王希義，徐海量，潘存德，凌紅波，郭宏偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

2000—2014年塔里木河下游地下水補(bǔ)給量及合理需求量

王希義1，徐海量2，潘存德1，凌紅波2，郭宏偉2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

以塔里木河下游為研究區(qū)，以區(qū)域內(nèi)9個(gè)固定監(jiān)測(cè)斷面為基礎(chǔ)，依據(jù)斷面內(nèi)各個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井，收集了輸水前和第15次輸水后的地下水位數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤飽和差計(jì)算方法，分析了第15次輸水后的地下水補(bǔ)給量，并聯(lián)系植被生長(zhǎng)所需的合理水位探討了地下水到達(dá)合理水位所需的水量，以期評(píng)價(jià)生態(tài)輸水的階段性效果，為調(diào)整生態(tài)輸水方案提供理論參考。結(jié)果表明：①生態(tài)輸水前地下水埋深在6～13 m之間，第15次生態(tài)輸水后，地下水最大升高幅度達(dá)到8.26 m；②第15次生態(tài)輸水后，塔里木河下游地下水補(bǔ)給量約為20.44億m3；③為使地下水達(dá)到植被生長(zhǎng)所需適宜水位，塔里木河下游地下水的合理需求量約為24.08億m3。

生態(tài)輸水；合理水位；補(bǔ)給量；合理需求量；塔里木河下游

干旱半干旱區(qū)植被退化嚴(yán)重，生態(tài)脆弱，是全球貧困人口的主要分布區(qū)[1]。水是干旱區(qū)最為重要的生態(tài)因子，是構(gòu)成綠洲的基本條件，也是維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和發(fā)展的基礎(chǔ)[2-3]，水決定著干旱區(qū)綠洲化過程與荒漠化過程兩類極具對(duì)立與沖突性的生態(tài)環(huán)境演化過程[4]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展越來越受到重視，干旱區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化的研究逐漸成為熱點(diǎn)[5-6]。

20世紀(jì)80年代以來，生態(tài)學(xué)理論與應(yīng)用有了迅猛發(fā)展，有關(guān)地下水方面的研究也取得了一系列進(jìn)展。近幾年來，國(guó)外有關(guān)地下水的研究包括依據(jù)地下水變化特征預(yù)測(cè)植被變化[7-8]、地下水與地質(zhì)災(zāi)害間的關(guān)系[9-10]、地下水變化對(duì)土地利用的影響[11-12]等方面；在國(guó)內(nèi)，研究主要集中在地下水模型[13-15]、地下水與植被間的關(guān)系[16-17]、地下水污染[18-19]。然而以上研究大多集中于地下水變化特征、地下水與周圍環(huán)境的關(guān)系等方面，對(duì)地下水變化的量化研究較為少見。

中國(guó)塔里木河下游地區(qū)極為干旱，流域內(nèi)水文過程的完整性曾經(jīng)喪失[20]，使地下水位大幅下降，生態(tài)退化嚴(yán)重。自2000年以來，隨著生態(tài)輸水工程的實(shí)施，塔里木河下游的水文過程逐漸恢復(fù)。針對(duì)塔里木河下游地下水的研究主要有水位動(dòng)態(tài)變化[21-22]、地下水與植被間關(guān)系[23-24]、地下水化學(xué)特征[25-26]等方面，而對(duì)地下水增加量進(jìn)行量化的研究較為少見。本文利用輸水前的地下水位數(shù)據(jù)和2014年第15次輸水后的數(shù)據(jù)，分析了第15次輸水后地下水補(bǔ)給量，并對(duì)適合植被生長(zhǎng)所需的合理水位進(jìn)行了模擬，進(jìn)一步探討了地下水到達(dá)合理水位所需的水量;試圖為評(píng)價(jià)生態(tài)輸水的階段性效果提供理論依據(jù)，以期為制定合理的生態(tài)輸水方案提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域地處亞歐大陸腹地，是中國(guó)典型的干旱荒漠區(qū)。塔里木河下游是指從大西海子水庫至尾閭湖臺(tái)特瑪湖，總長(zhǎng)度為363 km(圖1)。區(qū)域?qū)贉貛Щ哪珊禋夂?，年降水?0～50 mm，而潛在蒸發(fā)量高達(dá)2 500～3 000 mm[27]。自2000年開展生態(tài)輸水以來，塔里木河流域地下水埋深有了大幅抬升，水環(huán)境狀況有所改善。由于受到地下水以及河水的補(bǔ)給，河漫灘以及河道兩側(cè)低階地內(nèi)形成了大面積的喬灌草帶，并且隨著與河道距離的增加，呈現(xiàn)出有規(guī)律的分布[28]。喬木主要是胡楊(Populuseuphratica)，灌木則包括檉柳(Tamarixchinensis)、黑刺(Lyciumruthenicum)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)等，草本植物主要有蘆葦(Phragmitescommunis)、鹿角草(Glossogynetenuifolia)、駱駝刺(Alhagisparsif)、花花柴(Kareliniacaspica)、鹽生草(Halogetonglomeratus)等。

圖1 塔里木河下游監(jiān)測(cè)斷面分布示意圖

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

塔里木河下游通過其文闊爾河與老塔里木河兩條河道進(jìn)行生態(tài)輸水。自2000年首次開展生態(tài)輸水以來，到2014年已經(jīng)實(shí)施了15次輸水。本文利用恰拉斷面的地下水位代替大西海子區(qū)域的地下水位，然后在老塔里木河的老英蘇、博孜庫勒，以及其文闊爾河的英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干(代替臺(tái)特瑪湖)等監(jiān)測(cè)斷面分別統(tǒng)計(jì)地下水位數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)井位置。塔里木河的地下水監(jiān)測(cè)井由塔里木河流域管理局布設(shè)，具有一定的規(guī)律。每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均有6個(gè)監(jiān)測(cè)井，分別布設(shè)在離河道50 m、150 m、300 m、500 m、750 m、1 050 m處。鑒于生態(tài)輸水后地下水位變動(dòng)具有滯后性特征，選擇在2014年10月份在每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，依據(jù)地下水監(jiān)測(cè)井的位置，記錄第15次生態(tài)輸水后離河道不同距離的6處地下水位數(shù)據(jù)。

地下水位數(shù)據(jù)提取。采用SWJ90鋼尺水位儀(讀數(shù)精度為1 cm)監(jiān)測(cè)每一口井的地下水位。首先，將水位儀測(cè)頭位置記為零；之后，按下電源按鈕，此時(shí)電源指示燈亮；然后手拿鋼尺電纜，把測(cè)頭緩緩放入監(jiān)測(cè)井中，并緩慢向下移動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭觸點(diǎn)接觸到水面時(shí)，水位儀的接收系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出轟鳴聲，此時(shí)讀出鋼尺電纜在井口的數(shù)值，記為該監(jiān)測(cè)井的地下水埋深;最后，在塔里木河流域管理局等相關(guān)部門獲取輸水前各個(gè)斷面不同離河道距離上的地下水位數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤飽和差計(jì)算方法

在輸水前，由于斷流多年，土壤含水量極低，因此在地下水位上升過程中，土壤得到的補(bǔ)給水量為飽和含水率與初始含水率的差值，故土壤飽和差μ值須取為土壤含水率的飽和差。

塔里木河下游土壤的飽和重量含水率一般取為25.8%[29]，而輸水前土壤的重量含水率n可采用式(1)[30]計(jì)算：

n=35.72e-0.185D

(1)

式中，D為地下水埋深，m。

由不同含水率間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知：土壤的重量含水率乘以其干容重后即為土壤的體積含水率，塔河下游段土壤的干容重一般為 1.36 g/cm3，由此可得到計(jì)算土壤飽和差u的公式[30]：

u=1.36 (25.8-n)/100

(2)

2.2.2 輸水后地下水位抬升量化

如圖2所示，曲線ABCD可視為輸水后的地下水位線，EFGH為輸水前的地下水位線，兩曲線間部分即為恢復(fù)的地下水體。

對(duì)于某一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面而言，斷面一側(cè)曲邊形CDHG內(nèi)單位河長(zhǎng)的恢復(fù)水量設(shè)為Q1；河床正下方的恢復(fù)水量為Q2，由于對(duì)稱性可以得到斷面沿河道單位長(zhǎng)度上的恢復(fù)水量Q。

Q=2Q1+Q2

(3)

其中

(4)

Q2=μ[f2(0)-f1(0)]B0

(5)

式中：f1(x)為河床一側(cè)輸水前的水位線，m；f2(x)為河床一側(cè)輸水后的水位線，m；B0為河床的平均底寬，m。

若在某段河道的上游斷面的補(bǔ)給水量為Q上，下游斷面的補(bǔ)給水量為Q下，兩斷面間的河道距離為L(zhǎng)，則在此區(qū)間內(nèi)河段的總補(bǔ)給水量W為

W=L(Q上+Q下)/2

(6)

2.2.3 合理恢復(fù)水位量化

依據(jù)塔里木河下游植被生態(tài)的研究結(jié)果，在地下水埋深在2.5～4.0 m時(shí)，植被會(huì)維持較好的生長(zhǎng)和恢復(fù)狀態(tài)，又可避免土壤鹽漬化及裸地的無效蒸發(fā)，從而提高生態(tài)水利用效率[31]。但地下水埋深存在一定坡度，如果將距河道2 000 m范圍內(nèi)地下水埋深都恢復(fù)到4.0 m以上，目前難以做到。因此本研究遵循以下原則：首先，距離河道2 000 m外的側(cè)滲量很小，可以忽略，即河岸的研究寬度位于0～2 000 m之間；其次，基于河道沿程流量的遞減規(guī)律，確定英蘇以上河段在離河500 m范圍處的地下水埋深確定為3.0 m，其以下河段則為4.0 m[30]。確定恰拉-英蘇、恰拉-老英蘇以上河段在離河500 m處地下水埋深應(yīng)達(dá)到3.0 m，以下河段500 m處地下水埋深應(yīng)達(dá)到4.0 m。由此可以在各個(gè)斷面上擬合出一條合理水位線，此線與現(xiàn)狀的水位線之間呈現(xiàn)大致平行的關(guān)系，兩者間所包含的面積乘以河段長(zhǎng)度及飽和差即為地下水恢復(fù)量(圖3)，其中y=f1(x)為15次輸水后地下水位線，y=f2(x)為期望通過輸水要達(dá)到的合理水位線。因此，借鑒2.2.1中的計(jì)算方法，推算地下水位恢復(fù)到合理水位時(shí)所需的水量。

圖2 地下水恢復(fù)水位示意圖

圖3 地下水期望水位示意圖

本文作圖與分析利用軟件sigmaplot 10.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同監(jiān)測(cè)斷面地下水位的變化特征

在20世紀(jì)60年代到70年代初期，大西海子水庫每年都有水下泄，1964—1973年平均下泄水量為2.54億m3/a；1974年以后平均下泄水量降至0.46億m3/a，鐵干里克以下河段則完全斷流，僅在1995年由大西海子水庫水下泄0.28億m3，輸水距離僅為40 km。自1972年以后，阿拉干以下河段就開始持續(xù)斷流，地下水位不斷下降，植被退化嚴(yán)重。

3.1.1 輸水之前各斷面地下水埋深

塔里木河下游由于輸水量減少導(dǎo)致河道斷流，地下水埋深急劇降低，由20世紀(jì)50年代的3～5 m下降到70年代的3～8 m，直至2000年輸水之前的6～13 m(表1)，在橫向上基本處于水平狀態(tài)。

表1 生態(tài)輸水前塔里木河下游多年地下水埋深

3.1.2 輸水后地下水位變化特征

利用8個(gè)斷面輸水前與15次輸水后的統(tǒng)計(jì)資料，得出了各個(gè)斷面不同離河距離上地下水位升高幅度(圖4)。

圖4 輸水前后各監(jiān)測(cè)斷面地下水抬升高度

由圖4可見，經(jīng)過15次生態(tài)輸水，河道兩側(cè)的地下水埋深都有了大幅度抬升，并且基本都是隨著離河道距離的增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。在所監(jiān)測(cè)的結(jié)果中，以恰拉斷面(大西海子)升高幅度最大，在離河50 m處為8.26 m，最小值出現(xiàn)在依干不及麻斷面離河道1 050 m處，水位升高幅度為2.33 m。

3.2 地下水凈補(bǔ)給量

3.2.1 不同監(jiān)測(cè)斷面土壤飽和差

因此，對(duì)于每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，結(jié)合各個(gè)斷面的地下水埋深，可以得到不同離河距離上輸水前土壤的平均重量含水率，然后將這些土壤重量含水率進(jìn)行平均計(jì)算，記為輸水前該斷面土壤的平均重量含水率。結(jié)合輸水前各斷面的地下水埋深數(shù)據(jù)，利用式(1)和式(2)計(jì)算出各個(gè)斷面的u值(表2)。

表2 輸水前各斷面土壤重量含水率n與土壤飽和差u

3.2.2 各個(gè)斷面單位河長(zhǎng)地下水凈增加量

選取線性、對(duì)數(shù)、多項(xiàng)式、乘冪、指數(shù)5種方程對(duì)每一個(gè)斷面的地下水位進(jìn)行模擬，選取R2值最高者確定為地下水位擬合方程，由此可得各個(gè)斷面輸水前后地下水位的模擬方程(表3)。

表3 各斷面輸水前后地下水位擬合方程

注：x為斷面離河道距離,m;y為地下水高程,m。

目前，生態(tài)輸水的影響寬度已達(dá)2 000 m左右[32]。因此，x的取值范圍設(shè)定在[0，2 000]之間，利用式(3)，計(jì)算每一個(gè)斷面河岸地帶地下水增加量Q1。

對(duì)于河床地帶，首先依據(jù)Google earth地圖，在每個(gè)斷面上提取河道寬度；而后結(jié)合圖2，將BCDF可近似視作一矩形，F(xiàn)G的長(zhǎng)度B0可以用河道的寬度來代替，利用式(4)便可以計(jì)算出Q2的值；最后利用式(5)可得各個(gè)斷面單位長(zhǎng)度地下水總補(bǔ)給量(表4)。

表4 各個(gè)斷面地下水凈補(bǔ)給量 萬m3/km

3.2.3 塔里木河下游地下水總補(bǔ)給量

將塔里木河下游地區(qū)分成6個(gè)區(qū)間進(jìn)行探討，包括大西海子-英蘇、英蘇-喀爾達(dá)依、喀爾達(dá)依-阿拉干、阿拉干-依干不及麻、依干不及麻-臺(tái)特馬湖。對(duì)于每一個(gè)河流區(qū)間利用式(6)計(jì)算出其文闊爾河和老塔里木河各個(gè)河段的地下水補(bǔ)給量(表5、表6)。塔里木河下游地下水總補(bǔ)給量為20.44億m3。

表5 其文闊爾河地下水補(bǔ)給量

表6 老塔里木河地下水補(bǔ)給量

3.3 地下水合理需求量

3.3.1 輸水后不同斷面土壤飽和差

依據(jù)輸水后各個(gè)斷面所到達(dá)的地下水埋深，利用式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算，得輸水后各監(jiān)測(cè)斷面的平均土壤飽和差(表7)。

表7 輸水后各斷面土壤重量含水率n與平均土壤飽和差u

3.3.2 各個(gè)斷面地下水合理需求量

對(duì)英蘇以上斷面，結(jié)合現(xiàn)狀離河距離500 m處的地下水埋深，將曲線平行上移，使500 m的地下水埋深到達(dá)3.0 m，并換算成地下水位海拔高度；英蘇以下斷面500 m處的地下水埋深平行上移到4.0 m，并換算成海拔高度。由此可得各個(gè)斷面合理水位的擬合方程(表8)。

表8 各個(gè)斷面地下水合理水位擬合方程

與補(bǔ)給水量的計(jì)算方法類似，利用式(3)～(5)可以計(jì)算各個(gè)斷面的地下水合理需求量(表9)。

表9 各個(gè)斷面地下水合理需求量 萬m3

3.3.3 流域地下水合理需求量評(píng)估

依據(jù)相鄰兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面間的距離，利用式(6)計(jì)算出塔里木河下游各河段地下水的合理需求量(表10，表11)。由表10和表11可得，塔里木河下游地下水合理需求總量為24.08億m3。

表10 其文闊爾河地下水合理需求量

表11 老塔里木河地下水合理需求量

4 討 論

干旱區(qū)水資源在諸多環(huán)境因子中居于首要地位，研究干旱區(qū)水資源的變化特征具有十分重要的意義[33-34]。在塔里木河下游地區(qū)，植物生長(zhǎng)吸收土壤水，而土壤水受到地下水位高度的影響，地下水位高度又受河道輸水量的影響[35]。一般而言，隨著與河距離的增加，地下水的補(bǔ)給量逐漸減少，地下水位的抬升幅度逐漸減小，這與本研究的成果相一致，也與徐海量等[36-37]的研究成果相一致。這些研究都表明，在實(shí)施生態(tài)輸水的過程中，假設(shè)河道輸水量固定，隨著與河道距離的增加，地下水升高幅度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

塔里木河下游生態(tài)輸水使地下水位升高，地下水量也相應(yīng)增加。本文利用地下水位變動(dòng)數(shù)據(jù)，擬合了第15次輸水后的地下水位曲線，然后利用微積分方程計(jì)算了第15次輸水后地下水補(bǔ)給量，大約為20.44億m3。2000—2014年，從大西海子水庫一共向下游輸水46.5億m3，因此地下水補(bǔ)給量約占下泄總水量的43.98%。而楊鵬年等[30]研究得第5次輸水后地下水補(bǔ)給量占總下泄水量的58%，即第15次輸水后，地下水增加量占下泄總水量的比重有所減少。這可能與區(qū)域內(nèi)植被面積增加、耕地增加、生活用水量增加等方面有關(guān)，具體的原因還需要深入進(jìn)行探討。

塔里木河下游首要的任務(wù)是拯救植被系統(tǒng)，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要是依靠生態(tài)輸水[38]。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.5～4.0 m時(shí)，植被的生長(zhǎng)或恢復(fù)狀態(tài)最好。但是，地下水的埋深并不是水平的，而是具有一定的坡度。本文確定英蘇以上斷面在離河500 m地下水埋深為3.0 m，英蘇以下河段為4.0 m，分析了地下水的合理水位和合理需求量，得出地下水達(dá)到植被生長(zhǎng)的適宜水位時(shí)所需的地下水量約為24.08億m3，超過了前15次地下水補(bǔ)給量的總和。因此，生態(tài)輸水和植被恢復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，此階段的生態(tài)輸水處于“應(yīng)急救命”階段，距離完全恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)、保護(hù)綠色走廊的目標(biāo)還很遠(yuǎn)。以后的輸水過程應(yīng)與實(shí)地情況相結(jié)合，對(duì)輸水方式與輸水規(guī)模進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證地下水抬升和生態(tài)恢復(fù)達(dá)到最佳效果。另外，在實(shí)施生態(tài)輸水的過程中，河水補(bǔ)給地下水，地下水從河道處流向離河道較遠(yuǎn)地區(qū)。地下水在流動(dòng)過程中，受到水道管壁摩擦等各種阻力的影響，從而造成水頭損失，即河水補(bǔ)給地下水的水量不完全等于地下水的增加量。但是本文只是針對(duì)地下水增加量以及合理需求量進(jìn)行分析，未對(duì)地下水在運(yùn)移過程中的損失量進(jìn)行研究。因此，在以后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水力坡度內(nèi)容的探討，分析地下水在運(yùn)移過程的損失特征，以便更好地研究河水對(duì)地下水的補(bǔ)給過程，為實(shí)現(xiàn)合理生態(tài)輸水、促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié) 論

a. 生態(tài)輸水之前，塔里木河下游地下水埋深在6～13 m之間；生態(tài)輸水后，各斷面的地下水埋深都有大幅度升高，并且隨著與河距離的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；地下水位升高幅度最大值在恰拉斷面離河50 m 處的8.26 m，最小值為依干不及麻斷面離河道1 050 m處的2.33 m。

b. 塔里木河下游第15次生態(tài)輸水后，其文闊爾河流域地下水總補(bǔ)給量為15.77億m3，老塔里木河地下水總補(bǔ)給量為4.67億m3，塔里木河下游地下水總補(bǔ)給量為20.44億m3。

c. 其文闊爾河地下水合理需求量約為18.36億m3，老塔里木河地下水合理需求量約為5.72億m3，塔里木河下游地下水合理需求總水量約為24.08億m3。

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Study on groundwater recharge amount and suitable demand amount in lower reaches of Tarim River from 2000 to 2014

WANG Xiyi1, XU Hailiang2, PAN Cunde1, LING Hongbo2, GUO Hongwei2

(1.CollegeofGrasslandandEnvironmentSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China;2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

The lower reaches of the Tarim River was selected as the study area. First, the data of groundwater level were collected before water transport and after the water transport was carried out 15 times, based on the locations of groundwater monitoring wells at nine sections. Then, the groundwater recharge amount after the 15th time of water transport was analyzed using the calculation method of saturation deficit of soil. Finally, the suitable demand amount of groundwater that enables the groundwater level to reach a water level suitable for plant growth was determined. This study aimed to evaluate the effects of ecological water transport at different stages and provide theoretical references for the adjustment of water transport. The results are as follows: (1) the depth to water table ranged from 6 m to 13 m before ecological water transport, and its maximum increment reached 8.26 m after the 15th time of water transport; (2) the recharge amount of groundwater was about 20.44 × 108m3in the lower reaches of the Tarim River after the 15th time of water transport; and (3) the suitable amount of groundwater in the lower reaches of the Tarim River should be about 24.08 × 108m3, in order to guarantee the suitable water level for plant growth.

ecological water transport; suitable water level; recharge amount; suitable demand amount; lower reaches of Tarim River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.006

國(guó)家自然科學(xué)基金(31370551，41471099，31400466)；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃(XBBS-2014-13)

王希義(1987—)，男，博士研究生，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。 E-mail:binzhouwxy@163.com

徐海量，研究員，博士。E-mail：xuhl@ms.xjb.ac.cn

TV213.4

A

1004-6933(2017)04-0032-08

2016-12-09 編輯：徐 娟)