1. 引言
生态流量是河流综合管理与水利工程建设环境影响评价、河湖长制考核监督重点关注的指标，对维持河流基本的生态功能、保护水生态系统和沿河生态环境具有重要意义。自提出以来，“生态基流”、“生态需水”、“最小生态需水量”、“生态环境需水量”等涉及生态流量的不同概念在国内学者的不同研究中被先后讨论 [1] [2] [3] ，环境需水(Environmental Water Requirements) [4] 、环境流量(Environmental Flow)、最小可接受流量(Minimum Acceptable Flow)、枯水期流量(Low Flow)、最小流量(Minimum Flow)等概念 [5] [6] [7] 也出现在国外基于不同流域和生态目标的相关研究中。尽管名称和概念略有差异，但是各研究均一致认为，生态流量阈值或目标的科学确定是河流水资源可持续利用和管理的重要基础 [8] ，关系河流生态系统稳定 [9] 、水安全 [10] [11] 和人类经济社会发展所依托的自然生态系统健康，一些学者分别就生态流量阈值和目标计算确定的方法进行了充分的探讨 [12] [13] [14] ，并就不同流域和不同环境影响下的河流生态流量开展了广泛研究 [15] [16] [17] 。
水资源是干旱区各类生态系统相互关联的纽带和影响干旱区生态系统稳定最为关键的因子。加之干旱区陆地生态系统对气候变化响应敏感 [18] [19] ，升温速率远高于全球平均水平 [20] [21] ，这将加速干旱区山区冰川消融退缩，加剧水资源的波动和不确定性，导致区域水资源分布格局发生变化 [22] 。科学确定干旱区内陆河流的生态流量阈值对于保障流域山水林田湖草沙生命共同体健康发展尤为重要。而干旱区诸多径流量不大的内陆河多为山溪性季节河流，源于山区由多条洪沟或者溪流汇集，坡降大、水流急、汛期河流水源补给相对丰富，旱季河槽水少甚至干涸 [23] ，河流径流随季节变化显著，使得一些生态流量阈值确定方法在山溪性季节河流中适用性不佳 [24] 。许多干旱区季节性河流不同河段、不同季节水文情势差异显著，这给科学确定干旱区季节性内陆河生态流量阈值带来了更大挑战，常常难以依据统一规范分析确定。选择干旱区典型山溪性季节河流就其生态流量阈值的确定开展相关研究和分析具有切实的意义。
2. 研究区概况及数据、方法
2.1. 研究区及河流概况
黄水沟发源于中天山的天格尔山南坡，属雨雪混合补给的山溪性季节河流，为新疆开都河流域中诸小河流中水量最大的一条河流，位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内(图1)，其地理位置处于85˚55'~86˚54'E，42˚12'~43˚09'N。流域东西最宽处相距80.1 km，南北最长处相距106.1 km，河流长186 km左右，其中，黄水沟出山口以上河长110 km，集水面积4311 km2，河流在出山口以下的夏尔乌逊分洪闸分为东、西两支，西支注入开都河，东支长约66 km，由西北流向东南从博斯腾湖西北角注入湖泊。黄水沟流域高山区发育现代冰川84条，总面积23.80 km2，冰川总储量0.6831 km3。出山口后山前洪积扇区域，河道变宽流速变缓，洪水携带的砾石、泥沙在此大量堆积，为河流洪水、径流的散失区。河流出山口以上为长流水河段，出山口后流入绿洲直至博斯腾湖河段为季节性河段，仅洪水季节有水可达博斯腾湖。
Figure 1. Geographical location of Huangshuigou watershed
图1. 黄水沟区域地理位置图
2.2. 水文数据来源及分析方法
本工作所用的径流数据为黄水沟水文站的实测值，黄水沟水文站为出山口水量监测控制站，地理坐标85˚44'E、40˚13'N，属国家重点水文站，建站于1955年5月，监测至今，本次所用径流数据选择1956~2020年数据为基础分析资料，计算1980~2020年与1956~2000年黄水沟水文站多年平均天然径流量发现，与1956~2000年相比，1980~2020年多年平均径流量增加了14.08%，考虑到全球气候变化下温升效应导致干旱区内陆河流径流增加的趋势，为更准确反应黄水沟现状水文情势，确定采用1980~2020年实测径流资料作为计算数据序列。运用SPSS13.0、Excel等软件，分析出山口水文站径流量的年际和年内变化特征，绘制径流量丰枯变化的距平累积曲线，判断过去40年径流量的丰枯阶段，绘制来水频率和径流量曲线(P-III曲线)，计算不同水文频率对应的径流量，采用典型保证率计算对应水文频率年下的来水量(丰水年25%保证率，平水年50%保证率，枯水年75%保证率，特枯水年90%保证率)。
2.3. 生态流量计算方法
河流生态流量的计算方法主要包括水文学方法、水力学方法、生态栖息地模拟法和整体分析法等 [3] [12] 。其中，水文学方法应用最为广泛。常用的有Tennant法、Qp法、NGPRP法、流量历时曲线法、最枯月流量法、7Q10法、Texas法、最小月平均流量法等，本研究基于多年径流监测数据，采用Qp法、Tennant法、年型划分法(典型水文频率年法)、最枯月平均流量多年平均值法等四种方法计算分析黄水沟的生态流量阈值。
3. 结果与分析
3.1. 生态保护目标与控制断面的确定
河流生态流量(水量)管理保护目标的不同直接决定了相应目标下生态环境需水量的不同，依据黄水沟的河流自然属性、径流特征、区域社会经济发展状况及河流自然生态环境特征，确定黄水沟生态流量(水量)管理保护目标为2个层次。第一层次是保障黄水沟出山口以上长流水河段全年不断流，其目标是保护这段河道内生态环境，维持河流水体的基本形态，保证河流成为一个连续体。以此保证黄水沟提供的生态系统服务功能与水源供给，维持黄水沟的生态系统健康，黄水沟水文站作为考核控制断面。第二层次目标是保障黄水沟出山口后至入博斯腾湖南大闸河段汛期阶段性地恢复水流，并依据自身流域水资源供需特征，保障其进入博斯腾湖的生态水量，南大闸作为考核控制断面。
3.2. 黄水沟水文情势特征
1980~2020年来黄水沟径流量年际变化整体表现升–降–升的变化趋势，径流量总体呈增加态势，伴随全球升温，黄水沟山区来水量增加趋势显著，增幅达每10年0.35亿m3，特别是1990年之后，水量增加尤甚。黄水沟水文站近40年平均年径流量3.24亿m3，其中，近10年年均径流量最大，达到3.56亿m3 (图2)。每年5~10月为黄水沟的年内丰水期，5~10月多年平均径流量2.56亿m3，占多年平均年径流量3.24亿m3的79.01%。其中，径流量最大的为夏季的6~8月，该时段多年平均径流量1.83亿m3，占多年平均年径流量的56.48%。每年11月~翌年4月为年内枯水期，该时段多年平均径流量为0.68亿m3，占多年平均年径流量的20.99% (图3)。当保证率为10%、25%、50%、75%和90%情况下，黄水沟出山口的年径流量分别为4.84亿m3、3.81亿m3、2.95亿m3、2.36亿m3和2.03亿m3 (表1)。1980年以来的过去40余年，黄水沟的径流量丰枯变化大体分为4个阶段，即1980~1995年的枯水阶段，平均年径流量2.54亿m3；1996~2002年的丰水阶段，平均年径流量4.74亿m3；2003~2014年的平水–枯水阶段，平均年径流量2.80亿m3；2015~2020年的丰水阶段，平均年径流量4.27亿m3 (图4)。
Figure 2. Annual variation of runoff at Huangshuigou hydrological station from 1980 to 2020
图2. 黄水沟水文站1980~2020年径流量年际变化
Figure 3. Annual variation of runoff at Huangshuigou hydrological station
图3. 黄水沟水文站径流量年内变化
Figure 4. Runoff cumulative offset curve of Huangshuigou hydrological station
图4. 黄水沟水文站径流量累积距平曲线
Table 1. Design annual runoff with different frequencies of Huangshuigou hydrological station (Unit: 108 m3)
表1. 黄水沟水文站不同频率设计年径流量(单位：亿m3)
3.3. 基于不同方法的黄水沟生态流量阈值计算与确定
1) 基于Qp法计算的黄水沟水文站断面基本生态流量
基于实测流量，采用90%保证率的Qp法进行统计(表2)，结果显示丰水期(5~10月) 90%频率对应的流量为3.90 m3/s，以此作为黄水沟水文站断面丰水期基本生态流量目标，日下泄水量33.70万m3；年内枯水期(11月至翌年4月) 90%频率对应流量为2.46 m3/s，，以此作为Qp法确定的黄水沟水文站控制断面枯水期基本生态流量，对应的日最小生态水量为21.25万m3。
2) 基于Tennant法计算的黄水沟水文站断面基本生态流量
1980~2020年黄水沟水文站平均流量为10.23 m3/s。根据黄水沟实际来水情况，确定黄水沟水文站断面基本生态流量时以河流多年月平均流量20%的标准确定丰水期基本生态流量目标，基本生态流量为2.04 m3/s，对应的日最小生态水量为17.63万m3；以河流多年月平均径流10%的标准确定黄水沟水文站断面枯水期基本生态流量，流量目标为1.02 m3/s，对应的日最小生态水量为8.81万m3。
Table 2. Mean monthly discharge (m3/s) and frequency (%) of the section of Huangshuigou hydrological station in different years
表2. 黄水沟水文站断面不同年丰枯期最枯月平均流量(m3/s)及频率(%)分析计算表
3) 基于典型水文频率年法计算的黄水沟水文站断面生态流量
由黄水沟水文站1980~2020年逐年径流的距平百分率(见表3)，近41年期间黄水沟丰枯转化较为频繁。其中1992年的距平百分率为−19.33%，为最接近−20%距平的年份，选取1992年中最枯月3月的平均流量3.60 m3/s作为黄水沟水文站断面基本生态流量目标。对应日水量为31.10万m3。
Table 3. Classification of abundant, flat, dry year from 1980 to 2020 in Huangshuigou
表3. 黄水沟1980~2020年丰、平、枯年型划分
4) 基于最枯月平均流量多年平均值法计算的黄水沟水文站断面生态流量
选择近10年最枯月平均流量的平均值作为基本生态流量标准，据统计，近10年每年最枯月流量出现的月份不尽相同，2月份和1月份分别出现了3次，其次是11月和3月，最枯月平均流量多年平均为3.58 m3/s作为本方法确定的黄水沟水文站基本生态流量目标，日下泄水量30.93万m3。
5) 黄水沟水文站生态流量阈值的确定
综合看，Qp法、典型年法和最枯月平均流量多年平均值法确定的黄水沟生态流量及其对应的生态水量较为接近，Tennant法确定的黄水沟水文站基本生态流量总体偏小。考虑到Qp法能够对黄水沟丰、枯不同时段的基本生态流量进行分别确定，更符合山溪性季节河流的丰枯实情，本研究选择Qp法计算的结果作为黄水沟水文站断面基本生态流量的目标，即丰水期(5~10月)黄水沟水文站控制断面基本生态流量不小于3.90 m3/s，日下泄水量不少于33.70万m3；年内枯水期(11月至翌年4月)黄水沟水文站控制断面基本生态流量不小于2.46 m3/s，对应的日最小生态水量不少于21.25万m3。
3.4. 黄水沟入博斯腾湖南大闸断面入湖最小生态水量分析
博斯腾湖是我国最大的内陆淡水湖，在区域生态功能中发挥着不可替代的作用。博斯腾湖北部诸小河流是湖泊入湖水量的重要组成部分，其中，黄水沟是诸小河流中水量最大的一条河流，保障黄水沟入博斯腾湖生态水量对博斯腾湖出入湖水量平衡、湖泊北部水体循环和湖泊水环境改善均有重要意义。
1) 黄水沟出山口以下沿程径流损失
黄水沟出山口后流经约11.30 km的山前冲洪积扇至夏尔吾逊分洪闸，之后沿黄水沟东支继续在山前冲洪积扇段河床流动约6.70 km后流过279县道后进入绿洲平原区，整个18 km左右的黄水沟山前冲洪积扇段河床宽阔，河槽由上而下渐变宽浅，河床底部遍布卵石、砾石，河道纵坡约13.6‰，水流分散，以辫状河为主要特征，是黄水沟河水渗漏损失集中的区段。经不同季节四次野外不同区段实测计算黄水沟出山口至河流进入绿洲平原的冲洪积扇河段每公里水量损失率2.88% (区段水量损失率28.67%)。由于黄水沟中、下游河段缺乏水文监测断面以及水文监测资料，且近十余年多呈断流状态，难以通过实测资料对其河损进行有效评估。黄水沟与开都河、孔雀河同位于开都–孔雀河流域，河流在进入绿洲平原区后的地形地貌与地理特征、绿洲经济社会发展模式和气候较为相似。故选择开都河与孔雀河绿洲区相似河段监测资料径流沿程损失计算成果作为参照。开都河自出山口进入绿洲至宝浪苏木枢纽入博斯腾湖河段河损率多年平均为11.73%；孔雀河自第二枢纽后进入绿洲至第三枢纽河段每公里径流损失率为0.35%，以每公里0.35%河损率计算黄水沟进入绿洲平原区至入博斯腾湖34.8 km河段总河损率约11.49%，与开都河绿洲平原区河段基本相当，说明所取的参照河段河损结构合理，故黄水沟绿洲平原区河段区间河损率采用每公里0.35%。
2) 黄水沟下游湿地生态需水
结合近30年遥感影像和野外湿地调查，黄水沟下游湿地(以下称黄水沟湿地)面积多年平均约35.50 km2，湿地内以芦苇为主，零星分布有小片水域。黄水沟湿地生态需水量的估算主要以其耗水量计。主要包括水面蒸发和植物蒸腾耗水等，这两项消耗减去区域降水即为净耗水需水量，就是黄水沟湿地的生态需水量，由于湿地下沉积了厚层的淤泥，且多年以来已经与地下水基本实现了平衡，故这里将湿地下渗量忽略。湿地蒸散消耗总量和降水总量与湿地区域面积有关。考虑到黄水沟湿地以芦苇分布为主，水域面积较少，所以对其生态需水量按芦苇生长期和非生长期分别计算，生长期只考虑芦苇植被蒸腾耗水，非生长期只考虑湿地的水面蒸发耗水。利用适线法原理绘制年降水量频率曲线(P-III型分布曲线)，从年降水量频率曲线中分别找出频率为25%、50%、75%和90%对应的值，即为不同水平年降水量设计值；再根据典型年选择原则，从实测数据中选择典型代表年，以年降水量计算缩放系数(缩放系数 = 年降水量设计值/降水量实测值)，用各缩放系数乘以相应的典型年各月降水量，即得不同保证率的设计降水量年内分配。借鉴降水量频率曲线分析方法得到不同保证率的设计年蒸发量和月蒸发量。
依据水平衡公示求得湿地植物5~9月份蒸腾需水量在丰水年(计算取P = 25%)、平水年(计算取P = 50%)、偏枯水年(计算取P = 75%)、特枯水年(计算取P = 90%)植物蒸腾需水量分别为0.318亿m3，0.305亿m3、0.287亿m3和0.268亿m3，黄水沟湿地非植物生长季(1~3月和10~12月)扣除降水后水面蒸发需水量在25%、50%、75%和90%频率下分别为0.111亿m3、0.109亿m3、0.102亿m3、0.101亿m3，黄水沟湿地年平均生态需水量在四个水文频率年下分别为0.429亿m3、0.414亿m3、0.389亿m3和0.369亿m3 (表4)。
3) 黄水沟东支入博斯腾湖生态水量阈值目标确定
基于不同保证率下黄水沟水文站径流量、黄水沟流域水资源供需关系和黄水沟出山口以下河段径流损失估算，基于黄水沟出山口以下的水量平衡关系表(表5)，结果显示：黄水沟出山口水文站在25%、50%、75%和90%不同保证率下的设计径流分别为3.81亿m3、2.95亿m3、2.5亿m3、2.03亿m3，多年平均3.24亿m3，黄水沟流域的国民经济用水“三条红线”地表水用水量指标为1.573亿m3，引水后，黄水沟在保障西支按照多年平均断面来水量的10%作为生态基流下泄后，其余水量均由夏尔乌逊分洪闸溢流堰向黄水沟东支下泄，在25%、50%、75%和90%不同频率下夏尔乌逊闸断面下泄东支水量分别是1.488亿m3、0.870亿m3、0.546亿m3、0.208亿m3 (表5)，黄水沟东支径流在流经绿洲和保障下游湿地生态需水后，在25%、50%、75%和90%不同频率下流入博斯腾湖南大闸断面处径流量分别为0.644亿m3、0.213亿m3、0.005亿m3、−0.219亿m3，即只有在黄水沟流域来水处于丰水(P = 25%)和平水年(P = 50%)时，水量在国民经济用水和流域下游湿地生态需水后，能保障在南大闸断面入博斯腾湖生态水量为0.644亿m3和0.213亿m3，保证率在75%的偏枯水年，水量在保障黄水沟下游湿地生态需水后基本无水入湖，而90%保征率的特枯水年份，无法保障黄水沟东支入博斯腾湖水量。综合分析，黄水沟东支在南大闸断面入博斯腾湖生态水量目标宜不低于0.20亿m3，保证率为50%。
Table 4. Ecological water requirement of Huangshuigou wetland in different years (108 m3)
表4. 不同丰枯水平年黄水沟湿地生态需水量(亿m3)
Table 5. The design runoff with different frequency of Huangshuigou hydrologic station during the annual flood period (May-October) (108 m3)
表5. 黄水沟水文站年内丰水期(5~10月)不同频率设计径流量(108 m3)
4. 主要结论
1) 黄水沟为干旱区典型的山溪性季节河流，应依据不同河段实际水文情势确定不同的生态保护目标，对于山区长流水河段应选择出山口水文断面作为控制断面确定山区河段的最小生态流量阈值，以保障山区河段水生态；对于中下游季节性河段，可依据实际需求选择合理断面确定适宜的最小生态水量阈值。
2) 以保障黄水沟水文站以上河道不断流作为基本保护目标，则需保证黄水沟水文站按照不低于基本生态流量的流量下泄，即年内丰水期(5~10月)黄水沟水文站控制断面基本生态流量不小于3.90 m3/s，日下泄水量不少于33.70万m3；年内枯水期(11月至翌年4月)黄水沟水文站控制断面基本生态流量不小于2.46 m3/s，对应的日最小生态水量不少于21.25万m3。
3) 黄水沟水文站(1980~2020年)多年平均径流量为3.24亿m3，巴音郭楞蒙古自治州最严格水资源管理规定的黄水沟“三条红线”地表水国民经济用水指标为1.573亿m3，基于不同丰枯频率年情景下黄水沟的来水情况与供需水，综合分析确定黄水沟入博斯腾湖南大闸断面基本生态水量目标为不小于0.20亿m3，在流域来水保证率好于50%背景下应保障这一入湖生态水量，此时，不仅可以满足黄水沟出山口站的基本生态流量，同时可以保障黄水沟流域以其为水源的国民经济社会发展基本用水。
基金项目
本项目由新疆自然科学基金重点项目(2021D01D01)，干旱区典型绿洲水资源变化与水土资源匹配和优化配置研究项目(E344910401)资助。