徐鶴，繆萍萍，王立明，顧宏霞

（1.海河水利委員會(huì)水資源保護(hù)科學(xué)研究所，天津 300170；2.天津市碧波環(huán)境資源開發(fā)有限公司，天津 300102）

永定河是貫穿京津冀生態(tài)功能區(qū)的天然走廊，是京津冀主要功能區(qū)的主軸，也是傳承京津冀晉深厚歷史文化的載體。洋河作為永定河的兩大重要支流之一，全長(zhǎng)101 km，流域面積約1.55萬km2，上源有東洋河、西洋河、南洋河等河流，在河北省懷安縣柴溝堡附近匯合后稱為洋河。洋河流經(jīng)河北省張家口市懷安、萬全、宣化、下花園、懷來等區(qū)縣，沿線有清水河、盤腸河、龍洋河等支流匯入。東洋河上建有友誼水庫。洋河流域地跨內(nèi)蒙古、山西和河北3?。ㄗ灾螀^(qū)），面積分別占流域面積比例為18%、18%、64%。洋河水系分布情況，如圖1所示。

圖1 洋河水系示意

保障生態(tài)環(huán)境需水量，是恢復(fù)河流生態(tài)功能、提升河湖生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性、復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、水利部、國(guó)家林業(yè)局聯(lián)合印發(fā)的《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》[1]，洋河作為永定河水系山區(qū)段重要綠色生態(tài)河流廊道，應(yīng)維持良好生態(tài)環(huán)境功能，隨著自然修復(fù)步入良性循環(huán)、流域節(jié)水水平提高以及地下水位回升，將恢復(fù)成為“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，再現(xiàn)河道清水長(zhǎng)流、湖泊蕩漾漣漪、沿岸綠樹連綿、城鄉(xiāng)山川相融的自然山水風(fēng)貌。

1 洋河河流廊道構(gòu)建目標(biāo)及生態(tài)需水內(nèi)涵

洋河河流廊道的生態(tài)需水核算按照高質(zhì)量發(fā)展復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的新要求，結(jié)合水系生態(tài)功能定位，按照“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”的廊道構(gòu)建目標(biāo)和復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境要求，依據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（SL/T 712-2021），從尊重生態(tài)系統(tǒng)自然規(guī)律、維系水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的角度出發(fā)，結(jié)合洋河流域水文特性及水資源狀況，綜合考慮生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，核算洋河綠色河流廊道的生態(tài)需水量。

根據(jù)河流廊道恢復(fù)目標(biāo)，確定河流生態(tài)服務(wù)功能，從而提出相應(yīng)的生態(tài)流量要求，具體分析如下：

河流廊道要滿足“流動(dòng)的河”的目標(biāo)，需要保障生態(tài)基流，保持河流縱向聯(lián)通性，同時(shí)提高輸水效率，發(fā)揮供水及河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境維持功能。

河流廊道要滿足“綠色的河”的目標(biāo)，生態(tài)敏感期應(yīng)保持河流橫向連通性和豎向流通性，滿足涉水的陸生、水生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)需水要求，恢復(fù)河岸植被帶，發(fā)揮河岸帶濕地生態(tài)環(huán)境維持功能。

河流廊道要滿足“清潔的河”的目標(biāo)，應(yīng)保障生態(tài)基流，維持河流一定的水環(huán)境容量，發(fā)揮水質(zhì)凈化功能，維持和改善河流水質(zhì)，滿足河道水功能區(qū)目標(biāo)要求，提高水質(zhì)凈化服務(wù)功能。

河流廊道要滿足“安全的河”的目標(biāo)，生態(tài)流量應(yīng)控制在堤防防洪能力以下，滿足流域規(guī)劃的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保障防洪安全。

綜上，洋河構(gòu)建河流廊道實(shí)現(xiàn)“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”的目標(biāo)，河流生態(tài)需求應(yīng)包含以下組分：反映天然水文節(jié)律并維持縱向及豎向連通的生態(tài)基流、生態(tài)敏感期滿足陸生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)并維持橫向連通的生態(tài)需水、生態(tài)敏感期滿足水生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的生態(tài)需水、城市河段滿足景觀蓄水及水體凈化功能的生態(tài)需水。生態(tài)需水組分的外包值同時(shí)滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求可作為構(gòu)建洋河生態(tài)河流廊道的生態(tài)需求量。

2 核算方法

2.1 Tennant法

Tennant法是常見的水文學(xué)方法。依據(jù)歷史水文資料建立的流量（徑流量）與河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，采用歷史天然流量資料，通過設(shè)定不同生態(tài)環(huán)境狀況等級(jí)，確定年內(nèi)不同時(shí)段的生態(tài)環(huán)境需水量[2]。河道內(nèi)不同生態(tài)環(huán)境狀況與流量對(duì)應(yīng)情況，詳見表1[3]。

表1 河道內(nèi)不同生態(tài)環(huán)境狀況與流量對(duì)應(yīng)情況 %

2.2 水量平衡法

水量平衡法通過計(jì)算維持一定水面面積的河湖蓄水量來計(jì)算河湖生態(tài)需水。通過分析研究范圍內(nèi)輸入、輸出項(xiàng)的平衡關(guān)系，采用水量平衡法進(jìn)行計(jì)算，即[3]：

式中：Wz為河湖生態(tài)需水量（m3）；F為河湖水面面積（km2）；EZ為河湖計(jì)算面積水面蒸發(fā)需水量（m3/km2）；P為多年平均降水量（m3/km2）；T為植物蒸散發(fā)需水量（m3）；G為土壤滲漏需水量（m3）；W0為維持一定水面面積的蓄水量（m3）；Q0為河湖連通情況下的流出水量（m3）；Qi為河湖連通情況下的流入水量（m3）。

2.3 敏感期生態(tài)需水計(jì)算方法

敏感期生態(tài)需水依據(jù)濕周法構(gòu)建流量與水力要素間的關(guān)系。通過構(gòu)建一維水動(dòng)力學(xué)模型，模擬不同流量情況下洋河友誼水庫以下河段水力要素變化。

（1）濕周法。濕周法是水力學(xué)法中最常用的方法，利用濕周作為水生生物棲息地指標(biāo)，通過收集水生生物棲息地的河道尺寸及對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，分析濕周與流量之間的關(guān)系，建立濕周-流量的關(guān)系曲線。濕周法以淺灘斷面濕周-流量曲線上的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為生態(tài)需水量建議值，但由于河流實(shí)際斷面的濕周流量-曲線很少只有一個(gè)拐點(diǎn)，多數(shù)是多個(gè)拐點(diǎn)或者沒有明顯的拐點(diǎn)，人為確定拐點(diǎn)往往會(huì)有較大的偏差，目前推薦使用的生態(tài)環(huán)境需水量獲取方法是選取濕周-流量過程曲線的斜率為1或者曲率最大處的點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量作為河道的生態(tài)需水量，一般情況下可選擇斜率為1的點(diǎn)作為拐點(diǎn)[3]。濕周-流量關(guān)系，如圖2所示。

圖2 濕周-流量關(guān)系

（2）模型概化。本次模擬河段為洋河友誼水庫以下162 km河段。上邊界為友誼水庫水文站，設(shè)置為流量邊界類型；下邊界為洋河出口斷面，設(shè)置為水位流量關(guān)系邊界類型，通過曼寧公式結(jié)合地形資料構(gòu)建出口斷面水位流量關(guān)系。

模擬河道地形數(shù)據(jù)來自研究洋河河道綜合整治工程實(shí)測(cè)資料，典型斷面如圖3所示。

圖3 研究河段橫斷面示意

（3）水流數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解。在模型概化的基礎(chǔ)上，基于圣維南方程組構(gòu)建了研究河段描述水流的數(shù)學(xué)模型[4]，見式（2），利用有限差分法進(jìn)行求解：

式中：Q為流量（m3/s）；A為斷面面積（m2）；q為源匯項(xiàng)（m2/s）；α為流速垂向分布修正系數(shù)；h為水位（m）；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑（m）；g為重力加速度（m/s2）；h1和q1為邊界水位（m）和流量（m3/s）；h0和q0為初始水位（m）和流量（m3/s）；ζ為邊界。

謝才系數(shù)C與過水?dāng)嗝嫘螤?、壁面粗糙度以及雷諾數(shù)等因素有關(guān)，常用曼寧公式表示：

式中：n為糙率，是度量壁面粗糙對(duì)水流影響的無量綱系數(shù)，天然河道的糙率取值一般在0.01～0.1，根據(jù)河道斷面形態(tài)及附著物，選取適宜的參數(shù)[5]，河道經(jīng)整治后主河槽糙率為0.025、灘地糙率為0.035。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 采用Tennant法計(jì)算生態(tài)基流結(jié)果

洋河主要為山區(qū)段河流，選取Tennant法計(jì)算河流生態(tài)基流。河湖生態(tài)流量計(jì)算采用天然徑流系列，對(duì)于人類活動(dòng)干擾較大的河流水系，應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)徑流系列進(jìn)行還原計(jì)算，本次計(jì)算數(shù)據(jù)采用水資源第三次調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，并根據(jù)水資源公報(bào)進(jìn)行系列延長(zhǎng)。

根據(jù)規(guī)范，對(duì)于水資源短缺、用水緊張地區(qū)河流，基本生態(tài)流量取值范圍可在“良好”的分級(jí)之下取值。因此，結(jié)合新時(shí)期高質(zhì)量發(fā)展復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的新要求下河流生態(tài)廊道構(gòu)建的需求，選取豐水時(shí)段多年平均天然徑流量的40%、枯水時(shí)段多年平均天然徑流量的20%作為基本生態(tài)環(huán)境需水量，對(duì)應(yīng)于生態(tài)環(huán)境狀況等級(jí)為“良好”。逐月生態(tài)基流過程計(jì)算結(jié)果如圖4所示，洋河流域控制站響水堡全年平均基流量2.04 m3/s，年基本生態(tài)需水量0.64億m3。

圖4 Tennant法計(jì)算逐月生態(tài)基流過程

3.2 城市河段維持生態(tài)水面的生態(tài)水量計(jì)算結(jié)果

洋河沿線分布有47.7 km的城市景觀河道，其中張家口市區(qū)和花園區(qū)段城市河段的長(zhǎng)度分別為38.5、9.2 km。城市景觀河段均為渠化的城市河道，布置斷面為矩形斷面，水面寬140～500 m，河道常年通過梯級(jí)橡膠壩蓄水維持一定的景觀水面。由于水面蒸散發(fā)耗水，因此需要補(bǔ)充一定的水量。根據(jù)水量平衡法，計(jì)算洋河各月城市景觀河段的蒸發(fā)量和各月需水，洋河全年蒸發(fā)量1712 mm，整個(gè)城市景觀河段的全年蒸發(fā)需水量為2020萬m3，年內(nèi)過程如圖5所示。

圖5 水量平衡法計(jì)算維持城市景觀蓄水的生態(tài)流量過程

3.3 敏感期生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

通過模型模擬得到洋河各斷面濕周-流量曲線關(guān)系，如圖6所示。

圖6 研究河段濕周-流量關(guān)系

河岸帶植被主要分布在鄉(xiāng)村河道主河槽岸坡及一級(jí)灘地上，植被萌發(fā)季節(jié)為3—4月份，該時(shí)期河道需有一次漲水過程，促使植被敏感區(qū)有加大的過水面積，為沿河濕地充分補(bǔ)水。因此，根據(jù)濕周法建立的濕周與流量的關(guān)系，結(jié)合河道斷面形態(tài)，可安排3月份下旬為維持河岸帶濕地植被萌發(fā)所需的流量為10 m3/s，持續(xù)時(shí)間約10 d。

魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級(jí)群落，是水生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是水體生態(tài)完整性的重要指標(biāo)，也是生物多樣性的重要組成部分。根據(jù)對(duì)魚類群落組成和魚類群落空間格局特征的分析，結(jié)合咨詢專家給出的建議以及文獻(xiàn)調(diào)研分析，確定洛氏鱥作為洋河流域生態(tài)需水研究的指示性目標(biāo)魚類物種。洛氏鱥水深需求為0.1～2 m，流速需求為0.1～1.2 m/s。其中，洋河城市段為渠化河道，均為近似矩形的斷面，由梯級(jí)橡膠壩組成，水面較寬，難以長(zhǎng)時(shí)間維持較大流速，因此只考慮鄉(xiāng)村溪流河道魚類生態(tài)環(huán)境需求。因此，洛氏鱥繁殖期4—7月期間安排河道平均流速不低于0.65 m/s，水深需求不低于0.5 m，結(jié)合濕周法建立的一維水動(dòng)力學(xué)模型，要滿足鄉(xiāng)村溪流河段4—7月魚類生態(tài)環(huán)境需求的生態(tài)流量為不低于3.5 m3/s。

3.4 洋河生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

按照高質(zhì)量發(fā)展復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的新要求，結(jié)合“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”河流廊道構(gòu)建目標(biāo)，綜合考慮生態(tài)基流、維持城市景觀生態(tài)蓄水功能、陸生及水生生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的敏感期生態(tài)需水要求，確定洋河年生態(tài)需水量為0.97億m3。其中，維持河流生態(tài)基流量0.64億m3，維持城市景觀生態(tài)蓄水功能需水0.2億m3，在基流量不滿足生態(tài)保護(hù)目標(biāo)敏感期生態(tài)需水的情況下，將二者最大值作為敏感期生態(tài)需水。計(jì)算結(jié)果詳見表2，如圖7所示。

表2 洋河逐月生態(tài)需水過程

圖7 洋河逐月生態(tài)基流及生態(tài)需水過程

3.5 近2 a生態(tài)水量滿足情況分析

收集2020、2021年響水堡斷面逐月徑流量，分析生態(tài)水量滿足情況。近2 a，年生態(tài)需水量滿足需求，但個(gè)別月份不滿足生態(tài)基流過程。其中，2020年6—8月不滿足生態(tài)基流需求，4—5月達(dá)不到生態(tài)需水要求；2021年6—8月不滿足生態(tài)基流需求，5月達(dá)不到生態(tài)需水要求。洋河2020、2021年逐月徑流與生態(tài)需水過程，如圖8所示。

圖8 洋河2020、2021年逐月徑流與生態(tài)需水過程

4 結(jié)論與討論

（1）洋河是永定河重要的兩大支流之一，保障其生態(tài)環(huán)境需水量是構(gòu)建洋河綠色生態(tài)河流廊道的基礎(chǔ)，有利于促進(jìn)永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)進(jìn)展，復(fù)蘇永定河生態(tài)環(huán)境。對(duì)洋河生態(tài)環(huán)境需水量核算，按照高質(zhì)量發(fā)展要求，結(jié)合《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》的“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”廊道構(gòu)建目標(biāo)，選取Tennant法、水量平衡法、濕周法等分析洋河生態(tài)需水量。

（2）采用Tennant法計(jì)算洋河生態(tài)基流，選取豐水時(shí)段多年平均天然徑流量的40%、枯水時(shí)段多年平均天然徑流量的20%作為基本生態(tài)環(huán)境需水量，響水堡全年平均基流量2.04 m3/s，年基本生態(tài)需水量0.64億m3；采用水量平衡法，核算洋河各月城市景觀河段的蒸發(fā)量和各月需水，洋河全年蒸發(fā)量1712 mm，整個(gè)城市景觀河段的全年蒸發(fā)需水量為2020萬m3；采用濕周法，結(jié)合一維水動(dòng)力學(xué)模型，選取洛氏鱥作為洋河流域生態(tài)需水研究的指示性目標(biāo)物種，同時(shí)考慮河岸帶濕地植被萌發(fā)，核算敏感期生態(tài)需水，主要集中在3—7月；利用外包值法確定最終洋河年生態(tài)需水量為0.97億m3。

（3）對(duì)近2 a流域控制站響水堡斷面生態(tài)水量滿足情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，年徑流量滿足生態(tài)需水要求，但個(gè)別月份達(dá)不到生態(tài)基流或生態(tài)需水過程要求。為提高生態(tài)需水過程滿足度，建議通過洋河上游友誼水庫、洋河水庫等水利工程調(diào)度，調(diào)整各月河道徑流量以滿足生態(tài)蓄水過程。