西北内陆干旱区地下水合理开发及生态功能保护理论与实践

第1章西北内陆区地下水开发及生态保护面临问题与背景概况 本章以我国西北内陆典型流域——新疆艾丁湖流域和甘肃石羊河流域等为研究区，基于过去50年水资源及地下水开发利用和自然生态退化演变过程中发生状况、史实和研究成果，从新时代生态文明建设要求出发，聚焦现状和未来西北内陆区地下水合理开发、生态保护面临问题与必然需求，阐述研究区自然地理、气象水文、水资源与区域地下水补给-径流-排泄条件，以及水资源、地下水开发利用状况及其引发的生态环境问题，为后续章节阐述奠定背景基础。 1.1主要问题与必然需求 本书中的西北内陆区，是指包括大兴安岭以西，昆仑山-阿尔金山-祁连山和长城以北，包括新疆维吾尔自治区、甘肃省的西北部、青海省柴达木地区、宁夏回族自治区和内蒙古自治区中西部等，它深居中国西北部内陆，具有面积广阔、干旱缺水、荒漠广布、风沙较多和自然生态境况脆弱的特点。近50年来，该区各流域中、下游自然湿地和荒漠天然植被绿洲不断退化，其中艾丁湖流域和石羊河流域较为典型。 1.1.1西北内陆典型流域地下水开发与生态保护情势 1.艾丁湖流域 艾丁湖流域位于新疆维吾尔自治区东部的吐鲁番盆地，流域面积为5.3万km2。艾丁湖位于吐鲁番市高昌区南50km的恰特喀勒乡境内（图1.1），地理坐标为89°10′～89°40′E、42°32′～42°43′N，是我国著名的内陆咸水湖，以及吐鲁番盆地14条主要河流的汇集点。在艾丁湖流域内，分布着世界*大范围的野生阔叶骆驼刺生长地和艾丁湖自然湿地保护区。艾丁湖的维吾尔语意为“月光湖”，以湖水似月光般皎洁美丽而得名，与火焰山、葡萄沟并称为吐鲁番盆地的三大自然景观。 吐鲁番市东邻哈密地区，西南与巴音郭楞蒙古自治州接壤，北隔天山与乌鲁木齐市和昌吉回族自治州毗邻，南北宽为240km、东西长为300km。吐鲁番盆地四面环山，中间低洼；东有库木塔格山（沙山），南有觉罗塔格山和库鲁克塔格山，西有喀拉乌成山，北依博格达山，中部有盐山、火焰山隆起带。吐鲁番盆地总体地势为西北高，海拔为3000～4500m；东南低，海拔为600～2000m；中间洼，*低处艾丁湖海拔为-154.3m，是一个较大型山间拗陷盆地（图1.1）。 2018年艾丁湖流域所在的吐鲁番地区，实施了《艾丁湖生态保护治理规划》（2018年）、《吐鲁番市用水总量控制实施方案》（2018年9月）和《吐鲁番市地下水超采区治理方案》（2018年9月），明确“保护艾丁湖生态系统的基本功能，保证艾丁湖生态系统不崩溃”，“维持现有的176万亩（1亩≈666.7m2）天然植被（骆驼刺盐生草甸）面积不退化，以及保障一定的艾丁湖水域面积”。 艾丁湖流域地下水合理开发与生态保护，主要面临如下4个方面情势。 （1）灌溉农业及经济社会快速发展，导致艾丁湖自然湿地水域面积不断萎缩。1909年，吐鲁番地区灌溉面积为10万亩，艾丁湖水域面积为230km2；1940年，该区灌溉面积增至40万亩，艾丁湖水域面积缩减至150km2；至1970年，灌溉面积由1949年的45.49万亩扩大为93.7万亩，艾丁湖水域面积萎缩至约60km2；1990年，灌溉面积达100万亩，艾丁湖水域面积进一步缩小至23km2；到2009年，该区灌溉面积扩大至192.5万亩，艾丁湖水域面积仅6.4km2。目前，仅白杨河季节性补给艾丁湖，其他主要河流除较大洪水外，均不能流入艾丁湖，地下水补给正在逐年减少，艾丁湖已演变为季节性湖泊，湖区裸露盐化面积达90km2，湖床已成为盐沼地或盐壳地。 （2）水土资源过度开发，地下水严重超采，导致地下水生态功能加剧退变。随着人口数量和经济社会规模不断增长，艾丁湖流域水土资源开发力度不断增大，该流域总用水量早已远超天然水资源可利用量，总用水量（14.44亿m3/a）曾达流域天然水资源合理开发阈值（40%×12.59亿m3/a）的2.87倍。近30年以来，艾丁湖流域年均地下水超采量（3.06亿m3）是该区地下水资源量的1.53倍；该流域农业用水量占总用水量90%以上，地表水供给量占当地总用水量的比率不足40%。由此，导致艾丁湖流域下游天然绿洲区地下水位不断下降，许多区域地下水生态功能长期失效。 （3）自然生态退变危机征兆呈现，生物多样性濒临丧失。艾丁湖自然湿地分布区大片芦苇、红柳等植被枯死，天然植物由芦苇向盐节木演替；世界上分布面积*大的耐盐、抗旱的疏叶骆驼刺的生长范围，已由20世纪80年代的220万亩，减至目前的160万亩，其中90万亩为生长不良状态。曾栖息生存于该湿地分布区的众多国家一、二类重点野生保护动物，如1909年艾丁湖及周边栖息着白黑鹳、大小天鹅等18种鸟类，以及鹅喉羚等12种兽类，目前基本绝迹。 （4）*严格水资源管理制度的“三条红线”控制指标已分解至县（区），但地下水生态功能情势仍然不乐观。艾丁湖流域所在的吐鲁番市，已实施多年*严格水资源管理制度，包括“三条红线”控制指标分解至县（区），以及全力建设节水型社会，灌溉水利用系数从0.5提高至0.7以上；地表水资源直接配置到经济社会需水量大和生态脆弱区域，全方位减缓和修复艾丁湖湿地分布区地下水生态退变情势。但是，即使全面实施压采、各种节水措施和*严格水资源管理措施，至2035年艾丁湖流域下游一些绿洲区地下水位仍呈下降特征，地下水生态功能退变情势难以出现根本性扭转。 2.石羊河流域 石羊河流域位于甘肃省河西走廊的东部及祁连山北麓，西以大黄山-马营滩与黑河流域为界，东以乌峭岭-毛毛山-老虎山与黄河流域为界，地理坐标为101°22′～104°04′E、37°07′～39°27′N。在行政区划上，石羊河流域涉及4个地级行政区的9个县，包括武威市古浪县、凉州区和民勤县，金昌市，张掖市肃南县、山丹县和白银市景泰县的部分地区，流域面积为4.16万km2。 石羊河流域地势呈南高北低、自西向东北倾斜特征，南部为祁连山地，中部是走廊平原区，北部是低山丘陵区和荒漠区。该流域南部祁连山地海拔为2000～5000m，山脉呈西北-东南走向。中部走廊平原区被东西向龙首山东延的余脉韩母山-红崖山-阿拉古山分割为南、北两个盆地（图1.2），其中南盆地包括武威盆地、大靖盆地和永昌盆地，海拔为1400～2000m；北盆地包括民勤盆地和金川-昌宁盆地，海拔为1300～1400m，*低点——白亭海的海拔仅1020m（已干涸）。北部低山丘陵区为趋于平原荒漠化的低山丘陵区，海拔小于2000m。 2007年实施了《石羊河流域重点治理规划》，中游蔡旗断面下泄水量达到了预期目标。至2019年，曾干涸的青土湖湿地水域面积达20km2以上，地下水位埋深回升至2.94m，林草覆盖率由20%恢复为30%以上，“沙进人退”的态势得到遏制。 石羊河流域地下水合理开发与生态保护，主要面临如下4个方面情势。 （1）石羊河流域下游自然生态退变情势，尚未根本性扭转。该流域下游天然绿洲保护区，东、西、北三面被腾格里和巴丹吉林沙漠包围，其中绿洲面积仅占9.66%，沙漠和荒漠化面积占90.34%。青土湖湿地等天然绿洲是遏制腾格里和巴丹吉林两大沙漠合围、防止河西走廊东部地区沙漠化的重要天然生态屏障。但是，该区地下水功能尚未整体有效恢复，生态保护与维系的良性机制尚未深化建立，自然湿地水域面积尚未根本性稳定修复，波动变化仍然较大。 （2）90%以上的自然生态退化问题与水土资源没能合理开发利用有关，灌溉农田规模过大是主要动因。1970年以来石羊河流域气候变化、水土资源利用和地下水动态变化数据表明，由于大规模开荒造田，长期大规模拦蓄引出山地表径流水量，导致平原区地下水位不断下降和天然绿洲面积不断萎缩；每增加1.0hm2的灌溉耕地，天然绿洲面积减少1.35～2.07hm2。与1970年相比，2017年该流域灌溉耕地面积增加1200km2，天然绿洲面积减少1850km2。 （3）干旱区独*的气候条件，决定了“没有灌溉就没有农业”。随着灌溉农田规模不断扩展，90%以上的流域地表水被引入农田，但依然不能满足灌溉用水需求，由此农业开采量不断增大，加剧了平原区地下水位下降程度，流域水平衡遭遇根本性破坏，致使下游区地下水生态功能呈现危机（长期失效）。监测数据表明，来自上游下泄补给下游区的水量，由20世纪50年代的5.98亿m3至2002年减少为0.85亿m3；民勤县城区地下水位埋深由1998年的21m左右下降至2017年的33m，坝区和泉山两个灌区的地下水位埋深由1998年的15～17m下降至2017年的27～29m。目前，有些区域地下水位下降趋势仍未根本性扭转；以现状调入生态输水规模，完全修复下游区自然生态至70年代初境况，需要50年，甚至百年以上。 （4）生活及生产等民生用水规模远超过天然水资源承载力，需要战略层面重大调整。石羊河流域下游区天然绿洲生态系统退化，是该流域中、上游区长期大规模拦截应下泄补给下游区的出山地表径流水量，以及当地长期超采地下水的必然后果。因此，实现“人与自然和谐发展”共赢的生态文明建设目标，需要有序修复下游区地下水生态功能，确保浅层地下水位恢复至“适宜生态水位”范围，战略性重大举措是必要条件。 1.1.2西北内陆区地下水合理开发及生态保护面临主要问题 从新疆艾丁湖流域和甘肃石羊河流域地下水开发与生态保护面临的情势可见，西北内陆区地下水合理开发及生态保护面临的主要问题，集中表现在5个方面。 1.天然水资源匮乏性 （1）西北内陆的新疆、青海、甘肃和内蒙古西部，由于降水少，蒸散发强烈，所以，水资源和平原区地下水补给的水源匮乏，以至那里水资源可利用的数量，包括地下水开采资源量十分有限（图1.3）。在我国西北内陆区，由于特殊地理位置，降水量主要集中在高山地区，各流域（盆地）平原区，尤其下游区干旱少雨，降水量一般不足150mm；空间上，自各流域上游山区至下游平原区，年降水量呈现逐渐减少的分布特征，如在塔里木盆地，山地年降水量为200～500mm，盆地边缘为50～80mm，盆地中心（下游）不足20mm；在柴达木盆地，东部年降水量为50～150mm，盆地西部为10～30mm；在河西走廊，自祁连山山前至西北部下游平原区，年降水量由350mm降至不足30mm。从总体上看，西北内陆各流域的天然雨水资源匮乏，而蒸散发耗水能力较强，其中新疆地区的多年平均蒸发量为1500～2200mm，干旱指数为1.0～82.5；青海地区的多年平均蒸发量为800～1600mm，干旱指数为1.5～50.3；甘肃地区的多年平均蒸发量为700～3000mm，干旱指数为1.5～16.9；内蒙古西部地区的多年平均蒸发量为1900～2400mm，干旱指数为8.0～30.2。 （2）西北内陆区地下水天然补给资源贫乏，难以同时承载现状生活、生产等民生用水规模和自然生态修复需水规模的共赢目标。西北内陆各流域（盆地）平原区降水少，所以平原区地下水更新与补给的水源主要依赖上游山区降水和冰雪融水形成的出山地表径流补给，其中在枯水季节（非雨季）以上游区地下径流溢出形成的出山地表水补给为主，在夏季（雨季）以上游区雨水和冰雪融水形成的出山地表水补给为主（陈梦熊，1997；刘华台和郭占荣，1999；张光辉等，2005a，2005b，2005c，2006，2009；李相虎，2006；蓝永超等，2007，2008；王晓玮等，2017，2020）。从天然地下水资源模数（即每平方千米的天然地下水资源量）来看，新疆平原区的5.80万m3/（km2 a）仅为北京平原区模数的15.22%、天津平原区模数的35.85%和河北平原区模数的40.17%；青海平原区的9.34万m3/（km2 a）仅为北京平原区模数的24.51%、天津平原区模数的57.73%和河北平原区模数的64.68%；甘肃平原区的4.84万m3/（km2 a）仅为北京平原