基于生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的地下水位計算與調(diào)控

　　摘要：干旱區(qū)綠洲灌區(qū)水資源集中開發(fā)使用，改變了地下水潛流場分布，造成了鹽漬化和荒漠化并存的生態(tài)問題，嚴(yán)重威脅著綠洲的生態(tài)安全。以生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，深化研究潛水影響層概念內(nèi)涵，構(gòu)建干旱平原區(qū)潛水蒸發(fā)概念性模型，以黑河羅城灌區(qū)為例，從機(jī)理上揭示干旱區(qū)荒漠化與鹽漬化的地下水埋深條件并進(jìn)行定量計算與調(diào)控，主要成果如下：①描述了造成內(nèi)陸河干旱區(qū)綠洲內(nèi)部鹽漬化和過渡帶荒漠化的潛水蒸發(fā)運移規(guī)律，利用潛水影響層定義了鹽漬化與荒漠化地下水臨界埋深，并進(jìn)行了定量計算，得到羅城灌區(qū)綠洲內(nèi)部次生鹽堿化的地下水臨界埋深為1.3~1.5m，過渡帶荒漠化地下水臨界埋深為8~13m;②討論了潛水影響層厚度定量公式中關(guān)鍵參數(shù)土壤當(dāng)量孔徑和液體表面張力在不同生態(tài)問題中合理取值;③提出一種協(xié)同緩解干旱區(qū)鹽漬化和荒漠化地下水位調(diào)控方案，實現(xiàn)改善灌區(qū)內(nèi)部鹽漬化、控制過渡帶荒漠化和水資源高效利用等多個目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：生態(tài)圈層結(jié)構(gòu);地下水臨界埋深;過渡帶荒漠化;灌區(qū)鹽漬化;地下水水位調(diào)控

　　荒漠化和鹽漬化嚴(yán)重威脅干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全[1,2]。中國對西北內(nèi)陸河干旱區(qū)研究開始于20世紀(jì)80年代，湯奇成和周成虎[3]指出內(nèi)陸河水文循環(huán)山區(qū)為徑流形成區(qū)、平原為徑流耗散區(qū)，并提出了干旱區(qū)生態(tài)用水的概念;20世紀(jì)90年代中科院蘭州寒旱所提出內(nèi)陸河山區(qū)水文生態(tài)的垂直地帶譜[4]概念;隨后干旱區(qū)綠洲潛水蒸發(fā)[5]的作用也開始受到關(guān)注;1996—2000年間，國家九五科技攻關(guān)計劃重點項目“西北地區(qū)水資源合理利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究”系統(tǒng)開展了中國西北內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究。

　　荒漠化論文投稿刊物：《干旱區(qū)研究》(雙月刊)創(chuàng)刊于1984年，是由中國科學(xué)院主管，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所和中國土壤學(xué)會聯(lián)合主辦的全國性學(xué)術(shù)期刊。著重刊載全球變化的干旱區(qū)響應(yīng)、內(nèi)陸水循環(huán)與水資源、干旱區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)氣候變化對策、綠洲生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、綠洲學(xué)科發(fā)展等干旱區(qū)基本科學(xué)問題。

　　通過分析內(nèi)陸河水文循環(huán)的生態(tài)效應(yīng)，揭示內(nèi)陸河干旱區(qū)水分驅(qū)動的生態(tài)演變機(jī)理，提出了徑流活動支撐下內(nèi)陸河平原綠洲、綠洲-荒漠交錯過渡帶、荒漠共生系統(tǒng)的生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論并建立了概念性模型[6]。荒漠與過渡帶邊界的臨界地下水埋深，以及過渡帶與綠洲邊界的臨界地下水埋深，對內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)安全具有決定性的影響。

　　隨后10多年，利用統(tǒng)計分析、實驗觀測、數(shù)值模擬等方法，對干旱區(qū)生態(tài)需水[7]、地下水閾值[8-11]、綠洲規(guī)模及穩(wěn)定性[12]、生態(tài)調(diào)水對植被相應(yīng)關(guān)系[13]等問題開展了許多研究工作。內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)需水是通過地下水潛水蒸發(fā)去實現(xiàn)，維持適宜的地下水埋深對干旱區(qū)生態(tài)安全至關(guān)重要。干旱區(qū)綠洲內(nèi)部水資源集中開發(fā)利用，導(dǎo)致地下水潛流場發(fā)生變化，使綠洲生態(tài)安全受到內(nèi)外侵襲。

　　一是生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)的變化，荒漠化持續(xù)擴(kuò)張。由于地下水位下降，使過渡帶大幅退化，導(dǎo)致綠洲直接面對荒漠;二是綠洲內(nèi)部持續(xù)次生鹽漬化。由于灌區(qū)排水不暢，導(dǎo)致地下水位過高，在綠洲內(nèi)部出現(xiàn)大量鹽堿地，降低了土地生產(chǎn)力。造成生態(tài)問題的關(guān)鍵是水資源的局部分布不均，主要表現(xiàn)在綠洲內(nèi)部由于預(yù)留的大量生態(tài)需水和灌溉回歸水就近排放，出現(xiàn)的水資源過剩，地下水埋深較淺，潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，植被需水過剩，從而出現(xiàn)鹽漬化;另一方面灌區(qū)綠洲外部的過渡帶區(qū)域，潛流場收縮，由于缺水導(dǎo)致地下水埋深過大，地下水與地表植被失去補給聯(lián)系，潛水蒸發(fā)無法對地表植被進(jìn)行補給，而出現(xiàn)過渡帶荒漠化[14,15]。

　　過渡帶是干旱區(qū)綠洲的天然生態(tài)屏障，根據(jù)生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論，干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)穩(wěn)定的重要標(biāo)志是控制荒漠化面積擴(kuò)張，其生態(tài)水文的核心問題是維持一定的潛水埋深以保持過渡帶與荒漠界線的穩(wěn)定。過渡帶雖然依賴降水，但僅降水是不夠的，必須有地下水的微量補給，這是過渡帶存在的必備條件之一，否則過渡帶退化，荒漠入侵。而綠洲依賴于地下水潛水蒸發(fā)補給，降水補給微不足道，這就是過渡帶與綠洲的區(qū)別。過渡帶需要微量地下水補給，且其稀疏植被對于遏制荒漠?dāng)U張作用巨大，這一點容易被忽視，致使過渡帶不斷消失，不得不依賴人工防護(hù)林，既降低了綠洲安全性，又增加了(額外負(fù)擔(dān)的防護(hù)林)用水。

　　與此同時，干旱區(qū)大部分灌區(qū)普遍存在灌溉排水不暢，使灌區(qū)內(nèi)部地下水水位上升，形成次生鹽漬化，既浪費了寶貴水資源，又降低了綠洲生態(tài)質(zhì)量，而人工防護(hù)林的灌溉也常常加劇了鹽漬化。本文將上述問題一并考慮，對地下水位進(jìn)行調(diào)控：降低鹽堿地的地下水位以消除鹽漬化，將抽取的礦化度較高的水通過管道等方式輸送到過渡帶，抬升地下水位，以滿足植被生態(tài)需水。

　　為此需要解決關(guān)鍵技術(shù)難題：為了保障地下水能被過渡帶植被利用，地下水位必須高于一定的潛水埋深，即地下水補給植被的臨界埋深;為了遏制鹽分析出地表，地下水位必須低于一定的潛水埋深，即限制鹽分輸送至地表的臨界埋深。因此解決鹽漬化和荒漠化問題的關(guān)鍵是對潛水蒸發(fā)影響的范圍和耗散過程開展深入研究。本文通過機(jī)理分析，研究上述2個臨界潛水埋深的生態(tài)水文原理與定量方法�；�于地下水潛流場的連續(xù)性和兩者問題在水資源上的互補性，將二者一并考慮可以從結(jié)構(gòu)上理順干旱區(qū)水資源合理利用與生態(tài)安全關(guān)系。

　　1原理與方法

　　1.1生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)理論山區(qū)形成的徑流是平原地區(qū)最重要的水分來源，補給平原盆地生態(tài)系統(tǒng)的水分由兩部分組成，第一是當(dāng)?shù)厣倭拷邓�，第二是河川徑流，后者起決定性作用。由于徑流的作用，內(nèi)陸河平原沿河岸形成了非地帶性生態(tài)群落：林地和高蓋度草地以及濕地等，組成綠洲。河川徑流向兩岸側(cè)滲形成一定影響范圍的地下潛水。潛水蒸發(fā)的加入，“激活”了潛水影響區(qū)域內(nèi)降水的“有效功能”，由降水與地下潛水共同補給，在非地帶性的綠洲生態(tài)與地帶性的荒漠生態(tài)之間形成了一個相對綠洲而言要寬闊得多的過渡帶。過渡帶植被以(中)低蓋度草地為主，是從非地帶性綠洲生態(tài)向地帶性荒漠生態(tài)的過渡形式。

　　由于徑流運動的作用，平原生態(tài)景觀表現(xiàn)出規(guī)律性變化：以徑流活動區(qū)為中心向外依次為綠洲、過渡帶、荒漠;植被等級和蓋度逐漸由高向低演變，分別為有林地、灌木林、疏林地和高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、沙漠、戈壁。根據(jù)生態(tài)景觀的需水補給條件界定內(nèi)陸河盆地生態(tài)系統(tǒng)的組成，定義荒漠、綠洲荒漠交錯過渡帶、綠洲[6-7]。按人類活動進(jìn)一步將綠洲劃分人工綠洲和天然綠洲。

　　1.2潛水蒸發(fā)物理過程

　　地下水影響地表生態(tài)是通過潛水蒸發(fā)形成土壤水運動而實現(xiàn)的，借助于毛管力，由潛水面上升形成一定厚度濕潤層，濕潤層的厚度取決于毛管力，由于土壤水的毛管力受多因素的影響[16]，因此該濕潤層的厚度是一個范圍值;在外界條件一定的情況下，濕潤層中不同點離潛水面的距離不同，毛管力大小有區(qū)別，因此導(dǎo)致濕潤層中土壤含水量呈現(xiàn)一定的規(guī)律分布，定義土壤中所有毛管水活動的范圍為潛水影響層。確立臨界埋深的關(guān)鍵是需要確定潛水影響層的厚度和水分分布規(guī)律。

　　2案例分析

　　2.1研究區(qū)概況

　　經(jīng)過對新疆、河西走廊等內(nèi)陸地區(qū)開展調(diào)研，同時對河西走廊1990—2015年近20年遙感影像分析，發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)過渡帶荒漠化和鹽漬化問題普遍存在。經(jīng)過比選確定黑河流域位于中下游交接處的羅城灌區(qū)為研究區(qū)域。該灌區(qū)鹽漬化與過渡帶退化問題長期存在，屬(中)型自流灌區(qū)，目前耕地面積52km2，鹽堿地面積23km2，以羅城灌區(qū)綠洲為主體的研究區(qū)面積約600km2，包括80km2的低蓋度植被區(qū)域，400km2的戈壁荒漠區(qū)域。羅城灌區(qū)共開展3次野外調(diào)查采樣，分別為2017年8月22—27日(植被生長期)、2018年3月22—26日(灌溉前)和2018年8月10—14日(植被生長期)，獲得30個有效樣點。

　　取樣內(nèi)容包括利用北京新地標(biāo)土壤設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號XDB0301手動旋轉(zhuǎn)采樣鉆(最深5m)每隔30cm取土樣，利用英國Delta-TDevices公司生產(chǎn)的WETSensor測量土壤含水率、土壤水電導(dǎo)率、土壤水溫度，取樣直至潛水面。同時在每個取樣點進(jìn)行多個隨機(jī)樣方法(綠洲內(nèi)采用2m×2m樣方，過渡帶10m×10m樣方)，進(jìn)行每個取樣點植被群落識別和群落蓋度的調(diào)查。每個取樣點地下水埋深采用鉆孔、觀測井及民用井等多個途徑獲得。

　　對黑河流域平原區(qū)不同區(qū)域的68個地下水埋深進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)羅城灌區(qū)鹽堿化較嚴(yán)重的區(qū)域地下水埋深均在1.5m以內(nèi)，主要分布在河道干流附近及耕地內(nèi)部;羅城灌區(qū)綠洲內(nèi)部(主要是灌溉耕地及部分天然綠洲內(nèi)部)地下水埋深水位大概在2~6m;綠洲外圍植被較稀疏的過渡帶區(qū)域，地下水埋深在6~13m;地下水埋深超過13m后基本為荒漠。過渡帶地下水埋深6~13m基本與計算的過渡帶臨界地下水埋深最大值相似，證明計算結(jié)果可信。根據(jù)植被“耐受性定律”，指某一生態(tài)因子中的耐受范圍稱為生態(tài)幅，最具代表性的方法為高斯模型[18]。

　　本文將野外樣方調(diào)查的植被蓋度與地下水埋深進(jìn)行高斯曲線擬合，當(dāng)?shù)叵滤�埋深超過10m時植被過渡帶中幾種關(guān)鍵的優(yōu)勢種白刺、沙拐棗、梭梭、檉柳蓋度均出現(xiàn)嚴(yán)重下降，平均蓋度基本都低于10%。當(dāng)?shù)叵滤�埋深超過13m左右時植被蓋度基本低于5%，出現(xiàn)了顯著的荒漠化特征。通過上述調(diào)查統(tǒng)計分析本文計算的地下水臨界埋深值與植被平均蓋度低于5%時對應(yīng)的地下水埋深值近似，因此表明理論計算的結(jié)果具有一定的可信度。

　　3討論

　　地下水埋深與地表生態(tài)關(guān)系密切，許多學(xué)者對地下水與生態(tài)關(guān)系開展過大量研究[19]。陳何生[20]在西北地區(qū)水資源開發(fā)利用對生態(tài)系統(tǒng)影響中指出，當(dāng)?shù)叵滤�埋深大�?~10m時，檉柳白刺都會消亡，土壤嚴(yán)重荒漠化;王忠靜等[12]在西北綠洲穩(wěn)定性研究中指出地下水埋深大于7m，絕大多數(shù)植被會死亡，植被蓋度低于10%;馬玉蕾等[21]關(guān)于我國西北地區(qū)生態(tài)地下水綜述研究中表明通過實驗觀測和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，表明鹽漬化臨界埋深為1~2m，荒漠化臨界埋深為5m左右。

　　賈利民等[22]通過實驗的方法得到地下水位小于2m時容易出現(xiàn)鹽漬化，地下埋深大于6m時容易出現(xiàn)荒漠化;張佩等[23]]在黑河中下游通過野外觀測分析不同地下位與檉柳的生理特性關(guān)系，得到合適的檉柳生長的適宜埋深為3m左右;樊自立等[24]在塔里木河流域通過統(tǒng)計分析方法劃分了不同生態(tài)水位，指出1~2m容易鹽分在地表聚集，適宜生態(tài)地下水埋深2~4m，荒漠化地下水埋深為6m。目前相關(guān)計算研究都是基于野外觀測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，本文中采用理論計算的方法得到的相關(guān)值在前期許多學(xué)者觀測和統(tǒng)計分析的范圍之內(nèi)。計算結(jié)果與野外實證和相關(guān)研究成果存在誤差的主要原因有如下幾點：

　　(1)野外取樣毛管水上升高度與理論計算差異，野外取樣的毛管水最大上升高度與理論計算的臨界值普遍小，主要原因是實際情況中很難碰到臨界計算狀態(tài)下的理想條件，野外取樣點分析值均小于理論計算的臨界值屬于正�，F(xiàn)象。(2)微地形影響局部植被群落類型，對于部分區(qū)域，地下水埋深大于地下水能夠補給植被的臨界埋深，依然有植被生長的問題，主要原因可能是這些區(qū)域靠近山區(qū)，局部降水較多。(3)植被群落根系取值，本文強(qiáng)調(diào)理論方法，特別是文中植被的最大根系長度，這種參數(shù)由于受到影響的因素很多，具有一定的區(qū)域性。干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與地下水埋深密切相關(guān)，土壤鹽漬化和荒漠化等地表生態(tài)問題受地下水臨界埋影響。如何降低綠洲內(nèi)部鹽漬化地下水過剩水量，解決過渡帶植被缺水而出現(xiàn)荒漠化，可以通過一些工程手段來進(jìn)行調(diào)控。

　　在鹽堿化區(qū)域通過機(jī)井抽水、排堿渠等手段降低水位，通過一定手段排走。本文中擬在研究區(qū)灌區(qū)內(nèi)部的鹽漬化區(qū)域通過合理布設(shè)小型機(jī)井方式使鹽漬化區(qū)域地下水埋深降到理論計算的鹽漬化臨界埋深以下，同時通過管道等方式將提取出來的鹽漬化區(qū)過剩水量輸送到過渡帶與荒漠的邊界，在過渡帶-荒漠邊界通過布設(shè)類似護(hù)城河的網(wǎng)狀溝壑(簡稱“護(hù)帶溝”)來接收輸送過來的水資源，固定過渡帶，如圖6所示。

　　4結(jié)論與展望

　　本文針對干旱區(qū)荒漠化和次生鹽漬化形成機(jī)理與聯(lián)合調(diào)控方法開展深入研究，構(gòu)建了干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全理論，深化了潛水影響層概念內(nèi)涵，并以黑河流域羅城灌區(qū)為研究區(qū)域開展計算與實證分析，取得主要結(jié)論如下：(1)構(gòu)建并豐富了潛水影響層概念，確定了其厚度計算方法，并分析了其內(nèi)部水分分布特點，利用潛水影響概念定義了內(nèi)陸河干旱區(qū)次生鹽堿化和荒漠化地下水臨界埋深，并進(jìn)行了定量計算。(2)以羅城灌區(qū)為計算案例，確定了綠洲內(nèi)部次生鹽堿化的地下水臨界埋深為1.29m，從實際安全管理角度，建議羅城灌區(qū)綠洲內(nèi)部防止次生鹽堿化的地下水埋深控制在1.3~1.5m。過渡帶植被荒漠化的地下水臨界埋深為8~13m。

　　(3)針對羅城灌區(qū)次生鹽堿化和荒漠化，提出一種協(xié)同解決土壤鹽堿化和荒漠化的地下水位調(diào)控方法。針對干旱區(qū)的后續(xù)生態(tài)安全管理，可以進(jìn)一步開展相關(guān)研究：(1)綠洲合理規(guī)模研究，通過推導(dǎo)潛水影響層中土壤水分分布曲線，積分后可定量確定潛水影響層中土壤水含量，可對綠洲合理規(guī)模進(jìn)行確定;(2)地下水位精準(zhǔn)調(diào)控方案關(guān)鍵技術(shù)問題研究，關(guān)于降低鹽堿化區(qū)域地下水埋深機(jī)井布設(shè)和受水區(qū)過渡帶地下水埋深恢復(fù)工程需要采用何種方法需要進(jìn)一步開展研究工作;(3)內(nèi)陸河干旱區(qū)綠洲內(nèi)部次生鹽堿化區(qū)水量潛力研究，通過遙感解譯現(xiàn)狀河西走廊綠洲內(nèi)部次生鹽堿化面積，利用水文地質(zhì)相關(guān)方法，評估預(yù)計在綠洲次生鹽堿化區(qū)可提取水量1.23~4.94億m3，并通過將提取的鹽堿水用來固定過渡帶的植被，預(yù)計能夠固定過渡帶面積為440~1773km2;(4)本文側(cè)重從潛水運移機(jī)理的角度分析地下水埋深條件，后續(xù)可以結(jié)合生態(tài)水文模型開展地下水模擬和生態(tài)調(diào)控方面的研究。

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　　作者：汪勇1，陳敏建1，趙勇1，閆龍1，鄧偉1，王慶明1,2

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