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      生態(tài)水利工程對塔里木河荒漠河岸林植被的水文響應(yīng)研究

      2022-07-05 09:04:42祖力呼瑪爾艾再孜
      地下水 2022年3期
      關(guān)鍵詞:塔里木河源流耗水量

      祖力呼瑪爾·艾再孜

      (新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實驗站,新疆 烏魯木齊 830049)

      干旱區(qū)綠洲荒漠生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全和穩(wěn)定是維系其可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域綠洲。水是維系干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和功能完善最為重要的生境因子,在與干旱區(qū)河流水文變化過程的長期適應(yīng)過程中,荒漠河岸林植被繁育更新、群落演替及分布格局與河流水系變遷形成了不可分割的密切關(guān)系[1]。因此,荒漠河岸林對水文過程的響應(yīng)機制成為干旱區(qū)生態(tài)保護中面臨的最基礎(chǔ)科學(xué)問題從而吸引了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注和持續(xù)追蹤研究。

      在干旱區(qū),生態(tài)水利工程通過改變河流的水文過程(如河水漫溢和地下水埋深變化)來影響植被的生長。然而如何借助生態(tài)水利工程,提出河水漫溢和地下水位的優(yōu)化聯(lián)合調(diào)控方案以實現(xiàn)生態(tài)供水與植被生長需水的過程耦合選取何種指標(biāo)能夠指示植物生長對水文變化(即漫溢和地下水位)的響應(yīng)過程,以往的相關(guān)研究成果較少?;诖?,本研究選取TINDVI(累計歸一化植被指數(shù))利用河段耗水量、生態(tài)閘引水量、地下水埋深等數(shù)據(jù),研究了植被生長與河道耗水量、漫溢量(即生態(tài)閘放水量)、地下水埋深之間的關(guān)聯(lián)性。研究成果不僅為干旱區(qū)生態(tài)水利工程的布設(shè)和運行提供理論依據(jù),也可為促進荒漠河岸林的生態(tài)保護和恢復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

      1 研究區(qū)域

      塔里木河流域位于中國西北干旱內(nèi)陸盆地,包括塔里木盆地的九大水系和塔里木河干流、塔克拉瑪干沙漠及東部荒漠三大區(qū)(如圖1所示)。塔里木河干流河長為1 321 km(阿拉爾至臺特瑪湖),是中國最長的內(nèi)陸河,流域面積達到1.76×104km2。地形為西高東低、北高南低,由于受北部天山褶皺抬升以及南部沖積物和沙丘的阻隔,塔里木河河流具有游蕩性[2]。在歷史上,受水量變化及河道本身運行規(guī)律的影響,塔里木河主河道自身多次南北擺動,至20世紀(jì)40年代形成了現(xiàn)代塔里木河河道。臺特瑪湖位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地東南部、若羌縣北部,是塔里木河和車爾臣河(且末河)的尾閭,是若羌縣最重要的生態(tài)屏障之一。

      圖1 研究區(qū)概況及取樣點分布圖

      2 研究方法

      2.1 數(shù)據(jù)來源及樣品采集

      1)遙感數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理:根據(jù)2016年干流土地利用/覆被數(shù)據(jù)剔除了非天然植被區(qū)(耕地、水域等)數(shù)據(jù),之后進行柵格化、轉(zhuǎn)換、鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換等處理。

      2)收集的水文數(shù)據(jù)主要包含:(1)斷面徑流數(shù)據(jù):1957-2017年阿克蘇河、葉爾羌河、和田河和干流塔里木河的逐月地表徑流量,1957-2018年塔里木河干流阿拉爾、新渠滿、英巴扎、烏斯曼、阿其克及恰拉各斷面的逐月徑流數(shù)據(jù);(2)引水?dāng)?shù)據(jù):2006-2017年(2006年以后開始有實測資料)源流區(qū)的實測引水量、回流水量,2000-2018年塔里木河干流上中游各生態(tài)閘及農(nóng)業(yè)閘逐月引水和生態(tài)分洪數(shù)據(jù);(3)地下水?dāng)?shù)據(jù):2006-2019年塔里木河干流上游阿拉爾、新渠滿,中游英巴扎、沙吉力克、烏斯曼、沙子河口、阿其克及恰拉,下游英蘇、喀爾達依、依干不及麻、阿拉干及考干地下水監(jiān)測斷面的逐月地下水埋深數(shù)據(jù)。

      2.2 研究方法

      2.2.1 水量平衡過程

      基于塔里木河源流區(qū)耗水及與干流聯(lián)系,其源流區(qū)與干流區(qū)存在如下水量平衡:

      W干流=W源流-W引水-W河損+W退水

      (1)

      式中:W干流為干流來水量,W源流、W引水、W河損及W退水分別為源流來水量、引水量(主要為國民經(jīng)濟引水)、河損水量(包含河道水量蒸發(fā)、下滲及漫溢跑水)及退水量(為農(nóng)業(yè)退水水量),單位均為108m3。

      對于干流而言,存在如下水量平衡過程:

      W干流=W國家經(jīng)濟+W生態(tài)+W河損

      (2)

      W河損=W蒸發(fā)+W滲漏+W滿溢

      (3)

      式中:W國家經(jīng)濟、W生態(tài)及W河損分別為國家經(jīng)濟引水量、生態(tài)引水量和河道損失水量,其中生態(tài)引水量包括通過生態(tài)閘和農(nóng)業(yè)閘引出用于補給天然植被的總水量(農(nóng)業(yè)閘具有生態(tài)分洪的作用),單位均為108m3。

      2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗

      Mann-Kendall趨勢檢驗主要用于分析植被覆蓋度的時空變化,基于單一柵格數(shù)據(jù),首先,對時間序列(X1,X2,X3,L,Xn)依次比較,結(jié)果記為sgn(θ):

      (4)

      用如下公式計算出Mann-Kendall統(tǒng)計值:

      (5)

      式中:xk、xi為要進行檢驗的隨機變量,n為所選數(shù)據(jù)序列的長度。

      則與此相關(guān)的檢驗統(tǒng)計量為:

      (6)

      當(dāng)統(tǒng)計量Zc為正值,說明序列有上升趨勢;Zc為負值,則表示有下降趨勢。

      3 結(jié)果分析

      3.1 塔里木河流域水量轉(zhuǎn)換及對植被覆蓋的影響

      3.1.1 塔里木河流域水量轉(zhuǎn)換規(guī)律

      本研究選取在塔里木河流域?qū)嵤┙y(tǒng)一管理前后(2011年)進行對比分析。在源流區(qū),基于保護和恢復(fù)干流河流生態(tài)系統(tǒng)的需要,向干流下泄水量的保障程度在統(tǒng)一管理實施后不斷提高(圖2)。

      圖2 源流各用水項占源流來水量的比例以及源流、干流徑流量的距平百分比

      在統(tǒng)一管理實施的2011年,源流徑流量的距平百分比(即徑流量與其多年平均值的差值占多年平均值的百分比)為-4.1%,干流徑流量的距平百分比為12.6%;而在2008年源流徑流量的距平百分比為-1.8%,干流徑流量的距平百分比為-37.5%。在不同時段(表1),統(tǒng)一管理實施前(2006-2010年),源流流入干流的徑流量占源流徑流量的18.0%,而實施后(2011-2017年)增加到22.3%。源流區(qū)的河道損耗(包括河道滲漏、水面蒸發(fā)和漫溢三項)主要用于補給兩側(cè)天然植被系統(tǒng)的生態(tài)需水量(河道水面蒸發(fā)僅占河損量的1.1%)。在統(tǒng)一管理實施前后,源流區(qū)河道損耗平均增加了6.8%(表1)。綜合以上分析,在統(tǒng)一管理實施前后,塔里木河源流區(qū)補給河流兩岸天然植被系統(tǒng)生態(tài)用水的河損量和干流徑流量呈現(xiàn)增加。

      表1 統(tǒng)一管理前后塔里木河源流區(qū)水量變化特點

      圖3 塔里木河各耗水項的距平百分比(A)和生態(tài)與國民經(jīng)濟用水的占比(B)

      在塔里木河干流(圖3A),來水量的距平百分比在2006-2010年主要為負值,而在2011-2017年,僅在2014年的流域特枯年份出現(xiàn)負值,從而為干流天然植被生態(tài)保護提供了重要水源。從生態(tài)供水(即滲漏量與生態(tài)閘引水量)和國民經(jīng)濟供水過程分析(圖3B),在豐水年塔里木河國民經(jīng)濟引水的占比低于枯水年,而生態(tài)供水的占比高于枯水年。例如2010年和2017年(豐水年),生態(tài)供水的占比分別為86.3%和86.5%,而在2009和2014年(枯水年),生態(tài)供水的占比下降至75.2%和64.8%。這是由于在枯水年,首要保障塔里木河的國民經(jīng)濟剛性用水(即生產(chǎn)和生活用水)需求,而該區(qū)天然植被在生態(tài)需水虧缺3 a后才會出現(xiàn)明顯退化(即天然植被對生態(tài)水的需求存在彈性空間),因此在枯水年可適當(dāng)減少生態(tài)供水量。對于生態(tài)供水方式,枯水年主要依靠河道滲漏補給地下水供給植被蒸騰耗散(如在2009年,滲漏水和生態(tài)閘引水量分別占50.6%和24.6%);而在豐水年,河流地下水在被大量補給的同時,主要通過生態(tài)閘引水漫溢補給生態(tài)水(如在2017年,滲漏水和生態(tài)閘引水量分別占20.1%和66.4%) (圖3B)。

      3.1.2 塔里木河水量轉(zhuǎn)換對植被蓋度的影響

      根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗,2000-2017年,塔里木河干流天然植被覆蓋度的平均值呈顯著的增加趨勢。根據(jù)塔里木河天然植被覆蓋度變化趨勢的空間分析得到65.4%面積的天然植被覆蓋度呈增加趨勢,其中33.7%面積的天然植被覆蓋度呈顯著的增加趨勢,主要分布在距離河道較近、水分條件較好的區(qū)域。此外,14.3%面積的天然植被覆蓋度呈顯著的下降趨勢,主要分布在距離河道較遠、水分條件較差的區(qū)域。

      3.2 水文變化對荒漠河岸植被生長的影響

      在2000年修建了生態(tài)水利工程(生態(tài)輸水堤防和生態(tài)閘)以后,塔里木河中游河段的水文過程發(fā)生了明顯變化。從河段耗水量占上斷面來水量的比例來看(即耗水量占比),在生態(tài)水利工程修建前(圖4A),耗水量占比以1.12%的速率呈顯著的增加趨勢;具體在年際變化上,耗水量占比分別為33.6%、39.4%、51.O%和66.0%;與耗水量占比相似,耗水量也呈現(xiàn)增加趨勢但不顯著(圖4C)。在生態(tài)水利工程修建后(圖4B和4D),雖然耗水量表現(xiàn)為不顯著的增加趨勢,而耗水量占比卻以-0.37%的速率呈不顯著的減少趨勢。在2001-2009和2010-2016年兩個時段,耗水量占比從53.0%減小至49.1%。以上分析表明,生態(tài)水利工程修建以后(圖4),塔里木河中游河段生態(tài)輸水效率得到提高(即耗水量占比減小),耗水量出現(xiàn)減少(比生態(tài)水利工程修建前平均減少了12.4%),從而保證了一定的水量流入下游以挽救瀕臨崩潰的下游生態(tài)系統(tǒng)。此外,根據(jù)中游河段耗水量的年內(nèi)占比來看,7-9月耗水量占年耗水量的81.1%~86.5%,為主要耗水時段。尤其在8月份,耗水量占年耗水量的49.0%~51.1%。

      從生態(tài)閘放水量和地下水埋深的逐月變化來看(圖5A),在2006-2010年,塔里木河中游地下水埋深由3.33 m下降至4.43 m,呈逐步下降趨勢。結(jié)合耗水量變化過程可知(圖5B),2006-2009年年耗水量減少了87.4%。但在2010-2013年,塔里木河干流進入豐水年,平均年耗水量比2009年增加了12.9倍。由于持續(xù)、大量的水量補給地下水,2010-2013年地下水埋深恢復(fù)至2.09 m,抬升了2.34 m。2014年塔里木河干流處于枯水年,年耗水量比2013年減少了78.4%;相應(yīng)地下水埋深下降了0.49 m。在2016年,年耗水量比20l5年增加了28.3%,地下水埋深抬升了0.52 m。此外,生態(tài)閘主要集中在地下水埋深較低的8月份開始大劑量放水;同時耗水量與生態(tài)閘放水峰值的出現(xiàn)時段保持了一致性(圖5)。

      圖4 河段耗水量占比的變化特點

      圖5 中游生態(tài)閘放水量、地下水埋深(A)以及年耗水量和逐月耗水量(B)

      4 結(jié)語

      本文科學(xué)量化了生態(tài)水利工程對荒漠河岸林植被生長的影響,生態(tài)水利工程修建后,塔里木河的生態(tài)供水量等呈明顯的增加趨勢。塔里木河河道耗水量和生態(tài)閘放水量的峰值與地下水埋深的谷值存在一致性,生態(tài)閘放水有效促進地下水埋深的抬升。生態(tài)水利工程促進了植物生長需水與供水[3](即生態(tài)閘放水和地下水埋深變化)的過程耦合,提高了植物生長對水資源的利用效率。為相關(guān)科學(xué)研究提供一定的研究參考。

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