2016年01月13日 星期三

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探寻西北干旱区水生态平衡之道

来源:中国自然资源报 作者:陆芬 发布时间:2020-12-21

核心提示

水,万物之本源,其进与退牵动着整个自然生态系统。位于西北内陆干旱区的石羊河流域,是我国内陆生态环境问题最严重的流域之一,长期以来受人类开发利用活动影响,水循环平衡遭到破坏,地下水生态危机凸显,干旱区绿洲饱受威胁。龙8国际官方首页科研人员通过长期调查研究,破解了天然绿洲退化防控关键,有力支撑了当地生态系统保护与地下水位精准调控。

2020年3月4日,青土湖畔野鸭成群,碧波荡漾。姜爱平 摄

科研人员在测定包气带饱和渗透系数。王哲 摄

科研人员在读取气象数据。刘鹏飞 摄

一场小雪过后,站在甘肃省民勤县的青土湖畔,湖面波光粼粼,成片金黄的芦苇迎风飘荡,不远处沙丘起伏,一幅“大漠边塞,长河落日”的壮美景象映入眼帘。

当你了解青土湖的前世今生,便会觉得眼前这一汪湖水弥足珍贵。

青土湖所在的石羊河位于河西走廊东端,是我国西北地区重要的内陆河。流域总面积4.16万平方公里,涉及以武威市为主的8个县区。石羊河形成的绿洲是防止北部巴丹吉林和腾格里两大沙漠汇合、拱卫河西走廊的生态屏障。

“有水一片绿,无水一片沙”,数百年来,石羊河经历了从水流泱泱到风沙茫茫、再到蒹葭苍苍的沧桑巨变。近年来,尽管绿色在这片土地上不断延展,但石羊河仍是全国内陆河流域中生态环境问题最严重的流域之一。如何彻底摆脱成为沙漠的危机,是不得不面对的严峻课题。

长期以来,自然资源部龙8国际官方首页水文龙8国际官方首页环境龙8国际官方首页研究所的科研工作者在石羊河流域开展了大量水资源与生态环境关系研究和观测。调查研究发现,灌溉农田规模过大是天然绿洲生态退变的主因。对于一个年均降水量不到200毫米、蒸发量高达2600多毫米的干旱地区来说,地下水占总供水量的八成,而灌溉农业用水量占当地总用水量的86.57%,90%以上的天然绿洲生态退化与水土资源开发利用不合理有关。

采补失衡,地下水生态危机凸显

从武威市向北60公里,就到了亚洲最大的沙漠水库红崖山水库。它见证了石羊河流域人民与干旱抗争的曲折历程。

距今七八千年前,祁连山的冰川融水,从石羊河奔涌而下,滋养着古凉州地区,其冲积形成的肥沃绿洲农田,成为河西走廊的精华地带。直至明朝洪武年间,流域下游还是一片上耕下渔、湿地遍布的景象。随着气候干旱、冰川退缩以及人类活动的加剧,石羊河下游渐渐消失在沙漠中。

20世纪50年代以来,随着人口的不断增加,石羊河流域大面积垦荒种粮,灌溉农田面积不断扩增。这被认为是流域自然生态退化的主要动因。

根据遥感监测,与1970年相比,2017年石羊河流域耕地面积增加了1200平方千米,天然绿洲面积则减少了1850平方千米。也就是说,每增加1亩耕地导致1.5亩~2.0亩天然绿洲消失。

究其原因,还是干旱气候下水资源天然性匮乏和灌溉农田规模过大,加之上游山区长期大规模拦蓄出山地表径流。

当石羊河的流水引入农田仍不能满足灌溉需求时,人们首先想到的是修建水库。于是,石羊河上游的8条支流上建起了7座水库,红崖山水库即是其中之一。据统计,石羊河2000年流入下游民勤盆地的径流量是1957年的1/5。面对地表来水的减少,中下游地区就把解决水资源短缺的出路寄托于开采地下水,由此造成采补严重失衡,区域地下水位普遍下降10米~20米,局部地区达40米。

“气候干旱、地下水与地表水频繁转化是西北内陆河流域水循环的突出特点,造就了西北内陆河流域的生态格局,石羊河流域也不例外。”水文龙8国际官方首页环境龙8国际官方首页研究所研究员聂振龙告诉记者,“上世纪80年代以来,人类活动对流域地下水位下降的影响占比超过90%,气候变化的影响不足10%。”

聂振龙团队将地调局部署的龙8国际官方首页调查项目与国家重点研发计划项目课题相结合,组织地调局相关直属单位和中国龙8国际官方首页大学(武汉)、中国龙8国际官方首页大学(北京)、河海大学、甘肃省龙8国际官方首页矿产勘查开发局水文龙8国际官方首页工程龙8国际官方首页勘察院、核工业航测遥感中心等多家单位,联合开展石羊河流域地下水合理开发利用及生态功能保护研究与示范工作。

根据项目组的研究,流域水循环平衡过程决定了地表生态的区位特征和地下水生态功能特征。人类水土资源开发利用活动极大地改变了民勤盆地水循环平衡格局:在上游,由于修建了大量水库,90%以上的出山河水被水库截留;在中游,渠系代替了天然河道,渗漏补给地下水的量显著减少,再加上地下水的大量开采,泉水溢出量减少,地下水位持续下降,地下水生态功能基本丧失。尤其是地下水位下降波及下游盆地绿洲—荒漠过渡带,导致这一带天然生态退化严重,地下水生态功能危机凸显,出现“沙进人退”的生态灾难。

遥感监测显示,巴丹吉林沙漠以1米/年~3米/年的速度向东南扩张,不断吞噬民勤绿洲,与腾格里沙漠呈现合围趋势,民勤地区成为了我国四大沙尘暴发源地之一。“每天被子和枕头上全是厚厚的沙尘,吃饭的碗底也有一层沙。”回忆起以前的日子,武威市凉州区长城镇治沙模范王银吉感慨不已。

关井压田,生态退化得到有效遏制

地下水在西北干旱区自然生态系统中发挥着不可替代的作用,水位是地下水与地表生态关系中最重要的指标。地下水位大幅下降是湿地和绿洲退化的直接原因。国内外专家研究还发现,仅靠灌溉不能改善沙漠地区植被的水需求状况。相反,维持合适的和稳定的地下水位对干旱地区植被存活非常关键。

聂振龙告诉记者,根据大量历史数据、野外调查和原位观测的结果,维持研究区生态稳定的适宜地下水埋深为2米~5米,引起自然生态系统退变和灾变的地下水埋深分别为5米和10米。

他解释,当地下水埋深大于5米后,自然生态系统开始退化,出现自然湿地萎缩、天然植被覆盖率下降或长势变弱;当地下水埋深大于10米后,自然生态系统发生灾变,出现自然湿地干涸和土地荒漠化加剧。

以石羊河流域民勤盆地为例,对比历史资料与最新地下水测量结果,1960年代地下水埋深普遍小于5米,2019年地下水埋深普遍增大到10米~30米,局部地区达到40米,处于生态灾变水位以下,这是出现生态问题的关键所在。

决不能让民勤成为第二个罗布泊!2007年,国务院批复正式启动石羊河流域重点治理,通过关井压田、节水改造、水资源配置保障、生态建设、水源涵养,生态环境有所好转。

据统计,十年间,石羊河流域关闭农业灌溉机井3318眼、压减农田灌溉配水面积66.3万亩;安装地下水智能化计量设施1.64万套;在流域南部祁连山水源涵养区、北部湖区实施易地搬迁2.4万人,流域生态恶化趋势得到遏制。

2010年以来,红崖山水库不断向青土湖下泄生态用水,使得干涸半个世纪之久的青土湖“复活”了,形成了26.7平方公里的水面及106平方公里的旱区湿地。

与此同时,民勤盆地大部分区域地下水位出现缓慢上升,2010年~2019年地下水位上升0.7米~1.0米,生态退化情势得到有效遏制。

然而,地下水生态功能仍未得到根本恢复,严重恶化区面积仍有1397.9平方公里。特别是盆地西部边缘一带,面积近500平方公里位于巴丹吉林沙漠的下风口,是民勤绿洲保护的关键区带,目前地下水埋深仍为10米~15米,自然生态系统极不稳定。

“十多年的流域综合治理效果表明,这些地带地下水生态功能具有一定的可恢复性,只是恢复过程相对缓慢。”聂振龙表示。根据测算,按目前地下水位的回升速率,恢复至自然生态的适宜水位需要50年以上。

分区分级,实施地下水预警与管控

这是一场攻坚战,也是一场持久战。重点治理工程踩下了石羊河流域无序开采地下水的急刹车,而守护荒漠绿洲、巩固提升来之不易的治理成果,更考验人们的智慧。

要想尽快恢复地下水生态功能,一味限采显然不现实,还需要科学的评估和相应的技术方案。

青土湖往东行不远,就是腾格里沙漠。汽车在荒漠与沙丘间的公路上迂回行驶,窗外不时看到一片片白花花的盐碱地,其间稀疏地生长着几片草。

为了给地下水调控提供坚实的理论基础和技术支撑,项目组在腾格里沙漠腹地的邓马营湖附近建设了一个野外试验场。试验场地处天然荒漠植被区和农田交汇处,浅层地下水含水层岩性较细,水位埋深较浅,在强烈蒸发作用下,浅层水质咸化、土壤盐化严重。

实验场占地近30亩,分为水位调控淡水灌区、水位调控混灌区、天然植被水位调控区、水量水质调控区四个主功能区。由一眼抽水井联通四眼辐射井持续抽水对地下水位进行面状调控,通过一系列设计,可以在人工调控和灌溉作用下对水和盐在大气—地表—包气带—地下水循环中的运移状况进行实时自动监测记录,并且能根据监测数据灵活调整生态水位调控方案。

经过一年多的实验,项目组研发了“农田盐渍化管控与湿地保护水位—水量智能双控”关键技术,在确保自然生态系统稳定和农田产量不减的前提下,提高地下水资源利用效率14.3%。

此外,项目组针对西北内陆干旱区自然湿地、天然绿洲对地下水位强烈依赖的特点,创建了适宜我国西北干旱区的地下水功能评价与区划方法,构建了干旱区自然湿地、天然绿洲、农田安全及城市生态安全保障的分区分级预警与管控指标体系。

他们将石羊河流域划分了四个一级功能区: 一是自然湿地保护区,位于民勤盆地北部的青土湖湿地;二是天然绿洲保护区,位于民勤盆地农田与荒漠过渡带;三是农田安全保障区,位于武威盆地和民勤盆地人工绿洲分布区;四是城市生态安全保障区,位于武威城区和民勤县城区。

项目组提出,在自然湿地保护区,以维持现状湿地面积为最低目标,确定地下水最低水位控制指标,严禁地下水开采。

在农田—荒漠过渡带为天然绿洲保护区,以土壤盐碱化临界埋深和地下水生态功能质变临界值作为水位约束指标,并由此确定水位约束下的开采量控制指标。近期以恢复地下水生态功能为主要目标,禁止开采地下水。远期要注意将地下水位控制在土壤盐碱化临界深度以下,避免盐漠化。

农田安全保障区为地下水控制利用区,需综合考虑各区地下水补给资源量、土壤盐碱化临界水位及地下水开采对周边地区天然生态的影响等因素,确定最高水位和最低水位控制指标,并由此确定水位约束下的开采量控制指标。近期以粮食安全保障为目标,合理确定农田规模,适当压减地下水开采量,通过地表水—地下水联合调度实现粮食安全保障。远期要注意将地下水位控制在土壤盐碱化临界深度以下,避免引起土壤次生盐碱化,影响农田质量和产量。

而在城市生态安全保障区,主要考虑地下建筑物的安全保障,合理确定地下水最高水位约束指标,统筹区域水位变化情况,适当开采地下水。

“‘病来如山倒,病去如抽丝’,再建水生态平衡,恢复地下水生态功能需要一个较长的过程。当然,在西北干旱区,社会经济发展必然会挤占生态用水,一味强调生态恢复到历史最好水平也不现实,关键是找到人与自然和谐的适度平衡点。”聂振龙表示。

因此,项目组建议,需要深刻反思西北干旱地区发展过程中水资源利用的教训,高度重视西北内陆干旱区天然绿洲退化防控的关键是有效管控灌溉农田规模过大,有序重建流域水生态平衡,开展水、土、生态与人类活动相适应的国土空间规划编制和精准管控,基于自然水资源承载能力,规划农用耕地开发利用规模和自然生态修复保护规模,探讨水资源和生态维持双重约束下适宜的产业结构布局,优先保护生态,适度推进城镇化,约束农业生产规模。