塔里木河生態輸水的累積生態響應

廖淑敏，薛聯青,2,3，陳佳澄，任 磊，王 晶，馮 怡，魏光輝

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；3.河海大學文天學院，安徽 馬鞍山 243000； 4.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；5.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 832000)

塔里木河流域天然降水蒸發懸殊，生態環境極為脆弱[1-3]。自20世紀50年代大西海子水庫建成以來，水資源開發配置不合理現象加劇，導致塔里木河流域水資源量銳減，下游河道斷流，地下水位大幅降低，嚴重破壞了維系地下水的植被的正常生長，流域生態環境不斷惡化[4-6]。為挽救日漸衰退的生態環境，政府自2000年啟動了塔里木河下游應急生態輸水工程，截至2017年共進行了18次生態輸水[7- 8]。針對生態輸水的生態作用和生態價值，眾多學者分析研究了塔里木河下游地下水和植被對生態輸水的響應機制，如徐海量等研究了生態輸水后塔里木河下游地下水的變化規律[9]及天然植被的響應[10]；白元等[11]借助RS和GIS技術估算了塔里木河下游的生態需水量；王希義等[12]探討了生態輸水對下游植被的恢復價值。但對于生態輸水的累積生態響應[13-15]目前研究較少，本文以第12～18次生態輸水為例，基于研究區5個監測斷面41個監測井數據，采用經驗統計模型和克里金插值法量化輸水前后地下水埋深和歸一化差異植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)兩個指標的累積時空變化，分析累積生態輸水量下地下水和植被的時空變化規律，揭示塔里木河下游對生態輸水的累積生態響應規律，以期為今后塔里木河流域的生態恢復提供依據。

1 研究區概況

如圖1所示，研究區位于塔里木河干流下游，從大西海子水庫至臺特瑪湖區間河段，該河段流域以東與庫魯克沙漠相連，以西毗鄰塔克拉瑪干沙漠，穿過兩沙漠之間的狹長沖積平原[3]，具有典型的干旱荒漠特征。

圖1 研究區及監測斷面示意圖

2 材料與數據

2.1 生態輸水概況

2011—2017年共實施了7次間歇性輸水，即第12～18次生態輸水，累積輸水量超過41億m3，其中第12次和第18次輸水量最大，持續時間最長。除第15次輸水水量未到達臺特瑪湖外，其余6次輸水水量均下泄至臺特瑪湖。第12、14及18次生態輸水各分為2個輸水階段，由于第18次生態輸水兩階段間隔時間較短，視作1個輸水階段。

2.2 監測井分布及數據處理

研究區自大西海子水庫起分為北支其文闊爾河和南支老塔里木河，至阿拉干斷面處兩河交匯，注入終點臺特瑪湖。地下水埋深數據來源于塔里木河流域管理局布設的監測斷面的各生態監測井，監測斷面分布見圖1。

采用2011年1月至2017年8月記錄的地下水埋深數據，2017年數據以1—8月代表。輸水前后植被覆蓋度變化采用由MODND1D計算合成的500 m 空間分辨率的月尺度NDVI數據(http:∥www.gscloud.cn)，資料長度為2011—2015年，于Arcgis10.1中提取6、7、8月NDVI。

各監測斷面地下水埋深取日時段平均值得到地下水日埋深，計算得到各監測井及監測斷面旬、月、年平均地下水埋深；研究區NDVI計算平均值和變化率。以研究區上游恰拉斷面2009—2015年的逐日監測流量作為大西海子水庫下泄流量，將生態輸水量按比例生成輸水期內的水文隨機序列，采用經驗統計模型研究累積生態輸水量與地下水埋深及其與NDVI的相關關系。

3 生態輸水的累積時空響應

3.1 地下水埋深的累積時間響應

3.1.1 地下水埋深年際變化

a. 下游河道年際變化。根據2011—2017年地下水埋深數據，計算各監測斷面年平均地下水埋深，以研究區各監測斷面的平均地下水埋深代表下游河道的地下水埋深，結果如表1所示。地下水對7次生態輸水響應直觀反映為下游各監測斷面及下游河道整體地下水位的抬升，對下游河道年平均地下水埋深進行趨勢擬合，整體上升趨勢系數為0.210 6。滿足植被正常生長的合理地下水埋深為2～6 m[5-6]，下游河道多年平均地下水埋深已達5.363 m，達到植被正常生長所需的地下水埋深。累積生態輸水量及塔里木河下游河道月平均地下水埋深變化如圖2所示，當輸水量較大、輸水持續時間較長時，地下水位持續平穩抬升；當輸水量較小、輸水間隔時間較長時，地下水位急劇回落；隨著輸水量的累積，間歇輸水即便輸水量較小地下水位也會出現抬升。表明累積輸水效應下，輸水量維持在較小范圍內地下水位也會抬升。下泄流量和輸水時間間隔對地下水位的抬升、回落速率有至關重要的影響，由圖2下游河道平均地下水埋深變化折線的各段斜率可知地下水位在輸水量累積至 20.07億m3(1.901 m/月)和24.76億m3(1.522 m/月)時抬升效率最佳。

表1 各監測斷面及下游河道2011—2017年平均地下水埋深 m

圖2 研究區下游河道和庫爾干斷面地下水埋深月變化

b. 典型斷面年際變化。庫爾干斷面是研究區最后一個斷面，經長距離輸水，其地下水埋深變化具有典型性。計算庫爾干監測斷面月平均地下水埋深，結果如圖2所示。下游河道平均地下水位在時間跨度較長、輸水間隔較短的月份有明顯抬升，輸水強度大時地下水位抬升量較大，且非輸水期時回落幅度小；輸水強度小時，地下水位有明顯波動。從7次生態輸水整體來看，生態輸水對地下水的補給作用顯著，下游河道地下水位抬升明顯，地下水位呈逐年上升趨勢。庫爾干斷面地下水埋深月變化趨勢同下游河道基本一致，各次輸水期起始時段地下水位有小幅回落，約半月過后出現明顯抬升，反映出地表水對地下水補給的延遲現象。

3.1.2 地下水埋深與累積生態輸水量的關系

大西海子水庫的下泄流量即為生態輸水量，以2011—2015年恰拉斷面的監測流量作為大西海子水庫的入庫流量，以恰拉斷面日監測流量占輸水時段監測總流量的比例，將生態輸水量逐日分配至輸水期，建立生態輸水量與徑流對應的隨機水文序列。分析所采用的地下水埋深為下游河道平均地下水埋深。

采用經驗統計模型，對研究的各次生態輸水量和輸水期內逐日地下水埋深進行相關分析。由于輸水序列未通過正態分布檢驗，故選擇Spearman相關分析法。累積生態輸水量與地下水埋深之間的相關系數為0.079，各次輸水量與輸水期地下水埋深存在Spearman正相關關系，但十分微弱。對累積生態輸水量與輸水不同時間后地下水埋深之間的關系進行相關性分析，結果見表2，表中相關關系均已通過置信區間為99%的置信度檢驗。由表2可知，同各次輸水量與地下水埋深的相關關系相比，累積生態輸水量與輸水不同時間后地下水埋深的正相關性更加顯著，從輸水期至輸水80 d后，各相關系數均呈逐漸增大趨勢。累積生態輸水量與輸水期地下水埋深顯著正相關，輸水90 d后各相關關系顯著，在輸水80 d后相關性最顯著，Spearman相關系數高達0.925。地下水埋深對生態輸水的累積響應自輸水期起至輸水后3個月均十分明顯，且對生態輸水的累積響應具有明顯的滯后性，據此推論合理的輸水時間應選在植被生長季節前1～2個月。

表2 累積生態輸水量與輸水不同時間后地下水埋深的Spearman相關關系

注：**表示在0.01置信水平(雙側)上顯著相關。下同。

以旬為單位，計算各監測斷面旬平均地下水埋深，取歷次輸水前后各監測斷面出現的最大、最小地下水埋深，并分別以其平均值作為輸水前后的最大地下水埋深和最小地下水埋深，擬合與累積生態輸水量的對數曲線如圖3所示，分析生態輸水量對最小地下水埋深的累積效應。由圖3可知，隨著累積生態輸水量的增大，生態輸水前出現的最大地下水埋深與輸水后出現的最小地下水埋深均呈遞增態勢，但遞增速率逐漸減小。累積生態輸水量與最小地下水埋深的正相關性十分顯著，其擬合優度R2高達0.926，但與最大地下水埋深的相關性不明顯，擬合優度僅有0.469。表明輸水量對下游河道的地下水具有顯著的補給作用，而輸水結束后的徑流量對最大地下水埋深的作用并不顯著。隨著累積生態輸水量的遞增其累積效應的增長性由大減小，地下水位對累積生態輸水量的響應也由強到弱，在某一輸水量區間地下水抬升量將變得不再明顯，地下水位抬升速率減緩，逐漸趨于某一穩定數值，此時累積效應增長放緩，輸水效益減弱，進行過量輸水會導致水資源的浪費。因此，通過減小輸水量，保持累積效應的增長性是可行的。

圖3 累積生態輸水量與地下水埋深關系擬合曲線

通過確定合理輸水區間進而確定合理生態輸水量對實現塔里木河流域水資源的高效配置具有重要意義。隨著間歇生態輸水工程的實施，輸水成效顯著，目前累積效應處于緩慢增長期，保持合理的輸水量和輸水間隔即可維持后期地下水位的穩定抬升。通過對擬合曲線進行外延計算，最終獲得累積效應較好的輸水量區間為2.5億～5.0億m3/次，連續年份5次輸水后可達最小地下水埋深3.5 m，平均地下水埋深4.2 m。

3.2 地下水埋深的累積空間響應

3.2.1 沿河道方向地下水埋深變化

根據表2，輸水80 d后下游河道地下水埋深對累積生態輸水量的響應最顯著，取各監測斷面輸水80 d后的地下水埋深與累積生態輸水量，采用Spearman經驗統計模型進行分析，結果見表3。由表3可知，英蘇-老英蘇、依干不及麻和庫爾干斷面地下水埋深同累積生態輸水量之間呈極顯著正相關關系，而喀爾達依-博孜庫勒和阿拉爾監測斷面輸水80 d后地下水埋深與累積生態輸水量相關性不如其他斷面的相關性顯著。每間隔5 d取輸水不同時間后兩個斷面的地下水埋深，與累積生態輸水量進行相關性對比分析，發現喀爾達依-博孜庫勒斷面輸水期(0 d后)累積生態輸水量與地下水埋深相關性最高，Spearman相關系數為0.735；阿拉干斷面輸水90 d后累積生態輸水量與地下水埋深相關性最高，Spearman相關系數為0.799。造成兩監測斷面對生態輸水累積響應不明顯的原因可能是該監測斷面部分監測井地下水埋深數據無效、缺失致使數據不完整，且地質條件和河道沿程損耗等導致相關性分析誤差較大。

表3 累積生態輸水量與輸水80 d后監測斷面地下水埋深的相關關系

3.2.2 垂直河道方向地下水埋深變化

研究垂直河道方向地下水埋深的變化規律對確定生態輸水量、擴大受水面積和規劃植被覆蓋范圍具有重要意義。為探究塔里木河下游地下水埋深在垂直河道方向對生態輸水的響應，將5個監測斷面各監測井2011—2017年平均地下水埋深按距河道的距離列出，結果見圖4。由圖4可知，隨著距河道距離的增加，各監測斷面平均地下水位呈下降趨勢。地下水位的響應程度隨距河道距離減弱，但各監測斷面中監測井水位的變化并不隨距河道距離的增加逐漸遞減，可能是因為生態輸水后，各監測斷面的滲透能力因土壤質地不同而有較大差異，有限的補給能力令地下水的入滲運動也不同，垂直河道方向各監測井地下水埋深的變化規律仍需進一步探究。要提高生態輸水效益，擴大生態輸水對河道兩岸地下水的影響范圍，應疏浚河道，拓寬河道寬度，擴大過水面積及入滲范圍。

圖4 各監測斷面2011—2017年平均地下水埋深在垂直河道方向的變化

3.3 植被的累積時空響應

3.3.1 NDVI對累積生態輸水的時間響應

分別提取塔里木河干流下游研究區2011—2015年6—8 月的NDVI，計算夏季NDVI平均值，結合恰拉斷面2009—2015年日監測流量及生態輸水量，采用Spearman經驗統計模型進行植被對累積生態輸水量響應的相關分析。累積3 a、2 a和1 a的生態輸水量與當年夏季NDVI平均值的相關系數如表4所示，表中相關關系均已通過置信區間為99%的置信度檢驗。

表4 累積生態輸水量與夏季NDVI平均值的相關系數

NDVI值為正表示有植被覆蓋，2011—2015年夏季NDVI平均值分別為0.105、0.112、0.123、0.114和0.120(平均值為0.115)，呈波動增加。由表4可知，累積3 a輸水量與當年夏季NDVI存在顯著正相關性。研究區夏季NDVI平均值與累積2 a輸水量存在相關關系，但相關性不強。NDVI對生態輸水的累積響應十分明顯，但生態輸水對植被的影響具有滯后性，持續3 a的輸水對NDVI具有積極的累積效應，當年植被覆蓋同時受當年輸水量及2 a前輸水量的影響，NDVI對輸水的響應隨著時間和輸水量累積而增強，其累積響應在累積3 a的輸水量下最明顯。累積1 a輸水量與夏季NDVI的Spearman相關系數為負值，二者是否存在負相關關系尚不清楚，可能是由于2009—2015年輸水期幾乎都集中在6—8月，而本研究選取的數據是6—8月的NDVI，地下水埋深對生態輸水的響應時差在80 d左右，因此當年輸水量對夏季NDVI影響甚微。根據植被生長時間和地下水對輸水響應的滯后性，合理輸水時間為每年的4—6月和9—11月，適宜輸水間隔為5～12個月。

3.3.2 NDVI對累積生態輸水的空間響應

提取研究區大西海子水庫至臺特瑪湖河段17 596個像元6—8月的NDVI值，計算各月各像元相對于前一月份的NDVI變化率，并采用克里金插值，得到NDVI變化率空間分布如圖5所示,研究區NDVI變化率在-0.668～2.743之間。河道附近的夏季NDVI變化率為正，植被覆蓋度呈增加趨勢，尤以大西海子水庫及臺特瑪湖附近明顯。大西海子水庫作為生態輸水下泄起始端，其附近流域地下水可獲得較為充足的補給；經由多次輸水工程，臺特瑪湖湖面擴大，湖面水位升高，地下水位大幅抬升，故植被覆蓋度增加，這表明河道及湖面的開闊，有利于下游植被的恢復重建。研究區8月植被覆蓋度增長帶與7月相比面積大、覆蓋范圍廣。處于連續輸水期的夏季植被在研究區范圍內大面積增加，植被覆蓋連續面積擴大；不在連續輸水期或未進行輸水的夏季植被僅在河道附近小范圍增加，植被覆蓋不連續，NDVI增幅小，增長帶破碎。為恢復植被，擴大生態輸水效應，應調查不同物種生長時期，結合植被落種時間，選擇生長季節前的適宜時機進行輸水。考慮到地下水對生態輸水響應的滯后性，為擴大地下水和植被對生態輸水的響應范圍，應提高生態補水的入滲效率，提高地表水對地下水的補給效率。

4 結 論

a. 地下水及植被覆蓋對生態輸水的累積響應顯著，累積生態效應表現為地下水位明顯抬升，由2011年的6.155 m抬升至2017年的4.543 m，抬升量1.612 m；夏季NDVI值呈波動增長，由2011年的0.105增大至2015年的0.120，增長率14.29%。

b. 地下水埋深對生態輸水的累積響應具有滯后性，累積時間響應表現為先增后減，輸水80 d后累積效應最顯著；累積空間響應表現為沿河道方向，輸水80 d后的地下水埋深與累積生態輸水量關系最顯著；垂直于河道方向，地下水對累積生態輸水量的響應隨距河道距離增加而減弱。

(a)2012年7月

(b)2012年8月

(c)2013年7月

(d)2013年8月

(e)2015年7月

(f)2015年8月

圖5 研究區夏季NDVI變化率空間分布

c. NDVI對生態輸水的累積時間響應表現為與近3 a累積輸水量顯著正相關；累積空間響應表現為大西海子水庫和臺特瑪湖附近NDVI增長最顯著，河道附近NDVI明顯增長。

d. 累積輸水效應下，輸水量與最小地下水埋深呈對數曲線正相關增長，累積效應的增長性由強到弱，地下水位漸趨穩定。推薦近期輸水量為2.5億～5.0 億m3/次，合理輸水時間為每年的4—6月和9—11月，適宜輸水間隔為5～12個月，預期連續年份5次輸水后累積效應可達最小地下水埋深3.5 m，平均地下水埋深4.2 m。