2000—2014年塔里木河下游地下水补给量及合理需求量

王希义，徐海量，潘存德，凌红波，郭宏伟

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011)

2000—2014年塔里木河下游地下水补给量及合理需求量

王希义1，徐海量2，潘存德1，凌红波2，郭宏伟2

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011)

以塔里木河下游为研究区，以区域内9个固定监测断面为基础，依据断面内各个地下水监测井，收集了输水前和第15次输水后的地下水位数据，结合土壤饱和差计算方法，分析了第15次输水后的地下水补给量，并联系植被生长所需的合理水位探讨了地下水到达合理水位所需的水量，以期评价生态输水的阶段性效果，为调整生态输水方案提供理论参考。结果表明：①生态输水前地下水埋深在6～13 m之间，第15次生态输水后，地下水最大升高幅度达到8.26 m；②第15次生态输水后，塔里木河下游地下水补给量约为20.44亿m3；③为使地下水达到植被生长所需适宜水位，塔里木河下游地下水的合理需求量约为24.08亿m3。

生态输水；合理水位；补给量；合理需求量；塔里木河下游

干旱半干旱区植被退化严重，生态脆弱，是全球贫困人口的主要分布区[1]。水是干旱区最为重要的生态因子，是构成绿洲的基本条件，也是维持绿洲生态系统稳定和发展的基础[2-3]，水决定着干旱区绿洲化过程与荒漠化过程两类极具对立与冲突性的生态环境演化过程[4]。随着社会经济与自然环境的协调发展越来越受到重视，干旱区地下水动态变化的研究逐渐成为热点[5-6]。

20世纪80年代以来，生态学理论与应用有了迅猛发展，有关地下水方面的研究也取得了一系列进展。近几年来，国外有关地下水的研究包括依据地下水变化特征预测植被变化[7-8]、地下水与地质灾害间的关系[9-10]、地下水变化对土地利用的影响[11-12]等方面；在国内，研究主要集中在地下水模型[13-15]、地下水与植被间的关系[16-17]、地下水污染[18-19]。然而以上研究大多集中于地下水变化特征、地下水与周围环境的关系等方面，对地下水变化的量化研究较为少见。

中国塔里木河下游地区极为干旱，流域内水文过程的完整性曾经丧失[20]，使地下水位大幅下降，生态退化严重。自2000年以来，随着生态输水工程的实施，塔里木河下游的水文过程逐渐恢复。针对塔里木河下游地下水的研究主要有水位动态变化[21-22]、地下水与植被间关系[23-24]、地下水化学特征[25-26]等方面，而对地下水增加量进行量化的研究较为少见。本文利用输水前的地下水位数据和2014年第15次输水后的数据，分析了第15次输水后地下水补给量，并对适合植被生长所需的合理水位进行了模拟，进一步探讨了地下水到达合理水位所需的水量;试图为评价生态输水的阶段性效果提供理论依据，以期为制定合理的生态输水方案提供决策参考。

1 研究区概况

塔里木河流域地处亚欧大陆腹地，是中国典型的干旱荒漠区。塔里木河下游是指从大西海子水库至尾闾湖台特玛湖，总长度为363 km(图1)。区域属温带荒漠干旱气候，年降水量20～50 mm，而潜在蒸发量高达2 500～3 000 mm[27]。自2000年开展生态输水以来，塔里木河流域地下水埋深有了大幅抬升，水环境状况有所改善。由于受到地下水以及河水的补给，河漫滩以及河道两侧低阶地内形成了大面积的乔灌草带，并且随着与河道距离的增加，呈现出有规律的分布[28]。乔木主要是胡杨(Populuseuphratica)，灌木则包括柽柳(Tamarixchinensis)、黑刺(Lyciumruthenicum)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron)等，草本植物主要有芦苇(Phragmitescommunis)、鹿角草(Glossogynetenuifolia)、骆驼刺(Alhagisparsif)、花花柴(Kareliniacaspica)、盐生草(Halogetonglomeratus)等。

图1 塔里木河下游监测断面分布示意图

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

塔里木河下游通过其文阔尔河与老塔里木河两条河道进行生态输水。自2000年首次开展生态输水以来，到2014年已经实施了15次输水。本文利用恰拉断面的地下水位代替大西海子区域的地下水位，然后在老塔里木河的老英苏、博孜库勒，以及其文阔尔河的英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻、库尔干(代替台特玛湖)等监测断面分别统计地下水位数据。

监测井位置。塔里木河的地下水监测井由塔里木河流域管理局布设，具有一定的规律。每一个监测断面均有6个监测井，分别布设在离河道50 m、150 m、300 m、500 m、750 m、1 050 m处。鉴于生态输水后地下水位变动具有滞后性特征，选择在2014年10月份在每一个监测断面，依据地下水监测井的位置，记录第15次生态输水后离河道不同距离的6处地下水位数据。

地下水位数据提取。采用SWJ90钢尺水位仪(读数精度为1 cm)监测每一口井的地下水位。首先，将水位仪测头位置记为零；之后，按下电源按钮，此时电源指示灯亮；然后手拿钢尺电缆，把测头缓缓放入监测井中，并缓慢向下移动，当测头触点接触到水面时，水位仪的接收系统便会发出轰鸣声，此时读出钢尺电缆在井口的数值，记为该监测井的地下水埋深;最后，在塔里木河流域管理局等相关部门获取输水前各个断面不同离河道距离上的地下水位数据。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤饱和差计算方法

在输水前，由于断流多年，土壤含水量极低，因此在地下水位上升过程中，土壤得到的补给水量为饱和含水率与初始含水率的差值，故土壤饱和差μ值须取为土壤含水率的饱和差。

塔里木河下游土壤的饱和重量含水率一般取为25.8%[29]，而输水前土壤的重量含水率n可采用式(1)[30]计算：

n=35.72e-0.185D

(1)

式中，D为地下水埋深，m。

由不同含水率间的转换关系可知：土壤的重量含水率乘以其干容重后即为土壤的体积含水率，塔河下游段土壤的干容重一般为 1.36 g/cm3，由此可得到计算土壤饱和差u的公式[30]：

u=1.36 (25.8-n)/100

(2)

2.2.2 输水后地下水位抬升量化

如图2所示，曲线ABCD可视为输水后的地下水位线，EFGH为输水前的地下水位线，两曲线间部分即为恢复的地下水体。

对于某一个监测断面而言，断面一侧曲边形CDHG内单位河长的恢复水量设为Q1；河床正下方的恢复水量为Q2，由于对称性可以得到断面沿河道单位长度上的恢复水量Q。

Q=2Q1+Q2

(3)

其中

(4)

Q2=μ[f2(0)-f1(0)]B0

(5)

式中：f1(x)为河床一侧输水前的水位线，m；f2(x)为河床一侧输水后的水位线，m；B0为河床的平均底宽，m。

若在某段河道的上游断面的补给水量为Q上，下游断面的补给水量为Q下，两断面间的河道距离为L，则在此区间内河段的总补给水量W为

W=L(Q上+Q下)/2

(6)

2.2.3 合理恢复水位量化

依据塔里木河下游植被生态的研究结果，在地下水埋深在2.5～4.0 m时，植被会维持较好的生长和恢复状态，又可避免土壤盐渍化及裸地的无效蒸发，从而提高生态水利用效率[31]。但地下水埋深存在一定坡度，如果将距河道2 000 m范围内地下水埋深都恢复到4.0 m以上，目前难以做到。因此本研究遵循以下原则：首先，距离河道2 000 m外的侧渗量很小，可以忽略，即河岸的研究宽度位于0～2 000 m之间；其次，基于河道沿程流量的递减规律，确定英苏以上河段在离河500 m范围处的地下水埋深确定为3.0 m，其以下河段则为4.0 m[30]。确定恰拉-英苏、恰拉-老英苏以上河段在离河500 m处地下水埋深应达到3.0 m，以下河段500 m处地下水埋深应达到4.0 m。由此可以在各个断面上拟合出一条合理水位线，此线与现状的水位线之间呈现大致平行的关系，两者间所包含的面积乘以河段长度及饱和差即为地下水恢复量(图3)，其中y=f1(x)为15次输水后地下水位线，y=f2(x)为期望通过输水要达到的合理水位线。因此，借鉴2.2.1中的计算方法，推算地下水位恢复到合理水位时所需的水量。

图2 地下水恢复水位示意图

图3 地下水期望水位示意图

本文作图与分析利用软件sigmaplot 10.0。

3 结果与分析

3.1 不同监测断面地下水位的变化特征

在20世纪60年代到70年代初期，大西海子水库每年都有水下泄，1964—1973年平均下泄水量为2.54亿m3/a；1974年以后平均下泄水量降至0.46亿m3/a，铁干里克以下河段则完全断流，仅在1995年由大西海子水库水下泄0.28亿m3，输水距离仅为40 km。自1972年以后，阿拉干以下河段就开始持续断流，地下水位不断下降，植被退化严重。

3.1.1 输水之前各断面地下水埋深

塔里木河下游由于输水量减少导致河道断流，地下水埋深急剧降低，由20世纪50年代的3～5 m下降到70年代的3～8 m，直至2000年输水之前的6～13 m(表1)，在横向上基本处于水平状态。

表1 生态输水前塔里木河下游多年地下水埋深

3.1.2 输水后地下水位变化特征

利用8个断面输水前与15次输水后的统计资料，得出了各个断面不同离河距离上地下水位升高幅度(图4)。

图4 输水前后各监测断面地下水抬升高度

由图4可见，经过15次生态输水，河道两侧的地下水埋深都有了大幅度抬升，并且基本都是随着离河道距离的增加而呈现降低趋势。在所监测的结果中，以恰拉断面(大西海子)升高幅度最大，在离河50 m处为8.26 m，最小值出现在依干不及麻断面离河道1 050 m处，水位升高幅度为2.33 m。

3.2 地下水净补给量

3.2.1 不同监测断面土壤饱和差

因此，对于每一个监测断面，结合各个断面的地下水埋深，可以得到不同离河距离上输水前土壤的平均重量含水率，然后将这些土壤重量含水率进行平均计算，记为输水前该断面土壤的平均重量含水率。结合输水前各断面的地下水埋深数据，利用式(1)和式(2)计算出各个断面的u值(表2)。

表2 输水前各断面土壤重量含水率n与土壤饱和差u

3.2.2 各个断面单位河长地下水净增加量

选取线性、对数、多项式、乘幂、指数5种方程对每一个断面的地下水位进行模拟，选取R2值最高者确定为地下水位拟合方程，由此可得各个断面输水前后地下水位的模拟方程(表3)。

表3 各断面输水前后地下水位拟合方程

注：x为断面离河道距离,m;y为地下水高程,m。

目前，生态输水的影响宽度已达2 000 m左右[32]。因此，x的取值范围设定在[0，2 000]之间，利用式(3)，计算每一个断面河岸地带地下水增加量Q1。

对于河床地带，首先依据Google earth地图，在每个断面上提取河道宽度；而后结合图2，将BCDF可近似视作一矩形，FG的长度B0可以用河道的宽度来代替，利用式(4)便可以计算出Q2的值；最后利用式(5)可得各个断面单位长度地下水总补给量(表4)。

表4 各个断面地下水净补给量 万m3/km

3.2.3 塔里木河下游地下水总补给量

将塔里木河下游地区分成6个区间进行探讨，包括大西海子-英苏、英苏-喀尔达依、喀尔达依-阿拉干、阿拉干-依干不及麻、依干不及麻-台特马湖。对于每一个河流区间利用式(6)计算出其文阔尔河和老塔里木河各个河段的地下水补给量(表5、表6)。塔里木河下游地下水总补给量为20.44亿m3。

表5 其文阔尔河地下水补给量

表6 老塔里木河地下水补给量

3.3 地下水合理需求量

3.3.1 输水后不同断面土壤饱和差

依据输水后各个断面所到达的地下水埋深，利用式(1)和式(2)进行计算，得输水后各监测断面的平均土壤饱和差(表7)。

表7 输水后各断面土壤重量含水率n与平均土壤饱和差u

3.3.2 各个断面地下水合理需求量

对英苏以上断面，结合现状离河距离500 m处的地下水埋深，将曲线平行上移，使500 m的地下水埋深到达3.0 m，并换算成地下水位海拔高度；英苏以下断面500 m处的地下水埋深平行上移到4.0 m，并换算成海拔高度。由此可得各个断面合理水位的拟合方程(表8)。

表8 各个断面地下水合理水位拟合方程

与补给水量的计算方法类似，利用式(3)～(5)可以计算各个断面的地下水合理需求量(表9)。

表9 各个断面地下水合理需求量 万m3

3.3.3 流域地下水合理需求量评估

依据相邻两个监测断面间的距离，利用式(6)计算出塔里木河下游各河段地下水的合理需求量(表10，表11)。由表10和表11可得，塔里木河下游地下水合理需求总量为24.08亿m3。

表10 其文阔尔河地下水合理需求量

表11 老塔里木河地下水合理需求量

4 讨 论

干旱区水资源在诸多环境因子中居于首要地位，研究干旱区水资源的变化特征具有十分重要的意义[33-34]。在塔里木河下游地区，植物生长吸收土壤水，而土壤水受到地下水位高度的影响，地下水位高度又受河道输水量的影响[35]。一般而言，随着与河距离的增加，地下水的补给量逐渐减少，地下水位的抬升幅度逐渐减小，这与本研究的成果相一致，也与徐海量等[36-37]的研究成果相一致。这些研究都表明，在实施生态输水的过程中，假设河道输水量固定，随着与河道距离的增加，地下水升高幅度呈现降低趋势。

塔里木河下游生态输水使地下水位升高，地下水量也相应增加。本文利用地下水位变动数据，拟合了第15次输水后的地下水位曲线，然后利用微积分方程计算了第15次输水后地下水补给量，大约为20.44亿m3。2000—2014年，从大西海子水库一共向下游输水46.5亿m3，因此地下水补给量约占下泄总水量的43.98%。而杨鹏年等[30]研究得第5次输水后地下水补给量占总下泄水量的58%，即第15次输水后，地下水增加量占下泄总水量的比重有所减少。这可能与区域内植被面积增加、耕地增加、生活用水量增加等方面有关，具体的原因还需要深入进行探讨。

塔里木河下游首要的任务是拯救植被系统，而这一目标的实现主要是依靠生态输水[38]。当地下水埋深在2.5～4.0 m时，植被的生长或恢复状态最好。但是，地下水的埋深并不是水平的，而是具有一定的坡度。本文确定英苏以上断面在离河500 m地下水埋深为3.0 m，英苏以下河段为4.0 m，分析了地下水的合理水位和合理需求量，得出地下水达到植被生长的适宜水位时所需的地下水量约为24.08亿m3，超过了前15次地下水补给量的总和。因此，生态输水和植被恢复是一个漫长的过程，此阶段的生态输水处于“应急救命”阶段，距离完全恢复受损的生态系统、保护绿色走廊的目标还很远。以后的输水过程应与实地情况相结合，对输水方式与输水规模进行适当调整，保证地下水抬升和生态恢复达到最佳效果。另外，在实施生态输水的过程中，河水补给地下水，地下水从河道处流向离河道较远地区。地下水在流动过程中，受到水道管壁摩擦等各种阻力的影响，从而造成水头损失，即河水补给地下水的水量不完全等于地下水的增加量。但是本文只是针对地下水增加量以及合理需求量进行分析，未对地下水在运移过程中的损失量进行研究。因此，在以后的研究中，应加强对水力坡度内容的探讨，分析地下水在运移过程的损失特征，以便更好地研究河水对地下水的补给过程，为实现合理生态输水、促进生态恢复提供科学依据。

5 结 论

a. 生态输水之前，塔里木河下游地下水埋深在6～13 m之间；生态输水后，各断面的地下水埋深都有大幅度升高，并且随着与河距离的增加呈现降低趋势；地下水位升高幅度最大值在恰拉断面离河50 m 处的8.26 m，最小值为依干不及麻断面离河道1 050 m处的2.33 m。

b. 塔里木河下游第15次生态输水后，其文阔尔河流域地下水总补给量为15.77亿m3，老塔里木河地下水总补给量为4.67亿m3，塔里木河下游地下水总补给量为20.44亿m3。

c. 其文阔尔河地下水合理需求量约为18.36亿m3，老塔里木河地下水合理需求量约为5.72亿m3，塔里木河下游地下水合理需求总水量约为24.08亿m3。

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Study on groundwater recharge amount and suitable demand amount in lower reaches of Tarim River from 2000 to 2014

WANG Xiyi1, XU Hailiang2, PAN Cunde1, LING Hongbo2, GUO Hongwei2

(1.CollegeofGrasslandandEnvironmentSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China;2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

The lower reaches of the Tarim River was selected as the study area. First, the data of groundwater level were collected before water transport and after the water transport was carried out 15 times, based on the locations of groundwater monitoring wells at nine sections. Then, the groundwater recharge amount after the 15th time of water transport was analyzed using the calculation method of saturation deficit of soil. Finally, the suitable demand amount of groundwater that enables the groundwater level to reach a water level suitable for plant growth was determined. This study aimed to evaluate the effects of ecological water transport at different stages and provide theoretical references for the adjustment of water transport. The results are as follows: (1) the depth to water table ranged from 6 m to 13 m before ecological water transport, and its maximum increment reached 8.26 m after the 15th time of water transport; (2) the recharge amount of groundwater was about 20.44 × 108m3in the lower reaches of the Tarim River after the 15th time of water transport; and (3) the suitable amount of groundwater in the lower reaches of the Tarim River should be about 24.08 × 108m3, in order to guarantee the suitable water level for plant growth.

ecological water transport; suitable water level; recharge amount; suitable demand amount; lower reaches of Tarim River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.006

国家自然科学基金(31370551，41471099，31400466)；中国科学院“西部之光”人才培养计划(XBBS-2014-13)

王希义(1987—)，男，博士研究生，主要从事恢复生态学研究。 E-mail:binzhouwxy@163.com

徐海量，研究员，博士。E-mail：xuhl@ms.xjb.ac.cn

TV213.4

A

1004-6933(2017)04-0032-08

2016-12-09 编辑：徐 娟)