面向水资源配置的塔里木河干流农业和生态用水效益研究

王光焰，陈长清，贾志伟，陈 林

(1. 塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000；2.华中科技大学 土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074)

20世纪50年代以来，受气候变化和人类活动影响，多条源流相继脱离塔河干流，加之水资源的开发缺乏统一规划，水资源利用效率低下，导致塔河水量逐年减少，至20世纪70年代干流下游约400 km河道断流，尾闾台特玛湖干涸，大片胡杨林和天然林草退化甚至死亡，下游绿色走廊受到了极大的毁坏，水资源低效开发和生态失稳现象愈演愈烈[1-2]，制约了流域经济社会和生态环境可持续发展。如不改变这一现状，将出现严重的区域性水危机[3]，威胁人类自身的生命财产安全[4]。

21世纪以来，新疆维吾尔自治区政府采取一系列措施来改善塔里木河下游生态状况，在此期间先后20余次向塔河下游输送共计77亿m3水量用于生态补水，生态水头曾14次到达台特玛湖，有效遏制了塔里木河流域生态环境恶化趋势，结束了塔河下游河道连续多年断流历史。另外，以往近20年输水多是以总量控制，缺少时间上、空间上的塔里木河生态补水优化方案，缺少严格高效的科学研究支撑。为此，本研究开展对塔里木河流域干流生态补水的优化配置研究，尤其对塔里木河干流农业和生态用水效益进行了定量化分析，以单位用水效益计算配水区域的水资源价值，为促进区域水资源可持续利用和生态保护提供理论依据。

1 研究区和方法

1.1 塔里木河干流概况

塔河流域位于新疆地区的塔克拉玛干沙漠的边缘，塔河干流径流主要靠融雪补给，为纯耗散型内陆河。塔河干流河道始于阿克苏河、和田河以及叶尔羌河汇合处的阿拉尔，向东到恰拉改变流向，弯向东南，并终于台特玛湖，全长1321 km。按地貌特点可将塔河干流流域划分为上、中、下游三段，主要径流特征和河段情况如下：

(1)上游河段。阿拉尔～英巴扎，呈近东西向流淌，河道长495 km。此河段水资源较为充足，生态植被覆盖度高。但由于近些年的农业发展需求，农业灌溉面积急剧增长，生态植被面积不断减少。

(2)中游河段。英巴扎～恰拉，河道长398 km。此河段虽然闸门数量最多，可由于河道淤积，常在汛期时出现漫堤情况，虽然对堤防和水利工程造成了一定的损害，但对周边地区的生态植被有一定的水量补给，生态植被面积呈一定的增长的趋势。同时，当地居民的开发土地使得农业灌溉面积也有所增长。

(3)下游河段。恰拉～台特玛湖，河道长428 km。此河段2000年以前河道几乎被沙漠覆盖，且地下水水位降低，生态系统遭到毁灭性打击。2000年以后，河道逐渐恢复，地下水水位回升，生态系统也在逐渐复苏。

1.2 研究方法

1.2.1 农业灌溉效益计算

某灌区农业用水总效益与该灌区农业需水量之比即为该灌区单位灌溉用水效益。某灌区农业用水总效益[5]表示为式(1)：

(1)

式中：Bagr(i)为灌区i灌溉用水的总效益，元；N为第i灌区的作物种类数；A(i,j)为灌区i作物j的灌溉面积，km2；P(j)为作物j的产品单价，元/kg；B0(i,j)为灌区i作物j单位面积的成本，元/kg2；PW(i)、η(i)分别为农灌区i的成本水价和灌溉水利用系数，WD(i,j)为灌区i作物j的净灌溉定额，m3/km2；YLD(i,j)为灌区i作物j的单位面积产量，kg/km2。

灌区农业需水量表示为下式(2)：

(2)

式中：Wa0(i)为灌区i的农业需水量，m3；Wq(i,j)为灌区i作物j的农业灌溉定额，m3/km2；λ为农业灌溉水利用系数；A(i,j)为灌区i内作物j的种植面积，km2。

1.2.2 生态用水效益计算

某区域生态价值与该区域生态需水量之比即为该区域单位生态用水效益。采用面积法来计算某区域植被生态需水量[6]，采用粟晓玲等人[7-8]方法计算某区域植被的动态生态价值。生态需水量的计算公式(3)如下：

(3)

式中：We0为某区域植被生态需水总量，m3；Ak为该区域第k类型植被的面积，km2；n为该区域植被种类总数；Pk为第k类型植被生态需水定额，m3/km2。

1.3 数 据

将依托塔河干流来水的农业灌溉区域分为沙雅、沙雅监狱、库车、库车种羊场、轮台、农二师共六个灌区。根据《新疆塔里木河干流流域综合规划》，塔河干流2015年种植结构如表1所示。可见，塔河干流的作物种植主要集中在上游、下游，主要农作物为棉花。根据《新疆塔河干流流域综合规划》，再结合塔河干流的气候条件、水资源特点、土壤特性和农业灌溉措施实际情况得出塔河干流流域年农业净灌溉定额，即牧草5100 m3/hm2、林地6600 m3/hm2、果园7350 m3/hm2、蔬菜和棉花为6750 m3/hm2、果用瓜、玉米和其他作物为5250 m3/hm2。塔河干流的农业灌溉水利用系数取为干流流域均值0.465。根据《2018年新疆统计年鉴》得到塔河干流流域的不同作物种植面积和总产量，计算得出不同作物的单产量。再调查2018年农作物贸易市场得到不同农作物单价。

表1 塔河干流种植结构 万hm2

根据塔河干流水文站布局，将干流阿拉尔～新其满、新其满～英巴扎、英巴扎～乌斯满、乌斯满～恰拉、恰拉～台特玛湖共5个河段。根据《新疆塔里木河干流流域综合规划》，塔河干流天然植被面积见表2。由表可知，塔河干流生态植被以低盖度草地和高盖度草地为主。根据《2018年新疆统计年鉴》和《新疆塔河干流流域综合规划》计算，疏林地、有林地、低盖度草地和高盖度草地的单位生态效益分别为1494.60元/km2、3202.71元/km2、820.12元/km2和2460.36元/km2，生态需水定额分别为4.4490万m3/km2、30.4320万m3/km2、6.2805万m3/km2和23.4120万m3/km2。

表2 塔河干流天然植被面积 万hm2

2 研究结果

2.1 农业用水效益

各农业规划区域农业需水量计算结果如图1所示，各灌区中沙雅灌区年需水量为5.58亿m3，农二师灌区为5.66亿m3，轮台灌区为4.95亿m3，为主要的三个农业需水量大区。通过农业生产效益与农业用水量之比求得塔河干流单位农业灌水效益求得库车单位水效益为2.56元/m3，农二师单位水效益为2.19元/m3，这两大区的用水效率较高。

图1 塔河干流各灌区年农业需水量和单位灌水效益

2.2 生态用水效益

塔河干流生态用水效益如图2所示，从图中可看出，塔河干流自上游至下游的生态需水总量在下降，单位生态用水效益则呈上升趋势，反映了生态用水效率沿程逐渐升高。

图2 塔河干流不同河段单位生态用水效益

3 结 论

本文分析了塔河干流的作物种植特点和自然植被分布特点，据此划分出农业规划区和生态规划区，并根据农业生态规划区域划分结果，分别计算出各区域需水量、总灌溉经济效益以及单方水经济效益，最终得出如下结论：(1)农业灌区主要分布在塔河上游和下游地区，而中游地区分布较少，各灌区主要作物为棉花。(2)生态植被面积从塔河上游至下游递减，下游生态状况较差，且北岸植被面积大于南岸，全流域植被主要以高、低盖度草地为主。(3)沙雅、农二师和轮台灌区为主要的需水大区，库车和农二师灌区用水效率较高。(4)从塔河干流上游至下游生态用水效率逐渐升高。上述结论可为塔里木河流域水资源优化配置提供理论和实践依据。