塔里木河下游地下水恢復需水量研究

阿德·阿布拉

（新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

1 引言

生態(tài)需水量是目前生態(tài)環(huán)境等學科研究的熱點內(nèi)容,在保育、修復以及開發(fā)利用生態(tài)系統(tǒng)時都會涉及到生態(tài)需水的問題。生態(tài)需水指確保環(huán)境功能得以維持所需要的水資源量。水資源是限制干旱地區(qū)發(fā)展的重要因素,也是生態(tài)環(huán)境保護的關(guān)鍵所在。當前,人類在不同程度上對干旱地區(qū)的水資源進行開發(fā),生活用水與生態(tài)需水的矛盾逐漸增大。因此急需對干旱地區(qū)的生態(tài)需水進行研究,在確保生活用水的前提下,最大可能滿足生態(tài)需水的要求。塔里木河有著1320 km 長的干流,自恰拉開始則為其下游,長約427 km,寬約50 m,有著40 m3/s 的過流能力。自建成大西海水庫之后,塔里木河下游段即有斷流現(xiàn)象出現(xiàn),在1974 年時臺特馬湖干枯,在1972 年羅布泊干枯,大西海水庫成為塔里木河的尾端。此后,斷點不斷上移到了恰拉斷面,斷流的河長度增長到427 km。地下水位因地表斷流而不斷降低,植被開始枯死,林帶逐漸變得稀疏,因此,急需保護和恢復地下水位。

2 地下水變化原因分析

2.1 堤防的影響

塔里木河的年降水量在70 mm 以下,因此難以有地表徑流形成。僅在洪水期時,河道才會在上游來水的作用下增加徑流,漫溢在下游路段,下滲補充兩岸的地下水。在修建堤防之后,能夠使其防洪的能力有所上升,從而避免河水漫溢的情況出現(xiàn),導致河堤兩岸地下水無法得到補充[1]。在堤防的作用下,地下水的礦化度呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢,而隨著水分的不斷蒸發(fā),地下水位持續(xù)性降低,含鹽量表現(xiàn)出不斷增長的趨勢,導致生態(tài)退化的可能性變大。

2.2 水量變化的影響

塔里木河下游斷流長度和時間不斷增長,導致其水位持續(xù)降低,生態(tài)環(huán)境惡化。自2000 年起開展生態(tài)輸水之后,使河道水量得到有效的增加,地下水位顯著提升,特別是堤防周圍植被密度和種類也有所增加[2]。說明在堤防修建之后,約束了河流部門地段的滿溢區(qū),但堤防外的地下水位以及地表生態(tài)均會受到河道水情的影響。對于塔里木河的生態(tài)而言,持續(xù)性進行生態(tài)輸水對確保其安全至關(guān)重要。

2.3 蒸發(fā)對地下水位的影響

下游區(qū)間的水面蒸發(fā)量以庫爾勒站為代表進行研究。1 月～6 月的在不同區(qū)間下的水面蒸發(fā)總量為597.10 mm,7 月、8 月和9 月不同區(qū)間下的水面蒸發(fā)量分別為182.72 mm、165.60 mm 以及114.06 mm,10 月～12 月的水面蒸發(fā)總量為106.57 mm,全年總共為1166.05 mm。基于該段河流397 km的長度以及86.54 m 的寬度,在0.56 的折算系數(shù)之下,對下游河道分時段的蒸發(fā)量進行計算可以得到：1 月～6 月的總蒸發(fā)量為0.116 億m3；7 月、8 月以及9 月的總蒸發(fā)量為0.035 億m3、0.032 億m3、0.021 億m3；10 月～12 月的總蒸發(fā)量為0.020 億m3,全年累計有0.224 億m3的蒸發(fā)量。在較大的蒸發(fā)量下,無法確保水資源補充充分時,必然會降低河道生態(tài)基流,導致地下水位有所降低。

3 徑流變化與地下水位關(guān)系

為對地下水位和塔里木河徑流的聯(lián)系進行研究,本文共選取6 眼地下水進行觀測。所選研究對象處于沙吉力克河口的河道北岸處,與提防的距離分別為100 m、300 m、500 m、800 m、1000 m 以及1500 m。為研究地下水位的時空動態(tài)變化過程和趨勢,本次監(jiān)測時間為1～2 次每兩個月。

塔里木河區(qū)內(nèi)地下水主要通過地表水進行補充,而其補充方式主要有兩種。一是線性滲漏式補給,在輸水時河道的引水渠通過下滲以及兩側(cè)滲漏的方式進行轉(zhuǎn)化,其主要呈現(xiàn)出兩側(cè)線性的補給范圍,而地表徑流的大小決定了補給量和范圍；二是面狀滲漏補給,主要是由農(nóng)田灌溉或水庫等方式滲漏成地下水。此次研究基于現(xiàn)有資料,以建立地表徑流和地下水埋深之間的曲線方式來了解其變化情況。

通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析研究可以發(fā)現(xiàn),塔里木河徑流和地下水埋深存在較好的線性關(guān)系,為確保數(shù)據(jù)的典型性,本文僅對2015 年～2019 年的恰拉斷面數(shù)據(jù)進行擬合,所得結(jié)果見圖1。

圖1 恰拉徑流與地下水埋深關(guān)系

從圖1 可發(fā)現(xiàn),該斷面的年徑流量和地下水埋深存在較高的年變化相關(guān)性,擬合的R2值均較高,表明所采用方式有著較高的精準度。自2005 年～2019 年,地下水位的埋深隨著不斷增加的徑流量而表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,其原因在于地下水主要通過地表徑流進行補充,地下水的埋深基本可通過年徑流量大小進行表示,對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),與河岸地方相距800 m 以內(nèi)的地方,地下水的埋深和徑流量存在較好的相關(guān)性,說明地下水位受地表徑流的影響較大。在與河岸提防相距800 m 以上的地方,地表徑流和地下水的埋深有著較好的相關(guān)性,但地表徑流對地下水的影響存在滯后性。

4 地下水埋深對地表制備的影響

根系的水分供應決定了該地區(qū)植被的生長,而持續(xù)進行的生態(tài)輸水正是最直接的地下水補充方式[3-4]。自2000 年來實施的生態(tài)輸水工程有效遏制了生態(tài)環(huán)境的退化。但塔里木河的下游段降水量較少,年蒸發(fā)量又多在2000 mm～3000 mm,僅依靠天然降水難以確保植物生命。塔里木河下游段的植被生產(chǎn)力實測值見表1。

表1 塔里木河下游植被生產(chǎn)力實測值

地下潛水是天然植被維護生命的重要方式[5-6]。因當前下游路段常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,因此該路段的地下水存在較大的虧損,必須人工加水,抬高地下水到目標水位,也稱恢復水量。此外,植被正常生長所需水量則稱為蓄水量。地下水在空間和時間上均確保了植物的需水量,越深的地下水位越能確保植物的生長[7]。

表2 不同植被類型地下水埋深

可知,植被的覆蓋度在越高的地下水埋深下均比其植被類型大,表明在塔里木河下游植被的生長以及生態(tài)環(huán)境保護中地下水起到了重要的作用。

5 地下水恢復水量計算

圖2 地下水恢復量示意圖

為恢復下游生態(tài)環(huán)境,塔里木河自2000 年起就開展生態(tài)輸水。在調(diào)水徑流的作用下,下游的河道兩岸有著較為顯著的地下水位的抬升,但生態(tài)輸水具有階段性,因此塔里木河下游段的地下水位并沒有持續(xù)性抬升[8-9]。通過確定的地下水在不同地段水位變動帶飽和差,以1.36 g/cm3作為下游的土壤容重,對三年內(nèi)下游段地下水恢復到4 m～5 m 所需的輸水量進行計算,所得結(jié)果見表3。

表3 地下水恢復到4 m 和5 m 時恢復需水量

從計算結(jié)果可以看出,塔里木河若需要在3 年內(nèi)恢復地下水位,既將其恢復到5 m,則共需要1.59×108m3的恢復水量,若需要將其恢復至4 m,則總共需要3.42×108m3的恢復水量。

6 結(jié)語

在常年性河流中,為使河流基本生態(tài)功能得以維持,必須保證河流最小的生態(tài)需水量得以滿足,這就需要河道徑流量在各時間段內(nèi)都能保持在一定水平,不會有斷流等現(xiàn)象出現(xiàn)以至破壞河流生態(tài)功能。本文通過對植被生長和地下水的聯(lián)系進行研究分析,提出了若需要在3 年內(nèi)實現(xiàn)恢復5 m 的地下水埋深,則需要1.59×108m3的恢復水量,若需要實現(xiàn)恢復4 m 的地下水埋深,則需要3.42×108m3的恢復水量的結(jié)論,為確保塔里木河生態(tài)環(huán)境提供了科學依據(jù),為開展生態(tài)補水工程提供了理論參考。