塔里木河生态输水与生态修复研究与实践

2022-11-02邓铭江

中国水利 2022年19期

邓铭江

金秋十月，又到了塔里木河最美的季节。两岸的胡杨林由翠绿转为金黄，固守在浩瀚的塔克拉玛干沙漠边缘。以胡杨为建群种构建的荒漠河岸林，是我国生态安全战略格局“两屏三带”中“北方防沙带”和生态文明廊道的重要组成部分。

如洗的碧空，金色的大漠，蓝色的长河，斑斓如火的胡杨，硕果累累的丰收田园，生灵雀跃的片片绿洲……在恢宏壮阔的塔里木盆地，绘成了一幅流光溢彩的画卷。而这一切，都来自于塔里木河这条南疆大地涌动着的血脉的馈赠。

从断流、梗塞、衰败到输水、修复、重生，如今大河奔腾、长河布绿，生态复苏、绿洲和谐，创造了一个个自然与生命的传奇。

曾几何时，由于气候变化及人类活动的不断加剧，黄河、黑河、塔里木河长期断流，导致极度脆弱的生态系统岌岌可危。21世纪初，国家启动以“三大河流”综合治理为标志的生态修复工程，取得显著成效：黄河连续23年功能性不断流，黑河尾闾居延海再现湿地景观，塔里木河下游生态输水复流至台特马湖，树立了人类促进生态系统修复的经典成功范例。

党的十八大以来，党中央作出大力推进生态文明建设的战略决策，并将生态文明建设写入党章。围绕巩固、提升塔里木河流域综合治理成效，作者和研究团队长期开展生态输水与生态响应监测评价，积极探索耦合水文生态过程的生态输水技术模式。

一、建立生态输水与生态响应监测评价体系

塔里木河干流全长1321km，位于新疆维吾尔自治区塔里木盆地，这里是中国乃至世界气候最为干旱、生态最为脆弱的地区之一。从20世纪50年代起，在塔里木河源流阿克苏河、和田河、叶尔羌河、开都-孔雀河，甚至干流河道两岸开展大规模水土开发，对流域生态环境产生深远影响。

为保护流域生态环境，挽救下游“绿色走廊”，2001年国家投资107亿元，开始了为期10年的流域近期综合治理行动。2000—2021年，共向大西海子水库下游河道实施22次生态输水，共计输水87.9亿m3，平均年下泄水量4.0亿m3，完成了年均下泄3.5亿m3的预期目标（图1）。

输水后的生境条件变化、生态恢复响应、预期效果评估，是国内外业界关注的热点问题。为此，研究团队建立了涵盖地表水、地下水、土壤水、植被监测样方和多种生态生理指标的空-天-地一体化监测系统。

通过二十多年的持续跟踪研究，锻造了一支多学科交叉融合的创新团队，创办了“干旱区生态水文”学术交流平台和全国科普教育基地，建立的“塔里木河生态水文监测研究站”已成为汇集各方学者的前沿科研基地，同时也是宣传、推广塔里木河生态治理重大科技成果和开展科普活动的重要平台。

二、探索生态修复和生态水高效利用的科学模式

研究提出基于“顺向推演-逆向溯源-协同调控”的生态水精准配置、高效利用技术体系。

>图1 塔里木河下游研究区示意图

1.构建河道水量耗散模型，建立“四源一干-多级河道-地下水水位”顺向推演的生态水精准配置、高效利用技术体系

2000—2021年塔里木河干流上中游多年平均耗水量为40.2亿m3，其中农业引水、生态引水、蒸发量、渗漏量、漫溢水量分别占总耗水量的24.9%、16.4%、2.8%、29.2%、26.7%。下游生态输水量的42.4%转化补给河道沿岸地下水，46%补给包气带水分。解析植物水分利用来源表明，胡杨主要利用100～300cm土壤水和地下水，对地下水的利用率最多可达94%；柽柳主要利用200～300cm土壤水和地下水；草本植物主要利用0～100cm土壤水，对地下水的利用率仅为8%。根据胡杨树轮径向生长和导管特征参数的差异性，综合确定幼林、近熟林、成熟林和过熟林胁迫地下水埋深（即对植物生长造成胁迫的地下水埋深）分别为4.0m、5～5.4m、6.9m、7.8m。

2.摸清物候节律和生理生态响应过程，提出“流域绿洲-荒漠河岸林-胡杨单株”的生态需水量计算方法

在物候节律方面，4—5月为草本植物萌发及幼苗生长期，7—10月为乔木和灌木集中落种繁育期，也是植物生长繁衍的主要需水期；8—9月（集中放水时段），胡杨树轮年表和冠层生长皆与生态闸放水量存在显著的正相关。在生理生态响应方面，当各林龄等级胡杨所处地下水埋深大于胁迫水位时，即采取降低叶片蒸腾，提高叶片POD酶活性、可溶性糖和叶绿素含量，增强根系水力提升与水分再分配功能等措施，以应对干旱胁迫；当地下水埋深在4～6m时，植物水分利用效率和胡杨树干氮磷元素含量最高，生理过程最为活跃，植株长势处于优良等级。厘定了生长季内不同地下水埋深下胡杨树干液流量，确定在地下水埋深为5m时，液流达到最大值11.35L/h。根据不同地下水埋深区域的植被分布格局与植株液流变化规律，应用潜水蒸发模型及地下水埋深数值模拟，精细刻画出荒漠河岸林生态需水量时空异质性，为生态水高效输配与总量控制提供了理论支撑。

3.解析生态-水文过程耦合机制，建立“河岸植被-生态闸群-干流生态”逆向溯源的生态水精准配置、高效利用技术体系

基于典型植物的水分利用策略、种群空间分布规律及群落演替的驱动机制，提出了地表水-地下水联合调控的“三阶段”荒漠河岸林生态保护与修复技术：首先，利用中度漫溢干扰模式（1年1～2次，每次持续时间20～30天）将地下水埋深抬升至2～4m，以形成乔灌木为建群种的稳定群落；随后，调控地下水埋深在4～6m，保证至少3年1次的地表水漫溢，以维持物种多样性；在干旱加剧时，可将地下水埋深维持在5～7m，胡杨、柽柳利用水力提升弥补水分亏缺。基于胡杨树轮年表与地下水埋深、生态闸放水的关联性以及植物落种时间，建立面向生态修复的高效供水技术模式：水量控制（43.1亿m3，生态闸+河道渗漏）+中度漫溢干扰模式+地下水埋深阈值调控。综合生态需水量、生态供水高效技术模式等成果，提出了源流“集中同步组合”、干流“耗水控制”、河段“高效供水”、汊河“水文控制”的生态水调控技术方案。

三、构建基于地下水修复平台的“地下生态水银行”

针对目前主河道输水生态修复范围受限、水面蒸发耗散过大以及未来水文周期波动难以延续以往丰水态势等问题，研究提出实施汊渗、沟渗轮灌，构建地下水修复平台，打造“地下生态水银行”的生态修复技术模式。

1.输水方式与调控措施

发挥大西海子水库生态调度作用，汇集开都-孔雀河和塔里木河两路来水，集中调控向下游河道输水。采用双通道、汊河、面状输水的方式，保障4—5月大西海子水库下泄流量15m3/s、水量0.8亿m3，8—10月下泄流量30m3/s、水量2.7亿m3，台特马湖形成一定合理水面。同时，进一步优化布局生态闸，疏通延伸天然汊河，选择适宜河段人工开挖简易沟渠，一方面扩大天然植被受水面积，改善植被生境条件，提高生态系统的质量和稳定性，另一方面紧抓丰水年景的有利时机，通过汊渗、沟渗轮灌将大量的水迅速储藏到地下，建立起“地下生态水银行”，供天然植被长期利用，以应对未来或将遭遇连续枯水年引发的生态危机。

2.生态修复空间结构

分三个区建立生态修复空间结构：

①离河100m范围，分布着大量的胡杨幼林和近熟林，为核心修复区，地下水埋深2～4m，形成物种多样性指数高、乔灌草稳定的植被群落。

②离河100～500m范围，以近熟和成熟的胡杨林为主，为重点保护区，地下水埋深4～6m，维持该区域物种和群落功能的多样性。

③离河500m以外、地下水影响1km范围内，以成熟和过熟的胡杨林为主，为一般保护区，地下水埋深6～8m，小于胡杨枯亡胁迫阈值。

3.建立地下水生态修复平台及汊渗、沟渗轮灌的生态灌区

塔里木河的大西海子—阿拉干段河长约200km，其间东侧的其文阔尔河与西侧的老塔里木河平行分布，相距8～30km。在两河之间选择适宜地段，建立汊渗、沟渗轮灌存储地下水与胡杨断根萌蘖相结合的生态灌区，采取间歇式轮灌，控制地下水埋深小于8m，逐步形成稳定的地下水生态修复平台。在英苏—阿布达力和阿拉干两河汇合口布设示范区，依靠原有的沟道和汊河进行必要的联通整治，形成先漫后轮的汊渗、沟渗轮灌方式，适时、适量分区轮灌，以耗用最少的水资源，实现胡杨林漫溢漂种和断根萌蘖的最佳恢复效果。在极端干旱、水资源极其短缺的塔里木河，推进生态调度向科学、精准、高效的制度化、常态化转变。

四、科学量化塔里木河流域生态输水成效

通过构建塔里木河“三维度”（纵向水流演进-横向水量转化-竖向植被响应）、“三尺度”（胡杨个体-群落结构-生态系统功能、面积、质量变化等）、“四要素”（水、土、气、生）、“多手段”（空-天-地一体化）的综合监测系统，评估生态输水成效。

1.生态输水靶向精准

2016—2021年，塔里木河流域胡杨林区生态输水完成率在109%～189%，输水时间集中在胡杨落种的7—9月。2021年，胡杨林淹灌面积328.7万亩（1亩=1/15hm2，下同），其中淹灌退化胡杨林区面积268.61万亩，占淹灌总面积的81.7%；淹灌影响面积678.2万亩，其中淹灌影响退化区面积529.7万亩，占淹灌影响总面积的78.1%；流域内65.2%的退化胡杨林生境得以改善。

2.生境条件显著改善

在塔里木河下游，地下水埋深由生态输水初期的7～12m提升到2021年的3～5m；在孔雀河上游，地下水埋深均值由2016年生态输水前的10.6m抬升至2021年的5.9m。在塔里木河干流沿岸，地下水矿化度由输水前的3～11g/L降至目前的1.5～2.6g/L；在孔雀河中游，地下水矿化度由2016年输水前的4.61g/L下降到输水后的2～3g/L。原已干涸的台特马湖湿地景观得以复苏。

3.植被恢复提“质”增“量”

提“质”体现：胡杨幼苗大量萌发，如在和田河流域胡杨林退化区，幼苗量由输水前（2016年）的“无幼苗”增加到输水后（2021年）的8株/100m2；胡杨个体长势好转，和田河流域输水区的胡杨冠幅是未输水区的5倍，枝下高（从地表到乔木树冠最下分枝点的垂直高度）下降28.3%，濒死胡杨减少52%；物种多样性增加并逐步趋稳，生态输水3年及以下的区域，物种多样性指数较未输水区提升48%～183%，连续输水4～6年后，形成稳定群落。

增“量”表现：流域胡杨林输水区的高覆盖度胡杨林面积在生态输水后增加了41%，低覆盖度植被向中、高覆盖度转变；塔里木河下游植被恢复和改善的面积达139.7万亩。