無錫市城市防洪大包圍生態(tài)水位探析

陳 娟，尤征懿，朱前維，朱 驪，秦建國

（江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇 無錫 214023）

生態(tài)流量（水位）是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，需要保留在河湖內符合水質要求的流量（水位），它是維系江河湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，是控制水資源開發(fā)強度的重要指標和統(tǒng)籌“三生”用水的重要基礎［1-5］。近年來，無錫市城區(qū)平原河網有規(guī)模地實施了城區(qū)河流水系的整治改造，河流湖濱加強了景觀建設，恢復了部分水生生物，河道上建造閘、壩、站等水利工程在水資源利用方面發(fā)揮著引流灌溉、防洪排澇等功能［6-7］。隨著河流水環(huán)境的逐步改善，積極開展平原河網地區(qū)河湖生態(tài)流量（水位）的研究工作，有利于保護和恢復該地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)，為河流綜合治理提供技術支持［8-9］。

1 無錫市城市防洪大包圍概況

無錫市城市防洪大包圍又稱無錫市運東大包圍，工程于2004年5月開工，至2007年10月基本完成。防洪大包圍位于無錫市中心城區(qū)，范圍西至錫澄運河，南沿京杭運河，東以白屈港控制線為界，北至錫北運河，主要保護運河以東的中心城區(qū)，保護受益面積144 km2。大包圍外圍防線68.5 km，包括32 km堤防、11座口門建筑物、8個水利樞紐工程和27臺套大型水泵，主要通過大包圍8大水利樞紐將水排入圍外河道，排澇流量415m3/s，每km2排澇模數均值達到2.88m3/s。防洪標準達到200年一遇，城市排澇標準達到20年一遇。

無錫市城市防洪大包圍由眾多二級圩區(qū)組成，主要包括北塘聯(lián)圩、西漳大聯(lián)圩、東亭大聯(lián)圩等。二級圩之間的主要河道有古運河、伯瀆港、九里河、北興塘-轉水河、嚴埭港等，這5條河道相互連通，主要承擔圩內的排澇和調水任務。

大包圍內水資源開發(fā)利用情況，控制圈內年蓄水總量約為6 765萬m3。水量來源除降水產生的地表徑流匯入外，主要依靠通過江南運河、白屈港、錫澄運河等圈外河流引調太湖水或長江水來補充水量。無錫市城市防洪大包圍調水流量、次數、數量為集中調水時調水流量控制在30~50m3/s，維持調水時為15~20m3/s，全年調水8~11個月。根據資料統(tǒng)計，大包圍多年年均調排水量約為2.40億m3。無錫市城市防洪大包圍內水資源開發(fā)利用主要功能為排澇、引水和景觀等。

2 控制斷面的確定

無錫市城市防洪大包圍內的古運河、伯瀆港、九里河、北興塘-轉水河、嚴埭港等河道無水利工程控制，相互連通，主要河道水位差不大，水面比降很小，水流緩慢。綜合考慮南門水位站的站點位置、基本情況、資料情況等因素，選擇南門水位站作為無錫市城市防洪大包圍生態(tài)水位控制斷面。

3 生態(tài)水位的確定

3.1 水文學法

水文學法是基于天然流量（水位）數據計算，默認生物已經適應天然水文節(jié)律，即參照天然水文狀況界定生物最適宜的流量（水位）的一種方法，包括蒙大拿法、排頻法、平均水位法等。由于無錫市城市防洪大包圍2007年建成投運，南門水位站2008年以后的數據可代表大包圍內水位，至2020年系列時長為13年，系列偏短不適用頻率曲線法，故本次水文學法計算采用近10年最枯月平均水位法。

采用南門水位站2010—2020年共11年的逐月平均水位數據計算生態(tài)水位。南門站月平均最低水位范圍是2.94~3.41m，其中最大值為2019年7月水位，其次為2018年2月和12月的3.39m，最小值為2014年1月。從歷年統(tǒng)計資料來看，最小月均值水位大多發(fā)生在非汛期，近年來為改善大包圍內水環(huán)境，加大了調水力度至非汛期水位有所抬高。南門水位站最低月平均水位為2014年1月，應選取該水位作為無錫市城市防洪大包圍的生態(tài)水位，即2.94m。

3.2 水力學法

水力學法主要有濕周法和R2-CROSS法。R2-CROSS法更適合自然流態(tài)河道，因此本次水力學法計算采用濕周法。濕周法是水力學法中最常用的方法，將濕周作為水生生物棲息地指標，通過控制斷面的水力學數據，建立濕周與流量（水位）的關系曲線，尋找“突變點”?！巴蛔凕c”以上，水位的變化基本不影響濕周；“突變點”以下，水位變小將減少濕周，破壞生物棲息地。該“突變點”對應的水位，即為生態(tài)水位。

3.2.1 確定控制斷面

控制斷面結合棲息地法采樣斷面進行選擇，5條主要河道各選擇1個斷面作為控制斷面。古運河選擇槐古大橋斷面，伯瀆港選擇錫興路橋斷面，九里河選擇團結大橋斷面，北興塘-轉水河選擇友誼路橋斷面，嚴埭港選擇嚴埭港橋斷面。

3.2.2 水力要素及斷面圖

確定水力要素主要是要對控制斷面進行施測，采用無人船搭載南方測繪SDE-18S自動測深儀進行大斷面的施測，測繪水位為3.75m。

3.2.3 繪制關系線尋找突變點

根據所測大斷面成果，計算各水位條件下的濕周，繪制濕周-水位關系線。以槐古大橋控制斷面為例，當水位2.70m時，濕周為40.45m，由于古運河兩岸為直立式石駁岸，水位再增加時，濕周與水位呈線性關系，因此2.70m為槐古大橋控制斷面的突變點?；惫糯髽驍嗝鏉裰?水位關系曲線如圖1。

圖1 槐古大橋斷面濕周-水位關系曲線

計算其余河道控制斷面的濕周-水位關系，成果如表1。

表1 濕周法計算5條主要河道控制斷面生態(tài)水位

選取最大值作為無錫市城市防洪大包圍的生態(tài)水位，根據上述分析可得，水力學法（濕周法）計算的生態(tài)水位結果為2.70m。

3.3 生物棲息地法

生物棲息地法是基于河道內流量增加法原理，根據生物對生境的選擇，并將該選擇定量化，進而計算生態(tài)基流（水位）的方法。本次生物棲息地法計算主要包括5個方面內容，分別為確定控制斷面，水生生物多樣性調查，生態(tài)系統(tǒng)目標物種的分析確定，利用PHABSIM模型建立目標物種適應度與流量的關系，根據生物適應度與流量的關系結合控制斷面水位流量關系曲線確定生態(tài)水位。生物棲息地法應選取水生態(tài)系統(tǒng)薄弱區(qū)域，利用薄弱區(qū)域求得的生態(tài)水位更能滿足其他整條河流的水生態(tài)系統(tǒng)的需求，因此本次斷面選取古運河（槐古大橋）、嚴埭港（嚴埭港橋）、北興塘（友誼路橋）、九里河（團結大橋）、伯瀆港（錫興路橋）等河段的控制斷面。

無錫市城市防洪大包圍內骨干河段的生物多樣性調查采樣工作，主要針對5條主要河道的控制斷面的浮游植物、浮游動物、底棲動物和魚類開展。通過對目標物種評分，采用熵權法計算指標權重，得到各種水生物評分的加權平均值，即目標指數，指數范圍為1~4分，目標指數越高的水生物，次序越靠前。本次生物棲息地法最終選擇食物鏈頂層的魚類及食物鏈較高層的底棲生物作為目標物種。計算無錫市城市防洪大包圍內主要河道控制斷面生態(tài)水位的目標物種時，除了對具有生態(tài)系統(tǒng)特色和代表性的關鍵物種進行識別外，還要從生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)級和食物鏈考慮，對食物鏈頂層的優(yōu)勢物種進行確定。通過目標物種確定體系計算出具有生態(tài)系統(tǒng)特色和代表性的目標物種，魚類為鯽魚，底棲動物為白蝦。同時，通過調查經驗確定法，考慮到物種的生活史、習性等因素，最終確定魚類目標物種為鯽魚，底棲動物的目標物種為螺螄。

通過4類指標與斷面邊界情況，建立PHABSIM模型計算生態(tài)水位和水生物生境的關系，由于5條主要河道控制斷面高程不同，以斷面邊坡平臺高程最高的槐古大橋斷面作為計算對象。鯽魚適宜生境對應生態(tài)水位為2.8~3.4m，螺螄適宜生境對應生態(tài)水位為2.75~3.3m。生物棲息地法以上述2種目標物種的生態(tài)水位最大值為最終結果，這2種目標物種生態(tài)水位最大值為3.30m。

3.4 確定生態(tài)水位

無錫市城市防洪大包圍內主要河道的生態(tài)水位計算應用了3種方法。其中，水文學法基于無錫市城市防洪大包圍建成投運后的實測水位數據，數據每年進行資料整編，精確可靠，數據系列包含了完整的豐平枯周期，比較客觀地對應了無錫市城市防洪大包圍內河道的水位在近年來水利工程科學調度后的變化情況，近10年最枯月平均水位法對于無錫市城市防洪大包圍適用性較強。

水力學方法和生物棲息地法基于無錫市城市防洪大包圍內主要河道現狀情況進行分析和計算，兩者的結果也存在一定差異性。濕周法認為只要確定出典型控制斷面的生態(tài)水位即代表整條河道的生態(tài)水位，而無錫市城市防洪大包圍內河道眾多，控制斷面不盡相同，斷面寬度為20~150m。濕周法關注的是水生生態(tài)系統(tǒng)物理層面的用水滿足度，論述的是水位需要達到河岸的潤濕要求，這樣的生態(tài)水位是對水生態(tài)系統(tǒng)空間性的較為粗放的估算。生物棲息地法雖然計算方法從水生態(tài)系統(tǒng)本身的客觀需求出發(fā)，但無錫市城市防洪大包圍內河道非自然狀態(tài)河道，水位流量均受八大樞紐調度影響。

通過上述計算，無錫市城市防洪大包圍5條主要河道生態(tài)水位采用水文學法（近10年最枯月平均水位法）計算結果為2.94m，采用水力學法（濕周法）計算結果為2.70m，采用生物棲息地法（PHABSIM模型法）計算結果為3.30m。因此經過綜合考慮，最終確定以水文學法的計算結果2.94m作為無錫市城市防洪大包圍內主要河道的生態(tài)水位值，對應控制斷面為南門水位站。

4 生態(tài)水位保障措施

為確保無錫市城市防洪大包圍達到生態(tài)水位保障目標，在發(fā)布生態(tài)水位預警時，應適當加大仙蠡橋樞紐地涵、九里河東樞紐和嚴埭港樞紐等水利工程的引調流量。根據應急調度方案，嚴格執(zhí)行水量調度計劃，加強取用水管控。遇枯水期或枯水年份，根據區(qū)域水雨情及工情，綜合考慮區(qū)域內河道生態(tài)水位（流量）保障要求，通過水量統(tǒng)一調度，努力保障無錫市城市防洪大包圍生態(tài)水位達標。每季度編制生態(tài)水位月報，統(tǒng)計南門水位站日均水位和月最低水位，為確保生態(tài)水位達到考核目標提供技術依據。

5 結語

結合平原河網地區(qū)水系特征及無錫南門站歷史資料，運用水文學法（近10年最枯月平均水位法）、水力學法（濕周法）、生物棲息地法（PHABSIM模型法），計算無錫市城市防洪大包圍河道生態(tài)水位，分析確定無錫市城市防洪大包圍生態(tài)水位為2.94m。研究多種河流生態(tài)流量（水位）計算規(guī)則，對一般具有相對完善的系列水位資料的平原河網區(qū)河流生態(tài)水位的確定具有一定的參考意義。