塔里木河下游地下水恢復(fù)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(kù)爾勒 841000）

1 引言

生態(tài)需水量是目前生態(tài)環(huán)境等學(xué)科研究的熱點(diǎn)內(nèi)容,在保育、修復(fù)以及開發(fā)利用生態(tài)系統(tǒng)時(shí)都會(huì)涉及到生態(tài)需水的問(wèn)題。生態(tài)需水指確保環(huán)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(qū)發(fā)展的重要因素,也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵所在。當(dāng)前,人類在不同程度上對(duì)干旱地區(qū)的水資源進(jìn)行開發(fā),生活用水與生態(tài)需水的矛盾逐漸增大。因此急需對(duì)干旱地區(qū)的生態(tài)需水進(jìn)行研究,在確保生活用水的前提下,最大可能滿足生態(tài)需水的要求。塔里木河有著1320 km 長(zhǎng)的干流,自恰拉開始則為其下游,長(zhǎng)約427 km,寬約50 m,有著40 m3/s 的過(guò)流能力。自建成大西海水庫(kù)之后,塔里木河下游段即有斷流現(xiàn)象出現(xiàn),在1974 年時(shí)臺(tái)特馬湖干枯,在1972 年羅布泊干枯,大西海水庫(kù)成為塔里木河的尾端。此后,斷點(diǎn)不斷上移到了恰拉斷面,斷流的河長(zhǎng)度增長(zhǎng)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(hù)和恢復(fù)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(shí),河道才會(huì)在上游來(lái)水的作用下增加徑流,漫溢在下游路段,下滲補(bǔ)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(xiàn),導(dǎo)致河堤兩岸地下水無(wú)法得到補(bǔ)充[1]。在堤防的作用下,地下水的礦化度呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì),而隨著水分的不斷蒸發(fā),地下水位持續(xù)性降低,含鹽量表現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),導(dǎo)致生態(tài)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(zhǎng)度和時(shí)間不斷增長(zhǎng),導(dǎo)致其水位持續(xù)降低,生態(tài)環(huán)境惡化。自2000 年起開展生態(tài)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(shuō)明在堤防修建之后,約束了河流部門地段的滿溢區(qū),但堤防外的地下水位以及地表生態(tài)均會(huì)受到河道水情的影響。對(duì)于塔里木河的生態(tài)而言,持續(xù)性進(jìn)行生態(tài)輸水對(duì)確保其安全至關(guān)重要。

2.3 蒸發(fā)對(duì)地下水位的影響

下游區(qū)間的水面蒸發(fā)量以庫(kù)爾勒站為代表進(jìn)行研究。1 月～6 月的在不同區(qū)間下的水面蒸發(fā)總量為597.10 mm,7 月、8 月和9 月不同區(qū)間下的水面蒸發(fā)量分別為182.72 mm、165.60 mm 以及114.06 mm,10 月～12 月的水面蒸發(fā)總量為106.57 mm,全年總共為1166.05 mm?；谠摱魏恿?97 km的長(zhǎng)度以及86.54 m 的寬度,在0.56 的折算系數(shù)之下,對(duì)下游河道分時(shí)段的蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算可以得到：1 月～6 月的總蒸發(fā)量為0.116 億m3；7 月、8 月以及9 月的總蒸發(fā)量為0.035 億m3、0.032 億m3、0.021 億m3；10 月～12 月的總蒸發(fā)量為0.020 億m3,全年累計(jì)有0.224 億m3的蒸發(fā)量。在較大的蒸發(fā)量下,無(wú)法確保水資源補(bǔ)充充分時(shí),必然會(huì)降低河道生態(tài)基流,導(dǎo)致地下水位有所降低。

3 徑流變化與地下水位關(guān)系

為對(duì)地下水位和塔里木河徑流的聯(lián)系進(jìn)行研究,本文共選取6 眼地下水進(jìn)行觀測(cè)。所選研究對(duì)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(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和趨勢(shì),本次監(jiān)測(cè)時(shí)間為1～2 次每?jī)蓚€(gè)月。

塔里木河區(qū)內(nèi)地下水主要通過(guò)地表水進(jìn)行補(bǔ)充,而其補(bǔ)充方式主要有兩種。一是線性滲漏式補(bǔ)給,在輸水時(shí)河道的引水渠通過(guò)下滲以及兩側(cè)滲漏的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化,其主要呈現(xiàn)出兩側(cè)線性的補(bǔ)給范圍,而地表徑流的大小決定了補(bǔ)給量和范圍；二是面狀滲漏補(bǔ)給,主要是由農(nóng)田灌溉或水庫(kù)等方式滲漏成地下水。此次研究基于現(xiàn)有資料,以建立地表徑流和地下水埋深之間的曲線方式來(lái)了解其變化情況。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析研究可以發(fā)現(xiàn),塔里木河徑流和地下水埋深存在較好的線性關(guān)系,為確保數(shù)據(jù)的典型性,本文僅對(duì)2015 年～2019 年的恰拉斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 恰拉徑流與地下水埋深關(guān)系

從圖1 可發(fā)現(xiàn),該斷面的年徑流量和地下水埋深存在較高的年變化相關(guān)性,擬合的R2值均較高,表明所采用方式有著較高的精準(zhǔn)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(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì),其原因在于地下水主要通過(guò)地表徑流進(jìn)行補(bǔ)充,地下水的埋深基本可通過(guò)年徑流量大小進(jìn)行表示,對(duì)比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),與河岸地方相距800 m 以內(nèi)的地方,地下水的埋深和徑流量存在較好的相關(guān)性,說(shuō)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(guān)性,但地表徑流對(duì)地下水的影響存在滯后性。

4 地下水埋深對(duì)地表制備的影響

根系的水分供應(yīng)決定了該地區(qū)植被的生長(zhǎng),而持續(xù)進(jìn)行的生態(tài)輸水正是最直接的地下水補(bǔ)充方式[3-4]。自2000 年來(lái)實(shí)施的生態(tài)輸水工程有效遏制了生態(tài)環(huán)境的退化。但塔里木河的下游段降水量較少,年蒸發(fā)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(chǎn)力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 塔里木河下游植被生產(chǎn)力實(shí)測(cè)值

地下潛水是天然植被維護(hù)生命的重要方式[5-6]。因當(dāng)前下游路段常出現(xiàn)斷流現(xiàn)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(biāo)水位,也稱恢復(fù)水量。此外,植被正常生長(zhǎng)所需水量則稱為蓄水量。地下水在空間和時(shí)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(zhǎng)[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(zhǎng)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)中地下水起到了重要的作用。

5 地下水恢復(fù)水量計(jì)算

圖2 地下水恢復(fù)量示意圖

為恢復(fù)下游生態(tài)環(huán)境,塔里木河自2000 年起就開展生態(tài)輸水。在調(diào)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(tài)輸水具有階段性,因此塔里木河下游段的地下水位并沒(méi)有持續(xù)性抬升[8-9]。通過(guò)確定的地下水在不同地段水位變動(dòng)帶飽和差,以1.36 g/cm3作為下游的土壤容重,對(duì)三年內(nèi)下游段地下水恢復(fù)到4 m～5 m 所需的輸水量進(jìn)行計(jì)算,所得結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地下水恢復(fù)到4 m 和5 m 時(shí)恢復(fù)需水量

從計(jì)算結(jié)果可以看出,塔里木河若需要在3 年內(nèi)恢復(fù)地下水位,既將其恢復(fù)到5 m,則共需要1.59×108m3的恢復(fù)水量,若需要將其恢復(fù)至4 m,則總共需要3.42×108m3的恢復(fù)水量。

6 結(jié)語(yǔ)

在常年性河流中,為使河流基本生態(tài)功能得以維持,必須保證河流最小的生態(tài)需水量得以滿足,這就需要河道徑流量在各時(shí)間段內(nèi)都能保持在一定水平,不會(huì)有斷流等現(xiàn)象出現(xiàn)以至破壞河流生態(tài)功能。本文通過(guò)對(duì)植被生長(zhǎng)和地下水的聯(lián)系進(jìn)行研究分析,提出了若需要在3 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)5 m 的地下水埋深,則需要1.59×108m3的恢復(fù)水量,若需要實(shí)現(xiàn)恢復(fù)4 m 的地下水埋深,則需要3.42×108m3的恢復(fù)水量的結(jié)論,為確保塔里木河生態(tài)環(huán)境提供了科學(xué)依據(jù),為開展生態(tài)補(bǔ)水工程提供了理論參考。