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.新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 研究背景

全球氣候變化背景下，極端水文災害頻發，新疆干旱區水資源年內分布變率較大，豐水期洪澇災害嚴重，枯水期水資源短缺問題日益突出[1-2]。人們為了社會經濟增長，極度開采地表、地下水資源，忽略了用水過程中產生的損失，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生的損失，分析流域內水流傳播中不同河段、不同流速在河道中產生的損失是水量平衡計算的重要部分，可為流域科學規劃、精細調度水資源提供理論依據[4]。和田河是新疆和田地區各族人民賴以生存的母親河，以水源降水和冰川融水補給為主[5]，由于和田河流域蒸發量大、降水少、河道較寬，使得和田河“來水-引水-退水”過程中天然蒸發和滲漏損失巨大，產生了季節性來水量減少、河道斷流、地下水位下降等生態問題[6]。有限的水資源造成了生產建設用水和生態用水之間的矛盾、不同季節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、科學配置一直是水資源管理部門的重要目標。蒸散發是干旱區水資源消耗的主要形式，國內外學者針對蒸散發已進行了廣泛研究，如楊揚等[8]利用遙感經驗模型估算了半干旱區陸面蒸發量；許敏等[9]基于MODIS和ERA-Interim對安徽省地表蒸散發及其受植被覆蓋度的影響，發現地表ET呈南高北低趨勢，植被覆蓋度與ET逐月相關系數為0.85；Adnan等[10]發現巴基斯坦區域ET在冬季時對水汽壓更為敏感，夏季對風速更為敏感；蔣春宇等[11]運用CRAE模型和水量平衡方程驗證了CRAE模型在和田地區具有良好的實用性。新疆干旱地區水資源運移過程產生的蒸散發是水文循環的主要過程，王杰等[6]根據和田河流域水文站實測資料，分別計算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，其結果對和田河流域水資源開發和管理有一定價值；雷雨等[12]利用塔里木河斷面地表徑流數據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、去向以及變化規律，為流域水資源分段管理以及科學調度提供了理論依據。眾多學者利用不同方法對不同地區蒸散發進行了相關研究，但針對和田地區河道水量耗散特征尚無定論。當前，和田河流域存在灌區毛引水量較大，實際灌溉用水量遠小于引水量，以及灌區毛引水量小、無降水情況下到達田間用水量超過實際引水量的問題，兩種極端問題給當地河道管理工作造成巨大困擾。

因此，為了使和田市水資源管理部門摸清水量損失的組成、轉化及消耗規律，本文根據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關系，定性研究河道耗水與河損之間的關系，為緩解和田地區水資源供給緊張狀況及科學管理提供依據。

2 研究區概況

和田河流域位于塔里木盆地南緣，地理位置介于東經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(簡稱玉河)，西支為喀拉喀什河(簡稱喀河)。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月測量汛期洪水量，本文不做研究。本文擬研究的水文站點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 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

水文站的逐日徑流數據由和田地區水文局提供。各河段的灌溉及生態引水、退水數據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關鍵水文站于2006年建成，為保證研究時段同步性，本文研究時段選擇2006-2018年。

3.2 研究方法

3.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗 Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并廣泛用于研究水文和氣候長時間序列的非參數檢驗方法，具有結果受少數異常值干擾小、能顯示數據顯著突出和突變的優點，因此得到了廣泛應用[14-15]。本文利用Mann-Kendall統計值Z進行地表徑流顯著性檢驗，檢驗時假設該序列無趨勢。通過雙尾檢驗，在給定顯著水平下，由正態分布表中查臨界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2時，則拒絕原假設，即趨勢顯著。Z>0表示地表徑流量呈上升趨勢，Z<0表示地表徑流量呈下降趨勢，Z的絕對值越大，說明地表徑流量變化趨勢越顯著。

3.2.2 河道耗水量計算 水量平衡原理是質量守恒定律在水循環中特定的表現形式，由水量平衡方程表示。水量平衡方程中的各項資料隨研究區的不同而變化[16]。在某段時間，某研究區河道水量平衡可由公式(1)、(2)表示。

W耗=W經濟+W生態+W河損

(1)

式中：W耗為河段總耗水量，108m3；W經濟為國民經濟引水量，108m3;W生態為生態灌溉引水量，108m3；W河損為河道損失水量，108m3，包括河道滲漏、蒸發、漫溢和地下回歸水量，簡稱“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 結果與分析

4.1 和田河流域地表徑流量變化特點

4.1.1 干流地表徑流量年際變化趨勢 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5個主要水文站2006-2018年的徑流實測數據進行分析，徑流量年際變化Mann-Kendall單調趨勢檢驗如表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的情況下，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，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)，故年徑流量均表現為微弱遞增趨勢。

表2 2006-2018年和田河流域年徑流量M-K單調趨勢檢驗

4.1.2 干流地表徑流量年內趨勢變化 和田河出山口兩水文站與肖塔站距離相差不大，其發源地、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，以此來判定年內月徑流量的變化特征。逐月徑流量和Z統計量分析結果見表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

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，統計時間內1-6月統計量Z小于0，月徑流量表現為減小趨勢，其中1月統計量Z值小于-1.96,表現為顯著減小趨勢；7-12月徑流量表現為微弱增大趨勢，其中8、9月增大趨勢強于其他月份。綜合來看，夏秋兩季徑流量最大，且徑流量表現為增大趨勢；年內徑流量在8月達到峰值，逐月徑流量變化幅度較大，這主要是由于源流區受氣溫和降水以及部分人類活動的共同影響，所以各月份徑流量的關聯性較弱。

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月農作物灌溉和生態輸水占年徑流量的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，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，所以綠洲區適宜種植夏、秋兩季需水量較大的農作物。

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，河道損失是指水運移過程中蒸發、滲漏和漫溢水量之和；河道引水是指用于生產建設、農田灌溉和生態灌溉的總引水量。

4.2.1 各河段耗水量特征 根據水量平衡原理，結合2006-2018年和田河河道7個水文站實測徑流數據，分別計算各河段耗水量，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，其主要耗水為生態輸水和蒸發滲漏。

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

由圖3可計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[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，幾乎沒有農田灌溉，耗水主要用于生態輸水以及河道滲漏和蒸發，該河段平均耗水量占比為10%，耗水量占比與總耗水量趨勢一致?？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，是因為兩段河流滋養著和田綠洲170×104人口，供給 903×104hm2農田灌溉用水。

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關系，將各河段耗水量與上游斷面來水量進行數據擬合，結果如圖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系曲線

由圖5可看出，在和田河流域5個河段中，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性，其余3個河段相關性較好，且通過0.05的顯著檢驗。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次函數關系。當來水量小于12×108m3時，耗水量隨著來水量的增加而增加；當來水量大于12×108m3且小于22×108m3時，耗水量隨著來水量的增加而出現減少的趨勢；當來水量超過22×108m3時，耗水量又隨之增加，說明上游斷面來水約為20×108m3時的輸水效率最高。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，當斷面流量小于蒸發量時，河道出現斷流，水量不能到達下游肖塔站；流量較大時，河道積水面積變寬，蒸發量增大，加之河道較淺，由此引發嚴重的漫溢損失和側向滲漏，水量亦不能到達下游肖塔斷面。圖5(f)表明出山口總來水量與河段總耗水量呈正相關關系，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

水量在河道運移過程中會產生大量自然損失，不同下墊面、不同河段將產生不同程度的損耗，如農田引水灌溉滲漏、水量過大引起的漫溢、蒸發損失等，同時雨季低洼處地下水補給產生負損耗使得河段引水量和實際用水量之間存在較大差異。所以為滿足灌區需水量及下泄水量目標，需細化分析和田河流域各河段不同時間尺度的水量損失規律。

4.3.1 干流各河段河損規律分析 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，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]，且有護林工作人員在6-9月汛期開展生態林引水灌溉，水量主要用于補給地下水和植物蒸散發，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；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值，主要原因是2017-2018年連續兩年處于豐水年，喀河沿岸灌溉生產引水大，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系 為探究河段耗水量與河損量之間的相關關系，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行擬合，結果見圖7。由圖7可知，各河段河損量與耗水量存在正相關關系，且通過0.05的顯著檢驗，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系曲線

5 結論與建議

根據和田河流域2006-2018年實測數據，通過分析源流區年內和年際徑流量變化、斷面來水量與河段耗水量的關系、河段耗水量與河損量的關系得出以下結論：

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

(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關系，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峰，枯水期下泄調節水量起到了防洪抗旱作用，所以喀拉喀什河徑流量年內變化幅度相對較??；同時，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劃治理的重點應為喀拉喀什河。

(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。