褚俊英，嚴(yán)登華，周祖昊，吳 迪，劉 琳

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100070）

1 研究背景

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)城市河湖水系正面臨著水資源短缺、水質(zhì)惡化、水體萎縮與調(diào)蓄能力降低、河湖水力和生態(tài)聯(lián)系阻隔、濱湖地帶過(guò)度開(kāi)發(fā)、生物多樣性減少等突出問(wèn)題，河湖的健康生命受到嚴(yán)重威脅，并對(duì)人類(lèi)社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。城市河湖生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)完整的有機(jī)整體，水是生態(tài)過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)因子，生態(tài)流量是河湖健康維系的重要條件［1］?？茖W(xué)給出城市河湖生態(tài)流量閾值尤為重要，是維護(hù)城市河湖基本功能，實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理的基石［2］，有利于促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

在城市河湖生態(tài)流量計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者當(dāng)前提出多種計(jì)算方法，如水文學(xué)、水力學(xué)、棲息地法以及整體法等［3］，河湖生態(tài)流量的研究日益注重水分-生態(tài)的耦合作用機(jī)理、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)用水過(guò)程影響機(jī)制且對(duì)資料的要求較高［4］。如在棲息地法中研究者可通過(guò)河湖中存在的敏感性、指示性的生物物種調(diào)查，分析確定其生活史過(guò)程中（如棲息、產(chǎn)卵等）所需要的水深、流速等指標(biāo)要求，從而推求河湖生態(tài)流量。Marsili-Libelli等［5］采用鯉魚(yú)和歐洲鰱魚(yú)作為指示物種，依據(jù)適宜水流和污染物濃度曲線確定生態(tài)流量。徐宗學(xué)等［6］依據(jù)魚(yú)類(lèi)洄游的流速范圍，采用生態(tài)水力學(xué)法計(jì)算生態(tài)流量。由于我國(guó)城市河湖缺乏長(zhǎng)期的水量、水質(zhì)與水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與群落的觀測(cè)資料，多數(shù)河湖都已渠道化且受到人工調(diào)控影響嚴(yán)重，這些方法在實(shí)踐中應(yīng)用通常面臨數(shù)據(jù)缺失、適應(yīng)性和代表性有待提升等瓶頸，其實(shí)踐應(yīng)用的范圍與效果有限［7］。

城市河湖相對(duì)自然河湖在服務(wù)功能方面有明顯差異，通常大部分喪失了傳統(tǒng)上的灌溉、飲水、航運(yùn)、維持河口鹽分平衡等功能，多保留了排水、景觀、娛樂(lè)、防洪、沖沙等功能［8］。為體現(xiàn)城市河湖水系這些特定的生態(tài)服務(wù)功能，面向生態(tài)服務(wù)功能的河湖生態(tài)流量計(jì)算方法日益得到發(fā)展。如賈仰文等［9］考慮生態(tài)基流、魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵、輸沙、濕地與景觀、滲漏與蒸發(fā)等多個(gè)要素，綜合給出了渭河流域城市河湖生態(tài)流量；楊毅等［10］體現(xiàn)基本生態(tài)需水、凈化、景觀娛樂(lè)等功能要求開(kāi)展了資料有限條件下北京市河流的生態(tài)需水計(jì)算。這些方法當(dāng)前主要針對(duì)城市特定的河湖構(gòu)建，而河湖多種復(fù)合生態(tài)服務(wù)功能的合理辨識(shí)、多種功能所需生態(tài)流量的量化方法等有待于進(jìn)一步提升，河流與湖泊、濕地之間的耦合關(guān)系也需要進(jìn)一步明確。本文針對(duì)城市河湖的特點(diǎn)，基于綜合功能辨識(shí)構(gòu)建了河湖生態(tài)流量計(jì)算與保障程度分析的總體框架與量化模型，選取株洲市區(qū)的河湖水系進(jìn)行了典型案例分析，可為城市河流生態(tài)流量的保障與調(diào)控提供基礎(chǔ)支撐。

2 基本概念與總體框架

2.1 基本概念 當(dāng)前，城市河湖生態(tài)流量尚缺乏明確的定義，生態(tài)用水、生態(tài)耗水、生態(tài)缺水、生態(tài)基流、生態(tài)需水、環(huán)境需水及生態(tài)環(huán)境用水等多個(gè)概念尚未統(tǒng)一。生態(tài)流量對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)所需物質(zhì)、能量、信息及物種輸移有重要意義，為了保證河湖健康與生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮，要求河湖生態(tài)流量的大小、情勢(shì)與水質(zhì)不能超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的耐受性范圍，生態(tài)系統(tǒng)仍然能夠順利完成其生活史。

城市河湖生態(tài)流量是指城市河湖健康所需要的、符合水質(zhì)要求且滿足生態(tài)需求節(jié)律的流動(dòng)水量。河湖生態(tài)流量由消耗分項(xiàng)和非消耗分項(xiàng)構(gòu)成［11］。其中，消耗分項(xiàng)主要是為實(shí)現(xiàn)河湖生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)耗水和滲漏等功能；非消耗分項(xiàng)主要是滿足河湖生態(tài)健康所需的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程以維持連通性。在消耗分項(xiàng)和非消耗分項(xiàng)基礎(chǔ)上，河湖生態(tài)流量可進(jìn)一步細(xì)分成存量水和通量水。其中，存量水是指賦存于河道與湖泊且具有一定體積的連續(xù)水分體，通量水是指單位時(shí)間流經(jīng)某一單位截面積的水量（如流量或換水量）。存量主要以河湖特征水深體現(xiàn)，可基于湖泊水位-容積關(guān)系曲線和水位-面積關(guān)系曲線，由特征水位確定相應(yīng)的容積和水面面積相除所得，如滿足河湖景觀功能水深等；通量表現(xiàn)為河湖的流動(dòng)水量，如河流生態(tài)基流、河湖維持自?xún)袅髁?、河流輸沙功能流量以及河流景觀流量等。消耗分項(xiàng)主要由通量構(gòu)成，非消耗分項(xiàng)則包括存量和通量。同一流域或區(qū)域的水生態(tài)系統(tǒng)分布格局及生態(tài)用水的時(shí)空特征不同，產(chǎn)水區(qū)域也不盡相同，需要進(jìn)行整合計(jì)算，以確定城市河湖主要控制斷面或控制點(diǎn)的生態(tài)流量過(guò)程。通常，城市河道與湖泊水體以外的農(nóng)田灌溉、綠地澆灌、城市供水等則不計(jì)入河湖生態(tài)流量核定的范疇。

圖1 城市河湖生態(tài)流量分析的總體框架

2.2 總體框架 基于綜合功能辨識(shí)的城市河湖生態(tài)流量分析的總體框架如圖1所示，具體如下：（1）確定城市河湖的主要控制斷面與控制節(jié)點(diǎn)。針對(duì)各城市河湖水系的特點(diǎn)，綜合考慮支流匯入、上下游關(guān)聯(lián)、生態(tài)功能要求等多種因素，選取河湖生態(tài)流量計(jì)算的代表性控制斷面與節(jié)點(diǎn)。每個(gè)斷面或節(jié)點(diǎn)控制的集水區(qū)都可視為獨(dú)立單元，能夠發(fā)揮特定的生態(tài)服務(wù)功能；（2）城市河湖的保護(hù)目標(biāo)與主導(dǎo)功能的識(shí)別。逐個(gè)識(shí)別各控制斷面與控制節(jié)點(diǎn)的主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能，如敏感生物、景觀、娛樂(lè)、防洪、沖沙以及航運(yùn)等方面，明確生態(tài)保護(hù)目標(biāo)；（3）城市河湖生態(tài)流量過(guò)程線的綜合計(jì)算與優(yōu)化分析。面向各控制斷面與控制節(jié)點(diǎn)的功能和保護(hù)目標(biāo)，建立上下游的產(chǎn)匯流水力聯(lián)系，借助水文、水量、水質(zhì)、生態(tài)等多方面數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行河湖生態(tài)流量消耗與非消耗分項(xiàng)、存量與通量的計(jì)算，綜合優(yōu)化得到河湖生態(tài)流量過(guò)程線、流量構(gòu)成（即流量中消耗與非消耗量、存量與增量、各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能所需流量）與變異性系數(shù)；（4）提出城市河湖生態(tài)流量的保障程度和調(diào)控要求。分析不同頻率的來(lái)水過(guò)程，計(jì)算得出不同來(lái)水頻率條件下城市河湖生態(tài)流量的保障程度，提出生態(tài)流量的調(diào)控指標(biāo)要求以及調(diào)控時(shí)機(jī)，為城市河湖的健康管理提供決策支持。

3 計(jì)算模型

3.1 模型結(jié)構(gòu) 基于綜合功能辨識(shí)的城市河湖生態(tài)流量計(jì)算與保障程度分析模型（Model for urban ecological streamflow calculation and guarantee degree analysis based on systhesized ecosystem service function identification，簡(jiǎn)稱(chēng)MUSEF模型）的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模型面向城市河湖多種生態(tài)服務(wù)功能目標(biāo)，綜合體現(xiàn)河流斷面與湖泊濕地水力聯(lián)系，權(quán)衡生態(tài)流量消耗分項(xiàng)與非消耗分項(xiàng)、存量與通量、水量與水質(zhì)之間的關(guān)系，量化得出城市河湖生態(tài)流量大小、過(guò)程、構(gòu)成、空間分布、滿足程度與調(diào)控要求，為城市河湖生態(tài)流量的保障與健康管理決策提供支持。

圖2 基于綜合功能辨識(shí)的城市河流生態(tài)流量計(jì)算模型結(jié)構(gòu)（MUSEF模型）

3.2 調(diào)控機(jī)制 河段水平衡關(guān)系為上游匯入流量、自身流域匯入量、補(bǔ)給量、降水量與人工補(bǔ)水量之和等于社會(huì)經(jīng)濟(jì)最大耗水限值與生態(tài)流量（如圖2所示，具體計(jì)算如下式所示）。生態(tài)流量指標(biāo)閾值尤為關(guān)鍵，該指標(biāo)的確定將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)（如工業(yè)、農(nóng)業(yè)等）用耗水過(guò)程進(jìn)行限制，從而最大限度減少人類(lèi)水資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)的破壞［2］。為維系生態(tài)流量，人類(lèi)可以減少本河段社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水，也可從其他水源如地表水、地下水或非常規(guī)水源對(duì)河段進(jìn)行補(bǔ)水［12］，具體調(diào)控措施的選取需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合權(quán)衡。

式中：St為第t時(shí)間上游匯入流量，m3/s；ZQt為第t時(shí)間自身流域匯入流量，m3/s；Tt為第t時(shí)間人工補(bǔ)水流量，m3/s；PQt為第t時(shí)間水體降水補(bǔ)給流量，m3/s，KQt為第t時(shí)間其他補(bǔ)給流量，m3/s；Ut為第t時(shí)間社會(huì)經(jīng)濟(jì)最大耗水流量限值，m3/s；Wt為第t時(shí)間河流生態(tài)流量閾值，m3/s。

3.3 生態(tài)流量過(guò)程線計(jì)算 城市河流生態(tài)流量過(guò)程線由河段生態(tài)流量以及與河段連接的湖泊/濕地生態(tài)流量組合構(gòu)成，包括消耗和非消耗分項(xiàng)兩部分，具體如下：（1）河流生態(tài)流量的消耗分項(xiàng)包括河流蒸散通量、滲漏通量以及其他消耗（如生物消耗）等通量；非消耗分項(xiàng)包括河流生態(tài)系統(tǒng)基流、河流維持自?xún)袅髁俊⒑恿鬏斏彻δ芰髁?、河流景觀與其他功能流量等通量和存量；（2）湖泊/濕地生態(tài)流量的消耗分項(xiàng)包括湖泊/濕地蒸散量、滲漏量和其他消耗等通量，非消耗分項(xiàng)為自?xún)襞c其他功能水量。鑒于非消耗分項(xiàng)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能具有重疊性，取外包值（即max函數(shù)）計(jì)算，如下式所示：

式中：Qt為第t時(shí)間河流生態(tài)流量，m3/s；Mt為第t時(shí)間與河流連接的湖泊濕地的生態(tài)流量，m3/s；Qet、Qgt和Qnt分別為第t時(shí)間河流蒸散通量、河道滲漏通量以及其他消耗通量，m3/s；Qmt、Qat、Qbt、Qct、Qdt分別為第t時(shí)間河流非消耗生態(tài)流量、河流生態(tài)系統(tǒng)基流、河流維持自?xún)袅髁俊⒑恿鬏斏彻δ芰髁?、河流景觀與其他功能流量等通量，m3/s；Met、Mgt、Mnt和Mbt分別為湖泊/濕地蒸散通量、湖泊/濕地滲漏通量、湖泊/濕地其他消耗通量以及湖泊/濕地自?xún)襞c其他水量等通量，m3/s。

3.3.1 消耗分項(xiàng)計(jì)算

（1）河湖水面蒸發(fā)與濕地植被蒸散發(fā)通量。蒸散發(fā)作為城市河湖水循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是水量的損失項(xiàng)，是河湖生態(tài)流量的組成部分和消耗項(xiàng)。通常，濕地植被的蒸散量包括植物同化過(guò)程耗水、植物體內(nèi)包含的水分、濕地植株表面蒸發(fā)耗水等部分，其中后兩部分所占比重較大［13］。在數(shù)據(jù)稀疏時(shí)濕地植被與水面面積可按照一定的比例計(jì)算［9］。河道和湖泊的水面面積以及濕地植被面積通常是水深（Hb和Hq）的函數(shù)，具體計(jì)算如下：

式中：Qet、Met分別為河湖水體第t時(shí)間的蒸散發(fā)量，m3/s；E1t、E2t分別為河湖水面第t時(shí)間水面蒸發(fā)強(qiáng)度、濕地植被蒸散發(fā)強(qiáng)度，mm/s；Aqt、Amt分別為第t時(shí)間的河道和湖泊的水面面積，m2；A1bt、A2bt分別為第t時(shí)間的河流濕地與湖泊濕地植被面積，m2。

（2）河湖滲漏通量。滲漏是河湖水量自然損失的方式，當(dāng)河湖水位高于地下水位時(shí)，河湖水體通過(guò)底部滲漏和岸邊側(cè)滲補(bǔ)給地下水。考慮到城市河湖底部通常會(huì)有護(hù)坡和防滲處理，滲透系數(shù)非常小。對(duì)于未經(jīng)防滲的自然河湖水體，可采用如下公式計(jì)算［14］。自然河湖的滲透系數(shù)通常受到土壤類(lèi)型、河流形態(tài)、河道水位與地下水位差、地質(zhì)條件等多種因素影響，通常采用水量平衡法、地下水動(dòng)力學(xué)方法或經(jīng)驗(yàn)公式法等方法計(jì)算，或通過(guò)河道滲漏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)模擬等方法進(jìn)行確定［15］。

式中：Qgt、Mgt分別為第t時(shí)間的河道和湖泊滲漏水量，m3/s；Kq、Km分別為河道和湖泊滲透系數(shù)，m/s；Iq、Im為河道和湖泊坡降，‰；Lqt、Lmt分別為第t時(shí)間的河流和湖泊過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；如果僅考慮垂直滲漏，則滲漏面積即為河湖的水面面積，可采用如下公式計(jì)算［11］。

（3）其他消耗通量。城市河湖其他消耗量（Qnt和Mnt）通常較小，可忽略不計(jì)。對(duì)于特殊的河湖生態(tài)系統(tǒng)，需根據(jù)實(shí)際情況采用經(jīng)驗(yàn)公式或量化方法確定。

3.3.2 非消耗分項(xiàng)計(jì)算 城市河湖生態(tài)流量非消耗分項(xiàng)的計(jì)算主要包括兩部分，一是存量特征水深的計(jì)算；二是體現(xiàn)特征水深的通量計(jì)算。其中，存量特征水深是指湖泊生態(tài)系統(tǒng)最低生態(tài)水深、河湖景觀與其他功能水深；體現(xiàn)特征水深的通量包括河流生態(tài)系統(tǒng)基流、河湖維持自?xún)袅髁?、河流輸沙功能流量、河流景觀娛樂(lè)與其他功能流量。

（1）存量的特征水深計(jì)算。

（i）湖泊生態(tài)系統(tǒng)基本水深。維持湖泊形態(tài)以及水生生物生存與棲息等生態(tài)服務(wù)功能不喪失，需要一定的湖泊蓄水量（存量）。對(duì)于湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)而言，枯水期實(shí)際可保持的滿足其生存需求的水深尤為重要。計(jì)算湖泊維系生態(tài)系統(tǒng)功能的基本生態(tài)水深Hs可以采用湖泊形態(tài)法、生物空間法等方法。其中，湖泊形態(tài)法主要基于歷史資料，量化分析湖泊水面面積變化率與湖泊水深關(guān)系曲線，依據(jù)該曲線尋找枯水期水深附近面積變化率最大值對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為基本生態(tài)水深，如公式所示。要維持該湖泊基本生態(tài)水深，需要計(jì)算湖泊蒸發(fā)、滲漏等消耗分項(xiàng)（如前所述），作為湖泊所需的生態(tài)流量指標(biāo)。

式中：F為湖面面積，m2；f為函數(shù)關(guān)系；Hs為湖泊基本生態(tài)水深，m；Hmin為湖泊多年平均最低水深，m；a、b分別為和湖泊水位變幅相比較小的正數(shù)，m。

（ii）河湖景觀與其他功能基本水深。城市河湖系統(tǒng)通常受到水閘和橡皮壩的人工擾動(dòng)，流速和流量受到控制。保持特定的水深通常是城市河湖實(shí)現(xiàn)景觀與其他功能的重要途徑［1］。基于數(shù)據(jù)資料，綜合體現(xiàn)景觀、娛樂(lè)、航運(yùn)、灌溉、發(fā)電等多方面功能要求，確定河湖景觀與其他功能基本水深（Hw和Hq）。

（2）通量計(jì)算。

（i）河流生態(tài)基流。維持河流基本水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，確保一定的河流基流尤為重要。河流生態(tài)基流多采用水文學(xué)方法計(jì)算，如美國(guó)、法國(guó)多采用多年平均流量的10%，作為大多數(shù)水生生物生存所推薦的最低流量；我國(guó)《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》（SL525-2011）提出原則上按多年平均流量的10%～20%確定。隨著城市河湖的水文、水量、水質(zhì)與水生生態(tài)系統(tǒng)（如浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物等）與群落觀測(cè)資料的不斷完善，突出水分與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)理的生態(tài)流量計(jì)算方法將得到更多應(yīng)用［16］。

式中：Qat為第t時(shí)間的河流生態(tài)基流，m3/s；Rr為多年平均徑流量，m3/s；Cat為第t時(shí)間的生態(tài)基流的比重系數(shù)，無(wú)量綱；Prt為多年平均條件第t時(shí)間的降雨量，mm/s；Kr為降雨徑流系數(shù)，無(wú)量綱；Dq為河段陸域的匯流面積，m2。

（ii）河湖維持自?xún)袅髁俊：恿髯詢(xún)袅髁渴潜Ｗo(hù)河流達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)必須維持的最小流量。我國(guó)《地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》（GB3839-83），規(guī)定一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量，用于計(jì)算污染物允許排放量?！端蚣{污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T25173）提出“計(jì)算河流水域納污能力，應(yīng)采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量?！背私y(tǒng)計(jì)學(xué)方法外，研究者還構(gòu)建了水質(zhì)模型模擬污染物濃度，結(jié)合本底情況計(jì)算得到所需的維持自?xún)袅髁?。如康然然等?7］利用QUAL2K建立了沈陽(yáng)城區(qū)南運(yùn)河水系的豐、枯水期的水質(zhì)模型，以COD和氨氮指標(biāo)達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)為約束，不斷調(diào)整進(jìn)水閘水量，直到得到維持自?xún)舻淖钚∩鷳B(tài)流量。

對(duì)于城市湖泊而言，采用新鮮水源對(duì)水體進(jìn)行稀釋不利于污染物的源頭控制，但可促進(jìn)河湖水體流動(dòng)而提高水環(huán)境承載力，也成為當(dāng)前城市河湖管理舉措，例如北京六海換水頻率為每年0.5～1.25次［18］，渭河流域主要城市湖泊換水周期為60 d［9］，長(zhǎng)沙市公園湖泊換水頻率約每年1.7次［19］。換水周期或頻率的大小通常受到城市水資源配置調(diào)度、湖泊水系景觀娛樂(lè)等服務(wù)功能要求的影響［20］。隨著湖泊水污染防治與生態(tài)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，該水量將逐漸減少至消除，具體計(jì)算如下式所示：

式中：Mbt為第t時(shí)間的城市湖泊維持環(huán)自?xún)羲?，m3/s；Hb為湖泊最小生態(tài)水深，m；Uh為湖泊換水系數(shù)，通常根據(jù)換水周期、換水頻率或換水量比率推算，次/s；Hw為湖泊景觀與其他功能基本水深，m；Hs為湖泊基本生態(tài)水深，m。

（iii）河流輸沙功能流量。河流輸沙功能通常受到水量和含沙量?jī)煞矫嬗绊?，主要在汛期完成。為保障河流輸沙功能的?shí)現(xiàn)，生態(tài)流量計(jì)算如下式所示：

式中：Qct為第t時(shí)間的河流輸沙水量，m3/s；St為第t時(shí)間的河流輸沙量，t/s；Cmax為長(zhǎng)系列最大河流平均含沙量，t/m3；Ct為第t時(shí)間河流含沙量，t/m3。

（iv）河流景觀與其他功能流量。除了上述生態(tài)服務(wù)功能外，健康的河流還需要滿足河流景觀與其他特定功能如航運(yùn)、發(fā)電等。河流景觀與其他功能流量的計(jì)算通?？刹捎媒?jīng)驗(yàn)法、水力學(xué)法等多種方法進(jìn)行計(jì)算。其中，水力學(xué)法可采用下式計(jì)算：

式中：N為河道天然糙率，通常根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的河床組成、斷面形狀、岸坡及河床中卵石礫石的分布、疏密度等情況確定，無(wú)量綱；J為坡降，‰；R為生態(tài)水力學(xué)半徑，當(dāng)河流寬深比較大時(shí)，可近似等于河流景觀與其他功能基本水深Hq，m；B為河道寬度，m。

3.4 生態(tài)流量檢驗(yàn)與優(yōu)化分析 對(duì)于城市河湖生態(tài)流量合理性檢驗(yàn)通常采用多年平均流量的合理百分比確定，枯水期和豐水期比重應(yīng)有所不同，需要根據(jù)各城市河湖水系的實(shí)際情況確定。通常，在數(shù)據(jù)缺失條件下，城市河湖的部分生態(tài)服務(wù)功能無(wú)法量化辨識(shí)，為了最大限度的確保河湖生態(tài)系統(tǒng)的健康，通常取兩者的外包絡(luò)線確定，如下式所示。

式中：Qtt為第t時(shí)間的河湖生態(tài)流量檢驗(yàn)值，m3/s；Ntt第t時(shí)間的生態(tài)流量檢驗(yàn)系數(shù)，無(wú)量綱；WTt為第t時(shí)間綜合優(yōu)化后的河湖生態(tài)流量，m3/s。

3.5 過(guò)程變異性 城市河湖生態(tài)系統(tǒng)具有特定的水文節(jié)律要求，在不同時(shí)期河湖生態(tài)流量的大小通常有所差異。這種過(guò)程變異性程度可采用過(guò)程變異性系數(shù)來(lái)體現(xiàn)，以反應(yīng)不同時(shí)間生態(tài)流量指標(biāo)偏移總體樣本均值的大小，具體計(jì)算如下式所示：

式中：Kwm，t為第m個(gè)控制斷面或節(jié)點(diǎn)第t時(shí)間的河湖生態(tài)流量過(guò)程變異性系數(shù)，無(wú)量綱；WAm為第m個(gè)控制斷面或節(jié)點(diǎn)河湖生態(tài)流量從t=1到T時(shí)刻的均值，m3/s；KW為河湖生態(tài)流量所有控制斷面或節(jié)點(diǎn)總過(guò)程變異性系數(shù)，無(wú)量綱；Np為控制斷面或節(jié)點(diǎn)總數(shù)，個(gè)。

3.6 不同來(lái)水頻率條件下的保障程度 不同來(lái)水頻率條件下城市河湖各斷面或控制節(jié)點(diǎn)生態(tài)流量的保障程度計(jì)算如下式所示。其中，城市河湖生態(tài)流量總體保障程度等于所有河流控制斷面與節(jié)點(diǎn)保障程度的平均值。基于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干擾的抗性能力特征，通常采用月平均流量進(jìn)行生態(tài)需水保障程度分析［21］。

式中：BWx分別為x來(lái)水頻率條件下的總保障程度，%；Bwx，t為x來(lái)水頻率條件下的第t時(shí)間的保障程度，%；Rx，t為x來(lái)水頻率條件下第t時(shí)間的來(lái)水流量，m3/s；Px，t為x來(lái)水頻率條件下第t時(shí)間的降雨量，mm/s；x為來(lái)水頻率，根據(jù)不同城市河湖水系的特點(diǎn)確定，如多年平均、75%、90%和95%等不同來(lái)水頻率條件。

3.7 模型主要參數(shù)與輸入特征 MUSEF模型的輸入輸出與主要參數(shù)如表1所示。河湖生態(tài)流量各分項(xiàng)所選擇的計(jì)算方法不同，要求的精細(xì)化程度不同，所需的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)也差異較大?？傮w上看，降水、蒸發(fā)、滲漏以及河湖水體的特征參數(shù)（如面積、水深、水質(zhì)以及生態(tài)系統(tǒng)特征）的可得性與可靠性是影響城市河湖生態(tài)流量計(jì)算合理性的重要因素。

表1 基于綜合功能辨識(shí)的城市河流生態(tài)流量計(jì)算模型輸入輸出與主要參數(shù)

4 案例應(yīng)用

4.1 研究區(qū)域與基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 株洲市位于湖南省東部，湘江中下游，屬于湘江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶，是湖南工業(yè)重鎮(zhèn)、南方交通樞紐，素有“火車(chē)拖來(lái)的城市”之稱(chēng)，享有“中國(guó)電力機(jī)車(chē)的搖籃”和“中國(guó)電力機(jī)車(chē)之都”的美譽(yù)，是湖南省“一點(diǎn)一線”區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶的重要城市，是國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)株潭城市群（“金三角”）的重要組成部分。株洲市地處濕潤(rùn)多雨丘陵區(qū)，河網(wǎng)縱橫、湖庫(kù)密布、水系發(fā)達(dá)，湘江東側(cè)（河?xùn)|）地形破碎復(fù)雜，地勢(shì)高低起伏，分布有湘江的4個(gè)一級(jí)支流，即白石港、建寧港、楓溪港、霞灣港。

基于株洲市區(qū)河湖水系特點(diǎn)，研究確定了河湖生態(tài)流量的31個(gè)主要控制斷面和控制節(jié)點(diǎn)。其中，河流生態(tài)流量斷面21個(gè)（干流為11個(gè)，其余為支流），湖泊控制節(jié)點(diǎn)10個(gè)，如圖3所示。株洲市河湖生態(tài)流量計(jì)算的主要數(shù)據(jù)來(lái)源如下：湖泊、河流長(zhǎng)度、面積與斷面形狀等基礎(chǔ)資料來(lái)自株洲市水利局的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院2016年8月現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的結(jié)果（表2）。河湖滲透系數(shù)來(lái)源于株洲市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院的勘測(cè)結(jié)果，均值為3.0×10-7m/s，其余數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。降雨資料來(lái)源于國(guó)家氣象局株洲站1955—2016年共計(jì)62年逐月資料，降雨產(chǎn)流系數(shù)來(lái)自《株洲市水資源公報(bào)》，蒸發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)源于《株洲統(tǒng)計(jì)年鑒》，如表4所示。

圖3 株洲市河湖生態(tài)流量的控制斷面與控制節(jié)點(diǎn)

表2 株洲市區(qū)河流生態(tài)流量計(jì)算斷面的參數(shù)與輸入數(shù)據(jù)

表3 湖泊濕地多年平均面積與最小生態(tài)水深數(shù)據(jù)

表4 株洲市區(qū)河流主要控制斷面生態(tài)流量過(guò)程線（單位：mm）

4.2 河流生態(tài)需水過(guò)程線、構(gòu)成與變異性 在確定株洲市河湖主要控制斷面和控制節(jié)點(diǎn)多重生態(tài)服務(wù)功能目標(biāo)基礎(chǔ)上，經(jīng)MUSEF模型進(jìn)行長(zhǎng)系列計(jì)算，得到控制斷面與節(jié)點(diǎn)逐月生態(tài)流量過(guò)程線，如表5所示?？梢钥闯觯恿鞲闪鲾嗝嫜雌冢?—9月）的流量總體大于非汛期，以滿足汛期特定生態(tài)服務(wù)功能的要求。支流入江口斷面（以霞灣港為例）生態(tài)流量的過(guò)程線與構(gòu)成如圖4所示?？傮w上，株洲市區(qū)河湖生態(tài)流量主要為非消耗生態(tài)流量，其中最主要的是景觀娛樂(lè)需水，其次是環(huán)境自?xún)袅髁浚斏沉髁?、生態(tài)基流所占比重較小。從生態(tài)流量的過(guò)程檢驗(yàn)看，汛期生態(tài)流量過(guò)程有所優(yōu)化提升，屬偏安全計(jì)算。

表5 株洲市區(qū)河流主要控制斷面生態(tài)流量過(guò)程線（單位：m3/s）

圖4 支流入江口斷面生態(tài)流量構(gòu)成（霞灣港，S41斷面）

河湖生態(tài)流量的月變異系數(shù)反應(yīng)了逐月生態(tài)流量偏離全年尺度月均值的程度，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。這些斷面可分成如下三類(lèi)：（1）“二值型”，即汛期（4—9月）逐月生態(tài)流量基本相同，月變異系數(shù)較大；非汛期（其余月份）逐月生態(tài)流量基本相同，月變異系數(shù)較小，包括14個(gè)斷面（即S1-2，S11，S12，S13，S22，S3-1，S3-4，S3-5，S3-7，S32，S33，S34，S41和 S42）；（2）“一值型”，即汛期、非汛期逐月的生態(tài)流量過(guò)程大致相當(dāng)，基本在月均值附近，如斷面S1-1，S1-3，S3-2，S3-3，S3-6和S31；（3）“分散型”，即逐月的生態(tài)流量過(guò)程不同，如斷面S21，主要原因是湖泊濕地生態(tài)用水所占比重較大，受到湖泊濕地蒸散發(fā)耗水、環(huán)境自?xún)舻仍逻^(guò)程變化的影響，生態(tài)流量逐月過(guò)程有明顯波動(dòng)，具體如圖6所示。

圖5 株洲市區(qū)河流生態(tài)流量的月變異系數(shù)

圖6 株洲河流連接的所有湖泊生態(tài)水量月過(guò)程構(gòu)成

圖7 株洲河流各斷面生態(tài)需水逐月滿足程度

4.3 不同來(lái)水頻率條件下河湖生態(tài)流量保障程度與調(diào)控要求 在多年平均、75%、90%和95%來(lái)水頻率條件下，株洲市各河流斷面生態(tài)流量的總保障程度分別為98.8%、91.7%、79.0%和65.9%，具體斷面保障程度如圖7所示。通過(guò)各種水資源調(diào)控途徑所需增加的河湖生態(tài)流量，在多年平均、75%、90%和95%來(lái)水頻率條件下折合年水量分別為15.6萬(wàn)、333.4萬(wàn)、3975.8萬(wàn)和4335.8萬(wàn)m3。從調(diào)控時(shí)機(jī)看，河湖生態(tài)流量調(diào)控主要分布在非汛期，在多年平均條件下12月需增加生態(tài)流量；在75%來(lái)水頻率條件下2月和12月需增加生態(tài)流量；在90%和95%來(lái)水頻率條件下，1—3月、8—10月和12月需增加生態(tài)流量。從空間分布看，河湖生態(tài)流量所需增加最大的為白石港，其次為楓溪港，建寧港和霞灣港所需增加的生態(tài)流量較少。

5 結(jié)論

研究構(gòu)建了基于綜合功能辨識(shí)的城市河湖生態(tài)流量計(jì)算與保障程度分析模型，可為不同城市的河湖生態(tài)流量的安全保障和健康管理提供科學(xué)基礎(chǔ)。以株洲市區(qū)河湖為案例應(yīng)用的分析結(jié)果表明，在多年平均、75%、90%和95%來(lái)水頻率條件下，株洲市河湖生態(tài)流量的年均保障程度分別為98.8%、91.7%、79.0%和65.9%。在此基礎(chǔ)上，量化提出了所需增加的生態(tài)流量指標(biāo)要求和時(shí)空分布特征。

城市河湖生態(tài)流量隨著河湖水系特征、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的差異化具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況調(diào)查與評(píng)估，對(duì)河流及其關(guān)聯(lián)的湖泊、濕地的水文、水質(zhì)、水生生物多樣性與群落演替（如浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)等）進(jìn)行系統(tǒng)的本底調(diào)查與長(zhǎng)系列的觀測(cè)，為河湖生態(tài)流量的精細(xì)化計(jì)算提供進(jìn)一步支撐。應(yīng)加強(qiáng)河湖生態(tài)流量計(jì)算的參數(shù)不確定性分析，并結(jié)合城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展耗水過(guò)程與趨勢(shì)，綜合考慮再生水、雨水、地表水和地下水，開(kāi)展城市河湖生態(tài)流量的多水源優(yōu)化配置與調(diào)度，為變化環(huán)境下城市河湖生態(tài)流量閾值的定量識(shí)別與動(dòng)態(tài)保障提供決策支持。