近60年新疆吐鲁番盆地坎儿井衰败的影响因素及环境效应

李吉玫，张毓涛

（1.新疆林业科学院 森林生态研究所，新疆 乌鲁木齐830063；2.新疆林业科学院 博士后工作站，新疆 乌鲁木齐830063）

随着水资源短缺日趋加重和地表水资源的过度利用，地下水在农业活动中的作用日益突显［1］，逐渐成为干旱和半干旱区的主要灌溉水源。目前，全球干旱和半旱区30%的耕地由地下水灌溉，其中美国、伊朗、阿尔及利亚和墨西哥等国家地下水灌溉的耕地分别占耕地总面积的45%，58%，67%和75%。我国约40%的耕地由地下水灌溉［2］。坎儿井作为干旱区一种利用地下水的传统引水灌溉技术，在全球34个国家有分布，尤其是在中东和北非地区分布较多，如伊朗、叙利亚等。我国坎儿井主要分布在新疆吐鲁番、哈密和奇台等极端干旱区［3］。在这些水资源严重缺乏地区，坎儿井在农业发展、社会经济发展和生态环境保护中发挥着极其重要的作用，尤其在农业灌溉和人畜饮水安全保障方面仍担负着生命之泉的特殊作用［4－5］。鉴于此，国内外学者从不同角度开展了坎儿井的相关研究，如Kahlown等［5］综合研究了叙利亚和阿尔及利亚坎儿井水系的形成；Yousefira［6］和Lightfoot等［7－8］调查了墨西哥及叙利亚引起坎儿井减少的原因；Mustafa等［9］分析了巴基斯坦从坎儿井灌溉到机电井灌溉的转变，并分析了这种变化产生的环境和社会问题。已有研究表明，与自然因素相比，人为因素在坎儿井的衰败过程中起着更为重要的作用［3，10］。我国有关坎儿井的研究也主要集中在坎儿井的水文特征［10］、破坏性特征［11］、发展及保护等方面［3］。目前的研究较少利用长时间序列资料分析坎儿井的变化过程，同时也忽视了坎儿井变化对周边生态环境的影响。本文通过对近60a来吐鲁番盆地坎儿井数量、流量、年出水量及灌溉面积等资料的分析，结合野外植被调查和走访农户，研究了坎儿井的变化过程及其驱动因素，并探讨了坎儿井变化对吐鲁番盆地人民生活、农业灌溉及生态环境的影响，目的是为该地区今后科学保护坎儿井以及合理开发利用水土资源提供依据。

1 研究区概况

吐鲁番盆地位于新疆东部，处于欧亚大陆腹地，行政辖区包括吐鲁番市、鄯善县和托克逊县，总面积6.80×104km2，总人口5.66×105人。吐鲁番盆地降水稀少，年均降水量仅6.3～25.3mm，年蒸发量却高达2 845～3 744mm，极端最低气温－29.9℃，极端最高气温49.6℃，年均气温为13.4℃，多大风。盆地地表水资源量为9.33×108m3，地下水多年平均补给量为7.82×108m3。吐鲁番地区水资源严重不足，人均占有水资源量1 750m3，远低于全国人均占有量（2 600m3）和新疆人均占有量（5 300m3）［12］，因此，水资源极为缺乏。

新疆坎儿井主要集中在吐鲁番盆地，并且在吐鲁番盆地的农业发展及社会经济发展中都起到过决定性的作用。吐鲁番各族人民把坎儿井誉为“吐鲁番的生命之泉”。

2 研究资料来源

坎儿井和机电井数量、流量等相关资料来自于新疆坎儿井研究会［13］；受灾农作物面积数据来源于吐鲁番地区农业局；人口及耕地面积数据来源于《新疆统 计 年 鉴 1955—2005》［14］，《吐 鲁 番 统 计 年 鉴2004》［15］，《吐鲁番统计年鉴2009》［16］；植被资料来自于野外调查。

3 结果与讨论

3.1 近60a来新疆吐鲁番盆地坎儿井变化过程

根据史料［17］，吐鲁番盆地的坎儿井始于西汉时期，至今已有2 000a余的历史。历史上坎儿井一直是吐鲁番盆地农业和人民生活用水的主要水源。但由于资料的限制，本文主要分析了近60a来坎儿井的变化。

1949—1966年，吐鲁番盆地坎儿井处于鼎盛发展期，除坎儿井数量略有减少外，坎儿井出水量、流量及控灌面积等均不断增加。1949年盆地有坎儿井1 084条，流量为16.11m3／s，出水量为5.08×108m3，总控灌面积为1.93×104hm2。1957年坎儿井数量达到最高，为1 237条。1966年坎儿井数量虽然降至1 161条，但总流量增至20.95m3／s，出水量和年控灌面积增至6.62×108m3和2.52×104hm2。与1949年相比，1966年坎儿井流量增加了30.04%，出水量增加了30.17%，控灌面积增加了30.21%。

但自1966年以后，吐鲁番盆地坎儿井呈现不断衰败的趋势，大量坎儿井干涸。由图1可见，如坎儿井数量从1966年的1 161条降至2009年的238条，减少了79.50%；同期，坎儿井流量从20.95m3／s降至7.26m3／s，减少了65.36%；出水量从6.61×108m3降至2.12×108m3，减少了67.32%；控灌面积从2.51×104hm2降至7.3×103hm2，减少了70.92%。因此，此阶段为坎儿井急剧衰减阶段。

图1 近60a来吐鲁番盆地坎儿井数量、控灌面积、流量与年出水量的变化

3.2 近60a来新疆吐鲁番盆地坎儿井变化的原因分析

3.2.1 绿洲规模的不断扩大 随着社会的不断发展，吐鲁番盆地人口数量由1949年的14.48万人增至2009年的58.9万人，增加了3倍多。同期，绿洲耕地面积则由3.14×104增至5.42×104hm2，增加了77.39%。绿洲耕地面积的变化主要经历了以下几个阶段：

（1）解放初期至60年代初（1949—1960年），耕地面积快速扩大（图2）。解放初期吐鲁番盆地绿洲农业开发侧重于扩大耕地面积，大面积开荒，耕地面积由1949年的3.14×104hm2增至1960年的6.04×104hm2。此阶段坎儿井也处于快速发展期。不断扩大的耕地面积，加之农作物较高的灌溉定额（毛灌溉定额达1.80×104m3／hm2）［18］，使得农业发展对水资源的需求远远超过了此时坎儿井的供水能力。为发展农业和扩大绿洲规模，此阶段开挖了很多坎儿井。

图2 吐鲁番盆地坎儿井数量与耕地面积的变化

（2）1960—1962年，耕地面积呈现减少趋势（图2）。吐鲁番盆地有限的坎儿井水资源限制了耕地面积持续扩大，部分耕地被弃耕。仅1961和1962年就有1.80×104hm2的耕地因干旱和管理水平下降而被弃耕，至1962年耕地面积降至4.24×104hm2。因此，60年代初盆地内首次出现了严重的水土资源不平衡。此阶段坎儿井仍处于快速发展期。

（3）60年代中期至今，耕地面积呈现缓慢增加的趋势，此阶段坎儿井处于急速衰减期。随着耕地面积的不断增加，地表水被开发利用，并且机电井不断出现，使得该地区水资源利用发生了很大变化，坎儿井水量日益减少，甚至大量干涸。

人口的增加和绿洲耕地面积的扩大致使社会对水资源的需求不断增加。由表1可见，解放初（1949年）盆地农业用水总量为4.73×108m3，工业用水很少；至80年代末，用水总量增至7.83×108m3；2003年增至1.16×109m3，是1949年的2.45倍。1949年引水总量为5.50×108m3；至80年代末，增至1.12×109m3，其中地表水占40.0%；2003年增至1.27×109m3，地表水占46.1%。与1949年相比，2003年引水量增加了1.30倍。因此，坎儿井的衰败与绿洲人口的不断增加、耕地面积的扩大及绿洲发展对水资源需求的增加有密切的联系。

表1 吐鲁番盆地用水总量及引水量的变化 108 m3

3.2.2 坎儿井的水源补给减少 山前冲洪积扇是地下水的汇流和径流带，河流和渠道的入渗是地下水的主要补给来源，因此，吐鲁番盆地的坎儿井多建于山前洪冲积扇溢出带上游。1957年以前，吐鲁番盆地工农业生产主要利用地下水，地表水引用极少。60年代初开始开发利用地表水，修建水库和防渗渠。到90年代修建中小水库8座，总库容达8.0×107m3；防渗渠长达4 774km，防渗率达70%［17］。这使得山前倾斜平原形成的河道渗漏补给量逐渐减少，地下水位下降，造成坎儿井出水量不断减少甚至干涸。因此坎儿井的衰减与坎儿井上游入渗量的减少有着密切的联系。如在防渗渠道修建以前，托克逊县阿拉沟水系的水在出山后全部渗入地下，是依拉湖乡和博斯坦乡2个乡坎儿井的补给源。在阿拉沟干渠修建成后，该水系65%的水输入下游，使得地下水补给量大大减少。

3.2.3 机电井的增加及其布局的不合理 为了解决吐鲁番盆地春灌期间严重缺水问题，利用灌区内地下水资源丰富的优势，通过打机电井增加可利用水资源是十分必要的［18］。但70年代初吐鲁番盆地开始盲目打井，随着机电井数量及出水量的迅速增加，坎儿井迅速减少。1966年末吐鲁番盆地有机电井127眼，至1979年增至1 764眼，年出水量达1.80×108m3，机电井灌溉面积约占总灌溉面积的比例不足20%；至2003年机电井增至5 254眼，年出水量达6.59×108m3，机电井浇灌面积已达50%以上；2009年机电井增至5 309眼，年出水量达7.04×108m3，机电井浇灌面积高达57%以上，此时，坎儿井则降至238条，年出水量仅为2.16×108m3，控灌面积不足30%（图3）。由此可以看出，吐鲁番盆地坎儿井的减少与机电井的增加是一致的。

图3 坎儿井与机电井变化的比较

同时，随着地下水的不断开采，机电井越打越深（表2）。如在70年代初，机电井深度不足20m，用离心泵就能抽水，至80年代仍不足30m，至90年代迅速增至约95m。2000年以后机电井则至少要打到100m，改用潜水泵才可以抽水。机井越打越深，水位便越降越低，使坎儿井大量干涸。

其次，机电井不合理的布局也是造成坎儿井不断减少的原因。吐鲁番盆地在大规模发展机电井时，没有兼顾坎儿井水源的问题，有相当数量的机电井打在坎儿井分布区和盆地上游，不少机电井距坎儿井集水段只有约200～300m，因此，机电井与坎儿井严重争水。与分布在各流域下游的机电井相比，上游的机电井对坎儿井的影响更明显，同时与距坎儿井较远的机电井相比，距坎儿井较近的机电井对坎儿井的影响较大。如托克逊县郭勒布依乡的塔西买提坎儿井由于在其周围500m范围内没有机电井，该坎儿井的流量仍然保持在83m3／s（2003年），而鄯善县辟展乡1957年有坎儿井51条，由于60年代末开始在该坎儿井群的上游打了大量机电井，造成机电井和坎儿井争水，到2003年有水的坎儿井仅剩8条。又如位于吐鲁番市恰特喀勒乡的阿訇坎儿井在1970年达到最大流量，为30m3／s，1976年由于在该坎儿井的上游打2眼机电井（一眼距坎儿井集水段270m，另一眼330m），致使该坎儿井集水段周围地下水位不断下降，最终使得该坎儿井于2005年6月干涸。机电井不合理的布局严重影响了坎儿井的发展，因此，为了水资源的可持续利用和开发，吐鲁番盆地应合理地布局机电井，不能盲目地增加。如在坎儿井灌区上游尽可能运用地表水和坎儿井水，严格限制机电井的开采规模，要用工程和法律措施有效保护坎儿井水源，注重水资源的合理调配，相互补充，尽可能做到近水近浇，提高水资源的重复利用率，坚决杜绝在坎儿井水源区进行机电井建设；在中游地带注重大河水、坎儿井水、机电井水合理调配；下游以机电井灌溉为主，保留条件较好的坎儿井。

表2 吐鲁番盆地机电井深度变化 m

坎儿井自身的缺陷也是造成其衰退的原因，如坎儿井开采的是浅层地下水，其对地下水位变化的适应性较差。

3.3 坎儿井减少对吐鲁番盆地的影响

坎儿井在吐鲁番地区农业生产、生态环境保护及人民生活中都着重要的作用，坎儿井逐年的干涸和废弃，严重的影响当地居民的生活和生产以及生态环境。

（1）对居民生活的影响。虽然近60a来，吐鲁番盆地坎儿井大量干涸，但当地居民及牲畜的饮水还是依靠坎儿井水。目前，在238条有水坎儿井中，有16条用于约有5.10×104人口及1.03×105头牲畜饮用。由于近年来坎儿井的大量干涸，严重影响了当地人畜饮水安全及生态环境，部分村庄不得不搬迁。如2005年吐鲁番鄯善县2个村庄因坎儿井彻底干涸，导致该村周围环境恶化，村民饮水困难，最终不得不整体搬迁。坎儿井的发展与当地居民的生活是息息相关的。

（2）对农业灌溉的影响。坎儿井在吐鲁番盆地农业灌溉方面有极其重要的作用，多年来形成了一些独立的坎儿井灌区。同时，坎儿井水量稳定，与河水、机电井水相互配合起到了补充灌溉的作用。吐鲁番盆地地表水资源年内分配不均，夏季径流量占全年的55%，而春季和秋季仅占28%，地表水不能满足春季农作物灌溉的需求，此时，坎儿井对缓解春旱起到重要的调节作用。由于坎儿井大量干涸，控灌面积不断减少，如解放初坎儿井灌溉面积为1.93×104hm2，1957扩大到2.17×104hm2，由于各种原因到2003年坎儿井灌溉面积减至约8.80×102hm2。同时，盆地旱灾和风灾较为严重（图4）。如50年代末盆地大规模开荒，造成60年代初大面积耕地因缺水而被弃耕，仅1961年旱灾面积达6.10×103hm2，1989年风灾面积达8.70×104hm2。且旱灾和风灾面积呈现不断增加趋势，尤其是风灾，从1961年的3.30×104hm2增至2003年的7.10×104hm2，增加了1倍多。在大规模打机电井以前，盆地以旱灾为主，以后以风灾为主。

图4 吐鲁番盆地旱灾和风灾面积变化

（3）对天然植被的影响。在水资源极其缺乏的吐鲁番盆地，坎儿井水是天然植被获得水分的主要来源之一。首先，在作物的非灌溉季节，坎儿井水用来灌溉植被，其次，坎儿井通过渗漏补给地下水。由于坎儿井的暗渠大多数没有采取防渗措施，且土层多为沙砾层，因此渗漏量大。同时坎儿井明渠的水在输水过程中也有相当部分渗漏补给地下水。这些回补渗漏的地下水对维持维系植被生长起到了极大的作用。为了进一步分析坎儿井水对天然植被的影响，2003年7月在托克逊县调查了马合木提坎儿井（现在流量32L／s）、巴拉提坎儿井（现在流量8L／s）和萨吾提巴依坎儿井（现在流量35L／s）周围植被盖度和物种组成，结果发现随着距坎儿井出水口距离的增加，天然植被盖度呈现不断降低的趋势（图5）。以马合木提坎儿井为例，在距离坎儿井出水口100m的样地植被盖度超过了50%，在距离坎儿井出水口500m的样地植被盖度降至28%，在距离出水口1 000m的样地植被盖度不足15%。植物组成由芦苇、花花柴、猪毛菜等草本逐渐过渡为更耐旱的骆驼刺、黑刺和柽柳等半灌木和灌木。以上结果说明在极端干旱的吐鲁番盆地坎儿井显著影响天然植被的组成和分布。

图5 吐鲁番盆地植被盖度与坎儿井距离的关系

坎儿井大量干涸导致了植被面积不断减少和长势衰败，绿洲边缘环境遭到破坏，局部风沙活动加剧。1957年该盆地由坎儿水维持生长的天然植被面积达1.23×105hm2。2003年降至6.72×104hm2，减少了45.37%（表3）。

表3 吐鲁番盆地1957年与2003年坎儿井浇灌植被面积比较 104 hm2

4 结论

坎儿井在吐鲁番盆地已有2 000a余的历史，曾对盆地农业发展及整个社会经济的发展都起着决定性的作用。近50a来，盆地坎儿井经历了先增加后急剧减少的变化。

引起坎儿井不断减少的主要原因是：（1）绿洲规模的不断扩大。解放初至50年代末，坎儿井的变化和绿洲耕地面积的增加相一致，而60年代中期至今，二者的变化趋势则相反。（2）60年代初开始开发利用地表水，在各流域上游和中游修建水库和防渗渠道，到90年代修建中小性水库8座，总库容达8.00×107m3，防渗渠长达4 774km，防渗率达70%，减少了坎儿井水源的补给。（3）坎儿井灌区盲目发展机电井，掠夺式开采地下水。机电井数量由1966年的127眼增至2003年的5 309眼，相应地年出水量由1.10×108m3增至7.04×108m3，并且机电井的打井深度越打越深。

地下水位下降，坎儿井干涸，严重影响了当地居民的生产生活及生态环境。具体表现在：（1）居民生活受到严重影响，部分村庄整体搬迁；（2）农业灌溉受到影响，坎儿井的控灌面积不断减少，由1957年的2.17×104hm2减少到2003年的8.80×103hm2，减少了60.37%，同时，盆地旱灾和风灾呈现不断增加趋势，尤其是风灾；（3）由坎儿井维持生长的天然植被面积不断减少，由1957年的1.23×104hm2降至2003年的6.72×103hm2，降低了45.37%。

在新疆曾经作为主要引用地下水的水利灌溉设施——坎儿井，目前虽然面临着衰败的局面，并逐渐被机电井取代，但是由于其在生态环境、居民生活中发挥着不可或缺的重要作用，相关政府部门已经采取了一系列工程措施和非工程措施来保护坎儿井这一人类文明的瑰宝，使坎儿井这一古老的水利工程重新焕发青春，更好地造福于吐鲁番人民。

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