气候变化背景下尼雅河流域生态基流研究

　　摘要：流域生态基流是河流生态系统健康稳定的关键，以新疆尼雅河流域为研究区域，根据民丰县气象站1958—2018年的气象数据与尼雅河个水文监测断面1978—2018年的水文数据，运用趋势拟合、Tennant法、相关性分析和回归模型等分析流域气候变化、确定生态基流并探究其时空分异与保证率变化，揭示生态基流对气候变化的响应。结果表明：61a来流域气温以0.22℃•(10a)的速度增加，降水量以3.8mm•(10a)的速度增加;尼雅水库、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生态基流推荐值分别为：1.989•、2.188•、1.755•、1.702•;生态基流年际最大值出现在2010年，最小值在1980年，年内最大值在月，最小值在月或12月;空间上表现为上游高下游低，以八一八渠首处最高，尼雅渠首处最低;各站多年平均生态基流保证率分别为：50%、45%、50%、45%，且表现出汛期明显高于非汛期;逐年、逐月生态基流与气温降水均在0.01水平上显著相关，但在春夏季对气温敏感，秋冬季对降水敏感，各水文断面的回归模型耦合效果相似，流域整体回归方程0.365，且生态基流对气候变化响应具有整体性和衰减性。研究结果可为尼雅河流域生态调水和水生态修复提供参考。

　　关键词：气候变化;尼雅河;生态基流;水文学法;保证率

　　随着社会经济的快速发展，人类对水资源的过度开发利用已经影响了生态系统稳定，尤其是在河流及其沿岸生态系统表现得尤为明显，出现了资源型缺水、水土流失、水质恶化、河道径流量减少以及生物多样性衰减等众多生态环境问题，导致河流生态系统随之不断退化[12]。为了缓和水资源开发利用与生态环境保护之间日益加剧的矛盾，实现流域社会经济可持续发展，需要确保河道中拥有一定的水量以维持河流生态系统的稳定[3]。

　　在使河流满足人类生产生活用水的同时，也能够满足生态系统的用水需求，使二者之间达到一种平衡状态，生态基流的概念便随之应运而生。尽管目前还没有统一确定的标准概念来定义生态基流[45]，但学术界较为普遍接受的是指在生态需水与人类用水矛盾加剧的背景下，将生态系统健康作为河流健康的最高目标，河道最小流量所应满足的最低要求即为生态基流[6]。

　　自十八世纪工业革命以来，人类燃烧大量化石燃料，向空气中排放了大量二氧化碳等温室气体，使温室效应加剧，全球气温正在经历以变暖为主导的气候变化，降水受到气候变暖的影响出现了时空差异性的响应，但并没有表现出某种确定的变化趋势[78]。河流在气温与降水的变化影响下也出现了相应变化，使得流量、水位、流速等水文要素发生了不同程度的波动[9]，导致河流及其流域生态环境稳定受到严重影响[10]，在这样一个复杂的气候变化背景下，生态基流将会如何响应变化目前还尚不明晰。

　　国外学者对于生态基流的相关研究起步较早，研究内容主要集中在发展水生态系统服务功能价值、提供农业生态系统用水保障、保护河流生态系统生物多样性、满足流域生态环境保护与开发利用以及生态基流计算方法研究等几个方面[1113]，已经形成了从理论概念、方法计算到实际应用为体系的完整研究框架。我国于20世纪70年代开始探索对河流生态基流的研究，经过众多学者和管理人员所做的大量研究和应用工作，生态基流研究已经取得了一定的成果。从不同时间、不同空间和不同类型的生态用水入手，有针对性的对我国生态基流开展了多角度研究，建立了适应我国自然生态环境特点的生态基流研究指标体系[1416]。

　　目前国内外少有学者将气候变化与生态基流相联系进行研究，因此开展气候变化背景下生态基流的响应情况分析具有十分重要的意义。新疆地处亚欧大陆中部，位于中国西北，由于深居内陆且有高山阻隔，降水稀少而蒸发较大，导致水资源十分匮乏[17]。尼雅河属塔里木河支流，其流域范围更是干旱区的典型代表，生态用水极为紧张。

　　因此，本文以新疆尼雅河流域为研究区域，根据民丰县气象站1958—2018年的气象数据与尼雅河个水文监测断面1978—2018年的水文数据，分析气候变化趋势、确定生态基流及其时空分异与保证率变化，揭示生态基流对气候变化的响应，以期为合理安排调度尼雅河流域生态用水、水资源综合利用与水生态恢复提供科学的参考依据。

　　1研究区概况

　　尼雅河流域位于新疆维吾尔自治区和田地区民丰县中西部，南北长约200km，东西宽40～90km，流域总面积10160.96km，流域地处82°36′～82°50′，36°12′～37°48′之间。尼雅河是民丰县的第一大河，呈南北走向，发源于昆仑山北麓的吕什塔格峰，为融雨、季节性积雪和山谷冰川融水补给的季节性河流。河流在上游出山口处有恰克达支流汇入，下游无支流汇入。

　　河流源头段呈树枝状水系发育;河道为戈壁、卵石和半胶结砂卵石，两岸植被稀少，自然条件恶劣，沿途稳定性较差;中游冲积平原区是民丰县最大的农业区——尼雅灌区，南北长30km，耕地面积约33.34km;下游河床由砂砾石逐渐变为细砂，纵坡逐渐变缓，两岸为自然森林保护区，绿洲宽1.5km，长约75km，主要有胡杨、红柳、芦苇等绿洲农田的天然屏障;河道末端消失于塔克拉玛干沙漠深处。

　　2数据与方法

　　2.1数据来源

　　2.1.1水文数据

　　本文选用尼雅河干流上尼雅水库、八一八渠首、尼雅水文站、尼雅渠首等个水文监测断面1978—2018年的水文资料来探究生态基流，其中部分年份由于观测缺失由回归替换法推演获得。具体数据包括日、月、年平均流量及年径流量等，均来源于中华人民共和国水文年鉴《塔里木河流域水文资料》。

　　2.1.2气象数据

　　本文选取尼雅河流域唯一具有长时间序列气象数据的民丰气象站1958—2018年的实测气象数据对流域气候变化进行分析，主要用到的数据内容包括逐日、逐月以及逐年的气温、降水等，数据均来源于中国气象数据网，其中气温通过标准百叶箱自动监测记录，降水量采用20cm的标准雨量器人工观测记录。

　　2.2研究方法

　　2.2.1水文学方法

　　当前国内外对于生态基流的计算方法很多，主要包括水文学方法、水力学方法、生态模拟法和整体分析法，本文选择常用的水文学方法中的Tennant法、90%保证率最枯月平均流量法、最枯月平均流量多年平均值法等种方法来计算尼雅河流域的生态基流。

　　Tennant法Tennant法也叫做Montana法(蒙大拿法)，是由Tennant在1976年所提出来的[18]。该方法原理是取河流多年平均流量的10%～30%作为生态基流，适用于水文资料系列较长的河流，是目前估算河道生态基流最常用的方法[19]。由于尼雅河属于典型的季节性河流，故本研究将Tennant法做适当改进，将汛期改为—月，非汛期改为10—翌年月，据此得到河流生态基流标准。

　　2.2.2统计学方法

　　本文主要应用的统计学方法有：检验、趋势分析、相关性分析和回归分析，其中回归分析是为了确定气候变化与生态基流变化之间的具体关系，本文研究气候变化与生态基流之间的变化关系，故采用二元线性回归模型。

　　3结果与分析

　　3.1气候变化分析

　　3.1.1气温变化分析

　　通过对气温数据线性分析，并进行趋势拟合后得出1958—2018年尼雅河流域气温以0.22℃•(10a)的速度增暖，这与焦文慧等[22]得出新疆气温极值指数以0.5℃•(10a)上升的结论相似。从中可以看出，1958—2018年尼雅河流域年均气温一直处于波动上升的变化过程，其中1958—1988年处于缓慢增温阶段，气温上升了0.4℃;1989—2018年处于相对快速增温阶段，气温上升了1.14℃。

　　3.1.2降水变化分析

　　通过对61的年降水量数据线性分析，并进行趋势拟合后得出1958—2018年尼雅河流域降水量以3.8mm•(10a)的速度增加，这与施雅风等[23]得出1987—1996年南疆降水比前两个10增加23.2%与30.1%的结论一致。从中可以看出，1958—2018年尼雅河流域的年降水量也处于波动增加的变化过程，期间在1972、1987、2010年和2016年出现了几次骤增和骤减(降水量均骤增至100mm以上，次年又骤减至50mm以下)，其余年份也存在小范围振荡变化。通过以上对气温、降水的分析，结合表可以得出：新疆尼雅河流域从上世纪50年代开始至今一直处于一个逐渐增暖增湿的变化过程，这与吴秀兰等人研究结论相同[24]。

　　3.2生态基流对气候变化的响应

　　将尼雅河流域个水文监测断面的逐年生态基流值加权平均得到流域整体逐年生态基流值，并用其与流域1978—2018年同期年均气温和年降水值进行相关性分析。结果表明逐年、逐月生态基流与气温降水均在0.01水平上呈显著相关，其中逐年生态基流与年均气温的相关系数r=0.257，显著性P=0.105;与年降水的相关系数r=0.593，显著性P=0.000。导致年生态基流与年均气温相关性偏低的主因是：第一是气温的年际波动比较大，第二是年均气温的增长率较低(0.022℃•a)。

　　逐月生态基流与逐月气温、降水的相关性均较高融雪、降雨是流量的关键驱动因素，而生态基流又由实测流量分析得到，因此相关性较高，这与同地区其他研究结果一致[2526]。通过敏感性分析，发现春夏季生态基流对气温敏感，秋冬季则对降水敏感，这与尼雅河地处干旱区属冰川融雪补给的河流性质有关。通过进一步回归分析得到生态基流与年降水、年均气温的回归方程。

　　在研究时段内，尼雅河流域生态基流与气候变化呈明显正相关，各水文断面的回归模型耦合效果相似，流域整体回归方程为y=0.890.110.298，0.365，表明生态基流对气候变化的响应不是某一处的瞬时突变，而是整体缓慢发生的。综合上述对气候、生态基流及二者变化的分析，得出尼雅河流域正处于逐渐变暖变湿过程，在此气候变化背景下流域生态基流也随之发生同步高低变化的响应，这种响应具有整体性，且在丰水年表现尤为强烈，并随河流流向而缓慢衰减。

　　4结论

　　(1)研究发现，1958—2018年间尼雅河流域年均温和降水整体表现出波动上升的过程，气候变化呈暖湿化的发展趋势，其中气温以0.22℃•(10a)的速度增暖，降水量以3.8mm•(10a)的速度增湿。

　　(2)基于尼雅河个水文监测断面1978—2018年的水文数据，通过Tennant法等种水文学方法计算、确定各断面逐月生态基流值，并基于此得到尼雅水库、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生态基流推荐值分别为：1.989m•s、2.188m•s、1.755m•s、1.702•s。

　　(3)从时间上分析，尼雅河流域生态基流表现为总体呈波动上升、年际与年内变化大的特征，最大值出现在2010年，最小值出现在1980年，年内汛期和非汛期差异十分显著，各测站汛期生态基流量均占到占全年生态基流的98%以上。从空间分布来看，生态基流总体表现为上游高下游低、季节性差异显著的特点，且最高值在八一八渠首，最低值在尼雅渠首。

　　(4)各断面保证率变化具有相似性，其中尼雅水库和尼雅水文站多年平均生态基流保证率为50%，八一八渠首和尼雅渠首为45%。在研究时段内，年保证率最高为58.33%，最低为33.33%，且年内非汛期生态基流难以得到保证，主要原因是河流流量小断流早且持续时间长、蓄水灌溉工程使用频繁和生活用水逐年增加。

　　(5)相关分析表明逐年、逐月生态基流与气温降水均在0.01水平上显著相关，但春夏季生态基流对气温敏感，秋冬季对降水敏感。各水文断面的回归模型耦合效果相似，流域整体回归方程为y=0.890.110.298，0.365，生态基流对气候变化响应具有整体性，且在丰水年表现强烈，并随河流流向而缓慢衰减。

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　　作者：胡可可1,2，何建村3，赵健3，苏里坦1，张音1,2