胡可可,何建村,趙 健,塔依爾,蘇里坦

(1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049; 3.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳 水資源規(guī)劃研究所,烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,水資源過度開發(fā)利用日益嚴重,河流出現(xiàn)了河道流量銳減、水土流失、水資源短缺和植被退化等問題,使河流生態(tài)用水難以保證[1-3]。為緩和人類用水與生態(tài)環(huán)境用水之間的矛盾,生態(tài)基流應運而生,美國學者最先開展相關(guān)研究[4]。針對不同地區(qū)的河流狀況,生態(tài)基流存在不同定義,其中被廣泛認可的生態(tài)基流概念是指維持河流基本生態(tài)功能,避免水生生物群落遭受不可逆轉(zhuǎn)破壞的最小流量[5-7]。

目前,針對生態(tài)基流的相關(guān)研究主要集中在生態(tài)基流計算方法及其保障率等引伸而出的生態(tài)輸水調(diào)度、漁業(yè)資源和生物多樣性保護、生態(tài)環(huán)境治理修復、旅游與通航需求維護、生態(tài)補償機制對策、河流生態(tài)系統(tǒng)平衡與流域生態(tài)保護可再生發(fā)展等方面[8-10],已經(jīng)形成了相對完善的理論和計算體系并擁有較為豐富的評價指標[11-12],但針對干旱區(qū)內(nèi)陸河流生態(tài)基流的有關(guān)研究還相對較少。

昆侖山北麓屬典型內(nèi)陸干旱區(qū),位于歐亞大陸腹地,降水十分稀少,植被稀疏,荒漠廣布,河流生態(tài)系統(tǒng)敏感脆弱[13-15]。隨著人類活動的加劇[16],昆侖山北麓諸河上建立的控制型水庫、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活取水設施使得流域生態(tài)用水安全受到水量短缺和水源污染的進一步威脅,但目前還沒有關(guān)于該區(qū)域河流生態(tài)基流的研究,因此開展相關(guān)研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文選擇昆侖山北麓克里雅河、尼雅河和車爾臣河作為研究對象,利用4種水文學方法計算3條河流的生態(tài)基流,確定出最適宜的計算方法和生態(tài)基流推薦值,并據(jù)此分析各條河流生態(tài)基流時空變化特征及影響因素。以期為揭示昆侖山北麓河流生態(tài)基流時空分異特征、提供流域生態(tài)基流管控目標、實現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置與生態(tài)保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

昆侖山北麓河流補給來源主要是降水和冰雪融水[17],水資源缺乏一直是制約該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素?？死镅藕邮抢錾奖甭闯吞锖油庾畲蟮膬?nèi)陸河流,位于新疆和田地區(qū)于田縣境內(nèi),發(fā)源于昆侖山主峰烏斯騰格山北麓的克里雅山,從南向北貫穿整個于田縣,消失于塔克拉瑪干沙漠腹地,總長約770 km,流域總面積約39 558 km2[18]。尼雅河是昆侖山北坡的諸多小河中具有代表性的一條,位于新疆和田地區(qū)民豐縣境內(nèi),發(fā)源于昆侖山北麓的呂什塔格峰,呈南北走向,河道末端消失于塔克拉瑪干沙漠深處,南北長約200 km,東西寬40～90 km,流域總面積10 160.96 km2[19]。車爾臣河是昆侖山北麓諸多小河中最大的一條河流,位于新疆巴音郭楞蒙古自治州且末縣境內(nèi),發(fā)源于昆侖山北坡的木孜塔格峰,最終注入塔克拉瑪干沙漠邊緣的臺特瑪湖,河流走向變化不定,河長約813 km[20]。在克里雅河、尼雅河和車爾臣河上分別建有努努買買提蘭干站、尼雅水文站、且末水文站3座國家基礎(chǔ)水文站點(圖1、表1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

表1 水文站位置及海拔Table 1 Location and altitude of hydrological stations

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取昆侖山北麓克里雅河、尼雅河和車爾臣河3條河流上建立的努努買買提蘭干站、尼雅水文站、且末水文站3座國家基礎(chǔ)水文站實測記錄的相關(guān)水文氣象數(shù)據(jù),具體包括努努買買提蘭干站1957—2018年、尼雅河尼雅水文站1978—2018年、車爾臣河1958—2014年的月徑流量、月均氣溫、月降水量、年徑流量、年均氣溫、年降水量等實測數(shù)據(jù),均來源于《中華人民共和國水文年鑒塔里木河流域水文資料》,據(jù)此計算分析昆侖山北麓3條河流生態(tài)基流及其時空分異特征與影響因素。

2.2 計算方法

(1)QP法[21]。該方法由美國7Q10法[22]改進而來,用于中國的水質(zhì)污染檢測和生態(tài)基流計算。又稱不同頻率最枯月平均值法,以節(jié)點長時間序列(>30 a)天然月平均水位、徑流量為基礎(chǔ),用每年的最枯月作頻率曲線,選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。其公式為

Qp=f(q≥qp) 。

(1)

式中:Qp為頻率p下的生態(tài)基流(m3/s);f為頻率曲線函數(shù);q為月平均流量(m3/s);qp為頻率p下的逐月流量(m3/s)。根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712—2021),本文頻率p選擇為95%。

(2)Tennant法[23]。該方法是Tennant[23]針對美國11 條河流的58個斷面,分析了不同流量對漁業(yè)的影響,提出來的非現(xiàn)場測定類型的標準設定法,取河流(同時段,這里為每月)多年平均流量的10%～30%作為生態(tài)基流。由于研究區(qū)屬于典型干旱區(qū),3條河流均為季節(jié)性河流,根據(jù)河流特性,本研究對Tennant法適當改進,將汛期改為5—10月份,非汛期改為11月份—翌年4月份,據(jù)此得到昆侖山北麓河流生態(tài)基流標準(表2)。

表2 Tennant法推薦的生態(tài)基流標準Table 2 Ecological base flow standard recommended by Tennant method

Tennant法的具體計算公式為

Qk=MkNk,k=1,2,…,12 。

(2)

式中:Qk為第k月生態(tài)基流(m3/s);Mk為第k月平均流量(m3/s);Nk為第k月對應生態(tài)基流百分比。

(3)近10 a最枯月平均流量法[24]。選擇近10 a最枯天然月平均流量作為生態(tài)基流,雖然該方法需要的水文觀測資料系列較短,但本研究選取的水文數(shù)據(jù)時間尺度均在40 a以上,可保證與其他計算方法的時間尺度一致。具體計算公式為

k=1,2,…,12;d=1,2,…,31 。

(3)

式中:Qk為第k月生態(tài)基流(m3/s);Mkd為第k月的第d天的日均流量(m3/s);n為水文數(shù)據(jù)時間尺度。

(4)Texas法[25]。通過對各月流量頻率進行計算,將50%保證率對應月平均流量的特定百分比作為生態(tài)基流。參考國內(nèi)其他相關(guān)學者的研究成果[26-27],本文選取設計保證率50%對應月平均流量的20%作為生態(tài)基流。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)基流的確定

通過QP法、Tennant法、近10 a最枯月平均流量法和Texas法等4種水文學方法,分別計算克里雅河、尼雅河與車爾臣河的多年平均逐月生態(tài)基流(圖2)。結(jié)果表明4種方法均能很好地反映昆侖山北麓河流的季節(jié)性變化特征,且3條河流均表現(xiàn)為QP法計算的生態(tài)基流最高,其次則為近10 a最枯月平均流量法,Tennant法與Texas法相比,汛期要大于Texas法,非汛期則相反。對比4種計算方法,QP法和近10 a最枯月平均流量法計算結(jié)果相對較高,Texas法計算結(jié)果年內(nèi)變化不明顯,Tennant法計算結(jié)果符合實際流量變化情況。

圖2 4種方法計算的3條河流多年平均逐月生態(tài)基流Fig.2 Annual average monthly ecological base flow of the three rivers calculated by four methods

根據(jù)昆侖山北麓河流實際水文情勢,參考干旱區(qū)其他流域生態(tài)基流研究[28-29],并綜合考慮流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)保護和經(jīng)濟社會發(fā)展需求對4種計算方法進行比較,發(fā)現(xiàn)Tennant法更適合研究區(qū)生態(tài)水文狀況,其計算結(jié)果符合干旱區(qū)內(nèi)陸河河流來水量小、流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱的實際需求,同時滿足《全國水資源調(diào)查評價生態(tài)水量調(diào)查評價補充技術(shù)細則(試行)》(2018年4月)中對生態(tài)基流目標達標的相關(guān)要求。故選擇Tennant法計算結(jié)果作為本文生態(tài)基流的推薦值,并據(jù)此開展進一步分析研究。

3.2 生態(tài)基流時間變化

3.2.1 生態(tài)基流年內(nèi)變化

根據(jù)上述Tennant法的計算結(jié)果,確定克里雅河、尼雅河和車爾臣河3條河流多年平均逐月生態(tài)基流推薦值及占全年比重(表3)。

表3 多年平均逐月生態(tài)基流及占全年比重Table 3 Annual average monthly ecological base flow and its proportion in the whole year

據(jù)表3分析,3條河流年內(nèi)生態(tài)基流最大值均出現(xiàn)在7月份,占全年生態(tài)基流總量的比例分別為31.61%、36.52%、24.56%,最小值均出現(xiàn)在1月份,占全年生態(tài)基流總量的比例僅分別為0.87%、0.08%、0.88%;年內(nèi)汛期生態(tài)基流分別為71.791、20.779、41.013 m3/s,占全年生態(tài)基流總量的比例分別為93.89%、98.67%、86.64%,表明生態(tài)基流年內(nèi)分布的不均性十分明顯,且在夏季尤為突出。這種年內(nèi)分布的差異性主要是由于研究區(qū)3條河流均為季節(jié)性河流,補給來源多為發(fā)生在汛期的冰雪融水和降水,在非汛期河流來水量較少所致。

3.2.2 生態(tài)基流年際變化

在生態(tài)基流年內(nèi)特征研究的基礎(chǔ)上,綜合考慮其年際變化特征,為保證3條河流時間尺度一致性,選擇擁有相同時間序列的年份即1978—2014年的生態(tài)基流進行分析比較,結(jié)果如圖3所示。

圖3 3條河流生態(tài)基流年際變化Fig.3 Interannual variation of ecological base flow in the three rivers

據(jù)圖3分析,昆侖山北麓3條典型河流生態(tài)基流在年際方面的變化特征主要表現(xiàn)為:各河流生態(tài)基流年際變化顯著,且變化趨勢基本相似,最大值均出現(xiàn)在2010年左右,最小值則在1980年前后,并表現(xiàn)為河流流量越大,其生態(tài)基流波動變化越明顯,起伏更加顯著,即克里雅河>車爾臣河>尼雅河。

趨勢分析表明,在1978—2014年克里雅河、尼雅河、車爾臣河的年生態(tài)基流分別以1.378、0.653、3.066 m3/s·(10 a)-1的速度增加,且這種增加趨勢仍在持續(xù)。這與全球氣候變暖背景下新疆氣溫、降水增加有關(guān)[30],其使得河流來水量增加而引起生態(tài)基流出現(xiàn)相應變化。

3.3 生態(tài)基流空間變化

昆侖山北麓河流眾多,本文選取的3條河流正好代表西、中、東3個方向的不同河流,考慮上述時間變化特征顯示生態(tài)基流主要集中在汛期,在進行空間分析時主要探究汛期所在季節(jié)(春、夏、秋)各河流生態(tài)基流的空間差異性。

從圖4可以看出,3條河流生態(tài)基流各季節(jié)總體上均呈現(xiàn)出東西部高、中部低的特征,其中春季車爾臣河>克里雅河>尼雅河,夏季和秋季均表現(xiàn)為克里雅河>車爾臣河>尼雅河的特征。

圖4 3條河流生態(tài)基流季節(jié)性空間變化Fig.4 Seasonal spatial variation of ecological base flow in the three rivers

根據(jù)3條河流生態(tài)基流空間分布特征并結(jié)合表2可以得出,在不同季節(jié)和不同月份,車爾臣河生態(tài)基流相對穩(wěn)定,尼雅河生態(tài)基流變化較為顯著,克里雅河生態(tài)基流變化最為顯著,且3條河流之間的生態(tài)基流變化差異不顯著(p>0.05)。

造成這種空間分布的主要原因有:靠近塔里木盆地和塔克拉瑪干沙漠處氣溫增加、降水減少、河流徑流量減少,生態(tài)基流隨之減少;此外,人類活動、綠洲分布與河道內(nèi)水生生物數(shù)量等也影響著生態(tài)基流空間分布[31]。

4 討 論

本文選擇昆侖山北麓3條河流,運用4種計算方法,通過時間和空間2個維度的具體分析,探究了昆侖山北麓西、中、東3條河流生態(tài)基流變化特征,根據(jù)分析結(jié)果對生態(tài)基流影響因素和保障措施進行討論。

4.1 生態(tài)基流影響因素

4.1.1 氣 溫

本文研究的3條河流均屬于季節(jié)性變化河流,補給來源以冰雪融水為主,氣溫變化影響冰雪消融情況,造成河流徑流變化而影響生態(tài)基流變化。結(jié)合3條河流所在流域氣溫數(shù)據(jù),進行相關(guān)分析,結(jié)果如表4所示。

表4 生態(tài)基流與月均氣溫、月降水量相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Correlations of ecological base flow with monthly average temperature and monthly precipitation

據(jù)表4分析,3條河流均表現(xiàn)為在氣溫增加的月份,生態(tài)基流也隨之出現(xiàn)相同的增加變化,二者呈十分顯著的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r均>0.7),且以車爾臣河流域月均氣溫和月生態(tài)基流的相關(guān)性最強,相關(guān)系數(shù)r=0.876,p=0.000。

4.1.2 降 水

降水也是河流徑流的重要補給來源。根據(jù)3條河流所在流域的降水變化,發(fā)現(xiàn)生態(tài)基流的變化趨勢與之也十分吻合,結(jié)合相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)在汛期河流生態(tài)基流與降水的相關(guān)性較強,以車爾臣河流域的月降水量和月生態(tài)基流的相關(guān)性最強,相關(guān)系數(shù)r=0.917,p=0.000。年內(nèi)3條河流月均氣溫、月降水量和生態(tài)基流的相關(guān)性都相對較高,年均氣溫、年降水量則表現(xiàn)為不同年份之間各自波動變化顯著,但總體均呈緩慢上升趨勢(圖5)。

圖5 3條河流年均氣溫、年降水量逐年變化Fig.5 Annual variation of temperature and precipitation in the three rivers

4.1.3 人類活動

人類活動對河流生態(tài)基流的影響是在氣溫、降水等自然因素影響的基礎(chǔ)上進一步所產(chǎn)生的。經(jīng)過實地調(diào)研和查閱資料[32],發(fā)現(xiàn)目前昆侖山北麓人類活動對生態(tài)基流的影響方式主要是農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和生活用水3方面。首先,河流各處修建的蓄水灌溉工程,使河流生態(tài)水量逐步減少,這在春季農(nóng)業(yè)用水較大時表現(xiàn)得十分突出[33];其次,隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)需水量增加,導致河道內(nèi)水量被占用和污染嚴重,使得生態(tài)用水急劇減少[34];此外,昆侖山北麓的各河流均是其流域內(nèi)生活用水的主要來源,隨著生活用水的逐年增加,非汛期河道內(nèi)生態(tài)基流減少尤為明顯[35]。

4.2 生態(tài)基流管控目標及保障措施

4.2.1 生態(tài)基流管控目標

根據(jù)上述生態(tài)基流時空變化特征和影響因素分析,結(jié)合表2所列標準,提出昆侖山北麓克里雅河、尼雅河、車爾臣河3條河流生態(tài)基流管控目標,見圖6。據(jù)圖6分析,3條河流非汛期生態(tài)基流管控目標較低,管控重點在于汛期。同時結(jié)合表3與前述分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)3條河流汛期生態(tài)基流管控目標為汛期生態(tài)基流最低值,即1.141、0.118、1.413 m3/s。

圖6 3條河流年內(nèi)逐月生態(tài)基流管控目標Fig.6 Control objectives of monthly ecological base flow for the three rivers

其中,克里雅河位于昆侖山北麓中西部,對其生態(tài)基流管控是保障流域生態(tài)用水的關(guān)鍵,同時也能為同類型河流提供參考。尼雅河毗鄰克里雅河,但河流長度相對較短、徑流量相對較小,對其生態(tài)基流管控是保障河流延續(xù)的關(guān)鍵,也是流域經(jīng)濟社會發(fā)展的必然要求。車爾臣河位于昆侖山北麓東部,河流徑流量大、流向長、跨度大,對其生態(tài)基流管控能夠保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定,也能為塔克拉瑪干沙漠邊緣生態(tài)環(huán)境保護與修復提供支持。

4.2.2 生態(tài)基流保障措施

根據(jù)上述克里雅河、尼雅河與車爾臣河生態(tài)基流時空分異特征及氣溫降水與人類活動等影響因素分析,綜合考慮昆侖山北麓地理環(huán)境、生態(tài)保護和經(jīng)濟社會發(fā)展實際,提出河流生態(tài)基流保障措施如下:

(1)加強區(qū)域水資源統(tǒng)一管理,統(tǒng)籌昆侖山北麓河流水資源統(tǒng)一管理和科學調(diào)度,綜合考慮不同河流特性,同時兼顧河流生態(tài)修復和環(huán)境保護的共同點。

(2)嚴格監(jiān)督管控,堅持和完善“河長制”,在干旱區(qū)缺水和氣候變化敏感的背景下,嚴格督促各級河長和相關(guān)部門完成河流生態(tài)保護任務。

(3)增加技術(shù)研究,從河流生態(tài)系統(tǒng)的視角,對河流的水文、化學和生物作用過程進行綜合研究,加強使用適合內(nèi)陸河流的生態(tài)監(jiān)測技術(shù)。

(4)完善法律法規(guī)保障,健全符合本區(qū)域的水生態(tài)法制體系,加強實施水資源生態(tài)紅線管理,建立系統(tǒng)完整的水生態(tài)文明制度體系,從源頭保護水資源和水生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié) 論

(1)昆侖山北麓克里雅河、尼雅河與車爾臣河年內(nèi)生態(tài)基流最大值均出現(xiàn)在7月份,最小值均出現(xiàn)在1月份,年內(nèi)汛期生態(tài)基流分別為71.791、20.779、41.013 m3/s,占全年生態(tài)基流總量的比例分別為93.89%、98.67%、86.64%;年生態(tài)基流最大值均出現(xiàn)在2010年左右,最小值出現(xiàn)在1980年前后,分別以1.378、0.653、3.066 m3/s·(10 a)-1的速度增加。

(2)3條河流生態(tài)基流空間分布上總體呈東西部高、中部低的特征,其中春季車爾臣河>克里雅河>尼雅河,夏季和秋季均表現(xiàn)為克里雅河>車爾臣河>尼雅河,同一河流生態(tài)基流波動變化明顯,不同河流之間差異不顯著(p>0.05)。

(3)影響昆侖山北麓河流年內(nèi)生態(tài)基流的主要因素是氣溫、降水和人類活動,其中車爾臣河流域氣溫、降水與生態(tài)基流相關(guān)性較強,相關(guān)系數(shù)分別為0.876和0.917。

(4)綜合提出3條河流生態(tài)基流管控目標,明確汛期是生態(tài)基流管控保障的重點,管控目標分別為1.141、0.118、1.413 m3/s。

本文確定了適合昆侖山北麓典型干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)基流的計算方法,分析了其時空變化特征和影響因素,并據(jù)此給出了河流生態(tài)基流相應管控目標和保障措施。但生態(tài)基流變化實際是多種要素綜合影響的結(jié)果,本文還未具體定量化描述各因素的影響,要明確氣候變化和人類活動對生態(tài)基流的具體敏感性和影響程度仍需一步研究。