面向水資源配置的塔里木河干流農業和生態用水效益研究

王光焰，陳長清，賈志偉，陳 林

(1. 塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

20世紀50年代以來，受氣候變化和人類活動影響，多條源流相繼脫離塔河干流，加之水資源的開發缺乏統一規劃，水資源利用效率低下，導致塔河水量逐年減少，至20世紀70年代干流下游約400 km河道斷流，尾閭臺特瑪湖干涸，大片胡楊林和天然林草退化甚至死亡，下游綠色走廊受到了極大的毀壞，水資源低效開發和生態失穩現象愈演愈烈[1-2]，制約了流域經濟社會和生態環境可持續發展。如不改變這一現狀，將出現嚴重的區域性水危機[3]，威脅人類自身的生命財產安全[4]。

21世紀以來，新疆維吾爾自治區政府采取一系列措施來改善塔里木河下游生態狀況，在此期間先后20余次向塔河下游輸送共計77億m3水量用于生態補水，生態水頭曾14次到達臺特瑪湖，有效遏制了塔里木河流域生態環境惡化趨勢，結束了塔河下游河道連續多年斷流歷史。另外，以往近20年輸水多是以總量控制，缺少時間上、空間上的塔里木河生態補水優化方案，缺少嚴格高效的科學研究支撐。為此，本研究開展對塔里木河流域干流生態補水的優化配置研究，尤其對塔里木河干流農業和生態用水效益進行了定量化分析，以單位用水效益計算配水區域的水資源價值，為促進區域水資源可持續利用和生態保護提供理論依據。

1 研究區和方法

1.1 塔里木河干流概況

塔河流域位于新疆地區的塔克拉瑪干沙漠的邊緣，塔河干流徑流主要靠融雪補給，為純耗散型內陸河。塔河干流河道始于阿克蘇河、和田河以及葉爾羌河匯合處的阿拉爾，向東到恰拉改變流向，彎向東南，并終于臺特瑪湖，全長1321 km。按地貌特點可將塔河干流流域劃分為上、中、下游三段，主要徑流特征和河段情況如下：

(1)上游河段。阿拉爾～英巴扎，呈近東西向流淌，河道長495 km。此河段水資源較為充足，生態植被覆蓋度高。但由于近些年的農業發展需求，農業灌溉面積急劇增長，生態植被面積不斷減少。

(2)中游河段。英巴扎～恰拉，河道長398 km。此河段雖然閘門數量最多，可由于河道淤積，常在汛期時出現漫堤情況，雖然對堤防和水利工程造成了一定的損害，但對周邊地區的生態植被有一定的水量補給，生態植被面積呈一定的增長的趨勢。同時，當地居民的開發土地使得農業灌溉面積也有所增長。

(3)下游河段。恰拉～臺特瑪湖，河道長428 km。此河段2000年以前河道幾乎被沙漠覆蓋，且地下水水位降低，生態系統遭到毀滅性打擊。2000年以后，河道逐漸恢復，地下水水位回升，生態系統也在逐漸復蘇。

1.2 研究方法

1.2.1 農業灌溉效益計算

某灌區農業用水總效益與該灌區農業需水量之比即為該灌區單位灌溉用水效益。某灌區農業用水總效益[5]表示為式(1)：

(1)

式中：Bagr(i)為灌區i灌溉用水的總效益，元；N為第i灌區的作物種類數；A(i,j)為灌區i作物j的灌溉面積，km2；P(j)為作物j的產品單價，元/kg；B0(i,j)為灌區i作物j單位面積的成本，元/kg2；PW(i)、η(i)分別為農灌區i的成本水價和灌溉水利用系數，WD(i,j)為灌區i作物j的凈灌溉定額，m3/km2；YLD(i,j)為灌區i作物j的單位面積產量，kg/km2。

灌區農業需水量表示為下式(2)：

(2)

式中：Wa0(i)為灌區i的農業需水量，m3；Wq(i,j)為灌區i作物j的農業灌溉定額，m3/km2；λ為農業灌溉水利用系數；A(i,j)為灌區i內作物j的種植面積，km2。

1.2.2 生態用水效益計算

某區域生態價值與該區域生態需水量之比即為該區域單位生態用水效益。采用面積法來計算某區域植被生態需水量[6]，采用粟曉玲等人[7-8]方法計算某區域植被的動態生態價值。生態需水量的計算公式(3)如下：

(3)

式中：We0為某區域植被生態需水總量，m3；Ak為該區域第k類型植被的面積，km2；n為該區域植被種類總數；Pk為第k類型植被生態需水定額，m3/km2。

1.3 數 據

將依托塔河干流來水的農業灌溉區域分為沙雅、沙雅監獄、庫車、庫車種羊場、輪臺、農二師共六個灌區。根據《新疆塔里木河干流流域綜合規劃》，塔河干流2015年種植結構如表1所示?？梢?，塔河干流的作物種植主要集中在上游、下游，主要農作物為棉花。根據《新疆塔河干流流域綜合規劃》，再結合塔河干流的氣候條件、水資源特點、土壤特性和農業灌溉措施實際情況得出塔河干流流域年農業凈灌溉定額，即牧草5100 m3/hm2、林地6600 m3/hm2、果園7350 m3/hm2、蔬菜和棉花為6750 m3/hm2、果用瓜、玉米和其他作物為5250 m3/hm2。塔河干流的農業灌溉水利用系數取為干流流域均值0.465。根據《2018年新疆統計年鑒》得到塔河干流流域的不同作物種植面積和總產量，計算得出不同作物的單產量。再調查2018年農作物貿易市場得到不同農作物單價。

表1 塔河干流種植結構 萬hm2

根據塔河干流水文站布局，將干流阿拉爾～新其滿、新其滿～英巴扎、英巴扎～烏斯滿、烏斯滿～恰拉、恰拉～臺特瑪湖共5個河段。根據《新疆塔里木河干流流域綜合規劃》，塔河干流天然植被面積見表2。由表可知，塔河干流生態植被以低蓋度草地和高蓋度草地為主。根據《2018年新疆統計年鑒》和《新疆塔河干流流域綜合規劃》計算，疏林地、有林地、低蓋度草地和高蓋度草地的單位生態效益分別為1494.60元/km2、3202.71元/km2、820.12元/km2和2460.36元/km2，生態需水定額分別為4.4490萬m3/km2、30.4320萬m3/km2、6.2805萬m3/km2和23.4120萬m3/km2。

表2 塔河干流天然植被面積 萬hm2

2 研究結果

2.1 農業用水效益

各農業規劃區域農業需水量計算結果如圖1所示，各灌區中沙雅灌區年需水量為5.58億m3，農二師灌區為5.66億m3，輪臺灌區為4.95億m3，為主要的三個農業需水量大區。通過農業生產效益與農業用水量之比求得塔河干流單位農業灌水效益求得庫車單位水效益為2.56元/m3，農二師單位水效益為2.19元/m3，這兩大區的用水效率較高。

圖1 塔河干流各灌區年農業需水量和單位灌水效益

2.2 生態用水效益

塔河干流生態用水效益如圖2所示，從圖中可看出，塔河干流自上游至下游的生態需水總量在下降，單位生態用水效益則呈上升趨勢，反映了生態用水效率沿程逐漸升高。

圖2 塔河干流不同河段單位生態用水效益

3 結 論

本文分析了塔河干流的作物種植特點和自然植被分布特點，據此劃分出農業規劃區和生態規劃區，并根據農業生態規劃區域劃分結果，分別計算出各區域需水量、總灌溉經濟效益以及單方水經濟效益，最終得出如下結論：(1)農業灌區主要分布在塔河上游和下游地區，而中游地區分布較少，各灌區主要作物為棉花。(2)生態植被面積從塔河上游至下游遞減，下游生態狀況較差，且北岸植被面積大于南岸，全流域植被主要以高、低蓋度草地為主。(3)沙雅、農二師和輪臺灌區為主要的需水大區，庫車和農二師灌區用水效率較高。(4)從塔河干流上游至下游生態用水效率逐漸升高。上述結論可為塔里木河流域水資源優化配置提供理論和實踐依據。