干旱区塔里木河流域地下水生态调节与监测预警研究*

张 静， 雍 会， 2※

(1.石河子大学，新疆石河子 832003； 2.北京航空航天大学管理科学与工程博士后流动站，北京 100083)

0 引言

干旱区流域地下水资源是流域水资源的重要组成部分，是维持干旱区生态环境的命脉。合理的存储与保护干旱区流域地下水，可以有效地发挥地下水的储存功能，地下水的存储有利于水资源的保护，同时也有利于生态植被形成良好的生态循环体系，有利于干旱区流域的可持续发展。美国21世纪水资源战略研究提出，地下水库是21世纪水资源调控的最主要手段[1]。对于地下水库，国际常用的提法是“含水层储存与回采(ASR)”，美国已建成ASR系统超过100个[2]，国内一些学者也研究了地下水库的调蓄功能、优势、劣势和开发利用[3-5]。王志杰等[6]阐述了适度开发利用地下水资源的必要性。姜斌[7]研究了澳大利亚、以色列、韩国、荷兰、英国、德国等国外地下水管理制度经验。孟栋伟[8]认为，随着塔河流域地下水资源的无序开采，流域水资源矛盾日益突出，塔里木河流域地下水也应纳入统筹管理[9]。还有较多的学者从生态角度，以塔里木河为例，研究干旱区流域地下水位与生态的响应关系[10-12]。芦艳玲[13]分析了塔里木河干流修筑输水堤对两岸地下水的影响。朱海勇等[14]分析了塔里木河地下水化学及其演变特征。国内一些学者以李佩成院士为代表，在地下水方面的研究主要集中在法律、制度、生态、开发，以及地下水检测等方面。地下水的生态调节功能正得到诸多学者的重视。对干旱区塔里木河流域地下水的研究主要集中在地下水与生态植被关系，以及水质、水安全、生态输水等方面，关于流域地下水生态调节、管理与监测预警方面研究较少。

1 研究区概况与数据来源

塔里木河流域地处欧亚大陆腹地，是我国典型的干旱荒漠区。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、塔克拉玛干沙漠及库木塔格沙漠三大区，流域总面积102.7万km2(含国外面积2.471万km2)，其中，“四源一干”流域面积为23.624 4万km2。塔里木河总长2 437km，其中干流长度1 321km。2014年塔里木河流域地下水资源量251.0亿m3，其中山丘区地下水资源量144.6亿m3，平原区地下水资源量182.0亿m3，平原区与山丘区之间地下水重复计算量75.55亿m3，地下水资源量与地表水资源量之间重复计算量231.9亿m3。

2014年塔里木河流域“四源一干”地下水资源量147.4亿m3，其中山丘区地下水资源量85.66亿m3，平原区地下水资源量102.3亿m3，平原区与山丘区之间地下水重复计算量75.55亿m3，地下水资源量与地表水资源量之间重复计算量138.3亿m3。流域各水资源分区地下水资源量统计见表1。

表1 2014年塔里木河流域水资源分区地下水资源量亿m3

塔里木河干流生态监测系统由干流上、中游和下游监测系统两期建设完成。塔里木河干流下游地下水自动监测系统于2008年下半年建设，于2009年4月运行，共7个断面50眼监测井。塔里木河干流上、中游地下水自动监测系统于2012年2月建设，于2012年7月运行，共8个断面48眼监测井。为了研究塔里木河流域上、中、下游不同区域，以及年度内不同时期地下水位状况，研究小组分别选取了塔里木河上游阿拉尔、新渠满，中游英巴扎，下游恰拉、阿拉干共5个断面31眼监测井进行了地下水位监测。

图1 塔里木河流域干流地下水监测断面分布示意图

表2 塔里木河流域干流选取地下水监测断面名称及测井编号

位置断面名称断面井号井数上游阿拉尔A1A2A3A4A5A66新渠满B1B2B3B4B5B66中游英巴扎C1C2C3C4C5C66下游恰拉N1N2N3N4N5N6N77阿拉干H1H2H3H4H5H66

2 干旱区流域地下水与生态环境响应关系

干旱区流域地下水与生态环境具有紧密的响应关系，由于地下水资源具有较强的调蓄能力，能够较好地发挥不同时期的调节作用[15]。在丰水期，地表水资源丰富，地表水可以大量补给地下水，地下水开采量相应减少，地下水位上升； 在枯水期，地表来水量减少，可以增加地下水开采量，弥补地表用水不足。地下水资源通过存储与开采，达到生态调节的目的。在存储与开采地下水资源过程中，导致地下水位的变化，地下水位变化直接影响着植被林木的生长，进而与地表生态环境形成响应关系。

2.1 地下水与生态植被的主要关系

地下水与干旱区的生态植被、土壤、沙漠化等息息相关。地下水的埋深与水质对于植被的生长、沙漠化防治具有极其重要的影响。根据塔里木河流域的生态环境特点，该研究分别选取了地下水与土壤湿度的关系、胡杨生长发育与地下水的关系、柽柳生长发育与地下水的关系、草甸植被生长与地下水的关系、地下水埋深与土地沙漠化的关系等进行了地下水埋深度分析。根据国内相关专家(邓铭江[16]、陈亚宁[17]等)关于塔里木河流域地下水与生态的研究，地下水埋深度与生态环境具有如下响应关系。

(1)干旱区地下水与土壤湿度。塔里木河流域干旱区天然植被主要依靠地下水维持生命，而地下水是通过毛管上升水流浸润土壤供植物根系吸收。当地下水埋深在4.0m时，土壤含水量为17.0%，毛管持水量达到70.8%(新疆各类土壤毛管最大持水量平均为24.0%)，适合植物生长范围。当地下水埋深为4.5～6.5m时，土壤含水量为12.9%～10.7%，毛管水发生断裂，植物水分吸收较少，植被生长不良。当地下水埋深在7.0m以下时，土壤含水量为9.8%，植物不能够有效吸收水分，容易衰败死亡。

(2)胡杨生长发育与地下水的关系。根据相关研究表明，干旱区塔里木河流域地下水埋深在4.5m以内时，天然胡杨树径生长量较快，为0.59～0.57cm； 地下水埋深大于4.5m时，直径生长量很快降至0.24～0.14cm； 地下水埋深在6.0 m以下时，直径生长量为0.08～0.05cm，基本上停止生长。

(3)柽柳生长发育与地下水的关系。根据相关研究表明，干旱区塔里木河流域有43%的柽柳植被分布在地下水埋深3.0m以内的环境中，有83.4%的柽柳分布在地下水埋深为5.0m以内的环境中。在考虑维持柽柳种群的基本生存状况的条件下，将地下水埋深5.0m作为柽柳生长的胁迫深度。

(4)草甸植被生长与地下水的关系。根据相关研究表明，由于草甸根系较短，随着地下水埋深增加，土壤水分含量降低，植物吸收地下水愈来愈困难，草甸生产力逐渐下降，当地下水埋深超过3.5m时，草甸生产力迅速下降。因此，将3.5m深度定为草甸植被生长胁迫深度。

(5)地下水埋深与土地沙漠化的关系。根据相关研究表明，非沙漠化土壤地下水埋深为3.40～4.30m，潜在沙漠化为4.14～4.61m，轻度沙漠化为5.56～6.14m，中度和重度沙漠化为6.73～7.47m，极度沙漠化为7.61～8.13m。因此，为防治土地沙漠化，地下水埋深应控制在4.0～4.5m。

2.2 干旱区的合理生态水位

根据地下水、土壤水、植物生长与沙漠化之间的定量关系研究结果，可把塔里木河流域生态地下水位划分为5种类型。

(1)沼泽化水位。地下水埋深小于1.0m或具有季节性地表积水，土壤因长期渍水，处于还原状况，形成灰蓝色潜育层，对植物生长不利。沼泽植物生长虽茂密，但蒸散耗水对水量消耗很大。

(2)盐渍化水位。地下水埋深1.0～2.0(2.5)m，地下水通过毛管作用可到达地表，土壤上层湿度较大，植物生长良好，虽不会发生沙漠化，但地下水中的盐分可向地表聚积，易使土壤发生盐渍化，又会影响植物生长。同时，潜水蒸发损失大，会造成一定数量水资源的浪费。

(3)适宜地下水位。地下水埋深在2.0～4.0(4.5)m，毛管上升水流可到达植物根系层供植物吸收利用。土壤水分基本可满足乔、灌和草各类植物需要，潜水的无效蒸发很小，几乎全部被植物吸收利用，既不会产生盐渍化，也不会发生沙漠化。

(4)警戒地下水位。地下水埋深在4～6m，潜水停止蒸发，土壤上层干燥，浅根系的草本植物因无法利用地下水而衰败或死亡，乔灌木由于根系较深，主根可向下延伸吸收地下水，还可忍耐土壤干旱，但长势不良，存在着沙漠化的潜在威胁。

(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发展，剖面通体干旱，潜水位以上的饱气带很大部分为薄膜水，很难为植物利用，深根系植物吸收地下水也较困难，乔、灌木衰败，有的干枯死亡，地面裸露，风蚀风积严重，光板龟裂地和片状积沙并存，出现荒漠景观。

综上，根据干旱区塔里木河流域生态环境特点，把合理生态水位界定在2.0～4.0m，是因为当地下水埋深小于2.0m时，土壤强烈积盐； 潜水埋深大于4m时，潜水停止蒸发，不能增加上层土壤水分含量，存在生态临界点。

3 地下水埋深度与生态监测预警

地下水埋深度直接影响着塔里木河流域的生态安全，流域源流与干流，以及干流的上、中、下游等不同区域地下水埋深度都会不同，不同的地下水埋深度也直接影响着流域的生态环境。该研究分别选取源流与上游汇合处的阿拉尔、上游新渠满、中游英巴扎、下游恰拉、下游阿拉干等5个地下水监测点进行监测。通过对流域不同区域的2015年全年监测数据收集，形成了2015年1～12月阿拉尔、新渠满、英巴扎、恰拉、阿拉干地下水位趋势图，见图2。其中，恰拉断面N3、N4两眼监测井由于测井出现问题(其中一眼监测井传感器卡于井管内无法拔出，另一眼监测井透水性差)，已将自动采集设备取回，停止自动监测。该断面其他监测井由于是老设备，运行不稳定，正常回传数据的监测井较少。

图2 2015年塔里木河流域不同流域断面地下水监测井水埋过程

根据地下水监测井的地下水监测过程图显示，在2015年度，地下水位最低值上游一般出现7月，最高峰值一般出现在8月； 中下游最低地下水位一般出现在8、9月，最高峰值一般出现在10月。

(1)在阿拉尔断面， 2015年最高水位出现在8月上旬的A1监测井-1.25m，最低水位出现在7月中旬的A1监测井-3.92 m，根据干旱区塔里木河流域生态环境特点，阿拉尔断面符合合理生态水位界定在2.0～4.0m的标准值。总体而言，属于地下水位优良生态区。

(2)在新渠满断面， 2015年最高水位出现在8月中旬的B1监测井0.04m，高出了地表水位，最低水位出现在7月中旬的B4监测井-3.45m，根据干旱区塔里木河流域生态环境特点，当地下水埋深小于1.0m时具有季节性地表积水，土壤因长期渍水，处于还原状况，形成灰蓝色潜育层，对植物生长不利。沼泽植物生长虽茂密，但蒸散耗水对水量消耗很大。因此，新渠满断面在7～9月，容易形成沼泽化水位和盐渍化水位，其余时间处于生态水位。总体而言，属于地下水位良好生态区。

(3)在英巴扎断面， 2015年最高水位出现在12月下旬的C1监测井-1.56m，最低水位出现在8月上旬的C1监测井-3.89m，上半年处于地下水位相对低、下半年处于地下水位相对高的趋势，根据干旱区塔里木河流域生态环境特点，英巴扎断面符合合理生态水位界定在2.0～4.0m的标准值。总体而言，属于地下水位优良生态区。

(4)恰拉断面处于塔里木河流域下游上端， 2015年上半年由于监测设备故障没有数据，下半年N1、N3、N6、N7监测井传回正常数据，监测井N1数据有一定幅度波动，其余监测井数据趋于平缓。其中N1监测井最低值出现在7月下旬-1.77m，最高值出现在10月中旬0.65m，高出地表水平，容易形成沼泽化水位和盐渍化水位。N6监测井监测地下水位相对较低，处于-3.5～4.0m之间，接近警戒生态水位。总体而言，属于地下水位优良生态区。

(5)阿拉干断面处于塔里木河流域下游下端， 2015年最低地下水水位处于12月中旬的H3监测井的-12.2m和H4的-12.19m，最高地下水水位处于11月上旬H4监测井的-4.15m。根据干旱区塔里木河流域生态环境特点，地下水埋深大于8m，乔、灌木衰败或干枯死亡，地面裸露，风蚀风积严重，光板龟裂地和片状积沙并存，出现荒漠景观，阿拉干断面区域大部分处于沙漠化地下水位。总体而言，属于警戒地下水位或沙漠化地下水位，生态环境极其脆弱，草甸、胡杨难以生存，荒漠化趋势容易加剧。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对塔里木河上、中、下游地下水位的监测，结合塔里木河流域特殊的自然生态环境，塔里木河流域地下水监测与生态响应有2个特点：(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态区间，随着流域的延伸，越到下游地下水位越低，生态环境越脆弱，并逐步接近荒漠区。(2)根据2015年流域地下水位监测，并结合流域多年地下水监测数据，流域地下水位最低值与最高值一般均出现在7～9月，这个时期塔里木河流域气温上升，水分蒸发强烈导致地下水达到最低值，同时也因为气温高导致山区积雪融化，形成新的径流，又迅速补充地下水达到峰值。

4.2 建议

地下水位过低导致植物不能够有效吸收水分，容易衰败死亡； 地下水位过高，又容易导致土壤盐渍化，对生态也不利。为了更加有效地保护塔里木河流域地下水，维护流域可持续发展，要处理好流域地下水开发、保护与生产、生态用水之间的关系：(1)合理调控地下水，防止土壤盐渍化，实施地下水联合调控，提高用水效率； (2)严格管理农业地下水开采，禁止源流、上、中游开荒扩大农业生产，过多地采用和耗损流域水资源，保护好地下水水质； (3)继续加大对塔里木河流域下游的生态输水，逐步恢复下游生态环境。

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