克里雅河生態基流水文學計算方法優選

周明通，魏 宣，王 寧，郭玉川

（1.新疆大學地理科學學院，新疆烏魯木齊 830046；2.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046）

0 引言

河流作為地球上的自然生態系統之一，承擔著維持陸地生態系統與水生態系統間物質循環的重要作用。近年來，隨著社會的不斷發展、人口的不斷增多，人類對于淡水資源的需求量日益增加。河流因其開發利用成本較低，成為人類獲取淡水資源的重要途徑。由于人類的過度開發，部分河流開始出現如斷流、水質惡化、生物棲息地破壞、生物多樣性受損及重要或敏感水生生物消亡等一系列問題［1，2］。協調好開發利用河流水資源與維持河流生態系統健康之間的關系，對保護流域生態環境，促進區域經濟社會發展有著十分重要的意義。

國內外相關研究成果顯示，生態基流對于維系河流健康起著至關重要的作用。生態基流是指一定時段內河流維持基本自然功能應保持的基本流量［3］。在此流量下，河道保證不斷流，河道形態能夠保持基本穩定，水生生物群落能夠避免遭受不可恢復性的破壞［4，5］。隨著相關研究的深入，部分研究者發現僅僅維持河流中穩定的基本流量難以保證河流生態系統的健康，具有一定天然水文情勢特征（如徑流年內豐枯變化）也是維持河流生態系統健康的重要條件［6-8］。此后，確定河流生態基流時綜合考慮保障河道基本形態穩定、保證水生生物基本生存以及反映河流天然水文情勢特征等三方面需求，逐漸成為諸多學者的共識。當前生態基流的計算方法較多，一般可分為四大類：水文學法、水力學法、生境模擬法和整體法［9-11］。其中水文學法因其數據獲取不需要進行現場測量，計算過程方便可靠等優勢仍然是我國生態基流計算的主要方法［12，13］。水文學生態基流計算方法中較常用的包括Texas 法、QP法、典型水文頻率年法、NGPRP法、最枯月平均流量法、頻率曲線法以及年內展布法等［14］。以上方法的適用條件各有不同，且適用性研究多集中于我國南方及東北部地區的河流［15-19］，而針對西北干旱區的內陸河水文特征的適用性研究相對較少。

研究以新疆西北干旱區典型內陸河流克里雅河為研究對象，選取1957-2015 年克里雅河出山口蘭干水文站逐月實測流量資料，從維持河道基本形態穩定、保障河道水生生物基本生存，反映徑流年內豐枯變化特征等三方面綜合分析評價主流水文學方法對克里雅河的適用性，優選最適宜的方法，并確定河流年內各月生態基流。從方法上為西北干旱區河流的生態基流方法選擇提供數據參考，從現實上為水資源管理者科學合理的管理調配河流水資源提供數據支撐。

1 研究區概況

克里雅河地處我國西北干旱區，發源于昆侖山北坡，自南向北蜿蜒流動，在穿過中游于田綠洲后深入塔克拉瑪干沙漠腹地，并在河道尾閭形成達里雅布依天然綠洲。克里雅河是于田綠洲和尾閭達里雅布依綠洲得以存活的唯一水源，同時也為其間生活的多種水生生物（如隆額高原鰍等）提供了棲身之所。隨著于田綠洲人口增加及耕地面積的擴大，河流中游段引水量逐年增多，尾閭天然綠洲萎縮趨勢日益明顯，中游人工綠洲和下游天然綠洲用水矛盾越發嚴峻，中下游河道斷流現象時有發生，河流中水生生物的生存遭受到嚴重威脅。為確保河道形態維持基本穩定，河道生態環境保持基本健康（不退化），亟待確定克里雅河生態基流。克里雅河地理位置概況如圖1所示。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview of the study area

克里雅河全長438 km，多年平均徑流量約為7.61 億m3，根據于田縣水利局提供的相關數據可知克里雅河主要引水渠首1993-2015 年多年平均引水量約為6.42 億m3，約占多年同期平均地表徑流量的84%，河流開發利用程度較高［20］。克里雅河1993-2015年主要引水渠首取用水量如表1所示。

表1 克里雅河主要引水渠首引水量（1993-2015年）億m3Tab.1 Water diversion amount of main diversion Channels in Keriya River（1993-2015）

2 數據基礎

2.1 數據來源

為保證所用數據符合計算分析要求，此次選用克里雅河蘭干水文站1957-2015 年實測逐月流量數據進行分析計算（該數據由和田地區水文局提供）。蘭干水文站為克里雅河出山口水量控制站，也是國家基本水文站。建站于1956 年11 月，地理坐標81°28′E、36°28′N。該水文站位于克里雅河出山口，2015 年以前受人類活動干擾較小，2016年隨著蘭干水文站上游的吉音水庫開始建設，水文站2016 年至今基本處于停測狀態。因此，為保證水文資料的原始性，本次選取的水文資料序列為建站至2015年。

2.2 徑流特征分析

根據克里雅河蘭干水文站斷面1957-2015 年實測徑流數據，繪制克里雅河年徑流柱狀圖如圖2所示；繪制克里雅河各月多年平均徑流量柱狀圖如圖3所示。

圖3 克里雅河各月多年平均（1957-2015年）徑流量Fig.3 Histogram of monthly multi-year average runoff（1957-2015）in Keriya River

由圖2、3 可知，克里雅河1957-2015 年多年平均年徑流為7.61 億m3，年內各月徑流量差異較大，其中6-8 月為徑流量最大的時段，該時段多年平均徑流量為5.08 億m3，約占全年徑流量的66.8%，故將此時段劃定為河流汛期。克里雅河屬混合補給型河流，汛期徑流以高山冰雪融水補給為主、降水和地下水補給為輔，徑流量較大［21，22］。

3 研究方法

（1）Texas 法。Texas 法［23］是在Tennant 法的基礎上進一步考慮了河流季節變化因素，通過對各月流量頻率曲線進行計算后，取50%保證率下月流量的特定百分率作為最小流量。參考國內學者吳喜軍［24］的研究成果，選擇50%保證率下的天然月平均流量的20%作為生態基流。

（2）QP法。QP法［20］是以長時間序列（30年以上）天然月平均流量、月平均水位或徑流量為基礎，對每年最枯月天然月均流量進行排頻，以指定頻率下月平均流量為生態基流。頻率一般根據河流水資源開發利用程度、規模、來水情況等實際情況確定，宜取90%或95%。由于克里雅河多年平均引水量約為6.42億m3，約占多年同期平均徑流量（7.61 億m3）的84%，開發利用程度較高。故頻率選取95%。

（3）典型水文頻率年法。典型水文頻率年法研究生態基流時側重對枯水年份的研究，特枯年份組中徑流量最大的年份年內的各月月平均流量應滿足生態基流的取值。因此按距平率將長系列水文資料中每一年判定為豐水年、平水年、偏枯水年、特枯水年，選擇特枯水年組中年徑流量最大的年份為典型年，取典型年內最小天然月平均流量作為生態基流。

距平百分率的計算公式為：

式中：Qi為水文站第i年的徑流量，億m3；Qa為水文站多年平均徑流量，億m3；E為水文站的距平百分率。當E>10%時，對應年份為豐水年；當-10%

（4）NGPRP 法。NGPRP 法考慮了枯水年、平水年、豐水年的差別，綜合了氣候情況以及可接受頻率因素，按照距平率將長系列水文資料中的每一年分為豐水年、平水年、枯水年、特枯水年，并取平水年組90%保證率對應的天然月平均流量為生態基流。

（5）近10 年最枯月平均流量法。近10 年最枯月平均流量法選擇近10年最枯天然月平均流量的平均值作為生態基流。

（6）頻率曲線法。頻率曲線法考慮了生態基流在年內不同時段取值的差異，以月為尺度對長系列水文資料中的月平均流量進行分析，將每個月份的多年月平均流量值進行排頻，構建全年逐月月平均流量曲線，取95%所對應的天然月平均流量作為生態基流。

（7）年內展布法。研究基于鄧曉［25］提出的考慮河流基本生態環境對年內不同時期水量的動態需求過程，結合克里雅河年內徑流變化特征，將全年分為汛期（6-8月）和非汛期（9月-翌年5 月）兩個時段，分別計算不同時段的同期均值比，結合各月多年同期平均流量，依次計算年內每月的河道生態基流。

①分別計算每月、汛期、非汛期不同時段多年平均流量。計算公式為：

式中：η1為汛期時段同期均值比；η2為非汛期時段同期均值比。

④分別計算各月生態基流。基于汛期、非汛期時段劃分，結合各月多年同期平均流量，依次計算年內每月的河道生態基流，計算公式為：

式中：Qi為年內第i月的生態基流，m3∕s；ηi為各月對應汛期、非汛期不同時段的均值比。

4 研究結果分析

4.1 生態基流計算結果

研究所對比的7種水文學計算方法均為目前相關研究領域常用的方法，基礎數據均基于蘭干水文站1957-2015 年共59 年的實測徑流系列，水文資料長度符合要求，資料數據較為可靠，但由于不同方法的側重點及考慮因素不同，選取的平均流量百分率或天然流量頻率曲線上的保證率各不相同，造成不同方法的計算結果存在差異。各水文學方法生態基流計算結果如表2所示。

表2 不同水文學方法生態基流計算結果 m3∕sTab.2 Calculation results of ecological base flow with different hydrology methods

4.2 生態基流評價標準設定

生態基流評價標準將圍繞保障河道水生生物基本生存、維持河道形態基本穩定、反映徑流年內豐枯變化特征3 個方面進行設定。從保障河道水生生物基本生存角度設置標準主要用于檢驗不同時段生態基流對應水量是否能夠滿足河流水生生物以及河岸邊植被的基本生存需求。從維持河道形態基本穩定角度設置標準主要用于檢驗泥沙含量較大時期生態基流對應水量是否能夠滿足河流的輸沙及沖淤動態平衡需求。設置體現徑流年內豐枯變化特征標準是用于檢驗生態基流計算結果能否體現天然徑流的水文情勢。

（1）保障河道水生生物基本生存適宜水量標準。設定保障河道水生生物基本生存適宜水量標準時主要參考Tennant法［26］不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比表［27］，并結合克里雅河汛期、非汛期天然徑流差距大的特點，對其所劃定的閾值進行部分調整，重新劃定汛期、非汛期的生態基流占天然流量百分比的取值區間，最后確定出汛期、非汛期生態基流對應水量合理閾值范圍。并以此作為評價各水文學生態基流計算方法適用性及結果合理性的標準之一。調整后的Tennant 法不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比如表3所示。

表3 Tennant法不同河道內生態環境狀況對應流量百分比 %Tab.3 Flow percentage table corresponding to ecological environment conditions in different river channels by Tennant method

克里雅河流域地處西北干旱區塔克拉瑪干沙漠腹地，水資源較為稀缺，需要在生產、生活用水與生態環境用水間做出權衡。考慮到克里雅河汛期時段徑流量大的特點，可以適當提高該時段生態基流標準，使河道內生態環境狀況處于“一般”至“良好”的狀態為宜。此狀態下，能夠為水生生物提供較合適的生存環境。建議汛期生態基流標準取多年年均天然流量的30%～40%。非汛期時段克里雅河徑流量小，為保證此時段克里雅河河道內生態環境不會進一步惡化，水生生物的生存能夠得到基本滿足，生態基流占多年平均流量的百分比應保證在10%以上。建議非汛期生態基流標準取多年年均天然流量的10%～20%。經計算，能夠滿足河道水生生物基本生存的各時段生態基流適宜水量標準如表4所示。

表4 保障河道水生生物基本生存生態基流適宜水量標準 億m3Tab.4 Ensure the suitable water level of the basic ecological base flow for aquatic life in the river

（2）維持河道基本形態穩定適宜水量標準。克里雅河作為西北干旱區內陸河流，最主要的特征便是泥沙含量大。為保證河道形態基本穩定，需要維持一定的水量來運移泥沙，避免河道泥沙淤積從而改變河道形態。根據克里雅河蘭干水文站多年泥沙資料統計：克里雅河實測歷年最大含沙量為146 kg∕m3，多年平均輸沙量為305.1 萬t，且汛期（6-8 月）輸沙量占多年年平均輸沙量的92.7%，非汛期輸沙量占比很小，因此只考慮克里雅河汛期時段輸沙所需水量。參考多位學者文章觀點，在一定輸沙總量要求下，輸沙需水量直接取決于水流含沙量大小［28-31］。河流輸沙需水量計算公式如下：

式中：Ws為輸沙需水量，m3；St多年平均輸沙量，kg；Cmax為多年最大月平均含沙量，kg∕m3。

由于本研究所搜集到的多年最大含沙量數據為最大日數據，最大日數據應為當月含沙量中的最大值，因此計算得出的輸沙需水量比真實值小，因此在設置滿足輸沙要求適宜水量標準時應作適當調整。同時參考學者陳銳文章成果［32］，最終確定滿足輸沙要求適宜水量標準如表5所示。

表5 滿足輸沙要求生態基流適宜水量標準Tab.5 The standard of suitable volume of ecological base flow is required for sediment transport

（3）體現徑流年內豐枯變化特征標準。國內外部分學者認為天然徑流的水文情勢（如徑流的年內豐枯變化）在維持河流生態多樣性和生態系統完整性方面發揮了至關重要的作用［33，34］，因此天然徑流的年內豐枯變化特征應該在生態基流年內變化過程中有所體現。克里雅河汛期時段徑流量大，且汛期較為集中，一般為每年的6-8月，其余時間徑流量較小。為體現克里雅河天然徑流的年內豐枯變化特征，生態基流年內變化過程應具有以下特點。①生態基流的增減應與徑流的年內豐枯變化保持一致；②汛期生態基流應明顯大于非汛期；③汛期各月間的生態基流也應有所差異，生態基流最大月應與徑流最大月同期（每年7月）。

4.3 不同水文學生態基流計算方法適用性分析

根據4.2 節所設置的標準，分別從滿足河道水生生物基本生存適宜水量、滿足維持河道基本形態穩定適宜水量，以及體現克里雅河天然徑流年內豐枯變化特征等方面綜合評價7種水文學生態基流計算方法的適用性。各方法生態基流對應水量柱狀圖如圖4 所示（圖中適宜水量范圍根據表4、5 適宜水量標準劃定），各方法年內生態基流過程線如圖5所示。

圖4 各方法生態基流對應水量Fig.4 Histogram of water volume corresponding to ecological base flow of each method

圖5 各方法生態基流過程線Fig.5 Process lines of ecological base flow for each method

由圖4、5 可以看出，QP法、近10 年最枯月平均流量法、典型水文頻率年法側重對枯水年份的研究，計算出的生態基流對應水量雖然能夠在全年總量上滿足標準所劃定的適宜水量閾值范圍，但是無法滿足汛期、非汛期不同時段的適宜水量閾值范圍。且以上3種方法均是通過某單一平均流量的百分率或天然流量頻率曲線上的保證率確定生態基流，“全年一個值”無法體現天然徑流的年內豐枯變化特征。NGPRP 法由于考慮了豐水年、平水年和枯水年的差別，在計算時直接排除了枯水年流量樣本，使得所選樣本值整體較高，因此計算出的生態基流結果較大。頻率曲線法和年內展布法雖然能夠較好的反映天然徑流的年內豐枯變化差異，但是計算出的生態基流對應水量無論在汛期還是非汛期時段都偏大，全年生態基流對應水量約占全年徑流總量的50%以上，不符合克里雅河徑流總量小，水資源稀缺的實際情況。Texas 法生態基流計算結果能夠較好的反映天然徑流的年內豐枯變化差異，同時該方法生態基流對應水量在全年總體及汛期時段均能滿足標準所劃定的適宜水量閾值范圍，但非汛期時段生態基流對應水量略小，不能滿足該時段適宜水量閾值范圍。

綜上，本研究認為QP法、近10 年最枯月平均流量法、典型水文頻率年法3 種方法并不適用于本研究區，較適用于年徑流總量較小、年內不同時段徑流量差異小的河流。NGPRP 法、頻率曲線法和年內展布法則適用于年徑流總量更加豐沛、年內不同時段徑流量差異明顯的河流。相比之下，Texas 法更適用于類似克里雅河年徑流總量較小（水資源稀缺）、年內不同時段徑流量差異大的河流，但其特定百分率的取值應根據克里雅河的徑流特征進行適當調整。

4.4 改進Texas法

前文選用Texas 法進行生態基流計算時，特定百分率的取值主要參考國內學者吳喜軍對渭河林家村站1944-2008 年共780個月的徑流量進行頻率分析時確定的數值。雖然克里雅河和渭河都是我國北方河流，但克里雅河作為西北干旱區內陸河，氣候特征，水文特征較渭河流域還是有所差異，其中最明顯的就是克里雅河汛期、非汛期不同時段流量差異更大。針對這一差別，將對Texas法特定百分率的取值進行適當調整。

對于克里雅河此類年內不同時段流量差異大的河流，應該區分不同時段生態基流所要發揮的不同功能，達到的不同目標，分別確定對應時段的特定百分率。同時為使計算出的生態基流能夠最大程度的反映天然徑流的年內豐枯變化特征，特定百分率的選取遵循相同時段百分率相同原則。以克里雅河為例，非汛期泥沙含量較少，暫不考慮輸沙，該時段生態基流主要考慮保障河道水生生物的基本生存需求，20%特定百分率取值下Texas 法生態基流計算值偏小，需要適當提高特定百分率取值。參照前文設定的保障河道水生生物的基本生存生態基流對應水量需求，將非汛期時段特定百分率由20%提高至37%。（當非汛期特定保證率達到37%時，能夠保證年內流量最枯月的生態基流滿足“多年年均天然流量的10%”這一保障水生生物基本生存的最低需求。）而汛期時段流量增大，泥沙含量增大，這一時段的生態基流在滿足水生生物基本生存的同時還需兼顧河道輸沙。通過比較前文設定的標準，汛期20%特定百分率取值下計算出的生態基流對應水量能夠滿足需求，因此該時段特定百分率仍然取20%。調整特定百分率前后生態基流計算結果，如表6所示。

表6 改進前后Texas法生態基流計算結果Tab.6 Ecological base flow calculation results of Texas method before and after improvement

改進后的Texas 法計算出的生態基流在全年各個時段均能滿足標準需求。計算所得全年生態基流對應水量1.89 億m3，約占克里雅河全年徑流總量的24.83%，汛期生態基流對應水量1.02 億m3，約占同時段徑流量的20.1%，占全年徑流總量的13.4%；非汛期生態基流對應水量0.87 億m3，約占同時段徑流量的34.4%，占全年徑流總量的11.43%。不同時段生態基流對應水量占全年徑流總量比例如圖6 所示。改進后的Texas 法計算得出的生態基流在保障河流發揮其基本功能、維持河道形態穩定，避免生態環境遭受嚴重破壞的前提下，將盡可能多的水資源用于當地日益增長的人民生產生活用水，較好的權衡了該地區生態環境用水與生產生活用水之間的矛盾，具有一定的現實意義。

圖6 生態基流對應水量占全年徑流總量比例示意圖Fig.6 Schematic diagram of the proportion of water corresponding to ecological base flow in total annual runoff

5 討論

自20 世紀70 年代我國學者開始致力于確定河流最小流量方法的研究開始，我國的生態基流研究已經持續了50 年之久，國內學者針對不同地區的眾多河流進行了生態基流的估算，并對不同種類的生態基流估算方法進行了對比。但受我國幅員廣闊，氣候水文特征復雜多變的影響，至今為止尚沒有通用的生態基流計算方法體系，也沒有詳細明確的生態基流估算值適用性評價指標，部分計算方法沒有統一的計算公式以及明確的參數取值，規范性較弱。研究從生態基流的基本概念和功能出發，充分考慮干旱區河流典型水文特征，從維持河道基本形態、保障河道水生生物的基本生存、反映徑流年內豐枯變化特征等三方面設立詳細的評價指標，分析了多種水文學生態基流計算方法的適用性，選擇出最能夠滿足干旱區徑流特征的方法，并對所選方法的計算參數進行了明確界定，增強了方法的規范性和實用性。

同時還存在一定的局限性。此次對比分析的生態基流計算方法都是單純基于河流長系列徑流實測數據進行分析計算的水文學方法，此類方法對于氣溫、降水等氣象要素以及河道周邊生態環境要素的影響考量相對較少。在如今全球氣候變化的大背景之下，特別是在西北干旱區，氣象要素對河道周邊生態環境的影響愈發顯著。今后在進行生態基流計算分析時，除對水文觀測資料進行分析計算之外，還應適當考慮氣象要素對計算結果的影響。

6 結論

（1）根據克里雅河徑流特征，提出改進后的Texas 法計算出克里雅河的生態基流，為克里雅河的水資源合理開發利用和生態環境保護，提供參考依據。

（2）從體現生態基流的功能上來看，改進后的Texas 法生態基流計算結果在滿足維持河道基本形態、保障河道水生生物的基本生存、體現克里雅河徑流年內豐枯變化特征三方面要求的同時，能更合理的兼顧干旱區河流年內分配差異大的徑流特征以及流域水資源總量稀缺的實際情況，更具有現實意義。

（3）研究所采用的根據生態基流不同功能分別設置對應評價指標的方法可以運用于其他類似河流的生態基流計算方法適用性評價，為其他河流的生態基流計算方法優選提供一種新的思路。