摘要：流域生態(tài)基流是河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的關(guān)鍵，以新疆尼雅河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，根據(jù)民豐縣氣象站1958—2018年的氣象數(shù)據(jù)與尼雅河個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面1978—2018年的水文數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢(shì)擬合、Tennant法、相關(guān)性分析和回歸模型等分析流域氣候變化、確定生態(tài)基流并探究其時(shí)空分異與保證率變化，揭示生態(tài)基流對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：61a來流域氣溫以0.22℃•(10a)的速度增加，降水量以3.8mm•(10a)的速度增加;尼雅水庫、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生態(tài)基流推薦值分別為：1.989•、2.188•、1.755•、1.702•;生態(tài)基流年際最大值出現(xiàn)在2010年，最小值在1980年，年內(nèi)最大值在月，最小值在月或12月;空間上表現(xiàn)為上游高下游低，以八一八渠首處最高，尼雅渠首處最低;各站多年平均生態(tài)基流保證率分別為：50%、45%、50%、45%，且表現(xiàn)出汛期明顯高于非汛期;逐年、逐月生態(tài)基流與氣溫降水均在0.01水平上顯著相關(guān)，但在春夏季對(duì)氣溫敏感，秋冬季對(duì)降水敏感，各水文斷面的回歸模型耦合效果相似，流域整體回歸方程0.365，且生態(tài)基流對(duì)氣候變化響應(yīng)具有整體性和衰減性。研究結(jié)果可為尼雅河流域生態(tài)調(diào)水和水生態(tài)修復(fù)提供參考。
關(guān)鍵詞：氣候變化;尼雅河;生態(tài)基流;水文學(xué)法;保證率
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)水資源的過度開發(fā)利用已經(jīng)影響了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，尤其是在河流及其沿岸生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)得尤為明顯，出現(xiàn)了資源型缺水、水土流失、水質(zhì)惡化、河道徑流量減少以及生物多樣性衰減等眾多生態(tài)環(huán)境問題，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)隨之不斷退化[12]。為了緩和水資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間日益加劇的矛盾，實(shí)現(xiàn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，需要確保河道中擁有一定的水量以維持河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[3]。
在使河流滿足人類生產(chǎn)生活用水的同時(shí)，也能夠滿足生態(tài)系統(tǒng)的用水需求，使二者之間達(dá)到一種平衡狀態(tài)，生態(tài)基流的概念便隨之應(yīng)運(yùn)而生。盡管目前還沒有統(tǒng)一確定的標(biāo)準(zhǔn)概念來定義生態(tài)基流[45]，但學(xué)術(shù)界較為普遍接受的是指在生態(tài)需水與人類用水矛盾加劇的背景下，將生態(tài)系統(tǒng)健康作為河流健康的最高目標(biāo)，河道最小流量所應(yīng)滿足的最低要求即為生態(tài)基流[6]。
自十八世紀(jì)工業(yè)革命以來，人類燃燒大量化石燃料，向空氣中排放了大量二氧化碳等溫室氣體，使溫室效應(yīng)加劇，全球氣溫正在經(jīng)歷以變暖為主導(dǎo)的氣候變化，降水受到氣候變暖的影響出現(xiàn)了時(shí)空差異性的響應(yīng)，但并沒有表現(xiàn)出某種確定的變化趨勢(shì)[78]。河流在氣溫與降水的變化影響下也出現(xiàn)了相應(yīng)變化，使得流量、水位、流速等水文要素發(fā)生了不同程度的波動(dòng)[9]，導(dǎo)致河流及其流域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定受到嚴(yán)重影響[10]，在這樣一個(gè)復(fù)雜的氣候變化背景下，生態(tài)基流將會(huì)如何響應(yīng)變化目前還尚不明晰。
國外學(xué)者對(duì)于生態(tài)基流的相關(guān)研究起步較早，研究內(nèi)容主要集中在發(fā)展水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值、提供農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)用水保障、保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、滿足流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與開發(fā)利用以及生態(tài)基流計(jì)算方法研究等幾個(gè)方面[1113]，已經(jīng)形成了從理論概念、方法計(jì)算到實(shí)際應(yīng)用為體系的完整研究框架。我國于20世紀(jì)70年代開始探索對(duì)河流生態(tài)基流的研究，經(jīng)過眾多學(xué)者和管理人員所做的大量研究和應(yīng)用工作，生態(tài)基流研究已經(jīng)取得了一定的成果。從不同時(shí)間、不同空間和不同類型的生態(tài)用水入手，有針對(duì)性的對(duì)我國生態(tài)基流開展了多角度研究，建立了適應(yīng)我國自然生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的生態(tài)基流研究指標(biāo)體系[1416]。
目前國內(nèi)外少有學(xué)者將氣候變化與生態(tài)基流相聯(lián)系進(jìn)行研究，因此開展氣候變化背景下生態(tài)基流的響應(yīng)情況分析具有十分重要的意義。新疆地處亞歐大陸中部，位于中國西北，由于深居內(nèi)陸且有高山阻隔，降水稀少而蒸發(fā)較大，導(dǎo)致水資源十分匱乏[17]。尼雅河屬塔里木河支流，其流域范圍更是干旱區(qū)的典型代表，生態(tài)用水極為緊張。
因此，本文以新疆尼雅河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，根據(jù)民豐縣氣象站1958—2018年的氣象數(shù)據(jù)與尼雅河個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面1978—2018年的水文數(shù)據(jù)，分析氣候變化趨勢(shì)、確定生態(tài)基流及其時(shí)空分異與保證率變化，揭示生態(tài)基流對(duì)氣候變化的響應(yīng)，以期為合理安排調(diào)度尼雅河流域生態(tài)用水、水資源綜合利用與水生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)的參考依據(jù)。
1研究區(qū)概況
尼雅河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)民豐縣中西部，南北長約200km，東西寬40～90km，流域總面積10160.96km，流域地處82°36′～82°50′，36°12′～37°48′之間。尼雅河是民豐縣的第一大河，呈南北走向，發(fā)源于昆侖山北麓的呂什塔格峰，為融雨、季節(jié)性積雪和山谷冰川融水補(bǔ)給的季節(jié)性河流。河流在上游出山口處有恰克達(dá)支流匯入，下游無支流匯入。
河流源頭段呈樹枝狀水系發(fā)育;河道為戈壁、卵石和半膠結(jié)砂卵石，兩岸植被稀少，自然條件惡劣，沿途穩(wěn)定性較差;中游沖積平原區(qū)是民豐縣最大的農(nóng)業(yè)區(qū)——尼雅灌區(qū)，南北長30km，耕地面積約33.34km;下游河床由砂礫石逐漸變?yōu)榧?xì)砂，縱坡逐漸變緩，兩岸為自然森林保護(hù)區(qū)，綠洲寬1.5km，長約75km，主要有胡楊、紅柳、蘆葦?shù)染G洲農(nóng)田的天然屏障;河道末端消失于塔克拉瑪干沙漠深處。
2數(shù)據(jù)與方法
2.1數(shù)據(jù)來源
2.1.1水文數(shù)據(jù)
本文選用尼雅河干流上尼雅水庫、八一八渠首、尼雅水文站、尼雅渠首等個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面1978—2018年的水文資料來探究生態(tài)基流，其中部分年份由于觀測(cè)缺失由回歸替換法推演獲得。具體數(shù)據(jù)包括日、月、年平均流量及年徑流量等，均來源于中華人民共和國水文年鑒《塔里木河流域水文資料》。
2.1.2氣象數(shù)據(jù)
本文選取尼雅河流域唯一具有長時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)的民豐氣象站1958—2018年的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)對(duì)流域氣候變化進(jìn)行分析，主要用到的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括逐日、逐月以及逐年的氣溫、降水等，數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，其中氣溫通過標(biāo)準(zhǔn)百葉箱自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄，降水量采用20cm的標(biāo)準(zhǔn)雨量器人工觀測(cè)記錄。
2.2研究方法
2.2.1水文學(xué)方法
當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)于生態(tài)基流的計(jì)算方法很多，主要包括水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、生態(tài)模擬法和整體分析法，本文選擇常用的水文學(xué)方法中的Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、最枯月平均流量多年平均值法等種方法來計(jì)算尼雅河流域的生態(tài)基流。
Tennant法Tennant法也叫做Montana法(蒙大拿法)，是由Tennant在1976年所提出來的[18]。該方法原理是取河流多年平均流量的10%～30%作為生態(tài)基流，適用于水文資料系列較長的河流，是目前估算河道生態(tài)基流最常用的方法[19]。由于尼雅河屬于典型的季節(jié)性河流，故本研究將Tennant法做適當(dāng)改進(jìn)，將汛期改為—月，非汛期改為10—翌年月，據(jù)此得到河流生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.2統(tǒng)計(jì)學(xué)方法
本文主要應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有：檢驗(yàn)、趨勢(shì)分析、相關(guān)性分析和回歸分析，其中回歸分析是為了確定氣候變化與生態(tài)基流變化之間的具體關(guān)系，本文研究氣候變化與生態(tài)基流之間的變化關(guān)系，故采用二元線性回歸模型。
3結(jié)果與分析
3.1氣候變化分析
3.1.1氣溫變化分析
通過對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)線性分析，并進(jìn)行趨勢(shì)擬合后得出1958—2018年尼雅河流域氣溫以0.22℃•(10a)的速度增暖，這與焦文慧等[22]得出新疆氣溫極值指數(shù)以0.5℃•(10a)上升的結(jié)論相似。從中可以看出，1958—2018年尼雅河流域年均氣溫一直處于波動(dòng)上升的變化過程，其中1958—1988年處于緩慢增溫階段，氣溫上升了0.4℃;1989—2018年處于相對(duì)快速增溫階段，氣溫上升了1.14℃。
3.1.2降水變化分析
通過對(duì)61的年降水量數(shù)據(jù)線性分析，并進(jìn)行趨勢(shì)擬合后得出1958—2018年尼雅河流域降水量以3.8mm•(10a)的速度增加，這與施雅風(fēng)等[23]得出1987—1996年南疆降水比前兩個(gè)10增加23.2%與30.1%的結(jié)論一致。從中可以看出，1958—2018年尼雅河流域的年降水量也處于波動(dòng)增加的變化過程，期間在1972、1987、2010年和2016年出現(xiàn)了幾次驟增和驟減(降水量均驟增至100mm以上，次年又驟減至50mm以下)，其余年份也存在小范圍振蕩變化。通過以上對(duì)氣溫、降水的分析，結(jié)合表可以得出：新疆尼雅河流域從上世紀(jì)50年代開始至今一直處于一個(gè)逐漸增暖增濕的變化過程，這與吳秀蘭等人研究結(jié)論相同[24]。
3.2生態(tài)基流對(duì)氣候變化的響應(yīng)
將尼雅河流域個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面的逐年生態(tài)基流值加權(quán)平均得到流域整體逐年生態(tài)基流值，并用其與流域1978—2018年同期年均氣溫和年降水值進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明逐年、逐月生態(tài)基流與氣溫降水均在0.01水平上呈顯著相關(guān)，其中逐年生態(tài)基流與年均氣溫的相關(guān)系數(shù)r=0.257，顯著性P=0.105;與年降水的相關(guān)系數(shù)r=0.593，顯著性P=0.000。導(dǎo)致年生態(tài)基流與年均氣溫相關(guān)性偏低的主因是：第一是氣溫的年際波動(dòng)比較大，第二是年均氣溫的增長率較低(0.022℃•a)。
逐月生態(tài)基流與逐月氣溫、降水的相關(guān)性均較高融雪、降雨是流量的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，而生態(tài)基流又由實(shí)測(cè)流量分析得到，因此相關(guān)性較高，這與同地區(qū)其他研究結(jié)果一致[2526]。通過敏感性分析，發(fā)現(xiàn)春夏季生態(tài)基流對(duì)氣溫敏感，秋冬季則對(duì)降水敏感，這與尼雅河地處干旱區(qū)屬冰川融雪補(bǔ)給的河流性質(zhì)有關(guān)。通過進(jìn)一步回歸分析得到生態(tài)基流與年降水、年均氣溫的回歸方程。
在研究時(shí)段內(nèi)，尼雅河流域生態(tài)基流與氣候變化呈明顯正相關(guān)，各水文斷面的回歸模型耦合效果相似，流域整體回歸方程為y=0.890.110.298，0.365，表明生態(tài)基流對(duì)氣候變化的響應(yīng)不是某一處的瞬時(shí)突變，而是整體緩慢發(fā)生的。綜合上述對(duì)氣候、生態(tài)基流及二者變化的分析，得出尼雅河流域正處于逐漸變暖變濕過程，在此氣候變化背景下流域生態(tài)基流也隨之發(fā)生同步高低變化的響應(yīng)，這種響應(yīng)具有整體性，且在豐水年表現(xiàn)尤為強(qiáng)烈，并隨河流流向而緩慢衰減。
4結(jié)論
(1)研究發(fā)現(xiàn)，1958—2018年間尼雅河流域年均溫和降水整體表現(xiàn)出波動(dòng)上升的過程，氣候變化呈暖濕化的發(fā)展趨勢(shì)，其中氣溫以0.22℃•(10a)的速度增暖，降水量以3.8mm•(10a)的速度增濕。
(2)基于尼雅河個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面1978—2018年的水文數(shù)據(jù)，通過Tennant法等種水文學(xué)方法計(jì)算、確定各斷面逐月生態(tài)基流值，并基于此得到尼雅水庫、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生態(tài)基流推薦值分別為：1.989m•s、2.188m•s、1.755m•s、1.702•s。
(3)從時(shí)間上分析，尼雅河流域生態(tài)基流表現(xiàn)為總體呈波動(dòng)上升、年際與年內(nèi)變化大的特征，最大值出現(xiàn)在2010年，最小值出現(xiàn)在1980年，年內(nèi)汛期和非汛期差異十分顯著，各測(cè)站汛期生態(tài)基流量均占到占全年生態(tài)基流的98%以上。從空間分布來看，生態(tài)基流總體表現(xiàn)為上游高下游低、季節(jié)性差異顯著的特點(diǎn)，且最高值在八一八渠首，最低值在尼雅渠首。
(4)各斷面保證率變化具有相似性，其中尼雅水庫和尼雅水文站多年平均生態(tài)基流保證率為50%，八一八渠首和尼雅渠首為45%。在研究時(shí)段內(nèi)，年保證率最高為58.33%，最低為33.33%，且年內(nèi)非汛期生態(tài)基流難以得到保證，主要原因是河流流量小斷流早且持續(xù)時(shí)間長、蓄水灌溉工程使用頻繁和生活用水逐年增加。
(5)相關(guān)分析表明逐年、逐月生態(tài)基流與氣溫降水均在0.01水平上顯著相關(guān)，但春夏季生態(tài)基流對(duì)氣溫敏感，秋冬季對(duì)降水敏感。各水文斷面的回歸模型耦合效果相似，流域整體回歸方程為y=0.890.110.298，0.365，生態(tài)基流對(duì)氣候變化響應(yīng)具有整體性，且在豐水年表現(xiàn)強(qiáng)烈，并隨河流流向而緩慢衰減。
參考文獻(xiàn)(References)
[1]ArthingtonAH,NaimanRJ,McclainME,etal.Preservingthebiodiversityandecologicalservicesofrivers:Newchallengesandresearchopportunities[J].FreshwaterBiology,2010,55(1):116.
[2]VrsmartyCJ,McintyreP,GessnerM,etal.Globalthreatstohumanwatersecurityandriverbiodiversity[J].Nature,2010,467(7315):555561.
[3]嚴(yán)登華王浩王芳等我國生態(tài)需水研究體系及關(guān)鍵研究命題初探[J].水利學(xué)報(bào),2007,38(3):267273.[YanDenghua,WangHao,WangFang,etal.Frameofresearchworkonecologicalwaterdemandandkeytopics[J].JournalofHydraulicEngineering,2007,38(3):267273.]
[4]DakovaS,UzunovY,MandadjievD.LowflowTheriver'secosystemlimitingfactor[J].EcologicalEngineering,2000,16(1):167174.
[5]陳昂隋欣廖文根等我國河流生態(tài)基流理論研究回顧[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2016,14(6):401411.[ChenAng,SuiXin,LiaoWengen,etal.ReviewstudyoninstreamecologicalbaseflowinChina[J].JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,2016,14(6):401411.]
[6]徐宗學(xué)武瑋于松延生態(tài)基流研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2016,35(4):111.[XuZongxue,WuWei,YuSongyan.Ecologicalbaseflow:Progressandchallenge[J].JournalofHydroelectricEngineering,2016,35(4):111.]
作者：胡可可1,2，何建村3，趙健3，蘇里坦1，張音1,2
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