基于地下水恢复的塔里木河下游生态需水量估算

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 7.06×108 m3, including 4.98×108 m3 from Daxihaizi reservoir to Taitema Lake and 2.09×108 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 0.587×108 m3 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 0.21×108 m3 for the natural vegetation protection zone of 41439.85 hm2 in the area of the groundwater level responding to the ecological water conveyance.

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”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, 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”、“地下生态警戒水位”和“盐渍临界水位”等概念[6, 7, 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, 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，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, 14, 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, 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, 19]，随着下水位下降，物种多样性Shannon-Weiner 指数、Simpson 指数、Margalef 指数、Patrick 指数以及Cody 指数都以下降为主[20, 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, 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7.8×108 m3，占总下泄水量的35.63%[26, 27]，研究者计算塔里木河下游植被生态需水量在2.19—3.2×108 m3[28, 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26.96×108 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]。

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(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。

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-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。

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：

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：

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；μ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：

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]：

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植被指数之间的关系得出(公式5)[36]：

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》(SL190-96)[37]，将植被盖度分为五级，分类标准见表 1。

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：

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)；Ki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。