基于1960-2018年實(shí)測(cè)徑流與水文學(xué)方法的開(kāi)都河生態(tài)流量分析

季小兵，馬玉其，王新友，楊疆衛(wèi)，朱成剛

(1.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人類對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用需求與強(qiáng)度日益增大，大規(guī)模的水土開(kāi)發(fā)、攔河筑壩和修建水庫(kù)等水利工程顯著地改變了河流的自然水文過(guò)程與水文情勢(shì)[1-2]，日益增大的河流水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度常常造成河流下游徑流減少，河道斷流干涸，河流及沿河生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題[3-5]。研究顯示，水資源不合理地開(kāi)發(fā)已經(jīng)導(dǎo)致全球近1/3河流生態(tài)系統(tǒng)退化[6]。越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)普遍認(rèn)同在水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中確定維持河流生態(tài)健康的生態(tài)流量勢(shì)在必行[7]。河流生態(tài)流量涉及的概念較多，國(guó)內(nèi)使用較多的包括“生態(tài)基流”、“生態(tài)需水”、“最小生態(tài)需水量”、“生態(tài)環(huán)境需水量”等[8]，從20世紀(jì)70年代提出相關(guān)概念，至90年代，伴隨國(guó)內(nèi)水生態(tài)、水環(huán)境問(wèn)題日益突出而逐漸成為水文水資源和水生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9]。國(guó)外相關(guān)研究涉及的概念有環(huán)境流量(environmental flow)[10]、最小可接受流量(minimum acceptable flow)、枯水期流量(low flow)、最小流量(minimum flow)和基本生態(tài)需水(basic ecological water requirement)等[9,11-12]。生態(tài)流量的確定已經(jīng)成為水資源開(kāi)發(fā)利用及調(diào)度管理的重要基礎(chǔ)工作與亟需解決的問(wèn)題之一[13]。其常常關(guān)系到河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)[14]和灌區(qū)供水保障[15]，并與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切[16-17]，與河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所依托的自然生態(tài)系統(tǒng)健康直接相關(guān)。

開(kāi)都河是我國(guó)最大的地州行政區(qū)——新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)最大的一條河流，提供了巴音郭楞自治州北四縣(和靜、焉耆、和碩、博湖)灌區(qū)、博斯騰湖濕地及經(jīng)博斯騰湖出流后的孔雀河流域綠洲灌區(qū)的主要水資源，多年平均出山口徑流量為35.22×108m3，開(kāi)都河出山口河段區(qū)域位置及周邊水系分布見(jiàn)圖1。開(kāi)都河水量理論上占博斯騰湖入湖水量的84%，但是由于流域中包括黃水溝、清水河、曲惠溝等諸小河流相繼斷流無(wú)水入湖，目前開(kāi)都河基本提供了全部的入湖水量。此外，作為新疆水能集中分布且水利水電發(fā)展條件優(yōu)越的河流，開(kāi)都河中游山區(qū)峽谷段目前已經(jīng)規(guī)劃和建設(shè)的水電站有11級(jí)，已建成6級(jí)電站。開(kāi)都河流域?yàn)榻z綢之路經(jīng)濟(jì)帶新疆核心區(qū)中部通道的重要節(jié)點(diǎn)，其自然資源的可持續(xù)利用與生態(tài)系統(tǒng)的健康直接關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展和國(guó)家重大戰(zhàn)略的順利實(shí)施。然而，在全球氣候變化的背景下，干旱區(qū)內(nèi)陸河流域極端水文事件發(fā)生頻率增加，山區(qū)來(lái)水波動(dòng)增大，水資源保障不確定性加強(qiáng)[18-19]。加之人類水電開(kāi)發(fā)與水利工程建設(shè)活動(dòng)的干擾等，開(kāi)都河在2012-2014年流域偏枯年份曾一度多次斷流，累計(jì)斷流時(shí)間超過(guò)100 d，位于開(kāi)都河尾閭的我國(guó)最大內(nèi)陸淡水湖——博斯騰湖水位也一度跌破最低控制水位1 045.00 m，給流域水生態(tài)造成嚴(yán)重影響。明確開(kāi)都河生態(tài)流量，特別是枯水期的生態(tài)需水量，對(duì)于保障河流水生態(tài)健康、服務(wù)并支撐流域水資源可持續(xù)利用與管理、保障區(qū)域水安全具有重要意義。

圖1 開(kāi)都河出山口河段區(qū)域位置及周邊水系分布

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的徑流數(shù)據(jù)為開(kāi)都河大山口水文站的實(shí)測(cè)值，大山口水文站為開(kāi)都河出山口水量監(jiān)測(cè)控制站，地理坐標(biāo)為85°44′E、40°13′N，屬國(guó)家重點(diǎn)水文站，建站于1956年6月，監(jiān)測(cè)至今，本次所用徑流數(shù)據(jù)系列為1960-2018年。

2.2 研究方法

當(dāng)前針對(duì)河流生態(tài)流量的研究方法較多，歸納起來(lái)主要包括水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生態(tài)棲息地模擬法和整體分析法等[8,20]。其中水文學(xué)方法是基于河流實(shí)測(cè)徑流資料確定生態(tài)流量的一類方法，這類方法種類最多，常用的有Tennant法、Qp法(P=95%或90%)、NGPRP法、流量歷時(shí)曲線法、最枯月流量法、7Q10法、Texas法、最小月平均流量法，典型水文頻率年法等等，其中Tennant法與Qp法在國(guó)內(nèi)生態(tài)流量研究中應(yīng)用較多，并且?；诙喾N方法進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比研究[5,21-22]。本研究參照已有研究基礎(chǔ)[23]，基于多年徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Tennant法、典型水文頻率年法、最枯月平均流量法和Qp法4種水文學(xué)方法計(jì)算分析開(kāi)都河的生態(tài)流量。

(1)Tennant法。Tennant法又稱為Montana法[24]，是非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法，也是國(guó)內(nèi)外分析河流生態(tài)流量常用的水文學(xué)方法。依據(jù)Tennant法的研究結(jié)果，河流流量的10%是保障多數(shù)水生生物生存所須的最小流量，當(dāng)河流流量達(dá)到多年平均流量的30%時(shí)，水生生物擁有非常好的生境。國(guó)家環(huán)?？偩?006年發(fā)布的《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過(guò)魚(yú)設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行)》也明確提出河流生態(tài)基流下限不得小于多年平均天然徑流量的10%。在采用Tennant法進(jìn)行生態(tài)流量分析的研究中，通常在河流秋、冬季采用徑流量的10%作為河流的生態(tài)流量，春、夏季考慮到魚(yú)類產(chǎn)卵育幼期，一般采用徑流量的30%綜合確定河流的生態(tài)流量。

(2)典型水文頻率年法。典型水文頻率年法是依據(jù)多年實(shí)測(cè)徑流距平百分率法對(duì)河流的豐枯年類型進(jìn)行劃分[25]，相關(guān)計(jì)算公式為：

(1)

式中：E為水文站實(shí)測(cè)徑流的距平百分率，%；Qi為第i年的徑流量，108m3；Qn為斷面多年平均徑流量，108m3。

表1為依據(jù)《水文基本術(shù)語(yǔ)和符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50095-2014)[26]的豐、平、枯年型劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水文豐、平、枯年型劃分標(biāo)準(zhǔn)

由表1所列劃分標(biāo)準(zhǔn)，選擇距平百分率-20%的枯水年為典型年，以所選擇的典型年最低的月流量作為開(kāi)都河研究斷面的生態(tài)流量。

(3)最枯月平均流量法。該方法計(jì)算公式為：

(2)

式中：W為河流最小生態(tài)水量，108m3；Qij為第i年第j月河流的平均流量，m3/s；T為時(shí)間，s，取值為T(mén)=31.54×106s；n為年數(shù)，一般采用近10年最枯月平均流量平均值[23,27]。

(4)Qp法。Qp法也稱保證率法，國(guó)內(nèi)外研究中常常采用90%或者95%保證率的水文年最小月平均流量為標(biāo)準(zhǔn)確定河流生態(tài)流量。Qp法多用于開(kāi)發(fā)利用程度較高的河流，分析計(jì)算需要研究河流有較長(zhǎng)序列的水文實(shí)測(cè)資料[28]。

3 結(jié)果與分析

3.1 開(kāi)都河徑流特征

圖2為1960-2018年開(kāi)都河大山口水文站流量及徑流變化特征；表2為開(kāi)都河大山口水文站不同階段的平均徑流量及距平變化特征。

基于開(kāi)都河大山口水文站1960-2018年的多年徑流數(shù)據(jù)可知，開(kāi)都河多年平均徑流量為35.22×108m3。由圖2(a)可知，開(kāi)都河出山口徑流呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，1960-2018年間，大山口水文站徑流量以1.422×108m3/10a的速率遞增。

分析圖2(b)及表2，可劃分出1960-2018年開(kāi)都河徑流年際豐枯變化特征：偏枯水年(1960-1962年)，平水年(1963-1964年)，偏枯水年(1965-1968年)，豐水年(1969-1973年)，偏枯水年(1974-1995年)，豐水年(1996-2011年)，偏枯水年(2012-2014年)，2015年至今，開(kāi)都河逐步進(jìn)入豐水階段。

表2 開(kāi)都河大山口水文站不同階段的平均徑流量及距平變化特征

由圖2(c)可知，4-9月為每年中流量最大、來(lái)水最多的時(shí)段，各月多年平均流量均在100 m3/s以上(平均流量為162.30 m3/s)，該時(shí)段相應(yīng)的徑流量多年平均值為25.72×108m3；7月份流量最大，多年月平均流量達(dá)到212.57 m3/s，相應(yīng)的7月份多年月平均徑流量為5.69×108m3；10-翌年3月為年內(nèi)相對(duì)枯水月份，多年月平均流量為62.81 m3/s，該時(shí)段相應(yīng)的徑流量多年平均值為9.50×108m3，每年2月徑流量最小，多年月平均徑流量為1.23×108m3。

圖2 1960-2018年開(kāi)都河大山口水文站流量及徑流變化特征

3.2 基于不同方法的開(kāi)都河生態(tài)流量計(jì)算

(1)基于Tennant法的生態(tài)流量計(jì)算。Tennant法一般選擇河流出山口監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，且具有多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。開(kāi)都河大山口監(jiān)測(cè)斷面完全符合Tennant法的使用條件。通過(guò)對(duì)大山口水文站月流量數(shù)據(jù)分析，開(kāi)都河每年的4-9月及10-翌年3月分別為年內(nèi)豐水期和枯水期，對(duì)應(yīng)流域的魚(yú)類產(chǎn)卵育幼期和一般用水期?？紤]到開(kāi)都河出山口以上建有多座梯級(jí)水電站，且開(kāi)都河大山口至博斯騰湖段的河損較大，因此，本研究將10-翌年3月的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)提高到多年平均流量的20%，而開(kāi)都河的4-9月涵蓋了魚(yú)類產(chǎn)卵育幼期的敏感時(shí)期，因此生態(tài)流量取多年平均流量的30%。計(jì)算得到開(kāi)都河大山口斷面10-翌年3月的生態(tài)流量應(yīng)平均不小于15.60 m3/s，對(duì)應(yīng)此階段下泄的生態(tài)水量應(yīng)不少于2.47×108m3；大山口 4-9月的生態(tài)流量應(yīng)平均不小于46.15 m3/s，相應(yīng)下泄的生態(tài)水量應(yīng)不少于7.30×108m3。

(2)基于典型水文頻率年法的生態(tài)流量計(jì)算。利用開(kāi)都河流域大山口水文站1960-2018年平均徑流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出每年的距平百分率，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)表1所示標(biāo)準(zhǔn)，可以將計(jì)算時(shí)段各年份按豐水年、平水年和枯水年進(jìn)行劃分，其中，1974、1977、1986年為特枯水年，1971、1998-2002、2006-2011年和2016年至今為豐水年，其余年份為平水年和偏枯年。1986年的距平百分率為-29.54%，為記錄以來(lái)的最枯年，年徑流量?jī)H為24.63×108m3。選取1986年中最枯月2月的流量37 m3/s作為最小生態(tài)流量，以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算生態(tài)流量所對(duì)應(yīng)的全年基本生態(tài)環(huán)境需水量為11.67×108m3。

表3 基于開(kāi)都河大山口水文站1960-2018年徑流數(shù)據(jù)的豐、平、枯年型劃分及保證率

(3)基于最枯月平均流量法的生態(tài)流量計(jì)算。表4為開(kāi)都河大山口斷面2009-2018年最枯月及其相應(yīng)月平均流量統(tǒng)計(jì)。由表4可知，近10年開(kāi)都河大山口最枯月流量在1月份出現(xiàn)了6次，2和12月各出現(xiàn)2次，近10年開(kāi)都河最枯月平均流量為45.54 m3/s，以此作為開(kāi)都河大山口的生態(tài)流量，對(duì)應(yīng)的最小下泄生態(tài)水量為14.36×108m3。

表4 2009-2018年開(kāi)都河最枯月及其月平均流量

(4)基于Qp法的生態(tài)流量計(jì)算。表3為基于大山口水文站1960-2018年徑流數(shù)據(jù)的豐、平、枯年型劃分及保證率統(tǒng)計(jì)。

采用90%保證率的Qp法進(jìn)行分析，由表3可看出1985年(P=89.7%)是頻率最接近90%的典型年份，該年份最小流量值出現(xiàn)在1月，為33.2 m3/s，以該流量作為Qp法確定的生態(tài)流量，相應(yīng)的開(kāi)都河年基本生態(tài)環(huán)境需水量為10.47×108m3。

3.3 開(kāi)都河生態(tài)流量的確定及其滿足度評(píng)價(jià)

通過(guò)比較上述4種方法，發(fā)現(xiàn)典型水文頻率年法和最枯月平均流量法結(jié)果相對(duì)較大，而Tennant法和Qp法的結(jié)果較為接近且相對(duì)較小。對(duì)比計(jì)算結(jié)果與開(kāi)都河大山口水文站以下至入湖河段河損情況可以看出，各方法計(jì)算結(jié)果均能夠滿足河段河損，保證河流基本形態(tài)和基本功能。表5為4種水文學(xué)方法計(jì)算所得大山口水文站生態(tài)流量目標(biāo)的對(duì)比。

由表5可看出，基于大山口水文站多年流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照Tennant法估算的基本生態(tài)環(huán)境需水量與生態(tài)流量在無(wú)任何引水的情況下，即使出現(xiàn)最大河損，也能夠保證開(kāi)都河至入湖河段不斷流，且這一方法充分考慮了河流的年內(nèi)豐枯變化和水生生物產(chǎn)卵育幼期對(duì)流量的需求，因此，采用Tennant法計(jì)算的開(kāi)都河生態(tài)流量相對(duì)更為適宜。

表5 4種不同水文學(xué)方法計(jì)算的開(kāi)都河大山口水文站生態(tài)流量結(jié)果比較

表6為基于確定的開(kāi)都河大山口生態(tài)流量目標(biāo)，逐月分解的生態(tài)流量及其對(duì)應(yīng)的生態(tài)水量的滿足度對(duì)比分析。由表6可知，確定的生態(tài)流量無(wú)論是在年內(nèi)相對(duì)枯水的一般用水期還是年內(nèi)相對(duì)豐水的魚(yú)類產(chǎn)卵育幼期均可以得到100%的保證率，且依據(jù)生態(tài)流量確定的基本生態(tài)環(huán)境需水量在年內(nèi)不同月份均可以滿足大山口站以下河段的多年平均河損，說(shuō)明此生態(tài)流量下可以保證河流的基本形態(tài)與功能。

表6 開(kāi)都河大山口水文站逐月生態(tài)流量與基本生態(tài)環(huán)境需水量滿足度比較

4 討 論

我國(guó)雖然開(kāi)展河流生態(tài)流量研究已經(jīng)近50年，針對(duì)不同區(qū)域的許多河流基于不同方法開(kāi)展了一系列的研究，但是至今尚未建立明確且統(tǒng)一的生態(tài)流量計(jì)算方法體系，相關(guān)概念也不統(tǒng)一?！笆舜蟆币詠?lái)，國(guó)家積極倡導(dǎo)并致力于生態(tài)文明建設(shè)，在全國(guó)范圍內(nèi)推行并落實(shí)河長(zhǎng)制，但是至今，我國(guó)多數(shù)河流并沒(méi)有明確的行之有效且可操作的生態(tài)流量管理制度，使得我國(guó)許多河流在生態(tài)流量的監(jiān)管、執(zhí)行和保障措施、制度建設(shè)與技術(shù)手段等方面均難以滿足大規(guī)模開(kāi)發(fā)背景下對(duì)生態(tài)流量的管理需求，導(dǎo)致河流斷流、生態(tài)退化和水污染等一系列問(wèn)題[29-30]。開(kāi)都河雖然是新疆一條十分重要的河流，水量較為豐沛，水能資源豐富，河流尾閭是我國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖，河流生態(tài)區(qū)位重要，但是開(kāi)都河與我國(guó)許多河流一樣，尚未有系統(tǒng)的生態(tài)流量管理制度，以及協(xié)調(diào)可行的電調(diào)服從水調(diào)機(jī)制，這在一定程度上增加了整條河流生態(tài)水量保障的不確定性。在未來(lái)流域的水資源科學(xué)調(diào)配與管理中，隨著河長(zhǎng)制的深入落實(shí)，針對(duì)生態(tài)流量管理的制度與機(jī)制建設(shè)、監(jiān)管技術(shù)與措施保障等應(yīng)當(dāng)盡快加以強(qiáng)化。

生態(tài)流量概念的提出與相關(guān)研究最初的一個(gè)重要目的是為保障河流中的水生生態(tài)與生物多樣性，特別是一些魚(yú)類的洄游、繁殖和育幼，不少研究方法也是基于此而提出的。但是由于歷史原因和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的局限性，在我國(guó)許多河流上進(jìn)行的水利水電設(shè)施建設(shè)中，并未考慮魚(yú)類的繁殖洄游特性，這對(duì)河流水生生態(tài)有著較大的影響，甚至對(duì)于一些魚(yú)類是毀滅性的打擊。開(kāi)都河作為新疆水資源和水能資源開(kāi)發(fā)利用程度較高的一條河流，其中由山區(qū)峽谷到下游綠洲灌區(qū)，分別建有多級(jí)水電站與水利樞紐工程，而其中不少攔河壩與樞紐并未設(shè)計(jì)過(guò)魚(yú)設(shè)施，即便嚴(yán)格保障了河流的生態(tài)流量，河流的水生生態(tài)與水生物種多樣性仍然會(huì)受到較大影響，這應(yīng)該作為未來(lái)開(kāi)都河自然資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中亟需改善的一個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于河流生態(tài)流量的研究，特別是基于河流歷史水文數(shù)據(jù)和生態(tài)調(diào)查的一些研究方法都是基于河流水文序列基本穩(wěn)定的前提下。然而，隨著全球氣候的變化，極端水文事件日益增多，特別是開(kāi)都河所處的干旱區(qū)，對(duì)全球氣候變化尤為敏感，相應(yīng)的極端氣候水文事件已經(jīng)對(duì)各干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的水循環(huán)與水資源安全產(chǎn)生了較大影響，對(duì)流域水資源管理者提出了極大挑戰(zhàn)[18-19]。這些變化以及由于氣候和水文過(guò)程的不確定性引發(fā)的對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響可能限制了以往的一些研究方法在當(dāng)前的河流生態(tài)流量管理中的應(yīng)用。對(duì)已有的生態(tài)流量管理方法與需求的相關(guān)研究，需要結(jié)合氣候變化及由此帶來(lái)的水文過(guò)程的改變?nèi)ブ匦抡J(rèn)識(shí)與評(píng)估，這可能是未來(lái)生態(tài)流量研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容[31-33]。

5 結(jié) 論

(1)基于開(kāi)都河大山口水文站1960-2018年的實(shí)測(cè)水文資料，對(duì)比4種河道生態(tài)流量計(jì)算方法，以Tennant法計(jì)算確定的河流出山口控制斷面生態(tài)流量(水量)相對(duì)最為適宜，開(kāi)都河在大山口斷面10-翌年3月的生態(tài)流量應(yīng)平均不小于15.60 m3/s，4-9月斷面生態(tài)流量平均不小于46.15 m3/s，兩個(gè)時(shí)段生態(tài)流量對(duì)應(yīng)的最低下泄生態(tài)水量分別為2.47×108和7.30×108m3。

(2)開(kāi)都河在大山口斷面確保不小于上述生態(tài)流量的情況下，即使考慮大山口斷面至尾閭湖泊河段的多年平均河損甚至最大河損，也可以保障該河段不斷流以及河流的基本生態(tài)功能。

(3)基于確定的控制斷面生態(tài)流量管理目標(biāo)，制定并完善開(kāi)都河中游山區(qū)峽谷段水電企業(yè)與流域管理部門(mén)協(xié)調(diào)溝通的體制與“電調(diào)服從水調(diào)”的機(jī)制是流域生態(tài)流量管理亟需開(kāi)展的工作。