对水资源可持续利用的愿望极大地推动了人们对水资源转换机制和合理使用途径的深入探索，生态需水成为当前生态学、水文学、环境学等领域的研究热点。事实证明，“忽视水资源与生态环境系统之间的关系”是20世纪水资源管理的失误，直接导致了生态环境的恶化，引发森林退化、生物多样性减少、河道断流和地下水位下降等诸多生态环境问题，并严重威胁人类的生存环境^{[1, 2]}。对极端干旱区生态系统而言，水是可持续发展的最重要因素，有水即为绿洲，无水即变荒漠。因此，为了保护荒漠地区的天然植被，需要对其合理生态需水量进行研究。

关于生态环境需水量的研究最早是在国外开展的，主要集中在河流生态环境需水方面。早在1940 年，美国渔业与野生动物保护组织规定了维持河流的最小生态流量。90 年代以来，生态系统需水量研究成为全球关注的焦点，逐步从河流生态系统类型扩展到了森林、草地、湿地、湖泊、河口、等其他生态系统类型上^[3]。目前，国内生态需水研究多集中在水资源供需矛盾突出以及生态环境相对脆弱和问题严重的干早、半干早和季节性干早的半湿润区^[4]。干旱区降水稀少，不足以维持其生态系统特别是非地带性天然植被组成的系统的正常运转，河水与地下水之间的相互补给和排泄构成水循环运动基本方式，补给地下水需水量是河流系统生态环境需水量的重要组成部分。1993 年世界银行发布的水资源政策文件明确了地下水可再生性维持的标准，即水资源开发利用总量决不能超过地下水补给量，但缺乏有关生态环境需水量的确定标准^[5]。近年来，地表水与地下水之间的相互转换研究范围不断扩大，出现了“地下合理生态水位”、“地下生态警戒水位”和“盐渍临界水位”等概念^{[6, 7, 8]}，目前常见的确定河流(渠)渗漏补给量的方法有水文学、地下水动力学法和试验法以及数值模拟等方法^{[9, 10]}。在地下水采补平衡的情况下，使地下水水位恢复到生态水位，这将有利于维护地下水生态环境不再恶化并逐渐改善。恢复地下水生态环境需水量是供给天然植被生长、发育需水的基础，因此，以地下水资源合理开发利用及生态环境保护为目的的生态需水研究，已成为当今地下水资源研究领域十分重要的课题^[11]。

近50年来，塔里木河源流区和中上游大规模引水和截流，导致下游地区因来水量日趋减少，造成大西海子水库以下长达321 km河段基本断流。自2000年开始向塔河下游断流30a的河道实施应急输水工程^[12]。塔里木河下游荒漠生态系统的恢复状况受到国内外密切关注^{[13, 14, 15]}，发现了河水补给引起地下水位变动，其变化幅度随着远离河流而越来越小，变化时间随远离河岸越来越推迟，变动速率也随远离河流越来越小，地下水对生态输水的响应是逐渐实现的^{[16, 17]}，水位的时空差异导致了地表植被在时间和空间响应上的明显不同^{[18, 19]}，随着下水位下降，物种多样性Shannon-Weiner 指数、Simpson 指数、Margalef 指数、Patrick 指数以及Cody 指数都以下降为主^{[20, 21]}，生态输水对植物生理指标的影响是显著的，随着地下水位的降低，叶片相对含水量减少，脯氨酸、脱落酸因积累而增加^{[22, 23]}，生态输水使树木年轮生长发生了良性转变^[24]，随着输水次数和年输水量的稳步增加，植被覆盖度、面积稳步增长^[25]，地下水响应范围由第1次输水后的450 m宽增加扩大到了第8 次的3334 m，历经8 次输水后，输水河道区域地下水净补给量达到7.8×10⁸ m³，占总下泄水量的35.63%^{[26, 27]}，研究者计算塔里木河下游植被生态需水量在2.19—3.2×10⁸ m^{3[28, 29]}，由于植被面积及模型参数的不同造成计算结果存在较大差别。而对于近期治理规划后2000—2010年地下水恢复范围、生态补水后地下水恢复至生态水位的需水量以及2010年不同覆盖度植被生态需水量的研究较少^[30]。

以生态恢复和环境保护为根本目标的塔里木河下游生态输水工程，至2011年1月总计向下游输水12次，生态输水总计26.96×10⁸ m³。最初只是为了河道的完整，到恢复地下水位，最后达到生态环境的重建。随着生态输水的延续，地下水得到了初步的恢复，输水量应当根据下游生态环境及水文变化加以转变，将多余的水资源应用与生态恢复。本文考虑水文变异，然后借助遥感和GIS技术，对塔河下游地下水响应带的范围进行了界定，并以此为依据结合区域植被遥感分类结果中提取出的植被分布面积，对绿色走廊的植被生态需水量进行了研究，对于转变生态需水量的观念，同时为今后水资源的优化配置提供科学依据^[31]。

图 1 塔里木河下游水系分布及断面图 Fig. 1 River system distribution and transects in the lower reaches of Tarim River

图选项

塔里木河下游位于新疆维吾尔自治区南部尉犁县和若羌县境内，呈东南方向穿行于塔克拉玛干沙漠和库鲁克沙漠之间狭长的冲击平原(图 1)。该区是中国最干旱地区之一，年降水量仅17.4—42.0 mm，年蒸发量(潜势)高达2500—3000 mm，属于典型的大陆性干旱气候。20世纪50年代以来，由于人类不合理的水土资源开发，塔河下游大西海子水库以下321 km河道断流，沿线地下水埋深多降至8—12 m。由此造成河畔以胡杨林为主要建群种的自然植被严重退化，荒漠植被衰败，物种多样性下降，土地沙漠化和土壤盐渍化加剧，下游绿色走廊急剧萎缩，塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠呈合拢趋势^[32]。自2000年开始向塔河下游断流30a的河道实施应急输水工程，下游生态环境有所好转，近河道地下水埋深逐年抬升。在干旱荒漠气候的控制下，该地区的地带性植被是温性灌木和半灌木。由于有河水和地下水补给，河漫滩及两岸的低阶地发育着大面积以胡杨为主要建群种的荒漠河岸林，主要有乔木胡杨(Populus euphratica)，灌木主要有柽柳(Tamari ramosissima)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum)和铃铛刺(Halimodendron halodendron)，草本植物有芦苇(Phragmites australis)、罗布麻(Poacynum hendersonii)、疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、胀果甘草(Glycyrrhiza inflata)等耐盐草本植物。

本文运用卫星遥感信息和GIS技术相结合的方法对景观要素的空间数据进行收集与分析，配合地表水与地下水监测断面数据，计算塔里木河下游天然植被生态需水量(图 2)。利用塔里木河干流地区2010年8月Landsat 5-TM影像，在ENVI中首先对TM影像辐射定标、大气校正，按照植被覆盖分类指标，进行波段运算，得到植被覆盖类型等级数据。利用Arc/Map进行数字影像543波段的彩色合成，利用目视判读和数字化工作，生成矢量化地图，再结合野外调查数据和Google Earth 对解译结果进行人工修正。结合研究区域的实际情况和研究目的，将研究区天然植被主要划分为乔木、灌木、草地，采用叠加分析和缓冲区分析的方法，获得不同盖度下植被类型的面积，采用潜水蒸发模型定量计算天然植被需水量。将塔河下游自2000年生态输水开始实施至2010年输水结束看作一个时间整体，将该时段生态输水背景下形成的塔河下游地下水波动带作为地下水恢复研究区，结合合理地下水生态水位研究成果，利用Excel2010 和Spss 11.0 回归分析模块对地下水数据进行统计和分析，计算地下水恢复需水量。

图 2 研究思路框图 Fig. 2 Sketch line of technology

图选项

塔里木河下游在大西海子水库以下分为两支，北侧一支称为齐文阔尔河，南侧一支是老塔里木河，两河体大致呈平行状并在阿拉干处交汇后向南流入台特玛湖。为了解塔里木河下游地下水位的整体变化，沿塔里木河下游输水河道垂直方向上布设了7个监测断面，分别位于恰拉(近似替代大西海子)、英苏、老英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻和库尔干(近似替代台特玛湖)。

(1)地下水监测

在每个断面上沿河道垂直方向按一定间距，50、150、300、500、750、1050 m布设地下水监测井，井深8—17 m，定期进行观测，输水资料来源于塔里木河流域管理局，本研究获取各监测井2000—2010年输水过程中地下水埋深监测资料。

(2)地下水响应幅度

考虑到区域生态输水影响范围变化直接体现在区域地下水位及其辐射范围的变化上，因而本研究根据塔河下游2004年(代表生态输水最大的响应幅度)与2010年(代表研究时段内形成的塔河下游地下水响应幅度)的地下水位调查，采用两次输水的地下水埋深差值来计算地下水响应的幅度。各断面不同监测井的地下水位取年平均值，地下水响应幅度的公式：

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式中,GD_i 为离河道i距离地下水响应的幅度，L_mi,L_ni 分别为2010年和2004年离河道i的地下水位。

(3)地下水恢复量

指将地下水位恢复到所需要的生态水位以后，维持这个水位不下降所需下泄的水量。塔河下游由于河道断流多年，造成地下水严重亏损，通过长期输水把河道附近最大有效影响范围内的地下水位上升到生态水位以后，地下水主要消耗于潜水蒸发和植被蒸腾，必须恢复到一定水位，称为地下水恢复水量^[33]。地下水恢复至目标水位所需水资源量见图 3，对地下水恢复量采用以下公式计算：

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式中,f₁(x)为河床一侧2010年的地下水水位线，f₂(x)为河床一侧适宜的生态水位线，x则表示河道对地下水的最大影响幅度；μ为地下水位上升时的土壤含水量饱和差，M为水位变动带的饱和差，n为土壤干容重，参数根据宋郁东^[34]等研究确定。

若在河道某河段上游断面的恢复水量为Q_上，下游断面的恢复水量为Q_下，两断面间的河道距离为L，则在此区间内河段两岸的恢复总水量W为：

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图 3 地下水埋深恢复示意图 Fig. 3 Schematic of the groundwater depth recovery

图选项

本文以植被指数估算植被盖度，利用归一化植被指数NDVI，又称标准化植被指数，建立了归一化指数定量估计植被盖度模型。计算公式为^[35]：

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式中,CH3代表TM 影像第三通道的反射值；CH4代表TM 影像第四通道的反射值。

利用NDVI计算植被覆盖度的模型在实际应用中是最方便也最普遍的，植被盖度通过其与NDVI植被指数之间的关系得出(公式5)^[36]：

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式中,NDVI 为所求像元的归一化植被指数；NDVI_min、NDVI_max 分别为非植被覆盖部分(裸地和未利用地)和植被覆盖部分(林地、草地和耕地)归一化植被指数值的最小值和最大值，由于不可避免存在噪声，NDVI_max 和NDVI_min一般取一定置信度范围内的最大值与最小值，根据野外调查数据，确定NDVI_max =0.7，NDVI_min=0。

根据水利部1996 年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-96)^[37]，将植被盖度分为五级，分类标准见表 1。

估算研究区天然植被的生态需水量采用潜水蒸发法，即某一植被类型在某一潜水位的面积乘以该潜水位下的潜水蒸发量。其计算模型如下：

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式中,W为植被生态需水量(10⁸m³)；A_i为植被类型i的面积(10⁴ hm²)；W_gi为植被类型i在地下水某一地下水埋深时的潜水蒸发量(mm)，参考宋郁东等在《中国塔里木河水资源生态问题研究》中的成果(表 2)；K_i表示植被影响系数，采用《阿克苏农业考察报告》中提供的不同埋深时的植物蒸腾对潜水影响系数。

研究区由于降水量稀少，降水量对地下水的补给可以忽略，因此，塔河下游地下水的主要补给来源为河道径流以垂向和侧向的方式补给。地下水消耗主要供给植被蒸腾，不断的补充土壤水，地下水不断的向外排泄。当生态输水对地下水的补给能力小于排泄能力时，地下水位降低，当生态输水对地下水的补给能力大于排泄能力时，地下水位升高^[38]。其区域范围的大小受生态输水过程中来水量多少、区域地质地貌条件、局部区域地下水补给源等众多因素影响。

本研究的时间序列为2000—2010年，下游5个监测断面的年平均地下水位与年生态输水量的变化见图 4。自2000年下游第1次实施生态输水措施以来，到2010年第11次输水，历时10a多，累计断面下泄水量26.59×10⁸ m³，河道两岸地下水埋深有所抬升，但由于输水的“间歇性”特征，监测表明，地下水埋深并没有抬升至绝大多数天然植被正常生长的潜水水位。自2000—2003年地下水埋深随着生态输水量的增加而减小，说明输水量3.23×10⁸—6.25×10⁸ m³补给大于排泄，可以使下游生态得到恢复；自2004—2006年随生态输水量的降低，地下水埋深开始缓慢增加，老英苏断面变化幅度最小，说明1.02×10⁸—2.82×10⁸ m³的输水对其有补给作用；在2007—2009年生态输水量较小，地下水埋深增加趋势明显，处于负均衡状态。值得注意的是2003年输水量最大，但地下水埋深最小值出现在2004年，之后呈现逐渐增大的趋势。地下水位的上升反映了地表水对地下水的补给，地下水位的抬升幅度主要与输水量的大小和放水持续时间有关，并呈一定的正相关关系。

图 4 塔河下游地下水动态变化 Fig. 4 The changing dynamics of groundwater level in the lower reaches of the Tarim River

图选项

对塔里木河下游而言，两次来水量不同的生态输水过程所形成的地下水波动带宽度也不同，且后一次输水效果又是前次与本次输水过程共同作用的结果。根据地下水响应幅度的计算方法(公式1)，得出下游4个断面生态输水的影响(图 4)，通过对曲线的拟合，相关系数在0.01 的水平上都达到极显著，求出每个断面的最大响应幅度(表 3)。

地下水位的变化过程与河道来水过程密切相关，由于目前采取沿自然河道线性输水的方式，就水流从上而下呈纯耗散状态，河道上断面过水流量应大于下断面，沿输水河道中轴线向两侧，地下水位升幅呈逐渐减少的趋势，对生态输水的响应程度由上而下逐渐减弱，距放水口较近的英苏断面的地下水位响应敏感，影响距离为1195 m；距放水口较远的依干不及麻断面的地下水位响应幅度最小，影响距离为1000 m；距放水口较远位置的断面水量少，持续时间短，放水后其地下水响应幅度变化远小于距放水口较近位置的断面；随着与河道距离的增加，地下水位的变化趋于平缓。对下游英苏、喀尔达依、阿拉干和依干不及麻河道生态影响幅度计算，发现中间断面阿拉干响应幅度(2281 m)在4个断面中最大，其原因主要是采用2004年和2010年生态输水所测定资料进行计算，这两次输水均为其文阔尔河和老塔河双河道输水，两河道交汇后的阿拉干断面的生态流量均大于其他断面，造成地下水位影响幅度最大。

塔河下游由于河道断流多年，造成地下水严重亏损，通过长期输水把河道附近最大有效影响范围内的地下水位上升到生态水位以后，地下水主要消耗于潜水蒸发和植被蒸腾，必须恢复到一定水位，称为地下水恢复水量^[33]。因而，本文认为地下水恢复量的估算问题，关键就是寻找既能减少地下水强烈蒸发返盐，又不造成土壤干旱而影响植物生长的地下水位称为合理生态水位。徐海量^[39]在探讨塔河下游合理水位认为当地下水位在4.5 m 以上时，基本能满足乔、灌木生长需水，一般不会发生荒漠化。荣丽杉^[40]根据地下水埋深与胡杨样枝生长的关系，塔里木河下游合理地下水生态水位为4—6 m。郝兴明^[41]分析地下水位变化对植物物种多样性与种群生态位的影响，认为地下水埋深4—6 m为合理生态水位。宋郁东^[34]根据潜水蒸发极限，把4—4.5 m作为合理生态水位的下限。叶朝霞^[29]基于生态水文过程的塔里木河下游植被生态需水量研究，根据阿维里杨诺夫公式计算当地下水埋深达到4.5 m时，潜水蒸发量接近0。因此，本文认为可以把4.5 m地下水埋深作为下游合理地下水生态水位。

根据公式(2)计算可得到下游河道各断面地下水埋深恢复至生态水位的单位河长的需水量，由式(3)可得到河段区间的地下水恢复需水量，最后得下游大西海子-台特玛湖地下水埋深恢复至4.5 m所需水量(表 4)。塔里木河下游齐文阔尔河段区域的地下水总恢复需水量为4.98×10⁸ m³，老塔里木河段地下水恢复需水量为2.09×10⁸ m³，历经12次输水后，塔里木河下游地下水总恢复需水量为7.06×10⁸ m³。根据塔里木河下游大西海子以下近年来实际供水情况：(1)干流三源流近10年供给大西海子以下水量为0.9×10⁸ m³；(2)近10年大西海子以下年平均供给水量为2.3×10⁸ m³；(3)大西海子以下规划年供给水量为3.5×10⁸ m³。根据杨鹏年^[42]塔里木河干流下游生态输水后水量转化特征，河道径流量对地下水的补给量占其河道年平均径流量的比例约为38.1%—56.5%，随着输水次数的增加，河道对地下水的补给量呈逐渐减小并趋于一定值，而蒸腾量则呈逐渐增加的势态。按照大西海子以下年平均供给水量为2.3×10⁸—3.5×10⁸ m³，本次地下水恢复量需要时间为5—8a。若地下水恢复需要5a完成，每年恢复水量需要1.41×10⁸ m³；若地下水恢复需要8a完成，每年恢复水量需要0.88×10⁸ m³。

A:大西海子-英苏(齐河); B:英苏-喀尔达依(齐河); C:喀尔达依-阿拉干(齐河); D:阿拉干-依干不及麻(齐河); E:依干不及麻-台特玛湖(齐河); F:大西海子英苏(老塔河); G:英苏-阿拉干(老塔河)

对于干旱区而言，植被是河道外生态系统的主体，也是整个流域生态系统最主要的保护对象，河道外天然植被需水是河道外生态需水计算的关键。目前主要采取线性输水的方式打通下游河道，以廊道状补偿水分，导致输水后主要是近河道地下水位发生变化，远离水源地的区域地下水位仍然无法得到抬升。因此，本文对下游的生态需水提出2种方案：(1)保护下游所有天然植被，在丰水年可以通过生态闸实现“由线到面”的生态输水方式；(2)保护下游地下水响应带天然植被，主要保证河道的水文过程完整及绿色走廊的生态稳定。根据植被生态需水量计算方法，得出不同方案下不同植被类型的生态需水量(表 5)。

塔里木河下游绿色走廊总面积518181.75 hm²，天然植被面积为96114.09 hm²，占18.54%，其中乔木、灌木、草地面积分别为10759.64、39119.81hm²和46235.25 hm²，生态需水量分别为5.15×10⁶ m³、17.63×10⁶ m³和35.96×10⁶ m³，则保护下游所有天然植被总生态需水量为0.587×10⁸ m³。根据塔里木河输水情况，采用双河道恢复天然河道植被，保护目标主要是沿河道两侧的天然植被。按照以上生态输水对地下水的影响幅度，保护距离取离大西海子水库最近的英苏断面的地下水响应幅度，因此，通过ArcGIS缓冲区分析提取下游大西海子-台特玛湖河段两岸1195m的植被面积，天然植被面积为41439.85 hm²，其中乔木、灌木、草地面积分别为9287.22、24718.64 hm²和7434.00 hm²，生态需水量分别为4.45×10⁶ 、11.23×10⁶ m³和5.32×10⁶ m³，则总生态需水量为0.21×10⁸ m³。

(1)塔河下游地下水位的抬升幅度与输水量的大小呈一定的正相关关系，并存在一定的时效性。2004—2010年地下水处于长期的负均衡状态，地下水位区域性下降，多年下降幅度明显。塔河下游地下水的主要补给来源为河道径流以垂向和侧向的方式补给，地下水波动幅度随距离的增加在纵横两个方向上均逐渐趋缓。输水效益的显现是一个漫长的过程，正如输水前植被的退化过程很缓慢一样，地下水的响应和下游植被的生态响应在一个大的空间和时间尺度上将逐步显现^[17]。陈亚宁等^[43]塔里木河下游的4次输水的横向影响范围达1000 m左右；杨鹏年等^[26]运用地下水模拟软件ProcessingModflow进行了10 年期的间歇输水模拟，输水的影响范围保持在距河两侧3 km的宽度内。从目前响应的范围看，仍然在有限的区域内发生，可保护的植被范围也主要集中于此，远未达到恢复和重建下游生态环境的目标，要实现大规模的生态恢复，还必须在输水过程中适当增加河水漫溢的次数和干扰的强度。

(2)地下水位既是对河道输水产生响应的敏感因子，同时也是决定植被恢复的重要因素。塔里木河下游输水有效地抬升了河道两侧的地下水位由输水前的6—8 m 抬升到了2—4 m^[16]。地下水恢复变化首先与断面距离水源地大西海子水库的远近有关，其次与离河距离远近有关^[27]。经过11a的输水后，地下水恢复至生态水位的恢复需水量为7.06×10⁸ m³，根据间歇性输水条件下水量转化关系，则需要5—8a的时间。王让会等^[28]计算塔河下游大西海子至台特玛湖两岸植被保护1 km宽度，地下水恢复至4 m水位恢复水量为14.4×10⁸ m³，胡顺军^[44]计算塔里木河下游地下水恢复水量则为20.056×10⁸ m³，由于采用的现状地下水位和合理生态水位的不同造成地下水生态环境恢复需水量的差异。在输水期间，下渗的河水一部分被土壤与植物所蒸散，另一部分进入含水层补给地下水。地下水不断地补充土壤水，同时裸露土地的潜水蒸发、河道水域的蒸发也在进行，地下水远远不断的向外排泄^[38]。因此，在生态输水过程中，不仅要考虑适宜的输水量来保证地下水处于正均衡状态，而且要根据适宜地下水位进行输水方式的调整，维持地下水位的稳定，减少不必要的沿程蒸发损失^[44]。

(3)塔里木河下游大西海子以下保护所有天然植被面积为96114.09 hm²，生态需水量为0.587×10⁸ m³，若保护下游地下水响应带天然植被面积为41439.85 hm²，生态需水量为0.21×10⁸ m³。从目前输水响应带看，仅维持了天然植被35.8%的生态需水量，生态输水工程必须继续开展下去。天然植被面积是计算生态需水量的关键，陈亚宁等^[45]计算塔里木河下游天然植被面积为14.16×10⁴ hm²，叶朝霞等^[29]确定下游天然植被面积为37.21×10⁴ hm²，本文采用2010年遥感影像计算河道外生态需水量结果可信。生态水文过程的完整是河岸生态系统稳定的基础，对植物和动物具有摘要意义，断流造成流域水文过程的完整性丧失，地表水与地下水转换的途径被切断^[45]。按照塔里木河流域近期综合治理规划确定的目标——大西海子水库以下多年平均下泄水量为3.5×10⁸ m³，随着生态输水效应的不断扩大，可以实现更大范围荒漠河岸林的保护与恢复。在水资源紧缺的干旱区，如何合理利用水资源，发挥其最大效益，则需要根据水文状况和植物的生物学和生态学特性对输水方式和输水规模进行调整。