塔里木河下游生态输水对地下水补给量研究

地下水对干旱区荒漠生态系统的维持至关重要,生态输水对地下水的补给量及影响范围是评估输水成效的要素之一,对于准确理解地下水循环特征至关重要。基于2000—2020年塔里木河下游生态输水过程中的地下水监测数据,拟合输水前后地下水水面线方程,结合水均衡原理,对塔里木河下游近20 a生态输水过程中的地下水埋深时空变化、地下水补给量以及输水期地下水最大影响范围进行了估算与分析。结果表明:(1)塔里木河下游实施生态输水后,地下水位呈明显抬升趋势,抬升幅度具时空差异性,在英苏、喀尔达依和阿拉干断面分别抬升了3.01 m、2.87 m、5.75 m;前10 a输水对地下水位抬升作用明显小于后10 a;(2)塔里木河下游近20 a的输水对地下水的总补给量为30.6×10~8m~3(占输水总量的36.2%),包气带补给40.1×10~8m~3(47.5%),入台特玛湖水量为11.7×10~8m~3(13.8%);(3)塔里木河下游前10 a的输水对地下水补给量(61.6%)大于后10 a(25.2%),主要归因于输水量增大,地下水埋深减小引起土壤含水量饱和差减小;(4)塔里木河下游输水期地下水的最大影响范围具有较大的波动,与输水前地下水埋深和输水量正相关;近10 a,英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻断面,输水期地下水单侧影响范围高达1075 m、2326 m、1623 m、856 m。     

塔里木河下游断流河道输水后潜水埋深变化规律研究

通过对塔里木河下游断流河道2000-2006年8次生态输水期间9个地下水监测断面40口监测井潜水埋深变化监测数据的分析,探讨了生态输水以来潜水埋深变化的规律.结果表明:在8次输水的影响下,潜水埋深总体有显著抬升.运用SPSS统计软件对监测数据进行的回归分析表明,近年来塔里木河下游地区潜水埋深抬升是生态输水作用的直接结果,且抬升幅度与输水持续时间和输水量大小成显著正相关关系,横向和纵向上还表现出潜水埋深抬升幅度随距输水源距离改变而变化的正相关关系.塔里木河下游地区地表水是地下水的主要补给来源,且地表水补给地下水主要是以线型渗漏补给,这是输水以来潜水埋深变化呈现上述规律性的主要原因.输水对潜水埋深的影响具有累积性和滞后性,随着输水的继续进行,潜水埋深变化的规律性会越来越明显.     

塔里木河下游长期输水条件下河流剖面地下水埋深估算

准确估计输水条件下河岸地下水埋深的动态变化,可以量化生态输水量与地下水埋深的响应关系,并由此估计自然河道所需输水量及持续时间,这对于干旱区水资源管理的可持续发展具有重要的科学意义。结合塔里木河下游20 a生态输水监测数据,用发展的包含地下水和土壤水的拟二维地下水模型,对输水条件下塔里木河下游上、中、下段3个断面(英苏、阿拉干和依干不及麻)的地下水埋深变化进行20 a长期模拟。通过率定期和后11 a(2010—2020年)的地下水埋深模拟结果与站点数据比较,发现两者较一致,证明该模型在塔里木河下游河岸断面地下水长期模拟上的合理性和适用性。然后根据3个断面20 a的模拟结果分析输水条件下地下水埋深和土壤水的长期变化及其对生态输水的响应。结果表明:经过20 a的生态输水,英苏、阿拉干和依干不及麻3个断面上的地下水位和土壤湿度都有明显的上升,地下水位埋深从输水前的8 m左右抬升到输水后的4 m左右,土壤湿度从最初的0.20上升到0.35以上,特别是自2009年以来,随年输水量增加,地下水位和土壤湿度增加幅度明显。生态输水与地下水的年际变化有一定的滞后性,由于土壤湿度和地下水位表现为正相关关系,这使得土壤湿度对输水量也有滞后性的特点。相比于河水流量,地下水水平传导率的取值对断面地下水埋深变化起着更重要的作用。另外,输水量与地下水的年际变化表明塔里木河下游河岸要想获得持续的生态效益,需要对河道提供间歇性的生态输水。     

塔里木河下游地下水位对植被的影响

对塔里木河下游断流河道2000~2002年9个地下水监测断面和18个植被样地的实地监测资料分析表明,地下水埋深对天然植被的组成、分布及长势有直接关系。地下水位的不断下降和土壤含水率大大丧失是引起塔里木河下游植被退化的主导因子。塔里木河下游的四次输水对其下游地下水位抬升起到了积极作用,河道附近地下水位呈逐级抬升过程,横向影响范围达1000 m左右,纵向上,表现为上段地下水抬升幅度较大 (达84%),下段抬升幅度较小 (6%)。随着地下水位的抬升,天然植被的响应范围由第一次输水后的200~250 m,扩展到第四次输水的800 m。     

塔里木河下游河岸带地下水埋深对生态输水的响应过程

为了解塔里木河下游生态输水量与地下水埋深多年响应变化过程,得出地下水埋深对生态输水的响应变化规律,以塔里木河下游英苏断面为研究区,运用定性与定量分析方法,综合考虑不同输水差异（包括零输水年即2008年、输水极少年即2009年、输水较多年2011年等）,对2000-2015年英苏断面1 050 m范围内地下水埋深数据进行了分析。结果表明：研究断面内地下水埋深在各年份总体呈现比较平稳的递减趋势,年内个别月具有较大的增幅,另外由于冻土消融等因素影响,地下水埋深在2~3月有一定的增幅;离河较近区域的地下水埋深变化对生态输水的响应具有时间同步性,而离河道较远地区的地下水埋深在响应时间上存在滞后性,本研究断面1 050 m范围内地下水埋深响应时间维持在1 a内;经过多年生态输水过程,英苏监测断面距离河道约750 m范围内地下水平均埋深维持在2~6 m范围内,基本达到植物生长所需地下水埋深水平;另外,综合分析研究断面多年输水引起的地下水位响应过程,为获得生态输水过程所带来的最大生态效益,生态输水不仅要保持一定的输水量,还要保持输水年周期的连续性。     

塔里木河下游间歇性输水对土壤水化学的影响

根据塔里木河下游2000-2006 年11 次间歇性输水影响下沿输水河道两侧地下水埋深、地下水化学组分变化的资料, 结合有关输水的基本资料和土壤盐分含量变化的适时监测数据, 分析了地下水化学特征的变化及影响其变化的各相关因子,结果表明：地下水化学特征的变化呈现明显的阶段性规律, 地下水化学组分的变化与距离输水河道的远近、地下水埋深、河道径流量以及土壤盐分含量之间具有较高的相关性; 地下水埋深在5 m 及5 m 以下时, 地下水化学组分含量较低, 水质较好。而埋深在5 m 时的水位条件能够满足该区域建群种植物的生存, 为输水条件下的理想水位;地下水化学特征变化的阶段性特点和土壤剖面盐分含量的分布规律及其相互关系说明,在当前输水模式下配合面上输水将能更好地促进生态恢复。     

近20 a塔里木河下游输水对生态环境的影响

塔里木河下游是新疆生态环境问题比较突出的地区。为改善该地区恶化的生态环境,国家自2000年起向塔里木河下游实施了18次以生态建设和环境保护为目的的生态输水工程。近20 a来,塔里木河下游地下水位随输水次数增加呈不断上升趋势,生态植被不断修复,生态环境逐步好转。尤其是2017年实施第18次生态输水后,下输水量及其影响范围取得较大突破,引起社会高度关注。通过近20 a的断面来水监测资料,从水量、水质、地下水变化、植被恢复等方面,初步分析输水对生态环境的影响。同时,对前人研究的成果进行梳理和延展,使其对今后塔里木河下游的生态调度和科学管理起到指导作用。经分析得出以下结论：（1）虽然生态输水量基本都补给了生态植被和河道两侧的地下水,但持续性输水才是保证下游脆弱的生态环境稳定好转的根本途径。（2）输水使下游生态环境得到改善,现生态植被正在恢复,地下水位逐步抬升,地下水质明显好转。（3）采用汛期输水和间歇机动式调度,可使输水效益达到最大化。     

干旱区间歇性生态输水对地下水位与植被的影响机理研究

塔里木河下游生态系统作为典型的干旱区生态系统,对水分具有较强的依赖性。为了解塔里木河下游间歇性生态输水对地下水埋深变化、植被生长的关系,得出地下水埋深、植被生长变化及间歇性生态输水过程之间的相互影响机理,以塔里木河下游英苏断面为研究区,基于达西定律、植物根系吸水速率计算方法,以及2009-2015年生态输水-地下水位变化-NDVI变化相互耦合关系,对三者之间相互影响过程及影响机理进行定性与定量分析。结果表明：（1）输水效益的显现是一个漫长的过程,地下水的响应和下游植被的生态响应均在一个大的空间和时间尺度上将逐步显现,另外由于植物生长具有季节性,当年地下水埋深值在一定程度上可影响次年植物生长。（2）多年研究表明,当地下水埋深低于7 m时,满足乔、灌木植物生长需求;低于6 m时,满足草本植物生长需求。（3）在年总输水量为固定情况下,一年两次是利于河岸植被恢复的最适宜输水次数。由于生态输水-地下水位变化-NDVI变化存在一定的滞后期,建议每年春季4~5月份和夏季7~8月份作为输水期。     

塔里木河下游生态输水对地下水埋深变化的影响

地下水是维系荒漠河岸植被生存、生长的关键因子,对于退化植被的恢复具有重要的意义。结合塔里木河下游生态输水过程中地下水埋深的实测数据,详尽分析了2000—2020年地下水埋深的时空变化及对生态输水的响应。监测结果显示:在生态输水条件下,塔里木河下游河道两侧地下水埋深大幅抬升。(1)在纵向上,自上游段的英苏、中游段的喀尔达依,至下游段的依干不及麻,在距河道100 m处,地下水埋深分别由输水前的7.76 m、9.31 m、7.82 m抬升至3.70 m、4.48 m和2.69 m;在距河道300 m处,地下水埋深分别由输水前的8.09 m、9.15 m、8.25 m抬升至4.53 m、5.00 m和3.29 m;在距河道500 m处,地下水埋深分别由输水前的8.21 m、9.45 m、9.08 m抬升至6.61 m、5.46 m和3.82 m。(2)在垂直于河道方向上,根据地下水井监测数据,生态输水对塔里木河下游的上、中、下3个区段地下水位的影响范围均达到了1050 m,分别抬升了2.69 m、1.38 m、1.59 m。(3)生态输水前期(2000—2009年),上、中段地下水位抬升迅速,2009年以后,下游段依干不及麻地下水位抬升幅度明显高于英苏(0.88～4.65 m)和喀尔达依(0.53～4.07 m)。并且,70.5%监测井地下水位波动趋于稳定,说明间歇性的生态输水有助于抬高地下水埋深,是地下水补给的主要来源,对于维持地下水较高水位的动态平衡具有一定的促进作用。     

间歇性输水影响下的2001-2011 年塔里木河下游生态环境变化

采用2001-2011 年野外调查资料和卫星遥感影像数据,对生态输水影响下的塔里木河下游地下水、植被变化特征进行分析,并探讨了典型断面植被对地下水埋深变化的响应关系。结果表明:(1) 各断面地下水位变化过程与河道来水过程密切相关,近10 年来经历了显著抬升(2000-2005 年)—缓慢降低(2006-2009 年)—小幅抬升(2010 至今) 的过程,主要表现为随生态输水量的改变呈波动变化;地下水位抬升幅度与生态放水量的相关系数达0.78,与生态放水持续时间的相关系数为0.70。(2) 2001-2011 年塔河下游植被覆盖面积总体上呈增加趋势,其中灌木林地和草地变化显著,林地和耕地面积呈小幅度变化;植被覆盖度的变化主要表现为2001-2006 年显著提高和2006-2011 年小幅变化。(3) 植被覆盖度随地下水位的抬升呈现出增加的趋势;垂直河道的方向上,同时期植被覆盖度与地下水埋深空间分布特征一致,均以输水河道为轴向两侧植被覆盖度(地下水埋深) 逐渐降低(增大);平行河道的方向,植被覆盖度对地下水埋深的响应幅度随着离大西海子水库距离的增加而减小。     

塔里木河下游生态保护目标和措施

针对2000-2009年塔里木河下游10次生态输水后生态环境的变化情况,提出新的生态保护目标：在距河500 m以内以胡杨(Populus euphratica)为主的重点保护带,地下水埋深保持在≤4 m,植被总盖度达到0.4~0.5;500~1 000 m为基本保护带,以柽柳(Tamarix spp.)为主,地下水埋深为4~6 m,植被总覆盖度达到0.3以上;＞1 000 m为一般保护带,随着输水累积量增加,地下水埋深达到6~8 m,使现有植被不再退化;沿河两岸1 000 m的植被保护恢复总面积应达到1 028 km2;用水均衡法和潜水蒸散法重新估算的大西海子的下泄水量为2.3×108 m3 ,比原规划减少了1.2×108 m3 ,其中2.0×108 m3为维护生态所用,另外还有0.15×108~0.3×108 m3为向台特玛湖输水的水量;应保持输水连续性,大西海子以下年泄水量不小于0.36×108 m3;为了保证向下游输水,必须加强水资源调控,通过整治源流,使到达干流的水量为44.2×108 m3 ,干流严禁开荒,加强对防护堤修建后生态环境变化的监测,下游采用漫溢漂种增加植被面积。     

荒漠河岸林地下水位时空动态及其对地表径流的响应

荒漠河岸林是干旱地区重要的生态系统之一,受间歇性河流补给的浅层地下水是河岸林植物生存的主要水分来源。基于额济纳荒漠河岸林地下水位观测断面具有高时空分辨率的地下水位数据,分析了荒漠河岸林浅层地下水的时空变化及分水事件中河水对地下水的补给特征。结果表明：额济纳绿洲河岸林地下水位在季节尺度上具有植物生长季下降,非生长季上升的变化特征;在植物生长季内,地下水位具有白天下降,夜间上升的日周期变化特征,且日波动幅度主要受不同植被类型及植物不同生长期地下水蒸散速率的影响。黑河下游河水的河道渗漏是沿岸浅层地下水的主要补给来源,在分水过程中,距河道不同距离的地下水位对河水补给的响应时间随距离增加而增大,分水结束时的地下水位上升幅度随距离增加而减小,分水总径流量、分水持续时间和日均径流量是影响地下水补给宽度的主要因素。河道径流渗漏水量的绝大部分都通过蒸散发过程损失,从2013—2015年6次分水事件结束后,地下水估算补给量占其与蒸散量总和的平均比例为23.6%。     

雷州半岛土壤渗透性及其与地下水补给关系

对雷州半岛土壤渗透性进行了分析,并结合地形地貌、降雨入渗补给情况,识别地下水潜在补给区。雷州半岛土壤渗透性空间差异较大,饱和渗透系数变化范围为 0.04~8.83 m/d。总体而言,半岛南部、遂溪西北部渗透性较好,中部较差。土壤渗透系数受到土地利用类型、土壤粒径、土壤有机质等的影响。随着土壤中值粒径和有机质含量的增加,土壤渗透系数增加。不同土地利用类型,其土壤平均渗透性优劣表现为：荒地＞桉树林＞甘蔗＞菜地＞菠萝＞其他林地＞香蕉＞苗圃＞坡稻＞水稻田。降雨入渗补给系数南北高、中间低,随着土壤渗透系数增加而提高。半岛南部石茆岭和石板岭一带,地势高,坡度较缓,同时土壤渗透性和降雨入渗补给系数相对较高,为雷州半岛地下水潜在补给区。     

华北平原灌溉农田地下水补给——基于关键带视角的研究（英文）

From a critical zone perspective, the present paper aims to present the magnitude of groundwater recharge under different agricultural land-use types, reveal the process of water and solute transport in thick vadose zone, evaluate the "time lag" effect of recharge, and underscore the role of thickening vadose zone in recharge. The results indicated that different agricultural land-use types need to be further considered in recharge rate estimate. Under the typical irrigation condition in the piedmont plain, the recharge rate under flood irrigated winter wheat and summer maize(W/M_F), maize(M), non-cultivation(NC), native vegetation(NV), vegetables(V), and orchards(O) is 206.4, 149.7, 194.1, 46.4, 320.0, and 48.6 mm/yr, respectively. In the central plain, the value under W/M_F, M, NC, V, and cotton(C) is 92.8, 50.8, 85.0, 255.5, and 26.5 mm/yr, respectively. Soil water residence time(several years) and groundwater level response time(several months) should be distinguished to further understand the processes of groundwater recharge, because the soil water displacement velocities range from 0.2 to 2.2 m/yr while the rate of wetting front propagation is approximately 47 m/yr in the piedmont plain. The thickening vadose zone would prolong residence time of soil water and contaminant, which could postpone the time of or alleviate groundwater pollution, but have no significant influence on the magnitude of recharge in a long time scale. Recharge coefficient based on shorter time span(e.g. 2 or 3 years) should be used with caution as a parameter for groundwater resources evaluation, because it varies with total water input and target soil depth. Uncertainties in evapotranspiration and other water balance components should be evaluated in recharge estimation and the impact of land-use types on recharge should be emphasized. The critical zone science would greatly improve the understanding of groundwater recharge processes. The results of the present study will be helpful in sustainable groundwater resources management.     

应用同位素研究黑河下游额济纳盆地地下水

黑河下游额济纳盆地位于两北内陆干旱区,大部分地区为戈壁沙漠,降水稀少,蒸发强烈,生态环境脆弱。盆地内天然植被的生长发育主要依靠于区域地下水,研究盆地地下水形成和循环机制,对流域治理、生态环境建设具有重要意义。本文采用环境同位素示踪技术,结合水化学分析方法和区域水文地质条件,研究分析了盆地地下水循环特征、地下水与地表水的相互关系和流域不同地区地下水补给来源等,为黑河下游水利工程规划和水量调度提供科学依据。     

Groundwater fluctuations induced by ecological water conveyance in the lower Tarim River,Xinjiang, China

Data from 40 monitoring wells across 9 sections of the lower Tarim River from 2000 to 2006 were analyzed to investigate the relationship between the transmission loss per unit river length and the change in groundwater depth. The relationship between the rise of the groundwater table (y) and the distance from the main river reach (x) was then assessed through regression analysis. We concluded that the maximum affected area was 1933 m away from the main river reach in the Alagan section, and the minimum affected area was 576 m away in the Kaogan section. In addition, after 8 water deliveries, the volume for recharging the groundwater was 78 248.7 × 10⁴ m³. Using the Yingsu section as an example, we found that the volume for recharging the groundwater decreased with additional periods of delivery except after the second and sixth water delivery The results revealed that the beneficial effect of an ecological water conveyance project on the ecosystem in the lower Tarim River is a long-term process. These findings may be useful for guiding studies on instream flow requirements and provide a scientific basis for implementing similar ecological projects in other areas.     

腾格里沙漠西南缘地下水水化学形成特征及演化

以邓马营湖区为核心,对腾格里沙漠西南缘地下水数据进行水文地球化学特征分析,并运用PHREEQC2.0软件反向模拟沿运移路径地下水的补给机理及演化过程。结果显示:受水文地质条件制约,从山前洪积扇地下水的补给区深入腾格里沙漠过渡带再到邓马营湖区中深层地下水,水化学类型从HCO3-—Ca2+—Mg2+型过渡为Cl-—SO24-—Na+—Mg2+型再过渡到HCO3-—SO42-—Na+型。其影响因素基本包括:溶滤与蒸发浓缩作用、阳离子交换吸附作用、以及微弱的混合作用和地下水补给水源水化学成分控制。矿物饱和指数以及反向水文化学地球化学模拟的结果显示,由西南向东北沿水流方向各物质溶解沉淀情况复杂,除斜长石与方解石外,岩盐、石膏、白云石等浓缩沉淀显著,表明蒸发浓缩作用控制强烈。