馬 玲，李潤杰，4，黃佳盛，連利葉，郭凱先，溫 軍，張永熙

(1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810008；2.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810001；3.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，青海西寧810001；4.青海大學(xué)三江源生態(tài)與與高原農(nóng)牧國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810000)

0 引 言

我國為嚴(yán)重缺水的國家，水資源時空分布呈北方少、南方多且年內(nèi)分配不均勻的狀態(tài)[1]。近年來，由于水資源的一些不合理開發(fā)利用使河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能遭到嚴(yán)重破壞[2-5]。在我國干旱半干旱區(qū)河流水資源開發(fā)利用主要應(yīng)用與工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水，忽視了生態(tài)環(huán)境保護(hù)和發(fā)展對水資源的需要，導(dǎo)致天然生態(tài)系統(tǒng)退化和生態(tài)環(huán)境惡化[6]。長期以來，人類只注重水資源開發(fā)利用而忽視了水與生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)、恢復(fù)和建設(shè)的關(guān)系。生態(tài)基流是為了維持生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能所需要的水量[7]，研究河流生態(tài)基流可為保護(hù)河道正常運(yùn)作提供基礎(chǔ)保障。

格爾木河位于柴達(dá)木盆地，由于常年少雨導(dǎo)致流域水資源匱乏，同時各種需求不斷增加，河道內(nèi)的水量大幅度減少，河流水文情勢發(fā)生了不同程度的變化；出現(xiàn)了河流地下水位下降、水土流失、水生生物棲息地環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[8]，亟待統(tǒng)籌解決好工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)的用水需求，合理開發(fā)利用水資源。本文通過研究格爾木河的水文突變年經(jīng)修正還原后采用4種生態(tài)流量評估方法，給出適用于格爾木河的生態(tài)基流方案，為進(jìn)一步探究柴達(dá)木盆地其他河流的河道生態(tài)基流提供參考，為柴達(dá)木盆地生態(tài)需水和水資源合理利用提供理論依據(jù)。

1 格爾木河

1.1 研究區(qū)概況

格爾木河(93°01′～96°54′E，35°01′～37°00′N)位于青海省柴達(dá)木盆地南部，是柴達(dá)木盆地的第二大河。格爾木河流域?qū)俑咴箨懶愿稍鐨夂騾^(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大，主要補(bǔ)給源是降雨、融雪和地下水；流域面積18 648 km2，月平均最大流量163 m3/s，月平均最小流量10.1 m3/s。格爾木河落差1 770 m，河床平均比降0.541%地貌類型為荒漠、戈壁、鹽沼澤、鹽漬沙丘和湖積平原。格爾木水文站在距源頭357.2 km處，控制流域面積19 614 km2(見圖1)。柴達(dá)木區(qū)地表水為8.7億m3，地下水資源量為7.84億m3，水資源總量為9.06億m3，而地表水與地下水重復(fù)量為6.48億m3。

圖1 研究區(qū)域示意

1.2 干旱流域的特殊性

格爾木河山區(qū)段有雪水河和昆侖河、南溝3支，匯流后在出山口后流入格爾木河，由南向北流經(jīng)山區(qū)、戈壁平原。在進(jìn)入格爾木市之后又分為東、西兩河，并與諸多泉集河(清水河、金水河、巴水河、紅旗河等)繼續(xù)向北匯流，最終注入達(dá)布遜湖等鹽區(qū)。

在細(xì)土平原前緣分布數(shù)條全集河，自東向西為格爾木東河、格爾木西河、紅旗河、金水河、巴水河及清水河。除格爾木河西河接受來自上游格爾木河地表水外，其余均為地下水溢出而成。近年來，增加開采地下水、渠系農(nóng)業(yè)灌溉及河道整治工程，對泉集河的流量有一定的影響；最下游為達(dá)布遜湖區(qū)，包括東達(dá)布遜湖、新湖、大別勒湖等全部屬咸水湖，為格爾木河以及其他泉集河的最終匯集地，除清水河流入大別勒湖外，其余均流入格爾木河流域最大的湖泊——東達(dá)布遜湖。

山前戈壁荒漠地帶因地下水埋深大(一般20～100 m)，無植被生長。到山前細(xì)土平原地表水和地下水均較豐富，地下水位較淺，土層厚、土壤含鹽量少，土質(zhì)較好，是本區(qū)的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，植被以怪柳、白刺等灌木為主。至地下水溢出帶，因地下水大量泄出，形成多條全集河，生長有怪柳、白刺、沙棘和相伴生的蘆葦、芨芨草和苔蘚等，植被種類多樣，生長茂密，覆蓋度達(dá)50%～80%，以下是鹽沼澤。由于土壤含鹽量增高，地下水質(zhì)變差。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所采用天然徑流數(shù)據(jù)來源于青海省水文局、氣象數(shù)據(jù)來源于青海省氣象局，選取格爾木水文站1959年～2018年、納赤臺水文站1968年～2018年，根據(jù)格爾木河河流的特點(diǎn)分別把納赤臺水文站、格爾木水文站作為其上、中游生態(tài)基流的控制斷面。根據(jù)格爾木水文站、納赤臺水文站各月多年平均流量和降水?dāng)?shù)據(jù)資料(所用數(shù)據(jù)是日數(shù)據(jù)按月分析出圖)(見圖2和圖3)，其多年平均流量從1月～5月流量逐漸增加，到7月、8月份達(dá)到最大，9月份開始逐漸回落，構(gòu)成一個單峰分布式過程。降水量在5月～9月份顯著，年內(nèi)成單峰分布式，降水與徑流變化大體趨勢一致。圖4、圖5為格爾木水文站和納赤臺水文站年際序列徑流降水變化趨勢圖。

圖2 格爾木流量和降水

圖3 納赤臺流量和降水

圖4 格爾木水文站年際流量降水

圖5 納赤臺水文站年際流量降水

2.2 M-K突變檢驗(yàn)方法

Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)方法，可以排除異常值的干擾，M-K法能夠大致確定突變點(diǎn)的位置，并構(gòu)造統(tǒng)計量的秩序列[9]，本文采用M-K檢驗(yàn)綜合判斷格爾木水文站1959年～2018年、納赤臺水文站1968年～2018年的實(shí)測年徑流量系列變化趨勢及突變點(diǎn)。見圖6、7。

圖6 格爾木站M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

圖7 納赤臺站M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

圖6、7分析結(jié)果顯示，UFk<0說明徑流量基本呈減少趨勢，格爾木站1989年～2003年減少趨勢最顯著。通過計算可得，系列整體顯著性水平格爾木站為1.29、納赤臺站為5.35。M-K檢驗(yàn)曲線中UFk與UBk統(tǒng)計量有交叉點(diǎn)，格爾木站為1965年、2009年，納赤臺站為2002年。即，1965年、2009年為格爾木徑流量的突變年，2002年為納赤臺站的突變年，經(jīng)突變還原之后進(jìn)行生態(tài)流量分析。

2.3 水文法

生態(tài)基流計算方法多達(dá)207種[10]，一般分為水文法、水力學(xué)方法、生境模擬法和整體分析法[11-13]。本文根據(jù)歷史流量計算河道內(nèi)生態(tài)基流[14-16]，即采用水文法進(jìn)行研究。

2.3.1 Tennant法

Tennant法也叫蒙大拿法(Montana)，是河流控制斷面生態(tài)環(huán)境需水量計算方法之一。該方法將年平均流量的百分比作為生態(tài)基流[17-18]，通過分析河流多年天然平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況，建立水生生物、河流景觀、娛樂和河流流量之間的關(guān)系。在Tennant法中，以預(yù)先確定的多年平均流量百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將保護(hù)水生態(tài)河水環(huán)境的河流基流推薦值分為8個等級標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，又依據(jù)水生生物對環(huán)境的季節(jié)性要求不同，分為4月～9月分魚類產(chǎn)卵育肥期及農(nóng)田灌溉期和10月～翌年3月份一般用水期[21]。

從《青海省主要河流生態(tài)基流流量指標(biāo)分析計算報告》成果看，格爾木河各水電站生態(tài)基流按照4月～9月生態(tài)基流按多年平均流量30%下泄，10月～翌年3月生態(tài)流量按多年平均流量10%下泄。

按照SL/Z 712—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的技術(shù)規(guī)定，科學(xué)選擇生態(tài)基流計算方法，合理確定格爾木河生態(tài)水量指標(biāo)。汛期和非汛期按照推薦的基流標(biāo)準(zhǔn)的10%～30%作為生態(tài)流量。計算結(jié)果如表1、2所示。計算公式如下[22]

(1)

式中，Wr為河道最小生態(tài)流量；Wi為第i年的河流徑流量；K為選取的百分?jǐn)?shù)；n為統(tǒng)計年數(shù)。

2.3.2 Q90法

Q90法是改進(jìn)后的美國7Q10法，該計算方法于20世紀(jì)70年代傳入我國，它是防治河流水質(zhì)污染的計算方法和標(biāo)準(zhǔn)。本次研究采用90%保證率對應(yīng)的最枯月平均流量作為生態(tài)流量和生態(tài)需水量的計算標(biāo)準(zhǔn)，并假設(shè)該方法下的年內(nèi)各月生態(tài)基流均為保證率90%對應(yīng)的生態(tài)流量[23-24]。

表1 Tennant法推薦生態(tài)基流

采用格爾木水文站1959年～2018年和納赤臺水文站1968年～2018年實(shí)測徑流量資料，選取每年最小月平均流量值。參考《青海省水文手冊》“年徑流Cv等值線圖”及“年徑流Cs/Cv分區(qū)圖”分析得：格爾木水文站的Cv為0.33，Cs/Cv為8；納赤臺水文站的Cv為0.26，Cs/Cv為8。根據(jù)皮爾遜-Ⅲ型曲線中值，計算出格爾木水文站、納赤臺水文站的流域在90%的保證率下的生態(tài)基流，結(jié)果見表3。

表2 Tennant法推薦10%和30%生態(tài)基流

表3 90%保證率下的生態(tài)基流

2.3.3 近十年最枯月平均流量法

近十年最枯月平均流量法是通過近十年逐月徑流水文資料選取每年最小月流量值，進(jìn)行平均流量計算的生態(tài)基流量。即近十年中最小的徑流量均值為生態(tài)流量，結(jié)果見表4。

表4 近十年最枯月平均流量法的生態(tài)基流

2.3.4 最小月平均實(shí)測徑流法

為了維持河流基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞，就是要求年內(nèi)各時段的河川徑流量都維持在一定的水平上，不出現(xiàn)類似斷流等可能導(dǎo)致河流生態(tài)環(huán)境功能破壞的現(xiàn)象?；谶@種考慮，以河流最小平均月實(shí)測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)用水量，計算結(jié)果如表5所示。計算公式如下[16]

(2)

式中，Wb為河流基本生態(tài)用水量；Qij為第i年第j月月均流量；T為換算系數(shù)，其值為31.536×106s；n為統(tǒng)計年數(shù)。

表5 最小月平均實(shí)測流量法的生態(tài)基流

3 討論與分析

3.1 結(jié)果比較

本文采用Tennant法、Q90法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均實(shí)測徑流法4種方法，對格爾木河河道生態(tài)基流進(jìn)行了分析計算。這4種計算結(jié)果存在一定的差異，詳見表6。

表6 不同方法格爾木河生態(tài)基流推薦值 m3/s

Tennant法分汛期非汛期，Q90法和近十年最枯月平均流量法適用于河流納污能力計算，最小月平均實(shí)測徑流法沒有考慮到季節(jié)變化。Q90法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均實(shí)測徑流法的結(jié)果未考慮到北方河流的汛期非汛期，用水量大的季節(jié)與非用水量時期的特殊情況。因此，Tennant法適合北方降水量小、蒸發(fā)量大的特點(diǎn)，且保證生態(tài)最低需求。此外，格爾木河隸屬干旱區(qū)河流，其特殊性需考慮到山區(qū)、出山口后入滲段河段、細(xì)土泉水出露段、下游河水耗散段、鹽湖詳細(xì)情況。比較4種方法的結(jié)果，Tennant法適合格爾木河的生態(tài)流量。

3.2 對比驗(yàn)證

由于格爾木河屬于北方季節(jié)性河流，具有汛期和非汛期之分，大量研究發(fā)現(xiàn)Tennant法適宜與柴達(dá)木盆地格爾木河生態(tài)基流的計算方法。此結(jié)論與鄭小康等[25]對青海河流生態(tài)流量觀點(diǎn)相同。

根據(jù)豐水年、平水年、枯水年、特枯年、多年平均流量、2018年對格爾木河生態(tài)基流進(jìn)行分析，結(jié)果見表7、8。

表7 不同代表年格爾木年均流量 m3/s

表8 河流生態(tài)基流指標(biāo)

從豐、平、枯、特枯年和多年平均流量(見表7)與不同方法格爾木河生態(tài)基流推薦值(見表6)對比分析認(rèn)為，Tennant法汛期占多年平均流量的30%，非汛期占多年平均流量的10%，生態(tài)基流既可以維持流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行。分析表6與表7發(fā)現(xiàn)：近十年最枯月平均徑流法的生態(tài)基流接近特枯年的流量，故不宜采用近十年最枯月平均徑流法的結(jié)果；Q90法適用于河流那污能力計算，而格爾木河中上游沒有污染情況，在此河中應(yīng)用性不強(qiáng)；格爾木河屬于季節(jié)性河流，最枯月是非汛期下游農(nóng)業(yè)非需水期，以此方法確定格爾木河中上游生態(tài)基流不符合格爾木河的全年生態(tài)流量需求。本文生態(tài)基流除了特殊年份外均滿足要求，與趙然杭的觀點(diǎn)相一致[26]。Tennant法既繼承了原方法能夠體現(xiàn)河道年內(nèi)徑流總體過程和變化特征的特點(diǎn)，又能夠適用于季節(jié)性明顯的河道體現(xiàn)了其合理性。

(1)格爾木河上游以水電資源開發(fā)為主體，流域內(nèi)已經(jīng)建成的水利工程包括蓄水、引水、提水、調(diào)水工程和地下水開采工程等多項(xiàng)，各水電站的最小下泄生態(tài)基流如表8所示。

(2)由于汛期大量的河道內(nèi)水通過渠道被引入到灌區(qū)進(jìn)行農(nóng)田灌溉和防護(hù)林等灌溉，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植情況，4月開始播種至9月底10月初為作物的生長季進(jìn)行灌溉。河道內(nèi)的水大量被引入渠道進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，而河道內(nèi)的水量大大減少，但是需要考慮到這些影響因素，因此在4月～9月份中上游斷面的生態(tài)流量與10月～翌年3月份的需求量和標(biāo)準(zhǔn)不相同。

(3)柴達(dá)木區(qū)地表水為8.7億m3，地下水資源量為7.84億m3，水資源總量為9.06億m3，地表水與地下水重復(fù)量為6.48億m3；且格爾木河隸屬干旱區(qū)河流，其特殊性需考慮到山區(qū)、出山口后的入滲段河段、細(xì)土泉水出露段、下游河水耗散段、鹽湖等詳細(xì)情況，需要考慮地表水與地下水頻繁轉(zhuǎn)換對其河道和有些水電站的影響，在一些下潛區(qū)域如何保證該段流域的正常功能。一般情況下認(rèn)為，非汛期生態(tài)基流不可低于多年平均天然凈流量的10%，汛期生態(tài)基流應(yīng)達(dá)到多年平均天然凈流量的10%～30%為宜[20]。

4 結(jié) 論

(1)基于M-K突變檢驗(yàn)格爾木站1965年、2009年為徑流量的突變年，納赤臺站2002年為徑流突變年，經(jīng)突變還原之后進(jìn)行生態(tài)基流分析。

(2)綜合格爾木流域生態(tài)基流的影響因素，通過計算分析對比研究Tennant法計算結(jié)果不僅保證了格爾木河生態(tài)基流正常下泄，同時維護(hù)了河流汛期非汛期的生態(tài)功能，其他3種方法沒有汛期非汛期之分，不符合格爾木河生態(tài)基流閾值的確定。Tennant法計算結(jié)果可作為格爾木河的生態(tài)基流確定值。即汛期(4月～9月)格爾木水文站生態(tài)基流7.26 m3/s，納赤臺水文站的生態(tài)基流為4.20 m3/s；非汛期(10月至翌年3月)格爾木水文站生態(tài)基流2.42 m3/s，納赤臺水文站的生態(tài)基流為1.40 m3/s。

(3)Tennant法、Q90法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均實(shí)測徑流法的對比結(jié)果表明，Tennant法的汛期、非汛期與格爾木區(qū)域所對應(yīng)的河道狀態(tài)與河道生態(tài)需求相對應(yīng)，Tennant法不同需水期的生態(tài)基流不同，符合內(nèi)陸河及干旱區(qū)的情況。