艾吉爾·阿不拉，王新英，劉茂秀，馬繼龍

(1.新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆塔里木河胡楊林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

水是生命之源，是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)，是干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的組成、發(fā)展和穩(wěn)定的基礎(chǔ)。干旱區(qū)地表水及地下水變化直接影響生態(tài)環(huán)境變化，而地表水與地下水作為一個(gè)復(fù)雜的整體系統(tǒng)，相互存在著緊密的水力聯(lián)系和頻繁的交互關(guān)系[1]。因此，分析地表水及地下水相互關(guān)系是干旱荒漠區(qū)生態(tài)脆弱性保護(hù)和生態(tài)耗水研究的熱點(diǎn)問題。新疆塔里木河流域是我國第一大內(nèi)陸河流域，地處中國西部最干旱地區(qū)，是新疆南部綠洲重要的灌溉水源，也是維系塔里木盆地生態(tài)平衡的主要供給水源，社會(huì)和生態(tài)區(qū)位十分重要。隨著流域水資源的過度開發(fā)和利用，生態(tài)環(huán)境惡化，造成塔里木河下游斷流，兩岸胡楊林退化嚴(yán)重。為恢復(fù)與保護(hù)下游退化胡楊林，國家水利部門于2000年開始實(shí)施恢復(fù)塔河下游生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)輸水工程，到2021年已累計(jì)實(shí)施生態(tài)輸水22次，累計(jì)下泄生態(tài)水84.45億m3，有效抬升地下水水位，下游生態(tài)環(huán)境日趨良好[2]。目前針對生態(tài)輸水對地下水位抬升、水化學(xué)組分的時(shí)空特征研究較多[3-5]，而對生態(tài)輸水后地表水及地下水水質(zhì)的相互影響關(guān)系研究鮮有報(bào)道。本文擬從塔里木河生態(tài)輸水一個(gè)完整周期內(nèi)研究地表水與地下水相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)變化動(dòng)態(tài)及其相互關(guān)系，揭示在生態(tài)輸水背景下的塔河中下游地表水與地下水的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，旨在為積極發(fā)揮塔河生態(tài)輸水工程效益，進(jìn)一步促進(jìn)下游退化胡楊林恢復(fù)提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

塔里木河干流全長1 321 km，環(huán)繞塔克拉瑪干沙漠。研究區(qū)位于塔里木河干流英巴扎以下的中下游地區(qū)。塔里木河自身不產(chǎn)流，由和田河、葉爾羌河和阿克蘇河3條地表水系補(bǔ)給，同時(shí)孔雀河通過揚(yáng)水站從博斯騰湖抽水經(jīng)庫塔干渠向塔里木河下游灌區(qū)輸水，形成“四源一干”的格局。塔里木河流域總體地勢南高北低、西高東低。區(qū)域?qū)倥瘻貛У湫痛箨懶詺夂?，降水稀少，蒸發(fā)量大，多年平均降水17.4～42.8 m，全年平均氣溫為11.1 ℃，超過10 ℃的積溫4 000～5 000 ℃，日照時(shí)數(shù)2 500～3 100 h，無霜期190～220 d。由于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響，從中游到下游，年均氣溫變化率為0.5 ℃，年降水量從中游的41 mm降低至下游的25 mm，年蒸發(fā)量從中游的2 778 mm增加至下游的2 906 mm，干旱指數(shù)由中游到下游逐漸增大[6]。流域內(nèi)主要分布以胡楊(Populuseuphratica)為建群種的胡楊林，林下灌木主要有檉柳(Tamarixspp.)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等，草本主要有蘆葦(Phragmitescommunis)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、花花柴(Kareliniacaspica)、羅布麻(Apocynumvenetum)等。土壤主要為風(fēng)沙土。

2 材料與方法

根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ495-2009)[7]，結(jié)合區(qū)域水系特點(diǎn)，共在塔里木河中上游的庫車縣、中游的輪臺(tái)縣和下游的尉犁縣設(shè)置3個(gè)地表水和3個(gè)地下水固定監(jiān)測點(diǎn)。庫車縣地表水和地下水監(jiān)測點(diǎn)均位于庫車縣塔里木鄉(xiāng)瓊托克拉克管護(hù)站附近的塔河水域和地下水位監(jiān)測井；輪臺(tái)縣地表水監(jiān)測點(diǎn)為輪南鎮(zhèn)塔里木河大橋下水域，地下水監(jiān)測點(diǎn)為新疆塔里木河胡楊林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站地面標(biāo)準(zhǔn)氣象站地下水位監(jiān)測井；尉犁縣地表水監(jiān)測點(diǎn)為塔河干流阿其克分水樞紐水域，地下水監(jiān)測點(diǎn)為新疆塔里木河胡楊林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站尉犁縣3#地下水位監(jiān)測井。

分別在8月(生態(tài)輸水初期)、9月(輸水中期)、10月(輸水末期)、11月(退水初期)和次年5月(次年輸水前)進(jìn)行水樣的采集。采用人工取水，取水后冷藏保存，24 h內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測分析。測定指標(biāo)有pH、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、易沉固體、亞硝酸鹽氮(NO2-N)。pH采用玻璃電極法[8]測定，COD采用重鉻酸鹽法[9]測定，BOD5采用稀釋與接種法[10]測定，TP采用鉬氨酸分光光度法[11]測定，易沉固體采用城鎮(zhèn)污水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法[12]測定，NO2-N采用 N-(1-萘基)-乙二胺光度法[13]測定。數(shù)據(jù)處理采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，分析塔河中下游地下水和地表水水質(zhì)變化動(dòng)態(tài)及地表水與地下水之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)變化特征

3.1.1 pH pH(即酸堿度)是水質(zhì)的重要指標(biāo)。由圖1可知，總體而言，塔里木河中下游區(qū)域水體pH平均值為7.7，呈弱堿性。分析生態(tài)輸水對水域pH影響，隨著輸水時(shí)間的延長，流域地表水和地下水pH總體呈先降低的趨勢，除中游地表水外，其余水體pH均較輸水初期降低。輸水結(jié)束后，水體pH逐步升高，到次年5月，pH與輸水初期相當(dāng)。就不同區(qū)域而言，中上游水域pH均最低，中游最高，但各區(qū)域pH差異不顯著。對比地表水和地下水pH，塔河中下游區(qū)域地表水pH均高于地下水。

圖1 塔里木河水體pH變化特征

3.1.2 COD COD是用來表征水中的還原性物質(zhì)濃度高低的指標(biāo)，水體中的還原物質(zhì)包括各種有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，但主要是有機(jī)物[14]，反映水體受有機(jī)物污染的程度，化學(xué)需氧量越大，說明水體受有機(jī)物的污染越嚴(yán)重。

由圖2可知，隨著生態(tài)輸水時(shí)間的延長，塔里木河中下游水體COD值呈先增加后降低再增加的趨勢，中上游水域COD值在輸水中期最高，中游和下游水域則是在退水初期達(dá)到最高值。對比分析地表水和地下水，塔里木河流域地表水COD值均較地下水高。與生態(tài)輸水初期相比，完全退水后地表水COD值均升高，中上游、中游和下游分別升高25.0%、12.5%和38.5%；而地下水COD值均降低，分別降低20.0%、25.0%和27.3%。說明生態(tài)輸水對地表水和地下水的COD值均產(chǎn)生了較大影響。

圖2 塔里木河水體COD變化特征

3.1.3 BOD5BOD5是水樣中的微生物在特定的環(huán)境下，分解水樣中部分可氧化的物質(zhì)和有機(jī)物的生物化學(xué)作用所消耗的溶解氧[15]。主要反映了能被微生物氧化降解的有機(jī)物的量，BOD5值越高，說明水體總的有機(jī)物量越大，水體受到的污染越嚴(yán)重。由圖3可知，隨著生態(tài)輸水時(shí)間的延長，地表水和地下水均表現(xiàn)一致的變化趨勢，水體BOD5均持續(xù)升高，在退水初期達(dá)到最高值；在生態(tài)輸水期，各區(qū)域地表水和地下水BOD5差異不顯著，但在退水初期，塔里木河下游水體BOD5顯著高于中上游和中游水體。對比分析地表水和地下水BOD5，生態(tài)輸水全過程中地表水BOD5在各監(jiān)測區(qū)均高于地下水，說明地表水受到的污染較地下水嚴(yán)重。

圖3 塔里木河水體BOD5變化特征

3.1.4 TP、NO2-N及易沉固體 水體中的磷元素是引起水體富營養(yǎng)化的最關(guān)鍵元素[16]，其主要來源為生活污水、化肥、有機(jī)磷農(nóng)藥及洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等。由表1 可知，塔里木河流域水體TP含量均較低，中上游和下游區(qū)域水體TP含量均在退水初期有所升高，而中游水域TP含量在輸水初期較高。對比分析地表水和地下水TP含量，中上游及中游水域地表水TP含量在輸水初期、退水末期和完全退水期均高于地下水，下游地表水TP含量與地下水比較，除完全退水期外，其余時(shí)期均無差異。輸水期地表水和地下水差異不顯著，輸水結(jié)束后差異顯著，說明生態(tài)輸水造成的地表水對地下水TP含量的影響具有滯后效應(yīng)。

亞硝酸鹽氮(NO2-N)是水體中含氮有機(jī)物進(jìn)一步氧化，轉(zhuǎn)變成硝酸鹽的中間產(chǎn)物。由表1可知，隨著生態(tài)輸水時(shí)間的延長，地表水和地下水中NO2-N含量總體呈先增加后降低的趨勢，在輸水中期NO2-N含量最高，隨著輸水時(shí)間的延長，NO2-N含量降低，說明在生態(tài)輸水過程中水體受污染的危險(xiǎn)性在降低。在輸水初期地表水中NO2-N含量略高于地下水，隨著輸水時(shí)間的延長，地表水和地下水NO2-N含量均較低，均小于0.003 mgL-1。

表1 塔里木河水體TP、NO2-N變化特征 單位：mg·L-1

塔里木河流域中易沉固體主要是水中懸浮沙量，用于表征水體的渾濁程度。從表2中可知，隨著生態(tài)輸水時(shí)間的延長，地表水和地下水中易沉固體含量均呈下降趨勢，在退水期下降至0。在生態(tài)輸水期地表水中易沉固體含量顯著高于地下水，但二者隨著輸水時(shí)間延長的變化趨勢一致，說明地表水易沉固體含量對地下水有影響，二者之間存在正相關(guān)性。

表2 塔里木河中下游水體易沉固體變化特征 單位：mg·L-1·(15min)-1

3.2 地表水與地下水水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

由表3可知，地下水中COD含量與BOD5含量顯著相關(guān)(P<0.05)，地下水BOD5含量與地表水BOD5含量相關(guān)性極顯著(P<0.01)，地下水易沉固體含量與地表水易沉固體含量相關(guān)性極顯著(P<0.01)，與地表水BOD5及COD含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，地表水BOD5含量與地表水易沉固體含量也呈顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)。水體pH和所有指標(biāo)均不相關(guān)。以上分析表明，地表水對地下水水質(zhì)有一定的影響，二者之間存在一定相關(guān)性。

表3 塔里木河中下游地表水與地下水水質(zhì)相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

生態(tài)輸水過程中，生態(tài)輸水期易沉固體含量逐漸下降，這是因?yàn)樗锬竞由鷳B(tài)輸水來源主要為上游山地降水及高山冰雪融水，輸水初期水量大，河道里的泥沙被沖蝕，向下游輸送；隨著輸水時(shí)間的延長，水量逐漸減少，易沉固體含量降低，輸水結(jié)束后，地表水和地下水水中均未檢測到易沉固體。因此，在生態(tài)輸水時(shí)應(yīng)充分考慮輸水量對河道的沖蝕影響。

在生態(tài)輸水期間，地表水和地下水中COD和BOD5含量差異不顯著，而在輸水結(jié)束后各指標(biāo)差異逐漸顯著，由生態(tài)輸水造成的地表水對地下水中COD和BOD5含量的影響具有滯后效應(yīng)。水體中易沉固體含量與COD、BOD5含量呈顯著負(fù)相關(guān)，這主要是因?yàn)檩斔谒w中易沉固體含量較高，有機(jī)物可以吸附在自然水體中的沉積物和懸浮物上，造成水體中COD和BOD5含量較低。地下水體中COD含量與BOD5含量呈顯著相關(guān)性，這與黃旭敏[17]對廣東省地表水的研究結(jié)果一致。地表水與地下水指標(biāo)之間相關(guān)性較好，也說明地表水與地下水之間聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)。

綜合以上分析，雖然一次完整的生態(tài)輸水過程對地表水和地下水的水質(zhì)沒有產(chǎn)生顯著影響，但塔里木河生態(tài)輸水工程將持續(xù)開展，長期累積的影響效應(yīng)還無法預(yù)計(jì)。因此，在生態(tài)輸水過程中仍要關(guān)注輸水量的控制，防止上中游灌區(qū)、工業(yè)區(qū)排水注入干流，從而維持中下游區(qū)域良好水環(huán)境，有效促進(jìn)胡楊林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)輸水工程的生態(tài)價(jià)值。