水利工程科技需求展望與思考

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摘要：“十四五”時(shí)期，為進(jìn)一步緩解水資源供需不平衡、水安全保障程度不高等問(wèn)題，阿克蘇地區(qū)計(jì)劃開工建設(shè)一批重要水利工程。在工程前期和建設(shè)過(guò)程中，需要進(jìn)一步針對(duì)重大問(wèn)題開展科學(xué)研究。通過(guò)分析阿克蘇地區(qū)水資源、工程設(shè)計(jì)施工、水生態(tài)和智慧水利等方面存在的問(wèn)題，提出了阿克蘇地區(qū)水利工程方面的科技需求和研究方向，可為今后開展科學(xué)研究和水利工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：水利工程；科技需求；展望；阿克蘇地區(qū)

0引言

阿克蘇地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)中部，塔里木盆地北緣，行政區(qū)域總面積13．13萬(wàn)km2，G314國(guó)道及南疆鐵路穿境而過(guò)，交通便利，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，是“一帶一路”核心區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)。2021年阿克蘇地區(qū)GDP1564．54億元，在新疆14個(gè)地州市中位列第三位?！笆奈濉逼陂g，阿克蘇地區(qū)水利規(guī)劃投資599億元，創(chuàng)歷史新高，其中包括重大水資源配置工程、水庫(kù)工程、農(nóng)村供水保障工程、防洪工程、河湖連通、水生態(tài)水環(huán)境和智慧水利工程等，這些工程項(xiàng)目的啟動(dòng)面臨新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，一大批關(guān)鍵技術(shù)亟待取得突破性進(jìn)展，急需新的水利科技來(lái)支撐。

1阿克蘇地區(qū)水資源概況

阿克蘇地區(qū)地處亞歐大陸腹地，屬典型的暖溫干旱氣候地區(qū)，多年平均氣溫10．7℃，極端最高氣溫37．9℃，極端最低氣溫－20．3℃，年日照時(shí)數(shù)為2795～3305h，年平均無(wú)霜期214d，年平均降水量88．9mm，年蒸發(fā)量1200～1500mm。阿克蘇地區(qū)是新疆水資源總量較多的地區(qū)之一，境內(nèi)冰川面積4098km2，儲(chǔ)水2154億m3，境內(nèi)主要有阿克蘇河、渭干河、塔里木河三大水系，地表水資源總量133．4億m3；地下水資源量為49．95億m3，近期地下水可開發(fā)潛力24．37億m3，是南疆地下水開發(fā)潛力最大的地區(qū)之一［1］。新中國(guó)成立以來(lái)，阿克蘇地區(qū)已逐步建成了引、輸、蓄、灌、提、排、防洪、發(fā)電、農(nóng)村安全飲水等一批水利基礎(chǔ)設(shè)施。建成引水渠首和引水口85座，灌溉渠道36262km；建成大、中、小型水庫(kù)21座，總庫(kù)容10．93億m3；建成排水渠總長(zhǎng)17182km，各類堤防1259km；建成并正在運(yùn)行的水電站28座，總裝機(jī)容量51．6萬(wàn)kW，年發(fā)電量21．95億kW·h；農(nóng)村自來(lái)水集中供水工程75座，受益人口162．27萬(wàn)人［2］。當(dāng)前，阿克蘇地區(qū)水利工程建設(shè)已初具規(guī)模，水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，為地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2科研現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

阿克蘇地區(qū)從事水利科技研究的機(jī)構(gòu)較少，僅有塔里木大學(xué)下屬的水利與建筑工程學(xué)院在從事水利科技方面的研究，該大學(xué)也是南疆區(qū)域內(nèi)唯一設(shè)有水利專業(yè)的高等院校，主要研究方向是農(nóng)業(yè)高效節(jié)水方面。塔里木河流域管理局依托目前世界最高的混凝土面板壩———大石峽水利樞紐開展了有關(guān)工程建設(shè)方面的課題研究，提出了“智慧大石峽”的概念。阿克蘇地區(qū)水利局站在政府管理角度，立足于地區(qū)實(shí)際，針對(duì)當(dāng)前阿克蘇地區(qū)乃至全新疆水利界最棘手的問(wèn)題———水資源短缺的問(wèn)題，委托中國(guó)水科院開展了變化條件下阿克蘇地區(qū)水資源承載力及綜合調(diào)控研究。阿克蘇地區(qū)各縣（市）水利部門自2019年以來(lái)，為摸清地下水的情況，相繼委托有關(guān)單位開展了地下水資源方面的研究。目前，阿克蘇地區(qū)各有關(guān)水利部門雖然開展了一些研究，但仍然不能滿足新時(shí)代水利發(fā)展的需求，特別是在水資源、水利工程設(shè)計(jì)與施工、水生態(tài)建設(shè)和智慧水利等方面依然存在明顯的短板，很多重大涉水問(wèn)題依然需要深度探索和研究，水利科技人才仍然需要大力培養(yǎng)和充實(shí)。

3水資源方面

3．1河流水資源總量

阿克蘇地區(qū)境內(nèi)主要有阿克蘇河、渭干河、塔里木河三大水系。由于阿克蘇地區(qū)地域面積大，無(wú)人區(qū)多，三大水系各支流縱橫交錯(cuò)，實(shí)測(cè)水文資料缺失嚴(yán)重，各河流的水資源量，特別是一些規(guī)模較小的河流水資源量長(zhǎng)期以來(lái)都沒(méi)有較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這也給后續(xù)的工程建設(shè)帶來(lái)了較大的困擾。因此，研究并準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各條河流的水資源總量是水資源研究首先要解決的問(wèn)題。

3．2氣候變暖條件下的水資源配置

進(jìn)入21世紀(jì)，全球氣候變暖加劇，阿克蘇地區(qū)各河流明顯進(jìn)入豐水年組，河道來(lái)水量偏大，研究豐水期水資源的開發(fā)利用和生態(tài)恢復(fù)之間的關(guān)系顯得愈發(fā)迫切。同時(shí)，氣候變暖導(dǎo)致冰川融化加劇，雪線明顯上移，應(yīng)盡快開展冰川變化對(duì)河川徑流影響方面的研究，從而較好地預(yù)測(cè)未來(lái)存在的風(fēng)險(xiǎn)，積極尋求相應(yīng)的減緩措施和相應(yīng)對(duì)策。

3．3跨界河流水資源開發(fā)

阿克蘇河是阿克蘇人民的母親河，主要由托什干河和庫(kù)瑪拉克河兩大支流匯合而成，兩大支流均發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，其中，托什干河主河道全長(zhǎng)457km，境內(nèi)河長(zhǎng)344km，境外河長(zhǎng)113km；庫(kù)瑪拉克河主流全長(zhǎng)293km，境內(nèi)河長(zhǎng)118km，境外河長(zhǎng)175km［3］。境外上游河段的開發(fā)將直接影響改變下游河道的來(lái)水過(guò)程，對(duì)此，可先期開展跨界河流水資源開發(fā)利用方面的研究，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。

3．4渭干河“黑匣子”和托什干河回歸水

阿克蘇地區(qū)的木扎提河、喀普斯浪河、臺(tái)勒維丘克河、卡拉蘇河、克孜爾河等5條河流在克孜爾千佛洞附近匯合成渭干河，再經(jīng)卻勒塔格山進(jìn)入新和縣、庫(kù)車市境內(nèi)。根據(jù)30多年的水文資料顯示，渭干河在流經(jīng)卻勒塔格山的短短20km河段，每年的徑流量損失達(dá)2億m3，存在水資源損失的“黑匣子”。探明并合理利用該部分水量對(duì)下游的新和縣、庫(kù)車市意義重大。阿克蘇境內(nèi)的烏什縣位于托什干河兩岸，縣域內(nèi)地下水豐富，泉水眾多，被譽(yù)為“絲路泉城”。上游引水灌溉，下游又出露回歸，但長(zhǎng)期以來(lái)，引用水和回歸水的關(guān)系始終沒(méi)有定論，給烏什縣水資源的合理開發(fā)利用帶來(lái)了很大的困擾，因此，應(yīng)盡快開展有關(guān)方面的課題研究。

3．5地下水資源合理開發(fā)利用

2013年，新疆維吾爾自治區(qū)人民政府發(fā)布實(shí)施了最嚴(yán)格的水資源管理三條紅線控制指標(biāo)，水資源管理日趨嚴(yán)格。截至2020年底，通過(guò)國(guó)控項(xiàng)目及地區(qū)水利信息化建設(shè)，地表水的管理已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)總量可控。地下水的開采主要通過(guò)機(jī)電井提取，隱蔽性強(qiáng)，由于阿克蘇地區(qū)地域遼闊，因此，地下水的監(jiān)管一直是水資源管理的短板。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水開采量快速增加，因開采布局不合理，局部區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的地下水超采或水質(zhì)惡化現(xiàn)象。對(duì)于地處干旱地區(qū)的新疆來(lái)講，地下水資源在生活、生產(chǎn)和生態(tài)供水中發(fā)揮著不可替代的作用，因此，進(jìn)一步深入研究地下水資源的合理開發(fā)利用顯得尤為重要。

4工程設(shè)計(jì)與施工方面

4．1水工建筑物沖沙、排沙

阿克蘇地區(qū)氣候干燥，風(fēng)力強(qiáng)勁，植被稀疏，氣溫日差較大，風(fēng)化作用強(qiáng)烈。在暴雨或冰雪融水作用下，山區(qū)積存的第四紀(jì)松散物質(zhì)極易進(jìn)入河流，導(dǎo)致阿克蘇地區(qū)的河流含沙量普遍偏大［4］。阿克蘇地區(qū)境內(nèi)主要河流含沙量如表1所示。泥沙往往會(huì)對(duì)工程使用壽命及安全運(yùn)行造成極大的影響，在多泥沙河流上修建水庫(kù)應(yīng)根據(jù)泥沙特點(diǎn)，認(rèn)真研究減少水庫(kù)淤積的措施；修建引（供）水工程，應(yīng)盡可能使泥沙少進(jìn)入隧洞、管道或渠道，以提高工程使用壽命。位于阿克蘇地區(qū)拜城縣的克孜爾水庫(kù)僅運(yùn)行28年，淤積量已達(dá)到3．2億m3以上，占總庫(kù)容的50％；溫宿縣的小石峽水電站、柯坪縣的蘇巴什水庫(kù)也存在同樣的問(wèn)題。

4．2深厚覆蓋層建壩

“十四五”時(shí)期，阿克蘇地區(qū)共規(guī)劃水庫(kù)7座，其中山區(qū)水庫(kù)4座，有3座位于深厚覆蓋層上，特別是拜城縣木扎提河枯木拔里水庫(kù)擬推薦壩址處河床覆蓋層厚度達(dá)355m，超出目前常規(guī)設(shè)計(jì)范疇。因此，需要深入開展覆蓋層地基工程特性的原位測(cè)試、地基材料靜動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，完善分析評(píng)價(jià)方法；深入研究滲流控制和防滲設(shè)計(jì)新技術(shù)；完善發(fā)展深厚覆蓋層地基的設(shè)計(jì)理論與方法，提出配套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4．3長(zhǎng)距離輸水隧洞施工

阿克蘇地區(qū)資源性缺水與工程性缺水并重，國(guó)家擬在“十四五”末開工建設(shè)的重大水資源配置工程地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞最大埋深2497m，單工作面最長(zhǎng)開挖長(zhǎng)度達(dá)17．8km。超長(zhǎng)距離輸水隧洞的TBM與配套系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)、洞內(nèi)物料運(yùn)輸和通風(fēng)技術(shù)、施工風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)、施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)、不良地質(zhì)洞段綜合處置技術(shù)、全壽命周期（BIM）數(shù)字化綜合管理等都需要開展持續(xù)的研究和創(chuàng)新［5］。

4．4長(zhǎng)距離輸水管道安全保障

阿克蘇地區(qū)所轄的9個(gè)縣（市），只有柯坪縣、阿瓦提縣、沙雅縣實(shí)現(xiàn)了城鄉(xiāng)供水一體化，尚有6個(gè)縣（市）仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化。在“十四五”期間，阿克蘇地區(qū)將繼續(xù)深入推進(jìn)城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)，力爭(zhēng)完成阿克蘇市、新和縣城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)；庫(kù)車市在有條件的地區(qū)實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化；拜城縣、溫宿縣、烏什縣以高水高用、低水低用為原則，擴(kuò)大并小，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)村人口和城市人口飲用水同水質(zhì)、同服務(wù)［6］。在大力推進(jìn)農(nóng)村城鄉(xiāng)供水一體化和規(guī)?；┧耐瑫r(shí)，輸水距離將越來(lái)越長(zhǎng)，如何提高長(zhǎng)距離輸水的保證率將是水利工程界面臨的重要課題。在適合的條件下選擇合適的管材、設(shè)置水錘防護(hù)安全設(shè)備、做好在線監(jiān)測(cè)與反饋是長(zhǎng)距離管道輸水工程的重點(diǎn)研究方向。

5水生態(tài)方面

5．1湖泊生態(tài)水位

阿克蘇地區(qū)現(xiàn)有湖泊13個(gè)，一個(gè)時(shí)期以來(lái)，由于人類活動(dòng)增多，耕地面積持續(xù)增大，加之阿克蘇地區(qū)氣候極端干旱，湖泊蒸發(fā)量大，部分湖泊水位下降，甚至面臨干涸的危險(xiǎn)。2018年，阿克蘇地區(qū)全面實(shí)行河湖長(zhǎng)制，湖泊的修復(fù)日益引起人們的重視，也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，要盡可能地增加湖泊的面積以改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件，但阿克蘇地區(qū)地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)到了無(wú)水可用的境地，且每條河流的生態(tài)用水情況不同。因此，需要針對(duì)干旱區(qū)湖泊的基本特點(diǎn)以及每個(gè)湖泊的自身情況研究配置不同的生態(tài)水量，使其發(fā)揮最大的生態(tài)效益。阿克蘇地區(qū)境內(nèi)主要湖泊特性見(jiàn)表2。

5．2胡楊林補(bǔ)水

阿克蘇地區(qū)天然胡楊林面積44．3萬(wàn)ha。胡楊林是阿克蘇地區(qū)的天然生態(tài)屏障。自2019年胡楊林拯救行動(dòng)啟動(dòng)以來(lái)，塔里木河流域已經(jīng)有近40萬(wàn)ha胡楊林再現(xiàn)生機(jī)，但由于阿克蘇地區(qū)胡楊林面積大、分布廣，生態(tài)補(bǔ)水常態(tài)化機(jī)制還沒(méi)有建立起來(lái)，胡楊林拯救行動(dòng)依然任重而道遠(yuǎn)。柯坪縣境內(nèi)喀什噶爾河下游的哈拉坤胡楊林，由于沒(méi)有落實(shí)生態(tài)用水指標(biāo)，已經(jīng)出現(xiàn)大面積死亡，因此，研究天然胡楊林的生態(tài)補(bǔ)水機(jī)制和生態(tài)補(bǔ)水通道十分迫切和重要。

5．3塔里木河干流生態(tài)水量

阿克蘇河地表水多年平均徑流總量為80．6億m3，是唯一一條常年給塔里木河下泄生態(tài)水的源流，多年平均下泄給塔里木河水量為34．2億m3，占塔里木河多年平均徑流總量的74％，在塔里木河流域中占有特殊的地位，阿克蘇河源流區(qū)的開發(fā)與治理，直接影響到塔里木河干流的生存與發(fā)展［3］。目前，經(jīng)過(guò)21年的生態(tài)補(bǔ)水，塔里木河干流兩岸生態(tài)初步恢復(fù)，下游尾閭臺(tái)特瑪湖面積已經(jīng)達(dá)到511km2。近年，阿克蘇地區(qū)先后又啟動(dòng)了阿克蘇河、渭干河和空臺(tái)里克區(qū)域3個(gè)百萬(wàn)畝生態(tài)工程，目前，這3個(gè)百萬(wàn)畝生態(tài)工程已陸續(xù)完成，但由于在塔里木河一期綜合治理過(guò)程中未考慮上游阿克蘇地區(qū)的生態(tài)用水指標(biāo)，這3個(gè)百萬(wàn)畝生態(tài)工程缺乏水資源保障，生態(tài)用水問(wèn)題十分突出，已經(jīng)嚴(yán)重制約生態(tài)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。因此，統(tǒng)籌考慮塔里木河上、下游生態(tài)用水，合理分配阿克蘇河水量的問(wèn)題值得進(jìn)一步深入探索。

6智慧水利方面

阿克蘇地區(qū)水利信息化工作起步于20世紀(jì)90年代末，在新疆屬于起步較早的地市，但由于建設(shè)理念、運(yùn)行管理等諸多原因，導(dǎo)致水利信息化沒(méi)有形成系統(tǒng)，仍然處于較落后的狀態(tài)。水利信息化是智慧水利的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期以來(lái)，阿克蘇地區(qū)水利信息化建設(shè)都是跟隨具體工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工，沒(méi)有制定統(tǒng)一的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目建設(shè)存在著各自為政的現(xiàn)象，導(dǎo)致低水平重復(fù)建設(shè)；信息資源比較分散，開發(fā)利用效益不高，數(shù)據(jù)跨部門、跨層級(jí)、跨地區(qū)匯聚融合和深度利用困難重重，與智慧水利的要求差距還很大。研究如何實(shí)現(xiàn)水利部門上下級(jí)、流域管理機(jī)構(gòu)、各相關(guān)部門的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，為水利工作服務(wù)，將是智慧水利建設(shè)首先要解決的問(wèn)題［7］。

7結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)阿克蘇地區(qū)水利科技需求的展望，可以得出以下結(jié)論：1）阿克蘇地區(qū)地處西北內(nèi)陸，氣候干燥，降雨量少，水資源不足已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。地區(qū)水利相關(guān)部門結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，依托大石峽水利樞紐等重大水利工程開展了有關(guān)方面的科學(xué)研究，但仍然不能滿足新時(shí)代水利發(fā)展的需求。2）今后一個(gè)時(shí)期，阿克蘇地區(qū)水利建設(shè)任務(wù)艱巨，仍然有很多重大問(wèn)題需要研究，面臨的水利科技需求旺盛，集中體現(xiàn)在水資源、水利工程設(shè)計(jì)與施工、水生態(tài)和智慧水利等4個(gè)方面。水利科技工作將會(huì)在未來(lái)的水利發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，設(shè)想不久的將來(lái)，在一批重大水利項(xiàng)目建設(shè)完成后，水資源得到充分利用，干旱少雨的阿克蘇地區(qū)將真正成為美麗的“塞上江南”。

作者:李鶴 單位:新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司