塔里木河下游地下水恢复需水量探析

2021-07-03翟新博

水利科学与寒区工程 2021年3期

翟新博

(塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000)

1 概况

塔里木河干流全长1321 km，其中恰拉以下至台特玛湖为下游，河道长428 km，河床宽约50 m，主槽过流能力约40 m3/s，河床稳定顺直。自二十世纪七十年代初大西海水库建成后，其下游321 km 的河道开始断流，台特马湖和罗布泊分别于1974 年和1972 年干涸，塔里木河的尾闾变成了大西海水库。二十世纪九十年代后，断点上移到塔里木河下游的起点—恰拉断面。断流河长由二十世纪七十年代的321 km增加到428 km[1]。地表断流，使得下游地下水位急剧下降，天然植被明显变少，林带稀疏、衰败，大量植被开始枯死，急需进行下游地下水位恢复和生态保护。

2 地下水变化原因分析

2.1 堤防的影响

塔里木河干流区年降水量<70 mm，不能形成地表径流。只有在洪水期，上游来水使得河道径流增加，在下游出现漫溢，对两岸地下水形成下渗补充，起到了压盐排盐作用。堤防修建后，防洪能力提高，阻止了河水漫溢，使得河堤两岸地下水没有补充。以矿化度为代表的地下水化学特征在堤防的作用下表现逐年增加的变化特点。随着蒸发，地下水位下降，含盐量也增加，引起生态退化的潜在危机。

2.2 水量变化的影响

塔里木河下游断流长度不断增加、断流时间持续增长，使得下游水位下降、生态持续恶化。自2000年开始向下游增加生态输水，有效地增加了河道水量，塔里木河下游和中游的地下水位明显上升，尤其堤防附近区段，植被覆盖度和物种多样性也显著增加。表明修建堤防后，部分地段的满溢区范围受到约束，但河道水情对堤防外的地下水位和地表生态过程有着重要影响。每年保持一定量的生态输水，对维系塔里木河中、下游生态安全至关重要。

2.3 蒸发对地下水位的影响

以库尔勒站的水面蒸发量代表下游区间蒸发，不同区间的分时段水面蒸发量1—6月为597.11 mm，7月为182.73 mm，8月为165.61 mm，9月为114.07 mm，10—12月为106.58 mm，合计为1166.10 mm。根据英巴扎-恰拉段河长398 km，河宽86.55 m，水面蒸发1166 mm，折算系数0.57，计算下游区间分时段河道蒸发量：计算结果1—6月为0.117亿m3，7月为0.036亿m3，8月为0.033亿m3，9月为0.022亿m3，10—12月为0.021亿m3，合计为0.229亿m3。由于蒸发量较大，在没有充足水资源补充的情况下，势必使得河道生态基流减少，引起地下水位下降。

3 径流变化与地下水位关系

为了研究塔里木河径流与地下水位的关系，选取6眼地下水观测井观测数据进行研究。观测井位于沙吉力克河口以下200 m处河道上，在河道北岸，垂直河道延伸1.5 km，距堤防分别为100 m、300 m、500 m、800 m、1000 m、1500 m。数据为每年每两个月对地下水位监测1～2次，能够对塔里木河中下游段地下水位的时空动态变化过程、变化趋势进行研究分析。

塔里木河地表水是区内地下水的主要补给源，地表水转化地下水的途径主要有两种形式。一是线性渗漏补给，河道主要引水渠在输水过程中下渗和向两侧渗漏直接转化为地下水，其补给范围沿水系两侧呈线型，补给宽度和补给量取决于地表径流的大小；二是面状渗入补给：水库、湖泊、季节性池塘、积水洼地和农田灌溉渗入转化补给地下水。本次研究根据已有的观测资料，建立起地表径流与地下水埋深的曲线方程，其目的是通过典型断面的水文资料就能够了解塔里木河干流下游地下水埋深的变化情况。

通过对数据径流与观测地下水位埋深的数据分析研究发现，塔里木河干流径流与6眼观测井地下水位埋深关系均呈良好的线性关系，用指数函数拟合能够很好地表示二者之间的关系，本次研究考虑数据的完整性和典型性，以恰拉断面2005—2019年的径流与各监测井年均地下水埋深数据拟合，结果见图1。

从图1中可以看出，恰拉断面年径流量与沙吉力克河口断面地下水埋深的年变化相关性较高，在各种曲线方程的拟合中指数函数的精度较高，R2均值达到0.86，结果表明指数函数拟合能较好地表达二者之间的关系，2005—2019年塔里木河干流两岸的地下水位随埋深着塔里木河干流径流量增加而升高，这是因为地表径流是地下水的主要补给来源，年径流量的大小基本能够反映当年地下水埋深的情况，通过对数据分析研究发现，距离河岸堤防800 m以内的范围，地下水埋深与当年径流量相关性较好，这表明地表径流对地下水埋深影响显著，当距离河岸堤防大于800 m之外的范围，地下水埋深与上一年的径流相关性较好，地下水受地表径流的影响有一定的滞后性，但是地表径流依然是影响地下水埋深的主要因子。

图1 恰拉径流与地下水埋深关系

4 地下水埋深对地表植被的影响

干旱区植被的生长，主要受限于根系水分的供应，即和地下水位密切相关，而由政府启动的塔里木河下游紧急生态输水正是对其区域地下水最直接的补充。随着2000年来生态输水工程的实施以及下游河岸地下水位的回升，其生态环境退化得到明显遏制。塔里木河下游降水稀少，大部分地区年蒸发量在2100～2900 mm，显然只依靠天然降水无法维持植物生命的延续。塔里木河下游盐化草甸植被生产力实测值见表1。

表1 塔里木河下游盐化草甸植被生产力实测值

塔里木河下游的天然植被，主要依靠地下潜水维持生命。由于下游河道时常断流，使得下游地下水亏损严重，必须提供一部分水量，将地下水恢复到目标水位，称为地下水恢复水量。另外，沿线乔、灌、草正常生长蒸腾消耗的水量，称为维持水量，即天然植被生态需水量。就该区空间和时间的整体来说，地下水充分保证了植物根部需水要求，地下水埋深越高越利于植物生长。根据塔里木河2006—2019年地下水埋深实际监测资料和观测井附近植被样方调查，确定疏林地、有林地、低覆盖度草地和高覆盖度草地4种植被类型下地下水埋深见表2。

表2 不同植被类型地下水埋深

从表中可以看出，地下水埋深越高，植被覆盖度均大于其植被类型，说明地下水对维系塔里木河下游植被生长和生态环境保护起着至关重要的作用。

5 地下水恢复水量计算

5.1 地下水恢复量的计算方法

地下水恢复量(ΔW)示意图见图2。

图2 地下水恢复量示意

根据宋郁东等对地下水恢复量采用公式(1)计算：

ΔW=MΔH·F·n

(1)

式中:M为水位变动带的饱和差；ΔH为潜水水位上升幅度，m；F为计算面积，km2；n为土壤容重,g/cm3[2]。

5.2 地下水恢复需水量

为了保护下游生态环境，从2000年以来，塔里木河每年都对下游进行生态输水。受调水径流影响，下游河道两岸地下水埋深有所抬升，但由于输水是阶段性，具有“间歇性”和季节性，不连贯。通过2015年实际监测发现，塔里木河下游地下水埋深并没有持续抬升至乔、灌正常生长的潜水水位(4～5 m)。根据樊自立等对下游的研究，确定下游不同河段地下水影响范围下水位变动带的饱和差，下游段土壤容重取均值1.36 g/cm3[3]。根据公式1，计算下游地下水3年内恢复至4～5 m需水量见表3。