基于耗水平衡的喀什噶尔河流域水资源承载能力研究

赵 妮，郭春红，郭丽君，苏 阳

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 8300003；3.喀什噶尔河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 研究背景

“喀什噶尔”其语源有突厥语、古伊兰语、波斯语等融演而成，含意有“各色砖房”“玉石集中之地”“初创”等不同解释，《西域水道记》中诠释为“回语谓各色为喀什，砖屋为噶尔，地富庶、多砖屋也”[1]。喀什噶尔河在古代曾是塔里木河最重要的源流之一，《水经注》《西域水道记》均将其作为塔里木河的第一条源流加以叙述，并将其称为葱岭北河。

喀什噶尔河水系主要由源流克孜河、盖孜河、库山河、依格孜牙河、布谷孜河、恰克马克河6条较大的支流汇集而成，流域面积6.97万km2，历史上，这6条较大支流均与干流水网贯通，干流水量浩大，是塔里木河的重要源流之一。20世纪60年代以后，各支流出山口后，大部分水量被上游灌区引用，盖孜河、库山河和依格孜牙河等支流已无余水汇入喀什噶尔河，各自逐步演变成独立水系，布谷孜河、恰克马克河余水也大多由托卡依水库拦蓄，剩余水量主要被西克尔水库和邦克尔水库拦蓄，下游河道已成为上游灌区排碱水下泄通道，已不在与塔里木河有地表水联系。

近年来，随着经济社会的快速发展，人工绿洲不断扩张，严重挤占了天然绿洲，根据全疆第三次国土调查结果，喀什噶尔河流域灌溉面积已达到1010万亩，现状耕地面积约是1990年的1.5倍，现状实际供用水量达到62.50亿m3，远超用水总量控制指标。如果流域仍按照当前的开发格局与用水规模，必将会加大生态环境进一步恶化的风险，严重威胁到经济社会的发展。如若按照自治区下达的用水总量控制指标42.02亿m3进行严格控制，则流域无论是水量还是灌溉面积都需要进行大幅度压减。流域现状地表水开发利用率已达79.0%，地下水开发利用率为141.5%，水资源总量开发利用率平均为113.2%，开发利用程度高，地下水严重超采，供需矛盾尖锐，其水资源已成为制约流域经济社会发展的最大刚性约束[2]。

坚持“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”原则，把水资源作为最大的刚性约束是习近平总书记提出的重要论述，“四水四定”的核心内涵，就是要将水资源开发利用限定在水资源承载力范围内，既要保障社会经济高质量发展，又要让生态环境得到有效保护[3]。水是新疆经济社会发展的命脉，水资源利用效率直接影响新疆发展空间。水资源承载能力是在一定的生态环境保护目标下，水资源对促进经济社会发展和维护良好生态环境的最大支撑能力。水资源承载能力广泛应用于研究某一地区尤其是缺水地区的工业、农业、城市乃至整个地区的经济发展所需要的水资源供需平衡和生态系统保护[4-5]。本次以修编的《喀什噶尔河流域综合规划》的数据、成果、结论为基础，分析流域的水资源量，依据水量供需平衡原理在满足生态环境需水的情况下，分析流域可承载的灌溉面积，以支撑流域高质量发展。

2 流域水资源量

2.1 水资源量

根据综合规划，喀什噶尔河流域多年平均水资源量(含入境水量)为55.80亿m3，其中地表水资源量为52.32亿m3，地下水资源与地表水资源不重复量为3.48亿m3。按水资源利用分区，克孜河区水资源总量为24.42亿m3，盖孜河区水资源总量为17.12亿m3，库山河区水资源总量为8.01亿m3，依格孜牙河区水资源总量为1.76亿m3，恰克马克河-布谷孜河区水资源总量为4.49亿m3[6-7]。

2.2 现状用水量

流域2016—2020年5年平均用水总量为62.51亿m3，其2020年流域总用水量为62.50亿m3，其中农业用水量为59.82亿m3，占总用水量的95.7%；流域生活用水量为1.31亿m3，占总用水量的2.1%；工业用水量为0.50亿m3，占总用水量的0.8%；牲畜用水量为0.27亿m3、渔业用水量为0.61亿m3，分别占0.4%、1.0%；现状实际开采地下水量为18.25亿m3。

3 流域现状存在的主要问题

3.1 水资源开发利用量远超用水指标，经济发展和生态文明争水矛盾突出[8]

随着经济发展和人口增加，对水资源需求也日益增长，各业用水需求的增加导致水资源开发利用量超出了控制指标。现状流域地表水供水量44.2亿m3，超出2030年地表水控制指标7.0亿m3；现状流域地下水供水量18.25亿m3，超出控制指标13.7亿m3。这种情况下，经济发展和生态文明建设之间的争水矛盾就凸显出来。一方面，经济的发展需要大量的水资源支持，工业生产、农业灌溉和城市供水等对水资源的需求不断增加。另一方面，生态文明建设要求对水资源进行科学合理利用，保护和修复生态环境，确保水资源可持续利用。但由于流域近期水资源处于丰水期，生态环境恶化的趋势并不明显，如果不改变现状的开发格局与用水规模，流域生态环境脆弱性将会逐步增加，若遇到连续枯水年，水资源将无法保证生态环境和经济社会可持续发展。

3.2 流域生态环境脆弱，生态环境保护形势严峻[9]

随着流域经济社会的快速发展，用水量随之猛增，流域各河流地表来水出山口后几乎都被引入灌区，加之下游河道基本被渠系化，流域各河流下游河道基本无水通过。克孜河天南维其克断面来水量小于70m3/s时，天南维其克渠首至七里桥河段(老河道)出现断流；克孜河在布哈拉渠首以下至末端阿瓦提县河道常年断流，断流河道长416km，现基本已失去河道功能。盖孜河在疏勒县三道桥渠首以下枯水期河道断流，仅汛期有多余水量下泄河道。库山河、恰克马克河、依格孜牙河下游河段都存在不同程度的断流现象。流域内地下水位普遍在下降，如喀什市及周边区域的地下水位普遍下降了3～5m左右；疏勒县地下水位呈中速下降型，下降速率为0.758m/a。近年来，随着人类经济社会发展对地下水资源量的需求不断增大，流域内地下水呈掠夺式开发，地下水水质咸化进一步加剧，如克孜河流域的浅层地下水化学组分硫酸盐和矿化度含量以慢速上升型为主，中深层地下水化学组分氯离子含量、总硬度、硫酸盐和矿化度以中速上升型-快速上升型为主[10]，多年升降幅度一般小于10%。

3.3 农业用水占比过大，利用效率低

流域现状农业用水(含渔业、牲畜)占用水总量的97.1%以上，生活、工业等其他行业用水占比仅为2.9%。现状流域农业用水总量60.7亿m3(含牲畜、渔业)，流域第一产业增加值119.8亿元，农业单方水增加值1.97元；而全国平均农业单方水增加值为18.54元，甘肃为11.9元，内蒙古11.7元；流域单方水产出仅为全国平均水平的10.6%，远远低于全国平均水平，也远低于同为干旱区域的甘肃和内蒙。根据调查统计，全流域高效节水灌溉面积为128.3万亩，高效节灌率仅为12.7%，远低于全疆平均节灌率59.3%；流域现状农业综合毛灌溉定额为592m3/亩，高于全疆农业定额543m3/亩[11]。流域农业用水效率较低，存在一定的节水潜力。

3.4 水资源配置能力需亟待加强

流域内大多数河流属于降水和冰雪融水补给型河流，年内月径流量变幅较大。流域最大的河流克孜河连续最大4个月(6—9月)径流量占到全年径流量的66%左右，而3—5月农业春灌高峰期径流量仅占全年径流量的16%左右；流域第二大河盖孜河6—9月径流占全年径流的71%，3—5月径流仅占全年径流的15%左右；库山河、依格孜牙河、恰克马克河径流年内变幅情况也如此。流域灌溉面积规模较大，农业用水占比高，尤其是3—5月，流域春灌用水占农业总用水的30%～40%[12]。流域来水过程及农业需水过程不匹配，造成流域春旱缺水严重，现状流域虽建有卡拉贝利水利枢纽、布仑口水库、阿湖水库等控制性调蓄工程，在一定程度缓解了流域农业春旱缺水程度，但农业春旱缺水并未得到完全解决，下游灌区仍需通过平原水库调蓄、过量开采地下水等措施来解决灌溉缺水问题。

4 现状耗水分析

水资源平衡分析是以流域为单元研究生态耗水与国民经济耗水的对比关系，通过平衡分析不仅可以校正生态耗水的结果，更重要的是从水资源平衡角度协调生态耗水与国民经济用水矛盾，以此调整生态保护目标、生态建设和国民经济发展规模[13]。

以喀什噶尔河流域水资源量为基础，通过合理分析流域生态环境、国民经济等耗水项的耗水量，来进行现状年耗水平衡计算，从而得出现状年的耗水量[14]。其中，生态环境耗水主要包括天然林草耗水，河渠、湖泊、水库及滩涂湿地耗水、裸地耗水，国民经济耗水主要包括农业、工业、生活、牲畜和渔业耗水。

Ravaila=Weconomy+Eeco+Einvali+Wleave-b-
Wenter-b+Wp-leave-c-Wenter-c

(1)

Eeco=∑Ai×EVi

(2)

式中，Ravaila—流域平原水资源量，m3；Eeco—流域生态耗水，m3；Einvali—流域平原区无效消耗水资源量，m3；Weconomy—流域国民经济耗水，m3；Wleave-b—补给其他流域的水量(包括自然补给或人工引水)，m3；Wenter-b—从其他流域补给的水量(包括自然补给或人工引水)，m3；Wp-leave-c—流域从平原区出境水量，可利用的水量，m3；Wenter-c—入境水资源量，m3；Ai—i类植被利用面积，m2；EVi—i类土地利用类型的潜水蒸发或水面蒸发，mm。

根据全国水资源评价中各站点的E601蒸发值可知，喀什噶尔河流域蒸发量为1500.8mm。

4.1 平原区生态环境耗水

流域平原区天然林草包括林地和草地，其中林地分为有林地、灌木林地、疏林地、其他林地，草地分为高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地。现状流域平原区天然林草面积为4941.4km2，其中林地面积969.4km2，草地面积3972.0km2。按水资源利用分区统计，各区域林草面积分布如图1所示。由图1可知克孜河天然林草面积占比最大，约占到50%左右。(本次采用LANDSET影像数据，成像时间为2019年7月，图像分辨率为30m，每景覆盖度范围为185km×185km，解译主要采用543波段。)

图1 各水资源分区天然林草分布示意图

为便于分析天然林草耗水情况，通过将平原区天然林草分布图与地下水水位等值线图进行叠加，提取出不同地下水埋深条件下的林草分布情况，经叠加分析，平原区天然林草面积4941.4km2中，地下水埋深(Z)小于3m的天然林草面积为246.6km2，地下水埋深(Z)为3～6m的天然林草面积723.0km2，地下水埋深(Z)大于6m的天然林草面积3972.0km2。各区域不同地下水埋深天然林草分布如图所示2。

由图2可知，流域平原区地下水埋深超过6m的林草面积占比达到80%左右，通过采用面积定额法和潜水蒸发法计算流域天然林草耗水为8.63亿m3。流域内还存在一些河渠、湖泊、水库、滩涂湿地的耗水及裸地的耗水，主要为蒸发耗水，采用潜水蒸发法计算攻击耗水量分别为6.76亿、5.37亿m3，综上分析计算，现状年喀什噶尔河流域平原区生态耗水量共计20.76亿m3。

图2 各区域不同地下水埋深下天然林草分布图

4.2 国民经济耗水量分析

主要包括农业、工业、生活、牲畜和渔业耗水。农业耗水采用面积定额法进行计算，工业、生活、牲畜、渔业耗水相对较小，通过耗水系数法进行确定。经过计算，流域现状年国民经济总耗水量为36.44亿m3，其中平原区农业耗水量为34.2亿m3，非农行业耗水为2.23亿m3。

经计算，流域各分区喀什噶尔河流域平原区水资源消耗总量为57.19亿m3，见表1。

表1 喀什噶尔河流域耗水计算结果 单位：亿m3

5 现状水资源平衡

在P=50%来水频率下，流域地表水资源量51.43亿m3，流域水资源可利用量69.69亿m3，整个流域现状年各业的需水量约69.8亿m3。经供需平衡计算，流域地表水资源余水量10.21亿m3，经济社会缺水量3.63亿m3，流域余缺水量差6.58亿m3，仅能满足流域天然生态需水量15.39亿m3的42.8%；在P=75%来水频率下，流域地表水资源量45.29亿m3，流域水资源可利用量63.54亿m3。经供需平衡计算，流域地表水资源余水量6.17亿m3，经济社会缺水量5.73亿m3，流域余缺水量差0.44亿m3，仅能满足流域天然生态需水量15.39亿m3的2.8%。由水资源供需平衡可知，流域现状经济社会规模，尤其是农业灌溉规模及用水量过大，超引地表水及超采地下水，挤占了流域天然生态用水，流域生态环境将难以为继。这意味着流域现有的经济社会规模，特别是农业灌溉规模和用水量过大，已经超过了地表水资源的供应能力，甚至超过了地下水的可持续开采量。因此，流域的天然生态用水需求难以得到满足，流域的生态环境可能面临很大的压力。

6 基于现状耗水平衡的流域水资源承载能力分析

6.1 水资源供需平衡分析

基于耗水平衡可知，流域生态环境耗水15.39亿m3，流域现状水资源开发利用存在的主要问题是流域地下水严重超采，经济社会用水挤占生态用水。以当前流域现状为基础，设定4种情景，分析流域在水资源承载能力约束条件下的最大可承载灌溉面积，设定情景1维持灌区现状，压减地下水；情景2灌区实施高效节水，维持现状地下水；情景3实施高效节水，同时压减地下水，情景4实施高效节水、压减灌溉面积和地下水，见表2。

情景1，在流域现状开发利用的基础上，仅压减地下水超采量，P=50%、P=75%来水频率下流域余缺水量差均为负值，表明流域经济社会尤其是农业存在缺水，农业灌溉达不到设计供水保证率，且天然生态无水可用。由此可知，流域现状国民经济用水是在超采地下水、挤占天然生态用水的基础上得以满足，体现出流域现状经济社会尤其是农业用水规模过大，严重超出流域水资源承载能力的现实。

情景2，在流域水资源开发利用现状的基础上，仅通过实施灌区高效节水降低农业用水需求，流域天然生态需水满足程度在P=50%、P=75%来水频率下分别达到了97.2%、57.3%。由此可知，若流域继续维持现有农业灌溉规模，通过工程措施降低流域经济社会用水需求，基本可以满足流域生态环境用水，但是是在超采地下水的情况下成立的。

情景3，在情景2采用节水措施压减农业用水需求的基础上，再压减地下水超采量，天然生态需水满足程度在P=50%、P=75%来水频率降至53.5%、13.6%。由此可知，尽管流域采取高强度节水措施提升了农业用水效率，降低了国民经济用水需求，但限于灌溉规模过大，农业需水仍较大，仍需挤占天然生态用水才得以满足。

情景4，在情景3节水、压采的基础上，进一步压减农业灌溉面积降低用水需求，P=50%来水频率可满足天然生态设计供水保证率；P=75%来水频率下可分别满足常规农业、高效节水农业的设计供水保证率，且有富余水量供给天然生态，但仍需压减灌溉面积。

6.2 水资源承载能力下可承载的农业发展规模

以上分析表明，喀什噶尔河流域水资源供求形势严峻，流域现状农业灌溉面积规模过大，即使采取农业高强度节水措施提高用水效率后，流域水资源承载能力仍难以承载现状灌溉面积规模。规划年在充分考虑流域非农行业高质量发展用水需求的基础上，优先满足流域天然生态需水需求，在实施工程措施和节水措施的条件下，按照以水定地、以水定产、以水定需的要求，在灌区高效节灌率达到65%、灌溉水利用系数达到0.59的情况下，流域可承载农业灌溉面积约为841万亩。若流域灌区用水、节水水平达到全疆兵团现状水平(高效节灌率80%、灌溉水利用系数0.65)，则流域水资源可承载农业发展规模约1010万亩。

7 适应性对策分析

新疆水资源有限，生态环境脆弱，有限的水资源应优先保障新疆的生态安全。新疆水资源超载造成的部分地区冰川退缩、地下水位下降、河湖水域面积减少等生态环境问题已经显现。为有效防范新疆生态安全风险，应保持危机意识，树立底线思维，守住安全底线，需优化调整经济社会发展、生态环境保护和粮食安全保障三者之间的水资源配置关系[15]。

面对新形势下的“三农”工作，要坚决扛起粮食安全政治责任，保障国家粮食安全和重要农产品供给，在巩固拓展脱贫攻坚成果，全面推进乡村振兴背景下，现行用水总量控制指标已成为流域未来可持续发展的瓶颈。为着力解决流域可持续发展的水资源约束瓶颈问题，提出以下适应性对策：①完善现代水治理管理体系，实现“统一管理”和“有效管理”依法依规治水管水；②加大流域的节水力度，尤其是农业节水，不仅要有“天花板”意识，也要有“底线”意识，进一步提高高效节水面积，提高灌溉水利用系数，引导农业向高效农业转变，采用高效节水农业技术和设施，提高农作物的产量和质量，以更少的用水量满足农业需求；③在现状水利工程建设基础上，新建大中型山区水库等控制性调蓄工程，增加各河流地表水调蓄能力、供水能力；④调整流域产业结构，以水资源刚性约束为杠杆，倒逼流域产业结构升级，逐步淘汰落后产能和工艺，以有限的水资源发挥最大的经济效益，通过教育宣传和技术培训，提高公众、农民和企业对节水的认识和重视，培养节约用水的习惯；⑤微咸水作为国家鼓励使用的其他水源，经处理可用于经济社会发展用水，要加大地下水微咸水利用，缓解流域水资源供需矛盾；⑥以流域水资源配置、绿色发展为抓手，构建调蓄有序、安全可靠、功能完备的喀什噶尔河流域水网。⑦加强水资源科研和技术创新，研发更先进的水资源管理技术、节水技术和设备，提高用水效率和水资源利用的可持续性。开展流域裸地水资源高效利用相关研究，流域用水关系紧张，若能将该部分水量加以有效利用，则对流域经济社会高质量发展等具有重要的支撑作用。⑧需要政府、农业部门、水资源管理机构、农民和社会各界的共同努力和合作，以确保流域的可持续发展和农业的可持续发展相互促进。

8 结语

水资源开发规模[16]论认为水资源承载能力是在一定社会技术经济阶段，在水资源总量的基础上，通过合理分配和有效利用所获得的最合理的社会、经济与环境协调发展的水资源开发利用的最大规模。“四水四定”是推动水资源集约节约利用、破解水资源制约瓶颈的关键举措，其核心要义是将水资源开发利用限定在水资源承载力范围内，既要保障经济社会高质量发展[17]，又要让生态环境得到有效保护，在本流域提出水资源承载能力研究，旨在满足流域生态环境的前提下提出适宜流域经济发展的阈值，研究出可承载的农业灌溉规模，为支撑流域经济社会高质量发展，巩固脱贫攻坚成果和全面实现乡村振兴都有着重要的意义，也为未来区域解决水资源制约瓶颈提供相应技术支撑。