塔里木河干流流域生态—环境需水研究
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摘要
塔里木河被誉为南疆各族人民的“母亲河”。由于源流区和干流上、中游农业用水大量占用生态用水,造成了下游320公里河道长期断流,尾闾台特马湖干涸,地下水位下降,自然植被衰败,浮尘、沙尘暴等灾害性天气频繁发生等生态环境问题。本论文选择塔里木河干流流域作为研究对象,对该流域生态-环境需水量进行系统研究,目的是为面向生态的水资源优化配置提供科学依据。主要研究内容和结论如下:
(1)收集了塔里木河干流流域的裸地潜水蒸发资料,分析了潜水蒸发的规律,推导了计算极限蒸发强度的解析解,建立了结构更为合理的裸地潜水蒸发计算方法。采用“土壤含水率剖面和潜水埋深结合法”测定了柽柳、胡杨、芦苇生长条件下的潜水蒸发,建立了植物生长条件下的潜水蒸发计算模型,分析了通过计算潜水蒸发来间接估算天然植被生态-环境需水量的可行性。研究结果表明:潜水蒸发能力系数与不同质地土壤的粉粘粒含量百分数呈指数关系,植物系数随潜水埋深的增大而减少,通过计算潜水蒸发来间接估算天然植被生态-环境需水量结果偏小。
(2)通过野外定位试验测定了不同水分条件下柽柳、胡杨、芦苇的蒸散量,建立了植物蒸散计算模型。研究结果表明:蒸散量与水面蒸发量的比与根系层土壤含水率的关系符合Logistic曲线。
(3)通过数理统计方法、综合考虑潜水埋深—土壤含水量—植物生长的关系、潜水埋深—土壤含盐量—植物生长的关系、植物主要根系层深度与土壤毛管水上升高度等多方面,确定塔里木河干流流域柽柳生长的合理潜水埋深为2.20m～4.62m;胡杨生长的合理潜水埋深为2.53m～3.43m;芦苇生长的合理潜水埋深为1.92m～2.73m。
(4)在假设潜水蒸发强度与潜水埋深呈线性关系的条件下,推导了计算塔里木河下游长期输水条件下河道两岸潜水埋深的解析解。提出了地下水恢复水量的新概念,初步估算塔里木河下游大西海子—台特马湖的地下水恢复水量为21.05×108m3。
(5)根据“潜水埋深—主要根系层土壤含水率—天然植物蒸散量与水面蒸发量之比”之间的关系和土壤水分对植物生长的有效性原理把天然植物生态-环境需水定额初步划分为“基本生存”、“生态适宜最小”、“生态适宜最大”三个等级,并给出了定量分级标准,同时引进植被盖度作为呈斑块分布植物的面积权重,计算了不同目标等级的天然植物生态-环境需水定额及不同河段不同目标等级的生态-环境需水量。
(6)塔里木河流域上游水库的年水面蒸发折算系数为0.58～0.59,塔门镇的年水面蒸发折算系数为0.50～0.54,塔里木河干流年水面蒸发生态需水量约5.76×108～14.17×108m3。
(7)基于水沙平衡原理,提出了计算输沙需水量的半经验半理论公式。对排盐系数进行了重新定义,修正和完善了冲洗定额的计算方法。在总结和评价已有河道生态-环境需水量计算方法的基础上,综合考虑塔里木河干流流域的特点、主要生态环境功能及资料情况,计算了其输沙需水量、维持河流系统水生生物生存的最小生态需水量、改善塔里木河水质的环境需水量和防治耕地盐碱化的环境需水量。
(8)基于水文循环过程,通过对塔里木河干流流域生态-环境需水量的整合及各河段水量平衡的分析,计算了不同河段不同目标等级的生态-环境需水量及各水文断面的年径流量。在保证输沙需水总量的前提下,植被生态-环境需水、防治耕地盐碱化环境需水、维持河流系统水生生物生存的最小生态需水、改善塔里木河水质的环境需水总量都可以满足。
Tarim River is honored of“Mother River”by the people living in southern Xinjiang. Because large ecological water use was deprived by agricultural water use in source flow area and the upstream and midstream of main river, the 320-kilometer watercourse of lower reaches of Tarim River was cut off for a long period, Taitema lake was dried, groundwater table was decreased substantially, natural vegetation has become degraded and the catastrophic weather phenomenon of floating dust, sand-dust storm are brought about frequently. In order to provide scientific bases for ecology-oriented optimal allocation of water resources in Tarim basin, the Tarim mainstream watershed was selected as research area to conduct systematical research on ecological-environmental water requirement in this dissertation. The main research contents and conclusions are showed as follows:
(1) Date of phreatic evaporation from bare soil in the Tarim mainstream watershed are collected, the law of phreatic evaporation is analyzed, the analytic solution for calculating the limited rate of phreatic evaporation is deduced, and calculation models of phreatic evaporation from bare soil with more reasonable structure are established. Phreatic evaporation in growing Tamarix, Populus euphratica and Phragmites communis is measured by integration of soil moisture content profile and phreatic depth, and models for calculating phreatic evaporation from vegetated lands are therefore established, and the feasibility for calculating eco-environmental water requirement by calculating phreatic evaporation is finally analyzed. The research results show that the relationship between phreatic evaporation power coefficient and content percentage of clay particle and silt of different soil texture is exponential, vegetation conversion coefficient decreases with the increase of phreatic water depth, and the value of eco-environmental water requirement estimated by calculating phreatic evaporation is less.
(2) Evapotranspiration of Tamarix, Populus euphratica and Phragmites communis in different soil moisture condition is measured by field experiment, and models for calculating plant evapotranspiration are established. The research results show that the relationship between the ratio of evapotranspiration to evaporation from water surface and the soil moisture content of root zone not only accords with Logistic curve but also relates with evaporation from water surface.
(3) By using mathematical statistics method, comprehensively considering the relationship among phreatic water depth, soil moisture content, soil salt content and plant growth, depth of main root zone, and height of soil capillary rise, the reasonable ecology depth of phreatic water in the Tarim mainstream watershed is determined and value for Tamarix is 2.20～4.62m,Euphrica 2.53～3.43m and Phragmites communis 1.92～2.73m.
(4) Supposing that the relationship between intensity of phreatic evaporation and phreatic water depth is linear, deduction of the analytic solution of phreatic water depth on the banks of lower reaches of Tarim River is carried out under long-term water conveyance condition. The new conception of groundwater recharge volume is put forward and the preliminarily estimated value is 21.05×108m3 from Daxihaizi to Taitema lake in the lower reaches of Tarim river.
(5) Based on the relationship among phreatic water depth, soil water content in the main root zone,the ratio of natural vegetation evapotranspiration to evaporation from water surface, and the effective principle of soil water for plant growing, this dissertation divides preliminarily the ecological-environmental water requirement norm of natural vegetation into three grades with the given quantitative grading standard i.e.“fundamental existence water requirement”,“the maximum suitable ecological-environmental water requirement”and“the minimum suitable ecological -environmental water requirement”. At the same time, the ecological-environmental water requirement norm of natural vegetation in different target grades and the ecological-environmental water requirement of different target grades in different river stretches are calculated by introducing the plant cover degree as the area weight of the plant of patch distribution.
(6) The reduced coefficient of annual water surface evaporation of shangyou reservoir and Tamen town are 0.58～0.59 and 0.50～0.54 respectively. The ecological water requirement of annual water surface evaporation is about 5.76×108～14.17×108m3 in the Tarim mainstream watershed.
(7) On the basis of principle of water-sand balance, semi-empirical and semi-academic formula for calculating water requirement for sediment transport is put forward. The saline drainage coefficient is redefined and the method for calculating leaching norm is modified and perfected. Based on the generalization and evaluation of the calculation methods of river-channel ecological-environmental water requirement and by comprehensively considering the feature, the main ecological-environmental function and the data situation of the Tarim mainstream watershed, the water requirement for sediment transport, minimum ecological water requirement for maintaining the existence of aquatic organism in river system, environmental water requirement for improvement of water quality and the environmental water requirement for preventing and curing alkalization of farmland were calculated.
(8) By means of conformity of the ecological-environmental water requirement and analysis of water balance of river reaches in the Tarim mainstream watershed, the ecological-environmental water requirement of different target grades in different river stretches and the yearly runoff of hydrometric sections are calculated based on hydrologic cycle process. Under the condition of fully supplying the total water requirement for sediment transport, the ecological-environment water requirement of natural vegetation, the environmental water requirement for preventing and curing alkalization of farmland, the minimum ecological water requirement of maintaining the existence of aquatic lives in river system and the environmental water requirement for preventing pollution can be all fully supplied in Tarim mainstream watershed.
(1)收集了塔里木河干流流域的裸地潜水蒸发资料,分析了潜水蒸发的规律,推导了计算极限蒸发强度的解析解,建立了结构更为合理的裸地潜水蒸发计算方法。采用“土壤含水率剖面和潜水埋深结合法”测定了柽柳、胡杨、芦苇生长条件下的潜水蒸发,建立了植物生长条件下的潜水蒸发计算模型,分析了通过计算潜水蒸发来间接估算天然植被生态-环境需水量的可行性。研究结果表明:潜水蒸发能力系数与不同质地土壤的粉粘粒含量百分数呈指数关系,植物系数随潜水埋深的增大而减少,通过计算潜水蒸发来间接估算天然植被生态-环境需水量结果偏小。
(2)通过野外定位试验测定了不同水分条件下柽柳、胡杨、芦苇的蒸散量,建立了植物蒸散计算模型。研究结果表明:蒸散量与水面蒸发量的比与根系层土壤含水率的关系符合Logistic曲线。
(3)通过数理统计方法、综合考虑潜水埋深—土壤含水量—植物生长的关系、潜水埋深—土壤含盐量—植物生长的关系、植物主要根系层深度与土壤毛管水上升高度等多方面,确定塔里木河干流流域柽柳生长的合理潜水埋深为2.20m～4.62m;胡杨生长的合理潜水埋深为2.53m～3.43m;芦苇生长的合理潜水埋深为1.92m～2.73m。
(4)在假设潜水蒸发强度与潜水埋深呈线性关系的条件下,推导了计算塔里木河下游长期输水条件下河道两岸潜水埋深的解析解。提出了地下水恢复水量的新概念,初步估算塔里木河下游大西海子—台特马湖的地下水恢复水量为21.05×108m3。
(5)根据“潜水埋深—主要根系层土壤含水率—天然植物蒸散量与水面蒸发量之比”之间的关系和土壤水分对植物生长的有效性原理把天然植物生态-环境需水定额初步划分为“基本生存”、“生态适宜最小”、“生态适宜最大”三个等级,并给出了定量分级标准,同时引进植被盖度作为呈斑块分布植物的面积权重,计算了不同目标等级的天然植物生态-环境需水定额及不同河段不同目标等级的生态-环境需水量。
(6)塔里木河流域上游水库的年水面蒸发折算系数为0.58～0.59,塔门镇的年水面蒸发折算系数为0.50～0.54,塔里木河干流年水面蒸发生态需水量约5.76×108～14.17×108m3。
(7)基于水沙平衡原理,提出了计算输沙需水量的半经验半理论公式。对排盐系数进行了重新定义,修正和完善了冲洗定额的计算方法。在总结和评价已有河道生态-环境需水量计算方法的基础上,综合考虑塔里木河干流流域的特点、主要生态环境功能及资料情况,计算了其输沙需水量、维持河流系统水生生物生存的最小生态需水量、改善塔里木河水质的环境需水量和防治耕地盐碱化的环境需水量。
(8)基于水文循环过程,通过对塔里木河干流流域生态-环境需水量的整合及各河段水量平衡的分析,计算了不同河段不同目标等级的生态-环境需水量及各水文断面的年径流量。在保证输沙需水总量的前提下,植被生态-环境需水、防治耕地盐碱化环境需水、维持河流系统水生生物生存的最小生态需水、改善塔里木河水质的环境需水总量都可以满足。
Tarim River is honored of“Mother River”by the people living in southern Xinjiang. Because large ecological water use was deprived by agricultural water use in source flow area and the upstream and midstream of main river, the 320-kilometer watercourse of lower reaches of Tarim River was cut off for a long period, Taitema lake was dried, groundwater table was decreased substantially, natural vegetation has become degraded and the catastrophic weather phenomenon of floating dust, sand-dust storm are brought about frequently. In order to provide scientific bases for ecology-oriented optimal allocation of water resources in Tarim basin, the Tarim mainstream watershed was selected as research area to conduct systematical research on ecological-environmental water requirement in this dissertation. The main research contents and conclusions are showed as follows:
(1) Date of phreatic evaporation from bare soil in the Tarim mainstream watershed are collected, the law of phreatic evaporation is analyzed, the analytic solution for calculating the limited rate of phreatic evaporation is deduced, and calculation models of phreatic evaporation from bare soil with more reasonable structure are established. Phreatic evaporation in growing Tamarix, Populus euphratica and Phragmites communis is measured by integration of soil moisture content profile and phreatic depth, and models for calculating phreatic evaporation from vegetated lands are therefore established, and the feasibility for calculating eco-environmental water requirement by calculating phreatic evaporation is finally analyzed. The research results show that the relationship between phreatic evaporation power coefficient and content percentage of clay particle and silt of different soil texture is exponential, vegetation conversion coefficient decreases with the increase of phreatic water depth, and the value of eco-environmental water requirement estimated by calculating phreatic evaporation is less.
(2) Evapotranspiration of Tamarix, Populus euphratica and Phragmites communis in different soil moisture condition is measured by field experiment, and models for calculating plant evapotranspiration are established. The research results show that the relationship between the ratio of evapotranspiration to evaporation from water surface and the soil moisture content of root zone not only accords with Logistic curve but also relates with evaporation from water surface.
(3) By using mathematical statistics method, comprehensively considering the relationship among phreatic water depth, soil moisture content, soil salt content and plant growth, depth of main root zone, and height of soil capillary rise, the reasonable ecology depth of phreatic water in the Tarim mainstream watershed is determined and value for Tamarix is 2.20～4.62m,Euphrica 2.53～3.43m and Phragmites communis 1.92～2.73m.
(4) Supposing that the relationship between intensity of phreatic evaporation and phreatic water depth is linear, deduction of the analytic solution of phreatic water depth on the banks of lower reaches of Tarim River is carried out under long-term water conveyance condition. The new conception of groundwater recharge volume is put forward and the preliminarily estimated value is 21.05×108m3 from Daxihaizi to Taitema lake in the lower reaches of Tarim river.
(5) Based on the relationship among phreatic water depth, soil water content in the main root zone,the ratio of natural vegetation evapotranspiration to evaporation from water surface, and the effective principle of soil water for plant growing, this dissertation divides preliminarily the ecological-environmental water requirement norm of natural vegetation into three grades with the given quantitative grading standard i.e.“fundamental existence water requirement”,“the maximum suitable ecological-environmental water requirement”and“the minimum suitable ecological -environmental water requirement”. At the same time, the ecological-environmental water requirement norm of natural vegetation in different target grades and the ecological-environmental water requirement of different target grades in different river stretches are calculated by introducing the plant cover degree as the area weight of the plant of patch distribution.
(6) The reduced coefficient of annual water surface evaporation of shangyou reservoir and Tamen town are 0.58～0.59 and 0.50～0.54 respectively. The ecological water requirement of annual water surface evaporation is about 5.76×108～14.17×108m3 in the Tarim mainstream watershed.
(7) On the basis of principle of water-sand balance, semi-empirical and semi-academic formula for calculating water requirement for sediment transport is put forward. The saline drainage coefficient is redefined and the method for calculating leaching norm is modified and perfected. Based on the generalization and evaluation of the calculation methods of river-channel ecological-environmental water requirement and by comprehensively considering the feature, the main ecological-environmental function and the data situation of the Tarim mainstream watershed, the water requirement for sediment transport, minimum ecological water requirement for maintaining the existence of aquatic organism in river system, environmental water requirement for improvement of water quality and the environmental water requirement for preventing and curing alkalization of farmland were calculated.
(8) By means of conformity of the ecological-environmental water requirement and analysis of water balance of river reaches in the Tarim mainstream watershed, the ecological-environmental water requirement of different target grades in different river stretches and the yearly runoff of hydrometric sections are calculated based on hydrologic cycle process. Under the condition of fully supplying the total water requirement for sediment transport, the ecological-environment water requirement of natural vegetation, the environmental water requirement for preventing and curing alkalization of farmland, the minimum ecological water requirement of maintaining the existence of aquatic lives in river system and the environmental water requirement for preventing pollution can be all fully supplied in Tarim mainstream watershed.
引文
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