塔里木河下游地下水恢復需水量研究

阿德·阿布拉

（新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

1 引言

生態需水量是目前生態環境等學科研究的熱點內容,在保育、修復以及開發利用生態系統時都會涉及到生態需水的問題。生態需水指確保環境功能得以維持所需要的水資源量。水資源是限制干旱地區發展的重要因素,也是生態環境保護的關鍵所在。當前,人類在不同程度上對干旱地區的水資源進行開發,生活用水與生態需水的矛盾逐漸增大。因此急需對干旱地區的生態需水進行研究,在確保生活用水的前提下,最大可能滿足生態需水的要求。塔里木河有著1320 km 長的干流,自恰拉開始則為其下游,長約427 km,寬約50 m,有著40 m3/s 的過流能力。自建成大西海水庫之后,塔里木河下游段即有斷流現象出現,在1974 年時臺特馬湖干枯,在1972 年羅布泊干枯,大西海水庫成為塔里木河的尾端。此后,斷點不斷上移到了恰拉斷面,斷流的河長度增長到427 km。地下水位因地表斷流而不斷降低,植被開始枯死,林帶逐漸變得稀疏,因此,急需保護和恢復地下水位。

2 地下水變化原因分析

2.1 堤防的影響

塔里木河的年降水量在70 mm 以下,因此難以有地表徑流形成。僅在洪水期時,河道才會在上游來水的作用下增加徑流,漫溢在下游路段,下滲補充兩岸的地下水。在修建堤防之后,能夠使其防洪的能力有所上升,從而避免河水漫溢的情況出現,導致河堤兩岸地下水無法得到補充[1]。在堤防的作用下,地下水的礦化度呈現出逐年增長的趨勢,而隨著水分的不斷蒸發,地下水位持續性降低,含鹽量表現出不斷增長的趨勢,導致生態退化的可能性變大。

2.2 水量變化的影響

塔里木河下游斷流長度和時間不斷增長,導致其水位持續降低,生態環境惡化。自2000 年起開展生態輸水之后,使河道水量得到有效的增加,地下水位顯著提升,特別是堤防周圍植被密度和種類也有所增加[2]。說明在堤防修建之后,約束了河流部門地段的滿溢區,但堤防外的地下水位以及地表生態均會受到河道水情的影響。對于塔里木河的生態而言,持續性進行生態輸水對確保其安全至關重要。

2.3 蒸發對地下水位的影響

下游區間的水面蒸發量以庫爾勒站為代表進行研究。1 月～6 月的在不同區間下的水面蒸發總量為597.10 mm,7 月、8 月和9 月不同區間下的水面蒸發量分別為182.72 mm、165.60 mm 以及114.06 mm,10 月～12 月的水面蒸發總量為106.57 mm,全年總共為1166.05 mm。基于該段河流397 km的長度以及86.54 m 的寬度,在0.56 的折算系數之下,對下游河道分時段的蒸發量進行計算可以得到：1 月～6 月的總蒸發量為0.116 億m3；7 月、8 月以及9 月的總蒸發量為0.035 億m3、0.032 億m3、0.021 億m3；10 月～12 月的總蒸發量為0.020 億m3,全年累計有0.224 億m3的蒸發量。在較大的蒸發量下,無法確保水資源補充充分時,必然會降低河道生態基流,導致地下水位有所降低。

3 徑流變化與地下水位關系

為對地下水位和塔里木河徑流的聯系進行研究,本文共選取6 眼地下水進行觀測。所選研究對象處于沙吉力克河口的河道北岸處,與提防的距離分別為100 m、300 m、500 m、800 m、1000 m 以及1500 m。為研究地下水位的時空動態變化過程和趨勢,本次監測時間為1～2 次每兩個月。

塔里木河區內地下水主要通過地表水進行補充,而其補充方式主要有兩種。一是線性滲漏式補給,在輸水時河道的引水渠通過下滲以及兩側滲漏的方式進行轉化,其主要呈現出兩側線性的補給范圍,而地表徑流的大小決定了補給量和范圍；二是面狀滲漏補給,主要是由農田灌溉或水庫等方式滲漏成地下水。此次研究基于現有資料,以建立地表徑流和地下水埋深之間的曲線方式來了解其變化情況。

通過對現有數據的分析研究可以發現,塔里木河徑流和地下水埋深存在較好的線性關系,為確保數據的典型性,本文僅對2015 年～2019 年的恰拉斷面數據進行擬合,所得結果見圖1。

圖1 恰拉徑流與地下水埋深關系

從圖1 可發現,該斷面的年徑流量和地下水埋深存在較高的年變化相關性,擬合的R2值均較高,表明所采用方式有著較高的精準度。自2005 年～2019 年,地下水位的埋深隨著不斷增加的徑流量而表現出逐漸上升的趨勢,其原因在于地下水主要通過地表徑流進行補充,地下水的埋深基本可通過年徑流量大小進行表示,對比數據可以發現,與河岸地方相距800 m 以內的地方,地下水的埋深和徑流量存在較好的相關性,說明地下水位受地表徑流的影響較大。在與河岸提防相距800 m 以上的地方,地表徑流和地下水的埋深有著較好的相關性,但地表徑流對地下水的影響存在滯后性。

4 地下水埋深對地表制備的影響

根系的水分供應決定了該地區植被的生長,而持續進行的生態輸水正是最直接的地下水補充方式[3-4]。自2000 年來實施的生態輸水工程有效遏制了生態環境的退化。但塔里木河的下游段降水量較少,年蒸發量又多在2000 mm～3000 mm,僅依靠天然降水難以確保植物生命。塔里木河下游段的植被生產力實測值見表1。

表1 塔里木河下游植被生產力實測值

地下潛水是天然植被維護生命的重要方式[5-6]。因當前下游路段常出現斷流現象,因此該路段的地下水存在較大的虧損,必須人工加水,抬高地下水到目標水位,也稱恢復水量。此外,植被正常生長所需水量則稱為蓄水量。地下水在空間和時間上均確保了植物的需水量,越深的地下水位越能確保植物的生長[7]。

表2 不同植被類型地下水埋深

可知,植被的覆蓋度在越高的地下水埋深下均比其植被類型大,表明在塔里木河下游植被的生長以及生態環境保護中地下水起到了重要的作用。

5 地下水恢復水量計算

圖2 地下水恢復量示意圖

為恢復下游生態環境,塔里木河自2000 年起就開展生態輸水。在調水徑流的作用下,下游的河道兩岸有著較為顯著的地下水位的抬升,但生態輸水具有階段性,因此塔里木河下游段的地下水位并沒有持續性抬升[8-9]。通過確定的地下水在不同地段水位變動帶飽和差,以1.36 g/cm3作為下游的土壤容重,對三年內下游段地下水恢復到4 m～5 m 所需的輸水量進行計算,所得結果見表3。

表3 地下水恢復到4 m 和5 m 時恢復需水量

從計算結果可以看出,塔里木河若需要在3 年內恢復地下水位,既將其恢復到5 m,則共需要1.59×108m3的恢復水量,若需要將其恢復至4 m,則總共需要3.42×108m3的恢復水量。

6 結語

在常年性河流中,為使河流基本生態功能得以維持,必須保證河流最小的生態需水量得以滿足,這就需要河道徑流量在各時間段內都能保持在一定水平,不會有斷流等現象出現以至破壞河流生態功能。本文通過對植被生長和地下水的聯系進行研究分析,提出了若需要在3 年內實現恢復5 m 的地下水埋深,則需要1.59×108m3的恢復水量,若需要實現恢復4 m 的地下水埋深,則需要3.42×108m3的恢復水量的結論,為確保塔里木河生態環境提供了科學依據,為開展生態補水工程提供了理論參考。