小清河（東營(yíng)段）關(guān)鍵功能組構(gòu)建與生態(tài)需水估算

張乃鵬張惠潼于志強(qiáng)孫 崇

小清河發(fā)源于濟(jì)南市睦里莊，是一條具有防洪、排澇、灌溉、航運(yùn)、景觀等多功能的人工運(yùn)河。小清河尾閭地區(qū)東營(yíng)市所處黃河三角洲是東北亞內(nèi)陸和環(huán)西太平洋鳥類遷徙重要的中轉(zhuǎn)站、越冬棲息地和繁殖地，維持小清河必需的河道內(nèi)生態(tài)需水對(duì)保護(hù)生態(tài)平衡具有重要意義。

一、小清河流域水文情勢(shì)

小清河（東營(yíng)段）地處中緯度，背陸面海，受亞歐大陸和西太平洋共同影響，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，基本氣候特征為冬寒夏熱，四季分明。小清河（東營(yíng)段）地處華北坳陷區(qū)之濟(jì)陽(yáng)坳陷東端，地勢(shì)沿黃河走向自西南向東北傾斜。微地貌有5種類型：古河灘高地、河灘高地、微斜平地、淺平洼地以及海灘地。土壤分為褐土、砂姜黑土、潮土、鹽土及水稻土五個(gè)類別。小清河（東營(yíng)段）是我國(guó)東部沿海地區(qū)受人為干擾少、生態(tài)環(huán)境自然屬性顯著的地區(qū)，擁有我國(guó)暖溫帶最年輕、最完整、最典型、面積最大的濕地生態(tài)系統(tǒng)—黃河三角洲。

區(qū)域生物多樣性較高，特別是鳥類，種類多樣性和珍稀性價(jià)值都很高。小清河尾閭東營(yíng)市別稱石油之城、生態(tài)之城、東方濕地之城，有豐富的石油、天然氣資源、海洋資源。多年平均水資源總量5.32億m3，人均水資源量為全國(guó)的11%。其中地表水資源量為4.47億m3，多集中在夏季，大部分排入海洋，利用率較低。小清河是魯中地區(qū)一條重要的排水河道，兼顧兩岸農(nóng)田灌溉、內(nèi)河航運(yùn)、生態(tài)等綜合利用的河道，是全國(guó)5條重要的國(guó)防戰(zhàn)備河道之一。

根據(jù)2011～2013年小清河（東營(yíng)段）典型斷面——石村站水文數(shù)據(jù)，對(duì)該流域基本水文特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：時(shí)間上，夏秋季水位高于春冬季，降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期的7～9月，占全年降水量的50%～70%；大斷面全年基本無變化。流速在小于某閾值的時(shí)候，流速越小斷面面積越大；超過該范圍后，流速越大，斷面面積也就越大。這與流速—水位的關(guān)系相對(duì)應(yīng)，而河床情況變化不大的情況下，斷面面積與水位呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

二、典型斷面水生態(tài)采樣

以小清河（東營(yíng)段）為研究對(duì)象，在分析目前水質(zhì)、生態(tài)空間分布的基礎(chǔ)上，劃定了石村站具有典型意義的采樣斷面，于2014年5月、8月、11月份分別進(jìn)行了三次生態(tài)監(jiān)測(cè)與調(diào)查（包括底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、浮游植物、魚類），采集了水生態(tài)系統(tǒng)信息，為下一步遴選關(guān)鍵功能組奠定了基礎(chǔ)。

通過采樣分析可知，石村站浮游植物生物多樣性較好，5月多樣性指數(shù)為 3.25，8 月為 3.91，11 月為 3.59；物種組成方面全年以綠藻為主，其次為硅藻。浮游動(dòng)物生物多樣性一般，季節(jié)差異明顯，5月多樣性指數(shù)為1.38，8 月為 1.23，11 月為 2.15；物種組成方面5月以輪蟲為主，8月以枝角類為主，11月橈足類最多，年內(nèi)變化明顯。底棲動(dòng)物多樣性一般，5月、8月、11月底棲動(dòng)物生物多樣性分別為1.80、2.81、1.18；物種組成 5 月以搖蚊、水絲蚓、螺類為主，8月、11月腹足綱、軟甲綱生物居多。魚類多樣性較差，發(fā)現(xiàn)物種較少，5月未發(fā)現(xiàn)魚類，8月物種數(shù)較多，多樣性指數(shù)1.1，11月發(fā)現(xiàn)魚類5種，多樣性指數(shù)1.48。

三、典型斷面關(guān)鍵功能組構(gòu)建

模型的構(gòu)建是篩選關(guān)鍵功能組成員至關(guān)重要的一環(huán)，該研究中采用Ecopath模型來進(jìn)行關(guān)鍵物種的篩選。在構(gòu)建模型過程中，需要輸入一些基本的參數(shù)，包括功能組的定義、生物量、生產(chǎn)量、每個(gè)功能組的食物組成等，通過這些輸入?yún)?shù)，Ecopath才能進(jìn)行能量流動(dòng)層次上的能量關(guān)系的構(gòu)建。因此，首先需要構(gòu)建Ecopath關(guān)于三次采樣的三個(gè)模型，即2014年5月、8月、11月三個(gè)模型。

在構(gòu)建模型時(shí)，第一步是定義功能組，這里所說的功能組是指在生態(tài)系統(tǒng)中功能和結(jié)構(gòu)上相近的物種的集合，在一些大型水生生態(tài)系統(tǒng)的模型構(gòu)建時(shí)甚至可以按物種的不同年齡來定義為不同的功能組。Ecopath模型要求最少定義12個(gè)功能組（不包括碎屑組）。根據(jù)采樣所得物種種類分別定義三次采樣的功能組，然后根據(jù)采樣所得數(shù)據(jù)填入基本輸入數(shù)據(jù)。按照實(shí)際調(diào)查中小清河（東營(yíng)段）生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)有生物群落結(jié)構(gòu)特征定義了功能組，在定義功能組時(shí)將其分為生產(chǎn)者、消費(fèi)者等類別。需要注意的是每個(gè)模型中均需定義至少一個(gè)碎屑組，至少一個(gè)生產(chǎn)者功能組，從而為其他更高級(jí)（如果存在）物種提供能力輸入。由于Ecopath模型中所有的操作都是基于功能組的，故功能組的定義是下一步計(jì)算的基礎(chǔ)。

通過對(duì)小清河流域水生態(tài)系統(tǒng)典型斷面采樣所得數(shù)據(jù)，構(gòu)建小清河流域 5月、8月、11月三個(gè) Ecopath模型，計(jì)算關(guān)鍵度指數(shù)（Keystoneness），識(shí)別小清河水生態(tài)系統(tǒng)中不同層次的關(guān)鍵功能組成員。關(guān)鍵功能組成員為：魚類有青鳉、餐（音）、泥鰍（包括大鱗副泥鰍）、鯽。底棲動(dòng)物有水絲蚓、秀麗白蝦。浮游動(dòng)物為原生動(dòng)物，浮游植物為裸藻、隱藻、黃藻。

四、河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算

1.生態(tài)水位的確定

對(duì)于產(chǎn)粘性卵的魚類來說，水位對(duì)其卵的存活起著至關(guān)重要的因素，若水位降至魚卵所在高程以下，會(huì)導(dǎo)致所產(chǎn)的卵失水而死。因此計(jì)算生態(tài)需水需要考慮流速和水位兩方面的因素。對(duì)于生態(tài)水位的確定，在考慮魚類對(duì)環(huán)境的適應(yīng)情況下，利用2013年產(chǎn)卵期的平均水位作為生態(tài)水位。小清河（東營(yíng)段）關(guān)鍵魚類產(chǎn)卵期主要集中在4～7月，則按下式：

計(jì)算出石村生態(tài)水位為3.36m。非產(chǎn)卵期則不考慮水位的影響，僅僅考慮水流對(duì)生態(tài)需水量的影響。在生態(tài)水力半徑法的計(jì)算過程中，利用水位和流速分別算出一組生態(tài)需水量。在產(chǎn)卵期，如果利用水位計(jì)算出的生態(tài)流量大于利用流速計(jì)算出的，則說明流速達(dá)到關(guān)鍵魚類的需求時(shí)，水位并沒有達(dá)到要求，為了滿足所有關(guān)鍵魚類的需求，就必須按照水位來進(jìn)行計(jì)算，即取通過水位計(jì)算出的流量和流速計(jì)算出的流量中較大的一個(gè)作為生態(tài)需水。非產(chǎn)卵期則無需考慮水位要求。

2.生態(tài)需水估算

前面已經(jīng)完成了對(duì)指標(biāo)物種的篩選，構(gòu)建了小清河流域關(guān)鍵功能組。在生態(tài)系統(tǒng)中各種生物對(duì)水量的需求不同，而此時(shí)生態(tài)需水的總量不可能僅僅是各種物種需求的簡(jiǎn)單加和，這樣如何對(duì)各物種的需求進(jìn)行耦合就成了一個(gè)問題。在前面對(duì)于關(guān)鍵功能組研究的基礎(chǔ)上，綜合利用優(yōu)勢(shì)度模型方法，進(jìn)行不同生物對(duì)流速需求的耦合，并考慮到魚類卵的發(fā)育的水位需求，運(yùn)用改進(jìn)后的生態(tài)水力半徑法結(jié)合歷年水位、流速、大斷面等水文資料來進(jìn)行小清河流域生態(tài)需水的計(jì)算。關(guān)鍵功能組成員生態(tài)需水量計(jì)算見表1。

3.生態(tài)需水驗(yàn)證與分析

Tennant法認(rèn)為多年平均天然徑流量的10%為保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量，多年平均天然徑流量的30%保證率能為大多數(shù)水生生物提供較好的棲息地條件。本文計(jì)算得到小清河（東營(yíng)段）魚類非產(chǎn)卵期流量為3.47 m3/s，分別對(duì)應(yīng)Tennant法非產(chǎn)卵期一般情況；產(chǎn)卵期流量為37.38m3/s，對(duì)應(yīng)Tennant法非產(chǎn)卵期最佳三種情況。將實(shí)際流量與生態(tài)需水量進(jìn)行比較，可以得到小清河（東營(yíng)段）生態(tài)需水滿足率。

表1 小清河（東營(yíng)段）逐月生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果表（單位：m3/s）

石村斷面在4月、5月生態(tài)需水不能得到完全滿足，也就是說這個(gè)斷面在關(guān)鍵魚類的產(chǎn)卵期不能完全滿足生態(tài)需水量要求，容易對(duì)小清河（東營(yíng)段）關(guān)鍵魚類繁衍造成負(fù)面影響。

五、結(jié)論

該項(xiàng)目基于小清河（東營(yíng)段）典型斷面石村站的水生態(tài)系統(tǒng)采樣，包括魚類、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物等，基于水生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈模型，耦合水生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和棲息地指數(shù)，識(shí)別得到了適合小清河流域氣候與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵功能組，并開展了生態(tài)需水計(jì)算與分析，為小清河沿岸水生態(tài)健康與社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供了重要科學(xué)依據(jù)■

圖1 石村斷面生態(tài)需水滿足率圖