塔里木河下游生态输水后地下水的响应研究

由于近50a来人类不合理地资源开发,造成塔里木河下游的生态环境问题日趋严峻.为拯救下游绿色走廊,恢复和重建受损的下游生态系统,于2000年7月始,实施了塔里木河下游应急生态输水工程,水流于2001-11-02流进塔里木河尾闾--台特玛湖,使干涸近30a的台特玛湖重新受到水的滋润.笔者根据近2a在塔里木河下游的监测结果,通过对塔里木河下游地下水在河道纵向、横向的响应,地下水位响应强度及地下水位的变化带来下游天然植被的变化等方面对塔里木河下游生态输水工程进行阐述,分析了生态输水后地下水位响应的初步规律.研究结果表明:地下水位在一定范围内对生态输水的响应很明显,并由此带来下游生态环境向有利的方向转变.      

生态输水后塔里木河下游地下水的动态变化

以生态建设和环境保护为根本的塔里木河下游生态输水工程,在实施近3年中,有10.15×10⁸m^3/生态水分5次流向塔里木河下游地区.随着生态水流的到来,该地区生态环境发生了明显的变化,直接反映在输水河道周围地下水的动态变化以及下游植被的响应上.根据近3年在塔里木河下游对地下水的动态监测,就生态输水后地下水位的变化规律进行了初步分析.结果显示,输水后地下水位表现出明显的时空动态变化规律.从时间上看,距河道远近不同的地下水位升降规律各异;从空间变化看,地下水位表现出以输水河道为中轴向外变化逐渐减弱和输水后不同地区地下水位抬升幅度的差异;鉴于地下水在达到一定水位以后其变化明显趋向复杂,而不同植被生长所要求的水位不同.因此,确定输水后的最佳生态水位将对今后在塔里木河下游进行大规模恢复和重建工作具有重大意义.     

塔里木河下游第五次应急输水后地下水恢复量的计算

依据塔里木河下游应急输水前与第五次第一阶段输水后地下水的监测资料,分析了输水前后地下水位的响应特征:地下水位在应急输水前持续下降,呈近似水平状态;输水后则由于接受了河道渗漏的补给,地下水位表现出逐次回升的趋势且受输水的影响,宽度(距离河道)也随之加大。在此基础上,逐断面拟合了第五(I)次输水后地下水位与离河距离的二次多项式方程,同时运用地下水水均衡的原理,推导了计算地下水净恢复量的数学公式,并以此为工具对第五(I)次输水后地下水的净恢复量进行了计算。     

塔里木河下游生态输水对植被和地下水位的影响

由于近50a来人类不合理的资源开发,造成塔里木河下游的生态环境问题日趋严峻.为拯救下游绿色走廊和改善下游环境,于2000年7月始,实施了塔里木河下游应急生态输水工程,水流到达台特玛湖本文根据2a来在塔里木河下游的监测结果,通过对下游天然植被的一些生态指标的变化和输水后地下水位变化等资料进行对比分析,发现随着输水工程的进行,距输水河道一定范围内地下水位升高明显.相应地,下游植被的生态响应也很显著,沿河岸许多种草本植被又重新出现,而一些耐旱乔、灌木随着生境的改变,长势也出现明显好转,主要表现在植被盖度、植物多样性指数和丰富度指数的提高以及胡杨冠幅的加大.同时,研究结果表明,截止2002年9月,在塔里木河下游中段,生态输水对地下水影响范围为800m,天然植被恢复的范围为700m.由于环境条件的差异,在不同区段的影响范围不一样,总体上表现为由上而下逐步递减的趋势.     

塔里木河下游输水间歇地下水埋深及化学组分的变化

基于适时监测资料,对塔里木河下游2006年11月第11次输水停止后地下水埋深和地下水化学特征时空变化进行分析总结,结果发现,塔里木河下游上段地下水埋深自2007年3月～2009年9月呈增加变化,地下水主要离子含量以增加变化为主;中段地下水埋深呈增加变化,但主要离子的含量以下降变化为主要特征;下段地下水埋深从2008年8月起呈减小变化趋势,地下水中主要离子含量随地下水位的上升而增加.在各断面距离输水河道远处,地下水埋深变化首先与断面距离水源地大西海子水库的远近有关,距离大西海子水库较近的英苏断面在输水间歇地下水埋深呈增加变化,但变化幅度不大;喀尔达伊断面地下水埋深在输水间歇以增加变化为主;阿拉干和考干断面地下水埋深在2008年8月以后才开始受到输水的影响,地下水化学特征的变化则表现出较复杂的变化.     

塔里木河下游区域植被时空变化

为了对比生态输水工程实施前后塔里木河下游植被变化,分析植被对生态输水的时空响应,基于1986-2017年研究区上方无云的22期Landsat NDVI数据,辅以波动分析、趋势分析,探索研究区植被的时空变化特征,并对其驱动因素进行分析。结果表明：（1）空间上,植被的分布与水资源的分布密切相关,主要沿河道和积水区域分布。（2）1986-2000年,NDVI呈现缓慢下降趋势,2000-2017年NDVI总体呈现波动增加趋势;植被对生态输水有一定的滞后性,且与输水量密切相关。（3）研究区NDVI时间序列的方差介于0.0077~0.1957间,存在明显的空间差异,其波动的大小与植被种类密切相关。（4）1986-2000年,植被的NDVI空间趋势以减小为主,并主要发生在英苏和老英苏附近;2000-2017年,植被的NDVI空间趋势以增加为主,且主要发生在沿河道区域和喀尔达依东侧。     

胡杨生理指标对塔里木河下游生态输水的响应

根据塔里木河下游受生态输水影响的断面和未受输水影响断面的胡杨生理指标脯氨酸、脱落酸和叶片含水量的变化,就胡杨生理指标对生态输水的响应进行了初步分析.结果显示:①在受到生态输水影响的断面,胡杨叶相对含水量增加,脯氨酸、脱落酸因水分条件的好转而分解降低;在未受到生态输水影响的断面,因为干旱胁迫程度的加重,胡杨叶相对含水量减少,脯氨酸、脱落酸因积累而增加.②在生态输水前,胡杨生理指标总体上与地下水位变化相一致,即:随着地下水位的降低,胡杨脯氨酸和脱落酸水平增加;随地下水位的升高,脯氨酸和脱落酸水平有降低的趋势.③从个别数据的异常看,在塔里木河下游,当地下水位较低时,地下水位的升降仅是影响胡杨干旱胁迫的一个因子.因此,在塔里木河下游开展的生态输水工程,对该区胡杨生长的影响非常显著,它在一定程度上缓解了胡杨水分的亏缺,减轻了干旱胁迫程度.      

Natural ecological water demand in the lower Heihe River

The ecological environment in the lower Heihe River has been deteriorating due to large water consumption in the upper and middle reaches, and less available water downstream. To restore the ecological environment in the lower Heihe River, the ecological water demand should be guaranteed. The natural vegetation area in the lower Heihe River was first obtained through the interpretation of remote sensing images taken in 1998. Based on the analysis for the Quota of the natural ecological water demand in the lower Heihe River and the determination of the natural ecological water demand calculation method, the ecological water demand in the lower Heihe River was calculated. Finally, the natural ecological water demand in the lower Heihe River under the current situation was calculated with the groundwater storage volume change method, Aweliyongrufe method and the measured water volume method. In comparison, the natural ecological water demand in the lower Heihe River is 3.91−4.05 × 10⁸ m³.     

黑河下游地下水位变化特征及其原因

论文选取分布于黑河下游段额济纳东河、 西河沿岸具有代表性的6眼长期观测井,根据其地下水位旬观测数据(1990-2009年),应用统计特征分析以及Mann-Kendall和Mann-Whitney趋势检验法分析黑河下游地下水位动态变化特征。研究发现:1990-2009年期间,东、 西河地下水位平均埋深存在上中部浅、 下部深的空间分布特征;下部地下水位埋深呈显著增加、 上中部呈非显著性减少态势。各井地下水位埋深在2000年后不同年份出现了变化趋势转折。分析表明:2000年实施的生态输水是研究区地下水位得以逐渐恢复的根本原因,但输水量不足、 抽取地下水灌溉是导致下部地下水持续下降的主要原因。研究结果可为黑河下游生态输水的效果评估和输水管理工作提供参考。     

塔里木河流域枯水年生态调水方式及生态补偿研究

近年来塔里木河流域大规模水土资源开发导致水资源供需矛盾日益尖锐,特别在枯水年,生态及社会安全受到严重威胁,亟需通过提出科学合理的生态调水方式及生态补偿方案来化解这一矛盾。论文利用塔里木河“四源一干”的地表径流、断面引退水、地下水埋深、气象等资料及干流下游流域内的遥感影像数据,根据水量平衡原理计算了各河流的河损及干流下游的生态需水量,提出了枯水年流域水量分配方案,确定了流域枯水年生态调水方式及相应的生态补偿方案。结果表明：1）在特枯水年,下游需水量为7.01×10⁸ m³,至少挤占上游源流10.70×10⁸ m³水才能保障,从上游源流调水至干流单方水的总效益和经济效益将分别减少38.2%和81.2%,因此该调水方式是不合理的,应改从开都-孔雀河调水以满足下游用水;2）调水后上游源流对开都-孔雀河单方水的补偿量为3.4元。研究可为流域水资源的高效开发、利用和管理提供科学依据。     

塔里木河下游输水前后NDVI差异分析

运用统计方法分析塔里木河下游英苏、喀尔达依、阿拉干三断面输水前后归一化植被指数(NDVI)的差异大小并推测河畔植被对输水的响应程度。结果表明:随着输水进行,研究区NDVI与地下水埋深逐渐呈负相关趋势,NDVI增幅随地下水埋深减小逐渐增大;输水前后相同断面NDVI差异极显著,根据输水前后NDVI差值大小确定植被恢复速度为:英苏>喀尔达依>阿拉干;各断面NDVI在输水前没有差异,输水后断面间NDVI差异显著,根据差异大小确定恢复程度顺序为英苏>喀尔达依>阿拉干;以大西海子水库周边NDVI为参照,确定经7年8次生态输水英苏、喀尔达依、阿拉干三断面植被恢复度分别为20.2%、18.4%和8.4%。以上研究表明,研究区植被恢复仍然有限,坚持持续输水很有必要。     

基于决策树分类的塔里木河下游沙漠化动态变化分析

运用决策树分类法对1990年,2000年,2006年3期遥感影像进行分类,寻求生态输水对塔里木河下游沙漠化进程的影响.结果表明,2000年生态输水后沙漠化速度减缓,但沙漠化进程仍在继续.沙漠化变化方向主要为非沙漠化→轻度沙漠化→中度沙漠化→重度沙漠化→极重度沙漠化,生态输水后正向变化减小,逆向变化量增加.沙漠化变化区域主要集中在绿洲边缘和河道两侧,生态输水后变化区域离绿洲边缘和河道更近.沙漠化与距河道距离密切相关,距河道越远沙漠化退化越严重;生态输水后,距离河道1 km内的沙漠化得到抑制并出现逆转.      

塔里木河下游植被覆盖度变化与地下水质关系

植被覆盖度的变化是地球内部作用与外部作用的共同结果,但在短期内主要受人类活动的影响.人类对自然植被覆盖度的影响最常见的就是通过对水分和水质状况的改变而影响植被覆盖度的变化.本研究基于2002~2007年间塔里木河下游地下水化学特征变化的监测资料和植被覆盖度的适时监测,探讨了植被覆盖度与地下水质之间的关系.结果表明,植被覆盖度在沿河道方向上,从A断面的80%,下降到Ⅰ断面的不足10%;在垂直河道方向上表现为距离输水河道越近植被覆盖度越高的特点;地下水pH值也表现出沿河道方向从上段到下段,从距离河道近处向距离河道远处下降的变化趋势.回归分析发现,胡杨覆盖度随地下水pH值的升高而指数增加,柽柳覆盖度则随地下水pH值的增加而降低.胡杨和柽柳与地下水质的关系是造成胡杨主要分布于距离河道近处而柽柳则分布在远离河道处的因素之一.     

塔里木河流域综合治理的生态效应

结合塔里木河下游输水和中游段输水堤防建设工程,在下游、中游分别设置了9个和3个地下水位和地下水化学特征监测断面,并在中游的3个断面和下游的6个典型断面进行了植物样方调查,以分析综合治理工程的实施对地下水和植被的影响.结果表明,在生态输水影响下,塔里木河下游断流河道两岸地下水位抬升显著,植被的盖度有明显增加,胡杨的当年生枝叶都表现出积极变化;塔里木河中游地区在建有输水堤防又有生态闸的断面地下水位、水质以及植被综合优势比均明显好于无生态闸断面.     

塔里木河下游植被覆盖变化遥感定量分析

在RS与GIS技术支持下,采用空间模型分析法,以2 a为一研究时段,定量分析塔里木河下游输水后植被覆盖变化。结果表明:输水11 a来,Ⅳ级低覆盖植被、Ⅴ级裸地及沙地仍是研究区主要地类。与2000年相比,2010年Ⅰ级极高覆盖植被、Ⅱ级高覆盖植被、Ⅲ级中覆盖植被、Ⅳ级低覆盖植被均呈现逐级增加的趋势,分别增加了986.76、 681.84、 1 091.88、 8 641.89 hm²;Ⅴ级裸地、沙地减少了11 420.37 hm²。整个研究时段,Ⅲ级与Ⅳ级间、Ⅳ级与Ⅴ级间的转化为研究区主要转化类型。随着输水次数和年输水量的稳步增加,研究区植被覆盖类型将向覆盖度、面积稳步增长的平衡态发展,而随着输水量的减少,植被覆盖又转向类型变化频繁的非平衡态。植被覆盖度的增减变化客观反映了输水状况(输水量、输水持续时间),持续、稳定的输水是植被覆盖(覆盖度、面积)稳步增长的前提。     

塔里木河下游地下水化学特征对输水响应的阶段性研究

通过对塔里木河下游英苏断面地下水化学特征在生态输水作用下变化的观测资料研究发现,地下水化学特征对间歇性输水的响应表现出阶段性的特点:在受输水影响的初期地下水中矿化度和主要离子含量呈现上升变化,随着输水的进行,矿化度和主要离子的含量逐步下降,最后又表现出上升态势.根据地下水盐变化特点可将地下水化学对输水的响应划分为3个阶段:初期阶段(盐分横向累积阶段)、中期阶段(淡化压盐阶段)和后期阶段(蒸发溶盐阶段);输水间歇地下水化学特征的变化与地下水化学对输水响应表现出的阶段性特征相一致的特点.在“盐随水来,盐随水去”规律作用下,地下水化学特征的阶段性变化受土壤盐分含量、与河道距离、输水水质、水量的影响,其中土壤盐分、输送水的水质与地下水位的抬升是主导因素,而距河道远近与水量的多寡则是导致与河道不同距离处阶段性变化时间差异的重要原因.从水盐运移规律的角度考虑,河道输水方式比面上输水方式更利于生态恢复.     

黑河下游河道渗漏规律研究

黑河下游河道都是天然河道,断面不规则,属宽浅型沙质河床,河道渗漏量大。下游的天然生态正是由于河道的渗漏水量补给地下水来支撑天然植被的生长,所以河道的渗漏对于下游生态意义重大。而对于黑河下游河道渗漏情况,长期以来没有系统地进行监测,利用常规的渗透系数法无法计算,目前大多是估计或者简化处理。论文根据水量实时调度和长系列水资源配置的需要,根据断面流量相关关系对其渗漏规律进行分析,分别得到了短期实时调度考虑河道前期水情状况影响下的河道渗漏规律以及长系列水资源配置情况下平均的渗漏规律。     

塔里木河河道整治与生态建设科学考察及再思考

塔里木河是我国西北地区最大的内陆河流,如何实现流域水资源可持续利用和生态保护一直是国家和新疆各族人们关注的重大问题。论文通过对塔里木河新的科学考察的经过和体会介绍,就博斯腾湖向塔里木河下游输水的可持续性问题、水资源分配问题、塔里木河干流河道治理工程认识问题、对生态闸的认识和管理问题、胡杨林保护问题、塔里木河下游生态环境恢复等问题提出一些讨论,对塔里木河河道整治与生态建设提出初步咨询建议。     

塔里木河干流荒漠河岸林的空间分布与生态保护

塔里木河流域荒漠河岸林具有重要的生态、经济和社会效益。论文以塔里木河干流的荒漠河岸林系统为研究对象,借助于卫星遥感、GIS等技术,结合实地调查,应用缓冲区梯度分析方法,对现有林地水平分布结构进行分析。结果表明:①塔里木河干流荒漠河岸林面积为58.42×10⁴ hm²,占研究区总面积的14.07%,自上而下5个河段的林地面积分别占总面积的2.94%、3.75%、3.95%、1.99%和1.44%,并且北岸河岸林面积较南岸明显多,南岸受沙漠化威胁,河岸林退化严重,水资源时空分配不均匀是荒漠河岸林分布特征的重要原因;②荒漠河岸林多沿河道地形分布,随离河道距离的增加呈波动下降趋势,河流对荒漠河岸林显然具有重要影响,径流主要起到补给地下水的作用,近河床区林地分布较集中,波动幅度小,在远离河床区林地易于退化,河流北岸影响范围为38.33~45.51 km,南岸为15.21~39.33 km;③塔里木河干流总体林地率不高,林地分布不均匀,荒漠河岸林形成以河道为中心的带状分布,分布范围达10~80 km,重要保护范围在0.8~12.3 km,恢复范围在2.2~24.5 km,重建范围在4.7~30.1 km。根据荒漠河岸林的分布特征和保护目标,对塔里木河干流用水作统一规划和协调是符合实际的生态治理措施。     

2000-2013年塔里木河流域生长季NDVI时空变化特征及其影响因素分析

受塔里木河流域综合治理工程实施和近期气候变化的影响,流域植被覆被时空分布产生一定的变化,厘清植被覆被与流域气候变化及人类活动的关系可以为塔里木河流域生态维护与治理提供科学参考依据。为此,论文以NDVI为指示因子,运用趋势分析、R/S分析、偏相关分析以及残差分析等方法,分析了2000-2013年综合治理工程期间NDVI的时空变化特征,并探讨及区分降水、气温气候因子以及人类活动对植被覆被变化的影响范围和程度,结果表明：1）2000-2013年,塔里木河流域植被生长季NDVI总体呈现增加趋势,增加速率为0.8%/10 a,平原区增速明显高于山区;且开都河-孔雀河流域山区、塔里木河干流的上、中游部分地区呈现比较明显的退化趋势。与此同时,塔里木河干流下游生长季NDVI持续改善。2）山区植被覆被变化主要受气候变化的影响,其中温度是高山区植被生长的主要限制因子,温度的增加促进植被的生长;中低山区以及出山口平原地区植被生长季NDVI变化是降水和温度共同作用的结果,且主要受降水的影响。降水与植被生长季NDVI变化呈正相关,温度与植被生长季NDVI变化呈负相关。3）平原绿洲区植被生长季NDVI增加主要是绿洲灌区面积不断增加以及塔里木河流域生态治理工程对植被恢复的结果,人类活动是该区域植被生长的主要驱动力。4）塔里木河干流生态闸工程在恢复下游植被的同时,也在一定程度上影响了上、中游地区的用水,尤其是导致中游植被出现退化趋势,退化速率约为0.1%/10 a。相关部门应进一步加强水资源的合理配置,充分发挥生态闸工程的水资源调度调控作用。