胡可可,何建村,赵 健,塔依尔,苏里坦

(1.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,乌鲁木齐 830011; 2.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049; 3.新疆维吾尔自治区水利厅 水资源规划研究所,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

随着社会经济发展,水资源过度开发利用日益严重,河流出现了河道流量锐减、水土流失、水资源短缺和植被退化等问题,使河流生态用水难以保证[1-3]。为缓和人类用水与生态环境用水之间的矛盾,生态基流应运而生,美国学者最先开展相关研究[4]。针对不同地区的河流状况,生态基流存在不同定义,其中被广泛认可的生态基流概念是指维持河流基本生态功能,避免水生生物群落遭受不可逆转破坏的最小流量[5-7]。

目前,针对生态基流的相关研究主要集中在生态基流计算方法及其保障率等引伸而出的生态输水调度、渔业资源和生物多样性保护、生态环境治理修复、旅游与通航需求维护、生态补偿机制对策、河流生态系统平衡与流域生态保护可再生发展等方面[8-10],已经形成了相对完善的理论和计算体系并拥有较为丰富的评价指标[11-12],但针对干旱区内陆河流生态基流的有关研究还相对较少。

昆仑山北麓属典型内陆干旱区,位于欧亚大陆腹地,降水十分稀少,植被稀疏,荒漠广布,河流生态系统敏感脆弱[13-15]。随着人类活动的加剧[16],昆仑山北麓诸河上建立的控制型水库、工业、农业和生活取水设施使得流域生态用水安全受到水量短缺和水源污染的进一步威胁,但目前还没有关于该区域河流生态基流的研究,因此开展相关研究具有十分重要的现实意义。

本文选择昆仑山北麓克里雅河、尼雅河和车尔臣河作为研究对象,利用4种水文学方法计算3条河流的生态基流,确定出最适宜的计算方法和生态基流推荐值,并据此分析各条河流生态基流时空变化特征及影响因素。以期为揭示昆仑山北麓河流生态基流时空分异特征、提供流域生态基流管控目标、实现区域水资源优化配置与生态保护提供参考。

1 研究区概况

昆仑山北麓河流补给来源主要是降水和冰雪融水[17],水资源缺乏一直是制约该区域社会经济发展的重要因素。克里雅河是昆仑山北麓除和田河外最大的内陆河流,位于新疆和田地区于田县境内,发源于昆仑山主峰乌斯腾格山北麓的克里雅山,从南向北贯穿整个于田县,消失于塔克拉玛干沙漠腹地,总长约770 km,流域总面积约39 558 km2[18]。尼雅河是昆仑山北坡的诸多小河中具有代表性的一条,位于新疆和田地区民丰县境内,发源于昆仑山北麓的吕什塔格峰,呈南北走向,河道末端消失于塔克拉玛干沙漠深处,南北长约200 km,东西宽40～90 km,流域总面积10 160.96 km2[19]。车尔臣河是昆仑山北麓诸多小河中最大的一条河流,位于新疆巴音郭楞蒙古自治州且末县境内,发源于昆仑山北坡的木孜塔格峰,最终注入塔克拉玛干沙漠边缘的台特玛湖,河流走向变化不定,河长约813 km[20]。在克里雅河、尼雅河和车尔臣河上分别建有努努买买提兰干站、尼雅水文站、且末水文站3座国家基础水文站点(图1、表1)。

图1 研究区概况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 数据来源

本文选取昆仑山北麓克里雅河、尼雅河和车尔臣河3条河流上建立的努努买买提兰干站、尼雅水文站、且末水文站3座国家基础水文站实测记录的相关水文气象数据,具体包括努努买买提兰干站1957—2018年、尼雅河尼雅水文站1978—2018年、车尔臣河1958—2014年的月径流量、月均气温、月降水量、年径流量、年均气温、年降水量等实测数据,均来源于《中华人民共和国水文年鉴塔里木河流域水文资料》,据此计算分析昆仑山北麓3条河流生态基流及其时空分异特征与影响因素。

2.2 计算方法

(1)QP法[21]。该方法由美国7Q10法[22]改进而来,用于中国的水质污染检测和生态基流计算。又称不同频率最枯月平均值法,以节点长时间序列(>30 a)天然月平均水位、径流量为基础,用每年的最枯月作频率曲线,选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量作为节点基本生态环境需水量的最小值。其公式为

Qp=f(q≥qp) 。

(1)

式中:Qp为频率p下的生态基流(m3/s);f为频率曲线函数;q为月平均流量(m3/s);qp为频率p下的逐月流量(m3/s)。根据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712—2021),本文频率p选择为95%。

(2)Tennant法[23]。该方法是Tennant[23]针对美国11 条河流的58个断面,分析了不同流量对渔业的影响,提出来的非现场测定类型的标准设定法,取河流(同时段,这里为每月)多年平均流量的10%～30%作为生态基流。由于研究区属于典型干旱区,3条河流均为季节性河流,根据河流特性,本研究对Tennant法适当改进,将汛期改为5—10月份,非汛期改为11月份—翌年4月份,据此得到昆仑山北麓河流生态基流标准(表2)。

表2 Tennant法推荐的生态基流标准Table 2 Ecological base flow standard recommended by Tennant method

Tennant法的具体计算公式为

Qk=MkNk,k=1,2,…,12 。

(2)

式中:Qk为第k月生态基流(m3/s);Mk为第k月平均流量(m3/s);Nk为第k月对应生态基流百分比。

(3)近10 a最枯月平均流量法[24]。选择近10 a最枯天然月平均流量作为生态基流,虽然该方法需要的水文观测资料系列较短,但本研究选取的水文数据时间尺度均在40 a以上,可保证与其他计算方法的时间尺度一致。具体计算公式为

k=1,2,…,12;d=1,2,…,31 。

(3)

式中:Qk为第k月生态基流(m3/s);Mkd为第k月的第d天的日均流量(m3/s);n为水文数据时间尺度。

(4)Texas法[25]。通过对各月流量频率进行计算,将50%保证率对应月平均流量的特定百分比作为生态基流。参考国内其他相关学者的研究成果[26-27],本文选取设计保证率50%对应月平均流量的20%作为生态基流。

3 结果分析

3.1 生态基流的确定

通过QP法、Tennant法、近10 a最枯月平均流量法和Texas法等4种水文学方法,分别计算克里雅河、尼雅河与车尔臣河的多年平均逐月生态基流(图2)。结果表明4种方法均能很好地反映昆仑山北麓河流的季节性变化特征,且3条河流均表现为QP法计算的生态基流最高,其次则为近10 a最枯月平均流量法,Tennant法与Texas法相比,汛期要大于Texas法,非汛期则相反。对比4种计算方法,QP法和近10 a最枯月平均流量法计算结果相对较高,Texas法计算结果年内变化不明显,Tennant法计算结果符合实际流量变化情况。

图2 4种方法计算的3条河流多年平均逐月生态基流Fig.2 Annual average monthly ecological base flow of the three rivers calculated by four methods

根据昆仑山北麓河流实际水文情势,参考干旱区其他流域生态基流研究[28-29],并综合考虑流域内生态系统保护和经济社会发展需求对4种计算方法进行比较,发现Tennant法更适合研究区生态水文状况,其计算结果符合干旱区内陆河河流来水量小、流域生态系统脆弱的实际需求,同时满足《全国水资源调查评价生态水量调查评价补充技术细则(试行)》(2018年4月)中对生态基流目标达标的相关要求。故选择Tennant法计算结果作为本文生态基流的推荐值,并据此开展进一步分析研究。

3.2 生态基流时间变化

3.2.1 生态基流年内变化

根据上述Tennant法的计算结果,确定克里雅河、尼雅河和车尔臣河3条河流多年平均逐月生态基流推荐值及占全年比重(表3)。

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

据表3分析,3条河流年内生态基流最大值均出现在7月份,占全年生态基流总量的比例分别为31.61%、36.52%、24.56%,最小值均出现在1月份,占全年生态基流总量的比例仅分别为0.87%、0.08%、0.88%;年内汛期生态基流分别为71.791、20.779、41.013 m3/s,占全年生态基流总量的比例分别为93.89%、98.67%、86.64%,表明生态基流年内分布的不均性十分明显,且在夏季尤为突出。这种年内分布的差异性主要是由于研究区3条河流均为季节性河流,补给来源多为发生在汛期的冰雪融水和降水,在非汛期河流来水量较少所致。

3.2.2 生态基流年际变化

在生态基流年内特征研究的基础上,综合考虑其年际变化特征,为保证3条河流时间尺度一致性,选择拥有相同时间序列的年份即1978—2014年的生态基流进行分析比较,结果如图3所示。

图3 3条河流生态基流年际变化Fig.3 Interannual variation of ecological base flow in the three rivers

据图3分析,昆仑山北麓3条典型河流生态基流在年际方面的变化特征主要表现为:各河流生态基流年际变化显著,且变化趋势基本相似,最大值均出现在2010年左右,最小值则在1980年前后,并表现为河流流量越大,其生态基流波动变化越明显,起伏更加显著,即克里雅河>车尔臣河>尼雅河。

趋势分析表明,在1978—2014年克里雅河、尼雅河、车尔臣河的年生态基流分别以1.378、0.653、3.066 m3/s·(10 a)-1的速度增加,且这种增加趋势仍在持续。这与全球气候变暖背景下新疆气温、降水增加有关[30],其使得河流来水量增加而引起生态基流出现相应变化。

3.3 生态基流空间变化

昆仑山北麓河流众多,本文选取的3条河流正好代表西、中、东3个方向的不同河流,考虑上述时间变化特征显示生态基流主要集中在汛期,在进行空间分析时主要探究汛期所在季节(春、夏、秋)各河流生态基流的空间差异性。

从图4可以看出,3条河流生态基流各季节总体上均呈现出东西部高、中部低的特征,其中春季车尔臣河>克里雅河>尼雅河,夏季和秋季均表现为克里雅河>车尔臣河>尼雅河的特征。

图4 3条河流生态基流季节性空间变化Fig.4 Seasonal spatial variation of ecological base flow in the three rivers

根据3条河流生态基流空间分布特征并结合表2可以得出,在不同季节和不同月份,车尔臣河生态基流相对稳定,尼雅河生态基流变化较为显著,克里雅河生态基流变化最为显著,且3条河流之间的生态基流变化差异不显著(p>0.05)。

造成这种空间分布的主要原因有:靠近塔里木盆地和塔克拉玛干沙漠处气温增加、降水减少、河流径流量减少,生态基流随之减少;此外,人类活动、绿洲分布与河道内水生生物数量等也影响着生态基流空间分布[31]。

4 讨 论

本文选择昆仑山北麓3条河流,运用4种计算方法,通过时间和空间2个维度的具体分析,探究了昆仑山北麓西、中、东3条河流生态基流变化特征,根据分析结果对生态基流影响因素和保障措施进行讨论。

4.1 生态基流影响因素

4.1.1 气 温

本文研究的3条河流均属于季节性变化河流,补给来源以冰雪融水为主,气温变化影响冰雪消融情况,造成河流径流变化而影响生态基流变化。结合3条河流所在流域气温数据,进行相关分析,结果如表4所示。

表4 生态基流与月均气温、月降水量相关分析结果Table 4 Correlations of ecological base flow with monthly average temperature and monthly precipitation

据表4分析,3条河流均表现为在气温增加的月份,生态基流也随之出现相同的增加变化,二者呈十分显著的正相关(相关系数r均>0.7),且以车尔臣河流域月均气温和月生态基流的相关性最强,相关系数r=0.876,p=0.000。

4.1.2 降 水

降水也是河流径流的重要补给来源。根据3条河流所在流域的降水变化,发现生态基流的变化趋势与之也十分吻合,结合相关分析发现在汛期河流生态基流与降水的相关性较强,以车尔臣河流域的月降水量和月生态基流的相关性最强,相关系数r=0.917,p=0.000。年内3条河流月均气温、月降水量和生态基流的相关性都相对较高,年均气温、年降水量则表现为不同年份之间各自波动变化显著,但总体均呈缓慢上升趋势(图5)。

图5 3条河流年均气温、年降水量逐年变化Fig.5 Annual variation of temperature and precipitation in the three rivers

4.1.3 人类活动

人类活动对河流生态基流的影响是在气温、降水等自然因素影响的基础上进一步所产生的。经过实地调研和查阅资料[32],发现目前昆仑山北麓人类活动对生态基流的影响方式主要是农业灌溉、工业生产和生活用水3方面。首先,河流各处修建的蓄水灌溉工程,使河流生态水量逐步减少,这在春季农业用水较大时表现得十分突出[33];其次,随着经济社会发展,工业生产需水量增加,导致河道内水量被占用和污染严重,使得生态用水急剧减少[34];此外,昆仑山北麓的各河流均是其流域内生活用水的主要来源,随着生活用水的逐年增加,非汛期河道内生态基流减少尤为明显[35]。

4.2 生态基流管控目标及保障措施

4.2.1 生态基流管控目标

根据上述生态基流时空变化特征和影响因素分析,结合表2所列标准,提出昆仑山北麓克里雅河、尼雅河、车尔臣河3条河流生态基流管控目标,见图6。据图6分析,3条河流非汛期生态基流管控目标较低,管控重点在于汛期。同时结合表3与前述分析结果发现3条河流汛期生态基流管控目标为汛期生态基流最低值,即1.141、0.118、1.413 m3/s。

图6 3条河流年内逐月生态基流管控目标Fig.6 Control objectives of monthly ecological base flow for the three rivers

其中,克里雅河位于昆仑山北麓中西部,对其生态基流管控是保障流域生态用水的关键,同时也能为同类型河流提供参考。尼雅河毗邻克里雅河,但河流长度相对较短、径流量相对较小,对其生态基流管控是保障河流延续的关键,也是流域经济社会发展的必然要求。车尔臣河位于昆仑山北麓东部,河流径流量大、流向长、跨度大,对其生态基流管控能够保障河流生态系统健康稳定,也能为塔克拉玛干沙漠边缘生态环境保护与修复提供支持。

4.2.2 生态基流保障措施

根据上述克里雅河、尼雅河与车尔臣河生态基流时空分异特征及气温降水与人类活动等影响因素分析,综合考虑昆仑山北麓地理环境、生态保护和经济社会发展实际,提出河流生态基流保障措施如下:

(1)加强区域水资源统一管理,统筹昆仑山北麓河流水资源统一管理和科学调度,综合考虑不同河流特性,同时兼顾河流生态修复和环境保护的共同点。

(2)严格监督管控,坚持和完善“河长制”,在干旱区缺水和气候变化敏感的背景下,严格督促各级河长和相关部门完成河流生态保护任务。

(3)增加技术研究,从河流生态系统的视角,对河流的水文、化学和生物作用过程进行综合研究,加强使用适合内陆河流的生态监测技术。

(4)完善法律法规保障,健全符合本区域的水生态法制体系,加强实施水资源生态红线管理,建立系统完整的水生态文明制度体系,从源头保护水资源和水生态环境。

5 结 论

(1)昆仑山北麓克里雅河、尼雅河与车尔臣河年内生态基流最大值均出现在7月份,最小值均出现在1月份,年内汛期生态基流分别为71.791、20.779、41.013 m3/s,占全年生态基流总量的比例分别为93.89%、98.67%、86.64%;年生态基流最大值均出现在2010年左右,最小值出现在1980年前后,分别以1.378、0.653、3.066 m3/s·(10 a)-1的速度增加。

(2)3条河流生态基流空间分布上总体呈东西部高、中部低的特征,其中春季车尔臣河>克里雅河>尼雅河,夏季和秋季均表现为克里雅河>车尔臣河>尼雅河,同一河流生态基流波动变化明显,不同河流之间差异不显著(p>0.05)。

(3)影响昆仑山北麓河流年内生态基流的主要因素是气温、降水和人类活动,其中车尔臣河流域气温、降水与生态基流相关性较强,相关系数分别为0.876和0.917。

(4)综合提出3条河流生态基流管控目标,明确汛期是生态基流管控保障的重点,管控目标分别为1.141、0.118、1.413 m3/s。

本文确定了适合昆仑山北麓典型干旱区内陆河生态基流的计算方法,分析了其时空变化特征和影响因素,并据此给出了河流生态基流相应管控目标和保障措施。但生态基流变化实际是多种要素综合影响的结果,本文还未具体定量化描述各因素的影响,要明确气候变化和人类活动对生态基流的具体敏感性和影响程度仍需一步研究。