黃河河口區(qū)生態(tài)需水量及流量過程核算

易雨君，徐嘉欣，宋 劼，劉 奇

(1.北京師范大學水沙科學教育部重點實驗室，北京 100875； 2.北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875)

河口位于河流與海洋的交匯處，受潮流和徑流共同作用，具有獨特的生態(tài)結構與環(huán)境特征，生物多樣性豐富，且對外界擾動響應敏感，生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱。近年來，由于上游河流大壩建設、城市化進程等人類活動導致進入河口的水沙趨少，生物生境發(fā)生改變，生物多樣性下降[1-2]，河口區(qū)域的生態(tài)需水問題越來越受到廣泛關注。河口區(qū)域生態(tài)需水的概念及計算方法與河流、湖泊等其他水體存在明顯差異，目前尚未形成統(tǒng)一的標準。概括來說，河口生態(tài)需水可分為廣義和狹義兩種，廣義的河口生態(tài)需水是指維持河口生態(tài)系統(tǒng)平衡所需的水量，狹義的河口生態(tài)需水是指保證河口生態(tài)目標所需的淡水輸入量[3]，且淡水輸入量隨著河口生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)動態(tài)性變化[4]。在計算方法上，可將其概括為功能設定法、相關分析法以及數(shù)學模型法3類[5]，其中，功能設定法是依據(jù)不同的河口生態(tài)系統(tǒng)功能劃分不同的需水目標，在分別進行計算后進行整合得到需水總量，目前在國內研究中應用最為廣泛[6-8]；相關分析法將指示物種對鹽度、溫度等環(huán)境因子的適應能力作為控制條件進行相關分析，進而確定需水量，在國內已有一定的應用[9]；數(shù)學模型法通過建立數(shù)學模型，如神經(jīng)網(wǎng)絡模型[10-11]等，來模擬徑流輸入與生態(tài)系統(tǒng)狀況改變之間的定量關系，進而得到需水量。

黃河口具有我國溫帶最為廣闊完整的濕地生態(tài)系統(tǒng)，然而自1970年代起至1990年代，黃河斷流問題頻發(fā)，上游來水量的減少導致黃河口生態(tài)問題逐漸凸顯[12]，到21世紀初關于黃河口生態(tài)需水的研究逐步受到關注，在計算上多采用功能設定法，將生態(tài)需水目標劃分為河口濕地生態(tài)需水、河流生態(tài)需水、河口及近海生態(tài)需水三大類[13-15]。其中，濕地生態(tài)需水包括典型植被及鳥類需水、土壤需水、補給地下水需水等；河流生態(tài)需水包括典型魚類需水、輸沙需水等；河口及近海生態(tài)需水包括維持近海水域咸淡水平衡需水、近海生物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)鹽輸入等需水。隨著需水目標的細化，有學者增加了河流自凈需水、防止海岸線侵蝕需水、農(nóng)業(yè)生態(tài)需水[16-17]等需水目標。但由于黃河口作為集海水、咸淡水、淡水、潮灘濕地為一體的復雜系統(tǒng)[18]，其水文過程與生態(tài)系統(tǒng)間的關系較為復雜，在整合多目標需水時存在需水過程不清楚或不同目標需水重復計算等問題。因此，針對黃河口不同生態(tài)需水目標進行權衡，在適當時期給予流量脈沖，提供適宜的生態(tài)需水量及流量過程，對改善生境條件、維持生物多樣性等具有重要意義。

黃河河口區(qū)主要包含河口三角洲濕地、入海口河段和近海區(qū)域3部分，黃河口生態(tài)系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，不同區(qū)域的典型物種在各生命周期中對流量過程的需求不同。在三角洲濕地生態(tài)需水方面，因蘆葦、翅堿蓬和檉柳是三角洲濕地的典型植被，分布廣泛，也為鳥類提供食物來源及庇護所，因此，主要基于3種典型植被確定非消耗性需水需求，并考慮滿足土壤、水面以及植被蒸散發(fā)的消耗性需水需求；在入海口及近海區(qū)域方面，因鱸魚、鰻鱺、銀魚、魛魚等是典型洄游魚類[15]，產(chǎn)卵洄游期需滿足流量脈沖及入海水量的需求，且鹽度作為反映河口生態(tài)環(huán)境健康的最敏感因子之一，維持河口鹽度平衡需水可通過魚類對入海沖淡水的需求得以體現(xiàn)[19]，因此在該區(qū)域，主要考慮滿足魚類生存的非消耗性需水；同時，兼顧下游河道防洪減淤所需的水量。本文基于黃河口生態(tài)系統(tǒng)及保護目標特征，構建生境模擬模型及函數(shù)型線性回歸模型得到生物群落與流量的響應關系，分析來沙系數(shù)與河道輸沙的影響關系，通過多目標權衡確定最終的生態(tài)需水量及流量過程，以期為黃河口生態(tài)保護及生態(tài)補水提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

黃河河口三角洲是以墾利漁洼為頂點，北起挑河口，南至宋春榮溝之間的扇形地帶，面積約 2 800 km2，是河口自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。該區(qū)域地處咸淡水交互區(qū)域，受到海水頂托和入海河流的共同影響，是220多種植物和800多種動物的重要棲息地和物種多樣性保護的天然基因庫，同時也是鳥類遷徙的重要中轉站、越冬地和繁殖地。保護區(qū)內國家一級保護鳥類有丹頂鶴、東方白鸛等12種，國家二級保護鳥類有灰鶴、大天鵝、鴛鴦等51種，并為鰻鱺、魛魚等多種珍稀魚類提供產(chǎn)卵場，具有重要的生態(tài)服務價值。

2 研究方法

2.1 黃河三角洲濕地生態(tài)需水計算方法

黃河三角洲濕地生態(tài)需水主要考慮濕地植被生長的非消耗性需水和蒸散發(fā)的消耗性需水。濕地植被需水主要考慮蘆葦、翅堿蓬和檉柳3種典型植被對地下水埋深和淺層土壤鹽度的耐受閾值，基于易雨君等[20-21]構建的耦合地下水動力水鹽模擬模型與植被生長-擴散-種間競爭生態(tài)動力學模型，通過模擬不同流量條件下三角洲濕地土壤水鹽條件時空變化，以及植被群落的生長、擴散及種間競爭過程，得到不同流量條件下植被群落的適宜生境面積和生物量，建立典型植被總適宜生境面積與流量間的關系。以獲得3種植被總適宜生境面積的第一四分位數(shù)、最大值以及第三四分位數(shù)的流量作為最小、適宜、最大流量，進而得出黃河三角洲濕地的非消耗性需水量。

2.2 河口及近海魚類需水計算方法

為量化河口及近海魚類群落對入海水沙通量的響應關系，基于1981—2011年黃河口附近海域魚類生物量序列，以及黃河利津水文站在相同時間范圍內的逐日流量及輸沙率序列，Yi等[22]建立了函數(shù)型線性回歸模型，量化分析魚類生物量與逐日水沙過程的響應關系：

(1)

式中：Yi為第i年的魚類生物量；Xit為第i年第t天的流量或輸沙率；βt為第t天對應的回歸系數(shù)；εi為第i年的預測殘差。

通過將多物種關聯(lián)與整個水文系統(tǒng)結合，采用FLiRTI方法計算可解釋的函數(shù)型回歸系數(shù)[23]，得到魚類生物量在不同的時間t所對應的回歸系數(shù)βt，預測在不同生態(tài)調度方案下流量對魚類生物量的累積效應：

(2)

式中：M為不同生態(tài)調度方案中魚類生物量的累積效應；Qt為不同生態(tài)調度方案對應的逐日流量過程。

通過時間序列數(shù)據(jù)分析和對累積效應M的計算，得到單位流量或輸沙率變化對魚類生物量影響的程度，并識別水沙過程對魚類群落影響的時間范圍。基于該范圍選取具有最大累積效應的流量過程作為魚類的適宜流量脈沖，并綜合考慮河口河道和海洋兩大區(qū)域的魚類需求，依據(jù)黃河水利科學研究院提出的低限和適宜生態(tài)流量方案，確定低限和適宜生態(tài)流量所對應的3—5月入海總水量要求。

2.3 基于多目標權衡的黃河口生態(tài)需水

河口生態(tài)需水包括消耗性需水和非消耗性需水，依據(jù)本研究所考慮的不同生態(tài)目標，將三角洲濕地生態(tài)需水、河口及近海魚類需水和泥沙輸送需水作為非消耗性需水，將土壤、水面以及植被蒸散發(fā)作為消耗性需水，多目標生態(tài)需水組成結構如圖1所示。消耗性需水的計算采用加和性原則，而各項非消耗性需水相互兼容，在計算時則應采取最大性原則[24]：

(3)

式中:Wa為河口總生態(tài)需水量；Wi為各項消耗性需水；Wjn為各項非消耗性需水。

此外，最大生態(tài)需水應維持生態(tài)系統(tǒng)整體的動態(tài)平衡，通過影響河流造床輸沙能力等進而影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[25]，因此將泥沙輸送需水納入最大非消耗性生態(tài)需水的計算，通過計算滿足三角洲濕地生態(tài)需水、河口及近海魚類需水所得到的最大非消耗性流量和相應的來沙系數(shù)進行評估，判斷現(xiàn)有最大非消耗性流量是否滿足泥沙輸送的需求，若滿足，則不需要額外的水量補充。

圖1 黃河口生態(tài)需水組成結構Fig.1 Composition structure of ecological waterdemand of Yellow River Estuary

3 結果與討論

3.1 三角洲濕地生態(tài)需水量及流量過程

不同流量條件下各植被的生境面積結果如圖2(a)(b)(c)所示，由于蘆葦鹽度耐受閾值最低，其生境面積與流量間存在較顯著的單峰關系，在低于 50 m3/s 流量條件下，淡水補給不足將導致蘆葦適宜棲息地明顯縮減，在流量小于378.14 m3/s時，蘆葦適宜生境面積隨流量增長快速增大，當流量達到378.14 m3/s時，對應最大適宜生境面積，此后隨著流量增大，河岸帶區(qū)域淹沒面積增大，地下水位升高，蘆葦適宜生境面積逐漸下降。對于翅堿蓬而言，其鹽度的耐受能力明顯高于蘆葦，且同時具有較強的耐鹽性與耐淹水性，因此適宜生境面積與流量間的響應關系較弱且擬合情況較差，但適宜生境面積整體隨流量增大而增大。檉柳由于耐淹性較差，洪水期地表淹沒時可導致植株死亡，因此在流量逐漸增長的過程中，檉柳適宜生境面積保持穩(wěn)定，但在流量大于1 200 m3/s時，其適宜生境面積明顯降低。

植被總適宜生境與徑流量間的關系如圖2(d)所示，3種植被總面積與徑流量的響應關系類似于蘆葦，存在一個較明顯的單峰，表明由于黃河流量增大導致的土壤孔隙水淡化和潮灘淹沒等對于植被總適宜生境面積的影響不可忽視。在選取適宜流量時，以植被總適宜生境面積第一四分位數(shù)對應的63.24 m3/s作為最小流量，植被總適宜生境面積最大值對應的485.75 m3/s作為適宜流量，植被總適宜生境面積第三四分位數(shù)對應的1 030.23 m3/s作為最大流量。

(a) 蘆葦

(b) 翅堿蓬

(c) 檉柳

(d) 3種植被圖2 黃河利津站流量與三角洲濕地植被適宜生境面積的擬合曲線Fig.2 The fitting curve of the discharge of Lijinhydrographic section of the Yellow River and thesuitable habitat area of delta wetland vegetation

以上針對三角洲濕地非消耗性需水的研究表明，隨著流量的增大，黃河三角洲濕地植被的總適宜生境面積快速增加，而當流量大于485.75 m3/s時，隨著流量的增加將導致濕地植被總適宜生境面積的降低。因此，在每年植物生長的關鍵期間，維持485.75 m3/s的適宜流量最為合適。針對消耗性需水，根據(jù)Sun等[24]的研究，三角洲濕地植被、土壤及水面蒸發(fā)耗水量最小值、適宜值和最大值分別為21.1億m3、23.35億m3和24.33億m3，對應耗水流量分別為66.91 m3/s、74.04 m3/s和77.15 m3/s。最終得到基于三角洲濕地需水和蒸散發(fā)耗水的最小、適宜及最大流量及需水量方案如表1所示。

表1 三角洲濕地生態(tài)需水方案Table 1 Ecological water demand schemes in delta wetland

3.2 河口及近海魚類需水及流量過程

黃河口魚類分為黃河口入海段魚類和渤海近海海洋魚類。河口河道魚類繁殖發(fā)育對黃河入?？诹髁?、流速、水深等均有一定要求，而海洋魚類具有在低鹽河口近岸產(chǎn)卵的特性，產(chǎn)卵場環(huán)境條件要求水深為1～10 m，鹽度為1.8%～3.2%[26]，且適宜的春季入海淡水總量能夠為海洋魚類創(chuàng)造良好的低鹽產(chǎn)卵環(huán)境，同時帶來浮游植物必需的營養(yǎng)物質，因此應充分考慮魚類在產(chǎn)卵洄游期對水深、流速和鹽度等調控指標的需求。

針對流量脈沖，按2018年黃河下游的14種適宜生態(tài)調度方案[27](小浪底水庫泄流峰值分別按照2 600 m3/s和3 000 m3/s控制，峰值持續(xù)時間分別為5 h、8 h、12 h、1 d、2 d、3 d、5 d)分別計算，得到利津站3月20日至4月1日的流量過程如圖3所示。

(a) 泄流峰值為2 600 m3/s

(b) 泄流峰值為3 000 m3/s圖3 不同小浪底泄流峰值調度方案對應的利津站流量過程Fig.3 Discharge process of Lijin hydrographic sectioncorresponding to different Xiaolangdi Reservoirdispatching schemes

考慮魚類對水深、流速、鹽度等調控指標的需求，通過對時間序列數(shù)據(jù)的分析以及累積效應M的計算，得到不同生態(tài)調度方案下魚類生物量的累積效應。結果表明，當泄流峰值為2 600 m3/s時，累積效應范圍為0.235～0.268，且先隨峰值持續(xù)時間的增加而升高，當峰值持續(xù)時間為3 d時，達到最大值0.268，后隨持續(xù)時間的增加而降低；當泄流峰值為3 000 m3/s時，累積效應的范圍在0.239～0.261之間，隨峰值持續(xù)時間的增加也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在峰值持續(xù)時間為2 d時達到最大值0.261。因此，當泄流峰值為2 600 m3/s且峰值持續(xù)時間為 3 d 時，累積效應最大，為0.268，即該方案對應的利津站流量過程為河口及近海魚類的最適流量方案。最終可確定泄流峰值為2 600 m3/s且持續(xù)時間為5 h為最小流量方案，泄流峰值為2 600 m3/s且持續(xù)時間為3 d為適宜流量方案，泄流峰值為3 000 m3/s且持續(xù)時間為5 d為最大流量對應方案，對應的利津站最小、適宜、最大流量過程如圖4所示。

圖4 3月20日至4月1日河口及近海區(qū)域應滿足的最小、適宜及最大流量過程Fig.4 The minimum, suitable and maximum dischargeprocesses to be satisfied in the estuarine and offshoreareas from March 20 to April 1

針對入海水量的確定，在3—5月，應綜合考慮河口河道魚類和海洋魚類要求，依據(jù)黃河水利科學研究院提出的低限流量和適宜流量兩個生態(tài)調度方案[28](低限流量要求3月日均流量為 280 m3/s，4—5月日均流量為390 m3/s；適宜流量要求3月日均流量為350 m3/s，4—5月日均流量為560 m3/s)計算，3—5月低限和適宜流量對應的入海總水量分別為31億m3和43億m3，滿足建議的32億～46億m3的入海水量需求。對于其他月份最小流量的確定，參考劉曉燕[29]的研究成果，確立最小生態(tài)流量為80 m3/s，適宜生態(tài)流量為120 m3/s。

綜上，得到滿足河口及近海魚類流量如下：①1—2月和6—12月最小流量均為80 m3/s，適宜流量均為120 m3/s;②3月1—19日的最小、適宜流量分別為280 m3/s和350 m3/s，3月20日至4月1日的最小、適宜及最大流量如圖4所示，因此，3月的平均最小、適宜和最大流量分別為178.9 m3/s、227.3 m3/s 和1 011.4 m3/s；③4—5月最小及適宜流量分別為390 m3/s和560 m3/s。最終，可確定河口及近海魚類的最小及適宜生態(tài)需水量分別為49.95億m3和71.89億m3。

3.3 河道輸沙需水

水少沙多、水沙關系不協(xié)調是黃河的主要矛盾，使黃河下游河段泥沙淤積，形成地上懸河。因此，為解決河口泥沙淤積等問題，需建立更為完善的黃河水沙調控體系，通過小浪底水庫調度等對黃河下游的徑流及泥沙過程進行有效調控，以此達到優(yōu)化配置黃河水沙資源、減輕泥沙淤積的作用。據(jù)統(tǒng)計，在1950—1985年間，以利津站為代表的黃河年均入海輸沙量為10.49億t，而大型水利樞紐工程的修建以及黃河上游水土流失防治措施的落實使黃河沙多的問題得到較大幅度的控制，通過預測，未來入河泥沙含量約為3億t、6億t、8億t 3種情況[30-32]，總體上黃河泥沙含量均呈現(xiàn)減少趨勢。自小浪底水庫建成并投入使用以來，利津站的年平均輸沙量約為1.4億t，較20世紀大幅減少，利津站作為黃河下游最后的監(jiān)測站，其徑流量和輸沙量可作為計算黃河口入海的水量和沙量的依據(jù)。

一般認為最大生態(tài)需水應維持生態(tài)系統(tǒng)整體的動態(tài)平衡，通過影響河流造床輸沙能力、水文連通性、河流生境等多方面來影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[25]，因此將泥沙輸送所需的水量納入黃河三角洲最大生態(tài)需水的判斷依據(jù)中。根據(jù)三角洲濕地生態(tài)需水的約束條件，可知年最大非消耗性流量為 1 030.23 m3/s，年最大非消耗性需水量為 324.89億m3，同時由胡春宏等[33]的研究結果，為保證黃河下游河段達到輸沙平衡，臨界年均來沙系數(shù)應在0.012左右，據(jù)此推算，1 030.23 m3/s的年最大非消耗性流量全年能夠輸送3.9億t泥沙，大于小浪底水庫建成后利津站的年平均輸沙量1.4億t，故滿足黃河口的輸沙要求，目前暫不需要額外的水量補充。

3.4 基于多目標權衡的黃河口生態(tài)需水總量及流量過程

黃河口生態(tài)需水包括消耗性需水和非消耗性需水，應首先綜合權衡三角洲濕地生態(tài)需水、河口及近海魚類需水和泥沙輸送3項非消耗性需水的流量過程及總水量需求，再與消耗性需水進行加和計算，得到最終的生態(tài)需水流量過程與總水量。

對于黃河口的非消耗性需水，應兼顧滿足黃河三角洲濕地生態(tài)需水以及河口與近海魚類需水的流量過程及需水總量。其中，3—5月為濕地植被發(fā)芽生長的關鍵期，4—6月為河口河道魚類和近海魚類產(chǎn)卵洄游的關鍵期，應同時滿足兩者的需求。在3月按照圖4所示的流量過程進行調控，可提前補充河口淡水資源，為接下來魚類的產(chǎn)卵及仔魚孵化提供保障；在4—5月，若以維持關鍵植被生長所需的最小流量63.24 m3/s作為調控流量，則3—5月對應的最小需水總量為13.68億m3，不能達到魚類所需的32億～46億m3的入海水量，因此應以魚類的需求為最低保證，在4—5月應達到的最小流量為 390 m3/s；同理，若在4—5月以維持關鍵植被生長所需的485.75 m3/s流量作為適宜流量，則適宜需水總量同樣不能達到魚類的入海水量要求，因此應以魚類的需求為標準，在4—5月所需的適宜流量應達到560 m3/s。在其他月份中，為同時滿足三角洲濕地和魚類的水量需求，最小流量和適宜流量分別選取80 m3/s和485.75 m3/s，最大流量以適宜生境面積作為約束條件，確定為1 030.23 m3/s，且該流量可滿足黃河口的基本輸沙要求，不需要額外的水量補充。

黃河口的消耗性需水量中，補給土壤、水面以及植被蒸散發(fā)所需的最小、適宜、最大水量分別為21.1億m3、23.35億m3和24.33億m3，最終將消耗性需水與非消耗性需水相加，可得到黃河口的最小、適宜、最大需水總量分別為71.05億m3、181.51億m3和349.85億m3，如表2所示；相應的生態(tài)需水流量過程如表3所示。

表2 黃河口生態(tài)需水總量方案Table 2 Scheme of total ecological water demandin the Yellow River Estuary

表3 黃河口生態(tài)需水流量過程方案Table 3 Scheme of ecological discharge process in the Yellow River Estuary

于守兵等[19]將3.5億m3的黃河引水水量作為濕地的最低需水量，并結合河道及近海魚類的生態(tài)需求，得到黃河口全年生態(tài)需水量為86億m3；蔣曉輝等[34]以魚類產(chǎn)卵及仔稚魚生長為目標，根據(jù)入海流量與鹽度的相關關系確定河口及近海在4—10月關鍵時期的適宜生態(tài)需水量為156億m3，分別與本研究確定的 71.05億m3的最小需水量以及181.51億m3的適宜需水量較為相近；李國英等[4]將防止海水入侵、維持生物生長環(huán)境、保持河口濕地合理水面面積與水深、水循環(huán)以及補給地下水作為需水目標，得到黃河口生態(tài)系統(tǒng)的需水量為78.21億m3，略高于本研究得到的最小需水量；Sun等[24]以動植物淡水棲息地、鹽度平衡、泥沙輸送及水文循環(huán)作為目標，得到的最小、適宜、最大需水量分別為134.22億m3、162.73億m3和274.88億m3。計算結果的差異性主要是因為需水目標的選取以及計算方式的不同，且本文得到的最小需水量低于已有研究，可能在于本研究是依時段對流量過程進行調控，考慮了植被的生長期以及魚類產(chǎn)卵洄游的關鍵時期，在3月達到一定的流量過程，提前補充了河口的淡水資源，對水量的分配進行了優(yōu)化。

4 結 論

保障黃河口生態(tài)需水對于維持其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義，本文考慮黃河三角洲濕地生態(tài)需水、河口及近海魚類需水和河道輸沙需水等需求，將其分為非消耗性需水和消耗性需水，開展了多目標權衡，明確了以下生態(tài)需水量及流量過程方案：考慮黃河口及近海魚類洄游產(chǎn)卵和植被生長發(fā)芽的關鍵時期，在3月達到一定的流量過程，提前補充河口淡水資源，有利于為魚類的產(chǎn)卵及仔魚孵化提供保障，3月的平均最小、適宜、最大流量分別為178.9 m3/s、227.3 m3/s和1 011.4 m3/s；4—5月的最小、適宜和最大流量分別為456.91 m3/s、634.04 m3/s和 1 107.38 m3/s；其余月份的最小、適宜、最大流量分別為146.91 m3/s、559.79 m3/s和 1 107.38 m3/s，最終計算得到黃河口最小、適宜、最大總需水量分別為71.05億m3、181.51億m3、349.85億m3。

本文以有效改善黃河三角洲濕地、河口及近海區(qū)域生物生境質量并滿足河道輸沙能力為目標，基于典型植被及魚類對徑流的響應關系構建了生境模擬模型與函數(shù)型線性回歸模型，通過多目標權衡，提出了黃河河口區(qū)生態(tài)需水量及流量方案。