李吉玫，張毓?jié)?/p>

（1.新疆林業(yè)科學(xué)院 森林生態(tài)研究所，新疆 烏魯木齊830063；2.新疆林業(yè)科學(xué)院 博士后工作站，新疆 烏魯木齊830063）

隨著水資源短缺日趨加重和地表水資源的過(guò)度利用，地下水在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的作用日益突顯［1］，逐漸成為干旱和半干旱區(qū)的主要灌溉水源。目前，全球干旱和半旱區(qū)30%的耕地由地下水灌溉，其中美國(guó)、伊朗、阿爾及利亞和墨西哥等國(guó)家地下水灌溉的耕地分別占耕地總面積的45%，58%，67%和75%。我國(guó)約40%的耕地由地下水灌溉［2］?？矁壕鳛楦珊祬^(qū)一種利用地下水的傳統(tǒng)引水灌溉技術(shù)，在全球34個(gè)國(guó)家有分布，尤其是在中東和北非地區(qū)分布較多，如伊朗、敘利亞等。我國(guó)坎兒井主要分布在新疆吐魯番、哈密和奇臺(tái)等極端干旱區(qū)［3］。在這些水資源嚴(yán)重缺乏地區(qū)，坎兒井在農(nóng)業(yè)發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著極其重要的作用，尤其在農(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲水安全保障方面仍擔(dān)負(fù)著生命之泉的特殊作用［4－5］。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度開(kāi)展了坎兒井的相關(guān)研究，如Kahlown等［5］綜合研究了敘利亞和阿爾及利亞坎兒井水系的形成；Yousefira［6］和Lightfoot等［7－8］調(diào)查了墨西哥及敘利亞引起坎兒井減少的原因；Mustafa等［9］分析了巴基斯坦從坎兒井灌溉到機(jī)電井灌溉的轉(zhuǎn)變，并分析了這種變化產(chǎn)生的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。已有研究表明，與自然因素相比，人為因素在坎兒井的衰敗過(guò)程中起著更為重要的作用［3，10］。我國(guó)有關(guān)坎兒井的研究也主要集中在坎兒井的水文特征［10］、破壞性特征［11］、發(fā)展及保護(hù)等方面［3］。目前的研究較少利用長(zhǎng)時(shí)間序列資料分析坎兒井的變化過(guò)程，同時(shí)也忽視了坎兒井變化對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。本文通過(guò)對(duì)近60a來(lái)吐魯番盆地坎兒井?dāng)?shù)量、流量、年出水量及灌溉面積等資料的分析，結(jié)合野外植被調(diào)查和走訪農(nóng)戶，研究了坎兒井的變化過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)因素，并探討了坎兒井變化對(duì)吐魯番盆地人民生活、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)環(huán)境的影響，目的是為該地區(qū)今后科學(xué)保護(hù)坎兒井以及合理開(kāi)發(fā)利用水土資源提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吐魯番盆地位于新疆東部，處于歐亞大陸腹地，行政轄區(qū)包括吐魯番市、鄯善縣和托克遜縣，總面積6.80×104km2，總?cè)丝?.66×105人。吐魯番盆地降水稀少，年均降水量?jī)H6.3～25.3mm，年蒸發(fā)量卻高達(dá)2 845～3 744mm，極端最低氣溫－29.9℃，極端最高氣溫49.6℃，年均氣溫為13.4℃，多大風(fēng)。盆地地表水資源量為9.33×108m3，地下水多年平均補(bǔ)給量為7.82×108m3。吐魯番地區(qū)水資源嚴(yán)重不足，人均占有水資源量1 750m3，遠(yuǎn)低于全國(guó)人均占有量（2 600m3）和新疆人均占有量（5 300m3）［12］，因此，水資源極為缺乏。

新疆坎兒井主要集中在吐魯番盆地，并且在吐魯番盆地的農(nóng)業(yè)發(fā)展及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中都起到過(guò)決定性的作用。吐魯番各族人民把坎兒井譽(yù)為“吐魯番的生命之泉”。

2 研究資料來(lái)源

坎兒井和機(jī)電井?dāng)?shù)量、流量等相關(guān)資料來(lái)自于新疆坎兒井研究會(huì)［13］；受災(zāi)農(nóng)作物面積數(shù)據(jù)來(lái)源于吐魯番地區(qū)農(nóng)業(yè)局；人口及耕地面積數(shù)據(jù)來(lái)源于《新疆統(tǒng) 計(jì) 年 鑒 1955—2005》［14］，《吐 魯 番 統(tǒng) 計(jì) 年 鑒2004》［15］，《吐魯番統(tǒng)計(jì)年鑒2009》［16］；植被資料來(lái)自于野外調(diào)查。

3 結(jié)果與討論

3.1 近60a來(lái)新疆吐魯番盆地坎兒井變化過(guò)程

根據(jù)史料［17］，吐魯番盆地的坎兒井始于西漢時(shí)期，至今已有2 000a余的歷史。歷史上坎兒井一直是吐魯番盆地農(nóng)業(yè)和人民生活用水的主要水源。但由于資料的限制，本文主要分析了近60a來(lái)坎兒井的變化。

1949—1966年，吐魯番盆地坎兒井處于鼎盛發(fā)展期，除坎兒井?dāng)?shù)量略有減少外，坎兒井出水量、流量及控灌面積等均不斷增加。1949年盆地有坎兒井1 084條，流量為16.11m3／s，出水量為5.08×108m3，總控灌面積為1.93×104hm2。1957年坎兒井?dāng)?shù)量達(dá)到最高，為1 237條。1966年坎兒井?dāng)?shù)量雖然降至1 161條，但總流量增至20.95m3／s，出水量和年控灌面積增至6.62×108m3和2.52×104hm2。與1949年相比，1966年坎兒井流量增加了30.04%，出水量增加了30.17%，控灌面積增加了30.21%。

但自1966年以后，吐魯番盆地坎兒井呈現(xiàn)不斷衰敗的趨勢(shì)，大量坎兒井干涸。由圖1可見(jiàn)，如坎兒井?dāng)?shù)量從1966年的1 161條降至2009年的238條，減少了79.50%；同期，坎兒井流量從20.95m3／s降至7.26m3／s，減少了65.36%；出水量從6.61×108m3降至2.12×108m3，減少了67.32%；控灌面積從2.51×104hm2降至7.3×103hm2，減少了70.92%。因此，此階段為坎兒井急劇衰減階段。

圖1 近60a來(lái)吐魯番盆地坎兒井?dāng)?shù)量、控灌面積、流量與年出水量的變化

3.2 近60a來(lái)新疆吐魯番盆地坎兒井變化的原因分析

3.2.1 綠洲規(guī)模的不斷擴(kuò)大 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，吐魯番盆地人口數(shù)量由1949年的14.48萬(wàn)人增至2009年的58.9萬(wàn)人，增加了3倍多。同期，綠洲耕地面積則由3.14×104增至5.42×104hm2，增加了77.39%。綠洲耕地面積的變化主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

（1）解放初期至60年代初（1949—1960年），耕地面積快速擴(kuò)大（圖2）。解放初期吐魯番盆地綠洲農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)側(cè)重于擴(kuò)大耕地面積，大面積開(kāi)荒，耕地面積由1949年的3.14×104hm2增至1960年的6.04×104hm2。此階段坎兒井也處于快速發(fā)展期。不斷擴(kuò)大的耕地面積，加之農(nóng)作物較高的灌溉定額（毛灌溉定額達(dá)1.80×104m3／hm2）［18］，使得農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了此時(shí)坎兒井的供水能力。為發(fā)展農(nóng)業(yè)和擴(kuò)大綠洲規(guī)模，此階段開(kāi)挖了很多坎兒井。

圖2 吐魯番盆地坎兒井?dāng)?shù)量與耕地面積的變化

（2）1960—1962年，耕地面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)（圖2）。吐魯番盆地有限的坎兒井水資源限制了耕地面積持續(xù)擴(kuò)大，部分耕地被棄耕。僅1961和1962年就有1.80×104hm2的耕地因干旱和管理水平下降而被棄耕，至1962年耕地面積降至4.24×104hm2。因此，60年代初盆地內(nèi)首次出現(xiàn)了嚴(yán)重的水土資源不平衡。此階段坎兒井仍處于快速發(fā)展期。

（3）60年代中期至今，耕地面積呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，此階段坎兒井處于急速衰減期。隨著耕地面積的不斷增加，地表水被開(kāi)發(fā)利用，并且機(jī)電井不斷出現(xiàn)，使得該地區(qū)水資源利用發(fā)生了很大變化，坎兒井水量日益減少，甚至大量干涸。

人口的增加和綠洲耕地面積的擴(kuò)大致使社會(huì)對(duì)水資源的需求不斷增加。由表1可見(jiàn)，解放初（1949年）盆地農(nóng)業(yè)用水總量為4.73×108m3，工業(yè)用水很少；至80年代末，用水總量增至7.83×108m3；2003年增至1.16×109m3，是1949年的2.45倍。1949年引水總量為5.50×108m3；至80年代末，增至1.12×109m3，其中地表水占40.0%；2003年增至1.27×109m3，地表水占46.1%。與1949年相比，2003年引水量增加了1.30倍。因此，坎兒井的衰敗與綠洲人口的不斷增加、耕地面積的擴(kuò)大及綠洲發(fā)展對(duì)水資源需求的增加有密切的聯(lián)系。

表1 吐魯番盆地用水總量及引水量的變化 108 m3

3.2.2 坎兒井的水源補(bǔ)給減少 山前沖洪積扇是地下水的匯流和徑流帶，河流和渠道的入滲是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，因此，吐魯番盆地的坎兒井多建于山前洪沖積扇溢出帶上游。1957年以前，吐魯番盆地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要利用地下水，地表水引用極少。60年代初開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用地表水，修建水庫(kù)和防滲渠。到90年代修建中小水庫(kù)8座，總庫(kù)容達(dá)8.0×107m3；防滲渠長(zhǎng)達(dá)4 774km，防滲率達(dá)70%［17］。這使得山前傾斜平原形成的河道滲漏補(bǔ)給量逐漸減少，地下水位下降，造成坎兒井出水量不斷減少甚至干涸。因此坎兒井的衰減與坎兒井上游入滲量的減少有著密切的聯(lián)系。如在防滲渠道修建以前，托克遜縣阿拉溝水系的水在出山后全部滲入地下，是依拉湖鄉(xiāng)和博斯坦鄉(xiāng)2個(gè)鄉(xiāng)坎兒井的補(bǔ)給源。在阿拉溝干渠修建成后，該水系65%的水輸入下游，使得地下水補(bǔ)給量大大減少。

3.2.3 機(jī)電井的增加及其布局的不合理 為了解決吐魯番盆地春灌期間嚴(yán)重缺水問(wèn)題，利用灌區(qū)內(nèi)地下水資源豐富的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)打機(jī)電井增加可利用水資源是十分必要的［18］。但70年代初吐魯番盆地開(kāi)始盲目打井，隨著機(jī)電井?dāng)?shù)量及出水量的迅速增加，坎兒井迅速減少。1966年末吐魯番盆地有機(jī)電井127眼，至1979年增至1 764眼，年出水量達(dá)1.80×108m3，機(jī)電井灌溉面積約占總灌溉面積的比例不足20%；至2003年機(jī)電井增至5 254眼，年出水量達(dá)6.59×108m3，機(jī)電井澆灌面積已達(dá)50%以上；2009年機(jī)電井增至5 309眼，年出水量達(dá)7.04×108m3，機(jī)電井澆灌面積高達(dá)57%以上，此時(shí)，坎兒井則降至238條，年出水量?jī)H為2.16×108m3，控灌面積不足30%（圖3）。由此可以看出，吐魯番盆地坎兒井的減少與機(jī)電井的增加是一致的。

圖3 坎兒井與機(jī)電井變化的比較

同時(shí)，隨著地下水的不斷開(kāi)采，機(jī)電井越打越深（表2）。如在70年代初，機(jī)電井深度不足20m，用離心泵就能抽水，至80年代仍不足30m，至90年代迅速增至約95m。2000年以后機(jī)電井則至少要打到100m，改用潛水泵才可以抽水。機(jī)井越打越深，水位便越降越低，使坎兒井大量干涸。

其次，機(jī)電井不合理的布局也是造成坎兒井不斷減少的原因。吐魯番盆地在大規(guī)模發(fā)展機(jī)電井時(shí)，沒(méi)有兼顧坎兒井水源的問(wèn)題，有相當(dāng)數(shù)量的機(jī)電井打在坎兒井分布區(qū)和盆地上游，不少機(jī)電井距坎兒井集水段只有約200～300m，因此，機(jī)電井與坎兒井嚴(yán)重爭(zhēng)水。與分布在各流域下游的機(jī)電井相比，上游的機(jī)電井對(duì)坎兒井的影響更明顯，同時(shí)與距坎兒井較遠(yuǎn)的機(jī)電井相比，距坎兒井較近的機(jī)電井對(duì)坎兒井的影響較大。如托克遜縣郭勒布依鄉(xiāng)的塔西買(mǎi)提坎兒井由于在其周?chē)?00m范圍內(nèi)沒(méi)有機(jī)電井，該坎兒井的流量仍然保持在83m3／s（2003年），而鄯善縣辟展鄉(xiāng)1957年有坎兒井51條，由于60年代末開(kāi)始在該坎兒井群的上游打了大量機(jī)電井，造成機(jī)電井和坎兒井爭(zhēng)水，到2003年有水的坎兒井僅剩8條。又如位于吐魯番市恰特喀勒鄉(xiāng)的阿訇坎兒井在1970年達(dá)到最大流量，為30m3／s，1976年由于在該坎兒井的上游打2眼機(jī)電井（一眼距坎兒井集水段270m，另一眼330m），致使該坎兒井集水段周?chē)叵滤徊粩嘞陆担罱K使得該坎兒井于2005年6月干涸。機(jī)電井不合理的布局嚴(yán)重影響了坎兒井的發(fā)展，因此，為了水資源的可持續(xù)利用和開(kāi)發(fā)，吐魯番盆地應(yīng)合理地布局機(jī)電井，不能盲目地增加。如在坎兒井灌區(qū)上游盡可能運(yùn)用地表水和坎兒井水，嚴(yán)格限制機(jī)電井的開(kāi)采規(guī)模，要用工程和法律措施有效保護(hù)坎兒井水源，注重水資源的合理調(diào)配，相互補(bǔ)充，盡可能做到近水近澆，提高水資源的重復(fù)利用率，堅(jiān)決杜絕在坎兒井水源區(qū)進(jìn)行機(jī)電井建設(shè)；在中游地帶注重大河水、坎兒井水、機(jī)電井水合理調(diào)配；下游以機(jī)電井灌溉為主，保留條件較好的坎兒井。

表2 吐魯番盆地機(jī)電井深度變化 m

坎兒井自身的缺陷也是造成其衰退的原因，如坎兒井開(kāi)采的是淺層地下水，其對(duì)地下水位變化的適應(yīng)性較差。

3.3 坎兒井減少對(duì)吐魯番盆地的影響

坎兒井在吐魯番地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及人民生活中都著重要的作用，坎兒井逐年的干涸和廢棄，嚴(yán)重的影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境。

（1）對(duì)居民生活的影響。雖然近60a來(lái)，吐魯番盆地坎兒井大量干涸，但當(dāng)?shù)鼐用窦吧蟮娘嬎€是依靠坎兒井水。目前，在238條有水坎兒井中，有16條用于約有5.10×104人口及1.03×105頭牲畜飲用。由于近年來(lái)坎兒井的大量干涸，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝诵箫嬎踩吧鷳B(tài)環(huán)境，部分村莊不得不搬遷。如2005年吐魯番鄯善縣2個(gè)村莊因坎兒井徹底干涸，導(dǎo)致該村周?chē)h(huán)境惡化，村民飲水困難，最終不得不整體搬遷?？矁壕陌l(fā)展與當(dāng)?shù)鼐用竦纳钍窍⑾⑾嚓P(guān)的。

（2）對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的影響?？矁壕谕卖敺璧剞r(nóng)業(yè)灌溉方面有極其重要的作用，多年來(lái)形成了一些獨(dú)立的坎兒井灌區(qū)。同時(shí)，坎兒井水量穩(wěn)定，與河水、機(jī)電井水相互配合起到了補(bǔ)充灌溉的作用。吐魯番盆地地表水資源年內(nèi)分配不均，夏季徑流量占全年的55%，而春季和秋季僅占28%，地表水不能滿足春季農(nóng)作物灌溉的需求，此時(shí)，坎兒井對(duì)緩解春旱起到重要的調(diào)節(jié)作用。由于坎兒井大量干涸，控灌面積不斷減少，如解放初坎兒井灌溉面積為1.93×104hm2，1957擴(kuò)大到2.17×104hm2，由于各種原因到2003年坎兒井灌溉面積減至約8.80×102hm2。同時(shí)，盆地旱災(zāi)和風(fēng)災(zāi)較為嚴(yán)重（圖4）。如50年代末盆地大規(guī)模開(kāi)荒，造成60年代初大面積耕地因缺水而被棄耕，僅1961年旱災(zāi)面積達(dá)6.10×103hm2，1989年風(fēng)災(zāi)面積達(dá)8.70×104hm2。且旱災(zāi)和風(fēng)災(zāi)面積呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)，尤其是風(fēng)災(zāi)，從1961年的3.30×104hm2增至2003年的7.10×104hm2，增加了1倍多。在大規(guī)模打機(jī)電井以前，盆地以旱災(zāi)為主，以后以風(fēng)災(zāi)為主。

圖4 吐魯番盆地旱災(zāi)和風(fēng)災(zāi)面積變化

（3）對(duì)天然植被的影響。在水資源極其缺乏的吐魯番盆地，坎兒井水是天然植被獲得水分的主要來(lái)源之一。首先，在作物的非灌溉季節(jié)，坎兒井水用來(lái)灌溉植被，其次，坎兒井通過(guò)滲漏補(bǔ)給地下水。由于坎兒井的暗渠大多數(shù)沒(méi)有采取防滲措施，且土層多為沙礫層，因此滲漏量大。同時(shí)坎兒井明渠的水在輸水過(guò)程中也有相當(dāng)部分滲漏補(bǔ)給地下水。這些回補(bǔ)滲漏的地下水對(duì)維持維系植被生長(zhǎng)起到了極大的作用。為了進(jìn)一步分析坎兒井水對(duì)天然植被的影響，2003年7月在托克遜縣調(diào)查了馬合木提坎兒井（現(xiàn)在流量32L／s）、巴拉提坎兒井（現(xiàn)在流量8L／s）和薩吾提巴依坎兒井（現(xiàn)在流量35L／s）周?chē)脖簧w度和物種組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著距坎兒井出水口距離的增加，天然植被蓋度呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)（圖5）。以馬合木提坎兒井為例，在距離坎兒井出水口100m的樣地植被蓋度超過(guò)了50%，在距離坎兒井出水口500m的樣地植被蓋度降至28%，在距離出水口1 000m的樣地植被蓋度不足15%。植物組成由蘆葦、花花柴、豬毛菜等草本逐漸過(guò)渡為更耐旱的駱駝刺、黑刺和檉柳等半灌木和灌木。以上結(jié)果說(shuō)明在極端干旱的吐魯番盆地坎兒井顯著影響天然植被的組成和分布。

圖5 吐魯番盆地植被蓋度與坎兒井距離的關(guān)系

坎兒井大量干涸導(dǎo)致了植被面積不斷減少和長(zhǎng)勢(shì)衰敗，綠洲邊緣環(huán)境遭到破壞，局部風(fēng)沙活動(dòng)加劇。1957年該盆地由坎兒水維持生長(zhǎng)的天然植被面積達(dá)1.23×105hm2。2003年降至6.72×104hm2，減少了45.37%（表3）。

表3 吐魯番盆地1957年與2003年坎兒井澆灌植被面積比較 104 hm2

4 結(jié)論

坎兒井在吐魯番盆地已有2 000a余的歷史，曾對(duì)盆地農(nóng)業(yè)發(fā)展及整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起著決定性的作用。近50a來(lái)，盆地坎兒井經(jīng)歷了先增加后急劇減少的變化。

引起坎兒井不斷減少的主要原因是：（1）綠洲規(guī)模的不斷擴(kuò)大。解放初至50年代末，坎兒井的變化和綠洲耕地面積的增加相一致，而60年代中期至今，二者的變化趨勢(shì)則相反。（2）60年代初開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用地表水，在各流域上游和中游修建水庫(kù)和防滲渠道，到90年代修建中小性水庫(kù)8座，總庫(kù)容達(dá)8.00×107m3，防滲渠長(zhǎng)達(dá)4 774km，防滲率達(dá)70%，減少了坎兒井水源的補(bǔ)給。（3）坎兒井灌區(qū)盲目發(fā)展機(jī)電井，掠奪式開(kāi)采地下水。機(jī)電井?dāng)?shù)量由1966年的127眼增至2003年的5 309眼，相應(yīng)地年出水量由1.10×108m3增至7.04×108m3，并且機(jī)電井的打井深度越打越深。

地下水位下降，坎兒井干涸，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活及生態(tài)環(huán)境。具體表現(xiàn)在：（1）居民生活受到嚴(yán)重影響，部分村莊整體搬遷；（2）農(nóng)業(yè)灌溉受到影響，坎兒井的控灌面積不斷減少，由1957年的2.17×104hm2減少到2003年的8.80×103hm2，減少了60.37%，同時(shí)，盆地旱災(zāi)和風(fēng)災(zāi)呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)，尤其是風(fēng)災(zāi)；（3）由坎兒井維持生長(zhǎng)的天然植被面積不斷減少，由1957年的1.23×104hm2降至2003年的6.72×103hm2，降低了45.37%。

在新疆曾經(jīng)作為主要引用地下水的水利灌溉設(shè)施——坎兒井，目前雖然面臨著衰敗的局面，并逐漸被機(jī)電井取代，但是由于其在生態(tài)環(huán)境、居民生活中發(fā)揮著不可或缺的重要作用，相關(guān)政府部門(mén)已經(jīng)采取了一系列工程措施和非工程措施來(lái)保護(hù)坎兒井這一人類文明的瑰寶，使坎兒井這一古老的水利工程重新煥發(fā)青春，更好地造福于吐魯番人民。

［1］ 劉中培.農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水變化影響研究：以石家莊平原區(qū)為例［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)研究院，2009.

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