干旱區(qū)塔里木河流域地下水生態(tài)調(diào)節(jié)與監(jiān)測預(yù)警研究*

張 靜， 雍 會， 2※

(1.石河子大學(xué)，新疆石河子 832003； 2.北京航空航天大學(xué)管理科學(xué)與工程博士后流動站，北京 100083)

0 引言

干旱區(qū)流域地下水資源是流域水資源的重要組成部分，是維持干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的命脈。合理的存儲與保護(hù)干旱區(qū)流域地下水，可以有效地發(fā)揮地下水的儲存功能，地下水的存儲有利于水資源的保護(hù)，同時(shí)也有利于生態(tài)植被形成良好的生態(tài)循環(huán)體系，有利于干旱區(qū)流域的可持續(xù)發(fā)展。美國21世紀(jì)水資源戰(zhàn)略研究提出，地下水庫是21世紀(jì)水資源調(diào)控的最主要手段[1]。對于地下水庫，國際常用的提法是“含水層儲存與回采(ASR)”，美國已建成ASR系統(tǒng)超過100個(gè)[2]，國內(nèi)一些學(xué)者也研究了地下水庫的調(diào)蓄功能、優(yōu)勢、劣勢和開發(fā)利用[3-5]。王志杰等[6]闡述了適度開發(fā)利用地下水資源的必要性。姜斌[7]研究了澳大利亞、以色列、韓國、荷蘭、英國、德國等國外地下水管理制度經(jīng)驗(yàn)。孟棟偉[8]認(rèn)為，隨著塔河流域地下水資源的無序開采，流域水資源矛盾日益突出，塔里木河流域地下水也應(yīng)納入統(tǒng)籌管理[9]。還有較多的學(xué)者從生態(tài)角度，以塔里木河為例，研究干旱區(qū)流域地下水位與生態(tài)的響應(yīng)關(guān)系[10-12]。蘆艷玲[13]分析了塔里木河干流修筑輸水堤對兩岸地下水的影響。朱海勇等[14]分析了塔里木河地下水化學(xué)及其演變特征。國內(nèi)一些學(xué)者以李佩成院士為代表，在地下水方面的研究主要集中在法律、制度、生態(tài)、開發(fā)，以及地下水檢測等方面。地下水的生態(tài)調(diào)節(jié)功能正得到諸多學(xué)者的重視。對干旱區(qū)塔里木河流域地下水的研究主要集中在地下水與生態(tài)植被關(guān)系，以及水質(zhì)、水安全、生態(tài)輸水等方面，關(guān)于流域地下水生態(tài)調(diào)節(jié)、管理與監(jiān)測預(yù)警方面研究較少。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

塔里木河流域地處歐亞大陸腹地，是我國典型的干旱荒漠區(qū)。塔里木河流域包括塔里木盆地的九大水系和塔里木河干流、塔克拉瑪干沙漠及庫木塔格沙漠三大區(qū)，流域總面積102.7萬km2(含國外面積2.471萬km2)，其中，“四源一干”流域面積為23.624 4萬km2。塔里木河總長2 437km，其中干流長度1 321km。2014年塔里木河流域地下水資源量251.0億m3，其中山丘區(qū)地下水資源量144.6億m3，平原區(qū)地下水資源量182.0億m3，平原區(qū)與山丘區(qū)之間地下水重復(fù)計(jì)算量75.55億m3，地下水資源量與地表水資源量之間重復(fù)計(jì)算量231.9億m3。

2014年塔里木河流域“四源一干”地下水資源量147.4億m3，其中山丘區(qū)地下水資源量85.66億m3，平原區(qū)地下水資源量102.3億m3，平原區(qū)與山丘區(qū)之間地下水重復(fù)計(jì)算量75.55億m3，地下水資源量與地表水資源量之間重復(fù)計(jì)算量138.3億m3。流域各水資源分區(qū)地下水資源量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 2014年塔里木河流域水資源分區(qū)地下水資源量億m3

塔里木河干流生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由干流上、中游和下游監(jiān)測系統(tǒng)兩期建設(shè)完成。塔里木河干流下游地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)于2008年下半年建設(shè)，于2009年4月運(yùn)行，共7個(gè)斷面50眼監(jiān)測井。塔里木河干流上、中游地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)于2012年2月建設(shè)，于2012年7月運(yùn)行，共8個(gè)斷面48眼監(jiān)測井。為了研究塔里木河流域上、中、下游不同區(qū)域，以及年度內(nèi)不同時(shí)期地下水位狀況，研究小組分別選取了塔里木河上游阿拉爾、新渠滿，中游英巴扎，下游恰拉、阿拉干共5個(gè)斷面31眼監(jiān)測井進(jìn)行了地下水位監(jiān)測。

圖1 塔里木河流域干流地下水監(jiān)測斷面分布示意圖

表2 塔里木河流域干流選取地下水監(jiān)測斷面名稱及測井編號

位置斷面名稱斷面井號井?dāng)?shù)上游阿拉爾A1A2A3A4A5A66新渠滿B1B2B3B4B5B66中游英巴扎C1C2C3C4C5C66下游恰拉N1N2N3N4N5N6N77阿拉干H1H2H3H4H5H66

2 干旱區(qū)流域地下水與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)關(guān)系

干旱區(qū)流域地下水與生態(tài)環(huán)境具有緊密的響應(yīng)關(guān)系，由于地下水資源具有較強(qiáng)的調(diào)蓄能力，能夠較好地發(fā)揮不同時(shí)期的調(diào)節(jié)作用[15]。在豐水期，地表水資源豐富，地表水可以大量補(bǔ)給地下水，地下水開采量相應(yīng)減少，地下水位上升； 在枯水期，地表來水量減少，可以增加地下水開采量，彌補(bǔ)地表用水不足。地下水資源通過存儲與開采，達(dá)到生態(tài)調(diào)節(jié)的目的。在存儲與開采地下水資源過程中，導(dǎo)致地下水位的變化，地下水位變化直接影響著植被林木的生長，進(jìn)而與地表生態(tài)環(huán)境形成響應(yīng)關(guān)系。

2.1 地下水與生態(tài)植被的主要關(guān)系

地下水與干旱區(qū)的生態(tài)植被、土壤、沙漠化等息息相關(guān)。地下水的埋深與水質(zhì)對于植被的生長、沙漠化防治具有極其重要的影響。根據(jù)塔里木河流域的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，該研究分別選取了地下水與土壤濕度的關(guān)系、胡楊生長發(fā)育與地下水的關(guān)系、檉柳生長發(fā)育與地下水的關(guān)系、草甸植被生長與地下水的關(guān)系、地下水埋深與土地沙漠化的關(guān)系等進(jìn)行了地下水埋深度分析。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)專家(鄧銘江[16]、陳亞寧[17]等)關(guān)于塔里木河流域地下水與生態(tài)的研究，地下水埋深度與生態(tài)環(huán)境具有如下響應(yīng)關(guān)系。

(1)干旱區(qū)地下水與土壤濕度。塔里木河流域干旱區(qū)天然植被主要依靠地下水維持生命，而地下水是通過毛管上升水流浸潤土壤供植物根系吸收。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.0m時(shí)，土壤含水量為17.0%，毛管持水量達(dá)到70.8%(新疆各類土壤毛管最大持水量平均為24.0%)，適合植物生長范圍。當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.5～6.5m時(shí)，土壤含水量為12.9%～10.7%，毛管水發(fā)生斷裂，植物水分吸收較少，植被生長不良。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.0m以下時(shí)，土壤含水量為9.8%，植物不能夠有效吸收水分，容易衰敗死亡。

(2)胡楊生長發(fā)育與地下水的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)研究表明，干旱區(qū)塔里木河流域地下水埋深在4.5m以內(nèi)時(shí)，天然胡楊樹徑生長量較快，為0.59～0.57cm； 地下水埋深大于4.5m時(shí)，直徑生長量很快降至0.24～0.14cm； 地下水埋深在6.0 m以下時(shí)，直徑生長量為0.08～0.05cm，基本上停止生長。

(3)檉柳生長發(fā)育與地下水的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)研究表明，干旱區(qū)塔里木河流域有43%的檉柳植被分布在地下水埋深3.0m以內(nèi)的環(huán)境中，有83.4%的檉柳分布在地下水埋深為5.0m以內(nèi)的環(huán)境中。在考慮維持檉柳種群的基本生存狀況的條件下，將地下水埋深5.0m作為檉柳生長的脅迫深度。

(4)草甸植被生長與地下水的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)研究表明，由于草甸根系較短，隨著地下水埋深增加，土壤水分含量降低，植物吸收地下水愈來愈困難，草甸生產(chǎn)力逐漸下降，當(dāng)?shù)叵滤裆畛^3.5m時(shí)，草甸生產(chǎn)力迅速下降。因此，將3.5m深度定為草甸植被生長脅迫深度。

(5)地下水埋深與土地沙漠化的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)研究表明，非沙漠化土壤地下水埋深為3.40～4.30m，潛在沙漠化為4.14～4.61m，輕度沙漠化為5.56～6.14m，中度和重度沙漠化為6.73～7.47m，極度沙漠化為7.61～8.13m。因此，為防治土地沙漠化，地下水埋深應(yīng)控制在4.0～4.5m。

2.2 干旱區(qū)的合理生態(tài)水位

根據(jù)地下水、土壤水、植物生長與沙漠化之間的定量關(guān)系研究結(jié)果，可把塔里木河流域生態(tài)地下水位劃分為5種類型。

(1)沼澤化水位。地下水埋深小于1.0m或具有季節(jié)性地表積水，土壤因長期漬水，處于還原狀況，形成灰藍(lán)色潛育層，對植物生長不利。沼澤植物生長雖茂密，但蒸散耗水對水量消耗很大。

(2)鹽漬化水位。地下水埋深1.0～2.0(2.5)m，地下水通過毛管作用可到達(dá)地表，土壤上層濕度較大，植物生長良好，雖不會發(fā)生沙漠化，但地下水中的鹽分可向地表聚積，易使土壤發(fā)生鹽漬化，又會影響植物生長。同時(shí)，潛水蒸發(fā)損失大，會造成一定數(shù)量水資源的浪費(fèi)。

(3)適宜地下水位。地下水埋深在2.0～4.0(4.5)m，毛管上升水流可到達(dá)植物根系層供植物吸收利用。土壤水分基本可滿足喬、灌和草各類植物需要，潛水的無效蒸發(fā)很小，幾乎全部被植物吸收利用，既不會產(chǎn)生鹽漬化，也不會發(fā)生沙漠化。

(4)警戒地下水位。地下水埋深在4～6m，潛水停止蒸發(fā)，土壤上層干燥，淺根系的草本植物因無法利用地下水而衰敗或死亡，喬灌木由于根系較深，主根可向下延伸吸收地下水，還可忍耐土壤干旱，但長勢不良，存在著沙漠化的潛在威脅。

(5)沙漠化地下水位。地下水埋深大于8m，土壤形成向自成型的荒漠土發(fā)展，剖面通體干旱，潛水位以上的飽氣帶很大部分為薄膜水，很難為植物利用，深根系植物吸收地下水也較困難，喬、灌木衰敗，有的干枯死亡，地面裸露，風(fēng)蝕風(fēng)積嚴(yán)重，光板龜裂地和片狀積沙并存，出現(xiàn)荒漠景觀。

綜上，根據(jù)干旱區(qū)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，把合理生態(tài)水位界定在2.0～4.0m，是因?yàn)楫?dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.0m時(shí)，土壤強(qiáng)烈積鹽； 潛水埋深大于4m時(shí)，潛水停止蒸發(fā)，不能增加上層土壤水分含量，存在生態(tài)臨界點(diǎn)。

3 地下水埋深度與生態(tài)監(jiān)測預(yù)警

地下水埋深度直接影響著塔里木河流域的生態(tài)安全，流域源流與干流，以及干流的上、中、下游等不同區(qū)域地下水埋深度都會不同，不同的地下水埋深度也直接影響著流域的生態(tài)環(huán)境。該研究分別選取源流與上游匯合處的阿拉爾、上游新渠滿、中游英巴扎、下游恰拉、下游阿拉干等5個(gè)地下水監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。通過對流域不同區(qū)域的2015年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，形成了2015年1～12月阿拉爾、新渠滿、英巴扎、恰拉、阿拉干地下水位趨勢圖，見圖2。其中，恰拉斷面N3、N4兩眼監(jiān)測井由于測井出現(xiàn)問題(其中一眼監(jiān)測井傳感器卡于井管內(nèi)無法拔出，另一眼監(jiān)測井透水性差)，已將自動采集設(shè)備取回，停止自動監(jiān)測。該斷面其他監(jiān)測井由于是老設(shè)備，運(yùn)行不穩(wěn)定，正常回傳數(shù)據(jù)的監(jiān)測井較少。

圖2 2015年塔里木河流域不同流域斷面地下水監(jiān)測井水埋過程

根據(jù)地下水監(jiān)測井的地下水監(jiān)測過程圖顯示，在2015年度，地下水位最低值上游一般出現(xiàn)7月，最高峰值一般出現(xiàn)在8月； 中下游最低地下水位一般出現(xiàn)在8、9月，最高峰值一般出現(xiàn)在10月。

(1)在阿拉爾斷面， 2015年最高水位出現(xiàn)在8月上旬的A1監(jiān)測井-1.25m，最低水位出現(xiàn)在7月中旬的A1監(jiān)測井-3.92 m，根據(jù)干旱區(qū)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，阿拉爾斷面符合合理生態(tài)水位界定在2.0～4.0m的標(biāo)準(zhǔn)值。總體而言，屬于地下水位優(yōu)良生態(tài)區(qū)。

(2)在新渠滿斷面， 2015年最高水位出現(xiàn)在8月中旬的B1監(jiān)測井0.04m，高出了地表水位，最低水位出現(xiàn)在7月中旬的B4監(jiān)測井-3.45m，根據(jù)干旱區(qū)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.0m時(shí)具有季節(jié)性地表積水，土壤因長期漬水，處于還原狀況，形成灰藍(lán)色潛育層，對植物生長不利。沼澤植物生長雖茂密，但蒸散耗水對水量消耗很大。因此，新渠滿斷面在7～9月，容易形成沼澤化水位和鹽漬化水位，其余時(shí)間處于生態(tài)水位?？傮w而言，屬于地下水位良好生態(tài)區(qū)。

(3)在英巴扎斷面， 2015年最高水位出現(xiàn)在12月下旬的C1監(jiān)測井-1.56m，最低水位出現(xiàn)在8月上旬的C1監(jiān)測井-3.89m，上半年處于地下水位相對低、下半年處于地下水位相對高的趨勢，根據(jù)干旱區(qū)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，英巴扎斷面符合合理生態(tài)水位界定在2.0～4.0m的標(biāo)準(zhǔn)值?？傮w而言，屬于地下水位優(yōu)良生態(tài)區(qū)。

(4)恰拉斷面處于塔里木河流域下游上端， 2015年上半年由于監(jiān)測設(shè)備故障沒有數(shù)據(jù)，下半年N1、N3、N6、N7監(jiān)測井傳回正常數(shù)據(jù)，監(jiān)測井N1數(shù)據(jù)有一定幅度波動，其余監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)趨于平緩。其中N1監(jiān)測井最低值出現(xiàn)在7月下旬-1.77m，最高值出現(xiàn)在10月中旬0.65m，高出地表水平，容易形成沼澤化水位和鹽漬化水位。N6監(jiān)測井監(jiān)測地下水位相對較低，處于-3.5～4.0m之間，接近警戒生態(tài)水位?？傮w而言，屬于地下水位優(yōu)良生態(tài)區(qū)。

(5)阿拉干斷面處于塔里木河流域下游下端， 2015年最低地下水水位處于12月中旬的H3監(jiān)測井的-12.2m和H4的-12.19m，最高地下水水位處于11月上旬H4監(jiān)測井的-4.15m。根據(jù)干旱區(qū)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，地下水埋深大于8m，喬、灌木衰敗或干枯死亡，地面裸露，風(fēng)蝕風(fēng)積嚴(yán)重，光板龜裂地和片狀積沙并存，出現(xiàn)荒漠景觀，阿拉干斷面區(qū)域大部分處于沙漠化地下水位?？傮w而言，屬于警戒地下水位或沙漠化地下水位，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，草甸、胡楊難以生存，荒漠化趨勢容易加劇。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對塔里木河上、中、下游地下水位的監(jiān)測，結(jié)合塔里木河流域特殊的自然生態(tài)環(huán)境，塔里木河流域地下水監(jiān)測與生態(tài)響應(yīng)有2個(gè)特點(diǎn)：(1)塔里木河流域上、中游的地下水位基本符合良好及以上的生態(tài)區(qū)間，隨著流域的延伸，越到下游地下水位越低，生態(tài)環(huán)境越脆弱，并逐步接近荒漠區(qū)。(2)根據(jù)2015年流域地下水位監(jiān)測，并結(jié)合流域多年地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，流域地下水位最低值與最高值一般均出現(xiàn)在7～9月，這個(gè)時(shí)期塔里木河流域氣溫上升，水分蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致地下水達(dá)到最低值，同時(shí)也因?yàn)闅鉁馗邔?dǎo)致山區(qū)積雪融化，形成新的徑流，又迅速補(bǔ)充地下水達(dá)到峰值。

4.2 建議

地下水位過低導(dǎo)致植物不能夠有效吸收水分，容易衰敗死亡； 地下水位過高，又容易導(dǎo)致土壤鹽漬化，對生態(tài)也不利。為了更加有效地保護(hù)塔里木河流域地下水，維護(hù)流域可持續(xù)發(fā)展，要處理好流域地下水開發(fā)、保護(hù)與生產(chǎn)、生態(tài)用水之間的關(guān)系：(1)合理調(diào)控地下水，防止土壤鹽漬化，實(shí)施地下水聯(lián)合調(diào)控，提高用水效率； (2)嚴(yán)格管理農(nóng)業(yè)地下水開采，禁止源流、上、中游開荒擴(kuò)大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，過多地采用和耗損流域水資源，保護(hù)好地下水水質(zhì)； (3)繼續(xù)加大對塔里木河流域下游的生態(tài)輸水，逐步恢復(fù)下游生態(tài)環(huán)境。

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