白 元，徐海量，張青青，葉 茂

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054

基于地下水恢復(fù)的塔里木河下游生態(tài)需水量估算

白 元1，2，徐海量1,*，張青青1，葉 茂3

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054

為探明生態(tài)輸水后地下水響應(yīng)帶范圍及地下水恢復(fù)下生態(tài)需水量，以塔里木河下游大西海子水庫至臺(tái)特瑪湖段為研究區(qū)，基于2000—2010年生態(tài)輸水和地下水埋深分布特征，分析了塔里木河下游生態(tài)輸水后兩岸地下水位恢復(fù)狀況，并借助遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)研究區(qū)生態(tài)需水量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：塔河下游地下水位的抬升幅度與輸水量的大小呈一定的正相關(guān)關(guān)系，并存在一定的時(shí)效性。2004—2010年地下水處于長(zhǎng)期的負(fù)均衡狀態(tài)，多年下降幅度明顯。塔河下游英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干和依干不及麻斷面地下水響應(yīng)幅度分別為1195、1050、2281 m和1000 m。歷經(jīng)11a輸水后，塔里木河下游地下水總恢復(fù)需水量為7.06×108m3，其中，齊文闊爾河段為4.98×108m3，老塔里木河段為2.09×108m3，地下水恢復(fù)至生態(tài)水位4.5 m需要5—8a的時(shí)間。保護(hù)塔里木河下游大西海子以下所有天然植被面積(96114.09 hm2)的生態(tài)需水量為0.587×108m3，保護(hù)下游地下水響應(yīng)帶天然植被面積(41439.85 hm2)的生態(tài)需水量為0.21×108m3。

生態(tài)需水量；地下水恢復(fù)；植被；塔里木河下游

對(duì)水資源可持續(xù)利用的愿望極大地推動(dòng)了人們對(duì)水資源轉(zhuǎn)換機(jī)制和合理使用途徑的深入探索，生態(tài)需水成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。事實(shí)證明，“忽視水資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的關(guān)系”是20世紀(jì)水資源管理的失誤，直接導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化，引發(fā)森林退化、生物多樣性減少、河道斷流和地下水位下降等諸多生態(tài)環(huán)境問題，并嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境[1- 2]。對(duì)極端干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)而言，水是可持續(xù)發(fā)展的最重要因素，有水即為綠洲，無水即變荒漠。因此，為了保護(hù)荒漠地區(qū)的天然植被，需要對(duì)其合理生態(tài)需水量進(jìn)行研究。

關(guān)于生態(tài)環(huán)境需水量的研究最早是在國(guó)外開展的，主要集中在河流生態(tài)環(huán)境需水方面。早在1940 年，美國(guó)漁業(yè)與野生動(dòng)物保護(hù)組織規(guī)定了維持河流的最小生態(tài)流量。90 年代以來，生態(tài)系統(tǒng)需水量研究成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，逐步從河流生態(tài)系統(tǒng)類型擴(kuò)展到了森林、草地、濕地、湖泊、河口、等其他生態(tài)系統(tǒng)類型上[3]。目前，國(guó)內(nèi)生態(tài)需水研究多集中在水資源供需矛盾突出以及生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱和問題嚴(yán)重的干早、半干早和季節(jié)性干早的半濕潤(rùn)區(qū)[4]。干旱區(qū)降水稀少，不足以維持其生態(tài)系統(tǒng)特別是非地帶性天然植被組成的系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，河水與地下水之間的相互補(bǔ)給和排泄構(gòu)成水循環(huán)運(yùn)動(dòng)基本方式，補(bǔ)給地下水需水量是河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分。1993 年世界銀行發(fā)布的水資源政策文件明確了地下水可再生性維持的標(biāo)準(zhǔn)，即水資源開發(fā)利用總量決不能超過地下水補(bǔ)給量，但缺乏有關(guān)生態(tài)環(huán)境需水量的確定標(biāo)準(zhǔn)[5]。近年來，地表水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)換研究范圍不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了“地下合理生態(tài)水位”、“地下生態(tài)警戒水位”和“鹽漬臨界水位”等概念[6- 8]，目前常見的確定河流(渠)滲漏補(bǔ)給量的方法有水文學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)法和試驗(yàn)法以及數(shù)值模擬等方法[9- 10]。在地下水采補(bǔ)平衡的情況下，使地下水水位恢復(fù)到生態(tài)水位，這將有利于維護(hù)地下水生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善?；謴?fù)地下水生態(tài)環(huán)境需水量是供給天然植被生長(zhǎng)、發(fā)育需水的基礎(chǔ)，因此，以地下水資源合理開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目的的生態(tài)需水研究，已成為當(dāng)今地下水資源研究領(lǐng)域十分重要的課題[11]。

近50年來，塔里木河源流區(qū)和中上游大規(guī)模引水和截流，導(dǎo)致下游地區(qū)因來水量日趨減少，造成大西海子水庫以下長(zhǎng)達(dá)321 km河段基本斷流。自2000年開始向塔河下游斷流30a的河道實(shí)施應(yīng)急輸水工程[12]。塔里木河下游荒漠生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)狀況受到國(guó)內(nèi)外密切關(guān)注[13- 15]，發(fā)現(xiàn)了河水補(bǔ)給引起地下水位變動(dòng)，其變化幅度隨著遠(yuǎn)離河流而越來越小，變化時(shí)間隨遠(yuǎn)離河岸越來越推遲，變動(dòng)速率也隨遠(yuǎn)離河流越來越小，地下水對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)是逐漸實(shí)現(xiàn)的[16- 17]，水位的時(shí)空差異導(dǎo)致了地表植被在時(shí)間和空間響應(yīng)上的明顯不同[18- 19]，隨著下水位下降，物種多樣性Shannon-Weiner 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Margalef 指數(shù)、Patrick 指數(shù)以及Cody 指數(shù)都以下降為主[20- 21]，生態(tài)輸水對(duì)植物生理指標(biāo)的影響是顯著的，隨著地下水位的降低，葉片相對(duì)含水量減少，脯氨酸、脫落酸因積累而增加[22- 23]，生態(tài)輸水使樹木年輪生長(zhǎng)發(fā)生了良性轉(zhuǎn)變[24]，隨著輸水次數(shù)和年輸水量的穩(wěn)步增加，植被覆蓋度、面積穩(wěn)步增長(zhǎng)[25]，地下水響應(yīng)范圍由第1次輸水后的450 m寬增加擴(kuò)大到了第8 次的3334 m，歷經(jīng)8 次輸水后，輸水河道區(qū)域地下水凈補(bǔ)給量達(dá)到7.8×108m3，占總下泄水量的35.63%[26- 27]，研究者計(jì)算塔里木河下游植被生態(tài)需水量在2.19—3.2×108m3[28- 29]，由于植被面積及模型參數(shù)的不同造成計(jì)算結(jié)果存在較大差別。而對(duì)于近期治理規(guī)劃后2000—2010年地下水恢復(fù)范圍、生態(tài)補(bǔ)水后地下水恢復(fù)至生態(tài)水位的需水量以及2010年不同覆蓋度植被生態(tài)需水量的研究較少[30]。

以生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境保護(hù)為根本目標(biāo)的塔里木河下游生態(tài)輸水工程，至2011年1月總計(jì)向下游輸水12次，生態(tài)輸水總計(jì)26.96×108m3。最初只是為了河道的完整，到恢復(fù)地下水位，最后達(dá)到生態(tài)環(huán)境的重建。隨著生態(tài)輸水的延續(xù)，地下水得到了初步的恢復(fù)，輸水量應(yīng)當(dāng)根據(jù)下游生態(tài)環(huán)境及水文變化加以轉(zhuǎn)變，將多余的水資源應(yīng)用與生態(tài)恢復(fù)。本文考慮水文變異，然后借助遙感和GIS技術(shù)，對(duì)塔河下游地下水響應(yīng)帶的范圍進(jìn)行了界定，并以此為依據(jù)結(jié)合區(qū)域植被遙感分類結(jié)果中提取出的植被分布面積，對(duì)綠色走廊的植被生態(tài)需水量進(jìn)行了研究，對(duì)于轉(zhuǎn)變生態(tài)需水量的觀念，同時(shí)為今后水資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)[31]。

1 研究區(qū)概況

圖1 塔里木河下游水系分布及斷面圖 Fig.1 River system distribution and transects in the lower reaches of Tarim River

塔里木河下游位于新疆維吾爾自治區(qū)南部尉犁縣和若羌縣境內(nèi)，呈東南方向穿行于塔克拉瑪干沙漠和庫魯克沙漠之間狹長(zhǎng)的沖擊平原(圖1)。該區(qū)是中國(guó)最干旱地區(qū)之一，年降水量?jī)H17.4—42.0 mm，年蒸發(fā)量(潛勢(shì))高達(dá)2500—3000 mm，屬于典型的大陸性干旱氣候。20世紀(jì)50年代以來，由于人類不合理的水土資源開發(fā)， 塔河下游大西海子水庫以下321 km河道斷流，沿線地下水埋深多降至8—12 m。由此造成河畔以胡楊林為主要建群種的自然植被嚴(yán)重退化，荒漠植被衰敗，物種多樣性下降，土地沙漠化和土壤鹽漬化加劇，下游綠色走廊急劇萎縮，塔克拉瑪干沙漠和庫姆塔格沙漠呈合攏趨勢(shì)[32]。自2000年開始向塔河下游斷流30a的河道實(shí)施應(yīng)急輸水工程，下游生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，近河道地下水埋深逐年抬升。在干旱荒漠氣候的控制下，該地區(qū)的地帶性植被是溫性灌木和半灌木。由于有河水和地下水補(bǔ)給，河漫灘及兩岸的低階地發(fā)育著大面積以胡楊為主要建群種的荒漠河岸林，主要有喬木胡楊(Populuseuphratica)，灌木主要有檉柳(Tamariramosissima)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)，草本植物有蘆葦(Phragmitesaustralis)、羅布麻(Poacynumhendersonii)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)等耐鹽草本植物。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文運(yùn)用衛(wèi)星遙感信息和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)景觀要素的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，配合地表水與地下水監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算塔里木河下游天然植被生態(tài)需水量(圖2)。利用塔里木河干流地區(qū)2010年8月Landsat 5-TM影像，在ENVI中首先對(duì)TM影像輻射定標(biāo)、大氣校正，按照植被覆蓋分類指標(biāo)，進(jìn)行波段運(yùn)算，得到植被覆蓋類型等級(jí)數(shù)據(jù)。利用Arc/Map進(jìn)行數(shù)字影像543波段的彩色合成，利用目視判讀和數(shù)字化工作，生成矢量化地圖，再結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)和Google Earth 對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行人工修正。結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況和研究目的，將研究區(qū)天然植被主要?jiǎng)澐譃閱棠?、灌木、草地，采用疊加分析和緩沖區(qū)分析的方法，獲得不同蓋度下植被類型的面積，采用潛水蒸發(fā)模型定量計(jì)算天然植被需水量。將塔河下游自2000年生態(tài)輸水開始實(shí)施至2010年輸水結(jié)束看作一個(gè)時(shí)間整體，將該時(shí)段生態(tài)輸水背景下形成的塔河下游地下水波動(dòng)帶作為地下水恢復(fù)研究區(qū)，結(jié)合合理地下水生態(tài)水位研究成果，利用Excel2010 和Spss 11.0 回歸分析模塊對(duì)地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，計(jì)算地下水恢復(fù)需水量。

圖2 研究思路框圖Fig.2 Sketch line of technology

2.2 地下水波動(dòng)

塔里木河下游在大西海子水庫以下分為兩支，北側(cè)一支稱為齊文闊爾河，南側(cè)一支是老塔里木河，兩河體大致呈平行狀并在阿拉干處交匯后向南流入臺(tái)特瑪湖。為了解塔里木河下游地下水位的整體變化，沿塔里木河下游輸水河道垂直方向上布設(shè)了7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別位于恰拉(近似替代大西海子)、英蘇、老英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻和庫爾干(近似替代臺(tái)特瑪湖)。

(1)地下水監(jiān)測(cè)

在每個(gè)斷面上沿河道垂直方向按一定間距，50、150、300、500、750、1050 m布設(shè)地下水監(jiān)測(cè)井，井深8—17 m，定期進(jìn)行觀測(cè)，輸水資料來源于塔里木河流域管理局，本研究獲取各監(jiān)測(cè)井2000—2010年輸水過程中地下水埋深監(jiān)測(cè)資料。

(2)地下水響應(yīng)幅度

考慮到區(qū)域生態(tài)輸水影響范圍變化直接體現(xiàn)在區(qū)域地下水位及其輻射范圍的變化上，因而本研究根據(jù)塔河下游2004年(代表生態(tài)輸水最大的響應(yīng)幅度)與2010年(代表研究時(shí)段內(nèi)形成的塔河下游地下水響應(yīng)幅度)的地下水位調(diào)查，采用兩次輸水的地下水埋深差值來計(jì)算地下水響應(yīng)的幅度。各斷面不同監(jiān)測(cè)井的地下水位取年平均值，地下水響應(yīng)幅度的公式：

GDi=Lmi-Lni

(1)

式中,GDi為離河道i距離地下水響應(yīng)的幅度，Lmi,Lni分別為2010年和2004年離河道i的地下水位。

(3)地下水恢復(fù)量

指將地下水位恢復(fù)到所需要的生態(tài)水位以后，維持這個(gè)水位不下降所需下泄的水量。塔河下游由于河道斷流多年，造成地下水嚴(yán)重虧損，通過長(zhǎng)期輸水把河道附近最大有效影響范圍內(nèi)的地下水位上升到生態(tài)水位以后，地下水主要消耗于潛水蒸發(fā)和植被蒸騰，必須恢復(fù)到一定水位，稱為地下水恢復(fù)水量[33]。地下水恢復(fù)至目標(biāo)水位所需水資源量見圖3，對(duì)地下水恢復(fù)量采用以下公式計(jì)算：

(2)

μ=M·n

式中,f1(x)為河床一側(cè)2010年的地下水水位線，f2(x)為河床一側(cè)適宜的生態(tài)水位線，x則表示河道對(duì)地下水的最大影響幅度；μ為地下水位上升時(shí)的土壤含水量飽和差，M為水位變動(dòng)帶的飽和差，n為土壤干容重，參數(shù)根據(jù)宋郁東[34]等研究確定。

若在河道某河段上游斷面的恢復(fù)水量為Q上，下游斷面的恢復(fù)水量為Q下，兩斷面間的河道距離為L(zhǎng)，則在此區(qū)間內(nèi)河段兩岸的恢復(fù)總水量W為：

(3)

圖3 地下水埋深恢復(fù)示意圖Fig.3 Schematic of the groundwater depth recovery

2.3 植被蓋度的計(jì)算

本文以植被指數(shù)估算植被蓋度，利用歸一化植被指數(shù)NDVI，又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，建立了歸一化指數(shù)定量估計(jì)植被蓋度模型。計(jì)算公式為[35]：

(4)

式中,CH3代表TM 影像第三通道的反射值；CH4代表TM 影像第四通道的反射值。

利用NDVI計(jì)算植被覆蓋度的模型在實(shí)際應(yīng)用中是最方便也最普遍的，植被蓋度通過其與NDVI植被指數(shù)之間的關(guān)系得出(公式5)[36]：

(5)

式中,NDVI 為所求像元的歸一化植被指數(shù)；NDVImin、NDVImax分別為非植被覆蓋部分(裸地和未利用地)和植被覆蓋部分(林地、草地和耕地)歸一化植被指數(shù)值的最小值和最大值，由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，確定NDVImax=0.7，NDVImin=0。

根據(jù)水利部1996 年頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190- 96)[37]，將植被蓋度分為五級(jí)，分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.4 自然植被生態(tài)需水量

估算研究區(qū)天然植被的生態(tài)需水量采用潛水蒸發(fā)法，即某一植被類型在某一潛水位的面積乘以該潛水位下的潛水蒸發(fā)量。其計(jì)算模型如下：

(6)

式中,W為植被生態(tài)需水量(108m3)；Ai為植被類型i的面積(104hm2)；Wgi為植被類型i在地下水某一地下水埋深時(shí)的潛水蒸發(fā)量(mm)，參考宋郁東等在《中國(guó)塔里木河水資源生態(tài)問題研究》中的成果(表2)；Ki表示植被影響系數(shù)，采用《阿克蘇農(nóng)業(yè)考察報(bào)告》中提供的不同埋深時(shí)的植物蒸騰對(duì)潛水影響系數(shù)。

表1 植被覆蓋度分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The standard classification of vegetation coverage

表2 喬、灌、草植被的單位面積蒸散量

Table 2 Vegetation water requirements per hectare of woods, shrubs and herbs

植被類型Vegetationtype蓋度Coverage平均地下水埋深A(yù)veragegroundwatertable/m潛水蒸發(fā)Phreaticevaporation/(m3/hm2)喬木W(wǎng)oods>0.523741.50.5—0.331432.40.3—0.14497.3<0.14.5392灌木Shrubs>0.32.52343.80.3—0.14497.3<0.14.5392.1草地Herbs>0.71107380.7—0.32.52343.80.3—0.13.5867.3<0.14.5392.1

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水的變化

研究區(qū)由于降水量稀少，降水量對(duì)地下水的補(bǔ)給可以忽略，因此，塔河下游地下水的主要補(bǔ)給來源為河道徑流以垂向和側(cè)向的方式補(bǔ)給。地下水消耗主要供給植被蒸騰，不斷的補(bǔ)充土壤水，地下水不斷的向外排泄。當(dāng)生態(tài)輸水對(duì)地下水的補(bǔ)給能力小于排泄能力時(shí)，地下水位降低，當(dāng)生態(tài)輸水對(duì)地下水的補(bǔ)給能力大于排泄能力時(shí)，地下水位升高[38]。其區(qū)域范圍的大小受生態(tài)輸水過程中來水量多少、區(qū)域地質(zhì)地貌條件、局部區(qū)域地下水補(bǔ)給源等眾多因素影響。

3.1.1 地下水響應(yīng)的時(shí)效性

本研究的時(shí)間序列為2000—2010年，下游5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的年平均地下水位與年生態(tài)輸水量的變化見圖4。自2000年下游第1次實(shí)施生態(tài)輸水措施以來，到2010年第11次輸水，歷時(shí)10a多，累計(jì)斷面下泄水量26.59×108m3，河道兩岸地下水埋深有所抬升，但由于輸水的“間歇性”特征，監(jiān)測(cè)表明，地下水埋深并沒有抬升至絕大多數(shù)天然植被正常生長(zhǎng)的潛水水位。自2000—2003年地下水埋深隨著生態(tài)輸水量的增加而減小，說明輸水量3.23×108—6.25×108m3補(bǔ)給大于排泄，可以使下游生態(tài)得到恢復(fù)；自2004—2006年隨生態(tài)輸水量的降低，地下水埋深開始緩慢增加，老英蘇斷面變化幅度最小，說明1.02×108—2.82×108m3的輸水對(duì)其有補(bǔ)給作用；在2007—2009年生態(tài)輸水量較小，地下水埋深增加趨勢(shì)明顯，處于負(fù)均衡狀態(tài)。值得注意的是2003年輸水量最大，但地下水埋深最小值出現(xiàn)在2004年，之后呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。地下水位的上升反映了地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給，地下水位的抬升幅度主要與輸水量的大小和放水持續(xù)時(shí)間有關(guān)，并呈一定的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 塔河下游地下水動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The changing dynamics of groundwater level in the lower reaches of the Tarim River

3.1.2 地下水響應(yīng)的寬幅

對(duì)塔里木河下游而言，兩次來水量不同的生態(tài)輸水過程所形成的地下水波動(dòng)帶寬度也不同，且后一次輸水效果又是前次與本次輸水過程共同作用的結(jié)果。根據(jù)地下水響應(yīng)幅度的計(jì)算方法(公式1)，得出下游4個(gè)斷面生態(tài)輸水的影響(圖4)，通過對(duì)曲線的擬合，相關(guān)系數(shù)在0.01 的水平上都達(dá)到極顯著，求出每個(gè)斷面的最大響應(yīng)幅度(表3)。

表3 塔河下游不同斷面響應(yīng)寬幅Table 3 The response amplitude of groundwater in the lower reaches of Tarim River

x： 影響距離，y： 地下水響應(yīng)幅度，**： 在α=0.01的水平上，回歸系數(shù)達(dá)到極顯著水平

地下水位的變化過程與河道來水過程密切相關(guān)，由于目前采取沿自然河道線性輸水的方式，就水流從上而下呈純耗散狀態(tài)，河道上斷面過水流量應(yīng)大于下斷面，沿輸水河道中軸線向兩側(cè)，地下水位升幅呈逐漸減少的趨勢(shì)，對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)程度由上而下逐漸減弱，距放水口較近的英蘇斷面的地下水位響應(yīng)敏感，影響距離為1195 m；距放水口較遠(yuǎn)的依干不及麻斷面的地下水位響應(yīng)幅度最小，影響距離為1000 m；距放水口較遠(yuǎn)位置的斷面水量少，持續(xù)時(shí)間短，放水后其地下水響應(yīng)幅度變化遠(yuǎn)小于距放水口較近位置的斷面；隨著與河道距離的增加，地下水位的變化趨于平緩。對(duì)下游英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干和依干不及麻河道生態(tài)影響幅度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中間斷面阿拉干響應(yīng)幅度(2281 m)在4個(gè)斷面中最大，其原因主要是采用2004年和2010年生態(tài)輸水所測(cè)定資料進(jìn)行計(jì)算，這兩次輸水均為其文闊爾河和老塔河雙河道輸水，兩河道交匯后的阿拉干斷面的生態(tài)流量均大于其他斷面，造成地下水位影響幅度最大。

3.2 地下水恢復(fù)需水量

塔河下游由于河道斷流多年，造成地下水嚴(yán)重虧損，通過長(zhǎng)期輸水把河道附近最大有效影響范圍內(nèi)的地下水位上升到生態(tài)水位以后，地下水主要消耗于潛水蒸發(fā)和植被蒸騰，必須恢復(fù)到一定水位，稱為地下水恢復(fù)水量[33]。因而，本文認(rèn)為地下水恢復(fù)量的估算問題，關(guān)鍵就是尋找既能減少地下水強(qiáng)烈蒸發(fā)返鹽，又不造成土壤干旱而影響植物生長(zhǎng)的地下水位稱為合理生態(tài)水位。徐海量[39]在探討塔河下游合理水位認(rèn)為當(dāng)?shù)叵滤辉?.5 m 以上時(shí)，基本能滿足喬、灌木生長(zhǎng)需水，一般不會(huì)發(fā)生荒漠化。榮麗杉[40]根據(jù)地下水埋深與胡楊樣枝生長(zhǎng)的關(guān)系，塔里木河下游合理地下水生態(tài)水位為4—6 m。郝興明[41]分析地下水位變化對(duì)植物物種多樣性與種群生態(tài)位的影響，認(rèn)為地下水埋深4—6 m為合理生態(tài)水位。宋郁東[34]根據(jù)潛水蒸發(fā)極限，把4—4.5 m作為合理生態(tài)水位的下限。葉朝霞[29]基于生態(tài)水文過程的塔里木河下游植被生態(tài)需水量研究，根據(jù)阿維里楊諾夫公式計(jì)算當(dāng)?shù)叵滤裆钸_(dá)到4.5 m時(shí)，潛水蒸發(fā)量接近0。因此，本文認(rèn)為可以把4.5 m地下水埋深作為下游合理地下水生態(tài)水位。

根據(jù)公式(2)計(jì)算可得到下游河道各斷面地下水埋深恢復(fù)至生態(tài)水位的單位河長(zhǎng)的需水量，由式(3)可得到河段區(qū)間的地下水恢復(fù)需水量，最后得下游大西海子-臺(tái)特瑪湖地下水埋深恢復(fù)至4.5 m所需水量(表4)。塔里木河下游齊文闊爾河段區(qū)域的地下水總恢復(fù)需水量為4.98×108m3，老塔里木河段地下水恢復(fù)需水量為2.09×108m3，歷經(jīng)12次輸水后，塔里木河下游地下水總恢復(fù)需水量為7.06×108m3。根據(jù)塔里木河下游大西海子以下近年來實(shí)際供水情況：(1)干流三源流近10年供給大西海子以下水量為0.9×108m3；(2)近10年大西海子以下年平均供給水量為2.3×108m3；(3)大西海子以下規(guī)劃年供給水量為3.5×108m3。根據(jù)楊鵬年[42]塔里木河干流下游生態(tài)輸水后水量轉(zhuǎn)化特征，河道徑流量對(duì)地下水的補(bǔ)給量占其河道年平均徑流量的比例約為38.1%—56.5%，隨著輸水次數(shù)的增加，河道對(duì)地下水的補(bǔ)給量呈逐漸減小并趨于一定值，而蒸騰量則呈逐漸增加的勢(shì)態(tài)。按照大西海子以下年平均供給水量為2.3×108—3.5×108m3，本次地下水恢復(fù)量需要時(shí)間為5—8a。若地下水恢復(fù)需要5a完成，每年恢復(fù)水量需要1.41×108m3；若地下水恢復(fù)需要8a完成，每年恢復(fù)水量需要0.88×108m3。

表4 塔里木河下游地下水恢復(fù)需水量(108 m3)Table 4 Water requirement for the groundwater recovery in the lower reaches of the Tarim River

A:大西海子-英蘇(齊河);B:英蘇-喀爾達(dá)依(齊河);C:喀爾達(dá)依-阿拉干(齊河);D:阿拉干-依干不及麻(齊河);E:依干不及麻-臺(tái)特瑪湖(齊河);F:大西海子英蘇(老塔河);G:英蘇-阿拉干(老塔河)

3.3 植被生態(tài)需水量

對(duì)于干旱區(qū)而言，植被是河道外生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)最主要的保護(hù)對(duì)象，河道外天然植被需水是河道外生態(tài)需水計(jì)算的關(guān)鍵。目前主要采取線性輸水的方式打通下游河道，以廊道狀補(bǔ)償水分，導(dǎo)致輸水后主要是近河道地下水位發(fā)生變化，遠(yuǎn)離水源地的區(qū)域地下水位仍然無法得到抬升。因此，本文對(duì)下游的生態(tài)需水提出2種方案：(1)保護(hù)下游所有天然植被，在豐水年可以通過生態(tài)閘實(shí)現(xiàn)“由線到面”的生態(tài)輸水方式；(2)保護(hù)下游地下水響應(yīng)帶天然植被，主要保證河道的水文過程完整及綠色走廊的生態(tài)穩(wěn)定。根據(jù)植被生態(tài)需水量計(jì)算方法，得出不同方案下不同植被類型的生態(tài)需水量(表5)。

塔里木河下游綠色走廊總面積518181.75 hm2，天然植被面積為96114.09 hm2，占18.54%，其中喬木、灌木、草地面積分別為10759.64、39119.81hm2和46235.25 hm2，生態(tài)需水量分別為5.15×106m3、17.63×106m3和35.96×106m3，則保護(hù)下游所有天然植被總生態(tài)需水量為0.587×108m3。根據(jù)塔里木河輸水情況，采用雙河道恢復(fù)天然河道植被，保護(hù)目標(biāo)主要是沿河道兩側(cè)的天然植被。按照以上生態(tài)輸水對(duì)地下水的影響幅度，保護(hù)距離取離大西海子水庫最近的英蘇斷面的地下水響應(yīng)幅度，因此，通過ArcGIS緩沖區(qū)分析提取下游大西海子-臺(tái)特瑪湖河段兩岸1195m的植被面積，天然植被面積為41439.85 hm2，其中喬木、灌木、草地面積分別為9287.22、24718.64 hm2和7434.00 hm2，生態(tài)需水量分別為4.45×106、11.23×106m3和5.32×106m3，則總生態(tài)需水量為0.21×108m3。

表5 塔里木河干流喬、灌、草植被類型面積及生態(tài)需水量Table 5 Vegetation acreage and ecological water demand of woods, shrubs and herbs in the lower reaches of the Tarim River

4 結(jié)論與討論

(1)塔河下游地下水位的抬升幅度與輸水量的大小呈一定的正相關(guān)關(guān)系，并存在一定的時(shí)效性。2004—2010年地下水處于長(zhǎng)期的負(fù)均衡狀態(tài)，地下水位區(qū)域性下降，多年下降幅度明顯。塔河下游地下水的主要補(bǔ)給來源為河道徑流以垂向和側(cè)向的方式補(bǔ)給，地下水波動(dòng)幅度隨距離的增加在縱橫兩個(gè)方向上均逐漸趨緩。輸水效益的顯現(xiàn)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，正如輸水前植被的退化過程很緩慢一樣，地下水的響應(yīng)和下游植被的生態(tài)響應(yīng)在一個(gè)大的空間和時(shí)間尺度上將逐步顯現(xiàn)[17]。陳亞寧等[43]塔里木河下游的4次輸水的橫向影響范圍達(dá)1000 m左右；楊鵬年等[26]運(yùn)用地下水模擬軟件ProcessingModflow進(jìn)行了10 年期的間歇輸水模擬，輸水的影響范圍保持在距河兩側(cè)3 km的寬度內(nèi)。從目前響應(yīng)的范圍看，仍然在有限的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，可保護(hù)的植被范圍也主要集中于此，遠(yuǎn)未達(dá)到恢復(fù)和重建下游生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)，還必須在輸水過程中適當(dāng)增加河水漫溢的次數(shù)和干擾的強(qiáng)度。

(2)地下水位既是對(duì)河道輸水產(chǎn)生響應(yīng)的敏感因子，同時(shí)也是決定植被恢復(fù)的重要因素。塔里木河下游輸水有效地抬升了河道兩側(cè)的地下水位由輸水前的6—8 m 抬升到了2—4 m[16]。地下水恢復(fù)變化首先與斷面距離水源地大西海子水庫的遠(yuǎn)近有關(guān)，其次與離河距離遠(yuǎn)近有關(guān)[27]。經(jīng)過11a的輸水后，地下水恢復(fù)至生態(tài)水位的恢復(fù)需水量為7.06×108m3，根據(jù)間歇性輸水條件下水量轉(zhuǎn)化關(guān)系，則需要5—8a的時(shí)間。王讓會(huì)等[28]計(jì)算塔河下游大西海子至臺(tái)特瑪湖兩岸植被保護(hù)1 km寬度，地下水恢復(fù)至4 m水位恢復(fù)水量為14.4×108m3，胡順軍[44]計(jì)算塔里木河下游地下水恢復(fù)水量則為20.056×108m3，由于采用的現(xiàn)狀地下水位和合理生態(tài)水位的不同造成地下水生態(tài)環(huán)境恢復(fù)需水量的差異。在輸水期間，下滲的河水一部分被土壤與植物所蒸散，另一部分進(jìn)入含水層補(bǔ)給地下水。地下水不斷地補(bǔ)充土壤水，同時(shí)裸露土地的潛水蒸發(fā)、河道水域的蒸發(fā)也在進(jìn)行，地下水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不斷的向外排泄[38]。因此，在生態(tài)輸水過程中，不僅要考慮適宜的輸水量來保證地下水處于正均衡狀態(tài)，而且要根據(jù)適宜地下水位進(jìn)行輸水方式的調(diào)整，維持地下水位的穩(wěn)定，減少不必要的沿程蒸發(fā)損失[44]。

(3)塔里木河下游大西海子以下保護(hù)所有天然植被面積為96114.09 hm2，生態(tài)需水量為0.587×108m3，若保護(hù)下游地下水響應(yīng)帶天然植被面積為41439.85 hm2，生態(tài)需水量為0.21×108m3。從目前輸水響應(yīng)帶看，僅維持了天然植被35.8%的生態(tài)需水量，生態(tài)輸水工程必須繼續(xù)開展下去。天然植被面積是計(jì)算生態(tài)需水量的關(guān)鍵，陳亞寧等[45]計(jì)算塔里木河下游天然植被面積為14.16×104hm2，葉朝霞等[29]確定下游天然植被面積為37.21×104hm2，本文采用2010年遙感影像計(jì)算河道外生態(tài)需水量結(jié)果可信。生態(tài)水文過程的完整是河岸生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，對(duì)植物和動(dòng)物具有摘要意義，斷流造成流域水文過程的完整性喪失，地表水與地下水轉(zhuǎn)換的途徑被切斷[45]。按照塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃確定的目標(biāo)——大西海子水庫以下多年平均下泄水量為3.5×108m3，隨著生態(tài)輸水效應(yīng)的不斷擴(kuò)大，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍荒漠河岸林的保護(hù)與恢復(fù)。在水資源緊缺的干旱區(qū)，如何合理利用水資源，發(fā)揮其最大效益，則需要根據(jù)水文狀況和植物的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性對(duì)輸水方式和輸水規(guī)模進(jìn)行調(diào)整。

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Evaluation on ecological water requirement in the lower reaches of Tarim River based on groundwater restoration

BAI Yuan1,2, XU Hailiang1,*, ZHANG Qingqing1, YE Mao3

1XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,Urumqi830011,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3SchoolofGeographyScienceandTourism，XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China

Located in the extremely arid region, Tarim River is the longest continental river in the northwest of China where the environment is vulnerable. Since the construction of Daxihaizi Reservoir in 1970′s, the river channel in the lower reaches of Tarim River with 321km distances from the Daxihaizi Reservoir to Tatema Lake has been dried up for more than thirty years. Cut-off of river water along the lower Tarim River and the excessive and unbridled utilization of water resources resulted in a series of ecological environment problems such as groundwater level decline, natural vegetation deterioration, desertification acceleration and so on, which has been accelerating environmental degradation and strongly influenced local agricultural development. In order to conserve the natural vegetation and further to control the desertification and restore the severely degraded ecosystem, an emergency plan-the ecological water conveyance project (EWCP) for synthetically harnessing deteriorate ecological environment were implemented in the lower Tarim River since 2000. After 12 times of ecological water conveyance (The deadline is January 2011), the groundwater level showed some degree of raising along the main river channel of the lower reaches of Tarim River.

ecological water requirement; undergroundwater restoration; vegetation; the lower reaches of Tarim River

國(guó)家自然科學(xué)基金(41171427, 31370551, 41101534)

2013- 05- 07;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201305070960

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xuhl@ms.xjb.ac.cn

白元，徐海量，張青青，葉茂.基于地下水恢復(fù)的塔里木河下游生態(tài)需水量估算.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(3):630- 640.

Bai Y, Xu H L, Zhang Q Q, Ye M.Evaluation on ecological water requirement in the lower reaches of Tarim River based on groundwater restoration.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):630- 640.

Groundwater level has played a key role in the degraded natural vegetation restoration due to the natural vegetation growth mostly depended on groundwater in extremely arid region. Ecological water requirement in the river channel along the lower Tarim river was highly related to elevation of the groundwater level while the elevation of groundwater level is supplemented from the EWCP. To estimate the requirement of the ecological water, firstly two main river along lower Tarim River channels were set up, including the new river channel from Daxihaizi reservoir to Taitema Lake and the old river channel from Daxihaizi reservoir to Alagan, then to analyze the response range of groundwater level to the ecological water conveyance and evaluate the ecological water requirement based on the groundwater restoration by investigating the response width of groundwater restoration after the ecological water conveyance. The phreatic evaporation method was applied to analyze the ecological water requirement in virtue of the Remote Sensing and GIS techniques. The results showed that: (1) The range of groundwater level change was positively related with the amount of water transferring to the channel in the Lower Tarim River. It was charactered by a temporal hysteresis with the response of the groundwater level to the amount of watering to the river channel. The groundwater level decreased obviously from 2004 to 2010, and that was in a negative equilibrium state. The response range of the groundwater to water transfer was 1195 metres, 1050 metres, 2281 metres, and 1000 metres in the transections of Yusu, Kaerdayi, Alagan, and Yiganbujima respectively. (2) After 12 times (for 11 years) of ecological water conveyance in the lower reaches of Tarim River, the total amount of water requirement based on the groundwater restoration was 7.06×108m3, including 4.98×108m3from Daxihaizi reservoir to Taitema Lake and 2.09×108m3from Daxihaizi reservoir to Alagan transaction. And it needs about 5 to 8 years that the groundwater depth elevate to 4.5m (equal to ecological groundwater level).(3) The amount of ecological water requirement for the natural vegetation protection is 0.587×108m3to meet up with the requirement of the total area of 96114.09 hm2of natural vegetation strip from Daxihai reservoir to Taitema Lake. Moreover, the amount of ecological water requirement is 0.21×108m3for the natural vegetation protection zone of 41439.85 hm2in the area of the groundwater level responding to the ecological water conveyance.