塔里木河下游生态需水量分析

王 剑

（塔里木河流域干流管理局下游管理处，新疆 库尔勒 841000）

由于水资源严重短缺，塔里木河下游河道多处出现断流，天然植被大面积衰退。要保证河道最小生态径流需水和生态系统中天然植被生态需水，需对塔里木河下游生态需水量进行分析。

1 概况

塔里木河干流全长1 321 km，恰拉以下至台特玛湖为下游。塔里木河下游河道长428 km；纵坡较中游段大，平均为1/5 900；河床宽100 m 左右，比较稳定[1]。塔里木河干流属大陆性暖温带极端干旱气候，降雨稀少，蒸发强烈，气候干燥，多风，日照长，温差大，夏季炎热，冬季干冷[2]。由于水资源短缺，塔里木河下游生态缺水严重。塔里木河下游大西海子水库以下水系分布，如图1所示。

图1 塔里木河下游大西海子水库以下水系分布

经调查，塔里木河下游生态保护范围为：垂直河道0～500 m 划定为重点保护带，植被主要以胡杨为主，少量分布有柽柳、铃铛刺和骆驼刺等灌木或半灌木，地下水埋深维持在4 m 以上较为适宜；垂直河道500～1 000 m 为基本保护带，柽柳灌丛分布较多，胡杨多退化衰败，地下水埋深维持在4～6 m 较为适宜；河道两岸各1 000 m 为一般保护带，部分区域分布有沙漠化形成的柽柳沙包，地下水埋深多在6 m以下。

2 塔里木河下游植被生态需水机理

选取塔里木河下游3 种典型植物优势种胡杨（乔木林优势种）、柽柳（灌木丛优势种）和芦苇（草本优势种）为代表，测定其月蒸腾过程。

2.1 胡杨耗水过程分析

在塔里木河下游选择长势较好的胡杨作为研究样地，与胡杨呈十字交叉布设4个3.5 m长的中子仪水分监测管和1 口5 m 深的地下水位监测井，每隔5～10 d 监测1 次土壤水分及地下水埋深。经监测，胡杨月耗水量最小值出现在1 月，为0.194 mm/d；之后逐渐增加，至7 月出现最大值，为8.410 mm/d；8—12月逐渐下降。对胡杨不同年份各月耗水量进行统计平均，得出年内月均耗水量最大值出现在7 月，为6.494 mm/d；月均耗水量最小值出现在1 月，仅为7月的6.2%。

2.2 柽柳耗水过程分析

在塔里木河下游选取具有代表性的柽柳灌丛，在其中布设1 根3.5 m 长的中子管和1 口5 m 深的地下水位监测井，每隔10～15 d 监测1 次土壤水分及地下水埋深。根据水量平衡原理，计算柽柳的耗水量。与胡杨相似，受区域蒸发强度影响，柽柳的月耗水量在1—6 月逐渐增加，之后的7、8 两个月转变为下降，但在9月出现最大值，为5.73 mm/d；之后的10—12 月减少，最小值出现在12 月，为0.16 mm/d。对柽柳不同年份各月耗水量进行统计平均，得出年内月均耗水量最大值出现在9 月，为2.911 mm/d；月均耗水量最小值出现在12月，仅为9月的5.5%。

2.3 芦苇耗水过程分析

在生长的芦苇丛布设1 根3 m 长的中子管和1口3 m 深的地下水位监测井，每隔5～10 d 监测1 次土壤水分及地下水埋深。经监测，芦苇的月耗水量在1—7月呈波动上升趋势，并在7月出现最大值，为4.484 mm/d；在7—12 月转变为递减，最小值出现在12 月，为0.129 mm/d。对芦苇不同年份各月耗水量进行统计平均，得出年内月均耗水量最大值出现在7 月，最小值出现在12 月为0.290 mm/d，年内月均耗水量最小值仅为7月的6.8%。

总体来看，3 种植物7 月的月蒸腾量最大，占年蒸腾量的16.5%；蒸腾量主要集中在4—9月，占年蒸腾量的77.2%，可视为研究区荒漠河岸林的主要需水期。为了维持流域荒漠河岸林群落自我更新和自我繁殖功能，在塔里木河下游必须利用生态输水工程同时调整输水时间，以实现生态输水与荒漠河岸林物种更新二者之间的生态契合。

3 生态需水分析

生态需水是指为了维持流域生态系统的良性循环，在开发流域水资源时必须为生态系统的发展与平衡保证其所需的水量，一般包括河道基流生态需水和天然植物生态需水。塔里木河下游河道两岸分布的天然植被主要是非地带性植被，依靠地下潜水维持生命。由于下游段河道断流多年，地下水严重亏损，应对下游河道补充一部分水量将地下水恢复到目标水位[3]。

3.1 河道基流生态需水量

选取英苏、阿拉干和依干不及麻3 个典型断面（如图1 所示），采用湿周法对塔里木河下游生态需水量进行分析。

湿周法是以湿周作为生态系统栖息地指标，把湿周-流量关系曲线上某一临界点所对应的流量作为生态流量。目前确定湿周-流量曲线的方法主要有斜率法和曲率法。因斜率法估算河道最小生态需水量时临界点取值存在较大的不确定性，而曲率法确定临界点更符合实际情况[4]，因此本文采用曲率法。

采用2013 年第五次和2015 年生态输水时测定的湿周、流量数据，对英苏和依干不及麻2个断面的湿周-流量采用幂函数曲线模拟、阿拉干断面采用对数曲线模拟，拟合曲线的可决系数在0.8 以上，说明拟合效果较好。在对各断面湿周-流量曲线模拟的基础上，确定流量变化的临界点。曲率法曲率计算公式如下：

式中：K曲为曲率；P为湿周（m）；Q为流量（m3/s）[5]。

对式（1）等号右边求导，得到相应于湿周-流量关系曲线上曲率对流量的导数。数学上，曲率最大的点对应于曲率对流量的导数为0的点。令曲率对流量的导数为0，计算得出的Q值即为河道最小生态流量。

湿周法计算结果表明，大西海子水库以下英苏、阿拉干和依干不及麻3 个断面的过水流量分别为1.125、4.586和1.463 m3/s。

就塔里木河下游而言，水流自上而下呈纯耗散状态，河道上游的过水流量应该大于河道下游。通过对英苏、阿拉干和依干不及麻河道生态流量计算，中间断面阿拉干在3 个断面中过水流量最大，而上游英苏断面过水流量最小，其原因主要为本次采用的是塔里木河第五次和第六次输水所测定资料进行计算的结果，而这2 次输水均为其文阔尔河和老塔河双河道输水，造成阿拉干和依干不及麻断面的最小生态径流量均大于英苏断面。

采用英苏、阿拉干和依干不及麻3 个断面中阿拉干的最小径流量作为下游河道生态流量下限值。假设下游河道全年过水，则大西海子以下河道基流生态需水量为1.455 亿m3。另外，考虑到塔里木河来水量具有明显的季节性特征，干流在每年的3—6月为枯水期，假定枯水期下游河道不过水，仅每年7—翌年2 月河道过水，则塔里木河下游大西海子以下河道生态需水量为0.965亿m3。

3.2 天然植被生态需水量

大西海子以下至台特玛湖疏林地、有林地、低覆盖度草地和高覆盖度草地的面积分别为38 879.4、11 005.9、28 503.6 和17 737.0 hm2，通过潜水蒸发模型计算植被生态需水量为1.086 亿m3，通过面积定额法计算植被生态需水量为1.103 亿m3。大西海子至台特玛湖天然植被生态需水量取潜水蒸发法和面积定额法计算结果的均值1.095亿m3。

3.3 不同天然植被保护带的生态需水

近50 a 来，随着上游生产、生活用水的快速增加，塔里木河下游来水量呈显著下降趋势。同时，河流来水量自身也受到水文周期的影响，存在着丰枯变化。根据下游两岸林地累计面积分布频率曲线和目前塔里木河工程措施的影响，确定重点保护带、基本保护带和影响保护带3个不同级别的保护带。重点保护带为河流主河道能够影响到的宽度；基本保护带为河道正常来水情况下，工程措施达到的自然漫溢范围；影响保护带为当河道来水量增加后，通过地下水能够影响到的最大范围。制定不同林地的保护范围，对指导实践中不同水文年的水量分配具有重要意义。下游段天然植被多分布在近河道，沿线地下水埋深较深，生态供水后水量主要消耗于河道入渗，可以将目前双河道设置成“枝杈”式的输水通道，以扩大供水影响范围。考虑到天然植被生长耐受限度，下游生态输水间隔不宜小于3 a，按照下游大西海子以下年生态需水量计算，3 a输水总量不应小于7.85亿m3。

根据塔里木河下游大西海子以下生态需水量要求，确定以下3种规划：①规划1：保护大西海子以下生态范围需水量为0.9 亿m3；②规划2：近10 a 来塔里木河输水的平均水量为2.3 亿m3；③规划3：塔里木河总体规划目标生态需水量为3.5 亿m3。本研究计算得出塔里木河下游大西海子以下生态需水量为3.587 亿m3，与塔里木河总体规划目标相一致，证明了本研究的正确性。

3.4 天然植被的最大给水间隔

生态输水对塔里木河下游沿河区域的地下水抬升和回落影响具有一定的时空差异，导致了地表植被在空间上表现为从上到下的差异和距河道由近而远的差异、在时间上表现为随输水持续时间的延长其响应越来越明显的特点。

3.4.1 不同漫溢频次下植物群落结构变化

一年生草本、多年生草本和乔灌木的重要值在不同漫溢频次梯度下的变化及差异，详见表1。

表1 不同漫溢干扰频次下植被变化

由表1 可知，不同漫溢条件下的植物群落组成会发生明显改变。在无漫溢条件下，乔灌木的重要值为0.879，此时样地内没有出现一年生草本，多年生草本的重要值也仅为0.121，因此乔灌木为无漫溢条件下样地群落的主要植被。漫溢干扰后，草本植物幼苗大片萌发，群落物种组成发生一定的变化。其中，一年生草本的重要值变化表现情况如下：除“多年1次”漫溢频次样地外，其余3个漫溢频次样地与对照样地相比均有显著差异（P＜0.05），特别是频次为“多年多次”的漫溢样地与对照样地之间的差异达到了极显著水平（P＜0.01），且该样地中的一年生草本重要值为5 个漫溢样地的最大值（0.415），因此一年生草本为该漫溢频次样地的主要物种。漫溢干扰后多年生草本的重要值在4个漫溢频次下均表现为显著增加（P＜0.05），“多年1 次”漫溢样地中的重要值为4 个漫溢频次样地的最大值（0.581），因此多年生草本为“多年1 次”和“1 a 1～2 次”漫溢频次样地的主要物种。4 个漫溢频次梯度下的乔灌木重要值与对照样地相比均有所减少，且分析结果均达到极显著水平（P＜0.01），受“1 a 多次”频次的漫溢干扰影响，乔灌木的重要值有所减小但仍大于其余2种植被的重要值，因此乔灌木在频次为“1 a多次”的漫溢样地中占据优势。综合以上分析可知，中等频次的漫溢干扰有助于一年生草本和多年生草本的恢复，而较为频繁的漫溢干扰对于乔灌木恢复则更为有益。

3.4.2 不同漫溢频次下植物群落多样性变化

随着塔里木河下游输水后地下水位的不断抬升，地下水位逐渐接近并浅于极限蒸发水位，潜水蒸发显著加强，生态输水对地下水位的抬升作用相应减缓，且地下水位越浅，潜水蒸发消耗水量越多，输水的影响作用会越弱。由此表明，随着生态输水的持续实施，河道对地下水的净补给量逐渐减小并趋于动态平衡，生态输水的生态效益呈逐渐减小的趋势。因此，当地下水位超过极限蒸发水位后，应加大生态输水；当地下水位控制在适宜水位3～5 m 时，建议每年2 次输水并保证全程过水；当枯水年不能满足生态恢复的适宜水位时，考虑到保护生态安全的需要，输水间隔最大不得超过3～5 a。

4 结语

塔里木河下游以胡杨为主体的天然植被严重退化，水资源时空格局受人类活动影响发生重大改变，大西海子以下生态问题尤为突出。自2000 年塔里木河“生态输水”工程实施后，下游生态环境退化趋势有所遏制，但是，人类活动影响下的下游段河道内、外生态需水量仍不明确。本文基于生态输水后下游径流资料，采用水文学方法中的湿周法对下游段大西海子以下河道内生态需水量进行估算，并对下游地下水恢复量进行了探讨；同时，在天然植被遥感监测数据判读的基础上，采用潜水蒸发法和面积定额法对河道外植被生态需水量进行了估算，可为塔里木河下游水资源分配和管理提供理论依据。