新疆布谷孜河生態流量目標分析計算

謝源源

(新疆水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830000)

布谷孜河流域位于我國新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿圖什市境內，流域內氣候干旱，山區植被稀少，巖體裸露，上游冰川和永久積雪不發育，但其山間盆地分布著眾多泉眼，形成布谷孜河的常年徑流，因此徑流年內變化較平穩，夏季暴雨洪水產生水量與融雪徑流相疊加河道來水量增大，枯水期水量小。

隨著流域內耕地面積及社會經濟其他各業用水逐年增加。布谷孜河流域各業現狀引水量為1.038億m3，占布谷孜河多年平均徑流量(1.102億m3)的96.3%，總用水量中農業用水占比大(93.7%)。由于經濟社會用水占比過高，生態用水逐年減少，流域水資源利用及生態環境保護之間不協調。隨著山區水庫蓄水、渠道引水，造成河床發生變化，河道水量過少甚至斷流，影響河流生物生存環境與生態功能[2-3]。

布谷孜河建有2座攔河水庫，對河流形成阻隔，造成河流縱向連通性較差，對魚類的索餌、產卵等活動產生阻隔影響，河流生態水量得不到滿足，季節性斷流的發生威脅河流生態健康[1]。尤其托卡依水庫下游河道水量減少，使流域內部的水循環關系變差，對下游下泄的水量逐漸減少，生態用水得不到足夠補充，不利于土壤鹽堿排除，導致下游土壤沙化、荒漠化加劇[4-5]；下游濕地面積減少、天然林草地退化，動植物生境惡化，生物多樣性遭受到一定程度破壞，造成林草、濕地等生態系統功能顯著退化；河道間歇性斷流影響水生動物生存環境。

1 研究區概況

布谷孜河水系由山區呈獨立水系的鐵列克河和布谷孜河干流兩大水系構成，布谷孜河上游段稱為馬依丹薩依河，流向由北向南[6]。上游兩岸支流十分發育，進入喀拉塔格山的山間盆地—吐古買提盆地，河流即呈散流狀，大量河水滲入地下。河流主支在盆地中向南進入東、西兩側分別為喀拉塔格山和喀拉多維克孜勒塔格山之間的峽谷，左岸接納了左岸支流吐古買提河，以下河段始稱布谷孜河。布谷孜河自阿湖水庫以下分為東、西兩支汊流。東支汊流自阿湖水庫壩址以下流向東南注入位于博孜塔格山北側隘口的托格拉克水庫。

布谷孜河西支從分叉口向南流，經博孜塔格山北側隘口，沿途接納大支流鐵列克河和多條發源于喀拉塔格山的季節性河流呈散流狀從右岸匯入后進入阿圖什市區；沿途與右岸的恰克馬克河的北岔分支流匯合；之后水流進入托卡依水庫。出庫水量除灌溉外余水進入伽師縣境內。河流全長174km，集水面積5211km2。

布谷孜河阿俄水文站位于東經76°04′，北緯39°49′，測站以上集水面積1112km2，河長85km，多年均徑流量1.109億m3，布谷孜河來水量有一部分來自其山間盆地分布著眾多泉眼出露的泉水，因此徑流年內變化較平穩。具體位置如圖1所示。

圖1 布谷孜河及參證流域水系站網分布示意圖

本次對阿俄站1957—1992實測年徑流量系列進行分析，徑流的四季分配情況是:春季3—5月，夏季6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月，徑流年內分配較均勻，各季相差不大，其中夏季最多，占多年平均年徑流量的30.9%；冬季最少，占全年徑流量的20.5%。

阿俄站34年實測年均徑流量0.9737億m3；最大年徑流量為1966年的2.019億m3，年徑流系列最大變幅為多年平均徑流量的2.07倍；最小年徑流量為1985年的0.743億m3，最大與最小年徑流量的比值為2.72倍；年徑流變差系數為0.24。由此可見，阿俄水文站的徑流年際變化較平穩，與布谷孜河徑流受泉水補給有關。

布谷孜河流域位于天山南脈西段與帕米爾高原接壤處的馬鞍形鞍部，因遠離海洋，水汽含量少，氣候干燥、少雨，天氣變化主要受西風氣旋控制。流域內氣溫隨海拔高程增加而逐漸降低，呈現出明顯的垂直地帶性變化，在山區表現尤其突出。[7]

流域內氣象資料不足，僅阿俄水文站有1957—1992年的氣象資料，本次選用鄰近流域內水文、氣象站為參證站，阿俄氣象站作為主要分析參證站點，對布谷孜河流域的氣候特征進行分析。流域內的氣溫平原高于山區，按地形走勢北部低于南部。根據各站點資料統計分析，多年逐月平均氣溫最高值出現在7月，最低出現在1月份，山區與平原差異較大。阿俄站多年氣象要素見表1。

表1 參證站氣象要素統計表

布谷孜河是一條經過初步治理的河流，已建成一定數量和規模的骨干水利工程體系。布谷孜河現有水庫4座，分別為阿湖水庫、托克拉克水庫、托卡依水庫、托格拉克水庫，總庫容為1.38億m3。布谷孜河總干渠，從阿湖水庫引水，全長14.5km，采用混凝土板和塑膜防滲，設計流量8.0m3/s。布谷孜河干流有1處地表水飲用水水源地，即阿湖鄉農村飲水水源地，在布谷孜河烏恰阿圖什源頭水保護區。

2 研究方法

2.1 資料收集

本次分析計算所選用布谷孜河的阿俄水文站1957—1992年實測流量資料、大橋專用站1986—1989年實測流量資料、托卡依水庫實測的托卡依水庫1980、1982—1983年和托卡依水庫管理站實測的2004—2006年、2011—2015年出庫水量日表及庫水位資料；參證站恰克馬克河的恰其嘎水文站、卡浪溝呂克河卡浪溝呂克水文站和阿圖什市氣象站的氣象資料。

2.2 分析方法

常用生態流量計算方法可分為：水文學法、水力學法、棲息地評價法和整體法4大類。[8]

我國運用較為普遍的是水文學法和水力學法進行生態流量計算，其中通過水文歷史資料分析河流流量，仍以水文學方法為主。本次采用的方法為Tennant法、Qp法、7Q10法等，[9]主要以阿俄站1957—1992實測年徑流量系列確定河流生態流量。

2.2.1Tennant法

Tennant由Don Tennant首次提出，該方法以歷史流量為基礎確定河流生態流量，利用觀測得到的數據建立河寬、平均深度、流速等棲息地參數與年平均徑流量的經驗關系，得出結論見表2。

表2 Tennant法 單位：%

2.2.2Qp法

Qp法以天然月平均水位、月平均流量或徑流量系列為基礎，一般資料系列應大于30年[8]。采用阿俄站實測徑流資料進行統計分析，對逐年最枯月徑流系列進行頻率計算，采用95%的計算成果作為布谷孜河的最小生態徑流。采用如下計算公式：

Wr=12×min(Wij)p=95%

(1)

式中，Wr—河道最小生態流量；min(Wij)p=95%—95%保證率的最小月徑流量。

2.2.37Q10法

7Q10法將阿俄站逐年連續最小7d的日平均流量系列進行頻率計算，得到不同保證率計算成果，采用90%計算成果作為生態需水量的最小值。來水量不大，實測流量系列需大于20年，水資源開發利用較高的河流較適合。

2.2.4最枯月平均流量多年平均值法

最枯月流量法，宜用最近10年最枯月流量平均值為生態流量，由于使用的為最新資料，因此在計算河流納污能力方面有獨特的優勢。

采用如下計算公式：

(2)

2.3 控制斷面及目標

2.3.1河流來水情況

據實地調查目前布谷孜河上游河道沿途沒有水利工程，河道徑流處于天然狀態，地表水體分布在布谷孜河干流和支流上。阿湖水庫建成后，建有兩條引水渠從水庫引水，一條向托克拉克水庫引水，另一條布谷孜河總干渠引水，壩后無直接引水上岸，水庫出庫水量按《克州水管處阿湖水庫調度運行方案復》運行，泄洪沖沙閘放水，放水閘放水，按照水庫設計和水庫調度運用方案運行。從實際運行來看，阿湖水庫斷面河段僅在洪水期有余水進入河道，除少部分閘門滲漏水量外，出庫水量全部由北支引向農三師、余水由布谷孜總干渠引入灌區，造成阿湖水庫以下至鐵列克河匯入口間河道(約8km)基本處于斷流狀態，鐵列克河匯入口以下至托卡依水庫，布谷孜總干渠灌溉余水與博孜塔格山泉水匯入，河道長年有水流淌；從托卡依水庫攔河壩以下400m格達良干渠與北支渠承擔灌溉任務，引水渠引水流量5m3/s和4m3/s。每年1—5、9—10月為蓄水期河道無水；6—7月灌溉期、11—12月冬灌期水量先后引入灌區，僅為灌溉余水流向下游，下游河段現狀為常年斷流河段，無水進入恰克瑪克河。

2.3.2控制斷面確定

根據《新疆維吾爾自治區河湖生態流量(水量)目標制定與保障方案編制提綱》以及《關于新疆重要河流生態流量(水量)目標制定與保障方案編制工作補充要求的通知》的規定，同時結合本次計算生態流量(水量)所在流域內資料收集情況選擇控制斷面[10]。通過對布谷孜河水資源開發利用、生態情況、河道來水、徑流量年內年際變化等分析，確定布谷孜河生態流量(水量)控制斷面共計3個，上游控制斷面為阿湖水庫斷面，中游控制斷面為高速公路大橋斷面，下游控制斷面為托卡依水庫斷面。據布谷孜河特點及生態保護要求，各河段生態情況：布谷孜河在托卡依水庫斷面以上為長流水河流。

(1)阿湖水庫—高速公路大橋河段

布谷孜河阿湖水庫以下位于山前洪積扇，根據現場調查，在阿湖水庫—高速公路大橋河段河谷中零星生長紅柳、梭梭、半灌木駝絨藜。另外，該河段人工種植沙棗樹、楊樹等主要生長在河道兩側的臺地(距離河床水平面較高，最高達幾十米)，該河段在非汛期基本斷流，僅在洪水期有水量下泄，補充河谷林的生態用水量。據實際運行來看，阿湖水庫斷面河段僅在洪水期有余水進入河道，其余時間河干，全年均未滿足生態基流的要求，現狀調查河谷植被生長依靠人工灌溉。因此，第一個生態流量控制斷面選阿湖水庫以下500m處，保護河谷內植被等生態。

(2)高速公路大橋—托卡依水庫河段

此段所處山前洪積扇和喀什噶爾沖洪積平原，每年汛期洪水從河道走，河谷低地的植被能夠得到補水。河灘分布有片狀的梭梭、駱駝刺，苦豆子、賴草，河岸生長紅柳、楊樹、榆樹林(大部分人工林)，其生存除了依靠春季融雪水和夏季洪水生長外，還與該區域分布有溢出的泉水有關，可以對其進行灌溉。

因此，將高速公路大橋斷面作為布谷孜河生態流量計算節點，保護河谷內的天然林草等生態。

(3)托卡依水庫以下河段

此河段生態需水目標為托卡依水庫下游河漫灘的天然河岸林草，水庫8km以下至匯入恰克瑪克河段的河道實為鹽堿渠，河谷無天然植被，此段無明確的生態保護對象。

2.3.3各控制斷面生態目標

結合布谷孜河水資源調配實際情況及水源條件，根據不同河段天然來水情況劃分各河段的生態流量目標指標。布谷孜河阿湖水庫斷面以上現狀條件下保持常流水，目標指標按流量控制采用生態流量成果；高速公路斷面為不斷流河段，目標指標按水量控制，采用最小生態水量成果；托卡依水庫以下斷面枯水期斷流，目標指標采用生態水量成果控制，5—9月能夠確保下游河道兩岸天然植被正常生長，按照托卡依水庫生態水量泄放過程下泄生態水量。

3 計算與分析

3.1 水文系列分析

3.1.1阿俄水文站

阿俄站是1956年在布谷孜河設立國家基本水文站，位于阿湖水庫下游500m，阿湖水庫大壩合攏后阿俄站1993年4月停止觀測。對阿俄站徑流系列(1957—1992年)進行頻率計算，得統計參數和不同頻率下的設計年徑流量成果，見表3。

根據計算與適線，得到阿俄站多年平均徑流量及25%、50%、75%、95%的設計年徑流量見表3；年徑流量頻率曲線如圖2所示。

圖2 阿俄站逐年年徑流頻率曲線圖

表3 阿俄站設計年徑流量成果表

3.1.2高速公路大橋斷面

根據本次野外踏勘，高速公路大橋斷面水量補給來源多樣化，主要來源包括：①布谷孜河南支流來水量：布谷孜河阿湖水庫泄水大洪水期間，水量大致按4∶6的分水比例向托克拉克水庫和托卡依水庫方向輸送，冬季部分棄水進入托克拉克和托卡依水庫，其他時間大部分水量經布谷孜河南支流沿途灌區引用后剩余部分水量，由布谷孜總干渠在高速公路大橋上游約1km處匯入河道。②鐵列克溝來水量：鐵列克溝(集水面積1700km2)的汛期暴雨洪水匯入布谷孜河。據多年調查分析，鐵列克溝平常為干涸河溝，只有到汛期(為5—8月)才發生暴雨洪水而補給河道。由于鐵列克河出山口至鐵列克河與布谷孜河干流匯合口距離較遠，鐵列克供需平衡計算的余水量考慮30%的損失后，剩余水量匯入干流。③其它水量：上游諸河及北部山洪溝大量轉化的潛層地下水及山前側滲、阿湖水庫截潛流水量補給。

因缺乏資料分析依據不足，本次未還原高速公路大橋斷面天然徑流量，采用克州水文勘測局1987—1988年實測流量資料與阿俄水文站水文比擬法計算高速公路大橋斷面1957—1992年多年平均徑流量0.6134億m3，成果作為核算依據，見表4。

表4 高速公路大橋斷面設計年徑流量成果表

3.1.3托卡依水庫斷面

托卡依水庫入庫水源組成：①布谷孜河南支流來水量；②庫區北部小山洪溝暴雨期間部分洪水匯入水庫。

采用《阿圖什市托卡依水庫除險加固工程可研報告》(2017)成果作為核算依據，利用實測的托卡依水庫1980、1982—1983年和托卡依水庫管理站實測的2004—2006年、2011—2015年出庫逐日流量及逐日庫水位資料，根據水量平衡原理，計算得到月年入庫流量數據。具體見表5。

表5 托卡依水庫入庫設計年徑流量成果表

3.2 生態基流計算

3.2.1Tennant法計算各節點成果

根據《新疆河流水文水資源》中關于新疆河流枯水期的確定：以平均流量小于或等于年平均流量的60%作為枯水月標準。

布谷孜河逐月來水量較為均衡，最小月平均流量為年平均流量的77%，因此本次計算以大于或等于年平均流量作為汛期標準，并確定枯水期為(10月至次年4月)，豐水期為(5—9月)。采用Tennant(Montana)法計算成果見表6。

表6 Tennant法計算3個斷面生態流量成果表

3.2.2Qp法計算成果

阿俄站實測流量成果表由(1957—1992年)挑選逐年最枯月徑流量組成樣本系列，通過頻率計算(皮爾遜Ⅲ型曲線)得到統計參數和不同保證率最枯月徑流量設計成果。選95%保證率對應流量值，通過式(1)計算，成果見表7和圖3。

表7 阿俄站保證率法95%生態基流(水量)計算成果

圖3 阿俄站逐年頻率曲線圖

3.2.37Q10法計算成果

根據阿俄站1957—1992年的實測系列逐日流量成果表，挑選出逐年最小7d流量計算其均值，得到36年的資料系列，通過頻率計算(皮爾遜Ⅲ型曲線)，計算得到統計參數和不同頻率下的設計值。成果見表8和圖4。

表8 阿俄站7Q10法河道最小生態水量成果表

圖4 阿俄站7Q10頻率曲線圖

選擇90%保證率計算成果，連續最枯7d流量為對應的平均流量為1.42m3/s，相應的生態水量0.0086億m3，發生時間為1963年7月5—11日。

3.2.4最枯月平均流量多年均值法計算成果

采用阿俄站1957—1992年的實測流量資料，統計最近10年最枯月份的平均流量值(1978—1987年)，通過公式(2)計算，得到河道生態水量，見表9。

表9 布谷孜河阿俄站最枯月平均流量方法生態基流(水量)計算成果

3.3 生態流量的確定

通過以上4種方法計算得到各河段生態流量。針對阿湖水庫斷面的4種成果進行對比分析。其中最枯月流量法計算的成果為1.82m3/s，為4種成果中的最大，Tennant法計算的成果為0.436m3/s，為4種成果中的最小。根據《阿湖水庫除險加固工程建設項目環境影響評價報告》以及2018年根據《阿湖水庫除險加固工程建設項以來的實際來水情況，確定采用Tennant法計算的成果。高速公路斷面和托卡依水庫斷面根據河段內水生態生長期需水量，同時結合阿湖水庫泄水過程、水生態環境用水過程，洪水期(5—9月)生態基流高速公路斷面和托卡依水庫斷面確定為上游多年平均來水量的20%，枯水期(10月—次年4月)為上游多年平均來水量的10%進行泄水,見表10。

表10 布谷孜河各控制斷面生態基流月過程表

4 結論與建議

布谷孜河流域水資源開發利用程度高，現狀條件下，阿湖水庫以下僅在洪水期有余水進入河道，下游河段現常年斷流，流域部分生態功能區退化嚴重。

通過計算分析，得到布谷孜河各斷面生態流量(水量)，目標均采用生態水量控制，阿湖水庫壩址斷面、高速公路斷面為常流水(不斷流)河段；托卡依水庫斷面，全年下泄河道生態水量不低于0.1467億m3，另分別在5月初和9月末集中通過水庫調度人工造峰2次，以利于水量輸送至下游。

建議采取上下游統一管理，建立生態流量監測預警體系，構建流域生態水網體系，對于本流域生物多樣性保護和區域生態平衡保護具有重要的生態意義[11-12]。