王 劍

（塔里木河流域干流管理局下游管理處，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

由于水資源嚴(yán)重短缺，塔里木河下游河道多處出現(xiàn)斷流，天然植被大面積衰退。要保證河道最小生態(tài)徑流需水和生態(tài)系統(tǒng)中天然植被生態(tài)需水，需對(duì)塔里木河下游生態(tài)需水量進(jìn)行分析。

1 概況

塔里木河干流全長(zhǎng)1 321 km，恰拉以下至臺(tái)特瑪湖為下游。塔里木河下游河道長(zhǎng)428 km；縱坡較中游段大，平均為1/5 900；河床寬100 m 左右，比較穩(wěn)定[1]。塔里木河干流屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，多風(fēng)，日照長(zhǎng)，溫差大，夏季炎熱，冬季干冷[2]。由于水資源短缺，塔里木河下游生態(tài)缺水嚴(yán)重。塔里木河下游大西海子水庫(kù)以下水系分布，如圖1所示。

圖1 塔里木河下游大西海子水庫(kù)以下水系分布

經(jīng)調(diào)查，塔里木河下游生態(tài)保護(hù)范圍為：垂直河道0～500 m 劃定為重點(diǎn)保護(hù)帶，植被主要以胡楊為主，少量分布有檉柳、鈴鐺刺和駱駝刺等灌木或半灌木，地下水埋深維持在4 m 以上較為適宜；垂直河道500～1 000 m 為基本保護(hù)帶，檉柳灌叢分布較多，胡楊多退化衰敗，地下水埋深維持在4～6 m 較為適宜；河道兩岸各1 000 m 為一般保護(hù)帶，部分區(qū)域分布有沙漠化形成的檉柳沙包，地下水埋深多在6 m以下。

2 塔里木河下游植被生態(tài)需水機(jī)理

選取塔里木河下游3 種典型植物優(yōu)勢(shì)種胡楊（喬木林優(yōu)勢(shì)種）、檉柳（灌木叢優(yōu)勢(shì)種）和蘆葦（草本優(yōu)勢(shì)種）為代表，測(cè)定其月蒸騰過(guò)程。

2.1 胡楊耗水過(guò)程分析

在塔里木河下游選擇長(zhǎng)勢(shì)較好的胡楊作為研究樣地，與胡楊呈十字交叉布設(shè)4個(gè)3.5 m長(zhǎng)的中子儀水分監(jiān)測(cè)管和1 口5 m 深的地下水位監(jiān)測(cè)井，每隔5～10 d 監(jiān)測(cè)1 次土壤水分及地下水埋深。經(jīng)監(jiān)測(cè)，胡楊月耗水量最小值出現(xiàn)在1 月，為0.194 mm/d；之后逐漸增加，至7 月出現(xiàn)最大值，為8.410 mm/d；8—12月逐漸下降。對(duì)胡楊不同年份各月耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得出年內(nèi)月均耗水量最大值出現(xiàn)在7 月，為6.494 mm/d；月均耗水量最小值出現(xiàn)在1 月，僅為7月的6.2%。

2.2 檉柳耗水過(guò)程分析

在塔里木河下游選取具有代表性的檉柳灌叢，在其中布設(shè)1 根3.5 m 長(zhǎng)的中子管和1 口5 m 深的地下水位監(jiān)測(cè)井，每隔10～15 d 監(jiān)測(cè)1 次土壤水分及地下水埋深。根據(jù)水量平衡原理，計(jì)算檉柳的耗水量。與胡楊相似，受區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)度影響，檉柳的月耗水量在1—6 月逐漸增加，之后的7、8 兩個(gè)月轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆?，但?月出現(xiàn)最大值，為5.73 mm/d；之后的10—12 月減少，最小值出現(xiàn)在12 月，為0.16 mm/d。對(duì)檉柳不同年份各月耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得出年內(nèi)月均耗水量最大值出現(xiàn)在9 月，為2.911 mm/d；月均耗水量最小值出現(xiàn)在12月，僅為9月的5.5%。

2.3 蘆葦耗水過(guò)程分析

在生長(zhǎng)的蘆葦叢布設(shè)1 根3 m 長(zhǎng)的中子管和1口3 m 深的地下水位監(jiān)測(cè)井，每隔5～10 d 監(jiān)測(cè)1 次土壤水分及地下水埋深。經(jīng)監(jiān)測(cè)，蘆葦?shù)脑潞乃吭?—7月呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，并在7月出現(xiàn)最大值，為4.484 mm/d；在7—12 月轉(zhuǎn)變?yōu)檫f減，最小值出現(xiàn)在12 月，為0.129 mm/d。對(duì)蘆葦不同年份各月耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得出年內(nèi)月均耗水量最大值出現(xiàn)在7 月，最小值出現(xiàn)在12 月為0.290 mm/d，年內(nèi)月均耗水量最小值僅為7月的6.8%。

總體來(lái)看，3 種植物7 月的月蒸騰量最大，占年蒸騰量的16.5%；蒸騰量主要集中在4—9月，占年蒸騰量的77.2%，可視為研究區(qū)荒漠河岸林的主要需水期。為了維持流域荒漠河岸林群落自我更新和自我繁殖功能，在塔里木河下游必須利用生態(tài)輸水工程同時(shí)調(diào)整輸水時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)輸水與荒漠河岸林物種更新二者之間的生態(tài)契合。

3 生態(tài)需水分析

生態(tài)需水是指為了維持流域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，在開(kāi)發(fā)流域水資源時(shí)必須為生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展與平衡保證其所需的水量，一般包括河道基流生態(tài)需水和天然植物生態(tài)需水。塔里木河下游河道兩岸分布的天然植被主要是非地帶性植被，依靠地下潛水維持生命。由于下游段河道斷流多年，地下水嚴(yán)重虧損，應(yīng)對(duì)下游河道補(bǔ)充一部分水量將地下水恢復(fù)到目標(biāo)水位[3]。

3.1 河道基流生態(tài)需水量

選取英蘇、阿拉干和依干不及麻3 個(gè)典型斷面（如圖1 所示），采用濕周法對(duì)塔里木河下游生態(tài)需水量進(jìn)行分析。

濕周法是以濕周作為生態(tài)系統(tǒng)棲息地指標(biāo)，把濕周-流量關(guān)系曲線上某一臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)流量。目前確定濕周-流量曲線的方法主要有斜率法和曲率法。因斜率法估算河道最小生態(tài)需水量時(shí)臨界點(diǎn)取值存在較大的不確定性，而曲率法確定臨界點(diǎn)更符合實(shí)際情況[4]，因此本文采用曲率法。

采用2013 年第五次和2015 年生態(tài)輸水時(shí)測(cè)定的濕周、流量數(shù)據(jù)，對(duì)英蘇和依干不及麻2個(gè)斷面的濕周-流量采用冪函數(shù)曲線模擬、阿拉干斷面采用對(duì)數(shù)曲線模擬，擬合曲線的可決系數(shù)在0.8 以上，說(shuō)明擬合效果較好。在對(duì)各斷面濕周-流量曲線模擬的基礎(chǔ)上，確定流量變化的臨界點(diǎn)。曲率法曲率計(jì)算公式如下：

式中：K曲為曲率；P為濕周（m）；Q為流量（m3/s）[5]。

對(duì)式（1）等號(hào)右邊求導(dǎo)，得到相應(yīng)于濕周-流量關(guān)系曲線上曲率對(duì)流量的導(dǎo)數(shù)。數(shù)學(xué)上，曲率最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于曲率對(duì)流量的導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)。令曲率對(duì)流量的導(dǎo)數(shù)為0，計(jì)算得出的Q值即為河道最小生態(tài)流量。

濕周法計(jì)算結(jié)果表明，大西海子水庫(kù)以下英蘇、阿拉干和依干不及麻3 個(gè)斷面的過(guò)水流量分別為1.125、4.586和1.463 m3/s。

就塔里木河下游而言，水流自上而下呈純耗散狀態(tài)，河道上游的過(guò)水流量應(yīng)該大于河道下游。通過(guò)對(duì)英蘇、阿拉干和依干不及麻河道生態(tài)流量計(jì)算，中間斷面阿拉干在3 個(gè)斷面中過(guò)水流量最大，而上游英蘇斷面過(guò)水流量最小，其原因主要為本次采用的是塔里木河第五次和第六次輸水所測(cè)定資料進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，而這2 次輸水均為其文闊爾河和老塔河雙河道輸水，造成阿拉干和依干不及麻斷面的最小生態(tài)徑流量均大于英蘇斷面。

采用英蘇、阿拉干和依干不及麻3 個(gè)斷面中阿拉干的最小徑流量作為下游河道生態(tài)流量下限值。假設(shè)下游河道全年過(guò)水，則大西海子以下河道基流生態(tài)需水量為1.455 億m3。另外，考慮到塔里木河來(lái)水量具有明顯的季節(jié)性特征，干流在每年的3—6月為枯水期，假定枯水期下游河道不過(guò)水，僅每年7—翌年2 月河道過(guò)水，則塔里木河下游大西海子以下河道生態(tài)需水量為0.965億m3。

3.2 天然植被生態(tài)需水量

大西海子以下至臺(tái)特瑪湖疏林地、有林地、低覆蓋度草地和高覆蓋度草地的面積分別為38 879.4、11 005.9、28 503.6 和17 737.0 hm2，通過(guò)潛水蒸發(fā)模型計(jì)算植被生態(tài)需水量為1.086 億m3，通過(guò)面積定額法計(jì)算植被生態(tài)需水量為1.103 億m3。大西海子至臺(tái)特瑪湖天然植被生態(tài)需水量取潛水蒸發(fā)法和面積定額法計(jì)算結(jié)果的均值1.095億m3。

3.3 不同天然植被保護(hù)帶的生態(tài)需水

近50 a 來(lái)，隨著上游生產(chǎn)、生活用水的快速增加，塔里木河下游來(lái)水量呈顯著下降趨勢(shì)。同時(shí)，河流來(lái)水量自身也受到水文周期的影響，存在著豐枯變化。根據(jù)下游兩岸林地累計(jì)面積分布頻率曲線和目前塔里木河工程措施的影響，確定重點(diǎn)保護(hù)帶、基本保護(hù)帶和影響保護(hù)帶3個(gè)不同級(jí)別的保護(hù)帶。重點(diǎn)保護(hù)帶為河流主河道能夠影響到的寬度；基本保護(hù)帶為河道正常來(lái)水情況下，工程措施達(dá)到的自然漫溢范圍；影響保護(hù)帶為當(dāng)河道來(lái)水量增加后，通過(guò)地下水能夠影響到的最大范圍。制定不同林地的保護(hù)范圍，對(duì)指導(dǎo)實(shí)踐中不同水文年的水量分配具有重要意義。下游段天然植被多分布在近河道，沿線地下水埋深較深，生態(tài)供水后水量主要消耗于河道入滲，可以將目前雙河道設(shè)置成“枝杈”式的輸水通道，以擴(kuò)大供水影響范圍?？紤]到天然植被生長(zhǎng)耐受限度，下游生態(tài)輸水間隔不宜小于3 a，按照下游大西海子以下年生態(tài)需水量計(jì)算，3 a輸水總量不應(yīng)小于7.85億m3。

根據(jù)塔里木河下游大西海子以下生態(tài)需水量要求，確定以下3種規(guī)劃：①規(guī)劃1：保護(hù)大西海子以下生態(tài)范圍需水量為0.9 億m3；②規(guī)劃2：近10 a 來(lái)塔里木河輸水的平均水量為2.3 億m3；③規(guī)劃3：塔里木河總體規(guī)劃目標(biāo)生態(tài)需水量為3.5 億m3。本研究計(jì)算得出塔里木河下游大西海子以下生態(tài)需水量為3.587 億m3，與塔里木河總體規(guī)劃目標(biāo)相一致，證明了本研究的正確性。

3.4 天然植被的最大給水間隔

生態(tài)輸水對(duì)塔里木河下游沿河區(qū)域的地下水抬升和回落影響具有一定的時(shí)空差異，導(dǎo)致了地表植被在空間上表現(xiàn)為從上到下的差異和距河道由近而遠(yuǎn)的差異、在時(shí)間上表現(xiàn)為隨輸水持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)其響應(yīng)越來(lái)越明顯的特點(diǎn)。

3.4.1 不同漫溢頻次下植物群落結(jié)構(gòu)變化

一年生草本、多年生草本和喬灌木的重要值在不同漫溢頻次梯度下的變化及差異，詳見(jiàn)表1。

表1 不同漫溢干擾頻次下植被變化

由表1 可知，不同漫溢條件下的植物群落組成會(huì)發(fā)生明顯改變。在無(wú)漫溢條件下，喬灌木的重要值為0.879，此時(shí)樣地內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)一年生草本，多年生草本的重要值也僅為0.121，因此喬灌木為無(wú)漫溢條件下樣地群落的主要植被。漫溢干擾后，草本植物幼苗大片萌發(fā)，群落物種組成發(fā)生一定的變化。其中，一年生草本的重要值變化表現(xiàn)情況如下：除“多年1次”漫溢頻次樣地外，其余3個(gè)漫溢頻次樣地與對(duì)照樣地相比均有顯著差異（P＜0.05），特別是頻次為“多年多次”的漫溢樣地與對(duì)照樣地之間的差異達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01），且該樣地中的一年生草本重要值為5 個(gè)漫溢樣地的最大值（0.415），因此一年生草本為該漫溢頻次樣地的主要物種。漫溢干擾后多年生草本的重要值在4個(gè)漫溢頻次下均表現(xiàn)為顯著增加（P＜0.05），“多年1 次”漫溢樣地中的重要值為4 個(gè)漫溢頻次樣地的最大值（0.581），因此多年生草本為“多年1 次”和“1 a 1～2 次”漫溢頻次樣地的主要物種。4 個(gè)漫溢頻次梯度下的喬灌木重要值與對(duì)照樣地相比均有所減少，且分析結(jié)果均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），受“1 a 多次”頻次的漫溢干擾影響，喬灌木的重要值有所減小但仍大于其余2種植被的重要值，因此喬灌木在頻次為“1 a多次”的漫溢樣地中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。綜合以上分析可知，中等頻次的漫溢干擾有助于一年生草本和多年生草本的恢復(fù)，而較為頻繁的漫溢干擾對(duì)于喬灌木恢復(fù)則更為有益。

3.4.2 不同漫溢頻次下植物群落多樣性變化

隨著塔里木河下游輸水后地下水位的不斷抬升，地下水位逐漸接近并淺于極限蒸發(fā)水位，潛水蒸發(fā)顯著加強(qiáng)，生態(tài)輸水對(duì)地下水位的抬升作用相應(yīng)減緩，且地下水位越淺，潛水蒸發(fā)消耗水量越多，輸水的影響作用會(huì)越弱。由此表明，隨著生態(tài)輸水的持續(xù)實(shí)施，河道對(duì)地下水的凈補(bǔ)給量逐漸減小并趨于動(dòng)態(tài)平衡，生態(tài)輸水的生態(tài)效益呈逐漸減小的趨勢(shì)。因此，當(dāng)?shù)叵滤怀^(guò)極限蒸發(fā)水位后，應(yīng)加大生態(tài)輸水；當(dāng)?shù)叵滤豢刂圃谶m宜水位3～5 m 時(shí)，建議每年2 次輸水并保證全程過(guò)水；當(dāng)枯水年不能滿足生態(tài)恢復(fù)的適宜水位時(shí)，考慮到保護(hù)生態(tài)安全的需要，輸水間隔最大不得超過(guò)3～5 a。

4 結(jié)語(yǔ)

塔里木河下游以胡楊為主體的天然植被嚴(yán)重退化，水資源時(shí)空格局受人類活動(dòng)影響發(fā)生重大改變，大西海子以下生態(tài)問(wèn)題尤為突出。自2000 年塔里木河“生態(tài)輸水”工程實(shí)施后，下游生態(tài)環(huán)境退化趨勢(shì)有所遏制，但是，人類活動(dòng)影響下的下游段河道內(nèi)、外生態(tài)需水量仍不明確。本文基于生態(tài)輸水后下游徑流資料，采用水文學(xué)方法中的濕周法對(duì)下游段大西海子以下河道內(nèi)生態(tài)需水量進(jìn)行估算，并對(duì)下游地下水恢復(fù)量進(jìn)行了探討；同時(shí)，在天然植被遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判讀的基礎(chǔ)上，采用潛水蒸發(fā)法和面積定額法對(duì)河道外植被生態(tài)需水量進(jìn)行了估算，可為塔里木河下游水資源分配和管理提供理論依據(jù)。