格爾木河生態(tài)基流研究

馬 玲，李潤(rùn)杰，4，黃佳盛，連利葉，郭凱先，溫 軍，張永熙

(1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810008；2.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810001；3.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，青海西寧810001；4.青海大學(xué)三江源生態(tài)與與高原農(nóng)牧國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810000)

0 引 言

我國(guó)為嚴(yán)重缺水的國(guó)家，水資源時(shí)空分布呈北方少、南方多且年內(nèi)分配不均勻的狀態(tài)[1]。近年來(lái)，由于水資源的一些不合理開(kāi)發(fā)利用使河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能遭到嚴(yán)重破壞[2-5]。在我國(guó)干旱半干旱區(qū)河流水資源開(kāi)發(fā)利用主要應(yīng)用與工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水，忽視了生態(tài)環(huán)境保護(hù)和發(fā)展對(duì)水資源的需要，導(dǎo)致天然生態(tài)系統(tǒng)退化和生態(tài)環(huán)境惡化[6]。長(zhǎng)期以來(lái)，人類(lèi)只注重水資源開(kāi)發(fā)利用而忽視了水與生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)、恢復(fù)和建設(shè)的關(guān)系。生態(tài)基流是為了維持生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能所需要的水量[7]，研究河流生態(tài)基流可為保護(hù)河道正常運(yùn)作提供基礎(chǔ)保障。

格爾木河位于柴達(dá)木盆地，由于常年少雨導(dǎo)致流域水資源匱乏，同時(shí)各種需求不斷增加，河道內(nèi)的水量大幅度減少，河流水文情勢(shì)發(fā)生了不同程度的變化；出現(xiàn)了河流地下水位下降、水土流失、水生生物棲息地環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[8]，亟待統(tǒng)籌解決好工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)的用水需求，合理開(kāi)發(fā)利用水資源。本文通過(guò)研究格爾木河的水文突變年經(jīng)修正還原后采用4種生態(tài)流量評(píng)估方法，給出適用于格爾木河的生態(tài)基流方案，為進(jìn)一步探究柴達(dá)木盆地其他河流的河道生態(tài)基流提供參考，為柴達(dá)木盆地生態(tài)需水和水資源合理利用提供理論依據(jù)。

1 格爾木河

1.1 研究區(qū)概況

格爾木河(93°01′～96°54′E，35°01′～37°00′N(xiāo))位于青海省柴達(dá)木盆地南部，是柴達(dá)木盆地的第二大河。格爾木河流域?qū)俑咴箨懶愿稍鐨夂騾^(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大，主要補(bǔ)給源是降雨、融雪和地下水；流域面積18 648 km2，月平均最大流量163 m3/s，月平均最小流量10.1 m3/s。格爾木河落差1 770 m，河床平均比降0.541%地貌類(lèi)型為荒漠、戈壁、鹽沼澤、鹽漬沙丘和湖積平原。格爾木水文站在距源頭357.2 km處，控制流域面積19 614 km2(見(jiàn)圖1)。柴達(dá)木區(qū)地表水為8.7億m3，地下水資源量為7.84億m3，水資源總量為9.06億m3，而地表水與地下水重復(fù)量為6.48億m3。

圖1 研究區(qū)域示意

1.2 干旱流域的特殊性

格爾木河山區(qū)段有雪水河和昆侖河、南溝3支，匯流后在出山口后流入格爾木河，由南向北流經(jīng)山區(qū)、戈壁平原。在進(jìn)入格爾木市之后又分為東、西兩河，并與諸多泉集河(清水河、金水河、巴水河、紅旗河等)繼續(xù)向北匯流，最終注入達(dá)布遜湖等鹽區(qū)。

在細(xì)土平原前緣分布數(shù)條全集河，自東向西為格爾木東河、格爾木西河、紅旗河、金水河、巴水河及清水河。除格爾木河西河接受來(lái)自上游格爾木河地表水外，其余均為地下水溢出而成。近年來(lái)，增加開(kāi)采地下水、渠系農(nóng)業(yè)灌溉及河道整治工程，對(duì)泉集河的流量有一定的影響；最下游為達(dá)布遜湖區(qū)，包括東達(dá)布遜湖、新湖、大別勒湖等全部屬咸水湖，為格爾木河以及其他泉集河的最終匯集地，除清水河流入大別勒湖外，其余均流入格爾木河流域最大的湖泊——東達(dá)布遜湖。

山前戈壁荒漠地帶因地下水埋深大(一般20～100 m)，無(wú)植被生長(zhǎng)。到山前細(xì)土平原地表水和地下水均較豐富，地下水位較淺，土層厚、土壤含鹽量少，土質(zhì)較好，是本區(qū)的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，植被以怪柳、白刺等灌木為主。至地下水溢出帶，因地下水大量泄出，形成多條全集河，生長(zhǎng)有怪柳、白刺、沙棘和相伴生的蘆葦、芨芨草和苔蘚等，植被種類(lèi)多樣，生長(zhǎng)茂密，覆蓋度達(dá)50%～80%，以下是鹽沼澤。由于土壤含鹽量增高，地下水質(zhì)變差。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所采用天然徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省水文局、氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省氣象局，選取格爾木水文站1959年～2018年、納赤臺(tái)水文站1968年～2018年，根據(jù)格爾木河河流的特點(diǎn)分別把納赤臺(tái)水文站、格爾木水文站作為其上、中游生態(tài)基流的控制斷面。根據(jù)格爾木水文站、納赤臺(tái)水文站各月多年平均流量和降水?dāng)?shù)據(jù)資料(所用數(shù)據(jù)是日數(shù)據(jù)按月分析出圖)(見(jiàn)圖2和圖3)，其多年平均流量從1月～5月流量逐漸增加，到7月、8月份達(dá)到最大，9月份開(kāi)始逐漸回落，構(gòu)成一個(gè)單峰分布式過(guò)程。降水量在5月～9月份顯著，年內(nèi)成單峰分布式，降水與徑流變化大體趨勢(shì)一致。圖4、圖5為格爾木水文站和納赤臺(tái)水文站年際序列徑流降水變化趨勢(shì)圖。

圖2 格爾木流量和降水

圖3 納赤臺(tái)流量和降水

圖4 格爾木水文站年際流量降水

圖5 納赤臺(tái)水文站年際流量降水

2.2 M-K突變檢驗(yàn)方法

Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可以排除異常值的干擾，M-K法能夠大致確定突變點(diǎn)的位置，并構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量的秩序列[9]，本文采用M-K檢驗(yàn)綜合判斷格爾木水文站1959年～2018年、納赤臺(tái)水文站1968年～2018年的實(shí)測(cè)年徑流量系列變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)。見(jiàn)圖6、7。

圖6 格爾木站M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

圖7 納赤臺(tái)站M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

圖6、7分析結(jié)果顯示，UFk<0說(shuō)明徑流量基本呈減少趨勢(shì)，格爾木站1989年～2003年減少趨勢(shì)最顯著。通過(guò)計(jì)算可得，系列整體顯著性水平格爾木站為1.29、納赤臺(tái)站為5.35。M-K檢驗(yàn)曲線(xiàn)中UFk與UBk統(tǒng)計(jì)量有交叉點(diǎn)，格爾木站為1965年、2009年，納赤臺(tái)站為2002年。即，1965年、2009年為格爾木徑流量的突變年，2002年為納赤臺(tái)站的突變年，經(jīng)突變還原之后進(jìn)行生態(tài)流量分析。

2.3 水文法

生態(tài)基流計(jì)算方法多達(dá)207種[10]，一般分為水文法、水力學(xué)方法、生境模擬法和整體分析法[11-13]。本文根據(jù)歷史流量計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)基流[14-16]，即采用水文法進(jìn)行研究。

2.3.1 Tennant法

Tennant法也叫蒙大拿法(Montana)，是河流控制斷面生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法之一。該方法將年平均流量的百分比作為生態(tài)基流[17-18]，通過(guò)分析河流多年天然平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況，建立水生生物、河流景觀(guān)、娛樂(lè)和河流流量之間的關(guān)系。在Tennant法中，以預(yù)先確定的多年平均流量百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將保護(hù)水生態(tài)河水環(huán)境的河流基流推薦值分為8個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，又依據(jù)水生生物對(duì)環(huán)境的季節(jié)性要求不同，分為4月～9月分魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵育肥期及農(nóng)田灌溉期和10月～翌年3月份一般用水期[21]。

從《青海省主要河流生態(tài)基流流量指標(biāo)分析計(jì)算報(bào)告》成果看，格爾木河各水電站生態(tài)基流按照4月～9月生態(tài)基流按多年平均流量30%下泄，10月～翌年3月生態(tài)流量按多年平均流量10%下泄。

按照SL/Z 712—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的技術(shù)規(guī)定，科學(xué)選擇生態(tài)基流計(jì)算方法，合理確定格爾木河生態(tài)水量指標(biāo)。汛期和非汛期按照推薦的基流標(biāo)準(zhǔn)的10%～30%作為生態(tài)流量。計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。計(jì)算公式如下[22]

(1)

式中，Wr為河道最小生態(tài)流量；Wi為第i年的河流徑流量；K為選取的百分?jǐn)?shù)；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

2.3.2 Q90法

Q90法是改進(jìn)后的美國(guó)7Q10法，該計(jì)算方法于20世紀(jì)70年代傳入我國(guó)，它是防治河流水質(zhì)污染的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)。本次研究采用90%保證率對(duì)應(yīng)的最枯月平均流量作為生態(tài)流量和生態(tài)需水量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并假設(shè)該方法下的年內(nèi)各月生態(tài)基流均為保證率90%對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量[23-24]。

表1 Tennant法推薦生態(tài)基流

采用格爾木水文站1959年～2018年和納赤臺(tái)水文站1968年～2018年實(shí)測(cè)徑流量資料，選取每年最小月平均流量值。參考《青海省水文手冊(cè)》“年徑流Cv等值線(xiàn)圖”及“年徑流Cs/Cv分區(qū)圖”分析得：格爾木水文站的Cv為0.33，Cs/Cv為8；納赤臺(tái)水文站的Cv為0.26，Cs/Cv為8。根據(jù)皮爾遜-Ⅲ型曲線(xiàn)中值，計(jì)算出格爾木水文站、納赤臺(tái)水文站的流域在90%的保證率下的生態(tài)基流，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 Tennant法推薦10%和30%生態(tài)基流

表3 90%保證率下的生態(tài)基流

2.3.3 近十年最枯月平均流量法

近十年最枯月平均流量法是通過(guò)近十年逐月徑流水文資料選取每年最小月流量值，進(jìn)行平均流量計(jì)算的生態(tài)基流量。即近十年中最小的徑流量均值為生態(tài)流量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 近十年最枯月平均流量法的生態(tài)基流

2.3.4 最小月平均實(shí)測(cè)徑流法

為了維持河流基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞，就是要求年內(nèi)各時(shí)段的河川徑流量都維持在一定的水平上，不出現(xiàn)類(lèi)似斷流等可能導(dǎo)致河流生態(tài)環(huán)境功能破壞的現(xiàn)象?；谶@種考慮，以河流最小平均月實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)用水量，計(jì)算結(jié)果如表5所示。計(jì)算公式如下[16]

(2)

式中，Wb為河流基本生態(tài)用水量；Qij為第i年第j月月均流量；T為換算系數(shù)，其值為31.536×106s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

表5 最小月平均實(shí)測(cè)流量法的生態(tài)基流

3 討論與分析

3.1 結(jié)果比較

本文采用Tennant法、Q90法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均實(shí)測(cè)徑流法4種方法，對(duì)格爾木河河道生態(tài)基流進(jìn)行了分析計(jì)算。這4種計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，詳見(jiàn)表6。

表6 不同方法格爾木河生態(tài)基流推薦值 m3/s

Tennant法分汛期非汛期，Q90法和近十年最枯月平均流量法適用于河流納污能力計(jì)算，最小月平均實(shí)測(cè)徑流法沒(méi)有考慮到季節(jié)變化。Q90法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均實(shí)測(cè)徑流法的結(jié)果未考慮到北方河流的汛期非汛期，用水量大的季節(jié)與非用水量時(shí)期的特殊情況。因此，Tennant法適合北方降水量小、蒸發(fā)量大的特點(diǎn)，且保證生態(tài)最低需求。此外，格爾木河隸屬干旱區(qū)河流，其特殊性需考慮到山區(qū)、出山口后入滲段河段、細(xì)土泉水出露段、下游河水耗散段、鹽湖詳細(xì)情況。比較4種方法的結(jié)果，Tennant法適合格爾木河的生態(tài)流量。

3.2 對(duì)比驗(yàn)證

由于格爾木河屬于北方季節(jié)性河流，具有汛期和非汛期之分，大量研究發(fā)現(xiàn)Tennant法適宜與柴達(dá)木盆地格爾木河生態(tài)基流的計(jì)算方法。此結(jié)論與鄭小康等[25]對(duì)青海河流生態(tài)流量觀(guān)點(diǎn)相同。

根據(jù)豐水年、平水年、枯水年、特枯年、多年平均流量、2018年對(duì)格爾木河生態(tài)基流進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表7、8。

表7 不同代表年格爾木年均流量 m3/s

表8 河流生態(tài)基流指標(biāo)

從豐、平、枯、特枯年和多年平均流量(見(jiàn)表7)與不同方法格爾木河生態(tài)基流推薦值(見(jiàn)表6)對(duì)比分析認(rèn)為，Tennant法汛期占多年平均流量的30%，非汛期占多年平均流量的10%，生態(tài)基流既可以維持流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行。分析表6與表7發(fā)現(xiàn)：近十年最枯月平均徑流法的生態(tài)基流接近特枯年的流量，故不宜采用近十年最枯月平均徑流法的結(jié)果；Q90法適用于河流那污能力計(jì)算，而格爾木河中上游沒(méi)有污染情況，在此河中應(yīng)用性不強(qiáng)；格爾木河屬于季節(jié)性河流，最枯月是非汛期下游農(nóng)業(yè)非需水期，以此方法確定格爾木河中上游生態(tài)基流不符合格爾木河的全年生態(tài)流量需求。本文生態(tài)基流除了特殊年份外均滿(mǎn)足要求，與趙然杭的觀(guān)點(diǎn)相一致[26]。Tennant法既繼承了原方法能夠體現(xiàn)河道年內(nèi)徑流總體過(guò)程和變化特征的特點(diǎn)，又能夠適用于季節(jié)性明顯的河道體現(xiàn)了其合理性。

(1)格爾木河上游以水電資源開(kāi)發(fā)為主體，流域內(nèi)已經(jīng)建成的水利工程包括蓄水、引水、提水、調(diào)水工程和地下水開(kāi)采工程等多項(xiàng)，各水電站的最小下泄生態(tài)基流如表8所示。

(2)由于汛期大量的河道內(nèi)水通過(guò)渠道被引入到灌區(qū)進(jìn)行農(nóng)田灌溉和防護(hù)林等灌溉，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植情況，4月開(kāi)始播種至9月底10月初為作物的生長(zhǎng)季進(jìn)行灌溉。河道內(nèi)的水大量被引入渠道進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，而河道內(nèi)的水量大大減少，但是需要考慮到這些影響因素，因此在4月～9月份中上游斷面的生態(tài)流量與10月～翌年3月份的需求量和標(biāo)準(zhǔn)不相同。

(3)柴達(dá)木區(qū)地表水為8.7億m3，地下水資源量為7.84億m3，水資源總量為9.06億m3，地表水與地下水重復(fù)量為6.48億m3；且格爾木河隸屬干旱區(qū)河流，其特殊性需考慮到山區(qū)、出山口后的入滲段河段、細(xì)土泉水出露段、下游河水耗散段、鹽湖等詳細(xì)情況，需要考慮地表水與地下水頻繁轉(zhuǎn)換對(duì)其河道和有些水電站的影響，在一些下潛區(qū)域如何保證該段流域的正常功能。一般情況下認(rèn)為，非汛期生態(tài)基流不可低于多年平均天然凈流量的10%，汛期生態(tài)基流應(yīng)達(dá)到多年平均天然凈流量的10%～30%為宜[20]。

4 結(jié) 論

(1)基于M-K突變檢驗(yàn)格爾木站1965年、2009年為徑流量的突變年，納赤臺(tái)站2002年為徑流突變年，經(jīng)突變還原之后進(jìn)行生態(tài)基流分析。

(2)綜合格爾木流域生態(tài)基流的影響因素，通過(guò)計(jì)算分析對(duì)比研究Tennant法計(jì)算結(jié)果不僅保證了格爾木河生態(tài)基流正常下泄，同時(shí)維護(hù)了河流汛期非汛期的生態(tài)功能，其他3種方法沒(méi)有汛期非汛期之分，不符合格爾木河生態(tài)基流閾值的確定。Tennant法計(jì)算結(jié)果可作為格爾木河的生態(tài)基流確定值。即汛期(4月～9月)格爾木水文站生態(tài)基流7.26 m3/s，納赤臺(tái)水文站的生態(tài)基流為4.20 m3/s；非汛期(10月至翌年3月)格爾木水文站生態(tài)基流2.42 m3/s，納赤臺(tái)水文站的生態(tài)基流為1.40 m3/s。

(3)Tennant法、Q90法、近十年最枯月平均流量法和最小月平均實(shí)測(cè)徑流法的對(duì)比結(jié)果表明，Tennant法的汛期、非汛期與格爾木區(qū)域所對(duì)應(yīng)的河道狀態(tài)與河道生態(tài)需求相對(duì)應(yīng)，Tennant法不同需水期的生態(tài)基流不同，符合內(nèi)陸河及干旱區(qū)的情況。