塔里木河水量平衡計算與分析

□孟棟偉（塔里木河流域水政監察分隊）

1 區域概況

塔里木河流域位于新疆南部，是環塔里木盆地的阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都－孔雀河、迪那河、渭干河與庫車河、克里雅河和車爾臣河等九大水系144條河流的總稱。流域總面積102萬km2。塔里木河干流位于塔里木盆地北緣，起始于阿克蘇河、葉爾羌河及和田河的交匯處—肖夾克，歸宿于臺特馬湖，干流全長1 321 km。地勢為西高東低、北高南低，由西向東傾斜，至鐵干里克轉向由北向南。塔里木河歷史上是著名的游蕩性河流，北至天山山麓，南至塔克拉瑪干沙漠，擺幅達80～130 km。北部受天山褶皺構造抬升而使沖積扇形平原向南延伸，迫使河流南移；南部沖積平原受沖積物和風成沙的堆高，又迫使河流北返，如此往復，便形成了廣闊而深厚的平原。

2 研究數據

2.1 水文與氣象

塔河干流屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，降雨稀少，蒸發強烈，氣候干燥，多風，日照長，溫差大，夏季炎熱，冬季干冷。多年平均氣溫10.70℃，極端最高氣溫達43.60℃，極端最低氣溫-30.90℃。＞10℃積溫4 000～4 500℃之間，日照小時數約3 000 h，無霜期187-233 d。多年平均降水量17.40～42.80 mm，蒸發能力為1 125～1 600 mm（以折算E－601型蒸發皿蒸發量計算），干旱指數為17～50，屬極端干旱地區。干流地區多風沙、浮塵天氣，以下游地區尤為嚴重，每年大風（＞17.20 m/s即8級以上風）天氣達20 d之多，若羌縣達40 d之多；沙暴日多達20 d，起沙風（＞5 m/s）年均出現202次，最大風速達40 m/s。

2.2 水位

由于塔里木河干流治理河段長，河段內水位、流量的測驗站少，各河段設計水位主要用天然河道水面線（伯努力方程）推算。考慮到大斷面測量時間不一，有些斷面不滿足寬度要求，本次利用現有水文站的設計水位流量關系對推算結果進行了修正。到2005年，各水文站水位流量關系以現狀水位流量關系作為基礎，并考慮設計水平年河床淤積進行設計。

3 水量平衡計算

3.1 水量平衡模型

基于出入河流的水量之差與河流增減水之間的關系，建立水量平衡方程式如下：

其中：△t—計算的時段；△V—流域庫容變化量（m3），時段末水量大于時段初水量時，△V＞0，反之，△V＜0；A—流域水面面積（m2），其為水位h的函數；P—流域降水量（mm）；E—流域蒸發量（mm）；Qin—流域入水量（m3）；Qout—流域出水量（m3）。

考慮到塔里木河的實際情況，可以將式（1）表示如下：

3.2 水平衡項計算

獨立封閉的塔里木盆地為內陸盆地，地下水從西向東，從南、北兩側向塔里木河干流匯集，盆地內深厚的松散層，形成連通的孔隙潛水含水層，松散層主要為粉砂、細砂和砂壤土，具中等富水性和透水性，滲透系數在10-3cm/s左右。干流區年降水量40 mm左右，入滲補給甚微；寬廣的盆地，地形高差不大，地下水坡降小流速甚微。近河靠洪水期側向入滲和泛濫漫溢區入滲及沼澤、湖泊、水庫、渠系、農田灌水入滲補給地下水。地下水排泄靠河道枯水期，水位降低時側向回滲以及灌區排水渠和泛濫平原區低洼地水位高于臨界水深時，大氣蒸發或植物蒸騰。

3.2.1 河川徑流量

根據1956-1999年（水文年）實測資料統計，多年平均進入塔里木河干流的水量為46.30億m3，其中汛期（7-9月）32.50億m3，占全年來水量的70.20%；非汛期（10-來年6月）13.80億m3，占全年來水量的29.80%。自20世紀50年代起至90年代末，進入干流的水量呈遞減的趨勢，由50年代的55.60億m3減少到90年代41.60億m3。徑流量的年際變化較大，阿拉爾斷面最大年徑流為77.60億m3（1956年）,最小為28.10億m3（1993年），最大與最小年徑流之比為2.76。

3.2.2 河面蒸發量

河面蒸發量是塔里木河水量平衡的重要構成要素，塔河于1980年以后若干測站觀測數據缺失且蒸發皿折算系數出現異常，為此，筆者建立塔河水面蒸發量模型并結合彭曼公式法進行河面蒸發量的計算，彭曼公式對氣象數據要求較充足，許多測站都無法滿足其要求，所以筆者引用Valinantzas等人對彭曼公式所進行的化簡，只需要有溫度、濕度、日照、風速等數據指標就可以計算出河面蒸發量。

圖1 塔河蒸發量計算值與觀測值的擬合圖

其中：EPEN——河面蒸發量（mm）；α——太陽輻射的水面反射系數，取α=0.08；RS——大氣底太陽輻射強度（MJ/m2·d）；RA——大氣頂太陽輻射強度（MJ/m2·d）；RH——相對濕度（%）；U——風速（m/s）；T——溫度均值，T=（Tmax+Tmin）/2，Tmax、Tmin為溫度最高、最低值。

在6個測站中，烏斯滿站的蒸發量計算值與觀測值吻合程度最佳，故選其為塔河蒸發量，式（4）所給出的簡化公式僅僅適合溫度均值≥-9℃的情況，即只能計算塔河4-11月的蒸發量，11-來年3月的蒸發量（占全年蒸發量5.40%）按照年內蒸發量分布比例加以推算。

將塔河全年蒸發量與測站觀測值對比，蒸發皿折算系數取0.64，則通過圖1可以看出，觀測值與計算值相關系數高達0.94，充分表明擬合程度較優。

3.3 水量平衡計算

第三時段內，水位、降水和徑流發生了更大的變化，為了尋找原因，可以用實測值減去系列均值后計算各個氣象因素的累積距平值。經計算，降水、蒸發、徑流和水位的系列均值為256.98 mm、1 137.81 mm、10.87×108m3和541 m，其累計距平值的變動均呈現規律性。起初，水位、降水和徑流具有近乎一致的變動趨勢，在1985年達到最低后急劇反轉上升，至2001年達到最高后又急劇下降，與此同時蒸發的變動則恰恰相反。第二時段的水位、降水和徑流的累積距平值變化幅度小于第三時段，而蒸發正好相反，這表明2001年后塔河水位急劇下降并非由蒸發變動而致，很可能由降水和徑流的急劇下降引起，而這一變化應歸因于氣候的變化，結合氣象衛星遙感檢測資料對塔河區域氣候變化的分析結果可以看出，21世紀以來，干燥事件的明顯增多引致干旱事件頻發，氣候逐漸變得暖干，導致降水減少、徑流減少而蒸發增大，這也與文章的分析結果一致。

表1中，△V表示考慮到徑流Q、降水P、蒸發E之后的流域庫容變化量，從計算結果的對比可以看出，按照相關系數取值大小的順序，徑流+降水對庫容影響最大，其次為徑流，影響最小的是蒸發，這與上述分析結論完全吻合。

4 結論

文章對塔里木河干流水文過程和水平衡過程進行了計算，并進行了月水量的平衡分析，計算結果表明，2001年后氣候的變化造成塔河水位持續降低，降水減少，蒸發增大，進而引起塔河水量損失，徑流和入水量均減少，河川徑流對流域水位影響程度最大。雖然文章所計算的塔河水量平衡結果與已有的研究成果存在些許差距，這主要是由于計算方法、所選時段和時間步長等客觀因素造成，并不影響結論的科學性。

表1 塔河水量平衡的相關分析表

［1］王志杰，李暢游，等.內蒙古呼倫湖水量平衡計算與分析［J］，湖泊科學，2012，24（2）：273-281.

［2］鄧秋良，周明.淺析預蓄充庫灌區的水量平衡計算［J］.長江工程職業技術學院學報，水利規劃與設計，2011（3）：25-29.