额尔齐斯河流域河谷生态系统水文情势变化影响分析及生态修复建议

姜旭新，黄 婧，张 岩，李继清

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000；2.华北电力大学可再生能源学院，北京 102206)

0 引 言

在我国降水时空分布不均匀的背景下，水资源是制约各城市及地区发展的关键因素之一。修建水利工程能有效降低流域洪涝灾害发生频率，使得水资源得到合理的分配及利用，但也会在一定程度上引起水体质量、泥沙淤积规律、水系连通性等天然水文情势的变化[1,2]，引发河道断面形态改变[3]、河谷植被退化[4]、水生生物正常生命周期受影响[5, 6]、生物多样性下降[7]等问题，危及流域河流健康及生态系统安全。水文情势变化作为流域生态改变的主要驱动因素之一[8]，对其进行分析是保障水利工程稳定发挥作用，促进人与自然和谐共处的前提。

为定量评价流域水文情势改变度，Richter B. D.[9]从总量、时间、频率、延时和变化率5个方面提出32个指标，建立水文改变指标体系(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)。彭少明等人[10]对黄河上游IHA指标进行分析，认为水库运行是造成兰州水文情势变化的主要原因，为维护生态健康，建议上游水库提高涨水期和洪水期下泄流量并增加高流量事件。Brian R.等人[11]在IHA的基础上，以保护水生生物多样性和流域生态功能为目标提出变动范围法(Rang of Variability Approach，RVA)，用于计算32个IHA指标及整体变化程度。唐玉兰等人[12]应用IHA-RVA方法对浑河流域抚顺至沈阳段水文情势变化程度进行评估，发现修建闸坝没有达到预期削峰补枯效果，反而对河流健康造成了不利影响。郭文献等人[13]基于IHA-RVA方法对三峡水库下游河段水文情势进行分析，发现宜昌站属于中度改变，32个IHA指标中流量下降率和逆转次数受影响最大，建议在水库调度运行中进行适度还原。IHA-RVA法适用性强，仅需要依据流量、水位等基础水文数据即可评估流域水文改变度[14]，常用于流域水文情势评估[15]、生态环境影响评估[16]、生态环境流量估算[17, 18]等方面。

额尔齐斯河是保障阿勒泰地区、天山北坡经济带国民经济发展最为重要的水源地。受水利工程建设、滥垦滥伐、超载放牧等影响，额尔齐斯河流域河谷生态系统已出现天然林草向荒漠化植被演变、生态系统生物多样下降等问题[19]。为保障新疆北部经济发展，本研究利用IHA-RVA方法对额尔齐斯河流域布尔津水文站水文情势变化程度进行评估，同时分析了IHA指标与生态系统间的关系，为制定修复和保护额尔齐斯河河谷生态系统的水利工程调度运行方案提供基础性指导。

1 研究区概况

额尔齐斯河是新疆第2大河流，发源于阿尔泰山南坡，在我国境内干流河长633 km，自东向西依次有库依尔特斯河、卡依尔特斯河、喀拉额尔齐斯河、克兰河、布尔津河、哈巴河、别列则克河汇入，流域面积约5.25 万km2，多年平均地表水资源量111 亿m3，经哈萨克斯坦和俄罗斯后汇入鄂毕河。径流以冰雪融水补给为主、降雨补给为辅，5-8月径流量占全年径流量的80%。额尔齐斯河流域水资源相对丰富，但时空分布不平衡，为保障阿勒泰地区生产生活、生态及天山北坡经济带发展用水需求，在额尔齐斯河流域先后修建大中型和生态水利工程40多个，其中包括7座骨干水库，25座生态闸和7条牧业大渠，骨干水库群及供水工程参数指标见表1，位置见图1。

表1 研究区工程概况Tab.1 Survey of the research area project

图1 研究区概况Fig.1 Survey of the research area

受特殊的地形地貌和气候影响，自LSW水库起，额尔齐斯河干支流2岸的河漫滩和I级阶地上，分布着具有重要价值的河谷次生林和优良的河谷草甸草场，形成了独特的额尔齐斯河流域河谷生态系统。其中，以杨柳科树种为建群的林地有“中国野生杨树基因库”之称；同时，也是“三北”防护林的重要组成部分，在涵养水源、防止沿岸水土流失及风蚀沙侵、调节河谷气候、保护农牧业生产等方面起着极其重要的作用。科克苏湿地位于额尔齐斯河与克兰河交汇的三角地带，是草上产卵鱼类最佳的繁殖、育肥场地。据统计，额尔齐斯河流域分布有28种鱼类，隶属于6目9科23属，其中特有鱼种有哲罗鱼、北鮭、北极茴鱼、白斑狗鱼、丁鱼岁、阿勒泰鱼岁、贝加尔雅罗鱼、高体雅罗鱼、金鲫以及阿勒泰杜父鱼等。此外，因苛苛湿地地处阿尔泰山脉与古尔班通古特大沙漠之间，是鸟类南北迁徙的停歇地和中转站。因LSW水库以下为额尔齐斯河流域河谷林草主要分布区，且科克苏湿地为新疆省级保护区，选取水文系列较长、能综合反映河谷生态系统水文情势改变对环境影响的布尔津水文站为代表站。

2 水文情势改变度计算方法

水利工程的建设为额尔齐斯河流域及天山北坡经济带发展提供了保障，但在滥垦滥伐、超载放牧等因素综合作用下，额尔齐斯河流域林地面积以0.142 万hm2/a、草地面积以0.031 万hm2/a的速度，呈现出大面积衰退趋势，生态系统生物多样性持续下降。额尔齐斯河流域水利工程众多，骨干水库群间存在着较为复杂的混联关系，IHA-RVA方法适用性强，能够揭示出水文情势变化与生态环境改变间的关系，为制定修复和保护额尔齐斯河河谷生态系统生态环境的水利工程调度运行方式提供参考。

2.1 IHA指标

IHA指标是依据基础水文数据及其统计参数而得到的32个指标值，依据水文条件的总量、时间、频率、延时和变化率特征分为5组，见表2。

表2 IHA指标体系Tab.2 IHA indicator system

注：①基流指数为年最小连续7 d流量与年平均流量之比；②增加率、减少率为相邻两日流量间的平均流量增加率、减少率；③逆转次数为河流日流量由增加变为减少或由减少变为增加的次数。

2.2 RVA方法

RVA方法用于评估流域水文情势改变前后IHA指标的变化程度。设置IHA指标受影响程度需以流域生态资料为依据，在资料缺乏情况下，可以各指标的平均值加减标准偏差或指标发生几率75%、25%作为各指标的上、下限值，称为RVA阈值。单个IHA指标的水文情势改变度Di计算公式如下：

(1)

式中：Noi为第i个IHA指标在水利工程建设后落于RVA阈值内的年数；Ne为假定水利工程建设后IHA指标仍落在RVA阈值内的年数，可用rNT来表示，其中r为受干扰前IHA指标落入RVA阈值内的比例，若以各IHA指标的75%及25%作为RVA阈值，则r=50%；NT为受干扰后序列总年数。

为综合评估流域水文变化程度，采用整体水文改变度Do来表示：

(2)

为客观判断各IHA指标及流域整体水文情势变化程度，将水文情势改变度判断标准列于表3。

表3 水文情势改变度判断标准Tab.3 Judging criteria for hydrological regime change

3 结果及分析

采用布尔津水文站1956-1989年(1962、1963、1965、1976和1977年缺测)及2001-2005年的日流量数据，通过IHA-RVA方法评估河谷生态系统水文情势改变度。其中，以1956-1989年数据资料为水文情势受影响前状况，统计各IHA指标的年变化值，并以各指标发生几率75%、25%作为RVA的阈值；以2001-2015年数据资料为受影响后状况，统计各IHA指标落入RVA阈值的年数，计算各IHA指标的水文情势改变度。受水文情势变化影响前后BEJ水文站各IHA指标值及RVA阈值见图2。

图2 受影响前后布尔津水文站各IHA指标值及RVA阈值Fig.2 IHA index value and RVA threshold of Buerjin hydrological station before and after impact 注：纵轴为不等比例刻度轴，共包含-5～7.5、7.5～50和50～800共3种刻度比例。

由图2可知，额尔齐斯河流域5-8月平均流量及年最大1、3、7、30、90日平均流量变化较大，证明水利工程的建设对流域丰水期及大洪水过程存在一定的削减。为进一步评估各IHA指标的变化程度，计算各指标水文改变度，结果见图3。

图3 布尔津水文站IHA指标水文情势改变度Fig.3 IHA index hydrological change degree of Buerjin hydrological station

由图3可知，32个IHA指标中，有7个指标属于中度改变，分别为3、5月平均流量，年最小3、7、30 d平均流量，逆转次数；有5个指标属于高度改变，分别为7、8月平均流量，基流指数，低流量脉冲次数和高流量脉冲次数。可计算出额尔齐斯河流域河谷生态系统整体水文情势改变度为37.08%，属于中度改变。综合考虑图2和图3中布尔津水文站IHA指标变化情况，可发现水文情势变化对额尔齐斯河流域河谷生态影响有利有弊。依据IHA指标分组，分析如下。

3.1 月平均流量值变化影响

月平均流量值的改变将直接影响流域水源丰富度和水体质量[20]。12个月平均流量值中，额尔齐斯河流域河谷生态系统有4个达到中度及以上改变水平，见表4。

4-6月为额尔齐斯河流域鱼类繁殖期，3月平均流量的增加将导致河道内水体温度提前升高、溶解氧含量增加，干扰鱼类等水生生物正常生命周期。5、7、8月平均流量被大幅度削减，虽能达到削峰补枯、综合利用水资源的目的，但5-7月正值

表4 额尔齐斯河流域河谷生态系统月平均流量值改变情况Tab.4 Changes in monthly mean flow values of the Irvine River Basin valley ecosystem

河谷生态系统林草的开花、结实、漂种和展叶期，其需水主要依靠地下水、洪水漫灌补给，大幅削减5月和7月平均流量将造成地下水补给不足、林木死亡率升高、地表草类生长量衰减、病虫危害加重等问题，最终导致河谷生态系统天然林草向荒漠化植被演化。此外，5-8月为天然状况下流域丰水期，大幅削减此期间径流量不仅会导致河道整体水质下降，增加野生生物饮水难度，更会因减少蒸发量对河谷生态系统气候产生长期影响。

3.2 年水文极值变化影响

年最小1、3、7、30、90 d平均流量及基流指数是表征流域径流年内分配情况的主要特征参数，额尔齐斯河流域河谷生态系统4个年水文极值达到中度及以上改变水平，见表5。

表5 额尔齐斯河流域河谷生态系统年水文极值改变情况Tab.5 Annual hydrological extremum changes of the Irvine River Basin valley ecosystem

年最小3、7、30 d平均流量的中度减小，表明建设水利工程将加剧额尔齐斯河流域径流年内分配的不均匀性。枯水期河道流量的减小，无疑将使得河谷生态系统生物用水需求难以满足，导致河谷草甸草场面积缩小，无法向牲畜提供越冬补充饲料，破坏畜牧业生产，加剧沿岸水土流失和风蚀沙侵情况。

3.3 高、低流量脉冲频率及历时和水流条件变化率及频率变化影响

高、低流量脉冲是塑造河道形态、向流域内生物传递水文节律信息的关键因素[21]，额尔齐斯河流域河谷生态系统高、低流量脉冲频率及历时和水流条件变化率及频率改变程度见表6。

水利工程的建设增加了额尔齐斯河径流高、低流量脉冲发生次数，有助于提高河道与河漫滩间连通性，为鱼类繁衍提供栖息地条件。但高、低流量脉冲发生次数的增加势必会引起逆转次数的增加。逆转次数会对水体理化特征产生长期影响，是清除外来物种、促使生物进化的主要影响因素。因此，需将高、

表6 额尔齐斯河流域河谷生态系统高、低流量脉冲频率及历时和水流条件变化率及频率改变情况Tab.6 High and low flow pulse frequency and duration and flow condition change rate and frequency change of the Irvine River Basin valley ecosystem

低流量脉冲发生次数控制在合理范围内，否则将导致水体理化特征变化频繁、河道形态变化过大等问题，引起水生生物、特别是无脊椎动物物种丰富度下降。

4 结 语

额尔齐斯河流域降水稀少，径流年内分布不均衡，林草的生长主要依靠地下水、河道径流侧渗、洪水漫滩下渗补给，而水生生物繁衍则依靠洪水脉冲传递水文节律信息。本研究基于IHA-RVA方法对LSW断面以下，布尔津水文站水文情势改变度的评估，发现受水利工程建设、滥垦滥伐、过度放牧等因素的综合影响，额尔齐斯河流域河谷生态系统整体水文情势改变度已达到中度改变。为修复和保护额尔齐斯河流域河谷生态系统，充分发挥水利工程作用，促进阿勒泰地区及天山北坡经济带发展，提出以下几点建议。

(1)各水利工程应下泄一定生态流量，以保证流域内生物用水需求，且生态流量的制定应遵循天然状态下流域丰、平、枯水期规律。丰水期(5-8月)应下泄较大生态流量，以缓解水利工程建设对流域水源丰富度及水体质量造成的不利影响。

(2)4-6月为鱼类繁殖期，为保证洄游性鱼类顺利到达产卵场，各水利工程除应布设相应过鱼设施外，还应将高、低流量脉冲发生次数控制在合理范围内，避免影响鱼类及其他水生生物正常生命周期。

(3)5-7月为河谷林草生长期，洪水漫滩淹灌是保证其良性发展的基础，各水利工程应相互配合进行生态淹灌调度，即各水利工程应加大下泄流量，形成人造洪水，对林草地进行淹灌，对地下水进行补充。

随着天山北坡经济带的发展，额尔齐斯河流域需修建更多水利工程以保证其用水需求，这势必会对流域水文情势及河谷生态系统环境造成影响。额尔齐斯河流域各水利工程除应依据考虑生态需求的调度方案运行外，更应相互配合进行生态补偿调度，以保护流域生态环境，促进人与自然和谐发展。

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