魏雯瑜，劉志輝,3,4，馮 娟，楊金明，王敬哲

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心，烏魯木齊 830046)

在我國，水資源已經(jīng)成為制約生態(tài)系統(tǒng)健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[1,2]。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境上不合理地分配水資源會(huì)造成生態(tài)失衡、環(huán)境惡化，同時(shí)制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。為了改變這種不利的現(xiàn)狀，就必須讓自然生態(tài)系統(tǒng)需水和人工生態(tài)系統(tǒng)需水達(dá)到新的平衡[3,4]。因此，對河流的生態(tài)基流進(jìn)行合理的計(jì)算就顯得尤為重要。河流生態(tài)基流量(River Ecological Basic Flow)被定義為：為了維持河流的基本生態(tài)環(huán)境功能，河道中常年、特別是枯水期都應(yīng)保持一定的基礎(chǔ)流量，防止出現(xiàn)斷流或萎縮，該基礎(chǔ)流量即被稱為生態(tài)基流[5]。

河道生態(tài)需水在國外研究時(shí)間較早。20世紀(jì)40年代，美國魚類和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)根據(jù)魚類繁殖和產(chǎn)量與河道流量的關(guān)系，提出了河道最小環(huán)境流量的概念[6]。20世紀(jì)七八年代，Tennant等人在對河道生態(tài)需水研究的基礎(chǔ)上提出了Tennant法，該法奠定了河道生態(tài)需水的理論基礎(chǔ)[7,8]。國內(nèi)系河流生態(tài)基流的研究尚處于起步階段，主要是對國外方法的應(yīng)用和改進(jìn)。我國部分學(xué)者根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)，也提出了基于不同流域的計(jì)算方法。于松延[9]等采用 Tennant法、Texas法等6種方法對渭河關(guān)中段的生態(tài)基流量進(jìn)行了估算。韋雨婷[10]等將清河基流與實(shí)際徑流進(jìn)行對比，指出隨著降雨量的減少，生態(tài)需水的滿足度逐漸減小。陳菡[11]等的研究表明在75%保證率下廣東省河道生態(tài)基流量應(yīng)控制在多年平均徑流量的10%～21%。吳喜軍[12]等在確定徑流不同年型的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的基流比例法以計(jì)算生態(tài)基流量。大面積水土保持措施的實(shí)施和煤炭的開采，極大地改變了流域下墊面條件，產(chǎn)生了巨大的水文效應(yīng)。近年來，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，流域水資源供需矛盾日益突出，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷流現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到流域的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[13]。

新疆是亞歐大陸橋的重要樞紐，在國家對“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的規(guī)劃中，新疆被定位為核心區(qū)，烏魯木齊、昌吉等“一帶一路”中的重要節(jié)點(diǎn)城市大多位于天山北坡。天山北坡是新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶在全疆有著舉足輕重的影響。呼圖壁河是天山北麓中段第二大河流，流域的水文水資源變化得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，但對生態(tài)徑流及河道生態(tài)的研究較少[13-15]。本研究通過對呼圖壁河石門水文站近32 a(1980-2011年)的日徑流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)Tennant法、10年最枯月平均流量法，90%保證率最枯月平均流量法和年型劃分法共4種水文學(xué)方法分析估算呼圖壁河生態(tài)基流量，對比各種方法的適用性。

1 研究區(qū)概況

呼圖壁河流域位于東天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，發(fā)源于天山支脈依連哈比爾尕山北坡，屬天山北坡東段水系，地理位置為86°05′～ 87°08′E，43°07′～ 45°20′N(見圖1)。呼圖壁河是天山北坡中段第二大河流，河道總長度為176 km[12-14]。從河源至下游，大致可以分為山地、丘陵、沖積扇、沖洪積平原4個(gè)地貌單元。呼圖壁河上游山區(qū)河網(wǎng)發(fā)育較好，支流呈樹枝狀分布，干流位居其中。左右兩岸共有一級支流20多條，其中除10條支流有冰川和永久積雪分布外，其他支流大多源于中低山區(qū)，靠冬、春季節(jié)積雪消融和夏季降水補(bǔ)給。年平均徑流量4.812 億m3，年最大徑流量6.335 億m3，年最小徑流量3.633 億m3。呼圖壁河石門水文站是流域內(nèi)唯一的水文觀測站點(diǎn)，石門水文站以上河道長88 km，集水面積1 840 km2，平均高程2 984 m，河道縱降比23.3 %，年徑流量4.71 億m3，占全河地表水量的93.6 %[16]。

圖1 呼圖壁河流域水系圖Fig.1 Drainage map of Hutubi River basin

2 資料與方法

本文利用呼圖壁河1980-2011年徑流量作為研究數(shù)據(jù)，利用Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保證率最枯月平均流量法和年型劃分方法4種生態(tài)基流估算方法對呼圖壁河流域的生態(tài)需水量進(jìn)行估測。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

呼圖壁河石門水文站(43°45′N，86°34′E)是流域內(nèi)唯一的水文觀測站點(diǎn)，本文選取石門水文站近32 a(1980-2011年)日徑流量時(shí)間序列作為研究數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

(1)改進(jìn) Tennant法。Tennant法也被稱為Montana 法，該方法屬于非現(xiàn)場測定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法，目前在國內(nèi)外的生態(tài)基流計(jì)算中應(yīng)用廣泛[4,8]。Tennant法將年平均流量的百分比作為基流量，具有宏觀定性指導(dǎo)意義，并具有簡單易行,便于操作的特點(diǎn)。研究表明，多年平均徑流量的10%是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最低下限，多年平均徑流量的30%能為大多數(shù)水生生物提供較為滿意的棲息條件。Tennant同時(shí)建立了與河流生態(tài)健康之間的相互關(guān)系[6](見表1)。

(2)最枯月平均流量多年平均值法。最枯月平均流量多年平均值法應(yīng)用較為廣泛[17]，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：W為河流基本生態(tài)需水量，億m3；Qij為底i年第j月的平均流量，m3/s；T為換算系數(shù)其值為31.536×106s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

表1 河道流量與河流生態(tài)健康關(guān)系Tab.1 Relationship between river flow and ecosystem health

該方法得出的是水量的概念，考慮到文中需要求出每月的基流量，因此，對該公式做以下改進(jìn)：

(2)

式中：Qm為第m月的河流生態(tài)基流量，m=1,2,…,12；Qij為第i月第j天的平均流量，m3/s。

(3)90%保證率最枯月平均流量法。90%保證率最枯月平均流量法[18]是采用90% 保證率下最枯月平均流量作為生態(tài)基流。對每年某一月份的最枯日平均流量進(jìn)行頻率分析，可求得每月的生態(tài)基流量。

(4)年型劃分方法。年型劃分方法[7]是采用距平百分率法進(jìn)行豐、平、枯水年的劃分，距平百分率的計(jì)算公式為:

(3)

式中：E為斷面的距平百分比，%；Qi為斷面第i年平均徑流量，m3/s；Qa為斷面多年平均徑流量，m3/s。

距平百分率劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 豐、平、枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The standard of Wet,normal and dryyear

3 基流計(jì)算分析

3.1 改進(jìn)Tennant法

利用改進(jìn)的Tennant法對1980-2011年各季度呼圖壁河平均徑流量進(jìn)行整理(見圖2)，并通過計(jì)算得到季節(jié)模數(shù)，并求均值，選出研究河段年內(nèi)各個(gè)季節(jié)模數(shù)最接近1.0的年份為典型年。通過計(jì)算，本文將1992年選定為典型年。

圖2 1980-2011年各季節(jié)平均徑流量Fig.2 Each season in 1980-2011 average runoff

1992年各季節(jié)平均徑流量見表3。根據(jù)呼圖壁河流域的實(shí)際用水情況，將生態(tài)需水期劃分為一般用水期(10月-翌年3月)和魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月)，并對1992年呼圖壁流域徑流量進(jìn)行還原，得到典型年(1991年)的相應(yīng)時(shí)段的徑流量(見表4)。

表3 呼圖壁河流域典型年(1992年)各季節(jié)徑流量 億m3

表4 各時(shí)段劃分典型年徑流量 億m3

根據(jù)表4各用水時(shí)段典型年徑流量和多年平均流量，再結(jié)合表1生態(tài)需水的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到呼圖壁河流域的生態(tài)需水量(見表5)。利用改進(jìn)的Tennant法對呼圖壁河流域生態(tài)需水進(jìn)行計(jì)算，一般用水期(10月-翌年3月)的最小生態(tài)需水量為0.055 億m3；魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月)的最小生態(tài)需水量為1.253 億m3。

表5 呼圖壁河生態(tài)狀況描述及生態(tài)需水量 億m3

3.2 最枯月流量多年平均值法

將每年最枯月份的平均流量做以匯總得到1980-2011年呼圖壁河流域每年的最枯月的生態(tài)徑流量(見表6)，由表6可得，1980-2011年期間，除1980、1988、1999、2004、2006年平均徑流最枯月為3月外，其余年份平均徑流最枯月均為2月。1986年2月徑流量為367 萬m3，是32 a期間徑流量最小的月份。根據(jù)表6，利用公式(2)可以計(jì)算出呼圖壁河流基本生態(tài)環(huán)境需水量為520.2 萬m3。

表6 1980-2011年每年最枯月平均流量 萬m3

3.3 90%保證率最枯月平均流量法

《河湖生態(tài)需水評價(jià)導(dǎo)則(試行)》(SL/Z 479-2010)提出，水質(zhì)需水計(jì)算應(yīng)遵照《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》(GB /T25173-2010)執(zhí)行，依據(jù)該規(guī)程計(jì)算納污能力所采用的設(shè)計(jì)水文條件為水質(zhì)需水。河流水域納污能力計(jì)算的設(shè)計(jì)水文條件為 90% 保證率最枯月平均流量或近 10 a 最枯月平均流量[14]。根據(jù)呼圖壁河流域1980-2011年32 a最枯月徑流量系列(見表7)，90% 保證率的最枯月的日平均流量為2.31 m3/ s，以此估計(jì)呼圖壁河最小生態(tài)基流量為0.072 8 億m3。

表7 1980-2011年呼圖壁河流域最枯月90%日均流量 m3/s

3.4 年型劃分方法

利用呼圖壁河流域1980-2011年平均徑流量數(shù)據(jù)，按照公式(3)可以計(jì)算出1980-2011年每年的距平百分率(見表8)，通過表2的標(biāo)準(zhǔn)，可以將每一年劃分成豐水年、平水年和枯水年。32 a期間1980、1983、1986年為枯水年，1996、1998、1999、2002、2007年為豐水年，其余年份為平水年。其中1980年的距平百分率為-20.31%，按照最低標(biāo)準(zhǔn)-20%計(jì)算，利用距平百分率差值最近的1980年平均徑流量作為呼圖壁河流域最小生態(tài)需水量，為0.166 億m3。

表8 1980-2011年年型劃分表 %

4 結(jié) 語

生態(tài)基流涉及氣候、水文、水、地質(zhì)資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面。位于干旱半干旱區(qū)的呼圖壁河流域?qū)χ車鷳B(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展也尤為重要。本研究利用改進(jìn)Tennant法、最枯月流量多年平均值法、90%保證率最枯月平均流量法和年型劃分方法4種生態(tài)基流估算方法對呼圖壁河流域的生態(tài)基流進(jìn)行估算。

(1)改進(jìn)Tennant法將1980-2011年每年每一季節(jié)的徑流量做以匯總，并將每一年的季節(jié)徑流量與年徑流量做對比與計(jì)算，找到典型年(1991年)，將年總用水量分為一般用水期(10月-翌年3月)與魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月，即用水高峰期)，通過典型年確定呼圖壁河一般用水期(10月-翌年3月)的最小生態(tài)需水量為0.055 億m3；魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月)的最小生態(tài)需水量為1.253 億m3。

(2)最枯月流量多年平均值法利用1980-2011年32 a徑流量數(shù)據(jù)，找出每一年最枯月的平均月流量，做以匯總，并以32 a數(shù)據(jù)的平均值作為最終的呼圖壁河生態(tài)徑流量，為0.052 億m3。

(3)90%保證率最枯月平均流量法利用最枯月徑流數(shù)據(jù)，將利用能保證最枯月份的90%天數(shù)的生態(tài)需水量作為每年最小生態(tài)需水量，將32 a的平均值作為最終呼圖壁河最小生態(tài)基流估計(jì)值，為0.072 8 億m3。

(4)年型劃分法按照豐、平、枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定1980-2011年32 a的各年年型，并按照最低標(biāo)準(zhǔn)的-20%作為呼圖壁河最低生態(tài)需水，選定距平百分率最接近-20%的1980年平均徑流量作為呼圖壁河最小生態(tài)基流量，為0.166 億m3。

(5)張文娜[19]等預(yù)測了2012-2030年呼圖壁河的生態(tài)需水量。生態(tài)需水量為2012年的0.041 億m3，2020年的0.054 億m3，2030年的0.117 億m3。結(jié)合本文4種方法，改進(jìn)后的Tennant法可將一年的生態(tài)需水分成一般用水期和魚類產(chǎn)卵育幼期進(jìn)行計(jì)算，可以合理地預(yù)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)基流量，同時(shí)，利用改進(jìn)的Tennant法估算的生態(tài)基流量與實(shí)際的生態(tài)基流量相近，能比較好地反映出呼圖壁河生態(tài)需水量。

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