城市水系河流斷面生態需水量研究

孔令剛，李萌萌，郭文獻，張海濤

(1.石家莊市水利水電勘測設計研究院，河北 石家莊 050001；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

石家莊市水資源匱乏，屬于資源型嚴重缺水的地區。從近年實際發生的情況看，其缺水特征主要表現為枯水年干旱季節工程性缺水、城市資源性缺水和局部河段水質性缺水。局部地區水污染嚴重。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范圍內形成為沿河地下水污染帶[1]；同時，部分地區采用污水灌溉，農田每年施用大量的化肥、農藥等，也使得地下水的質量受到影響。由于人均水資源量少，年內年際變化大，分布不均且與生產力布局不相匹配，造成水資源開發利用與河流生態需水保障的矛盾加劇。經濟社會發展大量擠占河道內生態環境用水和地下水超采，造成滹沱河沖積扇扇緣的市區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，導致農村生活用水、部分工廠企業用水及農業灌溉用水等受到較大影響[2]。

為此，本研究的重點是維護和保障石家莊市河湖生態環境用水需求，針對滹沱河、磁河等河流水生態系統保護存在的主要問題，根據石家莊各重點流域水資源條件和水生態特點，合理調配水資源，保障生態用水需求。

1 石家莊市河流生態需水量計算

石家莊市地處河北省中南部，與保定、衡水、邢臺和山西省相鄰，居環渤海經濟區腹地，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本區。其中滹沱河最大，發源于山西省繁峙縣，源遠流長，長達540 km，流域面積3 089 km2。石家莊市是資源型缺水的嚴重地區，水資源匱乏，經濟社會用水與水資源承載能力嚴重失衡，地下水連續多年處于超采狀態，境內水系常年處于斷流狀態，河流生境面臨十分惡劣的挑戰。

1.1 河流生態需水內涵

生態需水量是指在特定時間和空間條件下，為滿足生態系統諸項功能所需水量的總稱。河流生態需水包含兩個主要特性：一方面，受到河流生態水文過程的制約，表現出隨時間和空間變化的動態特征；另一方面，生態需水具有協調各項生態系統基本功能的內涵，表現出在特定時空單元內最大限度地滿足河湖主要功能的優先選擇性，即閾值性。因此，在確定生態需水合理閾值的同時，還需要體現天然徑流的變化特征，從而滿足河流不同區段在不同時段的特定生態功能需求。

水體在生態系統中具有多種多樣的功能，所以在規定生態系統某一功能時，都應與相應的生態目標結合。規定的功能不同，相應的生態目標則不同，生態需水量也不同。在確定生態需水量之前，首先要確定生態系統的管理目標。生態需水目標設定主要考慮河道內生態系統，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。魚類是水生態系統中的頂級群落，對環境變化最為敏感，對其他類群的存在和豐度有著重要作用。魚類對生存空間(如水深、流速等)最為敏感。例如，魚類具有在水流中對流向和流速行為的反映特征，即趨流性，并以感覺流速、喜愛流速和極限流速為指標。感覺流速是指魚類對流速可能產生反映的最小流速值，喜愛流速是指魚類所能適應的多種流速值中最為適宜的的流速范圍，極限流速指魚類所能適應的最大流速值。各種魚類的感覺流速大致相同，但極限流速差別很大。無論是極限流速還是喜愛流速，都隨著體積的增大而提高。

河流生態需水針對不同的生態目標設定了不同的需水量閾值，具體包括最小生態需水量和適宜生態需水量。河流最小生態需水量指維持現有河道生態系統不再惡化，保障河道天然關鍵物種不消亡，從而保證河道生態系統基本功能不嚴重退化，必須在河道中常年流動著的最小臨界水量[4]。河流最小生態需水量隨河流自身特性、河段位置和時段范圍變化，具有時空動態變化的特征，所以必須同時考慮其總水量和徑流過程。

結合河流生態需水目標的劃定，河道最小生態需水量的生態功能目標定義為：①一般時期，首先必須保證河段不斷流，并為關鍵物種如魚類提供最小的生存和活動空間，從而防止河道生態系統發生毀滅性的破壞。②水生生物繁殖、發育等關鍵生命階段須滿足其產卵、洄游對生境條件的最低需求。

適宜生態流量指滿足河流生態系統的生物多樣性及其良好的生存條件，維持河流生態系統結構穩定和動態平衡所需的水量閾值。適宜生態流量考慮目標為水生生物，主要包括魚類生存、繁衍對水域水溫、水利特性的要求，從而能夠在不同生命階段內獲得滿足其需求的適宜棲息場所。同時，假設流量與魚類棲息地的有效性有直接聯系，魚類得到了滿足其需求的適宜棲息地場所，河流生態系統中的其他物種棲息地也得到了足夠的保護。因此，維持主要河流生態系統的完整性，可以體現在滿足魚類產卵、繁殖等關鍵生命階段對適宜棲息地的需求上。

1.2 河流生態需水計算方法

目前，關于河流生態需水的計算方法較多，總結起來可以分為：水文學法、水力學法、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”)是一種非現場測定類型的標準設定法，河道推薦流量以預先確定的年均流量百分比為基準，是一種更多依賴于統計的方法。這種方法是將平均每年自然流量的簡單百分比作為基流，以年平均流量的10%作為水生生物生長最低標準下限，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的季節性河流，而且適用于沒有水文站點的河流，可通過水文技術來獲得平均流量。為了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法評價標準進行對比分析，劃分的流量等級標準設定見表1。

表1 Tennant法推薦生態流量標準 %

2 結果與討論

2.1 計算過程

本研究計算所需水文數據采用《石家莊市水資源調查評價成果表》，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年實測徑流系列)、沙河新樂站(1959年～1984實測徑流系列)采用石家莊市水文局提供的水文站實測流量數據。采用石家莊市河流控制站多年天然月均徑流過程，并以多年月均流量過程為基準進行河道生態基流年內過程計算。石家莊市范圍內主要河流水文站的生態流量過程見圖1～5。

圖1 滹沱河黃壁莊水庫生態流量過程

圖2 滹沱河北中山站生態流量過程

圖3 沙河新樂站生態流量過程

圖4 磁河橫山嶺水庫生態流量過程

圖5 槐河馬村站生態流量過程

2.2 計算結果與Tennant法評價標準的對比

石家莊市主要河流各水文斷面的基本生態流量計算結果與Tennant法評價標準進行對比分析(見表2)。最小生態流量在一般用水期(10月至翌年3月)各個水文斷面生態流量占多年年均流量的1.2%～5.4%，根據Tennant法評價標準均處在嚴重退化的范圍，此時河道徑流量條件應保持一定的水深、流速、河寬，保障魚類生存、洄游、景觀一般要求，是保持絕大多數能夠保障水生生物短時間生存最低的流量推薦值；適宜生態流量在一般用水期占多年平均流量的8.4%～16.3%。按照Tennant法評價除馬村處在嚴重退化范圍外，其余4個斷面均處在一般范圍內。

表2 河流生態流量Tennant法評價

由表2知，魚類產卵育幼期各水文斷面最小生態流量占多年年均流量的5.1%～17.2%，除新樂斷面處于嚴重退化范圍內，其余4個斷面均處于較好的范圍中，能夠保障水生生物棲息和產卵、育幼等目標的流量需求。適宜生態流量在魚類產卵期占多年年均流量的43.7%～51.6%，均處于最佳范圍內。因此，利用Tennant法計算的生態流量與設定的分期相符，能夠保障河流生態目標的需求。

3 結 論

(1)利用Tennant法分別計算得到了滹沱河黃壁莊水庫站、滹沱河北中山站、沙河新樂站、磁河橫山嶺水庫站、槐河馬村水文站年最小生態需水量分別為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法評價標準可知，利用Tennant法計算出的最小生態流量和適宜生態流量都與Tennant法設定的分期相符，均能夠滿足河流生態目標的需求，計算結果較為合理。該研究結果可為石家莊市河道生態修復提供科學基礎參考。