塔里木盆地南缘气候变化对水资源影响的模拟分析

塔里木盆地南缘气候变化对水资源影响的模拟分析

塔里木盆地是中国最大的开放内陆盆地。塔克拉马干沙漠面积约为328764公里，占中国沙漠总面积的47.2%。塔里木盆地南缘河流水系发育,地下水蕴藏丰富,有十多条较大河流均不同程度的深入到沙漠腹地,滋润着沙漠内一条条绿色廊道和盆地南缘绿洲外围天荒漠植被。但由于深居欧亚大陆腹地,远离海洋,气候极端干旱,水资源形成条件差,地下水及生态环境对气候变化及人类活动干扰表现出少有的脆弱性,是干旱地区典型的地下水脆弱带和生态环境脆弱带。易在外界作用下由一种形态滑向另一种形态,敏感性和易变性强。纵观历史,塔里木盆地南缘的地下水及生态环境发生了巨大变化。这种变化是我国西北干旱区内陆河流域普遍存在的严重问题,已经引起了众多学者的重视且做了许多富有价值的工作。但对于地下水与生态环境变化中气候变化与人类活动作用的相互关系认识不一,总体上有三种观点:一是人文学观点,强调人类活动的影响作用,认为历史时期以来的变化主要是人类活动造成的;二是自然变化论,强调气候变化的主导作用;三是人文——自然二元论,认为在不同时空尺度上人类活动与气候变化所起的作用是不同的。更多的学者赞同最后一种观点。本文拟在总结前人研究成果的基础上,以塔里木盆地南缘为例进一步阐述探讨在干旱区气候变化与人类活动的相互作用关系,以及由此造成的地下水与生态环境的变化过程。为正确认识自然变化规律及人类改造自然的正负效应,进而为协调区域人地关系,促进经济的可持续发展、资源的合理开发利用和生态环境的良性循环提供科学的依据。1古洲的放弃和历史的复归塔里木盆地由于远离海洋,不论是在冰期或间冰期,东南和西北方向来的水汽一般不易到达盆地上空,故而第三纪以来的变化是以冷干和暖干相交替为特征的。但因温暖期冰雪大量融化,以及山区降水增加,使得进入盆地的地表径流明显增多,地下水补给丰富,生草成土过程加强,植被生长茂盛。野外调查发现,大约7.0ka～5.0kaBP左右,塔盆南缘和田河——牙通古孜河之间的河流下流地区普通可见一层灰白色粘土及亚粘土层,厚度在几十厘米到数米之间,处于现代风积砂之下,说明气候适宜期塔里木盆地曾出现过成土作用。当气候处于寒冷时期,冰川积雪融化的时间短,降水减少,河流水量下降,进入平原区的地表径流减少,由此引起地下水补给条件恶化,地下水位下降,植被衰退,绿洲向河湖周围及具地下水的地段萎缩,流沙面积增大,沙漠化作用强烈。这种干旱期与寒冷期,湿润期与温暖期相对应的现象,与全球性冰期、间冰期温度的变化有关,这从根本上妥善解决了我国干旱地区荒漠化正逆过程与全球冰期、间冰期气候波动的关系,同时说明了地质时期塔里木盆地南缘地下水补给条件的变化与过去全球气温波动是相关的。周兴佳研究了塔里木盆地历史时期沙漠化的原因,认为塔里木盆地相当多的古绿洲消亡于公元15世纪以前,甚止在3、4世纪就已有消亡的绿洲。在这样一个历史时期,河流中、上游还不可能出现大规模的人类活动和大型水利工程建设设施,乃至改变地表水时空分配而使下游断流,迫使古绿洲衰亡。因此历史时期促使河流下游古绿洲消亡的主要原因是气候干旱造成的河流水量持续偏少、并引起河流改道从而导致地下水补给条件的空间变化、地下水位下降所致,地下水环境的恶化并由此引起的荒漠化是古绿洲放弃的必然结果。尹泽生等在论述中国西北全新世环境变化时指出,唐初—唐末(公元7～9世纪)是一个比较温暖的时期。在此以前为西晋—唐初(公元2～7世纪)冷期,以后为唐末—元初(公元9～13世纪)冷期。皮山河下游阿孜吾加木、克孜勒塔克、玉吉米力克;克里雅河下游的喀拉墩;尼雅河下游的精绝国故址;安迪尔河下游的阿克考其喀然克及孔雀河下游的楼兰古城的消亡时间正位于西晋—唐初冷期。另外据塔南一些地方县志记载分析,自公元7世纪后,塔里木盆地古城主要位于水流可及的河流中上游或者中游与下游的枢纽位置。这些古城的大部分废弃于唐代以后,部分延续到元代。在唐代前后的这两个冷期废弃的古城亦不乏见于我国其它一些沙区。中国沙区古城、绿洲的废弃在时空上的联系并非偶然。对祁连山郭德冰芯的研究,展示出在距今1500～1300年前时δ18O恰为一冷谷,δ18O值为-11.3×10-3。这一谷值的时间与楼兰、喀拉墩古城消亡的时间非常合拍。因此,郭德冰芯的上述谷值,可在一定程度上说明塔里木盆地一些古城的消亡是由于低温仰制山地冰雪融水致成的后果。任振球在研究了塔克拉玛干地区千年尺度的气候干湿波动变化规律后指出,近五千年来,这一地区的主要湿期、洪侵沙漠腹地、河湖水量增大等现象,大多出现在中国气候的温暖湿润期;而沙漠腹地的古风成沙、重要古城废弃的时间,都发生在气候变冷时期。这说明塔里木盆地的干湿变化与中国及北半球温度变化在千年尺度振动上呈现的暖湿冷干特征规律是较为清晰的,它与世界上许多沙漠的变迁、其它自然环境变迁及古代文明的兴衰,大体上是同步进行的。例如最近几百年是一世界性的冷期,气候的干旱程度继续加强,公元1736～1986年克里雅河径流的10年滑动曲线(图1)反映出近200年来河水流量由大向小的变化趋势。综上所述,地质时期及历史时期以来塔里木盆地南缘地下水补给条件的变化并由此造成的绿洲演化主要受河流水量变化的影响,而河流水量的变化则是依气候变化,尤其是温度变化而变化的。这一时期地下水变化和绿洲演化在总体上是与气候变化具有同步性,在较长的时间尺度内,温度的变化将影响到山地冰雪融化的时间和河川径流的大小,从而对平原区地下水的补给条件造成影响。塔里木盆地南缘近40年平均气温增高1.4℃,降水量减少16mm,平均每年递减0.42mm。这些变化与全球性气候变暖的趋势是一致的,也主要表现为暖湿冷干的特征。尽管降水量有明显减少的趋势,但气温升高促使冰雪融水量的增加保证了进入盆地的径流并没有减少的趋势,不足以引起盆地内水资源状况明显的变化而导致地下水条件的恶化及其对生态环境产生重大的影响。2人类社会活动和水资源开发2.1农业生产的发展塔里木盆地边缘地区大约在6000～7000aBP就有人类活动,大约在3000aBP左右有相当一部分地区出现了以农业为主、以畜牧业为辅的经济。据《汉书西域传》记载,西汉时期盆地边缘兴起西域三十六国,伊循、精绝、纡弥、于阗、楼兰等,总人口约23万。但塔盆南缘人口分布较少,和田地区西汉有户7620,人口64200,以农业经营为主“且未以往,昏种五谷,土地、草木、畜产、作兵、略与汉同”。土地开发规模小,耕作方式原始落后,只能“依人就水”,汉代及其以前的遗址多分布在现代绿洲以北入沙漠100～200km的河流尾闾,沿河而居在河流下游三角洲地带引水方便之处,开拓简陋渠道,引水灌溉,建立人工绿洲。唐统一西域后,在南疆设立安西都护符,下辖疏勒(喀什)、于阗、龟兹(库车)等镇,人类活动范围进一步扩大。由于屯田的发展,冶铁技术从内地传入,工具由铁制代替木制,耕作由畜力代替人力,塔盆农业发展较快,土地开垦面积增大,拦河筑坝水利工程技术也由内地传入新疆,增强了人们的治水能力。宋元时期于阗等军事重镇实行军屯,喀什噶尔等地实行民屯,在叶尔羌、纡弥等设水、陆驿15处,栖居地又有增加。唐宋时期是和田地区繁荣时期,遗址的位置普遍南移,沿河上溯。清朝统一新疆后,开始大量兴修水利和垦荒。据光绪引年册报塔里木盆地共计大型干渠363条,支渠1887条,耕地面积60.2×104hm2。至清末塔盆灌溉绿洲的规模已基本形成。由于人口迅速增长和灌溉面积扩大,引水量大大增加,但因水利工程仍很简陋,没有永久性引水渠道,多是用柴草树梢临时堵坝引水,渠道为弯曲紊乱的土渠,输水效果差,春季苦于干旱,夏季常遭洪水灾害,农业生产虽有发展,但总体上水平很低。至新中国成立时(1949年),和田地区引水18×108m3,渠道有效利用系数仅0.2,人工绿洲净耗水量约1.0×108m3,整体上对水资源处于失控状态。2.2水库、实验结果新中国成立至今,塔里木盆地南缘地区的开发进入了以农业为主,农、林、牧综合发展的建设时期,人口猛增。和田地区1949年为66.2×104人,1995年为150.48×104人,46年净增84.28×104人,平均年增长率27.7‰,耕地面积也不断扩大,最高时(1960年)曾达到21.87×104hm2,比1949年增加9.62×104hm2,增长78.5%(图2);作物播种面积(含复播)达到27.07×104hm2,比1949年增加13.36×104hm2,增长97.5%。粮食总产量1990年较1949年增长45814×104kg,增长3.9倍;较1976年增长34774.5×104kg,增长1.5倍。农业总产值1990年较1976年增长10.7×108元,增长6.55倍,较1949年增长11.4亿元,增长12.3倍。从20世纪50年代末至今,随着工农业生产和城镇建设事业的发展,水资源的开发利用水平有了显著的提高,先后建成平原中小型水库58座,合计库容3.56×108m3,控制灌溉面积6.52×104hm2,目前正建山区大型水库—乌鲁瓦提水库一座1,总库容为3.47×108m3。建成永久性引水渠首24座,设计引水能力1107m3/s,年引水量40×108～43×108m3。修建各级渠道25015.59km,已防渗6302.01km,其中塑膜防渗渠道4150.12km。各类配套建筑物78000座。建成五好配套面积9.5×104hm2,小畦灌溉面积12.7×104hm2。已建水源地4处,机井108眼,提水能力6.9m3/s,井灌面积为0.42×104hm2。目前和田地区平均年引地表水42.39×108m3,引用泉水量为8.015×108m3,井采地下水0.831×108m3,总水资源的引水率为68.4%,净用水率为25.5%(表1)。其中农业灌溉用水占92.3%,其它用水(人畜城镇生活用水及工业用水)仅占7.7%。3工市的地下水补径排严重,影响地下水的动态环境塔里木盆地南缘人类活动对地下水的干扰主要是通过水资源的开发利用,发展灌溉农业,扩大人工绿洲,以人工渠道代替天然河床,人工水库代替天然湖泊,在自然变化的基础上加速和促进了地表水资源的时空再分配,从而引起了地下水补给条件变化,使地下水的动态在地域上产生新的不平衡,进而引起许多环境负效应。这种区域性的水文效应及生态环境可概括为以下几个方面。3.1地下水补给量变化塔里木盆地南缘地下水补给具有干旱区内陆盆地山前平原区地下水补给的一般特征,地表水的渗漏转化是最主要的补给源,在天然状态下,可根据地表水的分布特征及性质划分出两个地下水补给带。第一补给带位于河流出山口至泉水溢出带以上的洪积倾斜平原区,出山地表径流成为该带最主要的补给源;第二补给带位于冲洪积倾斜平原前缘及细土平原区泉水溢出带以下的广大地区,汇集于沟槽中的泉水以辐射状向NE、NN、NW向扩散,沿途除汇集于大型河如和田河中的泉水部分能穿过沙漠外,绝大部分又一次转化为地下水,因此泉水为该带地下水最主要的补给源。在天然状态下,第一补给带地下水补给量为38.43×108m3,全部为出山地表径流通过天然河道的渗漏转化,占出山地表径流的53%。流径第二补给带的地表水为32.46×108m3,其中泉水为11.92×108m3,占36.7%,在人类活动的影响下,随着天然河道的人工渠道化,地表水在空间范围内重新分配,使得地下水的补给格局也发生了巨大的变化。3.1.1第一补给带补给量减少以灌溉农业体系为核心的人工绿洲主要分布在泉水溢出带以下,为了达到高产目的和较高的生活准则,人工绿洲需要消耗大量的水分,但在天然状态下流经该区的河水根本无法满足日益扩大的灌溉面积,因此需要人工渠道从出山口直接把河水引入灌区,随着引水量的增加和渠系利用系数的提高,使第一补给带地下水补给水源大大减少。目前引入泉水溢出带以下灌区的河水量达21.91×108m3,占出山地表径流的30%,而该带地下水补给量减为24.68×108m3,仅占出山地表径流的34%,比自然状态下减少36%。受人类活动影响较大,水利化程度较高的和田河流域第一补给带的补给量变化更加突出,由天然状态下的15.3×108m3减少到目前的8.82×108m3,减少42.3%。3.1.2第二补给带补给水源强烈分异泉水溢出带以下人工绿洲内部众多的平原小水库和密布的渠系网络构成了一道天然屏障,拦蓄67%的泉水,加上由第一补给带引进河水使第二补给带人工绿洲区内部循环的水量大量增加23,地下水补给充沛;而人工绿洲区外水量则急剧减少,地下水补给源缺乏,从而出现地下水补给的空间分异。根据地下水补给强度可进一步划分出强烈补给中心区和微弱补给区(图3)。目前流经微弱补给区的地表水仅为21.76×108m3,比自然状况下减少33%;而强烈补给中心区地下水补给量占总补给量的40%,使得整个山前平原区地下水补给的大部分集中在以人工绿洲为中心的很窄的一个条带上,而其南部(第一补给区)及北部(微弱补给区)的广大地域上补给量日益减少。人工绿洲引水量持续增加、河道渠网化及高标准衬砌和渠系利用系数不断提高,非回归性耗水的增大使参与水循环的水资源数量减少,导致地下水补给量逐年减少而引起区域性地下水位的下降是西北干旱区内陆盆地普遍性的问题,塔里木盆地南缘和田地区建国初期农业灌溉引水量仅18×108m3,20世纪80年代中期增加为37.2×108m3,到90年代则达到42.4×108m3。90年代地表径流的引水率则为58.4%,而50年代仅24.6%,随着引水量的增加,渠系利用系数也不断提高,50年代至60年代中期,全区渠区内全部为土渠,渠系有效利用系数很低仅0.2左右,灌溉净耗水量为3.24×108m3,占出山地表径流的4.4%。经过40多年的水利建设,渠系利用系数提高到目前的0.4～0.49,净耗水量增加至15.677×108m3,净用水率为21.6%。地下水资源的补给条件也随之发生了巨大变化,由河道直接入渗补给为主逐渐过渡为以渠系水入渗为主,总的趋势是地下水补给量逐渐减少,90年代较80年代减少12%,较60年代至70年代减少18.5%,而较50年代初期减少26.2%(表2)。3.3地下水径流方向下降幅度降低由于地下水补给量的逐年减少而导致地下水负均衡状态的产生,除了局部农田灌溉活动形成地下水位上升地段外,总的趋势是大面积区域性地下水位的下降。从70年代后期80年代初以来的近20年,塔里木盆地南缘地下水位普遍下降了0.5～2m。在洪积倾斜平原带地下水位下降幅度达3～5m,沿地下水径流方向下降幅度逐渐减小,在泉水溢出带两侧为1～3m,在沙漠地区约0.5～1m。地下水位下降幅度从补给区向排泄区逐渐减少的趋势是干旱区河流型地下水补给来源减少的正常现象,这种水力坡度的变化反映了地下水储存量转化为径流量的过程,即水量消耗过程。地下水补给资源的减少和区域性地下水位的下降必然导致泉水溢出量的减少,其实质是地下水系统受人类活动强烈影响的体现,同时泉水溢出带及其影响区域是干旱区内陆河流域生态环境脆弱地带之一。水资源开发利用引起泉水变化,是干旱区内陆河流域的普遍规律。塔里木盆地南缘泉水较80年代初减少1.883×108m3,削减15.8%,较50年代初减少6.057×108m3,削减率达37.6%(表3)。随着泉水溢出量减少,泉水溢出带下移,根据现状调查及对1980年与1990年航片分析对比后可看出,10年间泉水溢出带平均下移0.5～1km,最明显的是民丰县以东地区,平均下移达1.2km。3.4地表水及地下水体污染严重随着工农业经济的发展,塔里木盆地南缘水体污染现象已露端倪。根据和田地区各县(市)城镇所在地区的水质滥测分析,氮、磷、COD、BOD等指标在地表水及地下水体中已接近最大容量或部分已严重超标。在部分地下水观测点,挥发性酚、氯化物、三氮亦严重超标。污染因素主要为大量使用农药、化肥,有毒物质随灌溉水渗入地下,城乡居民的生活污水和工业废水直接排放于河流之中;还有医疗单位排除的污物、污水中含有病菌、虫卵,被倾泄地面或渗入地下。由于该区域缺乏污水的控制和管理措施,因此水体污染的前景不容乐观,水的矿化度也有增加的趋势。3.5水土资源开发中的荒漠化问题在人类开发利用水土资源的过程中,生态环境发生了明显的变化。其中大部分是符合人类意志的有利过程即绿洲化,亦有不利的变化即荒漠化过程。这两个相反的演化过程与绿洲水源的丰缺变化是分不开的。绿洲化过程主要是通过开荒造田、栽培作物、种植林草,以人工植被代替天然荒漠植被,以人工生态代替自然生态,提高了土地生产力和改善了生态环境。1990年和田地区人工林保存面积达7.3×104hm2,相当于耕地面积的45.6%,其中农田防护林2.3×104hm2,占耕地的14.3%。到1986年全区已实现农田林网化,林业产值在农业总产值的比重居全疆之首4。80年代以来,大面积栽培桑圆和葡萄圆,农村道路空间修建葡萄长廊1350km。共建葡萄圆1.4×104hm2,同时大面积推广毛渠栽桑,发展庭院桑树和葡萄,目前已建成南疆重要的养蚕业基地和无核白葡萄生产基地。不仅提高了经济效益,而且大大改善了生态环境。但日益加重的荒漠化问题反映了水土资源开发中严重不合理现象,使天然生态受到很大的影响,主要表现在以下几个方面。3.5.1土地沙漠化迅速发展由于对人工绿洲不合理的水资源开发利用以及滥采、过牧等造成天然绿洲区水资源短缺,地下水位下降和植被草场的严重退化,最终导致沙漠化迅速发展。和田河下游老河道在50年代末筑坝改流后,原河段已满布1～2m的沙丘,其中下游段林地沙化面积高达30%～40%,常年无流水漫过的现代河床已形成1～2m高的雏形新月型沙丘。克里雅河下游断流河段已成为一片新沙漠。和田地区15大片绿洲中的相当一部分与北部沙漠之间已无灌草植被过渡带,绿洲农田和沙丘带直接相连。如和田县北塔瓦库勒绿洲西部,今日所见10km宽流动沙丘带,在50年代流沙仅是大片红柳灌丛沙堆中的流沙岛,30年后则全部活化成为流动沙丘,偶尔可以发现红柳残根。民丰县面临来自东、西、北三面流动沙丘合拢包围的严重局面。和田至民丰315国道在70年代以来因经常受到沙丘移动的堵塞,而向南移动10km以上。据和田地区土壤普查统计,和田绿洲及邻近夹荒地土壤沙化面积1.67×104hm2,其中耕地沙化面积5.86×103hm2。3.5.2盐渍化不断扩大和田地区,从50年代至60年代大量修建平原水库和大干渠,由于布局不合理,配套工程不键全,造成周围地下水位不断上升,次生盐渍化十分严重。加之不合理的大水漫灌灌溉,特别是夏季洪水季节,引水方便,任意漫灌、乱灌使地下水位抬升,造成返盐。目前50%以上的耕地较60年代地下水位普遍上升1～3m,部分耕地因强度盐渍化而撩荒。另外,大量砍伐树木,重伐轻栽,大大减少了生物排水作用,也是造成土壤盐渍化的重要因素之一。全区土壤盐渍化面积已达8.43×104hm2,其中耕地盐渍化