内陆河流域二元水循环特征可行性评估与风险调控技术

2.3.1.1　天然状态下的水循环过程

内陆河上游山区为径流形成区，海拔较高而基本无人类活动，山区降水形成径流并沿程加大，水资源在形成转化的同时支撑了山地生态系统。出山口以下为降水稀少的平原区，大部分地区基本不产流。径流出山口后，地表水和地下水相互转换，期间不断发生蒸散发和渗漏，最终消失。平原盆地上中游的沿河两岸，属于径流消耗和地表-地下水强烈转化区，50%以上的出山口径流支撑了人工绿洲生态系统；平原盆地下游和人工生态系统周边地带属于径流排泄、积累和蒸散发区，水资源支撑了天然绿洲、内陆河尾闾水域及低湿生态系统；尾闾、天然绿洲周边及下游广大荒漠区属于水分严重稀缺的无流区，依靠极为有限的降水和大气凝结水支撑着脆弱的荒漠生态系统^[1]。

以玛纳斯河流域为例，内陆河流域天然水循环模式见图2.3（图中箭头方向代表水循环转化方向，数字代表转化中的水量百分比）。可以看出，玛纳斯河流域85%的降水发生在山区，其中9%降在冰川区。多年平均条件下冰川的补给量和排泄量近似相等，约2/9的冰川补给量以升华的形式直接蒸发进入大气，2/9强的补给量以融水的形式直接形成山区地表径流，近5/9的补给量以冰川融水的形式入渗补给地下水。山区地表水的来源除冰川融水外，还有山区降水产流、山区地下水的基流补给两项；山区地下水的补给来源分为两部分：近1/8来自冰川融水，7/8为降水。山区地下水的排泄途径有3条：潜水蒸发，占排泄总量的1/7左右；向山区地表径流的基流排泄，占排泄总量的5/7强；山区向平原区的山前侧渗，占排泄总量的1/7弱，其中90%以上的侧渗量补给了平原区潜水，不足10%补给了平原区承压水。

图2.3　玛纳斯河流域天然水循环模式［157］

2.3.1.2　天然-人工二元水循环结构

随着人类活动对天然水循环系统的干扰力度增加，在内陆河流域平原绿洲区，水循环内在驱动力呈现出明显的“天然”和“人工”二元结构，甚至人工作用力的影响超过了天然驱动力。在人工驱动力的作用下，水资源形成与转化的结构和要素发生了改变。从水循环结构来说，水资源开发利用改变了江河湖泊关系，改变了地下水的赋存环境，也改变了地下水和地表水的转化路径。在坡面-河道汇流的大框架下，形成了具有取水-输水-用水-耗水-排水五大基本环节的人工侧支循环，它与天然水循环过程存在动态的依存关系。从水循环要素来说，在天然水循环的降水、蒸发、径流、入渗、补给等要素的基础上增加了取水、输水、用水、排水四大要素，在改变自然下垫面条件的同时，把一部分水资源转化为人类可控的水资源量，从而改变了天然水循环的结构、驱动力和各种参数［158］。

随着人工侧支循环范围的增大，人工与自然水循环的互动关系不断增强。不考虑荒漠区水循环，内陆河流域二元水循环结构见图2.4。在水循环通量一定的系统中，人工侧支取用水量与天然水循环中的水通量存在此消彼长的关系；取用水所消耗的能量可能与天然水循环完全不同，引水和提水工程的修建改变了其“水往低处流”的格局；大规模的蓄水工程（如水库、坑塘）和生产活动导致的下垫面条件变化影响着局部小气候，改变汇流和地下水补给特性，特别是在人类活动剧烈的平原区。流域人工侧支水循环的形成和发展使得天然状态下地表径流和地下径流量不断转移为国民经济供用水量，社会水循环中的排水量再转移为地表径流，导致了流域内天然和人工生态系统中水分盈亏的变化。(www.xing528.com)

2.3.1.3　内陆河流域水资源天然-人工二元水循环特性

内陆河流域因其独特的地形、气候、环境条件，二元水循环有其特性^[2]。

（1）平原绿洲区和山区水循环的差异：山区受人类活动影响较小，其降水、产流、蒸发特性基本未变；平原区内部的广大荒漠区均属于无流区，其水循环特性也基本未变，但平原绿洲区受人为干扰严重，水资源的开发利用使水循环内部结构发生了较大改变：河流出山口不远处建有引水渠、山区水库等，引走大量径流用于农业灌溉和工业及生活用水，由此形成水资源的人工侧支循环。如玛纳斯河流域的渠首引水量占出山口径流量的3/4左右。

（2）水循环通量的二元化：平原绿洲区的天然水循环通量可以分为四项：引水后余留的河川径流、山前侧渗潜水径流、山前侧渗承压水径流、降水入渗潜水径流；对内陆河流域平均而言，其通量为流域降水通量的16%左右。人工侧支循环通量由地表水、潜水、承压水三项的实际供水量构成，其通量为流域降水通量的19%左右，已经超过了绿洲区的天然水循环通量。

（3）补给排泄量的二元结构：从绿洲地区地下水系统的总补给关系来看，水库、渠系、田间三项入渗补给构成人工转化补给量，降水与河道两项入渗补给构成天然转化补给量。倾斜平原前缘溢出带为农田灌溉区，其间渠道引水使天然河道流量减少，相应减少了河流对平原地下水的入渗补给量，但增加了渠系、水库和灌溉入渗等人工入渗补给量。流域主要农耕灌区大多分布于冲积平原区，渠系和灌溉水库入渗为其主要的垂直补给源，侧向径流为其主要的水平补给源。对西北内陆河流域的一般情况而言，人工转化补给量已经占到绿洲区地下水补给总量的55%～60%。从绿洲区地下水系统的总排泄关系看，排泄量包含天然状态下的侧渗流出、潜水蒸发、泉水溢出三项和人工活动增加的人工重力排水和抽水二项，以自然排泄为主。但随着水资源开发利用程度的提高，泉域范围内地下水排泄补给量减少，导致了泉流量的大量减少。如河西走廊20世纪50年代的泉流量为32亿m3/a，60年代减少到28亿m3/a，70年代减至22亿m3/a，目前石羊河流域的泉水溢出量几乎衰减殆尽。由此可以看出内陆河平原绿洲区天然水循环和人工侧支循环间强烈的相互转化作用。

（4）蒸发量的二元组成：天然生态系统形成天然蒸发，人工侧支循环支撑了人工绿洲系统的蒸发，人工蒸发由人工水面蒸发、人工灌溉面积上的蒸发以及生活与工业用水蒸发构成，其余均是天然蒸发。目前，来自于人工侧支循环的蒸发量已经占到绿洲蒸发总量的34%。