全 文 ：第 35 卷第 3 期
2015年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.3
Feb.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(41171427, 31370551, 41101534)
收稿日期:2013鄄05鄄07; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xuhl@ ms.xjb.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201305070960
白元,徐海量,张青青,叶茂.基于地下水恢复的塔里木河下游生态需水量估算.生态学报,2015,35(3):630鄄640.
Bai Y, Xu H L, Zhang Q Q, Ye M.Evaluation on ecological water requirement in the lower reaches of Tarim River based on groundwater restoration.Acta
Ecologica Sinica,2015,35(3):630鄄640.
基于地下水恢复的塔里木河下游生态需水量估算
白摇 元1,2,徐海量1,*,张青青1,叶摇 茂3
1 中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室,乌鲁木齐摇 830011
2 中国科学院大学,北京摇 100049
3 新疆师范大学 地理科学与旅游学院,乌鲁木齐摇 830054
摘要:为探明生态输水后地下水响应带范围及地下水恢复下生态需水量,以塔里木河下游大西海子水库至台特玛湖段为研究
区,基于 2000—2010年生态输水和地下水埋深分布特征,分析了塔里木河下游生态输水后两岸地下水位恢复状况,并借助遥感
和地理信息系统技术对研究区生态需水量进行了研究。 结果表明:塔河下游地下水位的抬升幅度与输水量的大小呈一定的正
相关关系,并存在一定的时效性。 2004—2010 年地下水处于长期的负均衡状态,多年下降幅度明显。 塔河下游英苏、喀尔达
依、阿拉干和依干不及麻断面地下水响应幅度分别为 1195、1050、2281 m和 1000 m。 历经 11a输水后,塔里木河下游地下水总
恢复需水量为 7.06伊108 m3,其中,齐文阔尔河段为 4.98伊108 m3,老塔里木河段为 2.09伊108 m3,地下水恢复至生态水位 4.5 m需
要 5—8a的时间。 保护塔里木河下游大西海子以下所有天然植被面积(96114.09 hm2)的生态需水量为 0.587伊108 m3,保护下游
地下水响应带天然植被面积(41439.85 hm2)的生态需水量为 0.21伊108 m3。
关键词:生态需水量;地下水恢复;植被;塔里木河下游
Evaluation on ecological water requirement in the lower reaches of Tarim River
based on groundwater restoration
BAI Yuan1,2, XU Hailiang1,*, ZHANG Qingqing1, YE Mao3
1 Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Urumqi 830011, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 School of Geography Science and Tourism,Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China
Abstract: Located in the extremely arid region, Tarim River is the longest continental river in the northwest of China where
the environment is vulnerable. Since the construction of Daxihaizi Reservoir in 1970忆 s, the river channel in the lower
reaches of Tarim River with 321km distances from the Daxihaizi Reservoir to Tatema Lake has been dried up for more than
thirty years. Cut鄄off of river water along the lower Tarim River and the excessive and unbridled utilization of water resources
resulted in a series of ecological environment problems such as groundwater level decline, natural vegetation deterioration,
desertification acceleration and so on, which has been accelerating environmental degradation and strongly influenced local
agricultural development. In order to conserve the natural vegetation and further to control the desertification and restore the
severely degraded ecosystem, an emergency plan鄄the ecological water conveyance project ( EWCP ) for synthetically
harnessing deteriorate ecological environment were implemented in the lower Tarim River since 2000. After 12 times of
ecological water conveyance (The deadline is January 2011), the groundwater level showed some degree of raising along the
main river channel of the lower reaches of Tarim River.
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Groundwater level has played a key role in the degraded natural vegetation restoration due to the natural vegetation
growth mostly depended on groundwater in extremely arid region. Ecological water requirement in the river channel along the
lower Tarim river was highly related to elevation of the groundwater level while the elevation of groundwater level is
supplemented from the EWCP. To estimate the requirement of the ecological water, firstly two main river along lower Tarim
River channels were set up, including the new river channel from Daxihaizi reservoir to Taitema Lake and the old river
channel from Daxihaizi reservoir to Alagan, then to analyze the response range of groundwater level to the ecological water
conveyance and evaluate the ecological water requirement based on the groundwater restoration by investigating the response
width of groundwater restoration after the ecological water conveyance. The phreatic evaporation method was applied to
analyze the ecological water requirement in virtue of the Remote Sensing and GIS techniques. The results showed that: (1)
The range of groundwater level change was positively related with the amount of water transferring to the channel in the
Lower Tarim River. It was charactered by a temporal hysteresis with the response of the groundwater level to the amount of
watering to the river channel. The groundwater level decreased obviously from 2004 to 2010, and that was in a negative
equilibrium state. The response range of the groundwater to water transfer was 1195 metres, 1050 metres, 2281 metres, and
1000 metres in the transections of Yusu, Kaerdayi, Alagan, and Yiganbujima respectively. (2) After 12 times ( for 11
years) of ecological water conveyance in the lower reaches of Tarim River, the total amount of water requirement based on
the groundwater restoration was 7.06伊108m3, including 4.98伊108m3 from Daxihaizi reservoir to Taitema Lake and 2.09伊108
m3 from Daxihaizi reservoir to Alagan transaction. And it needs about 5 to 8 years that the groundwater depth elevate to 4.5m
(equal to ecological groundwater level) .(3) The amount of ecological water requirement for the natural vegetation protection
is 0.587伊108m3 to meet up with the requirement of the total area of 96114.09 hm2 of natural vegetation strip from Daxihai
reservoir to Taitema Lake. Moreover, the amount of ecological water requirement is 0.21伊108m3 for the natural vegetation
protection zone of 41439.85 hm2 in the area of the groundwater level responding to the ecological water conveyance.
Key Words: ecological water requirement; undergroundwater restoration; vegetation; the lower reaches of Tarim River
对水资源可持续利用的愿望极大地推动了人们对水资源转换机制和合理使用途径的深入探索,生态需水
成为当前生态学、水文学、环境学等领域的研究热点。 事实证明,“忽视水资源与生态环境系统之间的关系冶
是 20世纪水资源管理的失误,直接导致了生态环境的恶化,引发森林退化、生物多样性减少、河道断流和地下
水位下降等诸多生态环境问题,并严重威胁人类的生存环境[1鄄2]。 对极端干旱区生态系统而言,水是可持续
发展的最重要因素,有水即为绿洲,无水即变荒漠。 因此,为了保护荒漠地区的天然植被,需要对其合理生态
需水量进行研究。
关于生态环境需水量的研究最早是在国外开展的,主要集中在河流生态环境需水方面。 早在 1940 年,美
国渔业与野生动物保护组织规定了维持河流的最小生态流量。 90 年代以来,生态系统需水量研究成为全球
关注的焦点,逐步从河流生态系统类型扩展到了森林、草地、湿地、湖泊、河口、等其他生态系统类型上[3]。 目
前,国内生态需水研究多集中在水资源供需矛盾突出以及生态环境相对脆弱和问题严重的干早、半干早和季
节性干早的半湿润区[4]。 干旱区降水稀少,不足以维持其生态系统特别是非地带性天然植被组成的系统的
正常运转,河水与地下水之间的相互补给和排泄构成水循环运动基本方式,补给地下水需水量是河流系统生
态环境需水量的重要组成部分。 1993 年世界银行发布的水资源政策文件明确了地下水可再生性维持的标
准,即水资源开发利用总量决不能超过地下水补给量,但缺乏有关生态环境需水量的确定标准[5]。 近年来,
地表水与地下水之间的相互转换研究范围不断扩大,出现了“地下合理生态水位冶、“地下生态警戒水位冶和
“盐渍临界水位冶等概念[6鄄8],目前常见的确定河流(渠)渗漏补给量的方法有水文学、地下水动力学法和试验
法以及数值模拟等方法[9鄄10]。 在地下水采补平衡的情况下,使地下水水位恢复到生态水位,这将有利于维护
地下水生态环境不再恶化并逐渐改善。 恢复地下水生态环境需水量是供给天然植被生长、发育需水的基础,
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因此,以地下水资源合理开发利用及生态环境保护为目的的生态需水研究,已成为当今地下水资源研究领域
十分重要的课题[11]。
近 50年来,塔里木河源流区和中上游大规模引水和截流,导致下游地区因来水量日趋减少,造成大西海
子水库以下长达 321 km河段基本断流。 自 2000 年开始向塔河下游断流 30a 的河道实施应急输水工程[12]。
塔里木河下游荒漠生态系统的恢复状况受到国内外密切关注[13鄄15],发现了河水补给引起地下水位变动,其变
化幅度随着远离河流而越来越小,变化时间随远离河岸越来越推迟,变动速率也随远离河流越来越小,地下水
对生态输水的响应是逐渐实现的[16鄄17],水位的时空差异导致了地表植被在时间和空间响应上的明显不
同[18鄄19],随着下水位下降,物种多样性 Shannon鄄Weiner 指数、Simpson 指数、Margalef 指数、Patrick 指数以及
Cody 指数都以下降为主[20鄄21],生态输水对植物生理指标的影响是显著的,随着地下水位的降低,叶片相对含
水量减少,脯氨酸、脱落酸因积累而增加[22鄄23],生态输水使树木年轮生长发生了良性转变[24],随着输水次数和
年输水量的稳步增加,植被覆盖度、面积稳步增长[25],地下水响应范围由第 1 次输水后的 450 m 宽增加扩大
到了第 8 次的 3334 m,历经 8 次输水后,输水河道区域地下水净补给量达到 7.8伊108 m3,占总下泄水量的
35郾 63%[26鄄27],研究者计算塔里木河下游植被生态需水量在 2.19—3.2伊108 m3 [28鄄29],由于植被面积及模型参数
的不同造成计算结果存在较大差别。 而对于近期治理规划后 2000—2010 年地下水恢复范围、生态补水后地
下水恢复至生态水位的需水量以及 2010年不同覆盖度植被生态需水量的研究较少[30]。
以生态恢复和环境保护为根本目标的塔里木河下游生态输水工程,至 2011 年 1 月总计向下游输水 12
次,生态输水总计 26.96伊108 m3。 最初只是为了河道的完整,到恢复地下水位,最后达到生态环境的重建。 随
着生态输水的延续,地下水得到了初步的恢复,输水量应当根据下游生态环境及水文变化加以转变,将多余的
水资源应用与生态恢复。 本文考虑水文变异,然后借助遥感和 GIS 技术,对塔河下游地下水响应带的范围进
行了界定,并以此为依据结合区域植被遥感分类结果中提取出的植被分布面积,对绿色走廊的植被生态需水
量进行了研究,对于转变生态需水量的观念,同时为今后水资源的优化配置提供科学依据[31]。
图 1摇 塔里木河下游水系分布及断面图
摇 Fig. 1 摇 River system distribution and transects in the lower
reaches of Tarim River
1摇 研究区概况
塔里木河下游位于新疆维吾尔自治区南部尉犁县和若羌县境内,呈东南方向穿行于塔克拉玛干沙漠和库
鲁克沙漠之间狭长的冲击平原(图 1)。 该区是中国最干旱地区之一,年降水量仅 17.4—42.0 mm,年蒸发量
(潜势)高达 2500—3000 mm,属于典型的大陆性干旱气
候。 20世纪 50年代以来,由于人类不合理的水土资源
开发, 塔河下游大西海子水库以下 321 km 河道断流,
沿线地下水埋深多降至 8—12 m。 由此造成河畔以胡
杨林为主要建群种的自然植被严重退化,荒漠植被衰
败,物种多样性下降,土地沙漠化和土壤盐渍化加剧,下
游绿色走廊急剧萎缩,塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠
呈合拢趋势[32]。 自 2000 年开始向塔河下游断流 30a
的河道实施应急输水工程,下游生态环境有所好转,近
河道地下水埋深逐年抬升。 在干旱荒漠气候的控制下,
该地区的地带性植被是温性灌木和半灌木。 由于有河
水和地下水补给,河漫滩及两岸的低阶地发育着大面积
以胡杨为主要建群种的荒漠河岸林,主要有乔木胡杨
( Populus euphratica ), 灌 木 主 要 有 柽 柳 ( Tamari
ramosissima)、黑果枸杞( Lycium ruthenicum)和铃铛刺
( Halimodendron halodendron ), 草 本 植 物 有 芦 苇
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(Phragmites australis)、罗布麻(Poacynum hendersonii)、疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、胀果甘草(Glycyrrhiza
inflata)等耐盐草本植物。
2摇 数据来源与研究方法
2.1摇 数据来源与处理
本文运用卫星遥感信息和 GIS技术相结合的方法对景观要素的空间数据进行收集与分析,配合地表水与
地下水监测断面数据,计算塔里木河下游天然植被生态需水量(图 2)。 利用塔里木河干流地区 2010 年 8 月
Landsat 5鄄TM影像,在 ENVI中首先对 TM影像辐射定标、大气校正,按照植被覆盖分类指标,进行波段运算,
得到植被覆盖类型等级数据。 利用 Arc / Map 进行数字影像 543 波段的彩色合成,利用目视判读和数字化工
作,生成矢量化地图,再结合野外调查数据和 Google Earth 对解译结果进行人工修正。 结合研究区域的实际
情况和研究目的,将研究区天然植被主要划分为乔木、灌木、草地,采用叠加分析和缓冲区分析的方法,获得不
同盖度下植被类型的面积,采用潜水蒸发模型定量计算天然植被需水量。 将塔河下游自 2000 年生态输水开
始实施至 2010年输水结束看作一个时间整体,将该时段生态输水背景下形成的塔河下游地下水波动带作为
地下水恢复研究区,结合合理地下水生态水位研究成果,利用 Excel2010 和 Spss 11.0 回归分析模块对地下水
数据进行统计和分析,计算地下水恢复需水量。
图 2摇 研究思路框图
Fig.2摇 Sketch line of technology
2.2摇 地下水波动
塔里木河下游在大西海子水库以下分为两支,北侧一支称为齐文阔尔河,南侧一支是老塔里木河,两河体
大致呈平行状并在阿拉干处交汇后向南流入台特玛湖。 为了解塔里木河下游地下水位的整体变化,沿塔里木
河下游输水河道垂直方向上布设了 7个监测断面,分别位于恰拉(近似替代大西海子)、英苏、老英苏、喀尔达
依、阿拉干、依干不及麻和库尔干(近似替代台特玛湖)。
(1)地下水监测
在每个断面上沿河道垂直方向按一定间距,50、150、300、500、750、1050 m 布设地下水监测井,井深 8—
17 m,定期进行观测,输水资料来源于塔里木河流域管理局,本研究获取各监测井 2000—2010 年输水过程中
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地下水埋深监测资料。
(2)地下水响应幅度
考虑到区域生态输水影响范围变化直接体现在区域地下水位及其辐射范围的变化上,因而本研究根据塔
河下游 2004年(代表生态输水最大的响应幅度)与 2010 年(代表研究时段内形成的塔河下游地下水响应幅
度)的地下水位调查,采用两次输水的地下水埋深差值来计算地下水响应的幅度。 各断面不同监测井的地下
水位取年平均值,地下水响应幅度的公式:
GDi = Lmi - Lni (1)
式中,GDi为离河道 i距离地下水响应的幅度,Lmi,Lni分别为 2010年和 2004年离河道 i的地下水位。
(3)地下水恢复量
指将地下水位恢复到所需要的生态水位以后,维持这个水位不下降所需下泄的水量。 塔河下游由于河道
断流多年,造成地下水严重亏损,通过长期输水把河道附近最大有效影响范围内的地下水位上升到生态水位
以后,地下水主要消耗于潜水蒸发和植被蒸腾,必须恢复到一定水位,称为地下水恢复水量[33]。 地下水恢复
至目标水位所需水资源量见图 3,对地下水恢复量采用以下公式计算:
Q = 滋·乙x
0
f2 ( )x - f1 ( )[ ]x dx (2)
滋 = M·n
式中,f1(x)为河床一侧 2010年的地下水水位线,f2(x)为河床一侧适宜的生态水位线,x 则表示河道对地下水
的最大影响幅度;滋为地下水位上升时的土壤含水量饱和差,M 为水位变动带的饱和差,n 为土壤干容重,参
数根据宋郁东[34]等研究确定。
若在河道某河段上游断面的恢复水量为 Q上,下游断面的恢复水量为 Q下,两断面间的河道距离为 L,则在
此区间内河段两岸的恢复总水量 W为:
W = L· Q上 + Q( )下 (3)
图 3摇 地下水埋深恢复示意图
Fig.3摇 Schematic of the groundwater depth recovery
2.3摇 植被盖度的计算
本文以植被指数估算植被盖度,利用归一化植被指数 NDVI,又称标准化植被指数,建立了归一化指数定
量估计植被盖度模型。 计算公式为[35]:
NDVI=CH4
-CH3
CH4+CH3
(4)
式中,CH3代表 TM 影像第三通道的反射值;CH4代表 TM 影像第四通道的反射值。
利用 NDVI计算植被覆盖度的模型在实际应用中是最方便也最普遍的,植被盖度通过其与 NDVI 植被指
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数之间的关系得出(公式 5) [36]:
f=
NDVI-NDVImin
NDVImax-NDVImin
(5)
式中,NDVI 为所求像元的归一化植被指数;NDVImin、NDVImax分别为非植被覆盖部分(裸地和未利用地)和植
被覆盖部分(林地、草地和耕地)归一化植被指数值的最小值和最大值,由于不可避免存在噪声,NDVImax和
NDVImin一般取一定置信度范围内的最大值与最小值,根据野外调查数据,确定 NDVImax = 0.7,NDVImin = 0。
根据水利部 1996 年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190鄄96) [37],将植被盖度分为五级,分类标准见
表 1。
2.4摇 自然植被生态需水量
估算研究区天然植被的生态需水量采用潜水蒸发法,即某一植被类型在某一潜水位的面积乘以该潜水位
下的潜水蒸发量。 其计算模型如下:
W = 移
4
i = 1
10 - 3K i·Ai·Wgi (6)
式中,W为植被生态需水量(108m3);Ai为植被类型 i的面积(104 hm2);Wgi为植被类型 i在地下水某一地下水
埋深时的潜水蒸发量(mm),参考宋郁东等在《中国塔里木河水资源生态问题研究》中的成果(表 2);K i表示
植被影响系数,采用《阿克苏农业考察报告》中提供的不同埋深时的植物蒸腾对潜水影响系数。
表 1摇 植被覆盖度分类标准
Table 1摇 The standard classification of vegetation coverage
级别
Grade
植被覆盖度值
Coverage
类型
Type
玉 <0.1 极低覆盖度
域 0.1—0.3 低覆盖度
芋 0.3—0.5 中覆盖度
郁 0.5—0.7 中高覆盖度
吁 0.7—1 高覆盖度
表 2摇 乔、灌、草植被的单位面积蒸散量
摇 Table 2 摇 Vegetation water requirements per hectare of woods,
shrubs and herbs
植被类型
Vegetation type
盖度
Coverage
平均地下水埋深
Average
groundwater
table / m
潜水蒸发
Phreatic
evaporation /
(m3 / hm2)
乔木 Woods >0.5 2 3741.5
0.5—0.3 3 1432.4
0.3—0.1 4 497.3
<0.1 4.5 392
灌木 Shrubs >0.3 2.5 2343.8
0.3—0.1 4 497.3
<0.1 4.5 392.1
草地 Herbs >0.7 1 10738
0.7—0.3 2.5 2343.8
0.3—0.1 3.5 867.3
<0.1 4.5 392.1
3摇 结果与分析
3.1摇 地下水的变化
研究区由于降水量稀少,降水量对地下水的补给可
以忽略,因此,塔河下游地下水的主要补给来源为河道
径流以垂向和侧向的方式补给。 地下水消耗主要供给
植被蒸腾,不断的补充土壤水,地下水不断的向外排泄。
当生态输水对地下水的补给能力小于排泄能力时,地下
水位降低,当生态输水对地下水的补给能力大于排泄能
力时,地下水位升高[38]。 其区域范围的大小受生态输
水过程中来水量多少、区域地质地貌条件、局部区域地
下水补给源等众多因素影响。
3.1.1摇 地下水响应的时效性
本研究的时间序列为 2000—2010 年,下游 5 个监
测断面的年平均地下水位与年生态输水量的变化见图
4。 自 2000 年下游第 1 次实施生态输水措施以来,到
2010年第 11 次输水,历时 10a 多,累计断面下泄水量
26.59伊108 m3,河道两岸地下水埋深有所抬升,但由于
输水的“间歇性冶特征,监测表明,地下水埋深并没有抬
升至绝大多数天然植被正常生长的潜水水位。 自
2000—2003年地下水埋深随着生态输水量的增加而减
小,说明输水量 3.23伊108—6.25伊108 m3补给大于排泄,
可以使下游生态得到恢复;自 2004—2006 年随生态输
水量的降低,地下水埋深开始缓慢增加,老英苏断面变
化幅度最小,说明 1.02伊108—2.82伊108 m3的输水对其
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有补给作用;在 2007—2009年生态输水量较小,地下水埋深增加趋势明显,处于负均衡状态。 值得注意的是
2003年输水量最大,但地下水埋深最小值出现在 2004 年,之后呈现逐渐增大的趋势。 地下水位的上升反映
了地表水对地下水的补给,地下水位的抬升幅度主要与输水量的大小和放水持续时间有关,并呈一定的正相
关关系。
图 4摇 塔河下游地下水动态变化
Fig.4摇 The changing dynamics of groundwater level in the lower reaches of the Tarim River
3.1.2摇 地下水响应的宽幅
对塔里木河下游而言,两次来水量不同的生态输水过程所形成的地下水波动带宽度也不同,且后一次输
水效果又是前次与本次输水过程共同作用的结果。 根据地下水响应幅度的计算方法(公式 1),得出下游 4 个
断面生态输水的影响(图 4),通过对曲线的拟合,相关系数在 0.01 的水平上都达到极显著,求出每个断面的
最大响应幅度(表 3)。
表 3摇 塔河下游不同断面响应宽幅
Table 3摇 The response amplitude of groundwater in the lower reaches of Tarim River
断面
Section
拟合方程
Fitting equation R
2 P 影响距离Response scope / m
英苏 y = -2伊10-6x2+ 0.0001x + 2.7383 0.9305 0.0001** 1195
喀尔达依 y = 2伊10-6x2-0.0042x + 2.8356 0.9983 0.0001** 1050
阿拉干 y = 5伊10-7x2-0.0026x + 3.3293 0.9916 0.0001** 2281
依干不及麻 y = 3伊10-6x2-0.006x + 3.209 0.9957 0.0001** 1000
摇 摇 x: 影响距离,y: 地下水响应幅度,**: 在 琢= 0.01的水平上,回归系数达到极显著水平
地下水位的变化过程与河道来水过程密切相关,由于目前采取沿自然河道线性输水的方式,就水流从上
而下呈纯耗散状态,河道上断面过水流量应大于下断面,沿输水河道中轴线向两侧,地下水位升幅呈逐渐减少
的趋势,对生态输水的响应程度由上而下逐渐减弱,距放水口较近的英苏断面的地下水位响应敏感,影响距离
为 1195 m;距放水口较远的依干不及麻断面的地下水位响应幅度最小,影响距离为 1000 m;距放水口较远位
置的断面水量少,持续时间短,放水后其地下水响应幅度变化远小于距放水口较近位置的断面;随着与河道距
离的增加,地下水位的变化趋于平缓。 对下游英苏、喀尔达依、阿拉干和依干不及麻河道生态影响幅度计算,
发现中间断面阿拉干响应幅度(2281 m)在 4个断面中最大,其原因主要是采用 2004年和 2010年生态输水所
测定资料进行计算,这两次输水均为其文阔尔河和老塔河双河道输水,两河道交汇后的阿拉干断面的生态流
量均大于其他断面,造成地下水位影响幅度最大。
3.2摇 地下水恢复需水量
塔河下游由于河道断流多年,造成地下水严重亏损,通过长期输水把河道附近最大有效影响范围内的地
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下水位上升到生态水位以后,地下水主要消耗于潜水蒸发和植被蒸腾,必须恢复到一定水位,称为地下水恢复
水量[33]。 因而,本文认为地下水恢复量的估算问题,关键就是寻找既能减少地下水强烈蒸发返盐,又不造成
土壤干旱而影响植物生长的地下水位称为合理生态水位。 徐海量[39]在探讨塔河下游合理水位认为当地下水
位在 4.5 m 以上时,基本能满足乔、灌木生长需水,一般不会发生荒漠化。 荣丽杉[40]根据地下水埋深与胡杨
样枝生长的关系,塔里木河下游合理地下水生态水位为 4—6 m。 郝兴明[41]分析地下水位变化对植物物种多
样性与种群生态位的影响,认为地下水埋深 4—6 m 为合理生态水位。 宋郁东[34]根据潜水蒸发极限,把 4—
4郾 5 m作为合理生态水位的下限。 叶朝霞[29]基于生态水文过程的塔里木河下游植被生态需水量研究,根据
阿维里杨诺夫公式计算当地下水埋深达到 4.5 m时,潜水蒸发量接近 0。 因此,本文认为可以把 4.5 m地下水
埋深作为下游合理地下水生态水位。
根据公式(2)计算可得到下游河道各断面地下水埋深恢复至生态水位的单位河长的需水量,由式(3)可
得到河段区间的地下水恢复需水量,最后得下游大西海子鄄台特玛湖地下水埋深恢复至 4.5 m 所需水量(表
4)。 塔里木河下游齐文阔尔河段区域的地下水总恢复需水量为 4.98伊108 m3,老塔里木河段地下水恢复需水
量为 2.09伊108 m3,历经 12次输水后,塔里木河下游地下水总恢复需水量为 7.06伊108 m3。 根据塔里木河下游
大西海子以下近年来实际供水情况:(1)干流三源流近 10 年供给大西海子以下水量为 0.9伊108 m3;(2)近 10
年大西海子以下年平均供给水量为 2.3伊108 m3;(3)大西海子以下规划年供给水量为 3.5伊108 m3。 根据杨鹏
年[42]塔里木河干流下游生态输水后水量转化特征,河道径流量对地下水的补给量占其河道年平均径流量的
比例约为 38郾 1%—56.5%,随着输水次数的增加,河道对地下水的补给量呈逐渐减小并趋于一定值,而蒸腾量
则呈逐渐增加的势态。 按照大西海子以下年平均供给水量为 2.3伊108—3.5伊108 m3,本次地下水恢复量需要
时间为 5—8a。 若地下水恢复需要 5a完成,每年恢复水量需要 1.41伊108 m3;若地下水恢复需要 8a完成,每年
恢复水量需要 0.88伊108 m3。
表 4摇 塔里木河下游地下水恢复需水量(108 m3)
Table 4摇 Water requirement for the groundwater recovery in the lower reaches of the Tarim River
河段
River reaches
水位变动带饱和差
Saturation deficit of
fluctuation belt of
water table / M
土壤容重
Soil bulk density /
(g / cm3)
区间长度
Spacing Length / km
区间面积
Spacing area / m2
区间需水量
Spacing water
requirement / 108 m3
A 0.1403 1.36 61.4 1268.85 0.30
B 0.1403 1.36 34 2774.55 0.36
C 0.1403 1.36 109.1 3577.65 1.49
D 0.2018 1.36 96 3571.75 1.88
E 0.2018 1.36 57 3028.60 0.95
F 0.1403 1.36 54 1901.60 0.39
G 0.1724 1.36 91 3973.55 1.70
总计 Total 502.5 20096.55 7.06
摇 摇 A:大西海子鄄英苏(齐河);B:英苏鄄喀尔达依(齐河);C:喀尔达依鄄阿拉干(齐河);D:阿拉干鄄依干不及麻(齐河);E:依干不及麻鄄台特玛湖
(齐河);F:大西海子英苏(老塔河);G:英苏鄄阿拉干(老塔河)
3.3摇 植被生态需水量
对于干旱区而言,植被是河道外生态系统的主体,也是整个流域生态系统最主要的保护对象,河道外天然
植被需水是河道外生态需水计算的关键。 目前主要采取线性输水的方式打通下游河道,以廊道状补偿水分,
导致输水后主要是近河道地下水位发生变化,远离水源地的区域地下水位仍然无法得到抬升。 因此,本文对
下游的生态需水提出 2种方案:(1)保护下游所有天然植被,在丰水年可以通过生态闸实现“由线到面冶的生
态输水方式;(2)保护下游地下水响应带天然植被,主要保证河道的水文过程完整及绿色走廊的生态稳定。
根据植被生态需水量计算方法,得出不同方案下不同植被类型的生态需水量(表 5)。
塔里木河下游绿色走廊总面积 518181.75 hm2,天然植被面积为 96114.09 hm2,占 18.54%,其中乔木、灌
736摇 3期 摇 摇 摇 白元摇 等:基于地下水恢复的塔里木河下游生态需水量估算 摇
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木、草地面积分别为 10759.64、39119.81hm2和 46235.25 hm2,生态需水量分别为 5.15伊106 m3、17.63伊106 m3和
35.96伊106 m3,则保护下游所有天然植被总生态需水量为 0.587伊108 m3。 根据塔里木河输水情况,采用双河道
恢复天然河道植被,保护目标主要是沿河道两侧的天然植被。 按照以上生态输水对地下水的影响幅度,保护
距离取离大西海子水库最近的英苏断面的地下水响应幅度,因此,通过 ArcGIS缓冲区分析提取下游大西海子
-台特玛湖河段两岸 1195m 的植被面积,天然植被面积为 41439郾 85 hm2,其中乔木、灌木、草地面积分别为
9287.22、24718.64 hm2和 7434.00 hm2,生态需水量分别为 4.45伊106、11.23伊106 m3和 5.32伊106 m3,则总生态需
水量为 0.21伊108 m3。
表 5摇 塔里木河干流乔、灌、草植被类型面积及生态需水量
Table 5摇 Vegetation acreage and ecological water demand of woods, shrubs and herbs in the lower reaches of the Tarim River
植被类型
Type
盖度
Coverage
下游植被 Natural vegetation
面积 / hm2
Area
需水量 / (108m3)
Water requirement
下游响应带植被 Response scop vegetation
面积 / hm2
Area
需水量 / (108m3)
Water requirement
乔木 Woods >0.5 0.09 3.37伊10-6 0.09 3.37伊10-6
0.5—0.3 38.93 5.58伊10-4 38.18 5.47伊10-4
0.3—0.1 8469.20 4.21伊10-2 7308.62 3.63伊10-2
<0.1 2250.81 8.82伊10-3 1940.33 7.61伊10-3
灌木 Shrubs >0.3 47.41 1.11伊10-3 42.17 9.88伊10-4
0.3—0.1 20883.25 1.04伊10-2 13831.14 6.88伊10-2
<0.1 18189.14 7.13伊10-2 10845.33 4.25伊10-2
草地 Herbs >0.7 137.77 1.48伊10-2 0.00 2.34伊10-7
0.7—0.3 372.63 8.73伊10-3 71.67 1.68伊10-3
0.3—0.1 32994.13 2.86伊10-2 4759.18 4.13伊10-2
<0.1 12730.71 4.99伊10-2 2603.15 1.02伊10-2
总计 Total 96114.09 5.87伊10-2 41439.85 2.10伊10-2
4摇 结论与讨论
(1)塔河下游地下水位的抬升幅度与输水量的大小呈一定的正相关关系,并存在一定的时效性。 2004—
2010年地下水处于长期的负均衡状态,地下水位区域性下降,多年下降幅度明显。 塔河下游地下水的主要补
给来源为河道径流以垂向和侧向的方式补给,地下水波动幅度随距离的增加在纵横两个方向上均逐渐趋缓。
输水效益的显现是一个漫长的过程,正如输水前植被的退化过程很缓慢一样,地下水的响应和下游植被的生
态响应在一个大的空间和时间尺度上将逐步显现[17]。 陈亚宁等[43]塔里木河下游的 4 次输水的横向影响范
围达 1000 m左右;杨鹏年等[26]运用地下水模拟软件 ProcessingModflow进行了 10 年期的间歇输水模拟,输水
的影响范围保持在距河两侧 3 km的宽度内。 从目前响应的范围看,仍然在有限的区域内发生,可保护的植被
范围也主要集中于此,远未达到恢复和重建下游生态环境的目标,要实现大规模的生态恢复,还必须在输水过
程中适当增加河水漫溢的次数和干扰的强度。
(2)地下水位既是对河道输水产生响应的敏感因子,同时也是决定植被恢复的重要因素。 塔里木河下游
输水有效地抬升了河道两侧的地下水位由输水前的 6—8 m 抬升到了 2—4 m[16]。 地下水恢复变化首先与断
面距离水源地大西海子水库的远近有关,其次与离河距离远近有关[27]。 经过 11a 的输水后,地下水恢复至生
态水位的恢复需水量为 7.06伊108 m3,根据间歇性输水条件下水量转化关系,则需要 5—8a 的时间。 王让会
等[28]计算塔河下游大西海子至台特玛湖两岸植被保护 1 km宽度,地下水恢复至 4 m水位恢复水量为 14.4伊
108 m3,胡顺军[44]计算塔里木河下游地下水恢复水量则为 20.056伊108 m3,由于采用的现状地下水位和合理生
态水位的不同造成地下水生态环境恢复需水量的差异。 在输水期间,下渗的河水一部分被土壤与植物所蒸
散,另一部分进入含水层补给地下水。 地下水不断地补充土壤水,同时裸露土地的潜水蒸发、河道水域的蒸发
也在进行,地下水远远不断的向外排泄[38]。 因此,在生态输水过程中,不仅要考虑适宜的输水量来保证地下
836 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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水处于正均衡状态,而且要根据适宜地下水位进行输水方式的调整,维持地下水位的稳定,减少不必要的沿程
蒸发损失[44]。
(3)塔里木河下游大西海子以下保护所有天然植被面积为 96114.09 hm2,生态需水量为 0.587伊108 m3,若
保护下游地下水响应带天然植被面积为 41439.85 hm2,生态需水量为 0.21伊108 m3。 从目前输水响应带看,仅
维持了天然植被 35.8%的生态需水量,生态输水工程必须继续开展下去。 天然植被面积是计算生态需水量的
关键,陈亚宁等[45]计算塔里木河下游天然植被面积为 14.16伊104 hm2,叶朝霞等[29]确定下游天然植被面积为
37.21伊104 hm2,本文采用 2010年遥感影像计算河道外生态需水量结果可信。 生态水文过程的完整是河岸生
态系统稳定的基础,对植物和动物具有摘要意义,断流造成流域水文过程的完整性丧失,地表水与地下水转换
的途径被切断[45]。 按照塔里木河流域近期综合治理规划确定的目标———大西海子水库以下多年平均下泄水
量为 3.5伊108 m3,随着生态输水效应的不断扩大,可以实现更大范围荒漠河岸林的保护与恢复。 在水资源紧
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水方式和输水规模进行调整。
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