水利工程科技需求展望與思考
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摘要：“十四五”時期，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題，阿克蘇地區(qū)計劃開工建設(shè)一批重要水利工程。在工程前期和建設(shè)過程中，需要進(jìn)一步針對重大問題開展科學(xué)研究。通過分析阿克蘇地區(qū)水資源、工程設(shè)計施工、水生態(tài)和智慧水利等方面存在的問題，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km2，G314國道及南疆鐵路穿境而過，交通便利，區(qū)位優(yōu)勢明顯，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個地州市中位列第三位。“十四五”期間，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，這些工程項目的啟動面臨新的問題與挑戰(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℃，年日照時數(shù)為2795～3305h，年平均無霜期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］。新中國成立以來，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21座，總庫容10．93億m3；建成排水渠總長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kW，年發(fā)電量21．95億kW·h；農(nóng)村自來水集中供水工程75座，受益人口162．27萬人［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)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
2科研現(xiàn)狀及存在的問題
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，針對當(dāng)前阿克蘇地區(qū)乃至全新疆水利界最棘手的問題———水資源短缺的問題，委托中國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，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代水利發(fā)展的需求，特別是在水資源、水利工程設(shè)計與施工、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，無人區(qū)多，三大水系各支流縱橫交錯，實(shí)測水文資料缺失嚴(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期以來都沒有較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這也給后續(xù)的工程建設(shè)帶來了較大的困擾。因此，研究并準(zhǔn)確評價各條河流的水資源總量是水資源研究首先要解決的問題。
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，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河川徑流影響方面的研究，從而較好地預(yù)測未來存在的風(fēng)險，積極尋求相應(yīng)的減緩措施和相應(yīng)對策。
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457km，境內(nèi)河長344km，境外河長113km；庫瑪拉克河主流全長293km，境內(nèi)河長118km，境外河長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水過程，對此，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)對未來的風(fēng)險挑戰(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下游的新和縣、庫車市意義重大。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，但長期以來，引用水和回歸水的關(guān)系始終沒有定論，給烏什縣水資源的合理開發(fā)利用帶來了很大的困擾，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，通過國控項目及地區(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，隨著社會經(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。對于地處干旱地區(qū)的新疆來講，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。泥沙往往會對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應(yīng)根據(jù)泥沙特點(diǎn)，認(rèn)真研究減少水庫淤積的措施；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僅運(yùn)行28年，淤積量已達(dá)到3．2億m3以上，占總庫容的50％；溫宿縣的小石峽水電站、柯坪縣的蘇巴什水庫也存在同樣的問題。
4．2深厚覆蓋層建壩
“十四五”時期，阿克蘇地區(qū)共規(guī)劃水庫7座，其中山區(qū)水庫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)計范疇。因此，需要深入開展覆蓋層地基工程特性的原位測試、地基材料靜動力特性試驗研究，完善分析評價方法；深入研究滲流控制和防滲設(shè)計新技術(shù)；完善發(fā)展深厚覆蓋層地基的設(shè)計理論與方法，提出配套設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
4．3長距離輸水隧洞施工
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，單工作面最長開挖長度達(dá)17．8km。超長距離輸水隧洞的TBM與配套系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計、洞內(nèi)物料運(yùn)輸和通風(fēng)技術(shù)、施工風(fēng)險控制技術(shù)、施工超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(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長距離輸水管道安全保障
阿克蘇地區(qū)所轄的9個縣（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個縣（市）仍然沒有實(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)，力爭完成阿克蘇市、新和縣城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)；庫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，輸水距離將越來越長，如何提高長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)測與反饋是長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，一個時期以來，由于人類活動增多，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。2018年，阿克蘇地區(qū)全面實(shí)行河湖長制，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)，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)到了無水可用的境地，且每條河流的生態(tài)用水情況不同。因此，需要針對干旱區(qū)湖泊的基本特點(diǎn)以及每個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年胡楊林拯救行動啟動以來，塔里木河流域已經(jīng)有近40萬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)制還沒有建立起來，胡楊林拯救行動依然任重而道遠(yuǎn)?？缕嚎h境內(nèi)喀什噶爾河下游的哈拉坤胡楊林，由于沒有落實(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)先后又啟動了阿克蘇河、渭干河和空臺里克區(qū)域3個百萬畝生態(tài)工程，目前，這3個百萬畝生態(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個百萬畝生態(tài)工程缺乏水資源保障，生態(tài)用水問題十分突出，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)，長期以來，阿克蘇地區(qū)水利信息化建設(shè)都是跟隨具體工程項目設(shè)計、施工，沒有制定統(tǒng)一的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)，項目建設(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、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、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)首先要解決的問題［7］。
7結(jié)語
通過對阿克蘇地區(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代水利發(fā)展的需求。2）今后一個時期，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)計與施工、水生態(tài)和智慧水利等4個方面。水利科技工作將會在未來的水利發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，設(shè)想不久的將來，在一批重大水利項目建設(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:新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司