額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)水文情勢(shì)變化影響分析及生態(tài)修復(fù)建議

姜旭新，黃 婧，張 巖，李繼清

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000；2.華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

在我國(guó)降水時(shí)空分布不均勻的背景下，水資源是制約各城市及地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。修建水利工程能有效降低流域洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率，使得水資源得到合理的分配及利用，但也會(huì)在一定程度上引起水體質(zhì)量、泥沙淤積規(guī)律、水系連通性等天然水文情勢(shì)的變化[1,2]，引發(fā)河道斷面形態(tài)改變[3]、河谷植被退化[4]、水生生物正常生命周期受影響[5, 6]、生物多樣性下降[7]等問(wèn)題，危及流域河流健康及生態(tài)系統(tǒng)安全。水文情勢(shì)變化作為流域生態(tài)改變的主要驅(qū)動(dòng)因素之一[8]，對(duì)其進(jìn)行分析是保障水利工程穩(wěn)定發(fā)揮作用，促進(jìn)人與自然和諧共處的前提。

為定量評(píng)價(jià)流域水文情勢(shì)改變度，Richter B. D.[9]從總量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和變化率5個(gè)方面提出32個(gè)指標(biāo)，建立水文改變指標(biāo)體系(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)。彭少明等人[10]對(duì)黃河上游IHA指標(biāo)進(jìn)行分析，認(rèn)為水庫(kù)運(yùn)行是造成蘭州水文情勢(shì)變化的主要原因，為維護(hù)生態(tài)健康，建議上游水庫(kù)提高漲水期和洪水期下泄流量并增加高流量事件。Brian R.等人[11]在IHA的基礎(chǔ)上，以保護(hù)水生生物多樣性和流域生態(tài)功能為目標(biāo)提出變動(dòng)范圍法(Rang of Variability Approach，RVA)，用于計(jì)算32個(gè)IHA指標(biāo)及整體變化程度。唐玉蘭等人[12]應(yīng)用IHA-RVA方法對(duì)渾河流域撫順至沈陽(yáng)段水文情勢(shì)變化程度進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)修建閘壩沒(méi)有達(dá)到預(yù)期削峰補(bǔ)枯效果，反而對(duì)河流健康造成了不利影響。郭文獻(xiàn)等人[13]基于IHA-RVA方法對(duì)三峽水庫(kù)下游河段水文情勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)宜昌站屬于中度改變，32個(gè)IHA指標(biāo)中流量下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)受影響最大，建議在水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行中進(jìn)行適度還原。IHA-RVA法適用性強(qiáng)，僅需要依據(jù)流量、水位等基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)即可評(píng)估流域水文改變度[14]，常用于流域水文情勢(shì)評(píng)估[15]、生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估[16]、生態(tài)環(huán)境流量估算[17, 18]等方面。

額爾齊斯河是保障阿勒泰地區(qū)、天山北坡經(jīng)濟(jì)帶國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為重要的水源地。受水利工程建設(shè)、濫墾濫伐、超載放牧等影響，額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)已出現(xiàn)天然林草向荒漠化植被演變、生態(tài)系統(tǒng)生物多樣下降等問(wèn)題[19]。為保障新疆北部經(jīng)濟(jì)發(fā)展，本研究利用IHA-RVA方法對(duì)額爾齊斯河流域布爾津水文站水文情勢(shì)變化程度進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)分析了IHA指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)間的關(guān)系，為制定修復(fù)和保護(hù)額爾齊斯河河谷生態(tài)系統(tǒng)的水利工程調(diào)度運(yùn)行方案提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

額爾齊斯河是新疆第2大河流，發(fā)源于阿爾泰山南坡，在我國(guó)境內(nèi)干流河長(zhǎng)633 km，自東向西依次有庫(kù)依爾特斯河、卡依爾特斯河、喀拉額爾齊斯河、克蘭河、布爾津河、哈巴河、別列則克河匯入，流域面積約5.25 萬(wàn)km2，多年平均地表水資源量111 億m3，經(jīng)哈薩克斯坦和俄羅斯后匯入鄂畢河。徑流以冰雪融水補(bǔ)給為主、降雨補(bǔ)給為輔，5-8月徑流量占全年徑流量的80%。額爾齊斯河流域水資源相對(duì)豐富，但時(shí)空分布不平衡，為保障阿勒泰地區(qū)生產(chǎn)生活、生態(tài)及天山北坡經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展用水需求，在額爾齊斯河流域先后修建大中型和生態(tài)水利工程40多個(gè)，其中包括7座骨干水庫(kù)，25座生態(tài)閘和7條牧業(yè)大渠，骨干水庫(kù)群及供水工程參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，位置見(jiàn)圖1。

表1 研究區(qū)工程概況Tab.1 Survey of the research area project

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Survey of the research area

受特殊的地形地貌和氣候影響，自LSW水庫(kù)起，額爾齊斯河干支流2岸的河漫灘和I級(jí)階地上，分布著具有重要價(jià)值的河谷次生林和優(yōu)良的河谷草甸草場(chǎng)，形成了獨(dú)特的額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)。其中，以楊柳科樹(shù)種為建群的林地有“中國(guó)野生楊樹(shù)基因庫(kù)”之稱；同時(shí)，也是“三北”防護(hù)林的重要組成部分，在涵養(yǎng)水源、防止沿岸水土流失及風(fēng)蝕沙侵、調(diào)節(jié)河谷氣候、保護(hù)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等方面起著極其重要的作用?？瓶颂K濕地位于額爾齊斯河與克蘭河交匯的三角地帶，是草上產(chǎn)卵魚(yú)類最佳的繁殖、育肥場(chǎng)地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，額爾齊斯河流域分布有28種魚(yú)類，隸屬于6目9科23屬，其中特有魚(yú)種有哲羅魚(yú)、北鮭、北極茴魚(yú)、白斑狗魚(yú)、丁魚(yú)歲、阿勒泰魚(yú)歲、貝加爾雅羅魚(yú)、高體雅羅魚(yú)、金鯽以及阿勒泰杜父魚(yú)等。此外，因苛苛濕地地處阿爾泰山脈與古爾班通古特大沙漠之間，是鳥(niǎo)類南北遷徙的停歇地和中轉(zhuǎn)站。因LSW水庫(kù)以下為額爾齊斯河流域河谷林草主要分布區(qū)，且科克蘇濕地為新疆省級(jí)保護(hù)區(qū)，選取水文系列較長(zhǎng)、能綜合反映河谷生態(tài)系統(tǒng)水文情勢(shì)改變對(duì)環(huán)境影響的布爾津水文站為代表站。

2 水文情勢(shì)改變度計(jì)算方法

水利工程的建設(shè)為額爾齊斯河流域及天山北坡經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展提供了保障，但在濫墾濫伐、超載放牧等因素綜合作用下，額爾齊斯河流域林地面積以0.142 萬(wàn)hm2/a、草地面積以0.031 萬(wàn)hm2/a的速度，呈現(xiàn)出大面積衰退趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性持續(xù)下降。額爾齊斯河流域水利工程眾多，骨干水庫(kù)群間存在著較為復(fù)雜的混聯(lián)關(guān)系，IHA-RVA方法適用性強(qiáng)，能夠揭示出水文情勢(shì)變化與生態(tài)環(huán)境改變間的關(guān)系，為制定修復(fù)和保護(hù)額爾齊斯河河谷生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境的水利工程調(diào)度運(yùn)行方式提供參考。

2.1 IHA指標(biāo)

IHA指標(biāo)是依據(jù)基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)而得到的32個(gè)指標(biāo)值，依據(jù)水文條件的總量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和變化率特征分為5組，見(jiàn)表2。

表2 IHA指標(biāo)體系Tab.2 IHA indicator system

注：①基流指數(shù)為年最小連續(xù)7 d流量與年平均流量之比；②增加率、減少率為相鄰兩日流量間的平均流量增加率、減少率；③逆轉(zhuǎn)次數(shù)為河流日流量由增加變?yōu)闇p少或由減少變?yōu)樵黾拥拇螖?shù)。

2.2 RVA方法

RVA方法用于評(píng)估流域水文情勢(shì)改變前后IHA指標(biāo)的變化程度。設(shè)置IHA指標(biāo)受影響程度需以流域生態(tài)資料為依據(jù)，在資料缺乏情況下，可以各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)偏差或指標(biāo)發(fā)生幾率75%、25%作為各指標(biāo)的上、下限值，稱為RVA閾值。單個(gè)IHA指標(biāo)的水文情勢(shì)改變度Di計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Noi為第i個(gè)IHA指標(biāo)在水利工程建設(shè)后落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù)；Ne為假定水利工程建設(shè)后IHA指標(biāo)仍落在RVA閾值內(nèi)的年數(shù)，可用rNT來(lái)表示，其中r為受干擾前IHA指標(biāo)落入RVA閾值內(nèi)的比例，若以各IHA指標(biāo)的75%及25%作為RVA閾值，則r=50%；NT為受干擾后序列總年數(shù)。

為綜合評(píng)估流域水文變化程度，采用整體水文改變度Do來(lái)表示：

(2)

為客觀判斷各IHA指標(biāo)及流域整體水文情勢(shì)變化程度，將水文情勢(shì)改變度判斷標(biāo)準(zhǔn)列于表3。

表3 水文情勢(shì)改變度判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Judging criteria for hydrological regime change

3 結(jié)果及分析

采用布爾津水文站1956-1989年(1962、1963、1965、1976和1977年缺測(cè))及2001-2005年的日流量數(shù)據(jù)，通過(guò)IHA-RVA方法評(píng)估河谷生態(tài)系統(tǒng)水文情勢(shì)改變度。其中，以1956-1989年數(shù)據(jù)資料為水文情勢(shì)受影響前狀況，統(tǒng)計(jì)各IHA指標(biāo)的年變化值，并以各指標(biāo)發(fā)生幾率75%、25%作為RVA的閾值；以2001-2015年數(shù)據(jù)資料為受影響后狀況，統(tǒng)計(jì)各IHA指標(biāo)落入RVA閾值的年數(shù)，計(jì)算各IHA指標(biāo)的水文情勢(shì)改變度。受水文情勢(shì)變化影響前后BEJ水文站各IHA指標(biāo)值及RVA閾值見(jiàn)圖2。

圖2 受影響前后布爾津水文站各IHA指標(biāo)值及RVA閾值Fig.2 IHA index value and RVA threshold of Buerjin hydrological station before and after impact 注：縱軸為不等比例刻度軸，共包含-5～7.5、7.5～50和50～800共3種刻度比例。

由圖2可知，額爾齊斯河流域5-8月平均流量及年最大1、3、7、30、90日平均流量變化較大，證明水利工程的建設(shè)對(duì)流域豐水期及大洪水過(guò)程存在一定的削減。為進(jìn)一步評(píng)估各IHA指標(biāo)的變化程度，計(jì)算各指標(biāo)水文改變度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 布爾津水文站IHA指標(biāo)水文情勢(shì)改變度Fig.3 IHA index hydrological change degree of Buerjin hydrological station

由圖3可知，32個(gè)IHA指標(biāo)中，有7個(gè)指標(biāo)屬于中度改變，分別為3、5月平均流量，年最小3、7、30 d平均流量，逆轉(zhuǎn)次數(shù)；有5個(gè)指標(biāo)屬于高度改變，分別為7、8月平均流量，基流指數(shù)，低流量脈沖次數(shù)和高流量脈沖次數(shù)。可計(jì)算出額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)整體水文情勢(shì)改變度為37.08%，屬于中度改變。綜合考慮圖2和圖3中布爾津水文站IHA指標(biāo)變化情況，可發(fā)現(xiàn)水文情勢(shì)變化對(duì)額爾齊斯河流域河谷生態(tài)影響有利有弊。依據(jù)IHA指標(biāo)分組，分析如下。

3.1 月平均流量值變化影響

月平均流量值的改變將直接影響流域水源豐富度和水體質(zhì)量[20]。12個(gè)月平均流量值中，額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)有4個(gè)達(dá)到中度及以上改變水平，見(jiàn)表4。

4-6月為額爾齊斯河流域魚(yú)類繁殖期，3月平均流量的增加將導(dǎo)致河道內(nèi)水體溫度提前升高、溶解氧含量增加，干擾魚(yú)類等水生生物正常生命周期。5、7、8月平均流量被大幅度削減，雖能達(dá)到削峰補(bǔ)枯、綜合利用水資源的目的，但5-7月正值

表4 額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)月平均流量值改變情況Tab.4 Changes in monthly mean flow values of the Irvine River Basin valley ecosystem

河谷生態(tài)系統(tǒng)林草的開(kāi)花、結(jié)實(shí)、漂種和展葉期，其需水主要依靠地下水、洪水漫灌補(bǔ)給，大幅削減5月和7月平均流量將造成地下水補(bǔ)給不足、林木死亡率升高、地表草類生長(zhǎng)量衰減、病蟲(chóng)危害加重等問(wèn)題，最終導(dǎo)致河谷生態(tài)系統(tǒng)天然林草向荒漠化植被演化。此外，5-8月為天然狀況下流域豐水期，大幅削減此期間徑流量不僅會(huì)導(dǎo)致河道整體水質(zhì)下降，增加野生生物飲水難度，更會(huì)因減少蒸發(fā)量對(duì)河谷生態(tài)系統(tǒng)氣候產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。

3.2 年水文極值變化影響

年最小1、3、7、30、90 d平均流量及基流指數(shù)是表征流域徑流年內(nèi)分配情況的主要特征參數(shù)，額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)4個(gè)年水文極值達(dá)到中度及以上改變水平，見(jiàn)表5。

表5 額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)年水文極值改變情況Tab.5 Annual hydrological extremum changes of the Irvine River Basin valley ecosystem

年最小3、7、30 d平均流量的中度減小，表明建設(shè)水利工程將加劇額爾齊斯河流域徑流年內(nèi)分配的不均勻性。枯水期河道流量的減小，無(wú)疑將使得河谷生態(tài)系統(tǒng)生物用水需求難以滿足，導(dǎo)致河谷草甸草場(chǎng)面積縮小，無(wú)法向牲畜提供越冬補(bǔ)充飼料，破壞畜牧業(yè)生產(chǎn)，加劇沿岸水土流失和風(fēng)蝕沙侵情況。

3.3 高、低流量脈沖頻率及歷時(shí)和水流條件變化率及頻率變化影響

高、低流量脈沖是塑造河道形態(tài)、向流域內(nèi)生物傳遞水文節(jié)律信息的關(guān)鍵因素[21]，額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)高、低流量脈沖頻率及歷時(shí)和水流條件變化率及頻率改變程度見(jiàn)表6。

水利工程的建設(shè)增加了額爾齊斯河徑流高、低流量脈沖發(fā)生次數(shù)，有助于提高河道與河漫灘間連通性，為魚(yú)類繁衍提供棲息地條件。但高、低流量脈沖發(fā)生次數(shù)的增加勢(shì)必會(huì)引起逆轉(zhuǎn)次數(shù)的增加。逆轉(zhuǎn)次數(shù)會(huì)對(duì)水體理化特征產(chǎn)生長(zhǎng)期影響，是清除外來(lái)物種、促使生物進(jìn)化的主要影響因素。因此，需將高、

表6 額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)高、低流量脈沖頻率及歷時(shí)和水流條件變化率及頻率改變情況Tab.6 High and low flow pulse frequency and duration and flow condition change rate and frequency change of the Irvine River Basin valley ecosystem

低流量脈沖發(fā)生次數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致水體理化特征變化頻繁、河道形態(tài)變化過(guò)大等問(wèn)題，引起水生生物、特別是無(wú)脊椎動(dòng)物物種豐富度下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

額爾齊斯河流域降水稀少，徑流年內(nèi)分布不均衡，林草的生長(zhǎng)主要依靠地下水、河道徑流側(cè)滲、洪水漫灘下滲補(bǔ)給，而水生生物繁衍則依靠洪水脈沖傳遞水文節(jié)律信息。本研究基于IHA-RVA方法對(duì)LSW斷面以下，布爾津水文站水文情勢(shì)改變度的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)受水利工程建設(shè)、濫墾濫伐、過(guò)度放牧等因素的綜合影響，額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)整體水文情勢(shì)改變度已達(dá)到中度改變。為修復(fù)和保護(hù)額爾齊斯河流域河谷生態(tài)系統(tǒng)，充分發(fā)揮水利工程作用，促進(jìn)阿勒泰地區(qū)及天山北坡經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)各水利工程應(yīng)下泄一定生態(tài)流量，以保證流域內(nèi)生物用水需求，且生態(tài)流量的制定應(yīng)遵循天然狀態(tài)下流域豐、平、枯水期規(guī)律。豐水期(5-8月)應(yīng)下泄較大生態(tài)流量，以緩解水利工程建設(shè)對(duì)流域水源豐富度及水體質(zhì)量造成的不利影響。

(2)4-6月為魚(yú)類繁殖期，為保證洄游性魚(yú)類順利到達(dá)產(chǎn)卵場(chǎng)，各水利工程除應(yīng)布設(shè)相應(yīng)過(guò)魚(yú)設(shè)施外，還應(yīng)將高、低流量脈沖發(fā)生次數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，避免影響魚(yú)類及其他水生生物正常生命周期。

(3)5-7月為河谷林草生長(zhǎng)期，洪水漫灘淹灌是保證其良性發(fā)展的基礎(chǔ)，各水利工程應(yīng)相互配合進(jìn)行生態(tài)淹灌調(diào)度，即各水利工程應(yīng)加大下泄流量，形成人造洪水，對(duì)林草地進(jìn)行淹灌，對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)充。

隨著天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，額爾齊斯河流域需修建更多水利工程以保證其用水需求，這勢(shì)必會(huì)對(duì)流域水文情勢(shì)及河谷生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境造成影響。額爾齊斯河流域各水利工程除應(yīng)依據(jù)考慮生態(tài)需求的調(diào)度方案運(yùn)行外，更應(yīng)相互配合進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償調(diào)度，以保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。

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