克里雅河生态基流水文学计算方法优选

周明通，魏 宣，王 宁，郭玉川

（1.新疆大学地理科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046）

0 引言

河流作为地球上的自然生态系统之一，承担着维持陆地生态系统与水生态系统间物质循环的重要作用。近年来，随着社会的不断发展、人口的不断增多，人类对于淡水资源的需求量日益增加。河流因其开发利用成本较低，成为人类获取淡水资源的重要途径。由于人类的过度开发，部分河流开始出现如断流、水质恶化、生物栖息地破坏、生物多样性受损及重要或敏感水生生物消亡等一系列问题［1，2］。协调好开发利用河流水资源与维持河流生态系统健康之间的关系，对保护流域生态环境，促进区域经济社会发展有着十分重要的意义。

国内外相关研究成果显示，生态基流对于维系河流健康起着至关重要的作用。生态基流是指一定时段内河流维持基本自然功能应保持的基本流量［3］。在此流量下，河道保证不断流，河道形态能够保持基本稳定，水生生物群落能够避免遭受不可恢复性的破坏［4，5］。随着相关研究的深入，部分研究者发现仅仅维持河流中稳定的基本流量难以保证河流生态系统的健康，具有一定天然水文情势特征（如径流年内丰枯变化）也是维持河流生态系统健康的重要条件［6-8］。此后，确定河流生态基流时综合考虑保障河道基本形态稳定、保证水生生物基本生存以及反映河流天然水文情势特征等三方面需求，逐渐成为诸多学者的共识。当前生态基流的计算方法较多，一般可分为四大类：水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法［9-11］。其中水文学法因其数据获取不需要进行现场测量，计算过程方便可靠等优势仍然是我国生态基流计算的主要方法［12，13］。水文学生态基流计算方法中较常用的包括Texas 法、QP法、典型水文频率年法、NGPRP法、最枯月平均流量法、频率曲线法以及年内展布法等［14］。以上方法的适用条件各有不同，且适用性研究多集中于我国南方及东北部地区的河流［15-19］，而针对西北干旱区的内陆河水文特征的适用性研究相对较少。

研究以新疆西北干旱区典型内陆河流克里雅河为研究对象，选取1957-2015 年克里雅河出山口兰干水文站逐月实测流量资料，从维持河道基本形态稳定、保障河道水生生物基本生存，反映径流年内丰枯变化特征等三方面综合分析评价主流水文学方法对克里雅河的适用性，优选最适宜的方法，并确定河流年内各月生态基流。从方法上为西北干旱区河流的生态基流方法选择提供数据参考，从现实上为水资源管理者科学合理的管理调配河流水资源提供数据支撑。

1 研究区概况

克里雅河地处我国西北干旱区，发源于昆仑山北坡，自南向北蜿蜒流动，在穿过中游于田绿洲后深入塔克拉玛干沙漠腹地，并在河道尾闾形成达里雅布依天然绿洲。克里雅河是于田绿洲和尾闾达里雅布依绿洲得以存活的唯一水源，同时也为其间生活的多种水生生物（如隆额高原鳅等）提供了栖身之所。随着于田绿洲人口增加及耕地面积的扩大，河流中游段引水量逐年增多，尾闾天然绿洲萎缩趋势日益明显，中游人工绿洲和下游天然绿洲用水矛盾越发严峻，中下游河道断流现象时有发生，河流中水生生物的生存遭受到严重威胁。为确保河道形态维持基本稳定，河道生态环境保持基本健康（不退化），亟待确定克里雅河生态基流。克里雅河地理位置概况如图1所示。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

克里雅河全长438 km，多年平均径流量约为7.61 亿m3，根据于田县水利局提供的相关数据可知克里雅河主要引水渠首1993-2015 年多年平均引水量约为6.42 亿m3，约占多年同期平均地表径流量的84%，河流开发利用程度较高［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）亿m3Tab.1 Water diversion amount of main diversion Channels in Keriya River（1993-2015）

2 数据基础

2.1 数据来源

为保证所用数据符合计算分析要求，此次选用克里雅河兰干水文站1957-2015 年实测逐月流量数据进行分析计算（该数据由和田地区水文局提供）。兰干水文站为克里雅河出山口水量控制站，也是国家基本水文站。建站于1956 年11 月，地理坐标81°28′E、36°28′N。该水文站位于克里雅河出山口，2015 年以前受人类活动干扰较小，2016年随着兰干水文站上游的吉音水库开始建设，水文站2016 年至今基本处于停测状态。因此，为保证水文资料的原始性，本次选取的水文资料序列为建站至2015年。

2.2 径流特征分析

根据克里雅河兰干水文站断面1957-2015 年实测径流数据，绘制克里雅河年径流柱状图如图2所示；绘制克里雅河各月多年平均径流量柱状图如图3所示。

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

由图2、3 可知，克里雅河1957-2015 年多年平均年径流为7.61 亿m3，年内各月径流量差异较大，其中6-8 月为径流量最大的时段，该时段多年平均径流量为5.08 亿m3，约占全年径流量的66.8%，故将此时段划定为河流汛期。克里雅河属混合补给型河流，汛期径流以高山冰雪融水补给为主、降水和地下水补给为辅，径流量较大［21，22］。

3 研究方法

（1）Texas 法。Texas 法［23］是在Tennant 法的基础上进一步考虑了河流季节变化因素，通过对各月流量频率曲线进行计算后，取50%保证率下月流量的特定百分率作为最小流量。参考国内学者吴喜军［24］的研究成果，选择50%保证率下的天然月平均流量的20%作为生态基流。

（2）QP法。QP法［20］是以长时间序列（30年以上）天然月平均流量、月平均水位或径流量为基础，对每年最枯月天然月均流量进行排频，以指定频率下月平均流量为生态基流。频率一般根据河流水资源开发利用程度、规模、来水情况等实际情况确定，宜取90%或95%。由于克里雅河多年平均引水量约为6.42亿m3，约占多年同期平均径流量（7.61 亿m3）的84%，开发利用程度较高。故频率选取95%。

（3）典型水文频率年法。典型水文频率年法研究生态基流时侧重对枯水年份的研究，特枯年份组中径流量最大的年份年内的各月月平均流量应满足生态基流的取值。因此按距平率将长系列水文资料中每一年判定为丰水年、平水年、偏枯水年、特枯水年，选择特枯水年组中年径流量最大的年份为典型年，取典型年内最小天然月平均流量作为生态基流。

距平百分率的计算公式为：

式中：Qi为水文站第i年的径流量，亿m3；Qa为水文站多年平均径流量，亿m3；E为水文站的距平百分率。当E>10%时，对应年份为丰水年；当-10%

（4）NGPRP 法。NGPRP 法考虑了枯水年、平水年、丰水年的差别，综合了气候情况以及可接受频率因素，按照距平率将长系列水文资料中的每一年分为丰水年、平水年、枯水年、特枯水年，并取平水年组90%保证率对应的天然月平均流量为生态基流。

（5）近10 年最枯月平均流量法。近10 年最枯月平均流量法选择近10年最枯天然月平均流量的平均值作为生态基流。

（6）频率曲线法。频率曲线法考虑了生态基流在年内不同时段取值的差异，以月为尺度对长系列水文资料中的月平均流量进行分析，将每个月份的多年月平均流量值进行排频，构建全年逐月月平均流量曲线，取95%所对应的天然月平均流量作为生态基流。

（7）年内展布法。研究基于邓晓［25］提出的考虑河流基本生态环境对年内不同时期水量的动态需求过程，结合克里雅河年内径流变化特征，将全年分为汛期（6-8月）和非汛期（9月-翌年5 月）两个时段，分别计算不同时段的同期均值比，结合各月多年同期平均流量，依次计算年内每月的河道生态基流。

①分别计算每月、汛期、非汛期不同时段多年平均流量。计算公式为：

式中：η1为汛期时段同期均值比；η2为非汛期时段同期均值比。

④分别计算各月生态基流。基于汛期、非汛期时段划分，结合各月多年同期平均流量，依次计算年内每月的河道生态基流，计算公式为：

式中：Qi为年内第i月的生态基流，m3∕s；ηi为各月对应汛期、非汛期不同时段的均值比。

4 研究结果分析

4.1 生态基流计算结果

研究所对比的7种水文学计算方法均为目前相关研究领域常用的方法，基础数据均基于兰干水文站1957-2015 年共59 年的实测径流系列，水文资料长度符合要求，资料数据较为可靠，但由于不同方法的侧重点及考虑因素不同，选取的平均流量百分率或天然流量频率曲线上的保证率各不相同，造成不同方法的计算结果存在差异。各水文学方法生态基流计算结果如表2所示。

表2 不同水文学方法生态基流计算结果 m3∕sTab.2 Calculation results of ecological base flow with different hydrology methods

4.2 生态基流评价标准设定

生态基流评价标准将围绕保障河道水生生物基本生存、维持河道形态基本稳定、反映径流年内丰枯变化特征3 个方面进行设定。从保障河道水生生物基本生存角度设置标准主要用于检验不同时段生态基流对应水量是否能够满足河流水生生物以及河岸边植被的基本生存需求。从维持河道形态基本稳定角度设置标准主要用于检验泥沙含量较大时期生态基流对应水量是否能够满足河流的输沙及冲淤动态平衡需求。设置体现径流年内丰枯变化特征标准是用于检验生态基流计算结果能否体现天然径流的水文情势。

（1）保障河道水生生物基本生存适宜水量标准。设定保障河道水生生物基本生存适宜水量标准时主要参考Tennant法［26］不同河道内生态环境状况对应的流量百分比表［27］，并结合克里雅河汛期、非汛期天然径流差距大的特点，对其所划定的阈值进行部分调整，重新划定汛期、非汛期的生态基流占天然流量百分比的取值区间，最后确定出汛期、非汛期生态基流对应水量合理阈值范围。并以此作为评价各水文学生态基流计算方法适用性及结果合理性的标准之一。调整后的Tennant 法不同河道内生态环境状况对应的流量百分比如表3所示。

表3 Tennant法不同河道内生态环境状况对应流量百分比 %Tab.3 Flow percentage table corresponding to ecological environment conditions in different river channels by Tennant method

克里雅河流域地处西北干旱区塔克拉玛干沙漠腹地，水资源较为稀缺，需要在生产、生活用水与生态环境用水间做出权衡。考虑到克里雅河汛期时段径流量大的特点，可以适当提高该时段生态基流标准，使河道内生态环境状况处于“一般”至“良好”的状态为宜。此状态下，能够为水生生物提供较合适的生存环境。建议汛期生态基流标准取多年年均天然流量的30%～40%。非汛期时段克里雅河径流量小，为保证此时段克里雅河河道内生态环境不会进一步恶化，水生生物的生存能够得到基本满足，生态基流占多年平均流量的百分比应保证在10%以上。建议非汛期生态基流标准取多年年均天然流量的10%～20%。经计算，能够满足河道水生生物基本生存的各时段生态基流适宜水量标准如表4所示。

表4 保障河道水生生物基本生存生态基流适宜水量标准 亿m3Tab.4 Ensure the suitable water level of the basic ecological base flow for aquatic life in the river

（2）维持河道基本形态稳定适宜水量标准。克里雅河作为西北干旱区内陆河流，最主要的特征便是泥沙含量大。为保证河道形态基本稳定，需要维持一定的水量来运移泥沙，避免河道泥沙淤积从而改变河道形态。根据克里雅河兰干水文站多年泥沙资料统计：克里雅河实测历年最大含沙量为146 kg∕m3，多年平均输沙量为305.1 万t，且汛期（6-8 月）输沙量占多年年平均输沙量的92.7%，非汛期输沙量占比很小，因此只考虑克里雅河汛期时段输沙所需水量。参考多位学者文章观点，在一定输沙总量要求下，输沙需水量直接取决于水流含沙量大小［28-31］。河流输沙需水量计算公式如下：

式中：Ws为输沙需水量，m3；St多年平均输沙量，kg；Cmax为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数据为最大日数据，最大日数据应为当月含沙量中的最大值，因此计算得出的输沙需水量比真实值小，因此在设置满足输沙要求适宜水量标准时应作适当调整。同时参考学者陈锐文章成果［32］，最终确定满足输沙要求适宜水量标准如表5所示。

表5 满足输沙要求生态基流适宜水量标准Tab.5 The standard of suitable volume of ecological base flow is required for sediment transport

（3）体现径流年内丰枯变化特征标准。国内外部分学者认为天然径流的水文情势（如径流的年内丰枯变化）在维持河流生态多样性和生态系统完整性方面发挥了至关重要的作用［33，34］，因此天然径流的年内丰枯变化特征应该在生态基流年内变化过程中有所体现。克里雅河汛期时段径流量大，且汛期较为集中，一般为每年的6-8月，其余时间径流量较小。为体现克里雅河天然径流的年内丰枯变化特征，生态基流年内变化过程应具有以下特点。①生态基流的增减应与径流的年内丰枯变化保持一致；②汛期生态基流应明显大于非汛期；③汛期各月间的生态基流也应有所差异，生态基流最大月应与径流最大月同期（每年7月）。

4.3 不同水文学生态基流计算方法适用性分析

根据4.2 节所设置的标准，分别从满足河道水生生物基本生存适宜水量、满足维持河道基本形态稳定适宜水量，以及体现克里雅河天然径流年内丰枯变化特征等方面综合评价7种水文学生态基流计算方法的适用性。各方法生态基流对应水量柱状图如图4 所示（图中适宜水量范围根据表4、5 适宜水量标准划定），各方法年内生态基流过程线如图5所示。

图4 各方法生态基流对应水量Fig.4 Histogram of water volume corresponding to ecological base flow of each method

图5 各方法生态基流过程线Fig.5 Process lines of ecological base flow for each method

由图4、5 可以看出，QP法、近10 年最枯月平均流量法、典型水文频率年法侧重对枯水年份的研究，计算出的生态基流对应水量虽然能够在全年总量上满足标准所划定的适宜水量阈值范围，但是无法满足汛期、非汛期不同时段的适宜水量阈值范围。且以上3种方法均是通过某单一平均流量的百分率或天然流量频率曲线上的保证率确定生态基流，“全年一个值”无法体现天然径流的年内丰枯变化特征。NGPRP 法由于考虑了丰水年、平水年和枯水年的差别，在计算时直接排除了枯水年流量样本，使得所选样本值整体较高，因此计算出的生态基流结果较大。频率曲线法和年内展布法虽然能够较好的反映天然径流的年内丰枯变化差异，但是计算出的生态基流对应水量无论在汛期还是非汛期时段都偏大，全年生态基流对应水量约占全年径流总量的50%以上，不符合克里雅河径流总量小，水资源稀缺的实际情况。Texas 法生态基流计算结果能够较好的反映天然径流的年内丰枯变化差异，同时该方法生态基流对应水量在全年总体及汛期时段均能满足标准所划定的适宜水量阈值范围，但非汛期时段生态基流对应水量略小，不能满足该时段适宜水量阈值范围。

综上，本研究认为QP法、近10 年最枯月平均流量法、典型水文频率年法3 种方法并不适用于本研究区，较适用于年径流总量较小、年内不同时段径流量差异小的河流。NGPRP 法、频率曲线法和年内展布法则适用于年径流总量更加丰沛、年内不同时段径流量差异明显的河流。相比之下，Texas 法更适用于类似克里雅河年径流总量较小（水资源稀缺）、年内不同时段径流量差异大的河流，但其特定百分率的取值应根据克里雅河的径流特征进行适当调整。

4.4 改进Texas法

前文选用Texas 法进行生态基流计算时，特定百分率的取值主要参考国内学者吴喜军对渭河林家村站1944-2008 年共780个月的径流量进行频率分析时确定的数值。虽然克里雅河和渭河都是我国北方河流，但克里雅河作为西北干旱区内陆河，气候特征，水文特征较渭河流域还是有所差异，其中最明显的就是克里雅河汛期、非汛期不同时段流量差异更大。针对这一差别，将对Texas法特定百分率的取值进行适当调整。

对于克里雅河此类年内不同时段流量差异大的河流，应该区分不同时段生态基流所要发挥的不同功能，达到的不同目标，分别确定对应时段的特定百分率。同时为使计算出的生态基流能够最大程度的反映天然径流的年内丰枯变化特征，特定百分率的选取遵循相同时段百分率相同原则。以克里雅河为例，非汛期泥沙含量较少，暂不考虑输沙，该时段生态基流主要考虑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 法生态基流计算值偏小，需要适当提高特定百分率取值。参照前文设定的保障河道水生生物的基本生存生态基流对应水量需求，将非汛期时段特定百分率由20%提高至37%。（当非汛期特定保证率达到37%时，能够保证年内流量最枯月的生态基流满足“多年年均天然流量的10%”这一保障水生生物基本生存的最低需求。）而汛期时段流量增大，泥沙含量增大，这一时段的生态基流在满足水生生物基本生存的同时还需兼顾河道输沙。通过比较前文设定的标准，汛期20%特定百分率取值下计算出的生态基流对应水量能够满足需求，因此该时段特定百分率仍然取20%。调整特定百分率前后生态基流计算结果，如表6所示。

表6 改进前后Texas法生态基流计算结果Tab.6 Ecological base flow calculation results of Texas method before and after improvement

改进后的Texas 法计算出的生态基流在全年各个时段均能满足标准需求。计算所得全年生态基流对应水量1.89 亿m3，约占克里雅河全年径流总量的24.83%，汛期生态基流对应水量1.02 亿m3，约占同时段径流量的20.1%，占全年径流总量的13.4%；非汛期生态基流对应水量0.87 亿m3，约占同时段径流量的34.4%，占全年径流总量的11.43%。不同时段生态基流对应水量占全年径流总量比例如图6 所示。改进后的Texas 法计算得出的生态基流在保障河流发挥其基本功能、维持河道形态稳定，避免生态环境遭受严重破坏的前提下，将尽可能多的水资源用于当地日益增长的人民生产生活用水，较好的权衡了该地区生态环境用水与生产生活用水之间的矛盾，具有一定的现实意义。

图6 生态基流对应水量占全年径流总量比例示意图Fig.6 Schematic diagram of the proportion of water corresponding to ecological base flow in total annual runoff

5 讨论

自20 世纪70 年代我国学者开始致力于确定河流最小流量方法的研究开始，我国的生态基流研究已经持续了50 年之久，国内学者针对不同地区的众多河流进行了生态基流的估算，并对不同种类的生态基流估算方法进行了对比。但受我国幅员广阔，气候水文特征复杂多变的影响，至今为止尚没有通用的生态基流计算方法体系，也没有详细明确的生态基流估算值适用性评价指标，部分计算方法没有统一的计算公式以及明确的参数取值，规范性较弱。研究从生态基流的基本概念和功能出发，充分考虑干旱区河流典型水文特征，从维持河道基本形态、保障河道水生生物的基本生存、反映径流年内丰枯变化特征等三方面设立详细的评价指标，分析了多种水文学生态基流计算方法的适用性，选择出最能够满足干旱区径流特征的方法，并对所选方法的计算参数进行了明确界定，增强了方法的规范性和实用性。

同时还存在一定的局限性。此次对比分析的生态基流计算方法都是单纯基于河流长系列径流实测数据进行分析计算的水文学方法，此类方法对于气温、降水等气象要素以及河道周边生态环境要素的影响考量相对较少。在如今全球气候变化的大背景之下，特别是在西北干旱区，气象要素对河道周边生态环境的影响愈发显著。今后在进行生态基流计算分析时，除对水文观测资料进行分析计算之外，还应适当考虑气象要素对计算结果的影响。

6 结论

（1）根据克里雅河径流特征，提出改进后的Texas 法计算出克里雅河的生态基流，为克里雅河的水资源合理开发利用和生态环境保护，提供参考依据。

（2）从体现生态基流的功能上来看，改进后的Texas 法生态基流计算结果在满足维持河道基本形态、保障河道水生生物的基本生存、体现克里雅河径流年内丰枯变化特征三方面要求的同时，能更合理的兼顾干旱区河流年内分配差异大的径流特征以及流域水资源总量稀缺的实际情况，更具有现实意义。

（3）研究所采用的根据生态基流不同功能分别设置对应评价指标的方法可以运用于其他类似河流的生态基流计算方法适用性评价，为其他河流的生态基流计算方法优选提供一种新的思路。