基于1960-2018年实测径流与水文学方法的开都河生态流量分析

季小兵，马玉其，王新友，杨疆卫，朱成刚

(1.新疆维吾尔自治区塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 库尔勒 841000；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

1 研究背景

伴随经济社会的发展进步，人类对水资源的开发利用需求与强度日益增大，大规模的水土开发、拦河筑坝和修建水库等水利工程显著地改变了河流的自然水文过程与水文情势[1-2]，日益增大的河流水资源开发利用强度常常造成河流下游径流减少，河道断流干涸，河流及沿河生态环境恶化等问题[3-5]。研究显示，水资源不合理地开发已经导致全球近1/3河流生态系统退化[6]。越来越多的国家和地区普遍认同在水资源开发利用过程中确定维持河流生态健康的生态流量势在必行[7]。河流生态流量涉及的概念较多，国内使用较多的包括“生态基流”、“生态需水”、“最小生态需水量”、“生态环境需水量”等[8]，从20世纪70年代提出相关概念，至90年代，伴随国内水生态、水环境问题日益突出而逐渐成为水文水资源和水生态环境领域的研究热点[9]。国外相关研究涉及的概念有环境流量(environmental flow)[10]、最小可接受流量(minimum acceptable flow)、枯水期流量(low flow)、最小流量(minimum flow)和基本生态需水(basic ecological water requirement)等[9,11-12]。生态流量的确定已经成为水资源开发利用及调度管理的重要基础工作与亟需解决的问题之一[13]。其常常关系到河流生态系统保护与恢复[14]和灌区供水保障[15]，并与农业生产和农田生态系统关系密切[16-17]，与河流生态系统稳定及人类经济社会发展所依托的自然生态系统健康直接相关。

开都河是我国最大的地州行政区——新疆巴音郭楞蒙古自治州境内最大的一条河流，提供了巴音郭楞自治州北四县(和静、焉耆、和硕、博湖)灌区、博斯腾湖湿地及经博斯腾湖出流后的孔雀河流域绿洲灌区的主要水资源，多年平均出山口径流量为35.22×108m3，开都河出山口河段区域位置及周边水系分布见图1。开都河水量理论上占博斯腾湖入湖水量的84%，但是由于流域中包括黄水沟、清水河、曲惠沟等诸小河流相继断流无水入湖，目前开都河基本提供了全部的入湖水量。此外，作为新疆水能集中分布且水利水电发展条件优越的河流，开都河中游山区峡谷段目前已经规划和建设的水电站有11级，已建成6级电站。开都河流域为丝绸之路经济带新疆核心区中部通道的重要节点，其自然资源的可持续利用与生态系统的健康直接关系到区域经济社会的稳定发展和国家重大战略的顺利实施。然而，在全球气候变化的背景下，干旱区内陆河流域极端水文事件发生频率增加，山区来水波动增大，水资源保障不确定性加强[18-19]。加之人类水电开发与水利工程建设活动的干扰等，开都河在2012-2014年流域偏枯年份曾一度多次断流，累计断流时间超过100 d，位于开都河尾闾的我国最大内陆淡水湖——博斯腾湖水位也一度跌破最低控制水位1 045.00 m，给流域水生态造成严重影响。明确开都河生态流量，特别是枯水期的生态需水量，对于保障河流水生态健康、服务并支撑流域水资源可持续利用与管理、保障区域水安全具有重要意义。

图1 开都河出山口河段区域位置及周边水系分布

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究所用的径流数据为开都河大山口水文站的实测值，大山口水文站为开都河出山口水量监测控制站，地理坐标为85°44′E、40°13′N，属国家重点水文站，建站于1956年6月，监测至今，本次所用径流数据系列为1960-2018年。

2.2 研究方法

当前针对河流生态流量的研究方法较多，归纳起来主要包括水文学方法、水力学方法、生态栖息地模拟法和整体分析法等[8,20]。其中水文学方法是基于河流实测径流资料确定生态流量的一类方法，这类方法种类最多，常用的有Tennant法、Qp法(P=95%或90%)、NGPRP法、流量历时曲线法、最枯月流量法、7Q10法、Texas法、最小月平均流量法，典型水文频率年法等等，其中Tennant法与Qp法在国内生态流量研究中应用较多，并且常基于多种方法进行计算并对比研究[5,21-22]。本研究参照已有研究基础[23]，基于多年径流监测数据，采用Tennant法、典型水文频率年法、最枯月平均流量法和Qp法4种水文学方法计算分析开都河的生态流量。

(1)Tennant法。Tennant法又称为Montana法[24]，是非现场测定类型的标准设定法，也是国内外分析河流生态流量常用的水文学方法。依据Tennant法的研究结果，河流流量的10%是保障多数水生生物生存所须的最小流量，当河流流量达到多年平均流量的30%时，水生生物拥有非常好的生境。国家环保总局2006年发布的《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》也明确提出河流生态基流下限不得小于多年平均天然径流量的10%。在采用Tennant法进行生态流量分析的研究中，通常在河流秋、冬季采用径流量的10%作为河流的生态流量，春、夏季考虑到鱼类产卵育幼期，一般采用径流量的30%综合确定河流的生态流量。

(2)典型水文频率年法。典型水文频率年法是依据多年实测径流距平百分率法对河流的丰枯年类型进行划分[25]，相关计算公式为：

(1)

式中：E为水文站实测径流的距平百分率，%；Qi为第i年的径流量，108m3；Qn为断面多年平均径流量，108m3。

表1为依据《水文基本术语和符号标准》(GB/T 50095-2014)[26]的丰、平、枯年型划分标准。

表1 水文丰、平、枯年型划分标准

由表1所列划分标准，选择距平百分率-20%的枯水年为典型年，以所选择的典型年最低的月流量作为开都河研究断面的生态流量。

(3)最枯月平均流量法。该方法计算公式为：

(2)

式中：W为河流最小生态水量，108m3；Qij为第i年第j月河流的平均流量，m3/s；T为时间，s，取值为T=31.54×106s；n为年数，一般采用近10年最枯月平均流量平均值[23,27]。

(4)Qp法。Qp法也称保证率法，国内外研究中常常采用90%或者95%保证率的水文年最小月平均流量为标准确定河流生态流量。Qp法多用于开发利用程度较高的河流，分析计算需要研究河流有较长序列的水文实测资料[28]。

3 结果与分析

3.1 开都河径流特征

图2为1960-2018年开都河大山口水文站流量及径流变化特征；表2为开都河大山口水文站不同阶段的平均径流量及距平变化特征。

基于开都河大山口水文站1960-2018年的多年径流数据可知，开都河多年平均径流量为35.22×108m3。由图2(a)可知，开都河出山口径流呈现增加趋势，1960-2018年间，大山口水文站径流量以1.422×108m3/10a的速率递增。

分析图2(b)及表2，可划分出1960-2018年开都河径流年际丰枯变化特征：偏枯水年(1960-1962年)，平水年(1963-1964年)，偏枯水年(1965-1968年)，丰水年(1969-1973年)，偏枯水年(1974-1995年)，丰水年(1996-2011年)，偏枯水年(2012-2014年)，2015年至今，开都河逐步进入丰水阶段。

表2 开都河大山口水文站不同阶段的平均径流量及距平变化特征

由图2(c)可知，4-9月为每年中流量最大、来水最多的时段，各月多年平均流量均在100 m3/s以上(平均流量为162.30 m3/s)，该时段相应的径流量多年平均值为25.72×108m3；7月份流量最大，多年月平均流量达到212.57 m3/s，相应的7月份多年月平均径流量为5.69×108m3；10-翌年3月为年内相对枯水月份，多年月平均流量为62.81 m3/s，该时段相应的径流量多年平均值为9.50×108m3，每年2月径流量最小，多年月平均径流量为1.23×108m3。

图2 1960-2018年开都河大山口水文站流量及径流变化特征

3.2 基于不同方法的开都河生态流量计算

(1)基于Tennant法的生态流量计算。Tennant法一般选择河流出山口监测站点，且具有多年实测数据。开都河大山口监测断面完全符合Tennant法的使用条件。通过对大山口水文站月流量数据分析，开都河每年的4-9月及10-翌年3月分别为年内丰水期和枯水期，对应流域的鱼类产卵育幼期和一般用水期。考虑到开都河出山口以上建有多座梯级水电站，且开都河大山口至博斯腾湖段的河损较大，因此，本研究将10-翌年3月的生态流量标准提高到多年平均流量的20%，而开都河的4-9月涵盖了鱼类产卵育幼期的敏感时期，因此生态流量取多年平均流量的30%。计算得到开都河大山口断面10-翌年3月的生态流量应平均不小于15.60 m3/s，对应此阶段下泄的生态水量应不少于2.47×108m3；大山口 4-9月的生态流量应平均不小于46.15 m3/s，相应下泄的生态水量应不少于7.30×108m3。

(2)基于典型水文频率年法的生态流量计算。利用开都河流域大山口水文站1960-2018年平均径流量数据，计算出每年的距平百分率，结果见表3。根据表1所示标准，可以将计算时段各年份按丰水年、平水年和枯水年进行划分，其中，1974、1977、1986年为特枯水年，1971、1998-2002、2006-2011年和2016年至今为丰水年，其余年份为平水年和偏枯年。1986年的距平百分率为-29.54%，为记录以来的最枯年，年径流量仅为24.63×108m3。选取1986年中最枯月2月的流量37 m3/s作为最小生态流量，以此为标准计算生态流量所对应的全年基本生态环境需水量为11.67×108m3。

表3 基于开都河大山口水文站1960-2018年径流数据的丰、平、枯年型划分及保证率

(3)基于最枯月平均流量法的生态流量计算。表4为开都河大山口断面2009-2018年最枯月及其相应月平均流量统计。由表4可知，近10年开都河大山口最枯月流量在1月份出现了6次，2和12月各出现2次，近10年开都河最枯月平均流量为45.54 m3/s，以此作为开都河大山口的生态流量，对应的最小下泄生态水量为14.36×108m3。

表4 2009-2018年开都河最枯月及其月平均流量

(4)基于Qp法的生态流量计算。表3为基于大山口水文站1960-2018年径流数据的丰、平、枯年型划分及保证率统计。

采用90%保证率的Qp法进行分析，由表3可看出1985年(P=89.7%)是频率最接近90%的典型年份，该年份最小流量值出现在1月，为33.2 m3/s，以该流量作为Qp法确定的生态流量，相应的开都河年基本生态环境需水量为10.47×108m3。

3.3 开都河生态流量的确定及其满足度评价

通过比较上述4种方法，发现典型水文频率年法和最枯月平均流量法结果相对较大，而Tennant法和Qp法的结果较为接近且相对较小。对比计算结果与开都河大山口水文站以下至入湖河段河损情况可以看出，各方法计算结果均能够满足河段河损，保证河流基本形态和基本功能。表5为4种水文学方法计算所得大山口水文站生态流量目标的对比。

由表5可看出，基于大山口水文站多年流量监测数据，按照Tennant法估算的基本生态环境需水量与生态流量在无任何引水的情况下，即使出现最大河损，也能够保证开都河至入湖河段不断流，且这一方法充分考虑了河流的年内丰枯变化和水生生物产卵育幼期对流量的需求，因此，采用Tennant法计算的开都河生态流量相对更为适宜。

表5 4种不同水文学方法计算的开都河大山口水文站生态流量结果比较

表6为基于确定的开都河大山口生态流量目标，逐月分解的生态流量及其对应的生态水量的满足度对比分析。由表6可知，确定的生态流量无论是在年内相对枯水的一般用水期还是年内相对丰水的鱼类产卵育幼期均可以得到100%的保证率，且依据生态流量确定的基本生态环境需水量在年内不同月份均可以满足大山口站以下河段的多年平均河损，说明此生态流量下可以保证河流的基本形态与功能。

表6 开都河大山口水文站逐月生态流量与基本生态环境需水量满足度比较

4 讨 论

我国虽然开展河流生态流量研究已经近50年，针对不同区域的许多河流基于不同方法开展了一系列的研究，但是至今尚未建立明确且统一的生态流量计算方法体系，相关概念也不统一。“十八大”以来，国家积极倡导并致力于生态文明建设，在全国范围内推行并落实河长制，但是至今，我国多数河流并没有明确的行之有效且可操作的生态流量管理制度，使得我国许多河流在生态流量的监管、执行和保障措施、制度建设与技术手段等方面均难以满足大规模开发背景下对生态流量的管理需求，导致河流断流、生态退化和水污染等一系列问题[29-30]。开都河虽然是新疆一条十分重要的河流，水量较为丰沛，水能资源丰富，河流尾闾是我国最大的内陆淡水湖，河流生态区位重要，但是开都河与我国许多河流一样，尚未有系统的生态流量管理制度，以及协调可行的电调服从水调机制，这在一定程度上增加了整条河流生态水量保障的不确定性。在未来流域的水资源科学调配与管理中，随着河长制的深入落实，针对生态流量管理的制度与机制建设、监管技术与措施保障等应当尽快加以强化。

生态流量概念的提出与相关研究最初的一个重要目的是为保障河流中的水生生态与生物多样性，特别是一些鱼类的洄游、繁殖和育幼，不少研究方法也是基于此而提出的。但是由于历史原因和经济社会发展的局限性，在我国许多河流上进行的水利水电设施建设中，并未考虑鱼类的繁殖洄游特性，这对河流水生生态有着较大的影响，甚至对于一些鱼类是毁灭性的打击。开都河作为新疆水资源和水能资源开发利用程度较高的一条河流，其中由山区峡谷到下游绿洲灌区，分别建有多级水电站与水利枢纽工程，而其中不少拦河坝与枢纽并未设计过鱼设施，即便严格保障了河流的生态流量，河流的水生生态与水生物种多样性仍然会受到较大影响，这应该作为未来开都河自然资源可持续开发过程中亟需改善的一个问题。

对于河流生态流量的研究，特别是基于河流历史水文数据和生态调查的一些研究方法都是基于河流水文序列基本稳定的前提下。然而，随着全球气候的变化，极端水文事件日益增多，特别是开都河所处的干旱区，对全球气候变化尤为敏感，相应的极端气候水文事件已经对各干旱区内陆河流域的水循环与水资源安全产生了较大影响，对流域水资源管理者提出了极大挑战[18-19]。这些变化以及由于气候和水文过程的不确定性引发的对河流生态系统的影响可能限制了以往的一些研究方法在当前的河流生态流量管理中的应用。对已有的生态流量管理方法与需求的相关研究，需要结合气候变化及由此带来的水文过程的改变去重新认识与评估，这可能是未来生态流量研究的一项重要内容[31-33]。

5 结 论

(1)基于开都河大山口水文站1960-2018年的实测水文资料，对比4种河道生态流量计算方法，以Tennant法计算确定的河流出山口控制断面生态流量(水量)相对最为适宜，开都河在大山口断面10-翌年3月的生态流量应平均不小于15.60 m3/s，4-9月断面生态流量平均不小于46.15 m3/s，两个时段生态流量对应的最低下泄生态水量分别为2.47×108和7.30×108m3。

(2)开都河在大山口断面确保不小于上述生态流量的情况下，即使考虑大山口断面至尾闾湖泊河段的多年平均河损甚至最大河损，也可以保障该河段不断流以及河流的基本生态功能。

(3)基于确定的控制断面生态流量管理目标，制定并完善开都河中游山区峡谷段水电企业与流域管理部门协调沟通的体制与“电调服从水调”的机制是流域生态流量管理亟需开展的工作。