劉洪財(cái)，丁曉雯*，蔣 詠，陳慶偉

(1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.江蘇省水資源服務(wù)中心，江蘇 南京 210029；3.水利部水資源管理中心，北京 100053)

從古至今水資源就被視為是人類賴以生存、發(fā)展所必需的生命活動(dòng)物質(zhì)，現(xiàn)在也被視為對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起到控制性的重要因素之一，在“十四五”規(guī)劃中也提出了要提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性的目標(biāo)[1-2]。但長期以來，人們?yōu)榱颂岣咦约旱纳钏剑^度開發(fā)和利用水資源，導(dǎo)致河湖水量減少、河道結(jié)構(gòu)被破壞、湖泊濕地萎縮等一系列水資源和水生態(tài)問題，而解決這些問題關(guān)鍵在于合理的確定河湖生態(tài)水量[3-6]。早在20世紀(jì)40年代，美國就開始了有關(guān)河流生態(tài)水量的研究，并提出了“最小生態(tài)流量”的概念[7]。中國則是從20世紀(jì)70年代才開始對生態(tài)水量進(jìn)行探索研究，現(xiàn)也取得了許多研究成果[8]。但中國對生態(tài)水量的研究主要集中在干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，對濕潤的平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量的研究相對較少[9-12]。而在平原河網(wǎng)地區(qū)，由于人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，生活、生產(chǎn)用水量的增加，導(dǎo)致河流生態(tài)水量減少，在一定程度上影響了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，故現(xiàn)需對平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量進(jìn)行核算與研究，以保證平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定。而研究確定平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量，不僅可以為該區(qū)域水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，而且也可以使該區(qū)域的水資源進(jìn)行更合理配置和優(yōu)化調(diào)度，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 平原河網(wǎng)地區(qū)河流特征分析

中國地勢西高東低，呈階梯狀分布，西部多為山地、高原和盆地，東部多為平原和丘陵；且中國河流眾多，但分布不均勻，河流密度總的趨勢是南方大，北方小，東部大，西部小[13]。這就導(dǎo)致中國東部平原地區(qū)地勢平坦、河流多，河道交織連接呈現(xiàn)為網(wǎng)狀，故將這種地區(qū)統(tǒng)稱為平原河網(wǎng)地區(qū)[14]。平原河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，河道縱橫交錯(cuò)，水量交換關(guān)系紊亂，河道的干支流概念模糊[15]。網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)是平原河網(wǎng)地區(qū)的典型地理特征[16]，而相比樹枝狀的水系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀的水系結(jié)構(gòu)具有相互連通、比降較小、河道相對穩(wěn)定的特點(diǎn)[17]。平原河網(wǎng)地區(qū)的河流所流經(jīng)的區(qū)域大多數(shù)地勢較為平坦，從而導(dǎo)致平原河網(wǎng)地區(qū)中的河流河床較為平緩，起伏不大，坡降處于0.1‰～1.0‰，造成河流水動(dòng)力不足。且上游河道來水進(jìn)入平原河網(wǎng)中后，逐步向平面河網(wǎng)中擴(kuò)散，也使河流中的水動(dòng)力減小[14]。當(dāng)河流中的流速降低到一定程度時(shí)，河水中攜帶的泥沙逐步沉積，形成巨大的堆積層，使水流的流速變得更小?？偠灾?，在平原河網(wǎng)地區(qū)的河流水動(dòng)力較小，從而導(dǎo)致流速緩慢。中國的平原河網(wǎng)地區(qū)大多屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，處于流域下游，有充沛的水資源。網(wǎng)狀的水系結(jié)構(gòu)，使得水量交換頻繁，加上水動(dòng)力的不足，導(dǎo)致平原河網(wǎng)地區(qū)的河流水流流速小，水位變化不顯著，流向隨機(jī)變化不定[15]。

2 平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量的表征方式的確定

目前，對生態(tài)水量的研究對象主要分為河流和湖庫兩大類。一般來說采用生態(tài)流量(m3/s)作為河流生態(tài)水量的表征方式；采用生態(tài)水位(m)作為湖庫生態(tài)水量的表征方式。相關(guān)的研究見表1。

通過第1節(jié)中對平原河網(wǎng)地區(qū)河流特征分析可知，平原河網(wǎng)地區(qū)的河流縱橫交織連接，水流流速緩慢，水流往復(fù)流動(dòng)，水位變化不顯著，流向、流態(tài)隨機(jī)變化不定。若還采用生態(tài)流量表征平原地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)功能所需要的水量及其過程，則難以對核算，更難以對其監(jiān)管和保障。而生態(tài)水位是對湖泊濕地等緩慢或不流動(dòng)水域生態(tài)需水的特定表達(dá)。且由于平原河網(wǎng)地區(qū)河流較多，缺少對每條河流流量的監(jiān)測，加上水流往復(fù)流動(dòng)，對流量的準(zhǔn)確監(jiān)測也較難實(shí)現(xiàn)，而對河流的水位監(jiān)測較為方便可行。因此本文認(rèn)為對于平原河網(wǎng)地區(qū)相對于生態(tài)流量采用生態(tài)水位來表征河流的生態(tài)水量更為合適。

3 通榆河生態(tài)水位的研究

3.1 通榆河概況

通榆河南起南通市九圩港，北至連云港市贛榆縣，全長415 km，是江蘇省江水東引北調(diào)工程的重要組成部分，是繼京杭大運(yùn)河之后江蘇省的第二條南北走向的千噸級(jí)航道。通榆河也是沿海地區(qū)的“清水廊道”，是沿線1 000多萬城鄉(xiāng)居民主要的飲用水源，肩負(fù)著沿海墾區(qū)、渠北地區(qū)供水重任，在沿海發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位[26]。而江蘇省作為中國平原面積占比最高的省份，平原面積占比達(dá)70%；且江蘇省境內(nèi)河湖眾多，水域面積占比達(dá)16.9%，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)[27]。故本文選取江蘇省內(nèi)的通榆河為例，對其里下河區(qū)內(nèi)的阜寧(通)斷面進(jìn)行生態(tài)水位的核算研究，從而為平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量表征方式的研究提供參考依據(jù)，其水文站具體位置及周邊水系見圖1。

3.2 歷年觀測水位分析

通榆河阜寧(通)水文站位于通榆河與射陽河交匯上游，可以監(jiān)測通榆河匯流到射陽河的水量，并且具有較為詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)所獲得的阜寧(通)水文站1988—2019年(無1998—2002年)以廢黃河基面為水位基面的逐日平均水位資料，可以求得歷年311個(gè)月的月平均水位，見圖2，由圖可以看出阜寧(通)斷面的歷年月平均水位較為平緩且有逐漸下降的趨勢。而通榆河阜寧(通)斷面也是江蘇省第一批試行的河湖生態(tài)水位的斷面，所以本研究選擇通榆河阜寧(通)斷面來開展通榆河生態(tài)水位的研究。

圖1 通榆河阜寧(通)水文站周圍骨干河道水系

圖2 歷年月平均水位散點(diǎn)圖

根據(jù)獲取的阜寧(通)水文站逐日平均水位資料計(jì)算得出逐月平均、最高、最低水位，結(jié)果見表2。

由表2可知，通榆河阜寧(通)斷面的逐月月平均水位中7月份的月平均水位最高，為0.90 m；6月份的月平均水位最低，為0.60 m。根據(jù)多年的逐日平均水位資料可知，多年的最高日平均水位是在2006年7月5日達(dá)到的2.38 m，多年的最低日平均水位是在1997年6月29日里下河地區(qū)特大干旱時(shí)出現(xiàn)的-0.84 m，導(dǎo)致通榆河水面降至廢黃河基面以下出現(xiàn)負(fù)水位[28]。6月份的月平均水位最低并且出現(xiàn)了歷年最低水位，這是由于通榆河作為鹽城市農(nóng)業(yè)灌溉主要供水水源，而鹽城又是農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)業(yè)用水占總用水的70%，6月份又是大秧栽插期[29]，農(nóng)業(yè)用水的增加而導(dǎo)致河流的水位已經(jīng)無法滿足河流生態(tài)系統(tǒng)最低生態(tài)水位的需求，故需對通榆河最低生態(tài)水位進(jìn)行確定，以保證通榆河生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

根據(jù)表2的逐月平均水位序列計(jì)算其均值、均方差、變差系數(shù)。經(jīng)計(jì)算可得多年平均水位為0.73 m，均方差為0.08 m，變差系數(shù)為0.11，表明通榆河阜寧(通)斷面各月的月平均水位在多年平均水位兩旁分布比較集中，其離散程度小，月平均水位變化不大。由3個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)也反映出了通榆河阜寧(通)斷面具有平原河網(wǎng)地區(qū)水位變化不顯著的特征，故采用生態(tài)水位來反映阜寧(通)斷面及通榆河的生態(tài)水量是比較適宜的。

表2 阜寧(通)逐月平均、最高、最低水位 單位：m

3.3 阜寧(通)斷面生態(tài)水位的計(jì)算方法

河湖生態(tài)水位的計(jì)算方法有近10年最枯月平均水位法、排頻法、湖泊形態(tài)分析法、濕周法、生物空間法等[30]。近10年最枯月平均水位法和排頻法是傳統(tǒng)的水文學(xué)方法，需要根據(jù)歷年實(shí)測水位還原為天然水位，而平原河網(wǎng)中的河流由于水量交換關(guān)系紊亂，且目前通榆河幾乎完全受人工調(diào)控，已經(jīng)無法對其水位進(jìn)行還原計(jì)算，故近10年最枯月平均水位法和排頻法無法用于計(jì)算阜寧(通)斷面的生態(tài)水位；湖泊形態(tài)分析法適用于計(jì)算湖泊的生態(tài)水位，而不適用于計(jì)算河流的生態(tài)水位；濕周法和生物空間法是根據(jù)河流的大斷面資料和各類生物資料進(jìn)行生態(tài)水位的計(jì)算，無需對歷年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行還原計(jì)算，且也適用于計(jì)算河流的生態(tài)水位，故本文選取濕周法和生物空間法來計(jì)算通榆河阜寧(通)斷面的生態(tài)水位。

3.3.1濕周法

濕周法是利用濕周作為水生物棲息地指標(biāo)，通過采集河道的尺寸及對應(yīng)的水位數(shù)據(jù)，分析濕周與水位之間的關(guān)系，建立濕周-水位的關(guān)系曲線[30]。濕周法也是水力學(xué)法中最常用的方法，只要選取的斷面穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果基本不受人們活動(dòng)的影響。在水位濕周關(guān)系穩(wěn)定情況下，河道斷面的濕周通常會(huì)隨著水位的增加而逐漸增加，但濕周大于某臨界值時(shí)，隨著水位的增加濕周變化緩慢。從生態(tài)學(xué)角度看，這就是意味著當(dāng)水位大于這一臨界值，生物群落對水位的變化不敏感；小于這一臨界值時(shí)，生物群落對水位的變化較為敏感[31]。為保證河流的正常生態(tài)功能，河道至少應(yīng)維持這一臨界水位，也就是最低生態(tài)水位。確定濕周水位關(guān)系的這一臨界點(diǎn)傳統(tǒng)方法有曲率法和斜率法[32]；或選取河流多年平均水位作為基準(zhǔn)點(diǎn)，其對應(yīng)的濕周為R，將該濕周R的80%時(shí)對應(yīng)的水位作為河道的最低生態(tài)水位[30]。

3.3.2生物空間法

生物空間法是基于河流各類生物對生存空間的需求來確定河流的最低生態(tài)水位。該需求不是各種生物生存最小空間的疊加，而是取生物生存最小空間的最大值[30]。其最低生態(tài)水位可采用式(1)計(jì)算：

(1)

河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)有多類生物，主要包括：魚類、藻類、浮游植物、浮游動(dòng)物、水生植物和底棲動(dòng)物等[33-35]。而將河道內(nèi)所有生物所需的最小生存空間全部確定較為困難，也較為難以實(shí)現(xiàn)。因此，選擇河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的指示生物作為關(guān)鍵物種，認(rèn)為指示生物的生存空間得到滿足，其他生物的最小生存空間也得到滿足。與其他的類群相比，魚類作為河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的頂級(jí)群落，對其他類群的存在有著重要作用，加之魚類對生存空間最為敏感，故將魚類作為指示生物[36-37]。其最低生態(tài)水位采用式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Heminf=H0+Hf

(2)

式中Heminf——魚類所需的河流最低生態(tài)水位，m；H0——河底高程，m；Hf——魚類生存所需的最小水深，m。

4 計(jì)算結(jié)果與合理性分析

4.1 濕周法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)阜寧(通)站實(shí)測大斷面資料，繪制出的大斷面見圖3，由圖可知河流的斷面形狀為拋物線形。利用實(shí)測大斷面資料計(jì)算不同水位下對應(yīng)的濕周，然后得到水位-濕周關(guān)系曲線，見圖4。

圖3 阜寧(通)站大斷面

圖4 阜寧(通)站水位-濕周關(guān)系曲線

研究表明，曲率法在某些斷面情況下得到的濕周偏小，而斜率法中斜率的選取受坐標(biāo)尺度的影響，存在較大的不確定性[38]。故本文選取濕周R的80%對應(yīng)的水位為濕周法求得的生態(tài)水位[30]。由3.2節(jié)可知阜寧(通)站的多年平均水位為0.73 m，根據(jù)圖4可知，對應(yīng)的濕周R=48.65 m，而濕周R的80%對應(yīng)的水位為0.20 m。故0.20 m為濕周法所求的最低生態(tài)水位。

4.2 生物空間法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖3可知，通榆河阜寧(通)斷面的河底高程為-2.60 m。通榆河的典型魚類以草魚、鯉魚、鰱魚、鯽魚為主[34]。對于魚類而言，不同種類的魚對水深的要求也不同，其中鰱魚是上層典型魚類，適宜生存水深為1.50 m；草魚、鯉魚和鯽魚是中下層典型魚類，適宜生存水深為1.00 m[35]。而河流也作為魚類洄游的重要通道，其河道斷面的最大水深必須滿足魚類洄游的需要。國內(nèi)外對魚類洄游通道的研究表明，其所需的最小水深約是魚類體高的3倍[37,39]。但由于缺乏魚類體高資料，故對其所需的最大水深進(jìn)行粗估，取通榆河魚類體高為30 cm，則魚類通道所需水深為0.90 m[40]。綜上，魚類生存所需的最小水深為1.50 m，利用式(2)計(jì)算可得魚類所需的河流最低生態(tài)水位為-1.10 m。

4.3 阜寧(通)斷面最低生態(tài)水位推薦值及合理性分析

根據(jù)上述2種方法的計(jì)算結(jié)果可知，其中濕周法和生物空間法所求的最低生態(tài)水位值分別為0.20、-1.10 m。通過從不同的角度對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，見表3，本文認(rèn)為濕周法求得的0.20 m為通榆河阜寧(通)斷面最終的推薦值較為合適。

在2019年，江蘇省水利廳為了進(jìn)一步加強(qiáng)河湖水資源的統(tǒng)一管控，加強(qiáng)水量合理分配，強(qiáng)化河湖生態(tài)水位監(jiān)測和預(yù)警，明確了通榆河等河流及寶應(yīng)湖等湖庫在內(nèi)的江蘇省第一批河湖生態(tài)水位要求，并發(fā)布了《省水利廳關(guān)于發(fā)布我省第一批河湖生態(tài)水位(試行)的通知》(蘇水資〔2019〕14號(hào))。該文件要求通榆河阜寧(通)控制斷面的最低生態(tài)水位為0.20 m。將本文對通榆河阜寧(通)站最低生態(tài)水位的計(jì)算結(jié)果與江蘇省水利廳發(fā)布的文件中規(guī)定的通榆河阜寧(通)斷面的最低生態(tài)水位對比，發(fā)現(xiàn)本文的計(jì)算結(jié)果與文件中規(guī)定值相等。且考慮到今后的工農(nóng)業(yè)節(jié)水和生態(tài)環(huán)境的改善，本研究提出的最低生態(tài)水位的推薦值也較為合理。由此證明本文采用生態(tài)水位來表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量的方式是合適的，采用濕周法和生物空間法來計(jì)算最低生態(tài)水位也是可靠的，最終確定的推薦值也是科學(xué)可信的。

表3 最低生態(tài)水位推薦值分析

5 結(jié)語

通過分析平原河網(wǎng)地區(qū)河流特征分析以及國內(nèi)對生態(tài)水量的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)生態(tài)流量不適合用于表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量?；谄皆泳W(wǎng)地區(qū)河流的水流流速緩慢、水位變化不顯著、水流往復(fù)流動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合中國目前水文觀測現(xiàn)狀，提出利用生態(tài)水位來表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量更為合適。選取平原河網(wǎng)地區(qū)的通榆河為例，用濕周法、生物空間法對其阜寧(通)斷面的最低生態(tài)水位進(jìn)行了計(jì)算分析，最終提出其最低生態(tài)水位推薦值為0.20 m。與江蘇省水利廳印發(fā)的《省水利廳關(guān)于發(fā)布我省第一批河湖生態(tài)水位(試行)的通知》(蘇水資〔2019〕14號(hào))中對通榆河阜寧(通)斷面最低生態(tài)水位規(guī)定值的對比，表明：本文提出的用生態(tài)水位來表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量及計(jì)算結(jié)果合理可靠，從而為通榆河今后的生態(tài)水量的確定與保障提供參考依據(jù)，也為平原河網(wǎng)地區(qū)的河流管理與水量調(diào)度提供了新的思路。