基于多種水文學方法的干旱區內陸河流健康流量重構

何 兵, 高 凡, 覃 姍, 黃 霄

(新疆農業大學 水利與土木工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052)

河流是地球上重要的自然生態系統，是維持陸地生態系統與水生態系統實現物質、能力和信息傳輸良性循環的主要載體[1]。由于河流是各類水體中較易被開發利用的淡水資源，隨著經濟社會的不斷發展和人口的不斷增長，河流出現了如斷流、水質惡化、生物棲息地破壞、生物多樣性受損及重要或敏感水生生物消亡等一系列問題[2-3]。協調河流開發利用與保護治理之間的關系，維持河流健康對流域或區域水安全、生態安全、經濟社會可持續發展和人類福祉具有重要意義。近半個世紀以來國內外對河流生態系統與水文情勢之間關系的大量實例研究表明，合理的河流流量模式是維持河流健康與生物多樣性的關鍵[4]。河流健康流量的概念定義為：用以維持相對穩定的水沙通道、保持適度的水量和良好的水質，維護相對完整的河流生態系統，防止河道功能性斷流的一系列流量及其過程[5]。從維持河流系統正常功能發揮角度看，河流在生態水文季節的不同時期具有不同的功能，對應的河流健康流量的類型包括最小生態流量、適宜生態流量、自凈流量、輸沙流量、維持水生生物生存需水流量等，推求方法可以參照河流生態需水計算方法[5-6]。目前，全球約有207種河流生態需水計算方法[3-7]，大致可歸納為水文學方法、水力學方法、生物棲息地法及整體分析法。鑒于中國大多數河流都缺乏長期且有效的生物檢測數據，生物棲息地法和整體分析法在中國應用較困難；水力學方法因需要大量的現場實測數據、較長的時間和較充足的人力與物力，應用也較為困難；而水文學方法所需要的數據較少且僅利用水文資料中的歷史流量數據就可確定生態需水流量，故應用起來最簡單、最普遍。其中，河流自凈需水計算方法主要包括最小月平均流量法、水質穩定模型模擬法、水質目標約束法、水環境容量法、環境功能設定法、污徑比法等；維持水生生物生存需水計算方法主要包括最小月平均流量法和月保證率法、生態水深流速法等；輸沙需水研究是中國的特色，研究對象對集中在水體含沙量較高的黃河、渭河等流域的汛期輸沙需水，計算方法主要包括基于最大月平均含沙量的河流汛期輸沙水量、最小河段輸沙需水量等[8-11]。干旱區內陸河流多發源與高寒山區，河流水資源與生態環境系統較為脆弱[9-10]。因此，本文擬以新疆干旱區內陸河流葉爾羌河為研究對象，選取1957—2015年葉爾羌河干流河源區出山口卡群水文站逐月實測流量資料，分別從河流形態、水文條件、河流生態系統等方面制定河流健康保護目標，并基于保護目標的功能需求性和可達性，將河流健康保護目標分為保守目標和最優目標，采用多種水文學方法重構葉爾羌河河流健康過程，以期為基于河流健康的生態調控提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

葉爾羌河是新疆18條大河(多年平均徑流量1.00×109m3以上)之一，位于新疆南疆喀什地區，是葉爾羌河流域干流，發源于昆侖山和喀喇昆侖山，河源至河口全長1 078 km，為塔里木河流域“四源一干”水系格局的重要組成部分，多年平均河川徑流量6.55×109m3。葉爾羌河屬典型的西北干旱區內陸河流，徑流補給來源主要為冰川融雪補給，自卡群水文站出山口控制斷面以下為徑流耗散區，同時也是河流開發利用的關鍵河段，擁有新疆最大、全國第四的葉爾羌河灌區(灌溉面積6.31×106hm2)，同時，由于葉爾羌河徑流主要集中在夏季(約占全年徑流總量的68.5%)，隨著流域經濟社會的發展，水資源開發利用程度不斷提高，河流春灌缺水、夏洪突出，鹽漬及沙化趨勢加劇，向塔里木河生態輸水嚴重不足，平原水庫蒸發滲漏損失嚴重，水資源供需矛盾突出，生產生活擠占生態用水現象顯著等問題已經威脅到河流健康生命，需要構建一套能夠指示河流健康狀態的健康流量過程，指導河流水資源管理，以促進該流域經濟社會與生態環境的可持續發展。

1.2 數據來源與資料處理

選取葉爾羌河源流區出山口水文站——卡群水文站1957—2015年共59 a實測逐月流量序列。卡群水文站地理坐標為37.98°N，76.90°E，測站海拔1 370 m，控制斷面以上河長645 km，集水面積50 248 km2。卡群斷面長系列逐月徑流變化特征見圖1。由圖1可以看出，年內徑流過程線呈明顯“單峰型”，年內分配極不均勻(在6—9月徑流量達到5.30×109m3，占年總徑流量的79.4%)，年內徑流過程線的季節變化特征為夏季徑流量>秋季徑流量>冬季徑流量>春季徑流量，且徑流量主要集中在夏季，占全年徑流量68.05%。

圖1 新疆卡群水文站多年平均徑流量年內分配過程

1.3 研究方法

根據高凡等[11]對葉爾羌河河流健康評價結果可知，現狀水平年2015年葉爾羌河干流卡群斷面河流健康評價結果等級為亞健康，河流健康受到威脅，需要引起重視。據此，從目標的可達性等角度出發，將維持河流健康的目標分為保守目標與最優目標兩類。其中，保守目標主要考慮防止河道功能性斷流(對應生態基礎流量過程)，滿足水生生物基本生存(對應水生生物生存下限流量過程)，汛期防洪輸沙(輸沙需水過程)；最優目標主要考慮水文條件尤其是非汛期水文條件極大改善(對應生態適宜流量過程)，滿足水生生物適宜生存(對應水生生物生存最優流量過程)，汛期防洪輸沙(輸沙需水過程)；考慮到現狀水平年葉爾羌河卡群斷面水質符合水功能區達標要求[12]，因此，水質凈化需水流量過程暫忽略不計，本文采用的主要水文學方法如下：

1.3.1 改進Tennant法 Tennant法由國外學者基于研究河道生態需水提出，并初步奠定了河道生態需水的基礎理論[13]。國內學者在這方面也相應做了大量研究[14-15]。鐘華平等[16]、于松延等[17]、鄭志宏等[18]在對多種水文學方法進行對比分析后，認為Tennant法雖優于其他水文學方法，但將該法通過推薦基流標準設定在多年平均流量的10%～200%范圍內來計算生態需水，未能考慮干旱地區河流流量季節性變化大的特點。因此，本文對傳統Tennant法進行改進，將多年平均情形下(50%保證率)水文年劃分為豐水時段、平水時段和枯水時段，分別對各時段河流的生態基礎流量與生態適宜流量過程進行研究。具體改進過程如下：

(2) 百分比選取。由于葉爾羌河徑流主要集中在夏季(占全年徑流量的68.05%)，將河流生態需水劃分為3個時段，即1—4月，10—12月和5月，6—9月(依次對應枯水時段、平水時段、豐水時段)，改進后的Tennant法見表1。

表1 基于改進的Tennant法的葉爾羌河河流流量狀況分級標準

1.3.2 Texas法 Texas法[8]最初是Matthews等[19]在研究德克薩斯州的河流后提出，該方法考慮了河流季節性變化因素，以50%保證率下的設計值作為基準，取其特定百分率作為最小生態流量。由于國外學者最初研究的Texas河流屬于暖水性河流，所以該法更適合于流量變化主要受融雪補給為主的河流[8]。之后中國學者提出將特定百分率為20%的月流量作為最小生態流量。考慮到干旱內陸河流域半干旱區河流年內季節變化特征的相似性，本文參照吳喜軍等[20]根據渭河寶雞段典型植物及魚類對水量的需求，取20%特定百分率下的月流量作為維持葉爾羌河河道內大多數水生生物基本生存條件的最小生態流量。

1.3.3 月保證率法 月保證率法[8,20]是根據研究區實際情況及現有水文資料，參考Tennant法提出的一種計算河道內生態環境需水量的方法，最初由楊志峰等[21]針對河流最大允許廢水排放量而提出，隨后王西琴[8]等就中國北方地區水生態環境問題，在傳統水文學方法的基礎上將月保證率法與河道生態需水量等級聯系起來，通過綜合考慮研究區的氣象特征、徑流的年內變化規律、生態環境狀況、河流形態等因素來確定各月保證率[20]。因此，本文根據月保證率法計算特點，并結合生態學理論提出計算維持河流生態環境需水的設計流量標準[8,22]：50%保證率(即平水年)下河道內徑流量的60%是為大多數水生生物在主要生長期提供優良棲息條件的推薦徑流量；保持大多數水生生物有良好的生境條件的推薦徑流量為50%保證率下河道內徑流量的30%～50%；保持大多數水生生物在全年生存能夠得到保證的最小徑流量為50%保證率下河道內徑流量的10%。由于中國西北地區相關資料缺乏，故按多年平均流量的百分比估算河道內生態環境需水量[23]。

1.3.4 河流輸沙需水 河流輸沙需水指為了維持河道的輸沙與沖淤動態平衡需要的一定環境用水量，是河流輸沙功能的基本要求。在一定輸沙總量要求下，輸沙需水量直接取決于水流含沙量大小[24]。一般而言，河流輸沙需水量分為汛期輸沙需水量、非汛期輸沙需水量和洪峰輸沙需水量。考慮到葉爾羌河河流泥沙輸送高度集中在汛期(或豐水時段)，連續最大4個月(6—9月)輸沙量占全年輸沙量的97.2%，非汛期(或枯水時段、平水時段)輸沙量很小甚至為0[24-25]，因此將葉爾羌河汛期輸沙需水量及過程作為河流輸沙需水量及過程，計算公式如下：

Ws=St/Cmax

(1)

(2)

式中：Ws——輸沙需水量(m3)；St——多年平均輸沙量(t)；Cmax——多年最大月平均含沙量(t/m3);Cij——第i年第j月的月平均含沙量(t/m3);n——統計年數。

2 結果與分析

2.1 維持河流健康分級目標的制定

河流健康流量的定量化研究針對不同的目標，成果會表現出一定的差異，因此，河流保護目標的選取是確定特定河流系統生態需水的關鍵。保障葉爾羌河河流健康的目標從功能需求性與目標可達性角度可分為保守目標與最優目標兩類。其中，保守目標主要考慮防止河道功能性斷流(對應生態基礎流量過程)，滿足水生生物基本生存(對應水生生物生存下限流量過程)，汛期防洪輸沙(輸沙需水過程)；最優目標主要考慮水文條件尤其是非汛期水文條件極大改善(對應生態適宜流量過程)、滿足水生生物生存(對應水生生物生存最優流量過程)，汛期防洪輸沙(輸沙需水過程)(見表2)。

表2 葉爾羌河的河流健康保護目標與流量的對應關系

2.2 基于維持河流健康分級目標的健康流量重構

以生態基礎流量、生態適宜流量、維持河流生態系統需水流量(一定閾值區間)和輸沙需水流量作為葉爾羌河健康流量組分，依次確定河流在河流生態水文季節各時段對應不同級別功能需求的關鍵流量，將這些流量信息耦合，以卡群控制斷面為基準，重建葉爾羌河河流健康流量過程線。

2.2.1 生態基礎流量與生態適宜流量 根據改進Tennant法計算得到典型年為1960年；依據該典型年將葉爾羌河卡群水文站的流量分布劃分為3個時段〔枯水時段(1—4月)、平水時段(10—12月、5月)、豐水時段(6—9月)〕，求得各個時段多年平均流量分別為：49.3，74.7，497.8 m3/s，依據各個時段的流量分級標準計算得到結果，見表3。其中，采用各時段多年平均流量的10%作為生態基礎流量，采用各時段多年平均流量的30%作為生態適宜流量，得到葉爾羌河生態基礎流量與生態適宜流量過程(見表4)。

表3 基于改進Tennant法的葉爾羌河生態流量計算結果m3/s

表4 基于改進Tennant法的葉爾羌河生態基礎流量與生態適宜流量過程 m3/s

2.2.2 維持河流生態系統健康流量 根據干旱區水資源分布特點和葉爾羌河流域水資源開發利用現狀，采用月保證率法推薦的50%保證率下多年平均徑流量的30%作為維持葉爾羌河河道內大多數生物擁有良好生境條件的適宜生態環境流量；采用Texas法中特定百分率為20%下的月流量的作為維持葉爾羌河河道內大多數水生生物基本生存條件的生態環境的最小生態流量，計算結果見表5。

表5 維持葉爾羌河河流生態環境需水流量過程 m3/s

2.2.3 汛期輸沙需水健康流量 葉爾羌河卡群水文站是出山口控制站，根據近50 a實測泥沙資料分析多年平均輸沙量為2.99×1010kg，最大月平均含沙量為197 kg/m3。由公式(1)—(2)計算出葉爾羌河汛期(或豐水時段)輸沙需水量為1.52×108m3。

2.2.4 基于保守目標和最優目標的河流健康流量重構 葉爾羌河河流健康流量重構不是簡單將不同時段對應不同保護目標所需求的流量過程進行機械式相加，而是在考慮輸沙需水量的情況下，對不同功能需求的流量過程進行比較，取其最大值(如：保守目標下某時段根據水文條件要求所得生態流量大于該時段下維持河流生態系統所需的生態流量，則取水文條件所求生態流量)，同時考慮重構流量過程實現的可能性，結合不同等級的河流保護目標(保守、最優)，分不同級別重構河流健康流量過程。重構后葉爾羌河的河流健康流量過程(見圖2)。考慮到葉爾羌河卡群水文站下游為徑流耗散區，其中分布較多農業灌溉區，農業活動強度大(特別是農業灌溉時期)，為盡可能保證流域內農業用水，將改進Tennant法得到的生態基礎流量作為保守河流保護目標下枯水時段的河流健康流量，平水時段和豐水時段的生態基礎流量按改進的Tennant法與Texas法所求流量比較取其最大值算；最優河流保護目標是將改進Tennant法中生態適宜流量與月保證率法計算所得生態適宜流量按照對應時段內取其最大的流量作為河流健康流量過程。

2.2.5 基于河流健康維持分級目標的健康需水量 如表6所示，保守河流保護目標下枯水時段、平水時段和豐水時段的健康流量依次為4.93，13.35，80.49 m3/s，折算成水量依次為5.20×107，1.41×108，8.48×108m3，在考慮輸沙需水情況下年健康需水量為1.19×109m3；最優河流保護目標下枯水時段、平水時段和豐水時段健康流量依次為14.95，24.14，182.12 m3/s，折算成水量依次為1.56×108，2.54×108，1.92×109m3，在考慮輸沙需水情況下，全年健康需水量仍為2.33×109m3。總體看，保守河流保護目標下，枯水時段、平水時段、豐水時段、全年平均健康流量約為多年平均流量的9.9%，16.9%，16.1%和15.7%，基本符合Tennant法關于河流生態狀態最小生態流量的描述，即占同期多年平均流量的10%；最優河流保護目標下，枯水時段、平水時段、豐水時段、全年平均健康流量約為多年平均平均流量的30.2%，30.3%，36.5%和35.2%，基本符合Tennant法關于河流生態狀態好、非常好的生態流量描述，即占同期多年平均流量的約30%。

圖2 保守目標和最優目標下葉爾羌河各時段健康流量過程

此外，本文成果與已有相關文獻[25-26]關于葉爾羌河生態需水計算成果進行比較。結果顯示，李靖[25]計算得葉爾羌河河道內多年平均生態需水量為2.82×109m3；孫建光等[26]中計算出葉爾羌河河道內最小生態需水量為1.33×109m3，適宜生態需水為2.01×109m3，與本文成果較接近；同時本文成果符合《塔里木河流域綜合規劃》中所要求的完成向塔里木河生態輸水3.30×108m3的任務，即要求卡群斷面生態供水量至少為9.70×108m3。因此，綜合比較后，本文計算成果基本合理。

表6 葉爾羌河不同保護目標下河流健康流量及需水量

3 結 論

(1) 選取葉爾羌河出山口卡群水文年站1957—2015年逐月實測流量資料，分別從河流形態、水文條件、河流生態系統等方面制定河流健康保護目標，并基于保護目標的功能需求性和可達性，將河流健康保護目標分為保守目標和最優目標。其中，保守目標主要考慮防止河道功能性斷流(對應生態基礎流量過程)，滿足水生生物基本生存(對應水生生物生存下限流量過程)，汛期防洪輸沙(輸沙需水過程)；最優目標主要考慮水文條件尤其是非汛期水文條件極大改善(對應生態適宜流量過程)，滿足水生生物生存(對應水生生物生存最優流量過程)、汛期防洪輸沙(輸沙需水過程)條件。

(2) 采用多種水文學方法重構研究區河流健康流量及過程。其中，基于改進Tennant法，計算得到典型年1960年流量分布得3個時段〔枯水時段(1—4月、平水時段(10—12月、5月)、豐水時段(6—9月)〕，采用各時段多年平均流量的10%作為生態基礎流量，采用各時段多年平均流量的30%作為生態適宜流量，得到維持葉爾羌河水文條件的生態基礎流量與生態適宜流量過程；采用月保證率法推薦的50%保證率下多年平均徑流量的30%和采用Texas法20%中特定百分率下的月流量過程，得到維持葉爾羌河河流生態系統的最小生態流量和適宜生態流量過程；根據經驗公式計算得葉爾羌河汛期輸沙需水量為1.52×108m3。

(3) 保守河流保護目標下，將改進Tennant法得到的最小生態流量作為50%保證率水文年枯水時段(1—4月)河流健康流量，按改進的Tennant法與Texas法所求流量比較取其最大值作為平水時段(10—12月、5月)和豐水時段(6—9月)的河流健康流量算；最佳河流保護目標下，將改進Tennant法中適宜生態流量與月保證率法計算得適宜生態流量按照對應時段內取最大值作為河流健康流量過程。

(4) 保守河流保護目標下，枯水時段、平水時段和豐水時段的健康流量分別為4.93，13.35，80.49 m3/s，折算成水量依次為5.20×107，1.41×108，8.48×108m3，考慮輸沙需水量，年健康需水量為1.19×109m3；最優河流保護目標下枯水時段、平水時段和豐水時段的健康流量分別為14.95，24.14，182.12 m3/s，折算成水量依次為1.56×108，2.54×108，19.20×108m3，考慮輸沙需水量，年健康需水量為2.33×109m3。

(5) 通過對比葉爾羌河已有相關文獻、資料，研究成果基本合理，符合《塔里木河流域規劃》中對塔里木河生態輸水3.30×108m3的任務要求。