基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统及构建方法
技术领域
本发明属于西北荒漠区河道生态系统修复技术领域，具体涉及基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统及构建方法。寒旱荒漠区内陆河河道保护性植被汊渗轮灌的新理念、新技术、新制度及其生态修复系统的构建方法。
背景技术
我国西北旱区内陆河是国家重点保护的生态脆弱区和我国“丝绸之路”经济带建设的核心区，降水稀少，且蒸发强烈，如塔里木、河西走廊等地年均蒸发量在1800mm以上。近50年来，塔里木河在以水资源开发利用为核心的高强度人类经济、社会活动的作用下，生态环境日益退化，塔河水系逐渐演变成为由阿克苏河、叶尔羌河、和田河、开都河-孔雀河及塔河干流组成的“四源一干”水系格局，如图1。特别是塔里木河下游生态环境严重退化，河道断流，尾闾罗布泊及台特玛湖相继干涸，土地荒漠化加剧，荒漠河岸胡杨林面积日趋萎缩，地下水位大幅度下降，沙漠化过程及风蚀作用加剧，沙化面积扩大，生物多样性严重受损，成为塔里木河最严重的生态灾难区，已经严重影响了该地区经济正常、稳定、可持续的发展。
针对塔里木河下游日趋严峻的生态问题，为了恢复旱区内陆河流域生态环境，确保社会经济系统安全运行，2001年起我国针对塔里木河等内陆河流域开展了一系列的生态环境综合治理工作，编制并实施了《塔里木河流域近期综合治理规划》等内陆河流域生态保护规划，以挽救塔里木河下游濒消亡的“绿色长廊”。为此，从2002年开始，以恢复塔里木河下游生态为目标，我国启动了塔里木河流域近期综合治理工程。在人为努力和自然来水偏丰的共同作用下，2000-2019年向大西海子水库下游河道实施了20次生态输水，共计输水81.61亿m3，平均下泄水量4.13亿m3，超额完成了年均下泄3.5亿m3的预期目标，水流到台特马湖并形成500多平方公里湖面，下游生态环境得到初步改善。
对于地处干旱区的域流而言，河道外陆生植被的灌溉方式决定了灌溉耗水过程，是衔接植被需水过程和生态调度供水过程的核心因素。研究发现，目前塔里木河的生态输水仅采用主河道输水，地下水影响宽度只有1.2km，灌溉范围仅集中在河道两岸的低洼滩地和生态渠道延伸的有限地带，而远离干流河道、地势高的绝大部分区域无法得到有效灌溉，严重威胁陆生植被的孕育、出芽和生长，更不利于远离主河道区域的植被修复和恢复。如图2所示，地下水埋深对胡杨长势有着明显的影响；此外，研究表明，生态输水过程中生态水量过早、过快地离开了灌溉区域，其中下泄水量约有40％退回干流后流入下游湖泊蒸发损失，浪费了有限的、宝贵的水资源。另一方面，塔河干流植被的灌溉以“大水漫灌”、“洪水淹灌”为主，很多生态渠道由于泥沙淤积抬高闸前水位高程导致取水困难以致荒废。因此必须改变输水方式，由传统的单河道输水、双河道输水(图3)演变为双河道+汊河输水、双河道+汊河+面状输水的方式(图4)，抬升地下水位，提高植被对水分的获取能力；同时形成河道内翻板闸-雍水坝-节制闸-抽水泵等工程调控和沟道、汊河的面状输水方式，将输水量反复、持续消耗在河道沿程，使河水储存于地下，以提高沿程植被对水分的利用率，充分发挥生态输水的生态保护作用。
在此背景下，为了扩大灌溉面积、增加灌溉强度和深度、提高灌溉效率，发挥流域内“闸-堤-坝-泵”等生态工程的直接调控作用，提出一种基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统构建方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统及构建方法；本发明提供的基于汊渗轮灌的西北内陆荒漠区河道生态修复系统和修复方法是将流域内翻板闸、雍水坝、阻水堤、节制闸、抽水泵的生态工程调控与自然汊河的面状输水方式相结合，创新性地提出植被的灌溉新理念和灌溉模式，最大限度地将水资源用于保护性植被，极大地提高了西北荒漠区河道生态修复效果；本发明的方法具有原创性鲜明、理论技术先进、实际效果显著、推广价值巨大的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统，包括生态工程体系、汊渗轮灌体系；其中：
所述生态工程体系包括翻板闸、雍水坝、生态闸、阻水堤和抽水泵，首先，在主河道上间隔性修建翻板闸或雍水坝、阻水堤，以抬高河道内水位，通过河岸边的生态闸将水引入主河道外的沟道中；其次，在沟道中修建节制闸，抬升沟道内水位，实现沟道内植被的漫灌、渗灌、轮灌和汊河引水；再次，对汊河内植被进行渗灌和轮灌，从而抬升整个分区内的地下水位；最后，对于地势相对较高的区域，通过移动式低水头的小型泵站中的抽水泵进行汊渗轮灌；
所述的汊渗轮灌体系还包括河道中的自然沟道和汊河；汊渗轮灌体系主要包括生态引水、汊河漫溢、地表下渗、地下藏水、轮番灌溉；
基于流域内现有的遥感数据，地表水、地下水、土壤水监测断面，植被监测样方长期的检测资料，在流域内现有生态工程的基础上通过修建翻板闸、雍水坝、生态闸、阻水堤、节制闸、分水闸和抽水泵(以下简称闸-堤-坝-泵)形成联合调控措施；
基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统的构建方法，包括以下步骤：
步骤1，构建汊渗轮灌系统；具体做法是：
构建闸-坝-堤-泵联合调控的面状输水方式；在沟道和汊河形成先漫灌、再渗灌、后轮灌的陆生植被生态灌溉方式；
首先，在主河道上间隔性修建翻板闸或雍水坝、阻水堤，以抬高河道内水位，通过河岸边的生态闸将水引入主河道外的沟道中；其次，在沟道中修建节制闸，抬升沟道内水位，实现沟道内植被的漫灌、渗灌、轮灌和汊河引水；再次，对汊河内植被进行渗灌和轮灌，从而抬升整个分区内的地下水位；最后，对于地势相对较高的区域，通过移动式低水头的小型泵站中的抽水泵进行汊渗轮灌；
步骤2，构建生态修复系统试验区，具体做法是：
步骤2.1，选定试验区，选取植被分布均匀、长势较为良好且主河道畅通，自然沟道、汊河分布均匀的河段作为沟汊渗灌试验区；
步骤2.2，清理自然沟道，选取试验区内荒废的主河沟、闸门，对其进行清淤，维修，使主河沟、闸门重新投入使用，为后续的面状输水提供条件；
步骤2.3，测定试验区的高程信息，对地势较低的河沟、汊河可轻松的实现渗灌；而对地势较高的汊河、河沟需修建低扬程、可移动式泵站，确保面状输水效果的实施；
步骤2.4，确定自然沟道、汊河的地理位置以及平面布置；在主河道输水方式前提下，通过修建翻板闸、雍水坝、阻水堤抬升水位；通过生态闸、节制闸在沟道、汊河形成面状输水的新方式，将输水量反复、持续消耗在河道沿程，最后根据植被的生长习性，实施分区轮灌，提高沿程植被对水分的利用率，达到以耗用最少的水资源，实现最佳的生态恢复效果；
步骤3，通过汊渗轮灌效果反馈修正生态修复系统，具体做法是：
步骤3.1，根据灌溉范围以及分区规划需水要求，设置闸门启闭以及合理安排沟道、汊河输水，形成先沟道渗灌再汊河渗灌，后分区轮番(期)灌溉的面状输水局面；
步骤3.2，在采用面状输水的同时，进一步优化布局翻板闸、雍水坝、阻水堤生态工程，疏通延伸自然沟道、汊河，一方面可以扩大天然植被受水面积，另一方面通过沟道渗灌、汊河渗灌迅速补给地下水，抬升面状地下水位，改善植被生境条件，提高生态系统的质量和稳定性；在丰水年景可以将大量的水储藏到地下，供天然植被长期利用；
步骤3.3，由监测获得历年实时调度运行和的汊渗轮灌的实时观测数据，对比分析生态调度与汊渗轮灌前后胡杨的郁闭度、冠幅、树轮径向生长量、年新增生物量以及地下水位、土壤含水量评价指标，量化和评估生态调度与汊渗轮灌的效果，分析植被需水、灌溉需耗水与生态需供水之间的关系，揭示汊渗轮灌的耗水量与生态调度的供水量之间的响应规律，通过水分对根系进行诱导发育，使植被恢复响应达到最优状态；
步骤3.4，利用遥感数据获取的归一化植被指数确定植被的空间分布和盖度，通过区域设置的地下水、地表水、土壤水监测断面、植被监测样方和生态指标，合理确定灌溉次数及灌溉时间，反馈修正生态修复系统，通过调查现有生态供水工程的布局特点和引水能力，结合各灌溉单元分区生态保护与修复的用水目标，分区轮灌，以耗水最少，生态恢复效果最优为原则给出闸-坝-堤-泵生态供水工程的合理布局方案以及不同来水情况下的灌区最优配水方案。
本发明的有益效果是：
本发明一种基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统构建方法，利用改变调度方式和输水模式，利用荒漠区河道乔灌木林根系发育的向水性能及其部分植被根系通过对干旱的感应而形成的反馈调节机制，利用汊渗轮灌技术人工恢复胡杨，柽柳对水分的获取能力，减少干旱地区宝贵水资源的无效蒸发，将生态水量最大限度的用于植被修复，能够有效解决西北荒漠区灌溉用水问题，既能有效节约合理利用水资源，又能满足植被生长需要，可获得最佳的生态保护和修复效果。
利用改变调度方式和输水模式，将水源供给、植被配置和灌溉方式有机结合起来，大大提高和保障了植被恢复成效，进而获得最佳的生态保护和修复效果。
附图说明
图1是本发明实施例中塔里木河流域四源一干水系图。
图2是本发明实施例中地下水埋深对胡杨长势影响效果图。
图3是本发明实施例中塔河干流双河道输水效果图。
图4是本发明实施例中塔河干流双河道+汊河+面状输水效果图。
图5是本发明实施例中塔里木河干流天然植被类型图。
图6是本发明实施例中沟汊渗灌试验区示意图。
图7是本发明实施例中塔里木河干流多目标调度节点图。
图8是本发明实施例中试验区汊渗轮灌分区示意图。
图9是本发明实施例中汊渗轮灌示意图。
图10是本发明的系统原理图。
图11为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图10，基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统，包括生态工程体系、汊渗轮灌体系；其中：
所述的生态工程体系包括翻板闸、雍水坝、生态闸、阻水堤和抽水泵，首先，在主河道上间隔性修建翻板闸或雍水坝、阻水堤，以抬高河道内水位，通过河岸边的生态闸将水引入主河道外的沟道中；其次，在沟道中修建节制闸，抬升沟道内水位，实现沟道内植被的漫灌、渗灌、轮灌和汊河引水；再次，对汊河内植被进行渗灌和轮灌，从而抬升整个分区内的地下水位；最后，对于地势相对较高的区域，通过移动式低水头的小型泵站中的抽水泵进行汊渗轮灌；
所述的汊渗轮灌体系包括河道中的自然沟道和汊河；利用闸-堤-坝-泵生态工程和自然沟道、汊河营造生态引水、汊河漫溢、地表下渗、地下藏水、轮番(期)灌溉的灌溉新局面；
基于流域内现有的遥感数据以及长期监测获得的地表水、地下水、土壤水和植被监测样方资料，在流域内现有生态工程的基础上通过修建闸-堤-坝-泵工程形成联合调控措施；
参见图11，基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统的构建方法，包括以下步骤：
步骤1，构建汊渗轮灌系统；具体做法是：
通过数据收集、现场调研、文献查阅和已有研究成果的汇总，分析流域干流河岸林地的类型和分布特征，根据植被的分布特征和物候规律构建闸-堤-坝-泵联合调控的状输水方式；在沟道和汊河形成先漫灌、再渗灌、后轮灌的陆生植被生态灌溉方式；
步骤2，构建生态修复系统试验区，具体做法是：
步骤2.1，选定试验区，选取植被分布均匀、长势较为良好且主河道畅通，自然河沟、汊河分布均匀的河段作为沟汊渗灌试验区；
步骤2.2，清理自然状态河道，选取试验区内荒废的主河沟、闸门，对其进行清淤，维修，使主河沟、闸门重新投入使用，从而为后续的面状输水提供条件；
步骤2.3，测定试验区的高程信息，对较高的自然沟道、汊河修建低扬程、可移动式泵站，确保面状输水效果的实施；
步骤2.4，确定天然汊河、河沟的地理位置以及平面布置；在主河道输水方式前提下，通过修建翻板闸、雍水坝、阻水堤抬升水位；通过沟道、汊河形成面状输水的新方式，将输水量反复、持续消耗在河道沿程，最后根据植被的生长习性，实施分区轮灌，提高沿程植被对水分的利用率，达到以耗用最少的水资源，实现最佳的生态恢复效果；
步骤3，通过汊渗轮灌效果反馈修正生态修复系统，具体做法是：
步骤3.1，根据灌溉范围以及分区规划需水要求，设置闸门启闭以及合理安排沟道、汊河输水，形成先沟道渗灌再汊河渗灌，后分区轮番(期)灌溉的面状输水局面；
步骤3.2，在采用沟道、汊河、面状输水的同时，进一步优化布局生态闸，疏通延伸自然沟道、汊河，一方面可以扩大天然植被受水面积，另一方面通过沟道渗灌、汊河渗灌迅速补给地下水，建立起地下生态水银行，改善植被生境条件，提高生态系统的质量和稳定性，利用这种方法，在丰水年景可以将大量的水储藏到地下，供天然植被长期利用；
步骤3.3，由监测获得历年实时调度运行和的汊渗轮灌的实时观测数据，对比分析生态调度与汊渗轮灌前后胡杨的郁闭度、冠幅、树轮径向生长量、年新增生物量以及地下水位、土壤含水量，量化和评估生态调度与汊渗轮灌的效果，分析植被需水、灌溉需耗水与生态需供水之间的关系，揭示汊渗轮灌的耗水量与生态调度的供水量之间的响应规律，通过水分对根系进行诱导发育，使植被恢复响应达到最优状态；
步骤3.4，利用遥感数据获取的归一化植被指数确定植被的空间分布和盖度，通过区域设置的地下水、地表水、土壤水监测断面、植被监测样方和生态指标，合理确定灌溉次数及灌溉时间，反馈修正生态修复系统，通过调查现有生态供水工程的布局特点和引水能力，结合各灌溉单元分区生态保护与修复的用水目标，分区轮灌，以耗水最少，生态恢复效果最优为原则给出闸、坝、堤、泵生态供水工程的合理布局方案以及不同来水情况下的灌区最优配水方案。
实施例1
基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统的构建方法，包括以下步骤：
塔河在“四源一干”共规划了“14库64级”梯级开发方案，水库总库容占四源流多年平均总径流的46％，基于塔河流域组成的四源一干水系格局(图1)，建立闸-堤-坝-泵联合调控措施，解决流域水资源综合利用问题。
提出汊渗轮灌的定义、对象、目标、内涵以及灌溉模式，汊渗轮灌系统，构建汊渗轮灌的理论框架和体系。
定义：以西北荒漠区塔里木河干流河道的陆生植被胡杨为保护对象，通过大尺度生态调度和自然沟道、汊河上已修建的翻板闸、雍水坝、阻水堤、节制闸、抽水泵，构建“闸-堤-坝-泵”联合调控的“双河道+沟汊”面状输水方式，根据河道生态系统的需水要求，在沟道和汊河形成先漫灌、再渗灌、后轮灌的适时、适量、适度的陆生植被生态灌溉方式，称之为汊渗轮灌；
对象：以地处我国西北干旱荒漠区最大的内陆河流塔里木河流域干流河道的保护性陆生植被胡杨为研究对象；
目标：将西北荒漠区有限的、宝贵的生态水量最大限度的用于保护性植被以及河道生态系统的修复，获得最佳的生态保护和修复效果；
内涵：引、漫、渗、藏、轮
引：通过生态闸、低水头可移动式泵站、自然沟道和汊河的引水灌溉方式，实现沟汊的面状生态引水
漫：在自然沟道和汊河内形成大水漫溢的灌溉方式，催生植被着床、萌芽与生长
渗：由沟道和汊河的面状生态输水方式，通过地表水下渗的渗灌方式，维持植被良好的生存条件
藏：通过面状生态输水抬高地下水位，藏水于地下、构建地下水银行，以减少无效蒸发，提高生态水量的利用效率
轮：依据耐旱性植被胡杨的物候特征和地下水位情况，对保护性植被胡杨进行选择性地休灌、轮灌
灌溉模式：在塔里木河下游其文阔尔河与老塔里木河河道形成的两河区域，通过大尺度生态调度塑造“双河道+沟汊”的面状生态输水方式，联合翻板闸、雍水坝、阻水堤、抽水泵工程措施，依据河道保护性植被的需耗水过程以及河道生态系统恢复与保护的优先顺序，在沟道和汊河形成先漫灌、再渗灌、后轮灌的适时、适量、适度的陆生植被生态灌溉模式。
汊渗轮灌系统：由塔里木河干流的生态调度塑造人工可控洪水过程，以河道内、河道外的翻板闸、雍水坝、阻水堤、低水头可移动式泵站和自然沟道、汊河为调控手段，提出闸-堤-坝-泵联合调控的灌溉模式，划分大水漫灌区、汊渗轮灌区和地下水补给区，确定汊渗轮灌的灌溉制度，构建基于闸-堤-坝-泵和沟道、汊河的汊渗轮灌系统。
根据遥感数据确定河干流河岸林地的类型和分布特征(图5)，以塔河干流典型的陆生植被胡杨作为塔河干流生态保护和生态调度的对象，根据胡杨的分布特征和物候规律，创新河道沟汊渗轮灌的新灌溉理念。
步骤1，构建汊渗轮灌系统；具体做法是：
根据遥感数据确定河干流河岸林地的类型和分布特征(图5)，研究区域植被类型主要以胡杨为主且沿河道分布。构建闸-堤-坝-泵联合调控的双河道+沟汊的面状输水方式；在沟道和汊河形成先漫灌、再渗灌、后轮灌的陆生植被生态灌溉方式；
步骤2，构建生态修复系统试验区，具体包括以下步骤：
步骤2.1，汊渗轮灌试验，在塔里木河下游其文阔尔河与老塔里木河河道形成的两河区域，选取昆阿斯特生态闸控制的河段为沟汊渗灌试验区(图6)。
该河段处于其文阔尔河与老塔里木河河道之间，已具有投入运行的生态闸和堵水坝以及众多自然沟道、汊河，区域内胡杨分布集中且空间异质性较强，是进行沟汊渗灌试验的理想场所，可以使面状输水效果最大化。
步骤2.2，沟汊渗灌单元分区及生态保护与恢复目标确定。据不同分区内的水分条件、植被分布，划分不同的生态保护或恢复区并明确其内涵(植物保护或恢复的范围、盖度、群落结构)。
初步可分三个区建立生态恢复空间结构①离河100m范围，分布着大量的胡杨幼林和近熟林，为核心修复区，地下水埋深2～4m，形成物种多样、乔灌草稳定的植被群落。②离河100～500m范围，以近熟和成熟的胡杨林为主，为重点保护区，地下水埋深4～6m，维持该区域物种多样性。③离河500m以外、地下水影响1km范围内，以成熟和过熟的胡杨林为主，为一般保护区，地下水埋深6～8m，小于胡杨枯亡胁迫阈值。
步骤2.3，清理自然状态河道，选取试验区内荒废的沟道、闸门，对其进行清淤，维修。以往塔河干流植被的灌溉以“大水漫灌”、“洪水淹灌”为主，导致蒸发增大，生态补偿效果差，且沟道、闸门久置不用导致沟道、闸门淤积，无法正常使用，因此通过清淤，维修，使沟道、闸门重新投入使用，从而为后续的面状输水提供条件。
步骤2.4，测定试验区的高程信息，对较高的天然汊河、河沟修建低扬程、可移动式泵站水利工程措施，确保面状输水效果的实施。目前，试验区内很多生态渠道由于泥沙淤积抬高闸前水位高程导致取水困难以致荒废，灌溉范围仅集中在河道两岸的低洼滩地和生态渠道延伸的有限地带，远离干流河道、地势高的绝大部分区域无法得到有效灌溉，导致生态供水量大但实际耗水率低、灌溉效果差、生态保护和修复目标难以实现，因此可以通过修建小型泵站和低水头发电装置来对沟道、汊河进行输水。
步骤2.5、确定天然汊河、河沟的地理位置以及平面布置。在双河道输水方式前提下，通过人工开沟，挖沟形成沟道、汊河输水面状输水的新方式(图8)，将输水量反复、持续消耗在河道沿程，以提高沿程植被对水分的利用率。
步骤3，具体包括以下步骤：
步骤3.1，根据灌溉范围以及分区规划需水要求，设置闸门启闭以及合理安排沟道、汊河输水，形成先沟道渗灌再汊河渗灌，后分区轮番(期)灌溉的面状输水局面。
初期可选择两个时段集中输水，即：①4—5月草本植物萌发及幼苗生长期，采用单通道输水，流量15m3/s水量0.8亿m3，水到达台特马湖，促进植被返青；②8—10月建群植物胡杨和柽柳集中落种繁育期，采用双通道、汊河、面状输水方式，流量30m3/s，水量2.7亿m3，在台特马湖形成合理水面。
步骤3.2，在集中输水的同时，可采用沟道、汊河面状输水，进一步优化布局生态工程措施(图9)，疏通延伸天然汊河，一方面可以扩大天然植被受水面积，另一方面通过沟道渗灌、汊河渗灌迅速补给地下水，建立起地下生态水银行，改善植被生境条件，提高生态系统的质量和稳定性；利用这种方法，在丰水年景可以将大量的水储藏到地下，供天然植被长期利用；
步骤3.3，由监测获得历年实时调度运行和的汊渗轮灌的实时观测数据，对比分析生态调度与汊渗轮灌前后胡杨的郁闭度、冠幅、树轮径向生长量、年新增生物量以及地下水位、土壤含水量，量化和评估生态调度与汊渗轮灌的效果，分析植被需水、灌溉需耗水与生态需供水之间的关系，揭示汊渗轮灌的耗水量与生态调度的供水量之间的响应规律，通过水分对根系进行诱导发育，使植被恢复响应达到最优状态；
步骤3.4，利用遥感数据获取的归一化植被指数确定植被的空间分布和盖度；通过区域设置的地下水、地表水、土壤水监测断面、植被监测样方和生态指标数据，合理确定灌溉次数及灌溉时间，反馈修正生态修复系统，通过调查现有生态供水工程的布局特点和引水能力，结合各灌溉单元分区生态保护与修复的用水目标，分区进行轮次灌溉，以耗水最少，生态恢复效果最优为原则确定轮次配水方案，提出闸-堤-坝-泵生态供水工程的合理布局方案以及不同来水情况下的灌区最优配水方案(图11)。
本发明的种基于汊渗轮灌的西北荒漠区河道生态修复系统构建方法的工作原理是：以西北荒漠区塔里木河干流河道的陆生植被胡杨为保护对象，通过大尺度生态调度和自然沟道、汊河已修建的翻板闸、雍水坝、阻水堤、生态闸、节制闸、分水闸、抽水泵，构建闸-堤-坝-泵联合调控的“双河道+沟道+汊河”面状输水方式，将输水量反复、持续消耗在河道沿程，将西北荒漠区有限的、宝贵的生态水量最大限度的用于保护性植被以及河道生态系统的修复，获得最佳的生态保护和修复效果。
