注重荒漠區(qū)胡楊林生態(tài)保護與修復的汊滲輪灌研究

白 濤，姬宏偉，鄧銘江，2，周海鷹，凌紅波，楊鵬年

（1.西安理工大學 教育部西北水資源與環(huán)境生態(tài)重點實驗室，陜西 西安 710048；2.新疆寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳，新疆 烏魯木齊 830000；4.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830000；5 新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

塔里木河（以下簡稱“塔河”）全長1321 km，是中國乃至世界生態(tài)最為脆弱的流域之一［1-2］。20世紀以來，隨著大規(guī)模農(nóng)業(yè)和人工綠洲的開發(fā)，塔河水資源時空格局發(fā)生顯著改變，大西海子以下360 km 河道斷流近30年，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，胡楊林面積由1950年代的5.40 萬hm2減少到2006年的0.73 萬hm2［3-4］。隨著天然植被的大面積衰敗，下游由荒漠河岸胡楊林構成的綠色走廊瀕臨毀滅，塔克拉瑪干與庫魯克兩大沙漠已成合攏態(tài)勢，針對塔河下游的生態(tài)保護與修復已刻不容緩。

為了保護塔河的生態(tài)環(huán)境，2000—2019年以來實施了20 余次生態(tài)輸水，結(jié)束了下游河道斷流30年的歷史［5］。陳亞寧等［6］對斷流河道初期輸水的生態(tài)效應進行了分析，認為，生態(tài)輸水后，隨著地下水位的抬升，天然植被得到拯救和恢復，植被的響應范圍也逐漸擴大，但距保護塔河下游綠色走廊的目標還有很大差距。徐海量等［7］利用長期監(jiān)測平臺，研究生態(tài)輸水前后地下水的動態(tài)變化過程，結(jié)果表明：生態(tài)輸水后河道兩側(cè)的地下水深度由輸水前的6 ～ 8 m 抬升到了2 ～ 4 m，離河距離50 m 以內(nèi)地下水位已成頂托態(tài)勢。楊鵬年等［8］建立并求解了斷流河道間斷輸水后兩岸地下水運動的一維非穩(wěn)定流模型，預測了生態(tài)輸水后沿河地下水位的響應過程。鄧銘江等［9］研究了塔河下游生態(tài)輸水與生態(tài)調(diào)度，從生態(tài)調(diào)度角度對輸水策略的時間、水量、形式等進行了探討。LING Hongbo 等［10］對生態(tài)輸水后植物多樣性和群落穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果表明：在地表水影響下可有效增加植物群落物種數(shù)和提高植被群落穩(wěn)定性，但植被群落未達到穩(wěn)定狀態(tài)，原因在于尚未發(fā)揮地下水系統(tǒng)對荒漠植被的保護作用。王希義等［11］對輸水后的生態(tài)效益與社會經(jīng)濟效益進行了評價，結(jié)果表明：生態(tài)輸水后，塔河下游地區(qū)的未利用地面積變化不大，水域面積增加顯著，耕地和建筑用地面積有所增加，但林地和草地的面積有所減少。

上述研究主要是針對生態(tài)輸水后生態(tài)水文過程模擬及生態(tài)改善效果等，缺乏對陸生植被合理、科學、有效的灌溉方式及其與植被生態(tài)需水、水庫生態(tài)調(diào)度供水之間的影響研究。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看［12-14］，現(xiàn)行的生態(tài)調(diào)度以保護對象的需水過程作為控制目標，且聚焦水庫的下泄過程，對于生態(tài)水量下泄后的演進、調(diào)節(jié)、灌溉、耗水等過程缺乏系統(tǒng)性、基礎性的研究，特別是未考慮與水庫下游的閘-壩-堤-泵等生態(tài)水利工程的聯(lián)合運行，導致生態(tài)調(diào)度與水庫下游荒漠河岸帶植被的灌溉系統(tǒng)相脫節(jié)，造成生態(tài)調(diào)度的需水量過大、滯留時間短、灌溉效果差等問題，理論成果難以指導實踐應用。

事實上，對于地處干旱區(qū)的塔河流域而言，河道外陸生植被的灌溉方式?jīng)Q定了灌溉耗水過程，是銜接植被需水過程和生態(tài)調(diào)度供水過程的核心因素［15-16］。塔河流域的生態(tài)保護對象和生態(tài)需水主要來自于斑塊狀分布的胡楊和檉柳等河道外陸生植被，其灌溉方式對植被需水和生態(tài)調(diào)度供水具有關鍵的銜接作用和影響。因此，針對塔河流域存在的生態(tài)環(huán)境惡化和生物多樣性減少等實際問題，本文從水庫-河道-生態(tài)閘-溝道-泵站-汊河到植被根系的全過程、大尺度生態(tài)調(diào)控出發(fā)，創(chuàng)新荒漠區(qū)河岸植被的灌溉理念和模式，將水庫生態(tài)調(diào)度與植被的灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，構建塔河流域的生態(tài)修復體系和地下水生態(tài)修復平臺，旨在提高生態(tài)水的利用效率、阻斷兩大沙漠的合攏態(tài)勢、改善和修復塔河流域的生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)水資源綜合利用與生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究區(qū)域概況

2.1 區(qū)域概況塔河是我國第一長內(nèi)陸河，是南疆各族人民賴以生存、繁衍和發(fā)展的“生命河”“母親河”，具有自然資源相對豐富和生態(tài)環(huán)境極端脆弱的雙重特性［17］。塔河流域下游的胡楊林“綠色走廊”是重要的生態(tài)保護基地，在阻止塔克拉瑪干與庫魯克兩大沙漠合攏方面發(fā)揮著重要作用［18］。塔河下游水系較為復雜，交叉眾多，河曲發(fā)育。河道在大西海子水庫以下分為東西兩支，東為其文闊爾河，西為老塔里木河，兩河大體平行，在阿拉干匯合。因此，該地區(qū)對于生態(tài)輸水后胡楊林恢復程度的評估具有一定的代表性［19］。

2.2 存在的問題在人為努力和自然來水偏豐的共同作用下，2000—2019年向大西海子水庫下游河道累計生態(tài)輸水總計81.61 億m3，平均下泄水量4.13 億m3，超額完成了“水流到臺特瑪湖、年均下泄3.5 億m3”的預期目標，下游生態(tài)環(huán)境得到初步改善。但是，塔河下游的生態(tài)保護與修復仍任重道遠。一方面，由于生態(tài)輸水方式僅采用單通道輸水或雙通道輸水［20］，導致生態(tài)保護與修復面積受限。輸水方式的單一和粗獷導致主河道兩側(cè)地下水位已呈頂托態(tài)勢，輸水影響區(qū)域主要集中在河道兩岸的低洼灘地和生態(tài)渠道延伸的有限地帶，遠離干流河道以及地勢高的大部分區(qū)域無法覆蓋，嚴重威脅到植被的孕育、出芽和生長，更不利于遠離主河道區(qū)域的植被保護與修復。另一方面，由于缺乏水庫、生態(tài)閘等控制性水利設施，灌溉模式落后、低效，導致生態(tài)調(diào)度與植被灌溉模式脫節(jié)嚴重，寶貴的生態(tài)水未完全消耗在植被修復過程中，下泄水量的40%注入尾閭湖泊臺特瑪湖，導致湖面與濕地總面積超過500 km2，大大超出了臺特瑪湖的適宜面積［21］。隨著臺特瑪湖湖區(qū)生態(tài)環(huán)境日益改善，一定程度上遏制了塔克拉瑪干沙漠和庫魯克沙漠的合攏。但臺特瑪湖作為塔河的尾閭湖泊，是各種鹽分的富集之地［22］，湖水豐盈時可向南溢入喀拉和順，再向東流出注入羅布泊［23-24］。一旦臺特瑪湖的面積持續(xù)擴大，延伸至羅布泊北部的超大型鉀鹽礦，已是微咸水湖的臺特瑪湖鹽堿濃度將持續(xù)上升，造成周邊區(qū)域的土壤鹽堿化加劇，嚴重危及區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康。

鑒于此，要將臺特瑪湖控制在適宜面積以內(nèi)，亟需轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的生態(tài)輸水方式，提高生態(tài)水沿程的利用效率，將生態(tài)水盡量消耗在兩河區(qū)間的河岸植被胡楊林生態(tài)保護與修復實踐中，既能夠最大限度地滿足河岸植被的河道外生態(tài)水量需求，又不至于將從源流、上游輸送至下游的生態(tài)水直接匯流至尾閭湖泊，導致臺特瑪湖面積無序擴大、鹽堿濃度過高、區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化、水資源無效蒸發(fā)和浪費等生態(tài)問題。

圖1 為塔河干流天然植被類型分布圖，按照典型水文斷面阿拉爾、新渠滿、英巴扎、烏斯?jié)M和恰拉將干流劃分為5 個區(qū)段［25］。

圖1 塔河干流天然植被類型及分布概況

在塔河干流天然植被類型分布中，上游阿拉爾-英巴扎段、中游英巴扎-恰拉段的植被分布廣、類型豐富，生態(tài)修復效果顯著。下游恰拉斷面以下，特別是大西海子水庫下游的兩河區(qū)間到尾閭湖泊臺特瑪湖區(qū)間的空白區(qū)域（圖1 右下角），植被稀少，僅沿主河道兩側(cè)500 m 范圍內(nèi)分布疏林地，距離河道外700 ～ 1100 m 胡楊體型較小且出現(xiàn)大面積枯亡的現(xiàn)象［26］，大部分地區(qū)植被荒蕪。20 多年的生態(tài)輸水對該區(qū)域的生態(tài)保護與修復效果并不顯著，加之塔克拉瑪干與庫魯克沙漠的雙向風蝕作用和合攏態(tài)勢，大西海子水庫下游的河道生境和河岸植被面臨嚴峻的威脅。作為季節(jié)性河流的塔河，受源流區(qū)、上中游區(qū)生活、生產(chǎn)和生態(tài)“三生”用水逐級消耗影響，大西海子水庫下游的河道長達半年處于斷流狀態(tài)，特別是每年1—4月的枯水期，由于水庫蓄水量不足、調(diào)節(jié)能力有限，大西海子水庫下游阿拉干斷面以下的干流河道內(nèi)和河道外植被的河谷生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱。

針對區(qū)域內(nèi)胡楊林大面積枯亡、植被荒蕪、河道生境和河岸植被生境敏感脆弱等諸多生態(tài)問題，亟需以大西海子水庫下游的兩河區(qū)間到尾閭湖泊臺特瑪湖區(qū)間的空白區(qū)域作為重點區(qū)域，開展河岸植被灌溉模式的創(chuàng)新與多尺度生態(tài)調(diào)度研究，以實現(xiàn)塔河下游的生態(tài)保護與修復目標。

3 汊滲輪灌的基本框架

河岸植被傳統(tǒng)的灌溉方式以“大水漫灌”“洪水淹灌”為主，灌溉范圍集中在河道兩岸的低洼灘地和自然溝汊延伸的有限地帶，垂向于干流河道方向的大部分區(qū)域無法得到有效灌溉，導致生態(tài)供水量大、滯留時間短、實際耗水少、灌溉效果差等一系列問題，浪費了有限、寶貴的水資源，生態(tài)保護與修復的目標難以實現(xiàn)。

在此背景下，為了擴大生態(tài)植被灌溉面積、增加灌溉強度和深度、提高灌溉效率，發(fā)揮流域內(nèi)閘、壩、堤、泵等生態(tài)水利工程和自然溝道、河汊的直接調(diào)控作用，本文基于胡楊耐旱耐堿耐風沙、抗熱抗風沙、水平根系發(fā)達且可萌發(fā)幼苗等特殊的物候節(jié)律，創(chuàng)新性提出了河岸保護性植被汊滲輪灌的灌溉新理念，旨在以最少的生態(tài)水獲得最佳的生態(tài)保護與修復效果。

3.1 汊滲輪灌的定義及基本內(nèi)涵以寒旱區(qū)、荒漠區(qū)河道外的保護性植被胡楊為生態(tài)修復對象，通過天然溝道、河汊和已修建的生態(tài)閘、雍水壩、阻水堤、抽水泵等工程措施，構建“庫、河、閘、溝、泵、汊”聯(lián)合調(diào)控的面狀輸水方式，根據(jù)植被需水和來水情勢，在溝道和汊河形成先漫灌、后輪灌的適時、適量、適度的植被生態(tài)灌溉方式，稱之為汊滲輪灌。

汊滲輪灌的基本內(nèi)涵主要體現(xiàn)在“引、漫、滲、儲、輪”五個方面。（1）“引”表示生態(tài)引水，即通過水庫、河道、生態(tài)閘、溝道、汊河、低水頭可移動式泵站等方式，實現(xiàn)遠離干流河道、地勢較高區(qū)域的生態(tài)引水，擴大灌溉控制和輻射的面積。（2）“漫”指大水漫溢，在主河道、溝汊內(nèi)形成大水漫溢的灌溉方式，催生種子的著床、萌發(fā)。（3）“滲”指生態(tài)輸水過程中由溝道和河汊的面狀生態(tài)輸水方式，地表水通過溝道、汊河滲入地下，維持植被良好的生存條件，提高生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。（4）“儲”指儲水于地下，即生態(tài)輸水過程中通過溝道、汊河補充地下水，抬高地下水位，儲水于地下，減少無效的水面蒸發(fā)，提高生態(tài)水的利用效率。（5）“輪”指植被的輪灌，體現(xiàn)在輸水期間，對汊滲輪灌區(qū)進行逐級分區(qū)，依據(jù)耐旱性植被的物候特征和區(qū)域地下水位情況，計算各級生態(tài)分區(qū)的需水量，按照保護與修復的優(yōu)先順序排出各分區(qū)的灌溉順序。原則上從最缺水的分區(qū)依次進行輪灌，反饋調(diào)整生態(tài)閘的放水次序、流速、持續(xù)時間等指標，逐步實現(xiàn)多個調(diào)度周期內(nèi)“靶向灌溉、靶區(qū)灌溉、應灌盡灌”的生態(tài)保護與修復目標。

3.2 汊滲輪灌的系統(tǒng)構建針對傳統(tǒng)灌溉方式水流在灌區(qū)滯留時間短暫、水資源利用效率低、耗水量大等問題，基于汊滲輪灌的新灌溉理念，本文構建了汊滲輪灌系統(tǒng)，即通過水庫調(diào)節(jié)，在河道內(nèi)側(cè)，利用生態(tài)閘、壅水壩、阻水堤、抽水泵等生態(tài)水利工程措施以及自然和人工開挖的溝道汊河等，充分改善水分供給條件，塑造有利于生態(tài)系統(tǒng)修復的生態(tài)水文過程，保證區(qū)域內(nèi)植被能最大程度吸納水分的生態(tài)灌溉系統(tǒng)。汊滲輪灌系統(tǒng)由工程體系和非工程體系兩部分組成，如圖2。

圖2 汊滲輪灌系統(tǒng)

（1）工程體系。工程體系主要包括水庫、生態(tài)閘、翻板閘、雍水壩、提水泵等生態(tài)水利工程。通過在主河道分段修建翻板閘或雍水壩、阻水堤，營造河水漫溢條件，擴大河道沿線受水范圍。利用河岸邊的生態(tài)閘將水引入主河道外的溝道中，在溝道中修建節(jié)制閘，抬升溝道內(nèi)水位，實現(xiàn)溝道內(nèi)植被的漫灌。利用移動式低水頭的小型泵站實現(xiàn)汊河引水，對汊河內(nèi)植被進行灌溉，從而抬升整個分區(qū)內(nèi)的地下水位。

（2）非工程體系。非工程體系主要包括天然溝道、河汊以及人工開挖的支溝、支汊。利用兩岸自然分布的汊河實施生態(tài)輸水，擴大天然植被的受水范圍，增加灌溉強度和深度，提高灌溉效率。

3.3 汊滲輪灌的灌溉模式根據(jù)不同分區(qū)內(nèi)的水分條件、植被分布，劃分不同的生態(tài)保護與修復區(qū)。通過現(xiàn)有生態(tài)供水工程的布局特點和引水能力，結(jié)合各灌溉單元分區(qū)生態(tài)保護與修復的用水目標，提出翻板閘、壅水壩、阻水堤、提水泵等生態(tài)供水工程的合理布局方案，構建庫、河、閘、溝、泵、汊聯(lián)合調(diào)控的面狀輸水方式，形成三層級的汊滲輪灌灌溉模式（圖3）。

圖3 三層級汊滲輪灌模式

依據(jù)河道外保護性植被的需水過程以及河道生態(tài)系統(tǒng)保護與修復的優(yōu)先順序，在溝道和汊河區(qū)域形成先漫灌、后輪灌的適時、適量、適度的植被生態(tài)灌溉方式。一方面可以擴大天然植被的灌溉面積，另一方面通過溝道、汊河地表下滲補給地下水，儲水于地下，改善植被生境條件，提高生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，獲得最佳的生態(tài)保護與修復效果。

3.4 汊滲輪灌與農(nóng)業(yè)灌溉的區(qū)別相比于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉，針對河岸植被灌溉的汊滲輪灌重點考慮生態(tài)保護與修復目標，在干旱、荒漠區(qū)采用汊滲輪灌的方式可提高生態(tài)水的利用效率，以達到最優(yōu)的生態(tài)保護與修復效果。二者之間的區(qū)別如表1所示。

表1 農(nóng)業(yè)灌溉與汊滲輪灌區(qū)別

4 實例應用

4.1 示范區(qū)、試驗區(qū)的選取針對塔河下游河岸植被稀少、河道季節(jié)性斷流、河谷和河岸生態(tài)脆弱等實際問題，塔河下游的汊滲輪灌以大西海子水庫下游區(qū)域作為示范區(qū)（如圖4（a）），包括調(diào)控主體大西海子水庫，東側(cè)的其文闊爾河和與西側(cè)的老塔河組成的兩河區(qū)間，涉及下游英蘇、阿拉干、依干不及麻、庫爾干等關鍵控制斷面和尾閭湖泊-臺特瑪湖。大西海子水庫至阿拉干的塔河干流河段長204.5 km，東側(cè)的其文闊爾河和與西側(cè)的老塔河組成了生態(tài)補水的雙通道輸水形式。

通過對示范區(qū)內(nèi)水庫、渠道、生態(tài)閘等水利工程和溝汊發(fā)育等實地調(diào)研，考慮到部分生態(tài)閘由于沙丘淤積、設計不合理等原因已無法正常運行等實際因素，本文在兩河之間選取昆阿斯特生態(tài)閘至雍水壩所控制的溝道、汊河作為生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的試驗區(qū)（如圖4（b））。已建的昆阿斯特生態(tài)閘距離大西海子水庫較近，從其文闊爾河右岸取水便利，且閘內(nèi)的溝道、河汊發(fā)育完整，保證了其文闊爾河右岸與老塔河左岸的水系連通，有利于塔河下游雙通道輸水后在兩河之間形成面狀輸水效果。此外，試驗區(qū)內(nèi)胡楊等植被的空間異質(zhì)性較強。離河100 m 的范圍分布著大量的胡楊幼林和近熟林；離河100 ～ 500 m 范圍，以近熟和成熟的胡楊林為主；離河500 m 以外、地下水影響1 km 范圍內(nèi)，以成熟和過熟的胡楊林為主。受常年輸水不暢的不利影響，昆阿斯特生態(tài)閘控制的兩河區(qū)間的溝道、汊河區(qū)域地下水位低且河道外生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，選擇該區(qū)域作為試驗區(qū)是實現(xiàn)生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌試驗的理想場所。

圖4 生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌示范區(qū)與試驗區(qū)

4.2 工程布局的優(yōu)化為了實現(xiàn)胡楊等河道外植被的汊滲輪灌和大西海子水庫的生態(tài)調(diào)度，根據(jù)三層級的汊滲輪灌模式以及汊滲輪灌系統(tǒng)的組成，在現(xiàn)有大西海子水庫、昆阿斯特生態(tài)閘及閘口以南的3 座雍水壩等工程布局的基礎上，本文通過引入翻板閘、節(jié)制閘、分水閘、泵站等閘泵群調(diào)控子系統(tǒng)以及阻水堤、溢流口、人工開挖的汊河等優(yōu)化工程布局。具體的布置過程如下：（1）在其文闊爾河主河道內(nèi)設置翻板閘，目的是壅高河道水位，將水流漫溢至左右河岸，增加漫灌區(qū)域面積和生態(tài)水在河岸持續(xù)漫溢的時長；（2）在河岸設置阻水堤和溢流口，將河岸多余的生態(tài)水由漫灌區(qū)向下游輸移，達到層層消耗生態(tài)水的目的，避免生態(tài)水迅速回歸主河槽后流入尾閭湖泊，導致河岸植被灌溉不充分；（3）通過昆阿斯特生態(tài)閘將主河道生態(tài)水引入溝道，在河階地以上區(qū)域設置節(jié)制閘和分水閘以抬高水位，引導水流進行支溝和汊河以進行汊滲輪灌；（4）對于高階地以上區(qū)域采用提水泵抽水至溝道外的汊河。

優(yōu)化后汊滲輪灌系統(tǒng)的工程布局如圖5所示。

圖5 汊滲輪灌的生態(tài)工程布局示意

通過上述控制性工程的合理布局和優(yōu)化，將兩河區(qū)間劃分為兩個一級區(qū)：河岸漫灌區(qū)和汊滲輪灌區(qū)。以汊滲輪灌區(qū)為例，各一級區(qū)由干流河道的生態(tài)閘單獨控制，按溝道又可劃分為若干個二級區(qū)，按汊河可分為若干個三級區(qū)。以此類推，將試驗區(qū)劃分為由相應閘群一一控制的不同層級的分區(qū)，實現(xiàn)灌溉單元的分區(qū)。按照各分區(qū)控制的面積測算植被的類型、數(shù)目以及土壤含水率、地下水埋深等，以確定不同分區(qū)的生態(tài)需水過程。結(jié)合各灌溉單元分區(qū)的需水目標，建立閘-壩-堤-泵等生態(tài)水利工程群的調(diào)控系統(tǒng)，以耗水最少、生態(tài)修復效果最優(yōu)為原則，達到汊滲輪灌的生態(tài)輸水目的，實現(xiàn)靶向灌溉、靶區(qū)灌溉和應灌盡灌的生態(tài)補水效果，在極端干旱、資源型缺水的塔河流域，推進生態(tài)調(diào)度向科學、精準、高效的制度化、常態(tài)化轉(zhuǎn)變。

4.3 生態(tài)輸水方式的轉(zhuǎn)變塔河流域以往生態(tài)輸水方式采用單通道輸水和雙通道輸水［20］，主要集中在河道兩岸的低洼灘地和生態(tài)渠道延伸的有限地帶，遠離干流河道以及地勢高的絕大部分區(qū)域無法覆蓋，嚴重威脅到胡楊等保護性植被的孕育、漂種、出芽和生長，更不利于兩河區(qū)間腹地的生態(tài)保護與修復。

本文統(tǒng)計分析了2000—2019年塔河下游歷次的生態(tài)輸水情況，對塔河下游的生態(tài)輸水方式進行了總結(jié)［9］，具體分為以下4 個階段：（1）單通道輸水，在來水較少的情形下，利用其文闊爾河或老塔里木河其中一條通道輪換輸水；（2）雙通道輸水，利用其文闊爾河和老塔里木河兩條通道同時輸水；（3）汊河輸水，主河道輸水時，利用兩岸分布的汊河實施生態(tài)輸水，擴大天然植被受水范圍；（4）面狀輸水，在溝汊上修建閘、壩，營造河水漫溢條件，通過溝汊擴大河道沿線受水范圍。

在汊滲輪灌試驗區(qū)，若僅采用單通道或雙通道輪換輸水（圖6），地下水影響寬度僅1.2 km，灌溉范圍有限，大部分區(qū)域無法得到有效灌溉［27］。因此，為了鞏固和提升下游生態(tài)輸水成效，以實現(xiàn)生態(tài)水的高效利用以及擴大生態(tài)修復的范圍，在試驗區(qū)構建三層級汊滲輪灌系統(tǒng)和調(diào)控工程總體布局的前提下，本文提出了“雙通道+溝道、汊河”的面狀生態(tài)輸水方式（圖7）。

圖6 塔河下游主河道輸水方式（單通道、雙通道）及其對地下水埋深的影響

圖7 塔河下游雙通道+溝道、汊河的面狀生態(tài)輸水方式及其對地下水埋深的影響

通過“雙通道+溝道、汊河”的面狀生態(tài)輸水方式，可使距河道2 km 以內(nèi)的地下水位維持在4 ～ 6 m的深度，既能滿足胡楊林漂種、發(fā)芽與生長的需水要求，也可以防止土壤次生鹽漬化。通過生態(tài)輸水方式的轉(zhuǎn)變，一方面擴大了生態(tài)保護與修復的受水面積；另一方面通過溝汊漫灌迅速補給地下水，將豐水年寶貴的生態(tài)水儲藏于地下，建立“地下生態(tài)水銀行”，改善植被生境條件，提高生態(tài)保護與修復系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

李麗君等［28］通過分析輸水方式對生態(tài)環(huán)境的影響發(fā)現(xiàn)，通過實施面狀輸水，可以有效的抬升地下水位，提高植被對水分的獲取能力，且雙通道輸水區(qū)域的影響距離是單通道的2 倍以上，從一定意義上論證了雙通道、汊河等面狀輸水的優(yōu)勢。

5 塔河下游生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的效果分析

5.1 試驗設計從生態(tài)修復的角度看，生態(tài)調(diào)度輸水時段應與天然植物落種時間形成一種時間上的契合。部分研究表明：10月份為胡楊和檉柳的集中落種繁育期［29］。本文以10月中旬作為生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的最佳時機。為了量化生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的應用效果，在試驗區(qū)內(nèi)共設置5 個地下水監(jiān)測斷面（5 眼長觀測井），監(jiān)測井距溝道側(cè)向距離分別為50 m（左、右岸各1 處）、150 m（左岸）、300 m（左岸）、500 m（左岸）；設土壤含水率監(jiān)測點1 處、雍水壩1 座。為了將溝道內(nèi)的灌溉范圍擴大至溝道外的汊河，設置小型的可移動式低水頭泵站1 座，通過泵站抽水將溝道內(nèi)生態(tài)水輸移至溝道外的汊河，如圖8。生態(tài)調(diào)度實施前，對昆阿斯特生態(tài)閘等閘群進行了檢修，對閘后的溝道、汊河進行了疏浚，為生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌提供了前期保障。

圖8 汊滲輪灌試驗區(qū)的監(jiān)測位置分布

本試驗于2020年10月11—20日開展了塔河下游第一次生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌。此次試驗自大西海子水庫下泄生態(tài)流量開始，生態(tài)輸水持續(xù)10 d。為了實現(xiàn)“雙通道+溝道、汊河”的面狀輸水方式，滿足河道內(nèi)生態(tài)流量、臺特瑪湖的補湖水量和河道外汊滲輪灌水量的要求，本文制定了大西海子水庫的實時生態(tài)調(diào)度方案，如表2所示。大西海子水庫下泄流量由老泄洪閘的其文闊爾河輸水流量、新放水閘的老塔里木河輸水流量和大西海子二庫龍口下泄流量組成，入庫流量、水位、下泄流量、輸水流量等均為日平均值。

大西海子水庫日平均下泄生態(tài)流量44.16 m3/s，其中其文闊爾河生態(tài)輸水流量11.15 m3/s，老塔河生態(tài)輸水流量31.77 m3/s。經(jīng)昆阿斯特生態(tài)閘口自北向南至溝道內(nèi)雍水壩，作為汊滲輪灌具體的試驗區(qū)。昆阿斯特生態(tài)閘口日平均引水流量為1.78 m3/s，生態(tài)流量從閘口到達雍水壩壩址斷面的流達時間為6 h，溝道內(nèi)的輸水距離3 km，溝汊總輸水長度約7 km。

由表2 可知：大西海子累計入庫水量4217.62 萬m3，新閘（其文闊爾河）、老閘（老塔里木河）和二庫龍口累計下泄水量4044.64 萬m3，實時調(diào)度期間大西海子水庫初末的庫容變化量（蓄水量）為174 萬m3，三者之間滿足水量平衡，驗證了實時調(diào)度方案的可行性和可靠性。

表2 塔河下游大西海子水庫實時生態(tài)調(diào)度方案

5.2 應用效果通過生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌試驗運行，改變了試驗區(qū)常年無水到達溝道、汊河的現(xiàn)狀，打通了其文闊爾河與老塔里木河橫向的水力聯(lián)系，實現(xiàn)了兩河區(qū)間“雙通道+溝道、汊河”的面狀生態(tài)輸水方式，抬高地下水埋深以補充溝汊內(nèi)的地下水資源量，儲水于地下以減少尾閭湖泊巨大的水面蒸發(fā)，初步構建了“地下生態(tài)水銀行”。

生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌前后昆阿斯特生態(tài)閘與溝道、汊河水面漫溢效果對比如圖9、圖10所示。圖9 是2020年10月11日調(diào)度前和2020年10月20日調(diào)度后昆阿斯特生態(tài)閘后的水面對比。引起圖9（a）生態(tài)閘后有一定水面面積的主要原因是生態(tài)閘漏水。圖10 是2020年10月11日生態(tài)調(diào)度前和2020年10月20日生態(tài)調(diào)度后溝道、汊河的汊滲輪灌效果對比圖。

圖9 生態(tài)調(diào)度前后昆阿斯特生態(tài)閘口后水面對比效果

由圖9、圖10 可以看出：通過實時生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌試驗，將生態(tài)水量引入原來干涸的溝道、汊河，大幅增加了生態(tài)閘后的水面漫溢面積，擴大溝汊內(nèi)河岸植被胡楊林的灌溉面積，滿足了胡楊和檉柳的集中落種繁育和生長需要，實現(xiàn)了兩河區(qū)間保護性河岸植被胡楊林的生態(tài)保護與修復。

圖10 生態(tài)調(diào)度輸水前后溝道、汊河的汊滲輪灌效果

通過對實時生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌試驗中流量、地下水位等要素實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：昆阿斯特生態(tài)閘總引水水量約154 萬m3，其中用于補充地下水、抬高地下水位的水量約為64 萬m3，占比42%；根據(jù)以往塔河生態(tài)輸水經(jīng)驗［20］，生態(tài)輸水初期，生態(tài)水主要耗散于包氣帶和地下水補給，且二者所占的比例接近，則假定包氣帶補水量同樣為64 萬m3。因此，本次生態(tài)輸水中用于包氣帶和地下水補給的總水量為128 萬m3，占比83%。根據(jù)塔里木河下游生態(tài)輸水對河道水面蒸發(fā)量的研究成果［30］，河道中生態(tài)水的蒸發(fā)量約為0.67 萬m3，占比僅0.4%。

通過實時監(jiān)測試驗區(qū)內(nèi)地下水觀測井，地下水埋深的變化如表3所示。

表3 試驗區(qū)輸水前后各監(jiān)測井地下水埋深

由分析可知：（1）5 眼地下水監(jiān)測井的地下水位分別提高0.84、0.84、0.28、0 和0 m，試驗區(qū)地下水位得到明顯提升，且離河愈近，地下水響應的幅度愈大。遠離河道300 m 范圍以外區(qū)域的地下水位尚未發(fā)生變化，表現(xiàn)出了一定的滯后性。（2）試驗區(qū)地下水位提升0.28 ～ 0.84 m，地下水存儲水量約128 萬m3，保障了生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的可持續(xù)性。（3）生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌實踐改變了試驗區(qū)內(nèi)常年無水的現(xiàn)狀，河道外植被的灌溉范圍明顯擴大，溝道、汊河的總輸水長度達7 km，新增胡楊林生態(tài)修復面積60 萬m2，為胡楊林的漂種、發(fā)芽、生長等健康生境提供了良好保障。（4）相比于生態(tài)水在匯入臺特瑪湖過程中的河道水面蒸發(fā)，實施汊滲輪灌的河道水面蒸發(fā)量僅占總水量的0.4%，生態(tài)水的利用效率超過83%，得到了大大提高。

6 結(jié)論與建議

（1）提出了干旱荒漠區(qū)河岸植被的三層級灌溉新理念——汊滲輪灌，從定義、內(nèi)涵、系統(tǒng)、工程布置等方面，初步構建了汊滲輪灌的基本框架，為與生態(tài)調(diào)度相結(jié)合奠定了前期基礎。（2）基于汊滲輪灌的灌溉模式，優(yōu)化了塔里木河下游生態(tài)保護與修復的工程布局，構建了“雙通道+溝道、汊河”的面狀生態(tài)輸水新方式，將大西海子水庫實時生態(tài)調(diào)度與胡楊林的汊滲輪灌系統(tǒng)相結(jié)合，成功實現(xiàn)了生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的實踐應用。（3）通過生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌實踐，顯著增加了胡楊林的灌溉和生態(tài)修復面積，抬高了試驗區(qū)地下水位埋深，降低了無效的水面蒸發(fā)，大大提高了生態(tài)水的利用效率，驗證了生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌的合理性和有效性。（4）由于大西海子至阿拉干兩河區(qū)間汊滲輪灌工程體系尚未建成，相關配套措施任不夠完善，本次生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌實踐僅針對昆阿斯特閘所控制的溝道作為生態(tài)調(diào)度與汊滲輪灌試驗區(qū)，今后將從大西海子水庫至阿拉干斷面兩河區(qū)間的其他生態(tài)閘控制的溝道進行汊滲輪灌實踐，通過多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)補充和完善汊滲輪灌生態(tài)修復體系。