基于地下水恢復的塔里木河下游生態需水量估算

白 元，徐海量，張青青，葉 茂

1 中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學，北京 100049 3 新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054

基于地下水恢復的塔里木河下游生態需水量估算

白 元1，2，徐海量1,*，張青青1，葉 茂3

1 中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學，北京 100049 3 新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054

為探明生態輸水后地下水響應帶范圍及地下水恢復下生態需水量，以塔里木河下游大西海子水庫至臺特瑪湖段為研究區，基于2000—2010年生態輸水和地下水埋深分布特征，分析了塔里木河下游生態輸水后兩岸地下水位恢復狀況，并借助遙感和地理信息系統技術對研究區生態需水量進行了研究。結果表明：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關系，并存在一定的時效性。2004—2010年地下水處于長期的負均衡狀態，多年下降幅度明顯。塔河下游英蘇、喀爾達依、阿拉干和依干不及麻斷面地下水響應幅度分別為1195、1050、2281 m和1000 m。歷經11a輸水后，塔里木河下游地下水總恢復需水量為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，地下水恢復至生態水位4.5 m需要5—8a的時間。保護塔里木河下游大西海子以下所有天然植被面積(96114.09 hm2)的生態需水量為0.587×108m3，保護下游地下水響應帶天然植被面積(41439.85 hm2)的生態需水量為0.21×108m3。

生態需水量；地下水恢復；植被；塔里木河下游

對水資源可持續利用的愿望極大地推動了人們對水資源轉換機制和合理使用途徑的深入探索，生態需水成為當前生態學、水文學、環境學等領域的研究熱點。事實證明，“忽視水資源與生態環境系統之間的關系”是20世紀水資源管理的失誤，直接導致了生態環境的惡化，引發森林退化、生物多樣性減少、河道斷流和地下水位下降等諸多生態環境問題，并嚴重威脅人類的生存環境[1- 2]。對極端干旱區生態系統而言，水是可持續發展的最重要因素，有水即為綠洲，無水即變荒漠。因此，為了保護荒漠地區的天然植被，需要對其合理生態需水量進行研究。

關于生態環境需水量的研究最早是在國外開展的，主要集中在河流生態環境需水方面。早在1940 年，美國漁業與野生動物保護組織規定了維持河流的最小生態流量。90 年代以來，生態系統需水量研究成為全球關注的焦點，逐步從河流生態系統類型擴展到了森林、草地、濕地、湖泊、河口、等其他生態系統類型上[3]。目前，國內生態需水研究多集中在水資源供需矛盾突出以及生態環境相對脆弱和問題嚴重的干早、半干早和季節性干早的半濕潤區[4]。干旱區降水稀少，不足以維持其生態系統特別是非地帶性天然植被組成的系統的正常運轉，河水與地下水之間的相互補給和排泄構成水循環運動基本方式，補給地下水需水量是河流系統生態環境需水量的重要組成部分。1993 年世界銀行發布的水資源政策文件明確了地下水可再生性維持的標準，即水資源開發利用總量決不能超過地下水補給量，但缺乏有關生態環境需水量的確定標準[5]。近年來，地表水與地下水之間的相互轉換研究范圍不斷擴大，出現了“地下合理生態水位”、“地下生態警戒水位”和“鹽漬臨界水位”等概念[6- 8]，目前常見的確定河流(渠)滲漏補給量的方法有水文學、地下水動力學法和試驗法以及數值模擬等方法[9- 10]。在地下水采補平衡的情況下，使地下水水位恢復到生態水位，這將有利于維護地下水生態環境不再惡化并逐漸改善。恢復地下水生態環境需水量是供給天然植被生長、發育需水的基礎，因此，以地下水資源合理開發利用及生態環境保護為目的的生態需水研究，已成為當今地下水資源研究領域十分重要的課題[11]。

近50年來，塔里木河源流區和中上游大規模引水和截流，導致下游地區因來水量日趨減少，造成大西海子水庫以下長達321 km河段基本斷流。自2000年開始向塔河下游斷流30a的河道實施應急輸水工程[12]。塔里木河下游荒漠生態系統的恢復狀況受到國內外密切關注[13- 15]，發現了河水補給引起地下水位變動，其變化幅度隨著遠離河流而越來越小，變化時間隨遠離河岸越來越推遲，變動速率也隨遠離河流越來越小，地下水對生態輸水的響應是逐漸實現的[16- 17]，水位的時空差異導致了地表植被在時間和空間響應上的明顯不同[18- 19]，隨著下水位下降，物種多樣性Shannon-Weiner 指數、Simpson 指數、Margalef 指數、Patrick 指數以及Cody 指數都以下降為主[20- 21]，生態輸水對植物生理指標的影響是顯著的，隨著地下水位的降低，葉片相對含水量減少，脯氨酸、脫落酸因積累而增加[22- 23]，生態輸水使樹木年輪生長發生了良性轉變[24]，隨著輸水次數和年輸水量的穩步增加，植被覆蓋度、面積穩步增長[25]，地下水響應范圍由第1次輸水后的450 m寬增加擴大到了第8 次的3334 m，歷經8 次輸水后，輸水河道區域地下水凈補給量達到7.8×108m3，占總下泄水量的35.63%[26- 27]，研究者計算塔里木河下游植被生態需水量在2.19—3.2×108m3[28- 29]，由于植被面積及模型參數的不同造成計算結果存在較大差別。而對于近期治理規劃后2000—2010年地下水恢復范圍、生態補水后地下水恢復至生態水位的需水量以及2010年不同覆蓋度植被生態需水量的研究較少[30]。

以生態恢復和環境保護為根本目標的塔里木河下游生態輸水工程，至2011年1月總計向下游輸水12次，生態輸水總計26.96×108m3。最初只是為了河道的完整，到恢復地下水位，最后達到生態環境的重建。隨著生態輸水的延續，地下水得到了初步的恢復，輸水量應當根據下游生態環境及水文變化加以轉變，將多余的水資源應用與生態恢復。本文考慮水文變異，然后借助遙感和GIS技術，對塔河下游地下水響應帶的范圍進行了界定，并以此為依據結合區域植被遙感分類結果中提取出的植被分布面積，對綠色走廊的植被生態需水量進行了研究，對于轉變生態需水量的觀念，同時為今后水資源的優化配置提供科學依據[31]。

1 研究區概況

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南部尉犁縣和若羌縣境內，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的沖擊平原(圖1)。該區是中國最干旱地區之一，年降水量僅17.4—42.0 mm，年蒸發量(潛勢)高達2500—3000 mm，屬于典型的大陸性干旱氣候。20世紀50年代以來，由于人類不合理的水土資源開發， 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[32]。自2000年開始向塔河下游斷流30a的河道實施應急輸水工程，下游生態環境有所好轉，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給，河漫灘及兩岸的低階地發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 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文運用衛星遙感信息和GIS技術相結合的方法對景觀要素的空間數據進行收集與分析，配合地表水與地下水監測斷面數據，計算塔里木河下游天然植被生態需水量(圖2)。利用塔里木河干流地區2010年8月Landsat 5-TM影像，在ENVI中首先對TM影像輻射定標、大氣校正，按照植被覆蓋分類指標，進行波段運算，得到植被覆蓋類型等級數據。利用Arc/Map進行數字影像543波段的彩色合成，利用目視判讀和數字化工作，生成矢量化地圖，再結合野外調查數據和Google Earth 對解譯結果進行人工修正。結合研究區域的實際情況和研究目的，將研究區天然植被主要劃分為喬木、灌木、草地，采用疊加分析和緩沖區分析的方法，獲得不同蓋度下植被類型的面積，采用潛水蒸發模型定量計算天然植被需水量。將塔河下游自2000年生態輸水開始實施至2010年輸水結束看作一個時間整體，將該時段生態輸水背景下形成的塔河下游地下水波動帶作為地下水恢復研究區，結合合理地下水生態水位研究成果，利用Excel2010 和Spss 11.0 回歸分析模塊對地下水數據進行統計和分析，計算地下水恢復需水量。

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

2.2 地下水波動

塔里木河下游在大西海子水庫以下分為兩支，北側一支稱為齊文闊爾河，南側一支是老塔里木河，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了7個監測斷面，分別位于恰拉(近似替代大西海子)、英蘇、老英蘇、喀爾達依、阿拉干、依干不及麻和庫爾干(近似替代臺特瑪湖)。

(1)地下水監測

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

(2)地下水響應幅度

考慮到區域生態輸水影響范圍變化直接體現在區域地下水位及其輻射范圍的變化上，因而本研究根據塔河下游2004年(代表生態輸水最大的響應幅度)與2010年(代表研究時段內形成的塔河下游地下水響應幅度)的地下水位調查，采用兩次輸水的地下水埋深差值來計算地下水響應的幅度。各斷面不同監測井的地下水位取年平均值，地下水響應幅度的公式：

GDi=Lmi-Lni

(1)

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

(3)地下水恢復量

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

(2)

μ=M·n

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

若在河道某河段上游斷面的恢復水量為Q上，下游斷面的恢復水量為Q下，兩斷面間的河道距離為L，則在此區間內河段兩岸的恢復總水量W為：

(3)

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

2.3 植被蓋度的計算

本文以植被指數估算植被蓋度，利用歸一化植被指數NDVI，又稱標準化植被指數，建立了歸一化指數定量估計植被蓋度模型。計算公式為[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計算植被覆蓋度的模型在實際應用中是最方便也最普遍的，植被蓋度通過其與NDVI植被指數之間的關系得出(公式5)[36]：

(5)

式中,NDVI 為所求像元的歸一化植被指數；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的最大值與最小值，根據野外調查數據，確定NDVImax=0.7，NDVImin=0。

根據水利部1996 年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190- 96)[37]，將植被蓋度分為五級，分類標準見表1。

2.4 自然植被生態需水量

估算研究區天然植被的生態需水量采用潛水蒸發法，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量。其計算模型如下：

(6)

式中,W為植被生態需水量(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的潛水蒸發量(mm)，參考宋郁東等在《中國塔里木河水資源生態問題研究》中的成果(表2)；Ki表示植被影響系數，采用《阿克蘇農業考察報告》中提供的不同埋深時的植物蒸騰對潛水影響系數。

表1 植被覆蓋度分類標準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Averagegroundwatertable/m潛水蒸發Phreaticevaporation/(m3/hm2)喬木Woods>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 結果與分析

3.1 地下水的變化

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

3.1.1 地下水響應的時效性

本研究的時間序列為2000—2010年，下游5個監測斷面的年平均地下水位與年生態輸水量的變化見圖4。自2000年下游第1次實施生態輸水措施以來，到2010年第11次輸水，歷時10a多，累計斷面下泄水量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，監測表明，地下水埋深并沒有抬升至絕大多數天然植被正常生長的潛水水位。自2000—2003年地下水埋深隨著生態輸水量的增加而減小，說明輸水量3.23×108—6.25×108m3補給大于排泄，可以使下游生態得到恢復；自2004—2006年隨生態輸水量的降低，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的輸水對其有補給作用；在2007—2009年生態輸水量較小，地下水埋深增加趨勢明顯，處于負均衡狀態。值得注意的是2003年輸水量最大，但地下水埋深最小值出現在2004年，之后呈現逐漸增大的趨勢。地下水位的上升反映了地表水對地下水的補給，地下水位的抬升幅度主要與輸水量的大小和放水持續時間有關，并呈一定的正相關關系。

圖4 塔河下游地下水動態變化Fig.4 The changing dynamics of groundwater level in the lower reaches of the Tarim River

3.1.2 地下水響應的寬幅

對塔里木河下游而言，兩次來水量不同的生態輸水過程所形成的地下水波動帶寬度也不同，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果。根據地下水響應幅度的計算方法(公式1)，得出下游4個斷面生態輸水的影響(圖4)，通過對曲線的擬合，相關系數在0.01 的水平上都達到極顯著，求出每個斷面的最大響應幅度(表3)。

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

x： 影響距離，y： 地下水響應幅度，**： 在α=0.01的水平上，回歸系數達到極顯著水平

地下水位的變化過程與河道來水過程密切相關，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，河道上斷面過水流量應大于下斷面，沿輸水河道中軸線向兩側，地下水位升幅呈逐漸減少的趨勢，對生態輸水的響應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敏感，影響距離為1195 m；距放水口較遠的依干不及麻斷面的地下水位響應幅度最小，影響距離為1000 m；距放水口較遠位置的斷面水量少，持續時間短，放水后其地下水響應幅度變化遠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。對下游英蘇、喀爾達依、阿拉干和依干不及麻河道生態影響幅度計算，發現中間斷面阿拉干響應幅度(2281 m)在4個斷面中最大，其原因主要是采用2004年和2010年生態輸水所測定資料進行計算，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 地下水恢復需水量

塔河下游由于河道斷流多年，造成地下水嚴重虧損，通過長期輸水把河道附近最大有效影響范圍內的地下水位上升到生態水位以后，地下水主要消耗于潛水蒸發和植被蒸騰，必須恢復到一定水位，稱為地下水恢復水量[33]。因而，本文認為地下水恢復量的估算問題，關鍵就是尋找既能減少地下水強烈蒸發返鹽，又不造成土壤干旱而影響植物生長的地下水位稱為合理生態水位。徐海量[39]在探討塔河下游合理水位認為當地下水位在4.5 m 以上時，基本能滿足喬、灌木生長需水，一般不會發生荒漠化。榮麗杉[40]根據地下水埋深與胡楊樣枝生長的關系，塔里木河下游合理地下水生態水位為4—6 m。郝興明[41]分析地下水位變化對植物物種多樣性與種群生態位的影響，認為地下水埋深4—6 m為合理生態水位。宋郁東[34]根據潛水蒸發極限，把4—4.5 m作為合理生態水位的下限。葉朝霞[29]基于生態水文過程的塔里木河下游植被生態需水量研究，根據阿維里楊諾夫公式計算當地下水埋深達到4.5 m時，潛水蒸發量接近0。因此，本文認為可以把4.5 m地下水埋深作為下游合理地下水生態水位。

根據公式(2)計算可得到下游河道各斷面地下水埋深恢復至生態水位的單位河長的需水量，由式(3)可得到河段區間的地下水恢復需水量，最后得下游大西海子-臺特瑪湖地下水埋深恢復至4.5 m所需水量(表4)。塔里木河下游齊文闊爾河段區域的地下水總恢復需水量為4.98×108m3，老塔里木河段地下水恢復需水量為2.09×108m3，歷經12次輸水后，塔里木河下游地下水總恢復需水量為7.06×108m3。根據塔里木河下游大西海子以下近年來實際供水情況：(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)大西海子以下規劃年供給水量為3.5×108m3。根據楊鵬年[42]塔里木河干流下游生態輸水后水量轉化特征，河道徑流量對地下水的補給量占其河道年平均徑流量的比例約為38.1%—56.5%，隨著輸水次數的增加，河道對地下水的補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態。按照大西海子以下年平均供給水量為2.3×108—3.5×108m3，本次地下水恢復量需要時間為5—8a。若地下水恢復需要5a完成，每年恢復水量需要1.41×108m3；若地下水恢復需要8a完成，每年恢復水量需要0.88×108m3。

表4 塔里木河下游地下水恢復需水量(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-喀爾達依(齊河);C:喀爾達依-阿拉干(齊河);D:阿拉干-依干不及麻(齊河);E:依干不及麻-臺特瑪湖(齊河);F:大西海子英蘇(老塔河);G:英蘇-阿拉干(老塔河)

3.3 植被生態需水量

對于干旱區而言，植被是河道外生態系統的主體，也是整個流域生態系統最主要的保護對象，河道外天然植被需水是河道外生態需水計算的關鍵。目前主要采取線性輸水的方式打通下游河道，以廊道狀補償水分，導致輸水后主要是近河道地下水位發生變化，遠離水源地的區域地下水位仍然無法得到抬升。因此，本文對下游的生態需水提出2種方案：(1)保護下游所有天然植被，在豐水年可以通過生態閘實現“由線到面”的生態輸水方式；(2)保護下游地下水響應帶天然植被，主要保證河道的水文過程完整及綠色走廊的生態穩定。根據植被生態需水量計算方法，得出不同方案下不同植被類型的生態需水量(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，生態需水量分別為5.15×106m3、17.63×106m3和35.96×106m3，則保護下游所有天然植被總生態需水量為0.587×108m3。根據塔里木河輸水情況，采用雙河道恢復天然河道植被，保護目標主要是沿河道兩側的天然植被。按照以上生態輸水對地下水的影響幅度，保護距離取離大西海子水庫最近的英蘇斷面的地下水響應幅度，因此，通過ArcGIS緩沖區分析提取下游大西海子-臺特瑪湖河段兩岸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，生態需水量分別為4.45×106、11.23×106m3和5.32×106m3，則總生態需水量為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關系，并存在一定的時效性。2004—2010年地下水處于長期的負均衡狀態，地下水位區域性下降，多年下降幅度明顯。塔河下游地下水的主要補給來源為河道徑流以垂向和側向的方式補給，地下水波動幅度隨距離的增加在縱橫兩個方向上均逐漸趨緩。輸水效益的顯現是一個漫長的過程，正如輸水前植被的退化過程很緩慢一樣，地下水的響應和下游植被的生態響應在一個大的空間和時間尺度上將逐步顯現[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1000 m左右；楊鵬年等[26]運用地下水模擬軟件ProcessingModflow進行了10 年期的間歇輸水模擬，輸水的影響范圍保持在距河兩側3 km的寬度內。從目前響應的范圍看，仍然在有限的區域內發生，可保護的植被范圍也主要集中于此，遠未達到恢復和重建下游生態環境的目標，要實現大規模的生態恢復，還必須在輸水過程中適當增加河水漫溢的次數和干擾的強度。

(2)地下水位既是對河道輸水產生響應的敏感因子，同時也是決定植被恢復的重要因素。塔里木河下游輸水有效地抬升了河道兩側的地下水位由輸水前的6—8 m 抬升到了2—4 m[16]。地下水恢復變化首先與斷面距離水源地大西海子水庫的遠近有關，其次與離河距離遠近有關[27]。經過11a的輸水后，地下水恢復至生態水位的恢復需水量為7.06×108m3，根據間歇性輸水條件下水量轉化關系，則需要5—8a的時間。王讓會等[28]計算塔河下游大西海子至臺特瑪湖兩岸植被保護1 km寬度，地下水恢復至4 m水位恢復水量為14.4×108m3，胡順軍[44]計算塔里木河下游地下水恢復水量則為20.056×108m3，由于采用的現狀地下水位和合理生態水位的不同造成地下水生態環境恢復需水量的差異。在輸水期間，下滲的河水一部分被土壤與植物所蒸散，另一部分進入含水層補給地下水。地下水不斷地補充土壤水，同時裸露土地的潛水蒸發、河道水域的蒸發也在進行，地下水遠遠不斷的向外排泄[38]。因此，在生態輸水過程中，不僅要考慮適宜的輸水量來保證地下水處于正均衡狀態，而且要根據適宜地下水位進行輸水方式的調整，維持地下水位的穩定，減少不必要的沿程蒸發損失[44]。

(3)塔里木河下游大西海子以下保護所有天然植被面積為96114.09 hm2，生態需水量為0.587×108m3，若保護下游地下水響應帶天然植被面積為41439.85 hm2，生態需水量為0.21×108m3。從目前輸水響應帶看，僅維持了天然植被35.8%的生態需水量，生態輸水工程必須繼續開展下去。天然植被面積是計算生態需水量的關鍵，陳亞寧等[45]計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年遙感影像計算河道外生態需水量結果可信。生態水文過程的完整是河岸生態系統穩定的基礎，對植物和動物具有摘要意義，斷流造成流域水文過程的完整性喪失，地表水與地下水轉換的途徑被切斷[45]。按照塔里木河流域近期綜合治理規劃確定的目標——大西海子水庫以下多年平均下泄水量為3.5×108m3，隨著生態輸水效應的不斷擴大，可以實現更大范圍荒漠河岸林的保護與恢復。在水資源緊缺的干旱區，如何合理利用水資源，發揮其最大效益，則需要根據水文狀況和植物的生物學和生態學特性對輸水方式和輸水規模進行調整。

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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

國家自然科學基金(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.基于地下水恢復的塔里木河下游生態需水量估算.生態學報,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.