平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量表征方式及核算研究
——以通榆河為例

劉洪財(cái)，丁曉雯*，蔣 詠，陳慶偉

(1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.江蘇省水資源服務(wù)中心，江蘇 南京 210029；3.水利部水資源管理中心，北京 100053)

從古至今水資源就被視為是人類賴以生存、發(fā)展所必需的生命活動(dòng)物質(zhì)，現(xiàn)在也被視為對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)起到控制性的重要因素之一，在“十四五”規(guī)劃中也提出了要提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性的目標(biāo)[1-2]。但長(zhǎng)期以來，人們?yōu)榱颂岣咦约旱纳钏剑^度開發(fā)和利用水資源，導(dǎo)致河湖水量減少、河道結(jié)構(gòu)被破壞、湖泊濕地萎縮等一系列水資源和水生態(tài)問題，而解決這些問題關(guān)鍵在于合理的確定河湖生態(tài)水量[3-6]。早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)就開始了有關(guān)河流生態(tài)水量的研究，并提出了“最小生態(tài)流量”的概念[7]。中國(guó)則是從20世紀(jì)70年代才開始對(duì)生態(tài)水量進(jìn)行探索研究，現(xiàn)也取得了許多研究成果[8]。但中國(guó)對(duì)生態(tài)水量的研究主要集中在干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)，對(duì)濕潤(rùn)的平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量的研究相對(duì)較少[9-12]。而在平原河網(wǎng)地區(qū)，由于人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，生活、生產(chǎn)用水量的增加，導(dǎo)致河流生態(tài)水量減少，在一定程度上影響了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，故現(xiàn)需對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量進(jìn)行核算與研究，以保證平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定。而研究確定平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量，不僅可以為該區(qū)域水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，而且也可以使該區(qū)域的水資源進(jìn)行更合理配置和優(yōu)化調(diào)度，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 平原河網(wǎng)地區(qū)河流特征分析

中國(guó)地勢(shì)西高東低，呈階梯狀分布，西部多為山地、高原和盆地，東部多為平原和丘陵；且中國(guó)河流眾多，但分布不均勻，河流密度總的趨勢(shì)是南方大，北方小，東部大，西部小[13]。這就導(dǎo)致中國(guó)東部平原地區(qū)地勢(shì)平坦、河流多，河道交織連接呈現(xiàn)為網(wǎng)狀，故將這種地區(qū)統(tǒng)稱為平原河網(wǎng)地區(qū)[14]。平原河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，河道縱橫交錯(cuò)，水量交換關(guān)系紊亂，河道的干支流概念模糊[15]。網(wǎng)狀水系結(jié)構(gòu)是平原河網(wǎng)地區(qū)的典型地理特征[16]，而相比樹枝狀的水系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀的水系結(jié)構(gòu)具有相互連通、比降較小、河道相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)[17]。平原河網(wǎng)地區(qū)的河流所流經(jīng)的區(qū)域大多數(shù)地勢(shì)較為平坦，從而導(dǎo)致平原河網(wǎng)地區(qū)中的河流河床較為平緩，起伏不大，坡降處于0.1‰～1.0‰，造成河流水動(dòng)力不足。且上游河道來水進(jìn)入平原河網(wǎng)中后，逐步向平面河網(wǎng)中擴(kuò)散，也使河流中的水動(dòng)力減小[14]。當(dāng)河流中的流速降低到一定程度時(shí)，河水中攜帶的泥沙逐步沉積，形成巨大的堆積層，使水流的流速變得更小。總而言之，在平原河網(wǎng)地區(qū)的河流水動(dòng)力較小，從而導(dǎo)致流速緩慢。中國(guó)的平原河網(wǎng)地區(qū)大多屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，處于流域下游，有充沛的水資源。網(wǎng)狀的水系結(jié)構(gòu)，使得水量交換頻繁，加上水動(dòng)力的不足，導(dǎo)致平原河網(wǎng)地區(qū)的河流水流流速小，水位變化不顯著，流向隨機(jī)變化不定[15]。

2 平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量的表征方式的確定

目前，對(duì)生態(tài)水量的研究對(duì)象主要分為河流和湖庫(kù)兩大類。一般來說采用生態(tài)流量(m3/s)作為河流生態(tài)水量的表征方式；采用生態(tài)水位(m)作為湖庫(kù)生態(tài)水量的表征方式。相關(guān)的研究見表1。

通過第1節(jié)中對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)河流特征分析可知，平原河網(wǎng)地區(qū)的河流縱橫交織連接，水流流速緩慢，水流往復(fù)流動(dòng)，水位變化不顯著，流向、流態(tài)隨機(jī)變化不定。若還采用生態(tài)流量表征平原地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)功能所需要的水量及其過程，則難以對(duì)核算，更難以對(duì)其監(jiān)管和保障。而生態(tài)水位是對(duì)湖泊濕地等緩慢或不流動(dòng)水域生態(tài)需水的特定表達(dá)。且由于平原河網(wǎng)地區(qū)河流較多，缺少對(duì)每條河流流量的監(jiān)測(cè)，加上水流往復(fù)流動(dòng)，對(duì)流量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)也較難實(shí)現(xiàn)，而對(duì)河流的水位監(jiān)測(cè)較為方便可行。因此本文認(rèn)為對(duì)于平原河網(wǎng)地區(qū)相對(duì)于生態(tài)流量采用生態(tài)水位來表征河流的生態(tài)水量更為合適。

3 通榆河生態(tài)水位的研究

3.1 通榆河概況

通榆河南起南通市九圩港，北至連云港市贛榆縣，全長(zhǎng)415 km，是江蘇省江水東引北調(diào)工程的重要組成部分，是繼京杭大運(yùn)河之后江蘇省的第二條南北走向的千噸級(jí)航道。通榆河也是沿海地區(qū)的“清水廊道”，是沿線1 000多萬(wàn)城鄉(xiāng)居民主要的飲用水源，肩負(fù)著沿海墾區(qū)、渠北地區(qū)供水重任，在沿海發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位[26]。而江蘇省作為中國(guó)平原面積占比最高的省份，平原面積占比達(dá)70%；且江蘇省境內(nèi)河湖眾多，水域面積占比達(dá)16.9%，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)[27]。故本文選取江蘇省內(nèi)的通榆河為例，對(duì)其里下河區(qū)內(nèi)的阜寧(通)斷面進(jìn)行生態(tài)水位的核算研究，從而為平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量表征方式的研究提供參考依據(jù)，其水文站具體位置及周邊水系見圖1。

3.2 歷年觀測(cè)水位分析

通榆河阜寧(通)水文站位于通榆河與射陽(yáng)河交匯上游，可以監(jiān)測(cè)通榆河匯流到射陽(yáng)河的水量，并且具有較為詳細(xì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)所獲得的阜寧(通)水文站1988—2019年(無(wú)1998—2002年)以廢黃河基面為水位基面的逐日平均水位資料，可以求得歷年311個(gè)月的月平均水位，見圖2，由圖可以看出阜寧(通)斷面的歷年月平均水位較為平緩且有逐漸下降的趨勢(shì)。而通榆河阜寧(通)斷面也是江蘇省第一批試行的河湖生態(tài)水位的斷面，所以本研究選擇通榆河阜寧(通)斷面來開展通榆河生態(tài)水位的研究。

圖1 通榆河阜寧(通)水文站周圍骨干河道水系

圖2 歷年月平均水位散點(diǎn)圖

根據(jù)獲取的阜寧(通)水文站逐日平均水位資料計(jì)算得出逐月平均、最高、最低水位，結(jié)果見表2。

由表2可知，通榆河阜寧(通)斷面的逐月月平均水位中7月份的月平均水位最高，為0.90 m；6月份的月平均水位最低，為0.60 m。根據(jù)多年的逐日平均水位資料可知，多年的最高日平均水位是在2006年7月5日達(dá)到的2.38 m，多年的最低日平均水位是在1997年6月29日里下河地區(qū)特大干旱時(shí)出現(xiàn)的-0.84 m，導(dǎo)致通榆河水面降至廢黃河基面以下出現(xiàn)負(fù)水位[28]。6月份的月平均水位最低并且出現(xiàn)了歷年最低水位，這是由于通榆河作為鹽城市農(nóng)業(yè)灌溉主要供水水源，而鹽城又是農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)業(yè)用水占總用水的70%，6月份又是大秧栽插期[29]，農(nóng)業(yè)用水的增加而導(dǎo)致河流的水位已經(jīng)無(wú)法滿足河流生態(tài)系統(tǒng)最低生態(tài)水位的需求，故需對(duì)通榆河最低生態(tài)水位進(jìn)行確定，以保證通榆河生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

根據(jù)表2的逐月平均水位序列計(jì)算其均值、均方差、變差系數(shù)。經(jīng)計(jì)算可得多年平均水位為0.73 m，均方差為0.08 m，變差系數(shù)為0.11，表明通榆河阜寧(通)斷面各月的月平均水位在多年平均水位兩旁分布比較集中，其離散程度小，月平均水位變化不大。由3個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)也反映出了通榆河阜寧(通)斷面具有平原河網(wǎng)地區(qū)水位變化不顯著的特征，故采用生態(tài)水位來反映阜寧(通)斷面及通榆河的生態(tài)水量是比較適宜的。

表2 阜寧(通)逐月平均、最高、最低水位 單位：m

3.3 阜寧(通)斷面生態(tài)水位的計(jì)算方法

河湖生態(tài)水位的計(jì)算方法有近10年最枯月平均水位法、排頻法、湖泊形態(tài)分析法、濕周法、生物空間法等[30]。近10年最枯月平均水位法和排頻法是傳統(tǒng)的水文學(xué)方法，需要根據(jù)歷年實(shí)測(cè)水位還原為天然水位，而平原河網(wǎng)中的河流由于水量交換關(guān)系紊亂，且目前通榆河幾乎完全受人工調(diào)控，已經(jīng)無(wú)法對(duì)其水位進(jìn)行還原計(jì)算，故近10年最枯月平均水位法和排頻法無(wú)法用于計(jì)算阜寧(通)斷面的生態(tài)水位；湖泊形態(tài)分析法適用于計(jì)算湖泊的生態(tài)水位，而不適用于計(jì)算河流的生態(tài)水位；濕周法和生物空間法是根據(jù)河流的大斷面資料和各類生物資料進(jìn)行生態(tài)水位的計(jì)算，無(wú)需對(duì)歷年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原計(jì)算，且也適用于計(jì)算河流的生態(tài)水位，故本文選取濕周法和生物空間法來計(jì)算通榆河阜寧(通)斷面的生態(tài)水位。

3.3.1濕周法

濕周法是利用濕周作為水生物棲息地指標(biāo)，通過采集河道的尺寸及對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)，分析濕周與水位之間的關(guān)系，建立濕周-水位的關(guān)系曲線[30]。濕周法也是水力學(xué)法中最常用的方法，只要選取的斷面穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果基本不受人們活動(dòng)的影響。在水位濕周關(guān)系穩(wěn)定情況下，河道斷面的濕周通常會(huì)隨著水位的增加而逐漸增加，但濕周大于某臨界值時(shí)，隨著水位的增加濕周變化緩慢。從生態(tài)學(xué)角度看，這就是意味著當(dāng)水位大于這一臨界值，生物群落對(duì)水位的變化不敏感；小于這一臨界值時(shí)，生物群落對(duì)水位的變化較為敏感[31]。為保證河流的正常生態(tài)功能，河道至少應(yīng)維持這一臨界水位，也就是最低生態(tài)水位。確定濕周水位關(guān)系的這一臨界點(diǎn)傳統(tǒng)方法有曲率法和斜率法[32]；或選取河流多年平均水位作為基準(zhǔn)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的濕周為R，將該濕周R的80%時(shí)對(duì)應(yīng)的水位作為河道的最低生態(tài)水位[30]。

3.3.2生物空間法

生物空間法是基于河流各類生物對(duì)生存空間的需求來確定河流的最低生態(tài)水位。該需求不是各種生物生存最小空間的疊加，而是取生物生存最小空間的最大值[30]。其最低生態(tài)水位可采用式(1)計(jì)算：

(1)

河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)有多類生物，主要包括：魚類、藻類、浮游植物、浮游動(dòng)物、水生植物和底棲動(dòng)物等[33-35]。而將河道內(nèi)所有生物所需的最小生存空間全部確定較為困難，也較為難以實(shí)現(xiàn)。因此，選擇河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的指示生物作為關(guān)鍵物種，認(rèn)為指示生物的生存空間得到滿足，其他生物的最小生存空間也得到滿足。與其他的類群相比，魚類作為河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的頂級(jí)群落，對(duì)其他類群的存在有著重要作用，加之魚類對(duì)生存空間最為敏感，故將魚類作為指示生物[36-37]。其最低生態(tài)水位采用式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Heminf=H0+Hf

(2)

式中Heminf——魚類所需的河流最低生態(tài)水位，m；H0——河底高程，m；Hf——魚類生存所需的最小水深，m。

4 計(jì)算結(jié)果與合理性分析

4.1 濕周法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)阜寧(通)站實(shí)測(cè)大斷面資料，繪制出的大斷面見圖3，由圖可知河流的斷面形狀為拋物線形。利用實(shí)測(cè)大斷面資料計(jì)算不同水位下對(duì)應(yīng)的濕周，然后得到水位-濕周關(guān)系曲線，見圖4。

圖3 阜寧(通)站大斷面

圖4 阜寧(通)站水位-濕周關(guān)系曲線

研究表明，曲率法在某些斷面情況下得到的濕周偏小，而斜率法中斜率的選取受坐標(biāo)尺度的影響，存在較大的不確定性[38]。故本文選取濕周R的80%對(duì)應(yīng)的水位為濕周法求得的生態(tài)水位[30]。由3.2節(jié)可知阜寧(通)站的多年平均水位為0.73 m，根據(jù)圖4可知，對(duì)應(yīng)的濕周R=48.65 m，而濕周R的80%對(duì)應(yīng)的水位為0.20 m。故0.20 m為濕周法所求的最低生態(tài)水位。

4.2 生物空間法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖3可知，通榆河阜寧(通)斷面的河底高程為-2.60 m。通榆河的典型魚類以草魚、鯉魚、鰱魚、鯽魚為主[34]。對(duì)于魚類而言，不同種類的魚對(duì)水深的要求也不同，其中鰱魚是上層典型魚類，適宜生存水深為1.50 m；草魚、鯉魚和鯽魚是中下層典型魚類，適宜生存水深為1.00 m[35]。而河流也作為魚類洄游的重要通道，其河道斷面的最大水深必須滿足魚類洄游的需要。國(guó)內(nèi)外對(duì)魚類洄游通道的研究表明，其所需的最小水深約是魚類體高的3倍[37,39]。但由于缺乏魚類體高資料，故對(duì)其所需的最大水深進(jìn)行粗估，取通榆河魚類體高為30 cm，則魚類通道所需水深為0.90 m[40]。綜上，魚類生存所需的最小水深為1.50 m，利用式(2)計(jì)算可得魚類所需的河流最低生態(tài)水位為-1.10 m。

4.3 阜寧(通)斷面最低生態(tài)水位推薦值及合理性分析

根據(jù)上述2種方法的計(jì)算結(jié)果可知，其中濕周法和生物空間法所求的最低生態(tài)水位值分別為0.20、-1.10 m。通過從不同的角度對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，見表3，本文認(rèn)為濕周法求得的0.20 m為通榆河阜寧(通)斷面最終的推薦值較為合適。

在2019年，江蘇省水利廳為了進(jìn)一步加強(qiáng)河湖水資源的統(tǒng)一管控，加強(qiáng)水量合理分配，強(qiáng)化河湖生態(tài)水位監(jiān)測(cè)和預(yù)警，明確了通榆河等河流及寶應(yīng)湖等湖庫(kù)在內(nèi)的江蘇省第一批河湖生態(tài)水位要求，并發(fā)布了《省水利廳關(guān)于發(fā)布我省第一批河湖生態(tài)水位(試行)的通知》(蘇水資〔2019〕14號(hào))。該文件要求通榆河阜寧(通)控制斷面的最低生態(tài)水位為0.20 m。將本文對(duì)通榆河阜寧(通)站最低生態(tài)水位的計(jì)算結(jié)果與江蘇省水利廳發(fā)布的文件中規(guī)定的通榆河阜寧(通)斷面的最低生態(tài)水位對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文的計(jì)算結(jié)果與文件中規(guī)定值相等。且考慮到今后的工農(nóng)業(yè)節(jié)水和生態(tài)環(huán)境的改善，本研究提出的最低生態(tài)水位的推薦值也較為合理。由此證明本文采用生態(tài)水位來表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量的方式是合適的，采用濕周法和生物空間法來計(jì)算最低生態(tài)水位也是可靠的，最終確定的推薦值也是科學(xué)可信的。

表3 最低生態(tài)水位推薦值分析

5 結(jié)語(yǔ)

通過分析平原河網(wǎng)地區(qū)河流特征分析以及國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)水量的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)生態(tài)流量不適合用于表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量。基于平原河網(wǎng)地區(qū)河流的水流流速緩慢、水位變化不顯著、水流往復(fù)流動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)目前水文觀測(cè)現(xiàn)狀，提出利用生態(tài)水位來表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)水量更為合適。選取平原河網(wǎng)地區(qū)的通榆河為例，用濕周法、生物空間法對(duì)其阜寧(通)斷面的最低生態(tài)水位進(jìn)行了計(jì)算分析，最終提出其最低生態(tài)水位推薦值為0.20 m。與江蘇省水利廳印發(fā)的《省水利廳關(guān)于發(fā)布我省第一批河湖生態(tài)水位(試行)的通知》(蘇水資〔2019〕14號(hào))中對(duì)通榆河阜寧(通)斷面最低生態(tài)水位規(guī)定值的對(duì)比，表明：本文提出的用生態(tài)水位來表征平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)水量及計(jì)算結(jié)果合理可靠，從而為通榆河今后的生態(tài)水量的確定與保障提供參考依據(jù)，也為平原河網(wǎng)地區(qū)的河流管理與水量調(diào)度提供了新的思路。