玉符河干流生態(tài)適宜流量與生態(tài)補(bǔ)水效應(yīng)分析

徐 震，趙進(jìn)勇，李慶國，董亞楠

(1.濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038)

人類活動(dòng)對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)有著巨大的擾動(dòng)作用，特別是隨著社會(huì)的發(fā)展，沿河修建大量的水利工程以滿足對(duì)水資源的需求，嚴(yán)重影響了河流的形態(tài)及功能，造成了生態(tài)系統(tǒng)的破壞[1-3]。河流生態(tài)系統(tǒng)的破壞帶來一系列的問題致使研究者在水利工程調(diào)度中考慮生態(tài)需水，以保障并改善河流的生態(tài)功能。因此，流域下游生態(tài)保護(hù)與修復(fù)生態(tài)需水的研究受到越來越廣泛的重視。生態(tài)適宜流量(河道內(nèi)生態(tài)需水)是流域水資源配置與生態(tài)系統(tǒng)健康的重要基礎(chǔ)，對(duì)于該方面的研究，國外在理論和計(jì)算方法上都已經(jīng)取得了一定的成果，可以歸納為基于水文數(shù)據(jù)的水文學(xué)法、基于水力參數(shù)的水力學(xué)法、棲息地偏愛法、整體分析法等；國內(nèi)研究者大多數(shù)使用水文學(xué)法中的Tennant法對(duì)生態(tài)適宜流量進(jìn)行計(jì)算[4-6]。但是，Tennant法與生物聯(lián)系不太緊密，計(jì)算得到的最小需水量(minimum flow)缺乏明確的生態(tài)學(xué)意義。此外，在干旱時(shí)期，最小河道內(nèi)流量并不能提供河流資源充分的保護(hù)，在豐水時(shí)期，它也不能為有最佳的魚種數(shù)量創(chuàng)造機(jī)會(huì)[7,8]。因此，需要一種能夠量化河道內(nèi)流量增加變化帶來的影響并能評(píng)價(jià)生態(tài)修復(fù)與水資源分配的方法。本文選用棲息地偏愛法通過建立河流徑流量與目標(biāo)生物棲息地之間的關(guān)系，求得河道內(nèi)生態(tài)需水，其物理意義明確，同時(shí)也能夠有效地評(píng)估生態(tài)需水量的增加對(duì)于流域生態(tài)系統(tǒng)的影響，為玉符河生態(tài)修復(fù)與保護(hù)以及水資源分配提供量化的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

玉符河位于山東省濟(jì)南市的西南部，屬于黃河流域，河流的源頭是歷城區(qū)南部山區(qū)的錦繡川、錦陽川、錦云川的主要支流(見圖1)。玉符河全長約70 km，流域面積為827.3 km2，水面寬度最大達(dá)89 m，多半浮動(dòng)在20 m上下。地處中緯度地帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，春季干燥少雨，夏季多雨炎熱，秋季涼爽干燥，冬季寒冷少雨。流域北部平原地區(qū)年平均降水量為650～700 mm，汛期降水量約占全年降水量的70%。該流域地質(zhì)條件是獨(dú)特?cái)嗔呀Y(jié)構(gòu)發(fā)育，斷裂及巖溶裂隙溝通了張夏組灰?guī)r含水層及奧陶系灰?guī)r含水層，河水大量下滲補(bǔ)給地下水，寨而頭村至催馬莊段河道滲透能力尤為強(qiáng)烈[9,10]。對(duì)于濟(jì)南市，玉符河具有重大的存在價(jià)值，它不僅保障了濟(jì)南市一半的城市用水，而且玉符河強(qiáng)滲漏帶地區(qū)下滲的水量補(bǔ)給地下水也是濟(jì)南泉水不斷噴涌的重要保障。

圖1 玉符河水系圖Fig.1 Yufu river water map

2 生態(tài)適宜流量計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

在棲息地偏愛法中，以20世紀(jì)70年代美國魚類及野生動(dòng)物署(US Fish and Wild life Service)提出的河道內(nèi)流量增量法(In stream Flow Incremental Methodology，IFIM)最具有代表性。IFIM法是一種理論上的計(jì)算方法，若運(yùn)用此法計(jì)算還需要進(jìn)一步選擇具體的模型，本文選用的是精度要求比較高的River2D棲息地模擬模型。

該模型是通過對(duì)不同流量下河段的水深和流速的分布進(jìn)行模擬，從而計(jì)算目標(biāo)生物的棲息地?cái)?shù)量，即加權(quán)可用面積(Weighted Usable Area，WUA)。具體過程可概括為：①河段河床地形文件的形成；②形成的河床地形文件網(wǎng)格化；③對(duì)不同流量下水深、流速等分布進(jìn)行模擬；④依據(jù)魚類棲息地適宜性曲線，獲得不同流量下各河段的WUA值。

WUA在一定程度上可以體現(xiàn)目標(biāo)生物在此河流環(huán)境下能夠生存的面積，數(shù)值上等于棲息地適宜性指數(shù)乘以該單元面積。River2D中棲息地模型模擬主要是依靠棲息地適宜性曲線得到每個(gè)單元影響因子的適宜性組合值，計(jì)算模擬河段的WUA：

(1)

式中：f為適宜性組合函數(shù)，f(Vi,Di,Ci)=ViDiCi，體現(xiàn)了影響因子的綜合作用；n為斷面劃分的計(jì)算單元數(shù)；Ai為每個(gè)網(wǎng)格單元的面積；Vi為流速指標(biāo)；Di為水深指標(biāo)；Ci為河道底質(zhì)指數(shù)，本文只考慮流速和水深的共同影響，暫不考慮底質(zhì)和覆蓋物的影響，故Ci默認(rèn)為1。

由于魚類是水生生物中的高級(jí)群落，影響著其他物種的生存及豐富度，故一般作為IFIM法研究的指示物種，針對(duì)玉符河流域，本文決定把鯉魚作為探討的代表物種。本研究釆取單變量方法，只分別研究不同水深、流速下的鯉魚棲息地適宜性曲線，根據(jù)相關(guān)資料[5](表1)，分別建立不同水深和流速下的鯉魚棲息地適宜性曲線(圖2)，從圖2可以看出，最適合鯉魚生長的水深為0.5～1.0 m，最適合鯉魚生長的流速為0.15～0.8 m/s。

表1 已有文獻(xiàn)中鯉科魚類適宜性指數(shù)探討Tab.1 The existing literature Cyprinidae suitability index

圖2 適宜性指數(shù)與流速和水深的關(guān)系曲線Fig.2 Suitability index versus flow velocity and water depth

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 玉符河干流WUA指數(shù)與流量關(guān)系

由于River2D不適應(yīng)長河段，同時(shí)考慮研究河道橡膠壩的分段性，本研究把整個(gè)河段分為3個(gè)部分進(jìn)行處理。以臥虎山水庫大壩為起點(diǎn)，3部分分別為樁號(hào)0～8+800、8+800～15+400、15+400～38+600河段。將DEM輸入到River2D中，得到玉符河研究河段的河床地形圖。然后對(duì)河床地形圖進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖3所示。

圖3 河段的網(wǎng)格劃分和地形示意圖Fig.3 The grid division and topographic map of the river section

考慮到玉符河河流狀況具有明顯的季節(jié)性，104國道以下的河道在自然條件下就會(huì)出現(xiàn)斷流的情況，生態(tài)恢復(fù)的一個(gè)重要舉措就是下游采用縮窄的人工子槽過流。因此對(duì)15+400～38+600河段，本研究選擇典型子槽斷面進(jìn)行研究，具體選擇的河段為36+000～38+000河段，河段網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 36+000～38+000河段網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Diagram of grid division of 36+000～38+000

對(duì)河床地形圖進(jìn)行網(wǎng)格化之后，輸入2、5、10、15、20、30 m3/s在內(nèi)的6個(gè)不同流量值，求得各河段在不同流量下的WUA，可以發(fā)現(xiàn)各河段在穩(wěn)定流條件下WUA都首先隨著流量的增加而增大，在流量為20 m3/s左右處到達(dá)最大值，之后隨著流量的增大，WUA持續(xù)減小，符合目標(biāo)物種的適宜曲線變化規(guī)律。(圖5選用的是2、10 m3/s流量下的WUA值圖)

玉符河干流不同河段WUA值與流量統(tǒng)計(jì)表見表2。根據(jù)3個(gè)河段的研究結(jié)果，可以初步體現(xiàn)出WUA指數(shù)與流量的線性關(guān)系(見圖6)。一定程度上，不同流量與WUA的關(guān)系可以反映玉符河的生態(tài)水文規(guī)律，當(dāng)采取不同的生態(tài)補(bǔ)水方案進(jìn)行修復(fù)其生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，可以通過此定量關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的水文計(jì)算，評(píng)價(jià)和擬定適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)修復(fù)方案。

2.2.2 底棲生物完整性與流量關(guān)系

根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院研究，玉符河各樣點(diǎn)中水深與流速變化較明顯，是影響底棲生物的主要因素，而河流的理化指標(biāo)變化較小，不足以對(duì)底棲生物造成影響。因此，本文選擇底棲動(dòng)物與流速、水深等相關(guān)關(guān)系來表征玉符河生態(tài)與水文要素的關(guān)系。底棲生物完整性用B-IBI來表示，數(shù)值上等于各采樣點(diǎn)主要的多樣性指數(shù)實(shí)際測定值除以本底值。

圖5 不同河段在不同流量下分析計(jì)算的WUA值圖Fig.5 WUA values calculated and analyzed at different flow rates in different reaches of river

流量/(m3·s-1)0+000～8+800河段WUATotal Area%8+800～15+400河段WUATotal Area%36+000～38+000河段WUATotal Area%210 415.15764 6001.368 222.65655 7691.254 929.28242 7562.03515 594.91764 6002.0413 340.97655 7692.036 979.74242 7562.881018 461.87764 6002.4116 275.22655 7692.488 555.18242 7563.521519 890.75764 6002.6017 298.94655 7692.64---2020 967.22764 6002.7417 810.87655 7692.729 821.08242 7564.053018 654.00764 6002.4417 672.50655 7692.699 483.22242 7563.91

圖6 玉符河WUA指數(shù)與流量統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.6 Relationship between WUA index and flow statistics of Yufu river

玉符河底棲生物完整性相似指數(shù)與一定寬度上的流量建立回歸方程可表示為：

Y=11.428X+1.087 6 (R2=0.861)

(2)

式中：Y為底棲生物完整性相似指數(shù)；X為2 m寬的單寬流量。

由確定性系數(shù)R2可以得出玉符河B-IBI相似指數(shù)與流量之間具有較好的相關(guān)關(guān)系，表明玉符河的生態(tài)水文規(guī)律相對(duì)平穩(wěn)。

B-IBI其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)文獻(xiàn)，可以定為：①B-IBI ≥ 3.59健康，最佳狀態(tài)；②2.69 ≤ B-IBI < 3.59亞健康，次最佳狀態(tài)；③1.8 ≤ B-IBI < 2.69一般狀態(tài)；④0.9 ≤ B-IBI < 1.8較差；⑤B-IBI < 0.9差。

3 生態(tài)補(bǔ)水方案分析

臥虎山水庫2005年進(jìn)行的回灌試驗(yàn)表明，水庫到104國道間強(qiáng)滲漏帶全年平均滲漏損失流量達(dá)1.24 m3/s，國道至周王莊橋平均損失流量為0.3 m3/s，估算斷流天數(shù)240 d。要恢復(fù)其生態(tài)系統(tǒng)，保證這段河道不出現(xiàn)斷流情況，全年共需要水約2 570 萬m3。臥虎山水庫的年平均來水量約為5 891 萬m3。其中，臥虎山水庫向城市提供約1 825 萬m3的水量，平均每年向農(nóng)業(yè)提供658 萬m3的水量，這樣扣除死庫容350 萬m3后，再考慮降雨豐富時(shí)期的徑流量會(huì)補(bǔ)給約1 558 萬m3的水量，最后臥虎山水庫大約有4 616 萬m3水可用于下游生態(tài)補(bǔ)水，可以滿足2 m3/s的下泄流量。

3.1 不考慮引水狀態(tài)下河道的生態(tài)修復(fù)與補(bǔ)水方案分析

近期臥虎山水庫下泄流量為2 m3/s，考慮到104國道以上的河段存在著強(qiáng)滲漏帶，運(yùn)用一維河道模型，模擬河道下泄過程，并計(jì)算玉符河干流上段的生態(tài)水文條件，詳細(xì)結(jié)果見表3。從表3可以看出，魚類棲息地的加權(quán)可用面積隨著流量的減小而減小，其恢復(fù)最佳狀態(tài)的程度最大接近于40%，整體偏??；而從底棲生物完整性角度分析，恢復(fù)程度較好。綜合這兩種情況進(jìn)行預(yù)測分析，104國道以上的大部分河段都可以恢復(fù)到最佳狀態(tài)的50%以上。

表3 玉符河干流上段生態(tài)水文指標(biāo)恢復(fù)預(yù)測值Tab.3 The prediction value of ecological hydrological indices of the upper reaches of Yufu river

3.2 考慮南水北調(diào)引水狀態(tài)下河道的生態(tài)修復(fù)與補(bǔ)水方案分析

為了減小滲漏，連通整個(gè)河段，本文考慮采用縮窄河道的人工子槽方案進(jìn)行玉符河的生態(tài)恢復(fù)，并運(yùn)用一維河道模型，模擬河道下泄過程。在南水北調(diào)濟(jì)南續(xù)配套工程正式運(yùn)行后，每天將有20 萬m3的水量調(diào)入臥虎山水庫，另外還有10 萬m3的長江水通過玉符河沿線預(yù)留的出水口，直接進(jìn)入玉符河的強(qiáng)滲漏帶補(bǔ)給地下水，完全可以滿足4 m3/s的下泄流量，詳細(xì)計(jì)算見表4。

從表4可以看出，臥虎山水庫下泄流量為4 m3/s時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全河段連通的目標(biāo)。從魚類棲息地角度分析預(yù)測，104國道以上河段的恢復(fù)程度可以達(dá)到最佳狀態(tài)的50%，但以下河段的恢復(fù)程度依舊偏??；從底棲生物完整性角度看，全部河段的恢復(fù)程度可以到達(dá)最優(yōu)狀態(tài)的95%以上。綜合分析得到，采用臥虎山水庫下泄流量為4 m3/s的補(bǔ)水方案，預(yù)測綜合恢復(fù)程度50%～75%，即基本使玉符河的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到中等偏上水平。

表4 玉符河干流全段生態(tài)水文指標(biāo)恢復(fù)預(yù)測值Tab.4 The prediction value of ecological hydrological indices of Yufu river

4 結(jié) 語

本文基于魚類棲息地?cái)?shù)目和底棲生物完整性兩個(gè)方面，對(duì)玉符河的生態(tài)補(bǔ)水進(jìn)行分析。分析表明：采取臥虎山水庫下泄流量為2 m3/s的方案，預(yù)測可使104國道以上的大部分河段恢復(fù)到最佳狀態(tài)的50%以上；在考慮引用長江水狀態(tài)下，采取臥虎山水庫下泄流量為4 m3/s的方案，預(yù)測可使玉符河全部河段貫通且生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到中等偏上水平。本研究彌補(bǔ)了該流域在生態(tài)適宜流量以及生態(tài)需水等方面研究的不足，有助于流域的管理者采用科學(xué)的水量生態(tài)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行生態(tài)調(diào)控，保證用有限的水資源最大限度地達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)，為北方地區(qū)有水庫供水的典型季節(jié)性河流的生態(tài)修復(fù)以及水資源分配提供了參考。

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