前极端水文事件持续增加，应充分利用流域水资源持续偏丰的时机，大力加强下游生态输水及地下水的补给力度，实现藏水于地下，为流域水量恢复创造条件。如何基于现有的流域来水条件，进行输水过程的系统性分析，充分考虑流域水量转化规律及最佳输水方式，实现人为间歇性生态输水替代自然洪水满溢，更好地体现生态输水的实际效果。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

选取大西海子、肖夹克、新渠满、台特玛湖、英苏、依干不及麻等断面2002年～2017年数次生态输水过程中所获取的水量、持续时间、流量规模、流程等实测数据作为地表水监测资料。选取大西海子、肖夹克、新渠满、台特玛湖、英苏、依干不及麻等断面逐月的地下水埋深实测数据作为地下水监测资料。以塔河下游铁干里克中心气象站2002年～2017年直径20 cm蒸发皿所实测逐月蒸发量为气象资料。地表水和地下水埋深等监测数据均从塔河流域管理局获取。

1.2 研究方法

基于所获取的塔河流域实测数据及实地考察，依据水量转化原则，提出流域河道耗水特征描述及单位河长耗水率指标，进行历次输水效应的逐次分析。根据流域河水和地下水的转化特征及规律，进行输水现状地下水时空响应与输水有效性影响范围的分析，构建河道分区域水量平衡关系，并分析输水方式、耗水特征以及不同输水条件下流域水环境恢复目标及生态输水策略。

流域水量沿程损失即为河道耗水的过程，河道耗水量受流量、河床地质、河道形态、植被状况等因素的影响。通过分析河道监测断面数据，并利用水量平衡关系便可求得河段耗水量所具有的特征，公式如下：

式中：W1为河道上游断面来水量，m3/s；W2为河道下游断面来水量，m3/s；ΔW为断面之间的耗水量，m3；L为断面之间的河长，m；DW为单位河长的耗水量，m3；k为单位河长的耗水率，%。在已知断面流量的情况下，可依据上述公式进行单位河长的流量损失率δ计算，计算结果见表1，并根据输水期间实测资料进行历次输水过程中水量转化关系的计算、分析与评价。

基于流域河道区间水量消耗与转化特征，构建河道水量平衡方程：

式中：W库为大西海子水库下泄水量，m3/s；W包为输水期流域河岸土壤包气带水量，由蒸腾量和包气带水量净增长量构成；W地为河岸地下水补给量，亿m3；W蒸发为河道水面蒸发量，mm，根据直径20 cm蒸发皿所测逐日蒸发量和水面折算系数之积求得；W入湖为渗入特玛湖的水量，亿m3。

2 研究结果与分析

2.1 河段耗水及变化趋势

影响流域河段耗水强度的主要因素是过水流量及地下水的前期补给水量，单位河长耗水率指标能充分表征河道水量转化的趋势特征。塔河流域水量转化以地下水补给和土壤水为主，而水面蒸发较小，所以，河道耗水特征主要由河道入渗特征决定，大西海子水库下游先后进行的16次生态输水基本达成流域年下泄水量平均值3.50×108m3的预期目标，带来了较好的生态效益及社会经济效益。流域生态输水后不同河段单位河长流量损失率δ计算结果见表1。

表1 塔河不同河段单位河长耗水率计算结果 单位：%/km

由表1可知，从沿程分布角度来看，依干不及麻-台特玛湖河段单位河长耗水率计算值最大，究其原因主要是河道输水流速缓慢、水量大规模消耗、河床沉积物细密所致；从时间序列考察，单位河长耗水率表现出在输水初期取值较大、随后逐渐减小，在第11次输水后又增大的趋势特征，这主要是受输水方式变化的影响，前五次输水主要以河道线状输水方式为主，旨在实现河道疏通、加速河水流入台特玛湖，在这种输水方式下，地下水迅速形成顶托入渗性态，使单位河长耗水率迅速衰减，水流到达台特玛湖的时间迅速缩短，为防止过量河水流入湖泊，必须进行分流[2]。所以，在后续的输水过程中，待河水接近尾闾，便会打开生态闸门并利用汊河分水，这种对自然河流漫溢行为的模拟导致后期单位河长耗水率上升。

2.2 地下水位响应特征

通过对塔河流域下游的英苏、肖夹克断面的地下水响应过程分析可知，地下水位上升速度先快后慢，距离河流越近，则响应幅度越大，具体见图1和图2。在输水过程中，河水水位远高于地下水位，导致河道两侧水力坡度不断增大，从河流中心向两侧的地下水径流下泄运动持续增强，水位回升较快，但是在离河道较远的范围内影响较为滞后。随着单位河长耗水率的不断下降，河水对地下水进行垂直集中入渗补给后随即向两侧扩散，沿程发生裸地和植被蒸腾消耗。地下水位上升的过程中，潜水蒸发量的增加将抑制水位的上升，从而形成两者之间的制衡机制，可见，长期间歇性输水对流域地下水的影响存在一定界线，其对地下水位的恢复作用是有限的，塔河流域下游地下水位的恢复应考虑双河道、汊河、生态闸等其他的输水方式[3]。

图1 英苏断面地下水位变动趋势

图2 肖夹克断面地下水位变动趋势

2.3 河道水量转化特征

河道输水过程其实就是包括水面蒸发、河床渗漏等的水量动态转化过程，河道渗漏过程对土壤水和地下水起到补给作用，并补偿天然植被水量消耗。通过对断面输水前后地下水位变幅的监测，求出不同断面地下水位的恢复量，水面蒸发量以及包气带水量补给量通过式（4）求得。16次生态输水对流域河道沿岸地下水补给量为24.82×108m3，占47.59%；包气带水量补给量为23.25×108m3，占44.58%；流域水面蒸发量为1.24×108m3，占2.38%；流入台特玛湖水量为2.84×108m3，占5.45%。在生态输水总量中扣除水面蒸发后，仍有97.62%的水量用于地下水和包气带等水量的补给，起到流域河道地下水补给与恢复的作用。

3 生态输水方案

综合上述分析，塔河下游生态输水方案的确定应充分考虑河段耗水变动趋势特征、地下水位响应特征及河道水量转化特征，依据现有河床安全运行流量，建立以大西海子水库和台特玛湖为首尾库，河道交替输水+河畔蓄水的水量调度运行模式，具体输水时段、输水方式、输水持续时间及输水流量见表2。

表2 塔河下游生态输水方案

表2中输水时段、持续时间及输水流量的确定主要依据流域河段单位河长耗水率、地下水位响应特征及河道水量转化特征，这种输水策略能有效克服流域河段水量消耗过多、水流推进缓慢的难题，能确保大西海子以下河段生态用水，解决下游河段水量分配矛盾，实现快速输水的目的，且对于流域来水偏枯年份更加适用。由于冬季生态输水策略对下游河道水量调节具有一定滞后性，可以考虑结合上游水库调蓄作用并权衡水量调配目标后综合进行。

4 结论

通过本文的分析可以看出，塔里木河下游生态输水方案的实施基本遏制了流域下游河道的进一步枯竭与生态系统的退化，但是流域生态脆弱性并未得到彻底逆转。前期对流域下游所实施的生态输水策略虽基本达成预期目标。但是，塔河上游各源流径流量与下游水量之间相关程度并不高，下游数量丰枯变化更多受制于人为因素的影响，再加上当前极端水文事件持续增加，应充分利用流域水资源持续偏丰的时机，大力加强下游生态输水及地下水的补给力度。就生态输水方式而言，现已从前期的单通道、河道交替输水向河道交替输水+汊河输水方式转变，总输水量显著增加。塔河下游生态输水及生态改变是一个长期且漫长的过程，生态环境对输水的影响仍需进行长期监测。