塔里木河下游生態需水量分析

王 劍

（塔里木河流域干流管理局下游管理處，新疆 庫爾勒 841000）

由于水資源嚴重短缺，塔里木河下游河道多處出現斷流，天然植被大面積衰退。要保證河道最小生態徑流需水和生態系統中天然植被生態需水，需對塔里木河下游生態需水量進行分析。

1 概況

塔里木河干流全長1 321 km，恰拉以下至臺特瑪湖為下游。塔里木河下游河道長428 km；縱坡較中游段大，平均為1/5 900；河床寬100 m 左右，比較穩定[1]。塔里木河干流屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，降雨稀少，蒸發強烈，氣候干燥，多風，日照長，溫差大，夏季炎熱，冬季干冷[2]。由于水資源短缺，塔里木河下游生態缺水嚴重。塔里木河下游大西海子水庫以下水系分布，如圖1所示。

圖1 塔里木河下游大西海子水庫以下水系分布

經調查，塔里木河下游生態保護范圍為：垂直河道0～500 m 劃定為重點保護帶，植被主要以胡楊為主，少量分布有檉柳、鈴鐺刺和駱駝刺等灌木或半灌木，地下水埋深維持在4 m 以上較為適宜；垂直河道500～1 000 m 為基本保護帶，檉柳灌叢分布較多，胡楊多退化衰敗，地下水埋深維持在4～6 m 較為適宜；河道兩岸各1 000 m 為一般保護帶，部分區域分布有沙漠化形成的檉柳沙包，地下水埋深多在6 m以下。

2 塔里木河下游植被生態需水機理

選取塔里木河下游3 種典型植物優勢種胡楊（喬木林優勢種）、檉柳（灌木叢優勢種）和蘆葦（草本優勢種）為代表，測定其月蒸騰過程。

2.1 胡楊耗水過程分析

在塔里木河下游選擇長勢較好的胡楊作為研究樣地，與胡楊呈十字交叉布設4個3.5 m長的中子儀水分監測管和1 口5 m 深的地下水位監測井，每隔5～10 d 監測1 次土壤水分及地下水埋深。經監測，胡楊月耗水量最小值出現在1 月，為0.194 mm/d；之后逐漸增加，至7 月出現最大值，為8.410 mm/d；8—12月逐漸下降。對胡楊不同年份各月耗水量進行統計平均，得出年內月均耗水量最大值出現在7 月，為6.494 mm/d；月均耗水量最小值出現在1 月，僅為7月的6.2%。

2.2 檉柳耗水過程分析

在塔里木河下游選取具有代表性的檉柳灌叢，在其中布設1 根3.5 m 長的中子管和1 口5 m 深的地下水位監測井，每隔10～15 d 監測1 次土壤水分及地下水埋深。根據水量平衡原理，計算檉柳的耗水量。與胡楊相似，受區域蒸發強度影響，檉柳的月耗水量在1—6 月逐漸增加，之后的7、8 兩個月轉變為下降，但在9月出現最大值，為5.73 mm/d；之后的10—12 月減少，最小值出現在12 月，為0.16 mm/d。對檉柳不同年份各月耗水量進行統計平均，得出年內月均耗水量最大值出現在9 月，為2.911 mm/d；月均耗水量最小值出現在12月，僅為9月的5.5%。

2.3 蘆葦耗水過程分析

在生長的蘆葦叢布設1 根3 m 長的中子管和1口3 m 深的地下水位監測井，每隔5～10 d 監測1 次土壤水分及地下水埋深。經監測，蘆葦的月耗水量在1—7月呈波動上升趨勢，并在7月出現最大值，為4.484 mm/d；在7—12 月轉變為遞減，最小值出現在12 月，為0.129 mm/d。對蘆葦不同年份各月耗水量進行統計平均，得出年內月均耗水量最大值出現在7 月，最小值出現在12 月為0.290 mm/d，年內月均耗水量最小值僅為7月的6.8%。

總體來看，3 種植物7 月的月蒸騰量最大，占年蒸騰量的16.5%；蒸騰量主要集中在4—9月，占年蒸騰量的77.2%，可視為研究區荒漠河岸林的主要需水期。為了維持流域荒漠河岸林群落自我更新和自我繁殖功能，在塔里木河下游必須利用生態輸水工程同時調整輸水時間，以實現生態輸水與荒漠河岸林物種更新二者之間的生態契合。

3 生態需水分析

生態需水是指為了維持流域生態系統的良性循環，在開發流域水資源時必須為生態系統的發展與平衡保證其所需的水量，一般包括河道基流生態需水和天然植物生態需水。塔里木河下游河道兩岸分布的天然植被主要是非地帶性植被，依靠地下潛水維持生命。由于下游段河道斷流多年，地下水嚴重虧損，應對下游河道補充一部分水量將地下水恢復到目標水位[3]。

3.1 河道基流生態需水量

選取英蘇、阿拉干和依干不及麻3 個典型斷面（如圖1 所示），采用濕周法對塔里木河下游生態需水量進行分析。

濕周法是以濕周作為生態系統棲息地指標，把濕周-流量關系曲線上某一臨界點所對應的流量作為生態流量。目前確定濕周-流量曲線的方法主要有斜率法和曲率法。因斜率法估算河道最小生態需水量時臨界點取值存在較大的不確定性，而曲率法確定臨界點更符合實際情況[4]，因此本文采用曲率法。

采用2013 年第五次和2015 年生態輸水時測定的濕周、流量數據，對英蘇和依干不及麻2個斷面的濕周-流量采用冪函數曲線模擬、阿拉干斷面采用對數曲線模擬，擬合曲線的可決系數在0.8 以上，說明擬合效果較好。在對各斷面濕周-流量曲線模擬的基礎上，確定流量變化的臨界點。曲率法曲率計算公式如下：

式中：K曲為曲率；P為濕周（m）；Q為流量（m3/s）[5]。

對式（1）等號右邊求導，得到相應于濕周-流量關系曲線上曲率對流量的導數。數學上，曲率最大的點對應于曲率對流量的導數為0的點。令曲率對流量的導數為0，計算得出的Q值即為河道最小生態流量。

濕周法計算結果表明，大西海子水庫以下英蘇、阿拉干和依干不及麻3 個斷面的過水流量分別為1.125、4.586和1.463 m3/s。

就塔里木河下游而言，水流自上而下呈純耗散狀態，河道上游的過水流量應該大于河道下游。通過對英蘇、阿拉干和依干不及麻河道生態流量計算，中間斷面阿拉干在3 個斷面中過水流量最大，而上游英蘇斷面過水流量最小，其原因主要為本次采用的是塔里木河第五次和第六次輸水所測定資料進行計算的結果，而這2 次輸水均為其文闊爾河和老塔河雙河道輸水，造成阿拉干和依干不及麻斷面的最小生態徑流量均大于英蘇斷面。

采用英蘇、阿拉干和依干不及麻3 個斷面中阿拉干的最小徑流量作為下游河道生態流量下限值。假設下游河道全年過水，則大西海子以下河道基流生態需水量為1.455 億m3。另外，考慮到塔里木河來水量具有明顯的季節性特征，干流在每年的3—6月為枯水期，假定枯水期下游河道不過水，僅每年7—翌年2 月河道過水，則塔里木河下游大西海子以下河道生態需水量為0.965億m3。

3.2 天然植被生態需水量

大西海子以下至臺特瑪湖疏林地、有林地、低覆蓋度草地和高覆蓋度草地的面積分別為38 879.4、11 005.9、28 503.6 和17 737.0 hm2，通過潛水蒸發模型計算植被生態需水量為1.086 億m3，通過面積定額法計算植被生態需水量為1.103 億m3。大西海子至臺特瑪湖天然植被生態需水量取潛水蒸發法和面積定額法計算結果的均值1.095億m3。

3.3 不同天然植被保護帶的生態需水

近50 a 來，隨著上游生產、生活用水的快速增加，塔里木河下游來水量呈顯著下降趨勢。同時，河流來水量自身也受到水文周期的影響，存在著豐枯變化。根據下游兩岸林地累計面積分布頻率曲線和目前塔里木河工程措施的影響，確定重點保護帶、基本保護帶和影響保護帶3個不同級別的保護帶。重點保護帶為河流主河道能夠影響到的寬度；基本保護帶為河道正常來水情況下，工程措施達到的自然漫溢范圍；影響保護帶為當河道來水量增加后，通過地下水能夠影響到的最大范圍。制定不同林地的保護范圍，對指導實踐中不同水文年的水量分配具有重要意義。下游段天然植被多分布在近河道，沿線地下水埋深較深，生態供水后水量主要消耗于河道入滲，可以將目前雙河道設置成“枝杈”式的輸水通道，以擴大供水影響范圍。考慮到天然植被生長耐受限度，下游生態輸水間隔不宜小于3 a，按照下游大西海子以下年生態需水量計算，3 a輸水總量不應小于7.85億m3。

根據塔里木河下游大西海子以下生態需水量要求，確定以下3種規劃：①規劃1：保護大西海子以下生態范圍需水量為0.9 億m3；②規劃2：近10 a 來塔里木河輸水的平均水量為2.3 億m3；③規劃3：塔里木河總體規劃目標生態需水量為3.5 億m3。本研究計算得出塔里木河下游大西海子以下生態需水量為3.587 億m3，與塔里木河總體規劃目標相一致，證明了本研究的正確性。

3.4 天然植被的最大給水間隔

生態輸水對塔里木河下游沿河區域的地下水抬升和回落影響具有一定的時空差異，導致了地表植被在空間上表現為從上到下的差異和距河道由近而遠的差異、在時間上表現為隨輸水持續時間的延長其響應越來越明顯的特點。

3.4.1 不同漫溢頻次下植物群落結構變化

一年生草本、多年生草本和喬灌木的重要值在不同漫溢頻次梯度下的變化及差異，詳見表1。

表1 不同漫溢干擾頻次下植被變化

由表1 可知，不同漫溢條件下的植物群落組成會發生明顯改變。在無漫溢條件下，喬灌木的重要值為0.879，此時樣地內沒有出現一年生草本，多年生草本的重要值也僅為0.121，因此喬灌木為無漫溢條件下樣地群落的主要植被。漫溢干擾后，草本植物幼苗大片萌發，群落物種組成發生一定的變化。其中，一年生草本的重要值變化表現情況如下：除“多年1次”漫溢頻次樣地外，其余3個漫溢頻次樣地與對照樣地相比均有顯著差異（P＜0.05），特別是頻次為“多年多次”的漫溢樣地與對照樣地之間的差異達到了極顯著水平（P＜0.01），且該樣地中的一年生草本重要值為5 個漫溢樣地的最大值（0.415），因此一年生草本為該漫溢頻次樣地的主要物種。漫溢干擾后多年生草本的重要值在4個漫溢頻次下均表現為顯著增加（P＜0.05），“多年1 次”漫溢樣地中的重要值為4 個漫溢頻次樣地的最大值（0.581），因此多年生草本為“多年1 次”和“1 a 1～2 次”漫溢頻次樣地的主要物種。4 個漫溢頻次梯度下的喬灌木重要值與對照樣地相比均有所減少，且分析結果均達到極顯著水平（P＜0.01），受“1 a 多次”頻次的漫溢干擾影響，喬灌木的重要值有所減小但仍大于其余2種植被的重要值，因此喬灌木在頻次為“1 a多次”的漫溢樣地中占據優勢。綜合以上分析可知，中等頻次的漫溢干擾有助于一年生草本和多年生草本的恢復，而較為頻繁的漫溢干擾對于喬灌木恢復則更為有益。

3.4.2 不同漫溢頻次下植物群落多樣性變化

隨著塔里木河下游輸水后地下水位的不斷抬升，地下水位逐漸接近并淺于極限蒸發水位，潛水蒸發顯著加強，生態輸水對地下水位的抬升作用相應減緩，且地下水位越淺，潛水蒸發消耗水量越多，輸水的影響作用會越弱。由此表明，隨著生態輸水的持續實施，河道對地下水的凈補給量逐漸減小并趨于動態平衡，生態輸水的生態效益呈逐漸減小的趨勢。因此，當地下水位超過極限蒸發水位后，應加大生態輸水；當地下水位控制在適宜水位3～5 m 時，建議每年2 次輸水并保證全程過水；當枯水年不能滿足生態恢復的適宜水位時，考慮到保護生態安全的需要，輸水間隔最大不得超過3～5 a。

4 結語

塔里木河下游以胡楊為主體的天然植被嚴重退化，水資源時空格局受人類活動影響發生重大改變，大西海子以下生態問題尤為突出。自2000 年塔里木河“生態輸水”工程實施后，下游生態環境退化趨勢有所遏制，但是，人類活動影響下的下游段河道內、外生態需水量仍不明確。本文基于生態輸水后下游徑流資料，采用水文學方法中的濕周法對下游段大西海子以下河道內生態需水量進行估算，并對下游地下水恢復量進行了探討；同時，在天然植被遙感監測數據判讀的基礎上，采用潛水蒸發法和面積定額法對河道外植被生態需水量進行了估算，可為塔里木河下游水資源分配和管理提供理論依據。