郑 刚

（新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒 841000）

塔里木河地处中国西北干旱区，其流域属于典型的大陆性气候，干旱少雨，蒸发强烈，自然环境最为严酷、生态退化最为严重的地区，植被生长所需水分几乎都来自地下水[1]。在过去50年里，塔里木河流域由于人类不合理的资源开发，上游需水量的增加，造成自然水资源时空格局改变，流域自然生态过程发生了明显的变化，使得下游水量持续减少，导致下游320 km河道断流、大面积湿地消失、地下水位大幅度下降、天然植被全面衰败，沙漠化扩大,土壤盐渍化程度加重，生态环境持续恶化，其生态问题已引起国内外的广泛关注[2,3]。

地下水的研究对于保护塔里木河下游的生态环境显得尤为重要, 许多学者在这方面做了大量研究[4～7]。为恢复和重建严重受损的生态系统，拯救塔里木河下游日益萎缩的“绿色走廊”，2000年开始向塔里木河下游断流30年的河道实施生态输水工程[8]，针对塔里木河下游大西海子至台特玛湖区段地下水水位有比较多的研究[9,10]。但这些研究主要是基于生态监测断面的地下水动态与生态环境之间的响应，均未涉及塔里木河下游绿洲边缘地下水动态变化等方面的科学问题。

1 研究区背景

塔里木河地处我国西北干旱区新疆，全长1321 km，是中国最长的内陆河，也是世界著名的内陆河之一。塔里木河下游系指塔里木河干流卡拉水库以下至台特玛湖，全长428 km。主要位于罗布泊微弱拗陷区，构造稳定，第四纪沉积物厚约 350 m，沉积物以粘土质的河湖相沉积物为主；水文地质结构简单，冲积平原区含水层岩性单一，按岩性属于典型的孔隙含水层，主要为河湖相细砂和粉细砂、局部为风积砂。喀拉米吉绿洲位于塔里木河下游，总面积为 1140.37 km2，位于塔里木河下游左岸和孔雀河南侧两河之间的漫滩冲积平原上，该绿洲荒漠过渡带东侧为库鲁克沙漠,西侧为塔克拉玛干沙漠,北临尉犁县，南靠若羌县，地势北高南低。

该区属暖温带极干旱气候区，气候干燥，多风沙天气，年平均降水量在 17.4～42.0mm之间，平均年潜在蒸发力高达 2500～3000 mm，太阳年总辐射 5692～6360 MJ/m，日照时数 2780～2980h，≥10 ℃年积温为 4100℃～4300 ℃，平均日较差13℃～17 ℃，是中国极端干旱地区之一。

受经济利益的驱使，该区以不断扩大农业面积来促进经济发展，而忽略了水资源短缺的影响和胁迫。绿洲水资源主要源于塔里木河和孔雀河，随着人口的增长，耕地面积不断扩大，水资源需求大幅度增加，随着开发利用程度的提高，中、上游用水严重失衡，导致下游水量锐减。由于河水断流，缺乏地表径流补给，地下水位大幅度下降，英苏以下地下水埋深大都下降到 8～12 m，由地下水过程维系的天然植被严重衰败，胡杨林大面积衰败，林间沙地活化。喀拉米吉绿洲是塔里木河进入台特玛湖“绿色走廊”的最后一个绿洲，其稳定和安全直接关系到塔里木河下游乃至整个塔里木河流域绿洲的稳定和安全。

2 实验设计

2.1 监测点的布设

2008年根据遥感影像分析和实地调查，在从35团荒漠边缘向绿洲延伸方向确定22个观测点，如（图 1）所示，其地理位置(经度、纬度) 通过GPS 定位，2008年3月布置22口生态井，井深均为15 m，连通直径约5 cm的硬质橡胶管道以便于观测。样井的分布基本能代表整个研究区的地下水空间分布特征，选择其中从荒漠边缘向绿洲延伸的11口典型地段的井位为重点监测对象。

图1 喀拉米吉镇生态井位分布

2.2 地下水埋深监测

2008年8月至2010年12月定期对11口生态井的地下水埋深进行一次监测，地下水位采用电导法进行测定，共计测定25次（依次编号为1～25）。

2.3 地下水水质的检测

每年全面测定一次地下水质指标，包括地下水总碱度、硬度、pH值、矿化度、全盐、CO32-、HCO3-、CL-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+，矿化度采用重量法测定，pH值采用PHS-2C型数字式酸度计测定，总碱度及CO32-、HCO3-采用双指示剂滴定法测定，总硬度采用 EDTA容量法测定，电导率采用DDS.307型电导率仪测定，C1-采用硝酸银滴定法测定，SO42-采用EDTA容量法和铬酸钡光度法测定，Ca2+、Mg2+采用 EDTA容量法和原子吸收光度法测定。K+、Na+采用火焰光度法和原子吸收光度法测定。以期全面把握绿洲滴灌措施实施以后地下水质年际间变化趋势。

3 数据处理

利用统计学软件 SPSS对数据分布特征进行检验，采用 Excel 2010对地下水水位的变化规律进行分析，在绘制研究区地下水位等值线过程中，利用 SURFER 软件强大的数字化图形功能，通过半方差函数分析,采用 Kriging 方法对未测点进行了估值, 实现了数字到图形的转换[11]。将 SURFER 形成的等值线图用 DXF 格式输出，在 AutoCAD 程序下将其调出，根据所对应的坐标与已有的地形图合并，形成地下水位等值线图。

表1 地下水水质的统计特征值

表2 地下水观测井的电导率

4 结果与分析

4.1 观测项目的统计特征

4.1.1 地下水水质特征

从表1 可以看出，喀拉米吉镇地下水12项水质指标中只有全盐服从正态分布, 而总碱度、总硬度、SO42-、K+的分布服从对数正态分布, 矿化度、HCO-、CL-、Ca2+、Mg2+、Na+含量既不服从正态分布也不服从对数正态分布。按照变异系数的划分等级有：弱变异性，CV＜ 0.1；中等变异性，CV=0.1～1.0；强变异性，CV＞ 1.0。pH变异系数为 0.07，属于弱变异强度，总碱度、总硬度、矿化度、全盐、HCO3-、SO42-和Mg2+的变异系数属于中等变异强度,CL-、Ca2+、K+、Na+的变异系数较大，属于高变异强度。矿化度的变化在 1.5～10g·L-1，属于中等矿化度，根据舒卡列夫分类法，CL-和 Na+含量≥25%，属于Cl-Na型水，为分析11口生态井的水质差异显著性，通过LSD多重比较方法，4号和5号井水质差异不显著，1号、2号、3号、6号、7号、8号、9号、10号和11号井相互之间水质差异不显著，4、5号井与其他各井的水质达到了极显著差异（α =0.05）。

地下水观测井的电导率如（表2），用数理统计的方法推导水质矿化度与电导率的回归方程, 并绘制其关系曲线，r =0.93，y = 3.4198x - 2.8362，R ²= 0.75。通过各观测井地下水电导率的多重比较和实地调查发现，地下水盐分含量与地表景观有密切关系，1号井、2号井和3号井位于荒漠边缘，4号和5号井绿洲-荒漠交错带，6号和7号井位于绿洲内部滴灌农田，8号和10号井位于绿洲内部漫灌果园，9号和11号井位于绿洲内部林地，说明不同土地利用类型对地下水埋深和水质有一定的影响。

4.1.2 地下水水位特征

喀拉米吉镇11个观测井水位特征（表3），由表3可知，地下水埋深在3～9m范围之间，最浅水位为7号井达2.05m，最深水位为1号井达9.29m，极差为7.24m，11口井中4号井的水位变化幅度较大，其他井位变化不明显，研究区平均水位5.74m。变异系数又称“标准差率”，可衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量，由表3可知，除7号和9号生态井地下水水位的变异系数在 0.1～1.0之间，属中等变异强度，其他生态井的水位埋深变异都属弱变异强度，说明大部分监测井地下水水位变化幅度不大。

研究区海拔在 843～851m之间，平均海拔为848.42m，通过相关分析，地下水埋深与生态井的海拔高度存在一定的负相关关系，r =-0.7, 由塔里木河下游河道向库鲁克沙漠方向延伸，地下水位由8号井847.08m至3号井836.13m，水位下降了10.95m，可见塔里木河下游生态输水工程起到了很好的补给地下水的作用。

表3 地下水水位特征值 单位：m

4.2 地下水位动态特征

4.2.1 地下水时间变化特征

研究区位于塔里木河下游上段，距离输水源头—大西海子水库比较近，区域地下水不仅有塔里木河水向河道两侧渗漏补给地下水，并还有农区灌溉水补给地下水。根据 2008～2010年地下水埋深监测数据，均值是集中趋势指标中最重要的一种指标，计算出2008年、2009年和2010年11口生态井地下水埋深的平均值，以此来说明塔里木河下游典型绿洲地下水位的动态变化。

从图2可以看出，11口生态井2008年～2009年地下水埋深均呈现明显下降趋势，2009年～2010年中2、3、6、7、8、9和10号的地下水水位埋深有下降的趋势，1、4和5号井地下水水位埋深有所增加，但从2008年～2010年地下水水位平均下降0.5m/a。这与塔里木河下游断流河道实施生态输水工程密切相关，在塔里木河有河水径流时，存在沿塔里木河道的纵向由上游向下游的地下径流补给，还有河道径流向两侧渗漏补给，并可沙漠边缘的地下水有补给。

从 2008年年塔里木河输水停止，受到塔里木河河道干枯，这种补给就会消失，造成地下水位显著下降，2009年输水量仅0.11亿m3，2010年6月20日～2010年7月15日输水量为0.14亿m3，地下水位在输水期呈现上升趋势，在枯水期呈现缓慢的下降趋势，与输水时间存在一定的相关性。同时，灌区内地下水埋深具有季节性变化的趋势，夏季地下水埋深较深，冬季地下水埋深较浅，即在灌水季节（4月、5月、6月、7月、8月和9月）水位较深，在非灌溉季节（10月、11月、12月、1月、2月和3月）水位较浅，与非灌溉季节相比，灌溉季节里地下水埋深平均下降了1 m以上，充分说明绿洲对地下水资源的依赖。

图2 地下水埋深变化趋势

4.2.2 地下水空间变化特征

为了更好的展现地下水位的空间分布特征，采用Kriging最优内插法生成等值线图，可以更准确和直观地展示整个研究区的地下水资源状况、生态环境可能发生退化的区域及未来发展方向，可以为当地合理配置地下水资源、预测极端条件下荒漠化趋势及维护当地土壤、植被正常生长环境和生态的可持续发展提供数据支持。有图3可以发现，在研究区地下水水位分布呈现一定的规律，地下水埋深自东北向西南方向逐渐升高，这与塔里木河地表径流的补给有密切关系。随着离河道距离的增加，地下水为逐渐下降，在绿洲内部等值线较密集，地下水位变化幅度较小，是由于人工绿洲的灌溉，还有外来灌溉水源，通过回补地下水，还有当地开采的地下水回补，由绿洲到沙漠地下水受河道补给作用的影响小，沙漠区地下水人为干扰少，水位下降比较缓慢。

2008～2010年研究区地下水水位埋深所有观测值均呈下降趋势，为探索研究区地下水水位空间下降特征，将2008年、2010年两期数据差值后得到地下水位降幅，进行 Kriging插值，生成 Grid图层，获得研究区内的插值结果，在AutoCAD 程序下将其调出，根据所对应的坐标与已有的地形图合并，在此基础上得到地下水位降幅等值线。从图 4中可见，地下水位降幅由西南向东北有逐渐减少趋势，说明从绿洲内部至绿洲边缘、最后到荒漠地下水水位下降幅度逐渐降低，在绿洲内部等值线变化较复杂，地下水水位波动幅度有增有减，这主要是因为绿洲内部人为活动的干扰，为满足绿洲农业灌溉需水，大量开采地下水所致，又有可能是灌溉对地下水有所补给的影响。

图3 2008-2010年地下水埋深等值线

图4 2008-2010年地下水埋深下降等值线图

4.3 不同土地利用地下水差异

根据生态井位由绿洲-荒漠交错带向绿洲内部延伸的布置原则，造成生态井所处的景观格局不同，并且结合不同井位地区的灌溉特点，可以将其分为绿洲边缘、绿洲内部农田、绿洲内部果园和绿洲内部林地四种类型。采用2009年地下水位数据分析了不同类型生态井地下水埋深的年内变化特点。

荒漠边缘（1号井、2号井和3号井）地下水变化趋势，3口井的地下水位埋深虽然不同，但年内变化趋势基本相同，水位呈小幅度增大趋势，波动幅度较小，主要是因为地下水开采量少，有无其他补给，荒漠边缘地下埋深在 7～9 m之间，大于多数植物生长临界水位。

绿洲-荒漠交错带（4号和5号井）地下水位变化趋势，地下水埋深波动幅度在 1.64～1.70m，4号井距离荒漠较近，变化趋势与荒漠边缘生态井相近，5号井距离绿洲较近，有一定的地表径流下渗和灌溉水的补给，呈现上下波动的趋势。

绿洲内部滴灌农田（6号和7号井）地下水位变化趋势，2口井水位差约2m，变化趋势的相关系数达0.97，从拟合直线斜率可知，两年内农田地下水位增加幅度高于绿洲边缘，且波动幅度大。滴灌技术的采用，使得灌溉水基本不产生深层渗漏，喀拉米吉镇绿洲农田滴灌对土壤的影响深度不超过80cm，对地下水位的影响基本可以忽略，造成水位波动的原因主要是近年来塔里木河下游水量锐减，农业用水需要大量地下水资源补给，灌水季节和非灌水季节水位差异明显。

绿洲内部漫灌果园（8号和10号井）地下水位变化趋势，2口井地下水位埋深差异不明显，变化趋势相关系数达0.96，从直线拟合趋势看出，绿洲内果园水位增幅显著，波动趋势较大，主要是漫灌产生深层渗漏能够部分补充地下水。

绿洲内部林地（9号和11号井）地下水位变化趋势，2口井的地下水水位差异在1m内，地下水埋深呈小幅度增加趋势，波动趋势大于绿洲边缘，小于农田和果园，主要原因是绿洲内部以人类生活活动为主，地下水开采量略小，林地灌溉次数少，良好的绿洲生态环境使地下水保持稳定。

5 结论与讨论

合理的地下水位在保障绿洲生态安全、经济增长和社会发展等方面作用显著。塔里木河下游水量锐减使得地下水资源成为团场农业和生态用水的重要补给。地下水资源的过渡开采造成喀拉米吉镇地下水位急剧下降，最终引起绿洲生态林大面积衰败甚至死亡。

（1）研究区地下水12项水质指标只有全盐分布符合正态分布，变异系数大小为K+ ＞CL- ＞Ca2+＞Na+＞全盐＞矿化度＞SO42-＞总碱度＞HCO3- ＞Mg2+＞总硬度＞ pH 值，生态井4、5号井与其他9口井的水质达到了极显著差异（α=0.05），其他各井之间差异不显著，地下水属于中等矿化度 Cl-Na型水。地下水埋深在3～9m范围之间，平均5.74m，基本属弱变异强度。地下水位水位由塔里木河下游河道向库鲁克沙漠方向下降了10.95m，塔里木河下游生态输水工程起到了很好的补给地下水的作用，并且不同土地利用类型对地下水埋深和水质有一定的影响。

（2）地下水位变化与塔河输水时间存在一定的相关性，在输水期呈现上升趋势，停止输水后呈现缓慢的下降趋势，并且地下水水位存在明显的年内变化特征，这与人类活动有关。灌区内地下水埋深具有季节性变化的趋势，非灌溉季节地下水位浅，灌溉季节地下水位深，灌溉季节地下水位不但没有上升而且下降了，这主要是因为大面积的节水灌溉制度对地下水没有补给。塔里木河地表径流的补给使地下水埋深自东北向西南方向逐渐升高，农业漫灌方式也会对地下水有所补给。

2008年8月至2010年，研究区平均地下水埋深不但没有抬升反而呈下降趋势，地下水埋深降幅由西南向东北有逐渐减少趋势，11眼生态井平均地下水位下降幅度为 0.5m·a-1，笔者认为这与大面积的节水灌溉有关，绿洲抽取地下水的机井亦日益增多，绿洲内地下水过渡开采有关。

（3）不同土地利用方式和不同的灌溉方式造成地下水水位变化的空间差异性，喀拉米吉绿洲地下水水位有不同程度的下降趋势。绿洲地下水埋深在2.41～6.7m，平均4.41m，小于潜水蒸发的极限5m，加之地下水矿化度高，会加剧土壤的盐渍化程度。因此，建议缩小农耕面积，减少地下水灌溉，使用塔里木河水和卡拉水库的淡水。荒漠地下水埋深在，平均 7.25～9.09m，平均8.07m，大于多数植物生长临界水位，若缺少淡水水源灌溉，此区域地下水埋深必将低于荒漠区，地下水在水力梯度的作用下将由地下水埋深浅处向深处逐渐运移，这样，从绿洲到荒漠方向上，地下水埋深必会逐渐增加，造成沙漠化的扩展。因此，面对喀拉米吉绿洲特殊的环境，对有限水资源应进行优化配置，实现绿洲经济、社会和生态环境的可持续发展。

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