基于1960-2018年實測徑流與水文學方法的開都河生態流量分析

季小兵，馬玉其，王新友，楊疆衛，朱成剛

(1.新疆維吾爾自治區塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

伴隨經濟社會的發展進步，人類對水資源的開發利用需求與強度日益增大，大規模的水土開發、攔河筑壩和修建水庫等水利工程顯著地改變了河流的自然水文過程與水文情勢[1-2]，日益增大的河流水資源開發利用強度常常造成河流下游徑流減少，河道斷流干涸，河流及沿河生態環境惡化等問題[3-5]。研究顯示，水資源不合理地開發已經導致全球近1/3河流生態系統退化[6]。越來越多的國家和地區普遍認同在水資源開發利用過程中確定維持河流生態健康的生態流量勢在必行[7]。河流生態流量涉及的概念較多，國內使用較多的包括“生態基流”、“生態需水”、“最小生態需水量”、“生態環境需水量”等[8]，從20世紀70年代提出相關概念，至90年代，伴隨國內水生態、水環境問題日益突出而逐漸成為水文水資源和水生態環境領域的研究熱點[9]。國外相關研究涉及的概念有環境流量(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)和基本生態需水(basic ecological water requirement)等[9,11-12]。生態流量的確定已經成為水資源開發利用及調度管理的重要基礎工作與亟需解決的問題之一[13]。其常常關系到河流生態系統保護與恢復[14]和灌區供水保障[15]，并與農業生產和農田生態系統關系密切[16-17]，與河流生態系統穩定及人類經濟社會發展所依托的自然生態系統健康直接相關。

開都河是我國最大的地州行政區——新疆巴音郭楞蒙古自治州境內最大的一條河流，提供了巴音郭楞自治州北四縣(和靜、焉耆、和碩、博湖)灌區、博斯騰湖濕地及經博斯騰湖出流后的孔雀河流域綠洲灌區的主要水資源，多年平均出山口徑流量為35.22×108m3，開都河出山口河段區域位置及周邊水系分布見圖1。開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水入湖，目前開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展條件優越的河流，開都河中游山區峽谷段目前已經規劃和建設的水電站有11級，已建成6級電站。開都河流域為絲綢之路經濟帶新疆核心區中部通道的重要節點，其自然資源的可持續利用與生態系統的健康直接關系到區域經濟社會的穩定發展和國家重大戰略的順利實施。然而，在全球氣候變化的背景下，干旱區內陸河流域極端水文事件發生頻率增加，山區來水波動增大，水資源保障不確定性加強[18-19]。加之人類水電開發與水利工程建設活動的干擾等，開都河在2012-2014年流域偏枯年份曾一度多次斷流，累計斷流時間超過100 d，位于開都河尾閭的我國最大內陸淡水湖——博斯騰湖水位也一度跌破最低控制水位1 045.00 m，給流域水生態造成嚴重影響。明確開都河生態流量，特別是枯水期的生態需水量，對于保障河流水生態健康、服務并支撐流域水資源可持續利用與管理、保障區域水安全具有重要意義。

圖1 開都河出山口河段區域位置及周邊水系分布

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究所用的徑流數據為開都河大山口水文站的實測值，大山口水文站為開都河出山口水量監測控制站，地理坐標為85°44′E、40°13′N，屬國家重點水文站，建站于1956年6月，監測至今，本次所用徑流數據系列為1960-2018年。

2.2 研究方法

當前針對河流生態流量的研究方法較多，歸納起來主要包括水文學方法、水力學方法、生態棲息地模擬法和整體分析法等[8,20]。其中水文學方法是基于河流實測徑流資料確定生態流量的一類方法，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法在國內生態流量研究中應用較多，并且常基于多種方法進行計算并對比研究[5,21-22]。本研究參照已有研究基礎[23]，基于多年徑流監測數據，采用Tennant法、典型水文頻率年法、最枯月平均流量法和Qp法4種水文學方法計算分析開都河的生態流量。

(1)Tennant法。Tennant法又稱為Montana法[24]，是非現場測定類型的標準設定法，也是國內外分析河流生態流量常用的水文學方法。依據Tennant法的研究結果，河流流量的10%是保障多數水生生物生存所須的最小流量，當河流流量達到多年平均流量的30%時，水生生物擁有非常好的生境。國家環保總局2006年發布的《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)》也明確提出河流生態基流下限不得小于多年平均天然徑流量的10%。在采用Tennant法進行生態流量分析的研究中，通常在河流秋、冬季采用徑流量的10%作為河流的生態流量，春、夏季考慮到魚類產卵育幼期，一般采用徑流量的30%綜合確定河流的生態流量。

(2)典型水文頻率年法。典型水文頻率年法是依據多年實測徑流距平百分率法對河流的豐枯年類型進行劃分[25]，相關計算公式為：

(1)

式中：E為水文站實測徑流的距平百分率，%；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《水文基本術語和符號標準》(GB/T 50095-2014)[26]的豐、平、枯年型劃分標準。

表1 水文豐、平、枯年型劃分標準

由表1所列劃分標準，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都河研究斷面的生態流量。

(3)最枯月平均流量法。該方法計算公式為：

(2)

式中：W為河流最小生態水量，108m3；Qij為第i年第j月河流的平均流量，m3/s；T為時間，s，取值為T=31.54×106s；n為年數，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，國內外研究中常常采用90%或者95%保證率的水文年最小月平均流量為標準確定河流生態流量。Qp法多用于開發利用程度較高的河流，分析計算需要研究河流有較長序列的水文實測資料[28]。

3 結果與分析

3.1 開都河徑流特征

圖2為1960-2018年開都河大山口水文站流量及徑流變化特征；表2為開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。

基于開都河大山口水文站1960-2018年的多年徑流數據可知，開都河多年平均徑流量為35.22×108m3。由圖2(a)可知，開都河出山口徑流呈現增加趨勢，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，開都河逐步進入豐水階段。

表2 開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、來水最多的時段，各月多年平均流量均在100 m3/s以上(平均流量為162.30 m3/s)，該時段相應的徑流量多年平均值為25.72×108m3；7月份流量最大，多年月平均流量達到212.57 m3/s，相應的7月份多年月平均徑流量為5.69×108m3；10-翌年3月為年內相對枯水月份，多年月平均流量為62.81 m3/s，該時段相應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 基于不同方法的開都河生態流量計算

(1)基于Tennant法的生態流量計算。Tennant法一般選擇河流出山口監測站點，且具有多年實測數據。開都河大山口監測斷面完全符合Tennant法的使用條件。通過對大山口水文站月流量數據分析，開都河每年的4-9月及10-翌年3月分別為年內豐水期和枯水期，對應流域的魚類產卵育幼期和一般用水期。考慮到開都河出山口以上建有多座梯級水電站，且開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月的生態流量標準提高到多年平均流量的20%，而開都河的4-9月涵蓋了魚類產卵育幼期的敏感時期，因此生態流量取多年平均流量的30%。計算得到開都河大山口斷面10-翌年3月的生態流量應平均不小于15.60 m3/s，對應此階段下泄的生態水量應不少于2.47×108m3；大山口 4-9月的生態流量應平均不小于46.15 m3/s，相應下泄的生態水量應不少于7.30×108m3。

(2)基于典型水文頻率年法的生態流量計算。利用開都河流域大山口水文站1960-2018年平均徑流量數據，計算出每年的距平百分率，結果見表3。根據表1所示標準，可以將計算時段各年份按豐水年、平水年和枯水年進行劃分，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%，為記錄以來的最枯年，年徑流量僅為24.63×108m3。選取1986年中最枯月2月的流量37 m3/s作為最小生態流量，以此為標準計算生態流量所對應的全年基本生態環境需水量為11.67×108m3。

表3 基于開都河大山口水文站1960-2018年徑流數據的豐、平、枯年型劃分及保證率

(3)基于最枯月平均流量法的生態流量計算。表4為開都河大山口斷面2009-2018年最枯月及其相應月平均流量統計。由表4可知，近10年開都河大山口最枯月流量在1月份出現了6次，2和12月各出現2次，近10年開都河最枯月平均流量為45.54 m3/s，以此作為開都河大山口的生態流量，對應的最小下泄生態水量為14.36×108m3。

表4 2009-2018年開都河最枯月及其月平均流量

(4)基于Qp法的生態流量計算。表3為基于大山口水文站1960-2018年徑流數據的豐、平、枯年型劃分及保證率統計。

采用90%保證率的Qp法進行分析，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在1月，為33.2 m3/s，以該流量作為Qp法確定的生態流量，相應的開都河年基本生態環境需水量為10.47×108m3。

3.3 開都河生態流量的確定及其滿足度評價

通過比較上述4種方法，發現典型水文頻率年法和最枯月平均流量法結果相對較大，而Tennant法和Qp法的結果較為接近且相對較小。對比計算結果與開都河大山口水文站以下至入湖河段河損情況可以看出，各方法計算結果均能夠滿足河段河損，保證河流基本形態和基本功能。表5為4種水文學方法計算所得大山口水文站生態流量目標的對比。

由表5可看出，基于大山口水文站多年流量監測數據，按照Tennant法估算的基本生態環境需水量與生態流量在無任何引水的情況下，即使出現最大河損，也能夠保證開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豐枯變化和水生生物產卵育幼期對流量的需求，因此，采用Tennant法計算的開都河生態流量相對更為適宜。

表5 4種不同水文學方法計算的開都河大山口水文站生態流量結果比較

表6為基于確定的開都河大山口生態流量目標，逐月分解的生態流量及其對應的生態水量的滿足度對比分析。由表6可知，確定的生態流量無論是在年內相對枯水的一般用水期還是年內相對豐水的魚類產卵育幼期均可以得到100%的保證率，且依據生態流量確定的基本生態環境需水量在年內不同月份均可以滿足大山口站以下河段的多年平均河損，說明此生態流量下可以保證河流的基本形態與功能。

表6 開都河大山口水文站逐月生態流量與基本生態環境需水量滿足度比較

4 討 論

我國雖然開展河流生態流量研究已經近50年，針對不同區域的許多河流基于不同方法開展了一系列的研究，但是至今尚未建立明確且統一的生態流量計算方法體系，相關概念也不統一。“十八大”以來，國家積極倡導并致力于生態文明建設，在全國范圍內推行并落實河長制，但是至今，我國多數河流并沒有明確的行之有效且可操作的生態流量管理制度，使得我國許多河流在生態流量的監管、執行和保障措施、制度建設與技術手段等方面均難以滿足大規模開發背景下對生態流量的管理需求，導致河流斷流、生態退化和水污染等一系列問題[29-30]。開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，河流尾閭是我國最大的內陸淡水湖，河流生態區位重要，但是開都河與我國許多河流一樣，尚未有系統的生態流量管理制度，以及協調可行的電調服從水調機制，這在一定程度上增加了整條河流生態水量保障的不確定性。在未來流域的水資源科學調配與管理中，隨著河長制的深入落實，針對生態流量管理的制度與機制建設、監管技術與措施保障等應當盡快加以強化。

生態流量概念的提出與相關研究最初的一個重要目的是為保障河流中的水生生態與生物多樣性，特別是一些魚類的洄游、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濟社會發展的局限性，在我國許多河流上進行的水利水電設施建設中，并未考慮魚類的繁殖洄游特性，這對河流水生生態有著較大的影響，甚至對于一些魚類是毀滅性的打擊。開都河作為新疆水資源和水能資源開發利用程度較高的一條河流，其中由山區峽谷到下游綠洲灌區，分別建有多級水電站與水利樞紐工程，而其中不少攔河壩與樞紐并未設計過魚設施，即便嚴格保障了河流的生態流量，河流的水生生態與水生物種多樣性仍然會受到較大影響，這應該作為未來開都河自然資源可持續開發過程中亟需改善的一個問題。

對于河流生態流量的研究，特別是基于河流歷史水文數據和生態調查的一些研究方法都是基于河流水文序列基本穩定的前提下。然而，隨著全球氣候的變化，極端水文事件日益增多，特別是開都河所處的干旱區，對全球氣候變化尤為敏感，相應的極端氣候水文事件已經對各干旱區內陸河流域的水循環與水資源安全產生了較大影響，對流域水資源管理者提出了極大挑戰[18-19]。這些變化以及由于氣候和水文過程的不確定性引發的對河流生態系統的影響可能限制了以往的一些研究方法在當前的河流生態流量管理中的應用。對已有的生態流量管理方法與需求的相關研究，需要結合氣候變化及由此帶來的水文過程的改變去重新認識與評估，這可能是未來生態流量研究的一項重要內容[31-33]。

5 結 論

(1)基于開都河大山口水文站1960-2018年的實測水文資料，對比4種河道生態流量計算方法，以Tennant法計算確定的河流出山口控制斷面生態流量(水量)相對最為適宜，開都河在大山口斷面10-翌年3月的生態流量應平均不小于15.60 m3/s，4-9月斷面生態流量平均不小于46.15 m3/s，兩個時段生態流量對應的最低下泄生態水量分別為2.47×108和7.30×108m3。

(2)開都河在大山口斷面確保不小于上述生態流量的情況下，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功能。

(3)基于確定的控制斷面生態流量管理目標，制定并完善開都河中游山區峽谷段水電企業與流域管理部門協調溝通的體制與“電調服從水調”的機制是流域生態流量管理亟需開展的工作。