基于典型水文頻率方法的新疆開都河生態(tài)需水量計算

克斯爾·卡合曼

(新疆巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

人類對水資源的開發(fā)和利用伴隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和進步其程度和強度都日益增長[1-2]。河流的水文情勢及水文過程隨著大規(guī)模水利工程的修建發(fā)生較為明顯的改變[3]。河道內(nèi)水量受流域內(nèi)水利工程的開發(fā)和利用逐步減少，河道水生態(tài)環(huán)境遭受不同程度的惡化[4]。全球有近一半的河流生態(tài)系統(tǒng)由于不合理的水資源開發(fā)產(chǎn)生明顯退化[5]。越來越多研究成果表明保持河道內(nèi)生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的首先條件[6]。開都河位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，是區(qū)域內(nèi)第一大河流，區(qū)域多年水資源量較高，是其區(qū)域內(nèi)灌區(qū)主要水源[7]。開都河流域作為新疆中部通道主要水域節(jié)點，區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和其水資源開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān)[8]。然后在當前全球氣候變化及人類活動日益增強的大背景下，開都河流域水生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)不同程度的退化，亟需加大對區(qū)域水資源的生態(tài)保護。為此本文結(jié)合開都河大山口水文站1960-2019年實測水文資料，采用當前在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的典型水文頻率方法[9-12]對其河道生態(tài)需水量進行計算。計算成果對于新疆開都河生態(tài)保護具有重要的參考價值。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

典型水文頻率方法是基于河流實測來水資料分析的基礎(chǔ)上對其豐水及枯水年份進行等級劃分，劃分計算標準方程為：

(1)

其中在方程中E表示為水文站徑流實測值的距平率(%)；Qi表示為水文站年徑流量實測值(108m3)；Qn表示為水文站徑流量實測值的多年均值(108m3)。按照新疆地區(qū)徑流變化特點并結(jié)合《水文基本術(shù)語和符號標準》(GB T50095-2014)對豐水年、枯水年及平水年的徑流量距平百分率進行劃分，劃分標準如表1所示。

表1 不同來水年份劃分標準等級

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次開都河生態(tài)需水計算主要采用開都河大山口水文站實測徑流數(shù)據(jù)資料，所有徑流數(shù)據(jù)材料均采用可靠性、一致性、代表性的審查，大山口水文站是開都河出山口控制水文站，考慮資料的可靠性、一致性以及代表性，本文采用徑流分析的資料數(shù)據(jù)序列從1970-2019年。

2 生態(tài)需水量計算及分析

2.1 開都河徑流變化特征

結(jié)合大山口水文站1970-2019年實測徑流資料數(shù)據(jù)序列，對其年徑流量及其距平百分率進行變化特征分析，年徑流變化特征分析結(jié)果如表1所示，并對其年內(nèi)分配進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

對表2大山口水文站年徑流量進行統(tǒng)計分析，大山口水文站1970-2019年年徑流總體呈現(xiàn)遞增變化，年徑流遞增幅度約為1.435×108m3。各年份距平百分率總體呈現(xiàn)倒V型變化，1995年是大山口水文站年距平百分率變化的轉(zhuǎn)折點，從1970年～1995年各年份年徑流距平率總體為遞減變化，而從1995-2019年各年份年徑流距平率總體為遞增變化。從大山口水文站徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計結(jié)果可看出，年內(nèi)來水量較大的時段主要集中在5-9月份，月平均來水流量都可以超過100 m3/s，7月份屬于來水量最大的月份，其相應(yīng)的月均徑流量也最大。從10月份開始到第二年的3月份，屬于枯水時段，月均流量和月均徑流量都有較為顯著的減少。

表2 大山口水文站年徑流變化特征分析結(jié)果

表3 大山口水文站徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計結(jié)果

2.2 開都河生態(tài)需水量的確定

結(jié)合表1不同豐水年、平水年、枯水年等級劃分標準及大山口水文站不同年份保證率分析的基礎(chǔ)上，對各年份年型進行確定，結(jié)果如表4所示，并采用典型水文頻率方法對開都河生態(tài)需水量進行確定，確定結(jié)果如表5所示。

從大山口水文站不同來水年型確定結(jié)果可看出，開都河豐水年、枯水年、平水年規(guī)律變化不明顯，特枯水年為1974年、1977年、1986年，偏枯水年具有一定的連續(xù)性，分別為1973年、1975年、1983年～1985年、2003-2004年、2012-2014年及2018年，豐水年相對較為集中，分別為1970-1971年、1994年、1996年、1998-2001年出現(xiàn)連續(xù)4年豐水年，2002年開始開都河出現(xiàn)豐水年的年份相對較少，僅在2016年出現(xiàn)豐水年，開都河出現(xiàn)平水年的年份相比其他年型較多，占總年份數(shù)的比例達到50%。年距平率最低的為1986年，為-30.68%，是開都河有記錄以來最枯年份，以1986年的2月份來水量36.5 m3/s作為其生態(tài)最小水量，計算開都河全年生態(tài)最小水量值為11.59×108m3。

2.3 開都河生態(tài)需水量滿足度的分析

基于典型水文頻率方法對開都河年生態(tài)需水量結(jié)果，按照保證率進行年內(nèi)生態(tài)徑流量的分配，并與表2種大山口水文站多年徑流年內(nèi)分配結(jié)果對其最小生態(tài)需水量滿足度進行分析，結(jié)果如表5所示。

從表5中可看出，按照典型水文頻率方法下的開都河各月最小生態(tài)流量在大山口水文站月平均流量下其生態(tài)滿足都均可達到100%，這主要是因為典型水文頻率方法計算的生態(tài)需水量是按照滿足特枯年份最小月流量計算得到的，因此其計算的生態(tài)需水量是按照來水最不利條件下進行相應(yīng)的計算，因此按照多年月均流量計算的生態(tài)滿足度均可達到100%。

表4 大山口水文站不同來水年型確定結(jié)果

3 結(jié)語

大山口水文站1970-2019年年徑流總體呈現(xiàn)遞增變化，年徑流遞增幅度約為1.435×108m3。各年份距平百分率總體呈現(xiàn)倒V型變化，1995年是大山口水文站年距平百分率變化的轉(zhuǎn)折點，從1970-1995年各年份年徑流距平率總體為遞減變化，而從1995-2019年各年份年徑流距平率總體為遞增變化。

開都河年距平率最低為1986年，為-30.68%，是開都河有記錄以來最枯年份，以1986年的2月份來水量36.5 m3/s作為其生態(tài)最小水量，計算開都河全年生態(tài)最小水量值為11.59×108m3。

典型水文頻率方法計算的生態(tài)需水量是按照滿足特枯年份最小月流量計算得到的，因此其計算的生態(tài)需水量是按照來水最不利條件下進行相應(yīng)的計算，因此按照多年月均流量計算的生態(tài)滿足度均可達到100%。

表5 基于典型水文頻率方法生態(tài)需水滿足度分析結(jié)果