艾吉尔·阿不拉,王新英,刘茂秀,马继龙
(1.新疆林业科学院,新疆 乌鲁木齐 830046;2.新疆塔里木河胡杨林生态系统定位观测研究站,新疆 乌鲁木齐 830046;3.新疆农业大学林学与风景园林学院, 新疆 乌鲁木齐 830052)
水是生命之源,是人类社会赖以生存和发展的重要物质,是干旱区绿洲生态系统的组成、发展和稳定的基础。干旱区地表水及地下水变化直接影响生态环境变化,而地表水与地下水作为一个复杂的整体系统,相互存在着紧密的水力联系和频繁的交互关系[1]。因此,分析地表水及地下水相互关系是干旱荒漠区生态脆弱性保护和生态耗水研究的热点问题。新疆塔里木河流域是我国第一大内陆河流域,地处中国西部最干旱地区,是新疆南部绿洲重要的灌溉水源,也是维系塔里木盆地生态平衡的主要供给水源,社会和生态区位十分重要。随着流域水资源的过度开发和利用,生态环境恶化,造成塔里木河下游断流,两岸胡杨林退化严重。为恢复与保护下游退化胡杨林,国家水利部门于2000年开始实施恢复塔河下游生态系统的生态输水工程,到2021年已累计实施生态输水22次,累计下泄生态水84.45亿m3,有效抬升地下水水位,下游生态环境日趋良好[2]。目前针对生态输水对地下水位抬升、水化学组分的时空特征研究较多[3-5],而对生态输水后地表水及地下水水质的相互影响关系研究鲜有报道。本文拟从塔里木河生态输水一个完整周期内研究地表水与地下水相关水质指标变化动态及其相互关系,揭示在生态输水背景下的塔河中下游地表水与地下水的联动关系,旨在为积极发挥塔河生态输水工程效益,进一步促进下游退化胡杨林恢复提供数据与技术支撑。
塔里木河干流全长1 321 km,环绕塔克拉玛干沙漠。研究区位于塔里木河干流英巴扎以下的中下游地区。塔里木河自身不产流,由和田河、叶尔羌河和阿克苏河3条地表水系补给,同时孔雀河通过扬水站从博斯腾湖抽水经库塔干渠向塔里木河下游灌区输水,形成“四源一干”的格局。塔里木河流域总体地势南高北低、西高东低。区域属暖温带典型大陆性气候,降水稀少,蒸发量大,多年平均降水17.4~42.8 m,全年平均气温为11.1 ℃,超过10 ℃的积温4 000~5 000 ℃,日照时数2 500~3 100 h,无霜期190~220 d。由于生态环境质量影响,从中游到下游,年均气温变化率为0.5 ℃,年降水量从中游的41 mm降低至下游的25 mm,年蒸发量从中游的2 778 mm增加至下游的2 906 mm,干旱指数由中游到下游逐渐增大[6]。流域内主要分布以胡杨(Populuseuphratica)为建群种的胡杨林,林下灌木主要有柽柳(Tamarixspp.)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等,草本主要有芦苇(Phragmitescommunis)、胀果甘草(Glycyrrhizainflata)、花花柴(Kareliniacaspica)、罗布麻(Apocynumvenetum)等。土壤主要为风沙土。
根据国家环境保护标准中《水质采样方案设计技术规定》(HJ495-2009)[7],结合区域水系特点,共在塔里木河中上游的库车县、中游的轮台县和下游的尉犁县设置3个地表水和3个地下水固定监测点。库车县地表水和地下水监测点均位于库车县塔里木乡琼托克拉克管护站附近的塔河水域和地下水位监测井;轮台县地表水监测点为轮南镇塔里木河大桥下水域,地下水监测点为新疆塔里木河胡杨林生态系统国家定位观测研究站地面标准气象站地下水位监测井;尉犁县地表水监测点为塔河干流阿其克分水枢纽水域,地下水监测点为新疆塔里木河胡杨林生态系统国家定位观测研究站尉犁县3#地下水位监测井。
分别在8月(生态输水初期)、9月(输水中期)、10月(输水末期)、11月(退水初期)和次年5月(次年输水前)进行水样的采集。采用人工取水,取水后冷藏保存,24 h内送至实验室进行检测分析。测定指标有pH、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、总磷(TP)、易沉固体、亚硝酸盐氮(NO2-N)。pH采用玻璃电极法[8]测定,COD采用重铬酸盐法[9]测定,BOD5采用稀释与接种法[10]测定,TP采用钼氨酸分光光度法[11]测定,易沉固体采用城镇污水水质标准检验方法[12]测定,NO2-N采用 N-(1-萘基)-乙二胺光度法[13]测定。数据处理采用SPSS22.0统计分析软件,分析塔河中下游地下水和地表水水质变化动态及地表水与地下水之间的相关性。
3.1.1 pH pH(即酸碱度)是水质的重要指标。由图1可知,总体而言,塔里木河中下游区域水体pH平均值为7.7,呈弱碱性。分析生态输水对水域pH影响,随着输水时间的延长,流域地表水和地下水pH总体呈先降低的趋势,除中游地表水外,其余水体pH均较输水初期降低。输水结束后,水体pH逐步升高,到次年5月,pH与输水初期相当。就不同区域而言,中上游水域pH均最低,中游最高,但各区域pH差异不显著。对比地表水和地下水pH,塔河中下游区域地表水pH均高于地下水。
图1 塔里木河水体pH变化特征
3.1.2 COD COD是用来表征水中的还原性物质浓度高低的指标,水体中的还原物质包括各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等,但主要是有机物[14],反映水体受有机物污染的程度,化学需氧量越大,说明水体受有机物的污染越严重。
由图2可知,随着生态输水时间的延长,塔里木河中下游水体COD值呈先增加后降低再增加的趋势,中上游水域COD值在输水中期最高,中游和下游水域则是在退水初期达到最高值。对比分析地表水和地下水,塔里木河流域地表水COD值均较地下水高。与生态输水初期相比,完全退水后地表水COD值均升高,中上游、中游和下游分别升高25.0%、12.5%和38.5%;而地下水COD值均降低,分别降低20.0%、25.0%和27.3%。说明生态输水对地表水和地下水的COD值均产生了较大影响。
图2 塔里木河水体COD变化特征
3.1.3 BOD5BOD5是水样中的微生物在特定的环境下,分解水样中部分可氧化的物质和有机物的生物化学作用所消耗的溶解氧[15]。主要反映了能被微生物氧化降解的有机物的量,BOD5值越高,说明水体总的有机物量越大,水体受到的污染越严重。由图3可知,随着生态输水时间的延长,地表水和地下水均表现一致的变化趋势,水体BOD5均持续升高,在退水初期达到最高值;在生态输水期,各区域地表水和地下水BOD5差异不显著,但在退水初期,塔里木河下游水体BOD5显著高于中上游和中游水体。对比分析地表水和地下水BOD5,生态输水全过程中地表水BOD5在各监测区均高于地下水,说明地表水受到的污染较地下水严重。
图3 塔里木河水体BOD5变化特征
3.1.4 TP、NO2-N及易沉固体 水体中的磷元素是引起水体富营养化的最关键元素[16],其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。由表1 可知,塔里木河流域水体TP含量均较低,中上游和下游区域水体TP含量均在退水初期有所升高,而中游水域TP含量在输水初期较高。对比分析地表水和地下水TP含量,中上游及中游水域地表水TP含量在输水初期、退水末期和完全退水期均高于地下水,下游地表水TP含量与地下水比较,除完全退水期外,其余时期均无差异。输水期地表水和地下水差异不显著,输水结束后差异显著,说明生态输水造成的地表水对地下水TP含量的影响具有滞后效应。
亚硝酸盐氮(NO2-N)是水体中含氮有机物进一步氧化,转变成硝酸盐的中间产物。由表1可知,随着生态输水时间的延长,地表水和地下水中NO2-N含量总体呈先增加后降低的趋势,在输水中期NO2-N含量最高,随着输水时间的延长,NO2-N含量降低,说明在生态输水过程中水体受污染的危险性在降低。在输水初期地表水中NO2-N含量略高于地下水,随着输水时间的延长,地表水和地下水NO2-N含量均较低,均小于0.003 mgL-1。
表1 塔里木河水体TP、NO2-N变化特征 单位:mg·L-1
塔里木河流域中易沉固体主要是水中悬浮沙量,用于表征水体的浑浊程度。从表2中可知,随着生态输水时间的延长,地表水和地下水中易沉固体含量均呈下降趋势,在退水期下降至0。在生态输水期地表水中易沉固体含量显著高于地下水,但二者随着输水时间延长的变化趋势一致,说明地表水易沉固体含量对地下水有影响,二者之间存在正相关性。
表2 塔里木河中下游水体易沉固体变化特征 单位:mg·L-1·(15min)-1
由表3可知,地下水中COD含量与BOD5含量显著相关(P<0.05),地下水BOD5含量与地表水BOD5含量相关性极显著(P<0.01),地下水易沉固体含量与地表水易沉固体含量相关性极显著(P<0.01),与地表水BOD5及COD含量显著负相关(P<0.05),地表水BOD5含量与地表水易沉固体含量也呈显著负相关性(P<0.05)。水体pH和所有指标均不相关。以上分析表明,地表水对地下水水质有一定的影响,二者之间存在一定相关性。
表3 塔里木河中下游地表水与地下水水质相关性
生态输水过程中,生态输水期易沉固体含量逐渐下降,这是因为塔里木河生态输水来源主要为上游山地降水及高山冰雪融水,输水初期水量大,河道里的泥沙被冲蚀,向下游输送;随着输水时间的延长,水量逐渐减少,易沉固体含量降低,输水结束后,地表水和地下水水中均未检测到易沉固体。因此,在生态输水时应充分考虑输水量对河道的冲蚀影响。
在生态输水期间,地表水和地下水中COD和BOD5含量差异不显著,而在输水结束后各指标差异逐渐显著,由生态输水造成的地表水对地下水中COD和BOD5含量的影响具有滞后效应。水体中易沉固体含量与COD、BOD5含量呈显著负相关,这主要是因为输水期水体中易沉固体含量较高,有机物可以吸附在自然水体中的沉积物和悬浮物上,造成水体中COD和BOD5含量较低。地下水体中COD含量与BOD5含量呈显著相关性,这与黄旭敏[17]对广东省地表水的研究结果一致。地表水与地下水指标之间相关性较好,也说明地表水与地下水之间联动性强。
综合以上分析,虽然一次完整的生态输水过程对地表水和地下水的水质没有产生显著影响,但塔里木河生态输水工程将持续开展,长期累积的影响效应还无法预计。因此,在生态输水过程中仍要关注输水量的控制,防止上中游灌区、工业区排水注入干流,从而维持中下游区域良好水环境,有效促进胡杨林生态系统恢复,实现生态输水工程的生态价值。