2000—2014年塔里木河下游地下水補給量及合理需求量

王希義，徐海量，潘存德，凌紅波，郭宏偉

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，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.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

以塔里木河下游為研究區，以區域內9個固定監測斷面為基礎，依據斷面內各個地下水監測井，收集了輸水前和第15次輸水后的地下水位數據，結合土壤飽和差計算方法，分析了第15次輸水后的地下水補給量，并聯系植被生長所需的合理水位探討了地下水到達合理水位所需的水量，以期評價生態輸水的階段性效果，為調整生態輸水方案提供理論參考。結果表明：①生態輸水前地下水埋深在6～13 m之間，第15次生態輸水后，地下水最大升高幅度達到8.26 m；②第15次生態輸水后，塔里木河下游地下水補給量約為20.44億m3；③為使地下水達到植被生長所需適宜水位，塔里木河下游地下水的合理需求量約為24.08億m3。

生態輸水；合理水位；補給量；合理需求量；塔里木河下游

干旱半干旱區植被退化嚴重，生態脆弱，是全球貧困人口的主要分布區[1]。水是干旱區最為重要的生態因子，是構成綠洲的基本條件，也是維持綠洲生態系統穩定和發展的基礎[2-3]，水決定著干旱區綠洲化過程與荒漠化過程兩類極具對立與沖突性的生態環境演化過程[4]。隨著社會經濟與自然環境的協調發展越來越受到重視，干旱區地下水動態變化的研究逐漸成為熱點[5-6]。

20世紀80年代以來，生態學理論與應用有了迅猛發展，有關地下水方面的研究也取得了一系列進展。近幾年來，國外有關地下水的研究包括依據地下水變化特征預測植被變化[7-8]、地下水與地質災害間的關系[9-10]、地下水變化對土地利用的影響[11-12]等方面；在國內，研究主要集中在地下水模型[13-15]、地下水與植被間的關系[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、地下水與周圍環境的關系等方面，對地下水變化的量化研究較為少見。

中國塔里木河下游地區極為干旱，流域內水文過程的完整性曾經喪失[20]，使地下水位大幅下降，生態退化嚴重。自2000年以來，隨著生態輸水工程的實施，塔里木河下游的水文過程逐漸恢復。針對塔里木河下游地下水的研究主要有水位動態變化[21-22]、地下水與植被間關系[23-24]、地下水化學特征[25-26]等方面，而對地下水增加量進行量化的研究較為少見。本文利用輸水前的地下水位數據和2014年第15次輸水后的數據，分析了第15次輸水后地下水補給量，并對適合植被生長所需的合理水位進行了模擬，進一步探討了地下水到達合理水位所需的水量;試圖為評價生態輸水的階段性效果提供理論依據，以期為制定合理的生態輸水方案提供決策參考。

1 研究區概況

塔里木河流域地處亞歐大陸腹地，是中國典型的干旱荒漠區。塔里木河下游是指從大西海子水庫至尾閭湖臺特瑪湖，總長度為363 km(圖1)。區域屬溫帶荒漠干旱氣候，年降水量20～50 mm，而潛在蒸發量高達2 500～3 000 mm[27]。自2000年開展生態輸水以來，塔里木河流域地下水埋深有了大幅抬升，水環境狀況有所改善。由于受到地下水以及河水的補給，河漫灘以及河道兩側低階地內形成了大面積的喬灌草帶，并且隨著與河道距離的增加，呈現出有規律的分布[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 塔里木河下游監測斷面分布示意圖

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行生態輸水。自2000年首次開展生態輸水以來，到2014年已經實施了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、喀爾達依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干(代替臺特瑪湖)等監測斷面分別統計地下水位數據。

監測井位置。塔里木河的地下水監測井由塔里木河流域管理局布設，具有一定的規律。每一個監測斷面均有6個監測井，分別布設在離河道50 m、150 m、300 m、500 m、750 m、1 050 m處。鑒于生態輸水后地下水位變動具有滯后性特征，選擇在2014年10月份在每一個監測斷面，依據地下水監測井的位置，記錄第15次生態輸水后離河道不同距離的6處地下水位數據。

地下水位數據提取。采用SWJ90鋼尺水位儀(讀數精度為1 cm)監測每一口井的地下水位。首先，將水位儀測頭位置記為零；之后，按下電源按鈕，此時電源指示燈亮；然后手拿鋼尺電纜，把測頭緩緩放入監測井中，并緩慢向下移動，當測頭觸點接觸到水面時，水位儀的接收系統便會發出轟鳴聲，此時讀出鋼尺電纜在井口的數值，記為該監測井的地下水埋深;最后，在塔里木河流域管理局等相關部門獲取輸水前各個斷面不同離河道距離上的地下水位數據。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤飽和差計算方法

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換關系可知：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的地下水體。

對于某一個監測斷面而言，斷面一側曲邊形CDHG內單位河長的恢復水量設為Q1；河床正下方的恢復水量為Q2，由于對稱性可以得到斷面沿河道單位長度上的恢復水量Q。

Q=2Q1+Q2

(3)

其中

(4)

Q2=μ[f2(0)-f1(0)]B0

(5)

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

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

W=L(Q上+Q下)/2

(6)

2.2.3 合理恢復水位量化

依據塔里木河下游植被生態的研究結果，在地下水埋深在2.5～4.0 m時，植被會維持較好的生長和恢復狀態，又可避免土壤鹽漬化及裸地的無效蒸發，從而提高生態水利用效率[31]。但地下水埋深存在一定坡度，如果將距河道2 000 m范圍內地下水埋深都恢復到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處地下水埋深應達到3.0 m，以下河段500 m處地下水埋深應達到4.0 m。由此可以在各個斷面上擬合出一條合理水位線，此線與現狀的水位線之間呈現大致平行的關系，兩者間所包含的面積乘以河段長度及飽和差即為地下水恢復量(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到的合理水位線。因此，借鑒2.2.1中的計算方法，推算地下水位恢復到合理水位時所需的水量。

圖2 地下水恢復水位示意圖

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 結果與分析

3.1 不同監測斷面地下水位的變化特征

在20世紀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斷流，地下水位不斷下降，植被退化嚴重。

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致河道斷流，地下水埋深急劇降低，由20世紀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。

表1 生態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個斷面輸水前與15次輸水后的統計資料，得出了各個斷面不同離河距離上地下水位升高幅度(圖4)。

圖4 輸水前后各監測斷面地下水抬升高度

由圖4可見，經過15次生態輸水，河道兩側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降低趨勢。在所監測的結果中，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 地下水凈補給量

3.2.1 不同監測斷面土壤飽和差

因此，對于每一個監測斷面，結合各個斷面的地下水埋深，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行平均計算，記為輸水前該斷面土壤的平均重量含水率。結合輸水前各斷面的地下水埋深數據，利用式(1)和式(2)計算出各個斷面的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 各個斷面單位河長地下水凈增加量

選取線性、對數、多項式、乘冪、指數5種方程對每一個斷面的地下水位進行模擬，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，生態輸水的影響寬度已達2 000 m左右[32]。因此，x的取值范圍設定在[0，2 000]之間，利用式(3)，計算每一個斷面河岸地帶地下水增加量Q1。

對于河床地帶，首先依據Google earth地圖，在每個斷面上提取河道寬度；而后結合圖2，將BCDF可近似視作一矩形，FG的長度B0可以用河道的寬度來代替，利用式(4)便可以計算出Q2的值；最后利用式(5)可得各個斷面單位長度地下水總補給量(表4)。

表4 各個斷面地下水凈補給量 萬m3/km

3.2.3 塔里木河下游地下水總補給量

將塔里木河下游地區分成6個區間進行探討，包括大西海子-英蘇、英蘇-喀爾達依、喀爾達依-阿拉干、阿拉干-依干不及麻、依干不及麻-臺特馬湖。對于每一個河流區間利用式(6)計算出其文闊爾河和老塔里木河各個河段的地下水補給量(表5、表6)。塔里木河下游地下水總補給量為20.44億m3。

表5 其文闊爾河地下水補給量

表6 老塔里木河地下水補給量

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

依據輸水后各個斷面所到達的地下水埋深，利用式(1)和式(2)進行計算，得輸水后各監測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 各個斷面地下水合理需求量

對英蘇以上斷面，結合現狀離河距離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。由此可得各個斷面合理水位的擬合方程(表8)。

表8 各個斷面地下水合理水位擬合方程

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

表9 各個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估

依據相鄰兩個監測斷面間的距離，利用式(6)計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

干旱區水資源在諸多環境因子中居于首要地位，研究干旱區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，植物生長吸收土壤水，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，在實施生態輸水的過程中，假設河道輸水量固定，隨著與河道距離的增加，地下水升高幅度呈現降低趨勢。

塔里木河下游生態輸水使地下水位升高，地下水量也相應增加。本文利用地下水位變動數據，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算了第15次輸水后地下水補給量，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。這可能與區域內植被面積增加、耕地增加、生活用水量增加等方面有關，具體的原因還需要深入進行探討。

塔里木河下游首要的任務是拯救植被系統，而這一目標的實現主要是依靠生態輸水[38]。當地下水埋深在2.5～4.0 m時，植被的生長或恢復狀態最好。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，得出地下水達到植被生長的適宜水位時所需的地下水量約為24.08億m3，超過了前15次地下水補給量的總和。因此，生態輸水和植被恢復是一個漫長的過程，此階段的生態輸水處于“應急救命”階段，距離完全恢復受損的生態系統、保護綠色走廊的目標還很遠。以后的輸水過程應與實地情況相結合，對輸水方式與輸水規模進行適當調整，保證地下水抬升和生態恢復達到最佳效果。另外，在實施生態輸水的過程中，河水補給地下水，地下水從河道處流向離河道較遠地區。地下水在流動過程中，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。但是本文只是針對地下水增加量以及合理需求量進行分析，未對地下水在運移過程中的損失量進行研究。因此，在以后的研究中，應加強對水力坡度內容的探討，分析地下水在運移過程的損失特征，以便更好地研究河水對地下水的補給過程，為實現合理生態輸水、促進生態恢復提供科學依據。

5 結 論

a. 生態輸水之前，塔里木河下游地下水埋深在6～13 m之間；生態輸水后，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降低趨勢；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次生態輸水后，其文闊爾河流域地下水總補給量為15.77億m3，老塔里木河地下水總補給量為4.67億m3，塔里木河下游地下水總補給量為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

國家自然科學基金(31370551，41471099，31400466)；中國科學院“西部之光”人才培養計劃(XBBS-2014-13)

王希義(1987—)，男，博士研究生，主要從事恢復生態學研究。 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)