新疆塔里木河下游断流河道输水对地下水变化的影响分析

结合2000～2002年以来塔里木河下游间歇性输水后地下水变化的监测数据．用回归分析的方法对输水后地下水位动态响应变化过程进行分析,揭示输水量与地下水的响应范围之间的关系。结果表明：在横向上．随着向塔河生态输水次数和输水量的增加．地下水的响应范围逐渐扩大．但随远离输水河槽中轴线,响应程度减小．地下水位的抬升幅度减弱;纵向上,输水河段上游区段地下水位响应范围最大,中游区段次之,下游区段较小。在第二次输水过程中,靠近河岸地下水位出现急剧上升,而在第三次输水过程中,地下水的响应范围则有巨幅增加．输水量与输水持续时间与地下水位变化有着密切关系。     

塔里木河下游输水对荒漠河岸林生态系统水分利用效率的影响

水分利用效率(Water use efficiency,WUE)作为评价植物生长适宜度的综合指标之一,能很好地反映植被对生态输水的响应。通过Slope趋势分析、Pearson相关性分析及栅格时序合成等方法,利用CASA模型估算的净初级生产力(Net primary productivity,NPP)和SEBAL模型估算的实际蒸散发(ET),研究了塔里木河下游WUE的时空变化及其对生态输水的动态响应。结果表明:(1)2001—2018年,塔里木河下游WUE呈显著上升趋势(P0.05),但受NPP的影响大于ET(Cor_(NPP)=0.76Cor_(ET)=0.10),灌丛WUE(0.49 g C·mm~(-1)·m~(-2))高于胡杨(0.30 g C·mm~(-1)·m~(-2))及草本(0.24 g C·mm~(-1)·m~(-2));WUE空间变化规律为由河道向两侧及由西北向东南呈递减趋势,极显著上升面积占整个研究区的13.64%。(2)各植被WUE随着生态输水量的增加,呈显著上升趋势(P0.05),灌丛WUE平均每年上升幅度是胡杨和草本WUE上升幅度的15倍,表明灌丛WUE对生态输水的响应更为敏感;各植被WUE与生态输水量、输水持续时间均呈正相关,与输水开始时间呈负相关。年内输水次数与年内WUE、NPP及归一化植被指数(NDVI)呈正相关关系(WUE:Cor=0.407,NPP:Cor=0.605,NDVI:Cor=0.657)。(3)不同植被类型生长的最适温度有所差异,并与WUE、NPP及ET有着密切关系。胡杨年均最适温度25.62℃、灌丛27.07℃及草本23.22℃。在温度偏差值最小的时间(4—10月)进行最佳的水热组合将更有利于植被生长。(4)塔里木河下游年均WUE与地下水埋深呈较强的负相关关系(Cor=-0.81),其中草本及灌丛WUE与地下水埋深的相关性高于胡杨(|Cor_(草本及灌丛)=-0.76||Cor_(胡杨)=-0.46|);各植被年均WUE在地下水埋深4～6 m处存在峰值,超过6 m后,WUE均呈下降趋势。     

近20 a塔里木河生态输水对植被总初级生产力变化的影响

植被总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)是陆地生态系统碳循环的关键环节,对维持全球碳平衡至关重要。基于Google Earth Engine平台,利用NASA LP DAAC发布的MOD17A2H产品,研究分析了塔里木河生态输水期间陆地生态系统生长季的GPP变化。结果表明:(1)生态输水后,塔里木河生态环境整体得到改善。输水前期,塔里木河生长季GPP平均为3675.51 g C·m~(-2)·季~(-1),输水中期,生长季GPP增加到4024.09 g C·m~(-2)·季~(-1),输水后期,该值跃升为4896.61 g C·m~(-2)·季~(-1)。2000—2020年塔里木河生长季GPP表现出明显的增加趋势,增长幅度约为每个生长季增加90.25 g C·m~(-2)。2010年后,上、中、下游日GPP增加幅度亦更明显,分别为每10 a增加2.54 g C·m~(-2)、2.17 g C·m~(-2)和1.74 g C·m~(-2)。(2)塔里木河陆地生态系统生长季(5—10月)的日GPP变化在不同区域存在明显差异。上游区日GPP变化总体上表现出先增加后减小的单峰趋势,下游区则以双峰变化趋势为主。(3)塔里木河生态输水工程有益于生长季GPP的变化,其中对6、8月的GPP变化影响更显著。     

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。     

塔里木河下游生态输水对地表水体面积变化的影响

以河湖为主体的塔里木河下游地表水体的面积受到输水工程的影响,在区域水循环、调节水平衡中扮演着重要角色。基于近20 a塔里木河下游Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8影像资料和生态输水数据,综合采用Google Earth Engine(GEE)计算平台和多元统计分析方法,对地表水体面积变化及其对生态输水的响应进行了系统分析。结果表明:(1)2000—2019年,塔里木河下游区域的地表水体、季节性水体和永久性水体的面积均呈现波动上升趋势,速率分别为15.54 km~2·a~(-1)、7.12 km~2·a~(-1)和8.41 km~2·a~(-1);塔里木河下游上段(大西海子水库—英苏,不包括大西海子水库)、中段(英苏—阿拉干)和下段(阿拉干—台特玛湖)区域的季节性水体和永久水体面积也均呈现波动增加趋势,其中下段区域的增加速率最大,其值分别为5.23 km~2·a~(-1)和8.24 km~2·a~(-1)。(2)生态输水引起的地表水体面积增加主要表现在台特玛湖湖区,2019年台特玛湖湖区的地表永久水体和季节性水体面积分别约为267.27 km~2和188.00 km~2,总体水面积约为455.27 km~2,相比2000年(约38.19 km~2)增加了417.08 km~2(约10.92倍)。(3)近20 a来,研究区域地表水体面积,尤其是永久水体面积变化与塔里木河下游生态输水量密切相关;2007—2009年输水量下泄水量较少,直接导致研究区域在2009年地表水体和季节性水体的面积均减少到最低点。研究结果有助于全面理解塔里木河下游生态输水对地表水体变化的影响,为区域水生态保护提供科学依据。     

塔里木河下游近20 a输水的生态效益监测分析

自2000年实施以抬升地下水位、拯救塔里木河下游"绿色走廊"、遏制生态持续恶化为目的的生态输水工程以来,截至2020年,已向塔里木河下游实施生态输水21次,累计输水量达84.45×10~8m~3。近20 a的监测结果分析显示:(1)在距河道100 m处,塔里木河下游的上段、中段、下段的地下水位埋深由输水前期2000年的7.76 m、9.31 m、7.82 m抬升至2020年的3.70 m、4.48 m、2.69 m,平均抬升幅度为4.06 m、4.83 m、5.13 m;在500 m处,地下水位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、3.82 m。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。(2)地表水体面积由输水前的49.00 km~2扩大到2019年的498.54 km~2,尾闾湖泊—台特玛湖"死而复活",地表水体面积达到455.27 km~2。(3)输水后,地表生态响应敏感,在距河道2000 m范围内,塔里木河下游高植被覆盖度、归一化植被指数(ND-VI)、植被净初级生产力(NPP)、植被总初级生产力(GPP)分别增加了132 km~2、0.07、7.6 g C·m~(-2)和1221 g C·m~(-2)·季~(-1)。(4)输水对塔里木河下游地表植被的影响和改善面积达到1423 km~2,生态系统服务价值和功能大幅增加,碳汇区域由2001年占研究区的1.54%增长至2020年的7.80%,生态系统健康程度和生态恢复力大幅提升,土壤碳汇能力增加。近20 a的生态输水大幅抬升了塔里木河下游地下水位,沿河两岸以胡杨为主体的荒漠河岸林植被得到拯救和复壮,地表植被覆盖度增加,塔里木河下游生态退化趋势基本得到遏制。     

塔里木河干流上游洪水演进规律分析与数值模拟

塔里木河流域的水文特性在过去几十年内发生了深刻变化,源流的年径流总体增加,而干流发生量级洪水的频次与洪峰流量也有显著增长,干流防洪压力不断增长。通过从洪水传播时间、削峰率、耗水率三个方面对塔里木河干流上游（肖夹克-英巴扎）分河段展开系统分析,揭示了干流上游洪水传播的一般规律;在此基础上构建了一维水沙演进的数学模型,模型通过2010年洪水验证后,模拟了2017年干流洪水演进过程,模拟结果精度较高,显示了该数学模型的合理性和广阔的应用前景。研究成果不但从科学上揭示了中亚代表性内陆多沙河流的洪水特性,对于塔里木河干流的防洪管理与洪水资源化利用也有重要意义。     

塔里木河下游生态输水及植被恢复遥感监测评价

在干旱区内陆河流域,由于水资源过度开发利用,生态环境退化已成为普遍现象.向断流的河道和生态退化区域实施生态输水,是河流生态系统恢复的基本行为和必然过程.基于向塔里木河下游7次生态输水过程中地表水、地下水、植被恢复等系统监测,并运用卫星遥感技术,对生态输水后植被恢复响应特征指标NDVI(植被指数),进行了系统研究分析,并提出植被相对恢复度的评价方法.     

阿克苏河-塔里木河水系水质污染遥感监测与评价

 采用Landsat TM数据分析了阿克苏河—塔里木河断面水质污染状况,通过波段的DN值和常规监测数据建立能反映水质状况的 污染物监测模型。结果发现,将2000年常规监测数据代入模型后,与遥感数据的结果基本吻合| 重建阿克苏河—塔里木河的连续水体 污染变化曲线,得出污染物浓度随着远离上游而增加。     

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。