新疆布谷孜河生态流量目标分析计算

2022-07-16谢源源

水利规划与设计 2022年7期

谢源源

(新疆水文局水文实验站，新疆乌鲁木齐 830000)

布谷孜河流域位于我国新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿图什市境内，流域内气候干旱，山区植被稀少，岩体裸露，上游冰川和永久积雪不发育，但其山间盆地分布着众多泉眼，形成布谷孜河的常年径流，因此径流年内变化较平稳，夏季暴雨洪水产生水量与融雪径流相叠加河道来水量增大，枯水期水量小。

随着流域内耕地面积及社会经济其他各业用水逐年增加。布谷孜河流域各业现状引水量为1.038亿m3，占布谷孜河多年平均径流量(1.102亿m3)的96.3%，总用水量中农业用水占比大(93.7%)。由于经济社会用水占比过高，生态用水逐年减少，流域水资源利用及生态环境保护之间不协调。随着山区水库蓄水、渠道引水，造成河床发生变化，河道水量过少甚至断流，影响河流生物生存环境与生态功能[2-3]。

布谷孜河建有2座拦河水库，对河流形成阻隔，造成河流纵向连通性较差，对鱼类的索饵、产卵等活动产生阻隔影响，河流生态水量得不到满足，季节性断流的发生威胁河流生态健康[1]。尤其托卡依水库下游河道水量减少，使流域内部的水循环关系变差，对下游下泄的水量逐渐减少，生态用水得不到足够补充，不利于土壤盐碱排除，导致下游土壤沙化、荒漠化加剧[4-5]；下游湿地面积减少、天然林草地退化，动植物生境恶化，生物多样性遭受到一定程度破坏，造成林草、湿地等生态系统功能显著退化；河道间歇性断流影响水生动物生存环境。

1 研究区概况

布谷孜河水系由山区呈独立水系的铁列克河和布谷孜河干流两大水系构成，布谷孜河上游段称为马依丹萨依河，流向由北向南[6]。上游两岸支流十分发育，进入喀拉塔格山的山间盆地—吐古买提盆地，河流即呈散流状，大量河水渗入地下。河流主支在盆地中向南进入东、西两侧分别为喀拉塔格山和喀拉多维克孜勒塔格山之间的峡谷，左岸接纳了左岸支流吐古买提河，以下河段始称布谷孜河。布谷孜河自阿湖水库以下分为东、西两支汊流。东支汊流自阿湖水库坝址以下流向东南注入位于博孜塔格山北侧隘口的托格拉克水库。

布谷孜河西支从分叉口向南流，经博孜塔格山北侧隘口，沿途接纳大支流铁列克河和多条发源于喀拉塔格山的季节性河流呈散流状从右岸汇入后进入阿图什市区；沿途与右岸的恰克马克河的北岔分支流汇合；之后水流进入托卡依水库。出库水量除灌溉外余水进入伽师县境内。河流全长174km，集水面积5211km2。

布谷孜河阿俄水文站位于东经76°04′，北纬39°49′，测站以上集水面积1112km2，河长85km，多年均径流量1.109亿m3，布谷孜河来水量有一部分来自其山间盆地分布着众多泉眼出露的泉水，因此径流年内变化较平稳。具体位置如图1所示。

图1 布谷孜河及参证流域水系站网分布示意图

本次对阿俄站1957—1992实测年径流量系列进行分析，径流的四季分配情况是:春季3—5月，夏季6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月，径流年内分配较均匀，各季相差不大，其中夏季最多，占多年平均年径流量的30.9%；冬季最少，占全年径流量的20.5%。

阿俄站34年实测年均径流量0.9737亿m3；最大年径流量为1966年的2.019亿m3，年径流系列最大变幅为多年平均径流量的2.07倍；最小年径流量为1985年的0.743亿m3，最大与最小年径流量的比值为2.72倍；年径流变差系数为0.24。由此可见，阿俄水文站的径流年际变化较平稳，与布谷孜河径流受泉水补给有关。

布谷孜河流域位于天山南脉西段与帕米尔高原接壤处的马鞍形鞍部，因远离海洋，水汽含量少，气候干燥、少雨，天气变化主要受西风气旋控制。流域内气温随海拔高程增加而逐渐降低，呈现出明显的垂直地带性变化，在山区表现尤其突出。[7]

流域内气象资料不足，仅阿俄水文站有1957—1992年的气象资料，本次选用邻近流域内水文、气象站为参证站，阿俄气象站作为主要分析参证站点，对布谷孜河流域的气候特征进行分析。流域内的气温平原高于山区，按地形走势北部低于南部。根据各站点资料统计分析，多年逐月平均气温最高值出现在7月，最低出现在1月份，山区与平原差异较大。阿俄站多年气象要素见表1。

表1 参证站气象要素统计表

布谷孜河是一条经过初步治理的河流，已建成一定数量和规模的骨干水利工程体系。布谷孜河现有水库4座，分别为阿湖水库、托克拉克水库、托卡依水库、托格拉克水库，总库容为1.38亿m3。布谷孜河总干渠，从阿湖水库引水，全长14.5km，采用混凝土板和塑膜防渗，设计流量8.0m3/s。布谷孜河干流有1处地表水饮用水水源地，即阿湖乡农村饮水水源地，在布谷孜河乌恰阿图什源头水保护区。

2 研究方法

2.1 资料收集

本次分析计算所选用布谷孜河的阿俄水文站1957—1992年实测流量资料、大桥专用站1986—1989年实测流量资料、托卡依水库实测的托卡依水库1980、1982—1983年和托卡依水库管理站实测的2004—2006年、2011—2015年出库水量日表及库水位资料；参证站恰克马克河的恰其嘎水文站、卡浪沟吕克河卡浪沟吕克水文站和阿图什市气象站的气象资料。

2.2 分析方法

常用生态流量计算方法可分为：水文学法、水力学法、栖息地评价法和整体法4大类。[8]

我国运用较为普遍的是水文学法和水力学法进行生态流量计算，其中通过水文历史资料分析河流流量，仍以水文学方法为主。本次采用的方法为Tennant法、Qp法、7Q10法等，[9]主要以阿俄站1957—1992实测年径流量系列确定河流生态流量。

2.2.1Tennant法

Tennant由Don Tennant首次提出，该方法以历史流量为基础确定河流生态流量，利用观测得到的数据建立河宽、平均深度、流速等栖息地参数与年平均径流量的经验关系，得出结论见表2。

表2 Tennant法单位：%

2.2.2Qp法

Qp法以天然月平均水位、月平均流量或径流量系列为基础，一般资料系列应大于30年[8]。采用阿俄站实测径流资料进行统计分析，对逐年最枯月径流系列进行频率计算，采用95%的计算成果作为布谷孜河的最小生态径流。采用如下计算公式：

Wr=12×min(Wij)p=95%

(1)

式中，Wr—河道最小生态流量；min(Wij)p=95%—95%保证率的最小月径流量。

2.2.37Q10法

7Q10法将阿俄站逐年连续最小7d的日平均流量系列进行频率计算，得到不同保证率计算成果，采用90%计算成果作为生态需水量的最小值。来水量不大，实测流量系列需大于20年，水资源开发利用较高的河流较适合。

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为生态流量，由于使用的为最新资料，因此在计算河流纳污能力方面有独特的优势。

采用如下计算公式：

(2)

2.3 控制断面及目标

2.3.1河流来水情况

据实地调查目前布谷孜河上游河道沿途没有水利工程，河道径流处于天然状态，地表水体分布在布谷孜河干流和支流上。阿湖水库建成后，建有两条引水渠从水库引水，一条向托克拉克水库引水，另一条布谷孜河总干渠引水，坝后无直接引水上岸，水库出库水量按《克州水管处阿湖水库调度运行方案复》运行，泄洪冲沙闸放水，放水闸放水，按照水库设计和水库调度运用方案运行。从实际运行来看，阿湖水库断面河段仅在洪水期有余水进入河道，除少部分闸门渗漏水量外，出库水量全部由北支引向农三师、余水由布谷孜总干渠引入灌区，造成阿湖水库以下至铁列克河汇入口间河道(约8km)基本处于断流状态，铁列克河汇入口以下至托卡依水库，布谷孜总干渠灌溉余水与博孜塔格山泉水汇入，河道长年有水流淌；从托卡依水库拦河坝以下400m格达良干渠与北支渠承担灌溉任务，引水渠引水流量5m3/s和4m3/s。每年1—5、9—10月为蓄水期河道无水；6—7月灌溉期、11—12月冬灌期水量先后引入灌区，仅为灌溉余水流向下游，下游河段现状为常年断流河段，无水进入恰克玛克河。

2.3.2控制断面确定

根据《新疆维吾尔自治区河湖生态流量(水量)目标制定与保障方案编制提纲》以及《关于新疆重要河流生态流量(水量)目标制定与保障方案编制工作补充要求的通知》的规定，同时结合本次计算生态流量(水量)所在流域内资料收集情况选择控制断面[10]。通过对布谷孜河水资源开发利用、生态情况、河道来水、径流量年内年际变化等分析，确定布谷孜河生态流量(水量)控制断面共计3个，上游控制断面为阿湖水库断面，中游控制断面为高速公路大桥断面，下游控制断面为托卡依水库断面。据布谷孜河特点及生态保护要求，各河段生态情况：布谷孜河在托卡依水库断面以上为长流水河流。

(1)阿湖水库—高速公路大桥河段

布谷孜河阿湖水库以下位于山前洪积扇，根据现场调查，在阿湖水库—高速公路大桥河段河谷中零星生长红柳、梭梭、半灌木驼绒藜。另外，该河段人工种植沙枣树、杨树等主要生长在河道两侧的台地(距离河床水平面较高，最高达几十米)，该河段在非汛期基本断流，仅在洪水期有水量下泄，补充河谷林的生态用水量。据实际运行来看，阿湖水库断面河段仅在洪水期有余水进入河道，其余时间河干，全年均未满足生态基流的要求，现状调查河谷植被生长依靠人工灌溉。因此，第一个生态流量控制断面选阿湖水库以下500m处，保护河谷内植被等生态。

(2)高速公路大桥—托卡依水库河段

此段所处山前洪积扇和喀什噶尔冲洪积平原，每年汛期洪水从河道走，河谷低地的植被能够得到补水。河滩分布有片状的梭梭、骆驼刺，苦豆子、赖草，河岸生长红柳、杨树、榆树林(大部分人工林)，其生存除了依靠春季融雪水和夏季洪水生长外，还与该区域分布有溢出的泉水有关，可以对其进行灌溉。

因此，将高速公路大桥断面作为布谷孜河生态流量计算节点，保护河谷内的天然林草等生态。

(3)托卡依水库以下河段

此河段生态需水目标为托卡依水库下游河漫滩的天然河岸林草，水库8km以下至汇入恰克玛克河段的河道实为盐碱渠，河谷无天然植被，此段无明确的生态保护对象。

2.3.3各控制断面生态目标

结合布谷孜河水资源调配实际情况及水源条件，根据不同河段天然来水情况划分各河段的生态流量目标指标。布谷孜河阿湖水库断面以上现状条件下保持常流水，目标指标按流量控制采用生态流量成果；高速公路断面为不断流河段，目标指标按水量控制，采用最小生态水量成果；托卡依水库以下断面枯水期断流，目标指标采用生态水量成果控制，5—9月能够确保下游河道两岸天然植被正常生长，按照托卡依水库生态水量泄放过程下泄生态水量。

3 计算与分析

3.1 水文系列分析

3.1.1阿俄水文站

阿俄站是1956年在布谷孜河设立国家基本水文站，位于阿湖水库下游500m，阿湖水库大坝合拢后阿俄站1993年4月停止观测。对阿俄站径流系列(1957—1992年)进行频率计算，得统计参数和不同频率下的设计年径流量成果，见表3。

根据计算与适线，得到阿俄站多年平均径流量及25%、50%、75%、95%的设计年径流量见表3；年径流量频率曲线如图2所示。

图2 阿俄站逐年年径流频率曲线图

表3 阿俄站设计年径流量成果表

3.1.2高速公路大桥断面

根据本次野外踏勘，高速公路大桥断面水量补给来源多样化，主要来源包括：①布谷孜河南支流来水量：布谷孜河阿湖水库泄水大洪水期间，水量大致按4∶6的分水比例向托克拉克水库和托卡依水库方向输送，冬季部分弃水进入托克拉克和托卡依水库，其他时间大部分水量经布谷孜河南支流沿途灌区引用后剩余部分水量，由布谷孜总干渠在高速公路大桥上游约1km处汇入河道。②铁列克沟来水量：铁列克沟(集水面积1700km2)的汛期暴雨洪水汇入布谷孜河。据多年调查分析，铁列克沟平常为干涸河沟，只有到汛期(为5—8月)才发生暴雨洪水而补给河道。由于铁列克河出山口至铁列克河与布谷孜河干流汇合口距离较远，铁列克供需平衡计算的余水量考虑30%的损失后，剩余水量汇入干流。③其它水量：上游诸河及北部山洪沟大量转化的潜层地下水及山前侧渗、阿湖水库截潜流水量补给。

因缺乏资料分析依据不足，本次未还原高速公路大桥断面天然径流量，采用克州水文勘测局1987—1988年实测流量资料与阿俄水文站水文比拟法计算高速公路大桥断面1957—1992年多年平均径流量0.6134亿m3，成果作为核算依据，见表4。

表4 高速公路大桥断面设计年径流量成果表

3.1.3托卡依水库断面

托卡依水库入库水源组成：①布谷孜河南支流来水量；②库区北部小山洪沟暴雨期间部分洪水汇入水库。

采用《阿图什市托卡依水库除险加固工程可研报告》(2017)成果作为核算依据，利用实测的托卡依水库1980、1982—1983年和托卡依水库管理站实测的2004—2006年、2011—2015年出库逐日流量及逐日库水位资料，根据水量平衡原理，计算得到月年入库流量数据。具体见表5。

表5 托卡依水库入库设计年径流量成果表

3.2 生态基流计算

3.2.1Tennant法计算各节点成果

根据《新疆河流水文水资源》中关于新疆河流枯水期的确定：以平均流量小于或等于年平均流量的60%作为枯水月标准。

布谷孜河逐月来水量较为均衡，最小月平均流量为年平均流量的77%，因此本次计算以大于或等于年平均流量作为汛期标准，并确定枯水期为(10月至次年4月)，丰水期为(5—9月)。采用Tennant(Montana)法计算成果见表6。

表6 Tennant法计算3个断面生态流量成果表

3.2.2Qp法计算成果

阿俄站实测流量成果表由(1957—1992年)挑选逐年最枯月径流量组成样本系列，通过频率计算(皮尔逊Ⅲ型曲线)得到统计参数和不同保证率最枯月径流量设计成果。选95%保证率对应流量值，通过式(1)计算，成果见表7和图3。

表7 阿俄站保证率法95%生态基流(水量)计算成果

图3 阿俄站逐年频率曲线图

3.2.37Q10法计算成果

根据阿俄站1957—1992年的实测系列逐日流量成果表，挑选出逐年最小7d流量计算其均值，得到36年的资料系列，通过频率计算(皮尔逊Ⅲ型曲线)，计算得到统计参数和不同频率下的设计值。成果见表8和图4。

表8 阿俄站7Q10法河道最小生态水量成果表

图4 阿俄站7Q10频率曲线图

选择90%保证率计算成果，连续最枯7d流量为对应的平均流量为1.42m3/s，相应的生态水量0.0086亿m3，发生时间为1963年7月5—11日。

3.2.4最枯月平均流量多年均值法计算成果

采用阿俄站1957—1992年的实测流量资料，统计最近10年最枯月份的平均流量值(1978—1987年)，通过公式(2)计算，得到河道生态水量，见表9。

表9 布谷孜河阿俄站最枯月平均流量方法生态基流(水量)计算成果

3.3 生态流量的确定

通过以上4种方法计算得到各河段生态流量。针对阿湖水库断面的4种成果进行对比分析。其中最枯月流量法计算的成果为1.82m3/s，为4种成果中的最大，Tennant法计算的成果为0.436m3/s，为4种成果中的最小。根据《阿湖水库除险加固工程建设项目环境影响评价报告》以及2018年根据《阿湖水库除险加固工程建设项以来的实际来水情况，确定采用Tennant法计算的成果。高速公路断面和托卡依水库断面根据河段内水生态生长期需水量，同时结合阿湖水库泄水过程、水生态环境用水过程，洪水期(5—9月)生态基流高速公路断面和托卡依水库断面确定为上游多年平均来水量的20%，枯水期(10月—次年4月)为上游多年平均来水量的10%进行泄水,见表10。