塔里木河下游地下水恢復(fù)需水量探析

翟新博

(塔里木河流域干流管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

1 概 況

塔里木河干流全長1321 km，其中恰拉以下至臺特瑪湖為下游，河道長428 km，河床寬約50 m，主槽過流能力約40 m3/s，河床穩(wěn)定順直。自二十世紀(jì)七十年代初大西海水庫建成后，其下游321 km 的河道開始斷流，臺特馬湖和羅布泊分別于1974 年和1972 年干涸，塔里木河的尾閭變成了大西海水庫。二十世紀(jì)九十年代后，斷點上移到塔里木河下游的起點—恰拉斷面。斷流河長由二十世紀(jì)七十年代的321 km增加到428 km[1]。地表斷流，使得下游地下水位急劇下降，天然植被明顯變少，林帶稀疏、衰敗，大量植被開始枯死，急需進(jìn)行下游地下水位恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)。

2 地下水變化原因分析

2.1 堤防的影響

塔里木河干流區(qū)年降水量<70 mm，不能形成地表徑流。只有在洪水期，上游來水使得河道徑流增加，在下游出現(xiàn)漫溢，對兩岸地下水形成下滲補充，起到了壓鹽排鹽作用。堤防修建后，防洪能力提高，阻止了河水漫溢，使得河堤兩岸地下水沒有補充。以礦化度為代表的地下水化學(xué)特征在堤防的作用下表現(xiàn)逐年增加的變化特點。隨著蒸發(fā)，地下水位下降，含鹽量也增加，引起生態(tài)退化的潛在危機。

2.2 水量變化的影響

塔里木河下游斷流長度不斷增加、斷流時間持續(xù)增長，使得下游水位下降、生態(tài)持續(xù)惡化。自2000年開始向下游增加生態(tài)輸水，有效地增加了河道水量，塔里木河下游和中游的地下水位明顯上升，尤其堤防附近區(qū)段，植被覆蓋度和物種多樣性也顯著增加。表明修建堤防后，部分地段的滿溢區(qū)范圍受到約束，但河道水情對堤防外的地下水位和地表生態(tài)過程有著重要影響。每年保持一定量的生態(tài)輸水，對維系塔里木河中、下游生態(tài)安全至關(guān)重要。

2.3 蒸發(fā)對地下水位的影響

以庫爾勒站的水面蒸發(fā)量代表下游區(qū)間蒸發(fā)，不同區(qū)間的分時段水面蒸發(fā)量1—6月為597.11 mm，7月為182.73 mm，8月為165.61 mm，9月為114.07 mm，10—12月為106.58 mm，合計為1166.10 mm。根據(jù)英巴扎-恰拉段河長398 km，河寬86.55 m，水面蒸發(fā)1166 mm，折算系數(shù)0.57，計算下游區(qū)間分時段河道蒸發(fā)量：計算結(jié)果1—6月為0.117億m3，7月為0.036億m3，8月為0.033億m3，9月為0.022億m3，10—12月為0.021億m3，合計為0.229億m3。由于蒸發(fā)量較大，在沒有充足水資源補充的情況下，勢必使得河道生態(tài)基流減少，引起地下水位下降。

3 徑流變化與地下水位關(guān)系

為了研究塔里木河徑流與地下水位的關(guān)系，選取6眼地下水觀測井觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。觀測井位于沙吉力克河口以下200 m處河道上，在河道北岸，垂直河道延伸1.5 km，距堤防分別為100 m、300 m、500 m、800 m、1000 m、1500 m。數(shù)據(jù)為每年每兩個月對地下水位監(jiān)測1～2次，能夠?qū)λ锬竞又邢掠味蔚叵滤坏臅r空動態(tài)變化過程、變化趨勢進(jìn)行研究分析。

塔里木河地表水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補給源，地表水轉(zhuǎn)化地下水的途徑主要有兩種形式。一是線性滲漏補給，河道主要引水渠在輸水過程中下滲和向兩側(cè)滲漏直接轉(zhuǎn)化為地下水，其補給范圍沿水系兩側(cè)呈線型，補給寬度和補給量取決于地表徑流的大??；二是面狀滲入補給：水庫、湖泊、季節(jié)性池塘、積水洼地和農(nóng)田灌溉滲入轉(zhuǎn)化補給地下水。本次研究根據(jù)已有的觀測資料，建立起地表徑流與地下水埋深的曲線方程，其目的是通過典型斷面的水文資料就能夠了解塔里木河干流下游地下水埋深的變化情況。

通過對數(shù)據(jù)徑流與觀測地下水位埋深的數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)，塔里木河干流徑流與6眼觀測井地下水位埋深關(guān)系均呈良好的線性關(guān)系，用指數(shù)函數(shù)擬合能夠很好地表示二者之間的關(guān)系，本次研究考慮數(shù)據(jù)的完整性和典型性，以恰拉斷面2005—2019年的徑流與各監(jiān)測井年均地下水埋深數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出，恰拉斷面年徑流量與沙吉力克河口斷面地下水埋深的年變化相關(guān)性較高，在各種曲線方程的擬合中指數(shù)函數(shù)的精度較高，R2均值達(dá)到0.86，結(jié)果表明指數(shù)函數(shù)擬合能較好地表達(dá)二者之間的關(guān)系，2005—2019年塔里木河干流兩岸的地下水位隨埋深著塔里木河干流徑流量增加而升高，這是因為地表徑流是地下水的主要補給來源，年徑流量的大小基本能夠反映當(dāng)年地下水埋深的情況，通過對數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)，距離河岸堤防800 m以內(nèi)的范圍，地下水埋深與當(dāng)年徑流量相關(guān)性較好，這表明地表徑流對地下水埋深影響顯著，當(dāng)距離河岸堤防大于800 m之外的范圍，地下水埋深與上一年的徑流相關(guān)性較好，地下水受地表徑流的影響有一定的滯后性，但是地表徑流依然是影響地下水埋深的主要因子。

圖1 恰拉徑流與地下水埋深關(guān)系

4 地下水埋深對地表植被的影響

干旱區(qū)植被的生長，主要受限于根系水分的供應(yīng)，即和地下水位密切相關(guān)，而由政府啟動的塔里木河下游緊急生態(tài)輸水正是對其區(qū)域地下水最直接的補充。隨著2000年來生態(tài)輸水工程的實施以及下游河岸地下水位的回升，其生態(tài)環(huán)境退化得到明顯遏制。塔里木河下游降水稀少，大部分地區(qū)年蒸發(fā)量在2100～2900 mm，顯然只依靠天然降水無法維持植物生命的延續(xù)。塔里木河下游鹽化草甸植被生產(chǎn)力實測值見表1。

表1 塔里木河下游鹽化草甸植被生產(chǎn)力實測值

塔里木河下游的天然植被，主要依靠地下潛水維持生命。由于下游河道時常斷流，使得下游地下水虧損嚴(yán)重，必須提供一部分水量，將地下水恢復(fù)到目標(biāo)水位，稱為地下水恢復(fù)水量。另外，沿線喬、灌、草正常生長蒸騰消耗的水量，稱為維持水量，即天然植被生態(tài)需水量。就該區(qū)空間和時間的整體來說，地下水充分保證了植物根部需水要求，地下水埋深越高越利于植物生長。根據(jù)塔里木河2006—2019年地下水埋深實際監(jiān)測資料和觀測井附近植被樣方調(diào)查，確定疏林地、有林地、低覆蓋度草地和高覆蓋度草地4種植被類型下地下水埋深見表2。

表2 不同植被類型地下水埋深

從表中可以看出，地下水埋深越高，植被覆蓋度均大于其植被類型，說明地下水對維系塔里木河下游植被生長和生態(tài)環(huán)境保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。

5 地下水恢復(fù)水量計算

5.1 地下水恢復(fù)量的計算方法

地下水恢復(fù)量(ΔW)示意圖見圖2。

圖2 地下水恢復(fù)量示意

根據(jù)宋郁東等對地下水恢復(fù)量采用公式(1)計算：

ΔW=MΔH·F·n

(1)

式中:M為水位變動帶的飽和差；ΔH為潛水水位上升幅度，m；F為計算面積，km2；n為土壤容重,g/cm3[2]。

5.2 地下水恢復(fù)需水量

為了保護(hù)下游生態(tài)環(huán)境，從2000年以來，塔里木河每年都對下游進(jìn)行生態(tài)輸水。受調(diào)水徑流影響，下游河道兩岸地下水埋深有所抬升，但由于輸水是階段性，具有“間歇性”和季節(jié)性，不連貫。通過2015年實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，塔里木河下游地下水埋深并沒有持續(xù)抬升至喬、灌正常生長的潛水水位(4～5 m)。 根據(jù)樊自立等對下游的研究，確定下游不同河段地下水影響范圍下水位變動帶的飽和差，下游段土壤容重取均值1.36 g/cm3[3]。根據(jù)公式1，計算下游地下水3年內(nèi)恢復(fù)至4～5 m需水量見表3。

表3 地下水恢復(fù)至4 m和5 m時恢復(fù)需水量

計算表明，若在3 a完成塔里木河地下水恢復(fù)至喬、灌正常生長的潛水水位，即地下水埋深恢復(fù)至5 m，總恢復(fù)水量需要1.6×108m3，每年恢復(fù)水量需要0.53×108m3；地下水埋深恢復(fù)至4 m，總恢復(fù)水量需要3.43×108m3，則每年需恢復(fù)水量為1.14×108m3。

6 結(jié) 語

本文分析探討了下游天然植物生長與地下水之間的關(guān)系以及生態(tài)需水量，提出若3 a完成恢復(fù)，地下水埋深恢復(fù)至5 m，總恢復(fù)水量需要1.6×108m3；若地下水埋深恢復(fù)至4 m，總恢復(fù)水量需要3.43×108m3。為保護(hù)下游生態(tài)環(huán)境，實施生態(tài)補水提供了理論依據(jù)。