基于生態圈層結構穩定的地下水位計算與調控

　　摘要：干旱區綠洲灌區水資源集中開發使用，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問題，嚴重威脅著綠洲的生態安全。以生態圈層結構理論為基礎，深化研究潛水影響層概念內涵，構建干旱平原區潛水蒸發概念性模型，以黑河羅城灌區為例，從機理上揭示干旱區荒漠化與鹽漬化的地下水埋深條件并進行定量計算與調控，主要成果如下：①描述了造成內陸河干旱區綠洲內部鹽漬化和過渡帶荒漠化的潛水蒸發運移規律，利用潛水影響層定義了鹽漬化與荒漠化地下水臨界埋深，并進行了定量計算，得到羅城灌區綠洲內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鍵參數土壤當量孔徑和液體表面張力在不同生態問題中合理取值;③提出一種協同緩解干旱區鹽漬化和荒漠化地下水位調控方案，實現改善灌區內部鹽漬化、控制過渡帶荒漠化和水資源高效利用等多個目標。

　　關鍵詞：生態圈層結構;地下水臨界埋深;過渡帶荒漠化;灌區鹽漬化;地下水水位調控

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

　　荒漠化論文投稿刊物：《干旱區研究》(雙月刊)創刊于1984年，是由中國科學院主管，中國科學院新疆生態與地理研究所和中國土壤學會聯合主辦的全國性學術期刊。著重刊載全球變化的干旱區響應、內陸水循環與水資源、干旱區脆弱生態系統適應氣候變化對策、綠洲生態系統建設、綠洲學科發展等干旱區基本科學問題。

　　通過分析內陸河水文循環的生態效應，揭示內陸河干旱區水分驅動的生態演變機理，提出了徑流活動支撐下內陸河平原綠洲、綠洲-荒漠交錯過渡帶、荒漠共生系統的生態圈層結構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，對內陸河干旱區生態安全具有決定性的影響。

　　隨后10多年，利用統計分析、實驗觀測、數值模擬等方法，對干旱區生態需水[7]、地下水閾值[8-11]、綠洲規模及穩定性[12]、生態調水對植被相應關系[13]等問題開展了許多研究工作。內陸河干旱區生態需水是通過地下水潛水蒸發去實現，維持適宜的地下水埋深對干旱區生態安全至關重要。干旱區綠洲內部水資源集中開發利用，導致地下水潛流場發生變化，使綠洲生態安全受到內外侵襲。

　　一是生態圈層結構的變化，荒漠化持續擴張。由于地下水位下降，使過渡帶大幅退化，導致綠洲直接面對荒漠;二是綠洲內部持續次生鹽漬化。由于灌區排水不暢，導致地下水位過高，在綠洲內部出現大量鹽堿地，降低了土地生產力。造成生態問題的關鍵是水資源的局部分布不均，主要表現在綠洲內部由于預留的大量生態需水和灌溉回歸水就近排放，出現的水資源過剩，地下水埋深較淺，潛水蒸發強烈，植被需水過剩，從而出現鹽漬化;另一方面灌區綠洲外部的過渡帶區域，潛流場收縮，由于缺水導致地下水埋深過大，地下水與地表植被失去補給聯系，潛水蒸發無法對地表植被進行補給，而出現過渡帶荒漠化[14,15]。

　　過渡帶是干旱區綠洲的天然生態屏障，根據生態圈層結構理論，干旱區內陸河生態穩定的重要標志是控制荒漠化面積擴張，其生態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補給，降水補給微不足道，這就是過渡帶與綠洲的區別。過渡帶需要微量地下水補給，且其稀疏植被對于遏制荒漠擴張作用巨大，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林，既降低了綠洲安全性，又增加了(額外負擔的防護林)用水。

　　與此同時，干旱區大部分灌區普遍存在灌溉排水不暢，使灌區內部地下水水位上升，形成次生鹽漬化，既浪費了寶貴水資源，又降低了綠洲生態質量，而人工防護林的灌溉也常常加劇了鹽漬化。本文將上述問題一并考慮，對地下水位進行調控：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，以滿足植被生態需水。

　　為此需要解決關鍵技術難題：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鍵是對潛水蒸發影響的范圍和耗散過程開展深入研究。本文通過機理分析，研究上述2個臨界潛水埋深的生態水文原理與定量方法。基于地下水潛流場的連續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構上理順干旱區水資源合理利用與生態安全關系。

　　1原理與方法

　　1.1生態圈層結構理論山區形成的徑流是平原地區最重要的水分來源，補給平原盆地生態系統的水分由兩部分組成，第一是當地少量降水，第二是河川徑流，后者起決定性作用。由于徑流的作用，內陸河平原沿河岸形成了非地帶性生態群落：林地和高蓋度草地以及濕地等，組成綠洲。河川徑流向兩岸側滲形成一定影響范圍的地下潛水。潛水蒸發的加入，“激活”了潛水影響區域內降水的“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與地帶性的荒漠生態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向地帶性荒漠生態的過渡形式。

　　由于徑流運動的作用，平原生態景觀表現出規律性變化：以徑流活動區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。根據生態景觀的需水補給條件界定內陸河盆地生態系統的組成，定義荒漠、綠洲荒漠交錯過渡帶、綠洲[6-7]。按人類活動進一步將綠洲劃分人工綠洲和天然綠洲。

　　1.2潛水蒸發物理過程

　　地下水影響地表生態是通過潛水蒸發形成土壤水運動而實現的，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，毛管力大小有區別，因此導致濕潤層中土壤含水量呈現一定的規律分布，定義土壤中所有毛管水活動的范圍為潛水影響層。確立臨界埋深的關鍵是需要確定潛水影響層的厚度和水分分布規律。

　　2案例分析

　　2.1研究區概況

　　經過對新疆、河西走廊等內陸地區開展調研，同時對河西走廊1990—2015年近20年遙感影像分析，發現干旱區過渡帶荒漠化和鹽漬化問題普遍存在。經過比選確定黑河流域位于中下游交接處的羅城灌區為研究區域。該灌區鹽漬化與過渡帶退化問題長期存在，屬(中)型自流灌區，目前耕地面積52km2，鹽堿地面積23km2，以羅城灌區綠洲為主體的研究區面積約600km2，包括80km2的低蓋度植被區域，400km2的戈壁荒漠區域。羅城灌區共開展3次野外調查采樣，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。

　　取樣內容包括利用北京新地標土壤設備有限公司生產的型號XDB0301手動旋轉采樣鉆(最深5m)每隔30cm取土樣，利用英國Delta-TDevices公司生產的WETSensor測量土壤含水率、土壤水電導率、土壤水溫度，取樣直至潛水面。同時在每個取樣點進行多個隨機樣方法(綠洲內采用2m×2m樣方，過渡帶10m×10m樣方)，進行每個取樣點植被群落識別和群落蓋度的調查。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。

　　對黑河流域平原區不同區域的68個地下水埋深進行分析，發現羅城灌區鹽堿化較嚴重的區域地下水埋深均在1.5m以內，主要分布在河道干流附近及耕地內部;羅城灌區綠洲內部(主要是灌溉耕地及部分天然綠洲內部)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，證明計算結果可信。根據植被“耐受性定律”，指某一生態因子中的耐受范圍稱為生態幅，最具代表性的方法為高斯模型[18]。

　　本文將野外樣方調查的植被蓋度與地下水埋深進行高斯曲線擬合，當地下水埋深超過10m時植被過渡帶中幾種關鍵的優勢種白刺、沙拐棗、梭梭、檉柳蓋度均出現嚴重下降，平均蓋度基本都低于10%。當地下水埋深超過13m左右時植被蓋度基本低于5%，出現了顯著的荒漠化特征。通過上述調查統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%時對應的地下水埋深值近似，因此表明理論計算的結果具有一定的可信度。

　　3討論

　　地下水埋深與地表生態關系密切，許多學者對地下水與生態關系開展過大量研究[19]。陳何生[20]在西北地區水資源開發利用對生態系統影響中指出，當地下水埋深大于8~10m時，檉柳白刺都會消亡，土壤嚴重荒漠化;王忠靜等[12]在西北綠洲穩定性研究中指出地下水埋深大于7m，絕大多數植被會死亡，植被蓋度低于10%;馬玉蕾等[21]關于我國西北地區生態地下水綜述研究中表明通過實驗觀測和統計分析數據，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時容易出現鹽漬化，地下埋深大于6m時容易出現荒漠化;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計分析方法劃分了不同生態水位，指出1~2m容易鹽分在地表聚集，適宜生態地下水埋深2~4m，荒漠化地下水埋深為6m。目前相關計算研究都是基于野外觀測和數據統計分析，本文中采用理論計算的方法得到的相關值在前期許多學者觀測和統計分析的范圍之內。計算結果與野外實證和相關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常現象。(2)微地形影響局部植被群落類型，對于部分區域，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域靠近山區，局部降水較多。(3)植被群落根系取值，本文強調理論方法，特別是文中植被的最大根系長度，這種參數由于受到影響的因素很多，具有一定的區域性。干旱區生態系統與地下水埋深密切相關，土壤鹽漬化和荒漠化等地表生態問題受地下水臨界埋影響。如何降低綠洲內部鹽漬化地下水過剩水量，解決過渡帶植被缺水而出現荒漠化，可以通過一些工程手段來進行調控。

　　在鹽堿化區域通過機井抽水、排堿渠等手段降低水位，通過一定手段排走。本文中擬在研究區灌區內部的鹽漬化區域通過合理布設小型機井方式使鹽漬化區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-荒漠邊界通過布設類似護城河的網狀溝壑(簡稱“護帶溝”)來接收輸送過來的水資源，固定過渡帶，如圖6所示。

　　4結論與展望

　　本文針對干旱區荒漠化和次生鹽漬化形成機理與聯合調控方法開展深入研究，構建了干旱區綠洲生態安全理論，深化了潛水影響層概念內涵，并以黑河流域羅城灌區為研究區域開展計算與實證分析，取得主要結論如下：(1)構建并豐富了潛水影響層概念，確定了其厚度計算方法，并分析了其內部水分分布特點，利用潛水影響概念定義了內陸河干旱區次生鹽堿化和荒漠化地下水臨界埋深，并進行了定量計算。(2)以羅城灌區為計算案例，確定了綠洲內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，建議羅城灌區綠洲內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)針對羅城灌區次生鹽堿化和荒漠化，提出一種協同解決土壤鹽堿化和荒漠化的地下水位調控方法。針對干旱區的后續生態安全管理，可以進一步開展相關研究：(1)綠洲合理規模研究，通過推導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，可對綠洲合理規模進行確定;(2)地下水位精準調控方案關鍵技術問題研究，關于降低鹽堿化區域地下水埋深機井布設和受水區過渡帶地下水埋深恢復工程需要采用何種方法需要進一步開展研究工作;(3)內陸河干旱區綠洲內部次生鹽堿化區水量潛力研究，通過遙感解譯現狀河西走廊綠洲內部次生鹽堿化面積，利用水文地質相關方法，評估預計在綠洲次生鹽堿化區可提取水量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，預計能夠固定過渡帶面積為440~1773km2;(4)本文側重從潛水運移機理的角度分析地下水埋深條件，后續可以結合生態水文模型開展地下水模擬和生態調控方面的研究。

　　參考文獻：

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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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