近60年新疆吐魯番盆地坎兒井衰敗的影響因素及環(huán)境效應

李吉玫，張毓?jié)?/p>

（1.新疆林業(yè)科學院 森林生態(tài)研究所，新疆 烏魯木齊830063；2.新疆林業(yè)科學院 博士后工作站，新疆 烏魯木齊830063）

隨著水資源短缺日趨加重和地表水資源的過度利用，地下水在農業(yè)活動中的作用日益突顯［1］，逐漸成為干旱和半干旱區(qū)的主要灌溉水源。目前，全球干旱和半旱區(qū)30%的耕地由地下水灌溉，其中美國、伊朗、阿爾及利亞和墨西哥等國家地下水灌溉的耕地分別占耕地總面積的45%，58%，67%和75%。我國約40%的耕地由地下水灌溉［2］?？矁壕鳛楦珊祬^(qū)一種利用地下水的傳統(tǒng)引水灌溉技術，在全球34個國家有分布，尤其是在中東和北非地區(qū)分布較多，如伊朗、敘利亞等。我國坎兒井主要分布在新疆吐魯番、哈密和奇臺等極端干旱區(qū)［3］。在這些水資源嚴重缺乏地區(qū)，坎兒井在農業(yè)發(fā)展、社會經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護中發(fā)揮著極其重要的作用，尤其在農業(yè)灌溉和人畜飲水安全保障方面仍擔負著生命之泉的特殊作用［4－5］。鑒于此，國內外學者從不同角度開展了坎兒井的相關研究，如Kahlown等［5］綜合研究了敘利亞和阿爾及利亞坎兒井水系的形成；Yousefira［6］和Lightfoot等［7－8］調查了墨西哥及敘利亞引起坎兒井減少的原因；Mustafa等［9］分析了巴基斯坦從坎兒井灌溉到機電井灌溉的轉變，并分析了這種變化產生的環(huán)境和社會問題。已有研究表明，與自然因素相比，人為因素在坎兒井的衰敗過程中起著更為重要的作用［3，10］。我國有關坎兒井的研究也主要集中在坎兒井的水文特征［10］、破壞性特征［11］、發(fā)展及保護等方面［3］。目前的研究較少利用長時間序列資料分析坎兒井的變化過程，同時也忽視了坎兒井變化對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。本文通過對近60a來吐魯番盆地坎兒井數(shù)量、流量、年出水量及灌溉面積等資料的分析，結合野外植被調查和走訪農戶，研究了坎兒井的變化過程及其驅動因素，并探討了坎兒井變化對吐魯番盆地人民生活、農業(yè)灌溉及生態(tài)環(huán)境的影響，目的是為該地區(qū)今后科學保護坎兒井以及合理開發(fā)利用水土資源提供依據。

1 研究區(qū)概況

吐魯番盆地位于新疆東部，處于歐亞大陸腹地，行政轄區(qū)包括吐魯番市、鄯善縣和托克遜縣，總面積6.80×104km2，總人口5.66×105人。吐魯番盆地降水稀少，年均降水量僅6.3～25.3mm，年蒸發(fā)量卻高達2 845～3 744mm，極端最低氣溫－29.9℃，極端最高氣溫49.6℃，年均氣溫為13.4℃，多大風。盆地地表水資源量為9.33×108m3，地下水多年平均補給量為7.82×108m3。吐魯番地區(qū)水資源嚴重不足，人均占有水資源量1 750m3，遠低于全國人均占有量（2 600m3）和新疆人均占有量（5 300m3）［12］，因此，水資源極為缺乏。

新疆坎兒井主要集中在吐魯番盆地，并且在吐魯番盆地的農業(yè)發(fā)展及社會經濟發(fā)展中都起到過決定性的作用。吐魯番各族人民把坎兒井譽為“吐魯番的生命之泉”。

2 研究資料來源

坎兒井和機電井數(shù)量、流量等相關資料來自于新疆坎兒井研究會［13］；受災農作物面積數(shù)據來源于吐魯番地區(qū)農業(yè)局；人口及耕地面積數(shù)據來源于《新疆統(tǒng) 計 年 鑒 1955—2005》［14］，《吐 魯 番 統(tǒng) 計 年 鑒2004》［15］，《吐魯番統(tǒng)計年鑒2009》［16］；植被資料來自于野外調查。

3 結果與討論

3.1 近60a來新疆吐魯番盆地坎兒井變化過程

根據史料［17］，吐魯番盆地的坎兒井始于西漢時期，至今已有2 000a余的歷史。歷史上坎兒井一直是吐魯番盆地農業(yè)和人民生活用水的主要水源。但由于資料的限制，本文主要分析了近60a來坎兒井的變化。

1949—1966年，吐魯番盆地坎兒井處于鼎盛發(fā)展期，除坎兒井數(shù)量略有減少外，坎兒井出水量、流量及控灌面積等均不斷增加。1949年盆地有坎兒井1 084條，流量為16.11m3／s，出水量為5.08×108m3，總控灌面積為1.93×104hm2。1957年坎兒井數(shù)量達到最高，為1 237條。1966年坎兒井數(shù)量雖然降至1 161條，但總流量增至20.95m3／s，出水量和年控灌面積增至6.62×108m3和2.52×104hm2。與1949年相比，1966年坎兒井流量增加了30.04%，出水量增加了30.17%，控灌面積增加了30.21%。

但自1966年以后，吐魯番盆地坎兒井呈現(xiàn)不斷衰敗的趨勢，大量坎兒井干涸。由圖1可見，如坎兒井數(shù)量從1966年的1 161條降至2009年的238條，減少了79.50%；同期，坎兒井流量從20.95m3／s降至7.26m3／s，減少了65.36%；出水量從6.61×108m3降至2.12×108m3，減少了67.32%；控灌面積從2.51×104hm2降至7.3×103hm2，減少了70.92%。因此，此階段為坎兒井急劇衰減階段。

圖1 近60a來吐魯番盆地坎兒井數(shù)量、控灌面積、流量與年出水量的變化

3.2 近60a來新疆吐魯番盆地坎兒井變化的原因分析

3.2.1 綠洲規(guī)模的不斷擴大 隨著社會的不斷發(fā)展，吐魯番盆地人口數(shù)量由1949年的14.48萬人增至2009年的58.9萬人，增加了3倍多。同期，綠洲耕地面積則由3.14×104增至5.42×104hm2，增加了77.39%。綠洲耕地面積的變化主要經歷了以下幾個階段：

（1）解放初期至60年代初（1949—1960年），耕地面積快速擴大（圖2）。解放初期吐魯番盆地綠洲農業(yè)開發(fā)側重于擴大耕地面積，大面積開荒，耕地面積由1949年的3.14×104hm2增至1960年的6.04×104hm2。此階段坎兒井也處于快速發(fā)展期。不斷擴大的耕地面積，加之農作物較高的灌溉定額（毛灌溉定額達1.80×104m3／hm2）［18］，使得農業(yè)發(fā)展對水資源的需求遠遠超過了此時坎兒井的供水能力。為發(fā)展農業(yè)和擴大綠洲規(guī)模，此階段開挖了很多坎兒井。

圖2 吐魯番盆地坎兒井數(shù)量與耕地面積的變化

（2）1960—1962年，耕地面積呈現(xiàn)減少趨勢（圖2）。吐魯番盆地有限的坎兒井水資源限制了耕地面積持續(xù)擴大，部分耕地被棄耕。僅1961和1962年就有1.80×104hm2的耕地因干旱和管理水平下降而被棄耕，至1962年耕地面積降至4.24×104hm2。因此，60年代初盆地內首次出現(xiàn)了嚴重的水土資源不平衡。此階段坎兒井仍處于快速發(fā)展期。

（3）60年代中期至今，耕地面積呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，此階段坎兒井處于急速衰減期。隨著耕地面積的不斷增加，地表水被開發(fā)利用，并且機電井不斷出現(xiàn)，使得該地區(qū)水資源利用發(fā)生了很大變化，坎兒井水量日益減少，甚至大量干涸。

人口的增加和綠洲耕地面積的擴大致使社會對水資源的需求不斷增加。由表1可見，解放初（1949年）盆地農業(yè)用水總量為4.73×108m3，工業(yè)用水很少；至80年代末，用水總量增至7.83×108m3；2003年增至1.16×109m3，是1949年的2.45倍。1949年引水總量為5.50×108m3；至80年代末，增至1.12×109m3，其中地表水占40.0%；2003年增至1.27×109m3，地表水占46.1%。與1949年相比，2003年引水量增加了1.30倍。因此，坎兒井的衰敗與綠洲人口的不斷增加、耕地面積的擴大及綠洲發(fā)展對水資源需求的增加有密切的聯(lián)系。

表1 吐魯番盆地用水總量及引水量的變化 108 m3

3.2.2 坎兒井的水源補給減少 山前沖洪積扇是地下水的匯流和徑流帶，河流和渠道的入滲是地下水的主要補給來源，因此，吐魯番盆地的坎兒井多建于山前洪沖積扇溢出帶上游。1957年以前，吐魯番盆地工農業(yè)生產主要利用地下水，地表水引用極少。60年代初開始開發(fā)利用地表水，修建水庫和防滲渠。到90年代修建中小水庫8座，總庫容達8.0×107m3；防滲渠長達4 774km，防滲率達70%［17］。這使得山前傾斜平原形成的河道滲漏補給量逐漸減少，地下水位下降，造成坎兒井出水量不斷減少甚至干涸。因此坎兒井的衰減與坎兒井上游入滲量的減少有著密切的聯(lián)系。如在防滲渠道修建以前，托克遜縣阿拉溝水系的水在出山后全部滲入地下，是依拉湖鄉(xiāng)和博斯坦鄉(xiāng)2個鄉(xiāng)坎兒井的補給源。在阿拉溝干渠修建成后，該水系65%的水輸入下游，使得地下水補給量大大減少。

3.2.3 機電井的增加及其布局的不合理 為了解決吐魯番盆地春灌期間嚴重缺水問題，利用灌區(qū)內地下水資源豐富的優(yōu)勢，通過打機電井增加可利用水資源是十分必要的［18］。但70年代初吐魯番盆地開始盲目打井，隨著機電井數(shù)量及出水量的迅速增加，坎兒井迅速減少。1966年末吐魯番盆地有機電井127眼，至1979年增至1 764眼，年出水量達1.80×108m3，機電井灌溉面積約占總灌溉面積的比例不足20%；至2003年機電井增至5 254眼，年出水量達6.59×108m3，機電井澆灌面積已達50%以上；2009年機電井增至5 309眼，年出水量達7.04×108m3，機電井澆灌面積高達57%以上，此時，坎兒井則降至238條，年出水量僅為2.16×108m3，控灌面積不足30%（圖3）。由此可以看出，吐魯番盆地坎兒井的減少與機電井的增加是一致的。

圖3 坎兒井與機電井變化的比較

同時，隨著地下水的不斷開采，機電井越打越深（表2）。如在70年代初，機電井深度不足20m，用離心泵就能抽水，至80年代仍不足30m，至90年代迅速增至約95m。2000年以后機電井則至少要打到100m，改用潛水泵才可以抽水。機井越打越深，水位便越降越低，使坎兒井大量干涸。

其次，機電井不合理的布局也是造成坎兒井不斷減少的原因。吐魯番盆地在大規(guī)模發(fā)展機電井時，沒有兼顧坎兒井水源的問題，有相當數(shù)量的機電井打在坎兒井分布區(qū)和盆地上游，不少機電井距坎兒井集水段只有約200～300m，因此，機電井與坎兒井嚴重爭水。與分布在各流域下游的機電井相比，上游的機電井對坎兒井的影響更明顯，同時與距坎兒井較遠的機電井相比，距坎兒井較近的機電井對坎兒井的影響較大。如托克遜縣郭勒布依鄉(xiāng)的塔西買提坎兒井由于在其周圍500m范圍內沒有機電井，該坎兒井的流量仍然保持在83m3／s（2003年），而鄯善縣辟展鄉(xiāng)1957年有坎兒井51條，由于60年代末開始在該坎兒井群的上游打了大量機電井，造成機電井和坎兒井爭水，到2003年有水的坎兒井僅剩8條。又如位于吐魯番市恰特喀勒鄉(xiāng)的阿訇坎兒井在1970年達到最大流量，為30m3／s，1976年由于在該坎兒井的上游打2眼機電井（一眼距坎兒井集水段270m，另一眼330m），致使該坎兒井集水段周圍地下水位不斷下降，最終使得該坎兒井于2005年6月干涸。機電井不合理的布局嚴重影響了坎兒井的發(fā)展，因此，為了水資源的可持續(xù)利用和開發(fā)，吐魯番盆地應合理地布局機電井，不能盲目地增加。如在坎兒井灌區(qū)上游盡可能運用地表水和坎兒井水，嚴格限制機電井的開采規(guī)模，要用工程和法律措施有效保護坎兒井水源，注重水資源的合理調配，相互補充，盡可能做到近水近澆，提高水資源的重復利用率，堅決杜絕在坎兒井水源區(qū)進行機電井建設；在中游地帶注重大河水、坎兒井水、機電井水合理調配；下游以機電井灌溉為主，保留條件較好的坎兒井。

表2 吐魯番盆地機電井深度變化 m

坎兒井自身的缺陷也是造成其衰退的原因，如坎兒井開采的是淺層地下水，其對地下水位變化的適應性較差。

3.3 坎兒井減少對吐魯番盆地的影響

坎兒井在吐魯番地區(qū)農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境保護及人民生活中都著重要的作用，坎兒井逐年的干涸和廢棄，嚴重的影響當?shù)鼐用竦纳詈蜕a以及生態(tài)環(huán)境。

（1）對居民生活的影響。雖然近60a來，吐魯番盆地坎兒井大量干涸，但當?shù)鼐用窦吧蟮娘嬎€是依靠坎兒井水。目前，在238條有水坎兒井中，有16條用于約有5.10×104人口及1.03×105頭牲畜飲用。由于近年來坎兒井的大量干涸，嚴重影響了當?shù)厝诵箫嬎踩吧鷳B(tài)環(huán)境，部分村莊不得不搬遷。如2005年吐魯番鄯善縣2個村莊因坎兒井徹底干涸，導致該村周圍環(huán)境惡化，村民飲水困難，最終不得不整體搬遷?？矁壕陌l(fā)展與當?shù)鼐用竦纳钍窍⑾⑾嚓P的。

（2）對農業(yè)灌溉的影響?？矁壕谕卖敺璧剞r業(yè)灌溉方面有極其重要的作用，多年來形成了一些獨立的坎兒井灌區(qū)。同時，坎兒井水量穩(wěn)定，與河水、機電井水相互配合起到了補充灌溉的作用。吐魯番盆地地表水資源年內分配不均，夏季徑流量占全年的55%，而春季和秋季僅占28%，地表水不能滿足春季農作物灌溉的需求，此時，坎兒井對緩解春旱起到重要的調節(jié)作用。由于坎兒井大量干涸，控灌面積不斷減少，如解放初坎兒井灌溉面積為1.93×104hm2，1957擴大到2.17×104hm2，由于各種原因到2003年坎兒井灌溉面積減至約8.80×102hm2。同時，盆地旱災和風災較為嚴重（圖4）。如50年代末盆地大規(guī)模開荒，造成60年代初大面積耕地因缺水而被棄耕，僅1961年旱災面積達6.10×103hm2，1989年風災面積達8.70×104hm2。且旱災和風災面積呈現(xiàn)不斷增加趨勢，尤其是風災，從1961年的3.30×104hm2增至2003年的7.10×104hm2，增加了1倍多。在大規(guī)模打機電井以前，盆地以旱災為主，以后以風災為主。

圖4 吐魯番盆地旱災和風災面積變化

（3）對天然植被的影響。在水資源極其缺乏的吐魯番盆地，坎兒井水是天然植被獲得水分的主要來源之一。首先，在作物的非灌溉季節(jié)，坎兒井水用來灌溉植被，其次，坎兒井通過滲漏補給地下水。由于坎兒井的暗渠大多數(shù)沒有采取防滲措施，且土層多為沙礫層，因此滲漏量大。同時坎兒井明渠的水在輸水過程中也有相當部分滲漏補給地下水。這些回補滲漏的地下水對維持維系植被生長起到了極大的作用。為了進一步分析坎兒井水對天然植被的影響，2003年7月在托克遜縣調查了馬合木提坎兒井（現(xiàn)在流量32L／s）、巴拉提坎兒井（現(xiàn)在流量8L／s）和薩吾提巴依坎兒井（現(xiàn)在流量35L／s）周圍植被蓋度和物種組成，結果發(fā)現(xiàn)隨著距坎兒井出水口距離的增加，天然植被蓋度呈現(xiàn)不斷降低的趨勢（圖5）。以馬合木提坎兒井為例，在距離坎兒井出水口100m的樣地植被蓋度超過了50%，在距離坎兒井出水口500m的樣地植被蓋度降至28%，在距離出水口1 000m的樣地植被蓋度不足15%。植物組成由蘆葦、花花柴、豬毛菜等草本逐漸過渡為更耐旱的駱駝刺、黑刺和檉柳等半灌木和灌木。以上結果說明在極端干旱的吐魯番盆地坎兒井顯著影響天然植被的組成和分布。

圖5 吐魯番盆地植被蓋度與坎兒井距離的關系

坎兒井大量干涸導致了植被面積不斷減少和長勢衰敗，綠洲邊緣環(huán)境遭到破壞，局部風沙活動加劇。1957年該盆地由坎兒水維持生長的天然植被面積達1.23×105hm2。2003年降至6.72×104hm2，減少了45.37%（表3）。

表3 吐魯番盆地1957年與2003年坎兒井澆灌植被面積比較 104 hm2

4 結論

坎兒井在吐魯番盆地已有2 000a余的歷史，曾對盆地農業(yè)發(fā)展及整個社會經濟的發(fā)展都起著決定性的作用。近50a來，盆地坎兒井經歷了先增加后急劇減少的變化。

引起坎兒井不斷減少的主要原因是：（1）綠洲規(guī)模的不斷擴大。解放初至50年代末，坎兒井的變化和綠洲耕地面積的增加相一致，而60年代中期至今，二者的變化趨勢則相反。（2）60年代初開始開發(fā)利用地表水，在各流域上游和中游修建水庫和防滲渠道，到90年代修建中小性水庫8座，總庫容達8.00×107m3，防滲渠長達4 774km，防滲率達70%，減少了坎兒井水源的補給。（3）坎兒井灌區(qū)盲目發(fā)展機電井，掠奪式開采地下水。機電井數(shù)量由1966年的127眼增至2003年的5 309眼，相應地年出水量由1.10×108m3增至7.04×108m3，并且機電井的打井深度越打越深。

地下水位下降，坎兒井干涸，嚴重影響了當?shù)鼐用竦纳a生活及生態(tài)環(huán)境。具體表現(xiàn)在：（1）居民生活受到嚴重影響，部分村莊整體搬遷；（2）農業(yè)灌溉受到影響，坎兒井的控灌面積不斷減少，由1957年的2.17×104hm2減少到2003年的8.80×103hm2，減少了60.37%，同時，盆地旱災和風災呈現(xiàn)不斷增加趨勢，尤其是風災；（3）由坎兒井維持生長的天然植被面積不斷減少，由1957年的1.23×104hm2降至2003年的6.72×103hm2，降低了45.37%。

在新疆曾經作為主要引用地下水的水利灌溉設施——坎兒井，目前雖然面臨著衰敗的局面，并逐漸被機電井取代，但是由于其在生態(tài)環(huán)境、居民生活中發(fā)揮著不可或缺的重要作用，相關政府部門已經采取了一系列工程措施和非工程措施來保護坎兒井這一人類文明的瑰寶，使坎兒井這一古老的水利工程重新煥發(fā)青春，更好地造福于吐魯番人民。

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