天山北坡呼图壁河生态基流量估算研究

魏雯瑜，刘志辉,3,4，冯 娟，杨金明，王敬哲

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部省部共建重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，乌鲁木齐 830046；4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心，乌鲁木齐 830046)

在我国，水资源已经成为制约生态系统健康和经济发展的主要因素[1,2]。在社会经济和生态环境上不合理地分配水资源会造成生态失衡、环境恶化，同时制约经济发展，影响生态环境的稳定。为了改变这种不利的现状，就必须让自然生态系统需水和人工生态系统需水达到新的平衡[3,4]。因此，对河流的生态基流进行合理的计算就显得尤为重要。河流生态基流量(River Ecological Basic Flow)被定义为：为了维持河流的基本生态环境功能，河道中常年、特别是枯水期都应保持一定的基础流量，防止出现断流或萎缩，该基础流量即被称为生态基流[5]。

河道生态需水在国外研究时间较早。20世纪40年代，美国鱼类和野生动物保护协会根据鱼类繁殖和产量与河道流量的关系，提出了河道最小环境流量的概念[6]。20世纪七八年代，Tennant等人在对河道生态需水研究的基础上提出了Tennant法，该法奠定了河道生态需水的理论基础[7,8]。国内系河流生态基流的研究尚处于起步阶段，主要是对国外方法的应用和改进。我国部分学者根据研究区的特点，也提出了基于不同流域的计算方法。于松延[9]等采用 Tennant法、Texas法等6种方法对渭河关中段的生态基流量进行了估算。韦雨婷[10]等将清河基流与实际径流进行对比，指出随着降雨量的减少，生态需水的满足度逐渐减小。陈菡[11]等的研究表明在75%保证率下广东省河道生态基流量应控制在多年平均径流量的10%～21%。吴喜军[12]等在确定径流不同年型的基础上，提出了改进的基流比例法以计算生态基流量。大面积水土保持措施的实施和煤炭的开采，极大地改变了流域下垫面条件，产生了巨大的水文效应。近年来，随着流域内经济的迅速发展，流域水资源供需矛盾日益突出，甚至出现了严重的断流现象，严重威胁到流域的生态环境与经济的可持续发展[13]。

新疆是亚欧大陆桥的重要枢纽，在国家对“丝绸之路经济带”的规划中，新疆被定位为核心区，乌鲁木齐、昌吉等“一带一路”中的重要节点城市大多位于天山北坡。天山北坡是新疆经济最发达的地区，天山北坡经济带在全疆有着举足轻重的影响。呼图壁河是天山北麓中段第二大河流，流域的水文水资源变化得到了学者的广泛关注，但对生态径流及河道生态的研究较少[13-15]。本研究通过对呼图壁河石门水文站近32 a(1980-2011年)的日径流量时间序列数据，利用改进Tennant法、10年最枯月平均流量法，90%保证率最枯月平均流量法和年型划分法共4种水文学方法分析估算呼图壁河生态基流量，对比各种方法的适用性。

1 研究区概况

呼图壁河流域位于东天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，发源于天山支脉依连哈比尔尕山北坡，属天山北坡东段水系，地理位置为86°05′～ 87°08′E，43°07′～ 45°20′N(见图1)。呼图壁河是天山北坡中段第二大河流，河道总长度为176 km[12-14]。从河源至下游，大致可以分为山地、丘陵、冲积扇、冲洪积平原4个地貌单元。呼图壁河上游山区河网发育较好，支流呈树枝状分布，干流位居其中。左右两岸共有一级支流20多条，其中除10条支流有冰川和永久积雪分布外，其他支流大多源于中低山区，靠冬、春季节积雪消融和夏季降水补给。年平均径流量4.812 亿m3，年最大径流量6.335 亿m3，年最小径流量3.633 亿m3。呼图壁河石门水文站是流域内唯一的水文观测站点，石门水文站以上河道长88 km，集水面积1 840 km2，平均高程2 984 m，河道纵降比23.3 %，年径流量4.71 亿m3，占全河地表水量的93.6 %[16]。

图1 呼图壁河流域水系图Fig.1 Drainage map of Hutubi River basin

2 资料与方法

本文利用呼图壁河1980-2011年径流量作为研究数据，利用Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保证率最枯月平均流量法和年型划分方法4种生态基流估算方法对呼图壁河流域的生态需水量进行估测。

2.1 基础数据

呼图壁河石门水文站(43°45′N，86°34′E)是流域内唯一的水文观测站点，本文选取石门水文站近32 a(1980-2011年)日径流量时间序列作为研究数据。

2.2 研究方法

(1)改进 Tennant法。Tennant法也被称为Montana 法，该方法属于非现场测定类型的标准设定法，目前在国内外的生态基流计算中应用广泛[4,8]。Tennant法将年平均流量的百分比作为基流量，具有宏观定性指导意义，并具有简单易行,便于操作的特点。研究表明，多年平均径流量的10%是保持河流生态系统健康的最低下限，多年平均径流量的30%能为大多数水生生物提供较为满意的栖息条件。Tennant同时建立了与河流生态健康之间的相互关系[6](见表1)。

(2)最枯月平均流量多年平均值法。最枯月平均流量多年平均值法应用较为广泛[17]，其计算公式为：

(1)

式中：W为河流基本生态需水量，亿m3；Qij为底i年第j月的平均流量，m3/s；T为换算系数其值为31.536×106s；n为统计年数。

表1 河道流量与河流生态健康关系Tab.1 Relationship between river flow and ecosystem health

该方法得出的是水量的概念，考虑到文中需要求出每月的基流量，因此，对该公式做以下改进：

(2)

式中：Qm为第m月的河流生态基流量，m=1,2,…,12；Qij为第i月第j天的平均流量，m3/s。

(3)90%保证率最枯月平均流量法。90%保证率最枯月平均流量法[18]是采用90% 保证率下最枯月平均流量作为生态基流。对每年某一月份的最枯日平均流量进行频率分析，可求得每月的生态基流量。

(4)年型划分方法。年型划分方法[7]是采用距平百分率法进行丰、平、枯水年的划分，距平百分率的计算公式为:

(3)

式中：E为断面的距平百分比，%；Qi为断面第i年平均径流量，m3/s；Qa为断面多年平均径流量，m3/s。

距平百分率划分标准见表2。

表2 丰、平、枯水年划分标准Tab.2 The standard of Wet,normal and dryyear

3 基流计算分析

3.1 改进Tennant法

利用改进的Tennant法对1980-2011年各季度呼图壁河平均径流量进行整理(见图2)，并通过计算得到季节模数，并求均值，选出研究河段年内各个季节模数最接近1.0的年份为典型年。通过计算，本文将1992年选定为典型年。

图2 1980-2011年各季节平均径流量Fig.2 Each season in 1980-2011 average runoff

1992年各季节平均径流量见表3。根据呼图壁河流域的实际用水情况，将生态需水期划分为一般用水期(10月-翌年3月)和鱼类产卵育幼期(4-9月)，并对1992年呼图壁流域径流量进行还原，得到典型年(1991年)的相应时段的径流量(见表4)。

表3 呼图壁河流域典型年(1992年)各季节径流量 亿m3

表4 各时段划分典型年径流量 亿m3

根据表4各用水时段典型年径流量和多年平均流量，再结合表1生态需水的评价标准得到呼图壁河流域的生态需水量(见表5)。利用改进的Tennant法对呼图壁河流域生态需水进行计算，一般用水期(10月-翌年3月)的最小生态需水量为0.055 亿m3；鱼类产卵育幼期(4-9月)的最小生态需水量为1.253 亿m3。

表5 呼图壁河生态状况描述及生态需水量 亿m3

3.2 最枯月流量多年平均值法

将每年最枯月份的平均流量做以汇总得到1980-2011年呼图壁河流域每年的最枯月的生态径流量(见表6)，由表6可得，1980-2011年期间，除1980、1988、1999、2004、2006年平均径流最枯月为3月外，其余年份平均径流最枯月均为2月。1986年2月径流量为367 万m3，是32 a期间径流量最小的月份。根据表6，利用公式(2)可以计算出呼图壁河流基本生态环境需水量为520.2 万m3。

表6 1980-2011年每年最枯月平均流量 万m3

3.3 90%保证率最枯月平均流量法

《河湖生态需水评价导则(试行)》(SL/Z 479-2010)提出，水质需水计算应遵照《水域纳污能力计算规程》(GB /T25173-2010)执行，依据该规程计算纳污能力所采用的设计水文条件为水质需水。河流水域纳污能力计算的设计水文条件为 90% 保证率最枯月平均流量或近 10 a 最枯月平均流量[14]。根据呼图壁河流域1980-2011年32 a最枯月径流量系列(见表7)，90% 保证率的最枯月的日平均流量为2.31 m3/ s，以此估计呼图壁河最小生态基流量为0.072 8 亿m3。

表7 1980-2011年呼图壁河流域最枯月90%日均流量 m3/s

3.4 年型划分方法

利用呼图壁河流域1980-2011年平均径流量数据，按照公式(3)可以计算出1980-2011年每年的距平百分率(见表8)，通过表2的标准，可以将每一年划分成丰水年、平水年和枯水年。32 a期间1980、1983、1986年为枯水年，1996、1998、1999、2002、2007年为丰水年，其余年份为平水年。其中1980年的距平百分率为-20.31%，按照最低标准-20%计算，利用距平百分率差值最近的1980年平均径流量作为呼图壁河流域最小生态需水量，为0.166 亿m3。

表8 1980-2011年年型划分表 %

4 结 语

生态基流涉及气候、水文、水、地质资源开发利用、生态环境保护以及社会经济发展等多方面。位于干旱半干旱区的呼图壁河流域对周围生态环境与经济发展也尤为重要。本研究利用改进Tennant法、最枯月流量多年平均值法、90%保证率最枯月平均流量法和年型划分方法4种生态基流估算方法对呼图壁河流域的生态基流进行估算。

(1)改进Tennant法将1980-2011年每年每一季节的径流量做以汇总，并将每一年的季节径流量与年径流量做对比与计算，找到典型年(1991年)，将年总用水量分为一般用水期(10月-翌年3月)与鱼类产卵育幼期(4-9月，即用水高峰期)，通过典型年确定呼图壁河一般用水期(10月-翌年3月)的最小生态需水量为0.055 亿m3；鱼类产卵育幼期(4-9月)的最小生态需水量为1.253 亿m3。

(2)最枯月流量多年平均值法利用1980-2011年32 a径流量数据，找出每一年最枯月的平均月流量，做以汇总，并以32 a数据的平均值作为最终的呼图壁河生态径流量，为0.052 亿m3。

(3)90%保证率最枯月平均流量法利用最枯月径流数据，将利用能保证最枯月份的90%天数的生态需水量作为每年最小生态需水量，将32 a的平均值作为最终呼图壁河最小生态基流估计值，为0.072 8 亿m3。

(4)年型划分法按照丰、平、枯水年划分标准，确定1980-2011年32 a的各年年型，并按照最低标准的-20%作为呼图壁河最低生态需水，选定距平百分率最接近-20%的1980年平均径流量作为呼图壁河最小生态基流量，为0.166 亿m3。

(5)张文娜[19]等预测了2012-2030年呼图壁河的生态需水量。生态需水量为2012年的0.041 亿m3，2020年的0.054 亿m3，2030年的0.117 亿m3。结合本文4种方法，改进后的Tennant法可将一年的生态需水分成一般用水期和鱼类产卵育幼期进行计算，可以合理地预测目标区域内的生态基流量，同时，利用改进的Tennant法估算的生态基流量与实际的生态基流量相近，能比较好地反映出呼图壁河生态需水量。

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