謝源源

(新疆水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

布谷孜河流域位于我國(guó)新疆克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莅D什市境內(nèi)，流域內(nèi)氣候干旱，山區(qū)植被稀少，巖體裸露，上游冰川和永久積雪不發(fā)育，但其山間盆地分布著眾多泉眼，形成布谷孜河的常年徑流，因此徑流年內(nèi)變化較平穩(wěn)，夏季暴雨洪水產(chǎn)生水量與融雪徑流相疊加河道來(lái)水量增大，枯水期水量小。

隨著流域內(nèi)耕地面積及社會(huì)經(jīng)濟(jì)其他各業(yè)用水逐年增加。布谷孜河流域各業(yè)現(xiàn)狀引水量為1.038億m3，占布谷孜河多年平均徑流量(1.102億m3)的96.3%，總用水量中農(nóng)業(yè)用水占比大(93.7%)。由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水占比過(guò)高，生態(tài)用水逐年減少，流域水資源利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間不協(xié)調(diào)。隨著山區(qū)水庫(kù)蓄水、渠道引水，造成河床發(fā)生變化，河道水量過(guò)少甚至斷流，影響河流生物生存環(huán)境與生態(tài)功能[2-3]。

布谷孜河建有2座攔河水庫(kù)，對(duì)河流形成阻隔，造成河流縱向連通性較差，對(duì)魚(yú)類的索餌、產(chǎn)卵等活動(dòng)產(chǎn)生阻隔影響，河流生態(tài)水量得不到滿足，季節(jié)性斷流的發(fā)生威脅河流生態(tài)健康[1]。尤其托卡依水庫(kù)下游河道水量減少，使流域內(nèi)部的水循環(huán)關(guān)系變差，對(duì)下游下泄的水量逐漸減少，生態(tài)用水得不到足夠補(bǔ)充，不利于土壤鹽堿排除，導(dǎo)致下游土壤沙化、荒漠化加劇[4-5]；下游濕地面積減少、天然林草地退化，動(dòng)植物生境惡化，生物多樣性遭受到一定程度破壞，造成林草、濕地等生態(tài)系統(tǒng)功能顯著退化；河道間歇性斷流影響水生動(dòng)物生存環(huán)境。

1 研究區(qū)概況

布谷孜河水系由山區(qū)呈獨(dú)立水系的鐵列克河和布谷孜河干流兩大水系構(gòu)成，布谷孜河上游段稱為馬依丹薩依河，流向由北向南[6]。上游兩岸支流十分發(fā)育，進(jìn)入喀拉塔格山的山間盆地—吐古買(mǎi)提盆地，河流即呈散流狀，大量河水滲入地下。河流主支在盆地中向南進(jìn)入東、西兩側(cè)分別為喀拉塔格山和喀拉多維克孜勒塔格山之間的峽谷，左岸接納了左岸支流吐古買(mǎi)提河，以下河段始稱布谷孜河。布谷孜河自阿湖水庫(kù)以下分為東、西兩支汊流。東支汊流自阿湖水庫(kù)壩址以下流向東南注入位于博孜塔格山北側(cè)隘口的托格拉克水庫(kù)。

布谷孜河西支從分叉口向南流，經(jīng)博孜塔格山北側(cè)隘口，沿途接納大支流鐵列克河和多條發(fā)源于喀拉塔格山的季節(jié)性河流呈散流狀從右岸匯入后進(jìn)入阿圖什市區(qū)；沿途與右岸的恰克馬克河的北岔分支流匯合；之后水流進(jìn)入托卡依水庫(kù)。出庫(kù)水量除灌溉外余水進(jìn)入伽師縣境內(nèi)。河流全長(zhǎng)174km，集水面積5211km2。

布谷孜河阿俄水文站位于東經(jīng)76°04′，北緯39°49′，測(cè)站以上集水面積1112km2，河長(zhǎng)85km，多年均徑流量1.109億m3，布谷孜河來(lái)水量有一部分來(lái)自其山間盆地分布著眾多泉眼出露的泉水，因此徑流年內(nèi)變化較平穩(wěn)。具體位置如圖1所示。

圖1 布谷孜河及參證流域水系站網(wǎng)分布示意圖

本次對(duì)阿俄站1957—1992實(shí)測(cè)年徑流量系列進(jìn)行分析，徑流的四季分配情況是:春季3—5月，夏季6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月，徑流年內(nèi)分配較均勻，各季相差不大，其中夏季最多，占多年平均年徑流量的30.9%；冬季最少，占全年徑流量的20.5%。

阿俄站34年實(shí)測(cè)年均徑流量0.9737億m3；最大年徑流量為1966年的2.019億m3，年徑流系列最大變幅為多年平均徑流量的2.07倍；最小年徑流量為1985年的0.743億m3，最大與最小年徑流量的比值為2.72倍；年徑流變差系數(shù)為0.24。由此可見(jiàn)，阿俄水文站的徑流年際變化較平穩(wěn)，與布谷孜河徑流受泉水補(bǔ)給有關(guān)。

布谷孜河流域位于天山南脈西段與帕米爾高原接壤處的馬鞍形鞍部，因遠(yuǎn)離海洋，水汽含量少，氣候干燥、少雨，天氣變化主要受西風(fēng)氣旋控制。流域內(nèi)氣溫隨海拔高程增加而逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性變化，在山區(qū)表現(xiàn)尤其突出。[7]

流域內(nèi)氣象資料不足，僅阿俄水文站有1957—1992年的氣象資料，本次選用鄰近流域內(nèi)水文、氣象站為參證站，阿俄氣象站作為主要分析參證站點(diǎn)，對(duì)布谷孜河流域的氣候特征進(jìn)行分析。流域內(nèi)的氣溫平原高于山區(qū)，按地形走勢(shì)北部低于南部。根據(jù)各站點(diǎn)資料統(tǒng)計(jì)分析，多年逐月平均氣溫最高值出現(xiàn)在7月，最低出現(xiàn)在1月份，山區(qū)與平原差異較大。阿俄站多年氣象要素見(jiàn)表1。

表1 參證站氣象要素統(tǒng)計(jì)表

布谷孜河是一條經(jīng)過(guò)初步治理的河流，已建成一定數(shù)量和規(guī)模的骨干水利工程體系。布谷孜河現(xiàn)有水庫(kù)4座，分別為阿湖水庫(kù)、托克拉克水庫(kù)、托卡依水庫(kù)、托格拉克水庫(kù)，總庫(kù)容為1.38億m3。布谷孜河總干渠，從阿湖水庫(kù)引水，全長(zhǎng)14.5km，采用混凝土板和塑膜防滲，設(shè)計(jì)流量8.0m3/s。布谷孜河干流有1處地表水飲用水水源地，即阿湖鄉(xiāng)農(nóng)村飲水水源地，在布谷孜河烏恰阿圖什源頭水保護(hù)區(qū)。

2 研究方法

2.1 資料收集

本次分析計(jì)算所選用布谷孜河的阿俄水文站1957—1992年實(shí)測(cè)流量資料、大橋?qū)Ｓ谜?986—1989年實(shí)測(cè)流量資料、托卡依水庫(kù)實(shí)測(cè)的托卡依水庫(kù)1980、1982—1983年和托卡依水庫(kù)管理站實(shí)測(cè)的2004—2006年、2011—2015年出庫(kù)水量日表及庫(kù)水位資料；參證站恰克馬克河的恰其嘎水文站、卡浪溝呂克河卡浪溝呂克水文站和阿圖什市氣象站的氣象資料。

2.2 分析方法

常用生態(tài)流量計(jì)算方法可分為：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地評(píng)價(jià)法和整體法4大類。[8]

我國(guó)運(yùn)用較為普遍的是水文學(xué)法和水力學(xué)法進(jìn)行生態(tài)流量計(jì)算，其中通過(guò)水文歷史資料分析河流流量，仍以水文學(xué)方法為主。本次采用的方法為T(mén)ennant法、Qp法、7Q10法等，[9]主要以阿俄站1957—1992實(shí)測(cè)年徑流量系列確定河流生態(tài)流量。

2.2.1Tennant法

Tennant由Don Tennant首次提出，該方法以歷史流量為基礎(chǔ)確定河流生態(tài)流量，利用觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)建立河寬、平均深度、流速等棲息地參數(shù)與年平均徑流量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得出結(jié)論見(jiàn)表2。

表2 Tennant法 單位：%

2.2.2Qp法

Qp法以天然月平均水位、月平均流量或徑流量系列為基礎(chǔ)，一般資料系列應(yīng)大于30年[8]。采用阿俄站實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)逐年最枯月徑流系列進(jìn)行頻率計(jì)算，采用95%的計(jì)算成果作為布谷孜河的最小生態(tài)徑流。采用如下計(jì)算公式：

Wr=12×min(Wij)p=95%

(1)

式中，Wr—河道最小生態(tài)流量；min(Wij)p=95%—95%保證率的最小月徑流量。

2.2.37Q10法

7Q10法將阿俄站逐年連續(xù)最小7d的日平均流量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，得到不同保證率計(jì)算成果，采用90%計(jì)算成果作為生態(tài)需水量的最小值。來(lái)水量不大，實(shí)測(cè)流量系列需大于20年，水資源開(kāi)發(fā)利用較高的河流較適合。

2.2.4最枯月平均流量多年平均值法

最枯月流量法，宜用最近10年最枯月流量平均值為生態(tài)流量，由于使用的為最新資料，因此在計(jì)算河流納污能力方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

采用如下計(jì)算公式：

(2)

2.3 控制斷面及目標(biāo)

2.3.1河流來(lái)水情況

據(jù)實(shí)地調(diào)查目前布谷孜河上游河道沿途沒(méi)有水利工程，河道徑流處于天然狀態(tài)，地表水體分布在布谷孜河干流和支流上。阿湖水庫(kù)建成后，建有兩條引水渠從水庫(kù)引水，一條向托克拉克水庫(kù)引水，另一條布谷孜河總干渠引水，壩后無(wú)直接引水上岸，水庫(kù)出庫(kù)水量按《克州水管處阿湖水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方案復(fù)》運(yùn)行，泄洪沖沙閘放水，放水閘放水，按照水庫(kù)設(shè)計(jì)和水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方案運(yùn)行。從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，阿湖水庫(kù)斷面河段僅在洪水期有余水進(jìn)入河道，除少部分閘門(mén)滲漏水量外，出庫(kù)水量全部由北支引向農(nóng)三師、余水由布谷孜總干渠引入灌區(qū)，造成阿湖水庫(kù)以下至鐵列克河匯入口間河道(約8km)基本處于斷流狀態(tài)，鐵列克河匯入口以下至托卡依水庫(kù)，布谷孜總干渠灌溉余水與博孜塔格山泉水匯入，河道長(zhǎng)年有水流淌；從托卡依水庫(kù)攔河壩以下400m格達(dá)良干渠與北支渠承擔(dān)灌溉任務(wù)，引水渠引水流量5m3/s和4m3/s。每年1—5、9—10月為蓄水期河道無(wú)水；6—7月灌溉期、11—12月冬灌期水量先后引入灌區(qū)，僅為灌溉余水流向下游，下游河段現(xiàn)狀為常年斷流河段，無(wú)水進(jìn)入恰克瑪克河。

2.3.2控制斷面確定

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)河湖生態(tài)流量(水量)目標(biāo)制定與保障方案編制提綱》以及《關(guān)于新疆重要河流生態(tài)流量(水量)目標(biāo)制定與保障方案編制工作補(bǔ)充要求的通知》的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合本次計(jì)算生態(tài)流量(水量)所在流域內(nèi)資料收集情況選擇控制斷面[10]。通過(guò)對(duì)布谷孜河水資源開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)情況、河道來(lái)水、徑流量年內(nèi)年際變化等分析，確定布谷孜河生態(tài)流量(水量)控制斷面共計(jì)3個(gè)，上游控制斷面為阿湖水庫(kù)斷面，中游控制斷面為高速公路大橋斷面，下游控制斷面為托卡依水庫(kù)斷面。據(jù)布谷孜河特點(diǎn)及生態(tài)保護(hù)要求，各河段生態(tài)情況：布谷孜河在托卡依水庫(kù)斷面以上為長(zhǎng)流水河流。

(1)阿湖水庫(kù)—高速公路大橋河段

布谷孜河阿湖水庫(kù)以下位于山前洪積扇，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在阿湖水庫(kù)—高速公路大橋河段河谷中零星生長(zhǎng)紅柳、梭梭、半灌木駝絨藜。另外，該河段人工種植沙棗樹(shù)、楊樹(shù)等主要生長(zhǎng)在河道兩側(cè)的臺(tái)地(距離河床水平面較高，最高達(dá)幾十米)，該河段在非汛期基本斷流，僅在洪水期有水量下泄，補(bǔ)充河谷林的生態(tài)用水量。據(jù)實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，阿湖水庫(kù)斷面河段僅在洪水期有余水進(jìn)入河道，其余時(shí)間河干，全年均未滿足生態(tài)基流的要求，現(xiàn)狀調(diào)查河谷植被生長(zhǎng)依靠人工灌溉。因此，第一個(gè)生態(tài)流量控制斷面選阿湖水庫(kù)以下500m處，保護(hù)河谷內(nèi)植被等生態(tài)。

(2)高速公路大橋—托卡依水庫(kù)河段

此段所處山前洪積扇和喀什噶爾沖洪積平原，每年汛期洪水從河道走，河谷低地的植被能夠得到補(bǔ)水。河灘分布有片狀的梭梭、駱駝刺，苦豆子、賴草，河岸生長(zhǎng)紅柳、楊樹(shù)、榆樹(shù)林(大部分人工林)，其生存除了依靠春季融雪水和夏季洪水生長(zhǎng)外，還與該區(qū)域分布有溢出的泉水有關(guān)，可以對(duì)其進(jìn)行灌溉。

因此，將高速公路大橋斷面作為布谷孜河生態(tài)流量計(jì)算節(jié)點(diǎn)，保護(hù)河谷內(nèi)的天然林草等生態(tài)。

(3)托卡依水庫(kù)以下河段

此河段生態(tài)需水目標(biāo)為托卡依水庫(kù)下游河漫灘的天然河岸林草，水庫(kù)8km以下至匯入恰克瑪克河段的河道實(shí)為鹽堿渠，河谷無(wú)天然植被，此段無(wú)明確的生態(tài)保護(hù)對(duì)象。

2.3.3各控制斷面生態(tài)目標(biāo)

結(jié)合布谷孜河水資源調(diào)配實(shí)際情況及水源條件，根據(jù)不同河段天然來(lái)水情況劃分各河段的生態(tài)流量目標(biāo)指標(biāo)。布谷孜河阿湖水庫(kù)斷面以上現(xiàn)狀條件下保持常流水，目標(biāo)指標(biāo)按流量控制采用生態(tài)流量成果；高速公路斷面為不斷流河段，目標(biāo)指標(biāo)按水量控制，采用最小生態(tài)水量成果；托卡依水庫(kù)以下斷面枯水期斷流，目標(biāo)指標(biāo)采用生態(tài)水量成果控制，5—9月能夠確保下游河道兩岸天然植被正常生長(zhǎng)，按照托卡依水庫(kù)生態(tài)水量泄放過(guò)程下泄生態(tài)水量。

3 計(jì)算與分析

3.1 水文系列分析

3.1.1阿俄水文站

阿俄站是1956年在布谷孜河設(shè)立國(guó)家基本水文站，位于阿湖水庫(kù)下游500m，阿湖水庫(kù)大壩合攏后阿俄站1993年4月停止觀測(cè)。對(duì)阿俄站徑流系列(1957—1992年)進(jìn)行頻率計(jì)算，得統(tǒng)計(jì)參數(shù)和不同頻率下的設(shè)計(jì)年徑流量成果，見(jiàn)表3。

根據(jù)計(jì)算與適線，得到阿俄站多年平均徑流量及25%、50%、75%、95%的設(shè)計(jì)年徑流量見(jiàn)表3；年徑流量頻率曲線如圖2所示。

圖2 阿俄站逐年年徑流頻率曲線圖

表3 阿俄站設(shè)計(jì)年徑流量成果表

3.1.2高速公路大橋斷面

根據(jù)本次野外踏勘，高速公路大橋斷面水量補(bǔ)給來(lái)源多樣化，主要來(lái)源包括：①布谷孜河南支流來(lái)水量：布谷孜河阿湖水庫(kù)泄水大洪水期間，水量大致按4∶6的分水比例向托克拉克水庫(kù)和托卡依水庫(kù)方向輸送，冬季部分棄水進(jìn)入托克拉克和托卡依水庫(kù)，其他時(shí)間大部分水量經(jīng)布谷孜河南支流沿途灌區(qū)引用后剩余部分水量，由布谷孜總干渠在高速公路大橋上游約1km處匯入河道。②鐵列克溝來(lái)水量：鐵列克溝(集水面積1700km2)的汛期暴雨洪水匯入布谷孜河。據(jù)多年調(diào)查分析，鐵列克溝平常為干涸河溝，只有到汛期(為5—8月)才發(fā)生暴雨洪水而補(bǔ)給河道。由于鐵列克河出山口至鐵列克河與布谷孜河干流匯合口距離較遠(yuǎn)，鐵列克供需平衡計(jì)算的余水量考慮30%的損失后，剩余水量匯入干流。③其它水量：上游諸河及北部山洪溝大量轉(zhuǎn)化的潛層地下水及山前側(cè)滲、阿湖水庫(kù)截潛流水量補(bǔ)給。

因缺乏資料分析依據(jù)不足，本次未還原高速公路大橋斷面天然徑流量，采用克州水文勘測(cè)局1987—1988年實(shí)測(cè)流量資料與阿俄水文站水文比擬法計(jì)算高速公路大橋斷面1957—1992年多年平均徑流量0.6134億m3，成果作為核算依據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 高速公路大橋斷面設(shè)計(jì)年徑流量成果表

3.1.3托卡依水庫(kù)斷面

托卡依水庫(kù)入庫(kù)水源組成：①布谷孜河南支流來(lái)水量；②庫(kù)區(qū)北部小山洪溝暴雨期間部分洪水匯入水庫(kù)。

采用《阿圖什市托卡依水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程可研報(bào)告》(2017)成果作為核算依據(jù)，利用實(shí)測(cè)的托卡依水庫(kù)1980、1982—1983年和托卡依水庫(kù)管理站實(shí)測(cè)的2004—2006年、2011—2015年出庫(kù)逐日流量及逐日庫(kù)水位資料，根據(jù)水量平衡原理，計(jì)算得到月年入庫(kù)流量數(shù)據(jù)。具體見(jiàn)表5。

表5 托卡依水庫(kù)入庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流量成果表

3.2 生態(tài)基流計(jì)算

3.2.1Tennant法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)成果

根據(jù)《新疆河流水文水資源》中關(guān)于新疆河流枯水期的確定：以平均流量小于或等于年平均流量的60%作為枯水月標(biāo)準(zhǔn)。

布谷孜河逐月來(lái)水量較為均衡，最小月平均流量為年平均流量的77%，因此本次計(jì)算以大于或等于年平均流量作為汛期標(biāo)準(zhǔn)，并確定枯水期為(10月至次年4月)，豐水期為(5—9月)。采用Tennant(Montana)法計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6 Tennant法計(jì)算3個(gè)斷面生態(tài)流量成果表

3.2.2Qp法計(jì)算成果

阿俄站實(shí)測(cè)流量成果表由(1957—1992年)挑選逐年最枯月徑流量組成樣本系列，通過(guò)頻率計(jì)算(皮爾遜Ⅲ型曲線)得到統(tǒng)計(jì)參數(shù)和不同保證率最枯月徑流量設(shè)計(jì)成果。選95%保證率對(duì)應(yīng)流量值，通過(guò)式(1)計(jì)算，成果見(jiàn)表7和圖3。

表7 阿俄站保證率法95%生態(tài)基流(水量)計(jì)算成果

圖3 阿俄站逐年頻率曲線圖

3.2.37Q10法計(jì)算成果

根據(jù)阿俄站1957—1992年的實(shí)測(cè)系列逐日流量成果表，挑選出逐年最小7d流量計(jì)算其均值，得到36年的資料系列，通過(guò)頻率計(jì)算(皮爾遜Ⅲ型曲線)，計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)參數(shù)和不同頻率下的設(shè)計(jì)值。成果見(jiàn)表8和圖4。

表8 阿俄站7Q10法河道最小生態(tài)水量成果表

圖4 阿俄站7Q10頻率曲線圖

選擇90%保證率計(jì)算成果，連續(xù)最枯7d流量為對(duì)應(yīng)的平均流量為1.42m3/s，相應(yīng)的生態(tài)水量0.0086億m3，發(fā)生時(shí)間為1963年7月5—11日。

3.2.4最枯月平均流量多年均值法計(jì)算成果

采用阿俄站1957—1992年的實(shí)測(cè)流量資料，統(tǒng)計(jì)最近10年最枯月份的平均流量值(1978—1987年)，通過(guò)公式(2)計(jì)算，得到河道生態(tài)水量，見(jiàn)表9。

表9 布谷孜河阿俄站最枯月平均流量方法生態(tài)基流(水量)計(jì)算成果

3.3 生態(tài)流量的確定

通過(guò)以上4種方法計(jì)算得到各河段生態(tài)流量。針對(duì)阿湖水庫(kù)斷面的4種成果進(jìn)行對(duì)比分析。其中最枯月流量法計(jì)算的成果為1.82m3/s，為4種成果中的最大，Tennant法計(jì)算的成果為0.436m3/s，為4種成果中的最小。根據(jù)《阿湖水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告》以及2018年根據(jù)《阿湖水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)項(xiàng)以來(lái)的實(shí)際來(lái)水情況，確定采用Tennant法計(jì)算的成果。高速公路斷面和托卡依水庫(kù)斷面根據(jù)河段內(nèi)水生態(tài)生長(zhǎng)期需水量，同時(shí)結(jié)合阿湖水庫(kù)泄水過(guò)程、水生態(tài)環(huán)境用水過(guò)程，洪水期(5—9月)生態(tài)基流高速公路斷面和托卡依水庫(kù)斷面確定為上游多年平均來(lái)水量的20%，枯水期(10月—次年4月)為上游多年平均來(lái)水量的10%進(jìn)行泄水,見(jiàn)表10。

表10 布谷孜河各控制斷面生態(tài)基流月過(guò)程表

4 結(jié)論與建議

布谷孜河流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度高，現(xiàn)狀條件下，阿湖水庫(kù)以下僅在洪水期有余水進(jìn)入河道，下游河段現(xiàn)常年斷流，流域部分生態(tài)功能區(qū)退化嚴(yán)重。

通過(guò)計(jì)算分析，得到布谷孜河各斷面生態(tài)流量(水量)，目標(biāo)均采用生態(tài)水量控制，阿湖水庫(kù)壩址斷面、高速公路斷面為常流水(不斷流)河段；托卡依水庫(kù)斷面，全年下泄河道生態(tài)水量不低于0.1467億m3，另分別在5月初和9月末集中通過(guò)水庫(kù)調(diào)度人工造峰2次，以利于水量輸送至下游。

建議采取上下游統(tǒng)一管理，建立生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，構(gòu)建流域生態(tài)水網(wǎng)體系，對(duì)于本流域生物多樣性保護(hù)和區(qū)域生態(tài)平衡保護(hù)具有重要的生態(tài)意義[11-12]。