城市水系河流斷面生態(tài)需水量研究

孔令剛，李萌萌，郭文獻(xiàn)，張海濤

(1.石家莊市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050001；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

石家莊市水資源匱乏，屬于資源型嚴(yán)重缺水的地區(qū)。從近年實(shí)際發(fā)生的情況看，其缺水特征主要表現(xiàn)為枯水年干旱季節(jié)工程性缺水、城市資源性缺水和局部河段水質(zhì)性缺水。局部地區(qū)水污染嚴(yán)重。即，由于大量污水流入到滹沱河、磁河、洨河、汪洋溝等地表河流，造成了河流兩岸近200 m范圍內(nèi)形成為沿河地下水污染帶[1]；同時(shí)，部分地區(qū)采用污水灌溉，農(nóng)田每年施用大量的化肥、農(nóng)藥等，也使得地下水的質(zhì)量受到影響。由于人均水資源量少，年內(nèi)年際變化大，分布不均且與生產(chǎn)力布局不相匹配，造成水資源開(kāi)發(fā)利用與河流生態(tài)需水保障的矛盾加劇。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展大量擠占河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水和地下水超采，造成滹沱河沖積扇扇緣的市區(qū)西部的地段基本被疏干，被疏干或接近疏干的面積約2～5 km2，導(dǎo)致農(nóng)村生活用水、部分工廠企業(yè)用水及農(nóng)業(yè)灌溉用水等受到較大影響[2]。

為此，本研究的重點(diǎn)是維護(hù)和保障石家莊市河湖生態(tài)環(huán)境用水需求，針對(duì)滹沱河、磁河等河流水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)存在的主要問(wèn)題，根據(jù)石家莊各重點(diǎn)流域水資源條件和水生態(tài)特點(diǎn)，合理調(diào)配水資源，保障生態(tài)用水需求。

1 石家莊市河流生態(tài)需水量計(jì)算

石家莊市地處河北省中南部，與保定、衡水、邢臺(tái)和山西省相鄰，居環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)腹地，交通便捷，素有“南北通衢，燕晉咽喉”之稱，屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候。石家莊市屬海河流域大清河水系和子牙河水系[3]，平原區(qū)河流由北而南主要有沙河、滋河、滹沱河、洨河、槐河等自西向東南流經(jīng)本區(qū)。其中滹沱河最大，發(fā)源于山西省繁峙縣，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)540 km，流域面積3 089 km2。石家莊市是資源型缺水的嚴(yán)重地區(qū)，水資源匱乏，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水與水資源承載能力嚴(yán)重失衡，地下水連續(xù)多年處于超采狀態(tài)，境內(nèi)水系常年處于斷流狀態(tài)，河流生境面臨十分惡劣的挑戰(zhàn)。

1.1 河流生態(tài)需水內(nèi)涵

生態(tài)需水量是指在特定時(shí)間和空間條件下，為滿足生態(tài)系統(tǒng)諸項(xiàng)功能所需水量的總稱。河流生態(tài)需水包含兩個(gè)主要特性：一方面，受到河流生態(tài)水文過(guò)程的制約，表現(xiàn)出隨時(shí)間和空間變化的動(dòng)態(tài)特征；另一方面，生態(tài)需水具有協(xié)調(diào)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)基本功能的內(nèi)涵，表現(xiàn)出在特定時(shí)空單元內(nèi)最大限度地滿足河湖主要功能的優(yōu)先選擇性，即閾值性。因此，在確定生態(tài)需水合理閾值的同時(shí)，還需要體現(xiàn)天然徑流的變化特征，從而滿足河流不同區(qū)段在不同時(shí)段的特定生態(tài)功能需求。

水體在生態(tài)系統(tǒng)中具有多種多樣的功能，所以在規(guī)定生態(tài)系統(tǒng)某一功能時(shí)，都應(yīng)與相應(yīng)的生態(tài)目標(biāo)結(jié)合。規(guī)定的功能不同，相應(yīng)的生態(tài)目標(biāo)則不同，生態(tài)需水量也不同。在確定生態(tài)需水量之前，首先要確定生態(tài)系統(tǒng)的管理目標(biāo)。生態(tài)需水目標(biāo)設(shè)定主要考慮河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)，特別是水生生物的需水要求，各種生物群落的需水要求可能不盡相同。魚(yú)類是水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級(jí)群落，對(duì)環(huán)境變化最為敏感，對(duì)其他類群的存在和豐度有著重要作用。魚(yú)類對(duì)生存空間(如水深、流速等)最為敏感。例如，魚(yú)類具有在水流中對(duì)流向和流速行為的反映特征，即趨流性，并以感覺(jué)流速、喜愛(ài)流速和極限流速為指標(biāo)。感覺(jué)流速是指魚(yú)類對(duì)流速可能產(chǎn)生反映的最小流速值，喜愛(ài)流速是指魚(yú)類所能適應(yīng)的多種流速值中最為適宜的的流速范圍，極限流速指魚(yú)類所能適應(yīng)的最大流速值。各種魚(yú)類的感覺(jué)流速大致相同，但極限流速差別很大。無(wú)論是極限流速還是喜愛(ài)流速，都隨著體積的增大而提高。

河流生態(tài)需水針對(duì)不同的生態(tài)目標(biāo)設(shè)定了不同的需水量閾值，具體包括最小生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量。河流最小生態(tài)需水量指維持現(xiàn)有河道生態(tài)系統(tǒng)不再惡化，保障河道天然關(guān)鍵物種不消亡，從而保證河道生態(tài)系統(tǒng)基本功能不嚴(yán)重退化，必須在河道中常年流動(dòng)著的最小臨界水量[4]。河流最小生態(tài)需水量隨河流自身特性、河段位置和時(shí)段范圍變化，具有時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的特征，所以必須同時(shí)考慮其總水量和徑流過(guò)程。

結(jié)合河流生態(tài)需水目標(biāo)的劃定，河道最小生態(tài)需水量的生態(tài)功能目標(biāo)定義為：①一般時(shí)期，首先必須保證河段不斷流，并為關(guān)鍵物種如魚(yú)類提供最小的生存和活動(dòng)空間，從而防止河道生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生毀滅性的破壞。②水生生物繁殖、發(fā)育等關(guān)鍵生命階段須滿足其產(chǎn)卵、洄游對(duì)生境條件的最低需求。

適宜生態(tài)流量指滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及其良好的生存條件，維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)平衡所需的水量閾值。適宜生態(tài)流量考慮目標(biāo)為水生生物，主要包括魚(yú)類生存、繁衍對(duì)水域水溫、水利特性的要求，從而能夠在不同生命階段內(nèi)獲得滿足其需求的適宜棲息場(chǎng)所。同時(shí)，假設(shè)流量與魚(yú)類棲息地的有效性有直接聯(lián)系，魚(yú)類得到了滿足其需求的適宜棲息地場(chǎng)所，河流生態(tài)系統(tǒng)中的其他物種棲息地也得到了足夠的保護(hù)。因此，維持主要河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性，可以體現(xiàn)在滿足魚(yú)類產(chǎn)卵、繁殖等關(guān)鍵生命階段對(duì)適宜棲息地的需求上。

1.2 河流生態(tài)需水計(jì)算方法

目前，關(guān)于河流生態(tài)需水的計(jì)算方法較多，總結(jié)起來(lái)可以分為：水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和綜合分析法等[5]。這四類方法中比較常用的有Tennant法、月(年)保證率法、河道濕周法和R2CROSS法等。本文采用Tennant法。Tennant法(也稱作“Montana法”)是一種非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法，河道推薦流量以預(yù)先確定的年均流量百分比為基準(zhǔn)，是一種更多依賴于統(tǒng)計(jì)的方法。這種方法是將平均每年自然流量的簡(jiǎn)單百分比作為基流，以年平均流量的10%作為水生生物生長(zhǎng)最低標(biāo)準(zhǔn)下限，年平均流量的30%作為水生生物的滿意流量[6]。該法不僅適用于有水文站點(diǎn)的季節(jié)性河流，而且適用于沒(méi)有水文站點(diǎn)的河流，可通過(guò)水文技術(shù)來(lái)獲得平均流量。為了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，劃分的流量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 Tennant法推薦生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn) %

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算過(guò)程

本研究計(jì)算所需水文數(shù)據(jù)采用《石家莊市水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果表》，其中滹沱河黃壁莊站(1959年～1980年近天然徑流系列)、磁河橫山嶺站(1959年～1968年近天然徑流系列)以及槐河馬村站(1959年～1967年近天然徑流系列)，滹沱河北中山站(1959年～1968年實(shí)測(cè)徑流系列)、沙河新樂(lè)站(1959年～1984實(shí)測(cè)徑流系列)采用石家莊市水文局提供的水文站實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)。采用石家莊市河流控制站多年天然月均徑流過(guò)程，并以多年月均流量過(guò)程為基準(zhǔn)進(jìn)行河道生態(tài)基流年內(nèi)過(guò)程計(jì)算。石家莊市范圍內(nèi)主要河流水文站的生態(tài)流量過(guò)程見(jiàn)圖1～5。

圖1 滹沱河黃壁莊水庫(kù)生態(tài)流量過(guò)程

圖2 滹沱河北中山站生態(tài)流量過(guò)程

圖3 沙河新樂(lè)站生態(tài)流量過(guò)程

圖4 磁河橫山嶺水庫(kù)生態(tài)流量過(guò)程

圖5 槐河馬村站生態(tài)流量過(guò)程

2.2 計(jì)算結(jié)果與Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

石家莊市主要河流各水文斷面的基本生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果與Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表2)。最小生態(tài)流量在一般用水期(10月至翌年3月)各個(gè)水文斷面生態(tài)流量占多年年均流量的1.2%～5.4%，根據(jù)Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均處在嚴(yán)重退化的范圍，此時(shí)河道徑流量條件應(yīng)保持一定的水深、流速、河寬，保障魚(yú)類生存、洄游、景觀一般要求，是保持絕大多數(shù)能夠保障水生生物短時(shí)間生存最低的流量推薦值；適宜生態(tài)流量在一般用水期占多年平均流量的8.4%～16.3%。按照Tennant法評(píng)價(jià)除馬村處在嚴(yán)重退化范圍外，其余4個(gè)斷面均處在一般范圍內(nèi)。

表2 河流生態(tài)流量Tennant法評(píng)價(jià)

由表2知，魚(yú)類產(chǎn)卵育幼期各水文斷面最小生態(tài)流量占多年年均流量的5.1%～17.2%，除新樂(lè)斷面處于嚴(yán)重退化范圍內(nèi)，其余4個(gè)斷面均處于較好的范圍中，能夠保障水生生物棲息和產(chǎn)卵、育幼等目標(biāo)的流量需求。適宜生態(tài)流量在魚(yú)類產(chǎn)卵期占多年年均流量的43.7%～51.6%，均處于最佳范圍內(nèi)。因此，利用Tennant法計(jì)算的生態(tài)流量與設(shè)定的分期相符，能夠保障河流生態(tài)目標(biāo)的需求。

3 結(jié) 論

(1)利用Tennant法分別計(jì)算得到了滹沱河黃壁莊水庫(kù)站、滹沱河北中山站、沙河新樂(lè)站、磁河橫山嶺水庫(kù)站、槐河馬村水文站年最小生態(tài)需水量分別為1.83億、1.56億、0.06億、0.14億、0.16億m3，適宜生態(tài)需水量為5.49億、4.69億、0.57億、0.41億m3和0.48億m3。

(2)參照Tennant法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，利用Tennant法計(jì)算出的最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量都與Tennant法設(shè)定的分期相符，均能夠滿足河流生態(tài)目標(biāo)的需求，計(jì)算結(jié)果較為合理。該研究結(jié)果可為石家莊市河道生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)基礎(chǔ)參考。