蘇北平原河流生態水位確定與保障措施研究

王振祺，方紅遠*，許廣東，朱 曄，王鋮潔

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009;2.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局，江蘇 宿遷 223800)

2019年2月，水利部辦公廳印發了《重點河湖生態流量(水量)研究及保障工作方案的通知》，將一批重要的河湖斷面分選出來并對其編制生態流量保障實施方案，逐河(湖)實施監管，并對年度實施情況進行評估[1]。目前，最小生態流量(水位)被定義為“維持河湖給定的生態環境保護目標所對應的生態環境功能不喪失，需要保留在河道內的最低水位(流量)”，作為明確河湖生態流量閾值的基礎，其對河道內生態系統健康的維持至關重要;通過嚴格管控河湖生態流量(水位)以保障區域水環境安全，對有效落實生態文明建設全局工作具有積極作用[2]。

近年來，蘇北平原河網地區有規模地實施了域內河流水系的整治改造計劃，雖然河流湖濱加強景觀建設，恢復了部分水生生物，但局部區域或河段過于強調城市景觀，基于河湖水系連通與生態功能有機結合的規范化的開發利用行為不夠深化，使得河網區域堤岸硬質化以及河濱濕地特征發生變化，其一定程度上也導致了水生生態系統退化，生物多樣性偏低，系統的生態穩定性差，平原河網水系的水動力仍顯不足。另外，雖然河道上閘壩站等水利工程在水資源利用方面發揮著引流灌溉、防洪排澇等功能，但閘壩站也使得河流天然流態轉變為人工流態，降低了河流的連通性與河道的調蓄作用，干擾了河流的天然水循環過程，引起河流部分生物群落消失，造成了嚴重的水污染和生態系統健康問題[3-4]。

因此，需要在充分分析平原河網生態流量管控形勢與挑戰的基礎上，運用有效方法計算河道生態流量(水位)閾值，并根據新時期河湖生態流量管控總體路線，提出加強河流生態流量管控對策措施，以科學確定河道生態流量目標，建立完善生態流量管控長效機制。本文以蘇北平原地區總六塘河為研究對象，考慮河道生態流量(水位)管理的實際情況，采用分段設計與綜合計算法確定其相應的生態水位閾值，并分析河流生態水位(流量)目標管控的相關方法及措施，以便為進一步推進研究區河湖生態流量保障提供技術支撐和參考。

1 研究區域概況

總六塘河位于江蘇省宿遷市境內，起點位于洋河灘閘，末端與淮沭河平交，穿淮沭河后與北六塘河等河道匯入灌河，流入黃海。宿遷市水資源公報顯示，該市多年平均降水量909.6 mm，年內分配也不均勻，年平均約68%的年降水集中在5—9月。

總六塘河作為沂南地區區域排澇的主要河道，承擔宿豫區和泗陽縣區間排澇及灌溉任務，河道全長76 km，流域面積691 km2(圖1)。該河所處流域屬于典型的平原河網地區，河道縱橫，地勢平坦，河網高度發育。

圖1 總六塘河地理位置及水文站布設

2 河道生態水位閾值的確定

2.1 河道生態水位計算的分段設計

經對河道現行運行管理狀況發現，總六塘河上游段通過六塘河閘常年與中運河保持聯通，且相關翻水站可將中運河水源調蓄至總六塘河，因而可以將此區間段內中運河生態水位限值應用到總六塘河上游段生態水位;總六塘河下游段(始自河道上的苗沖橡膠壩)與淮沭河平交，因而下游段水位與淮沭河持平。綜上所述，結合江蘇省水利廳發布的《全省第一批河湖生態水位(試行)》，現以六塘河閘以及苗沖橡膠壩作為分段點，將總六塘河劃分為上游段(洋河灘閘—六塘河閘，河長6 km)、中游段(六塘河閘—苗沖橡膠壩，河長33 km)、下游段(苗沖橡膠壩—與淮沭河交口處，河長37 km)3個區段進行生態水位(流量)計算以及管控措施分析。原則上，上游段以及下游段的生態水位閾值按《江蘇省第一批河湖生態水位(試行)》中的中運河(劉老澗閘皂河閘段的劉老澗閘上斷面)以及淮沭河沭陽閘上(由沭陽閘上生態控制水深推求的總六塘河與淮沭河交界斷面處水位)的生態水位值確定，而中游段的生態水位閾值的計算則選用復隆站監測斷面的數據作為依據。

2.2 中游段河道生態水位計算與確定

生態流量的基本保護措施是盡可能維持河流的天然流態，所以可通過河流水文變化指標和生態流量滿足率等多種方式來判斷河流的健康程度[5-6]。河流生態流量(水位)的常用計算方法有水文學法、水力學法、棲息地模擬法、整體法等。Richter等[7]提出根據不同水文變化指標判斷水文變化特征的RVA法，該方法根據5種不同的水文情勢基本特征，將33個水文參數劃分為綜合流量、時間、頻率、延時和改變率5個方面，從不同角度評價河流的水文情勢改變程度。同時在該法的基礎上，延伸出多種定量評價河流水文情勢變化方法，如DHRAM[8]法，直方圖匹配法(HMA)等[9]。Jiang等[10]根據宜昌、漢口、大通等長江干流的7個水文站1980—2012年的觀測數據，用RVA方法評估了三峽大壩對長江中下游水情的影響，得出通過水庫調蓄作用對徑流變化率和年極端流量的影響較大的結論，且距離三峽大壩越遠，影響程度就越弱。顧西輝等[11]基于IHA 指標計算的整體水文改變度和DHRAM法評價東江流域受水庫影響后河流水文過程的總體改變程度，其研究結果表明東江流域重要水文站的總體改變度超過50%，DHRAM 評價也在中等影響以上。Ma等[12]提出一種基于生態流量閾值的河流水文健康評價方法，分析了生態流量維護對河流健康狀況保障的基礎作用。黃廣勇等[13]用最低生存水深、60%濕周率、90%保證率年最低水位等分析了鹽城市主要河道水文控制斷面的生態水位。

蘇北平原河網區河流具有河面平靜，河道內流量、流速較小，河流水動力普遍較弱等典型特征，由于各地區河流流域各具特點，匯集水區情況多復雜樣，加上研究區域內許多河流的實時水文測驗數據有限，一般都無法選用傳統的河道生態流量計算方法，運用湖泊生態水位計算方法借以完成相關計算工作[14];同時考慮轉化傳統河流生態流量計算方法中對流量的運用，利用洋河灘閘、復隆水文站的歷年的水位數據，來計算總六塘河的生態水位閾值。鑒于宿遷市域范圍內河道水流特征，并借鑒相關平原河流生態水位(流量)分析文獻中有關計算方法，本文選用90%年最低水位、濕周法、最小月平均水位、生存最小水深4種方法重點對總六塘河中游段的控制斷面生態水位進行分析。

2.2.190%年最低水位法

代表頻率最低水位法是對長系列逐日平均水位經驗點據進行配線。通過對中游段的復隆水文站水文資料的三性審查，現選擇該水文站2013年4月至2020年9月的逐日水位系列資料進行分析，通過計算對應經驗頻率并觀察吻合程度，選取相應保證率對應水位。其中計算經驗頻率見式(1)：

(1)

式中m——月平均水位排列序數;n——樣本容量。

另外配線法需要選定CS、CV和頻率P，并利用式(2)：

(2)

式中Kp——模比系數；Xp——經驗點據對應值。

根據總六塘河上布設的水文站水文資料與總六塘河的分段情況，用90%頻率年最低水位對復隆控制斷面的生態水位進行分析，結果見表1。

護理干預完成之后，對兩組患者VAS疼痛度評分比較，觀察組患者的疼痛度顯著低于對照組，患者舒適度情況更高，差異具有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表1 復隆站90%保證率最低水位計算結果

由繪制的水位頻率曲線分析，在最佳擬合條件下，經驗點據大部分落在理論頻率曲線上，擬合度高達0.984 3，因此，復隆水文站斷面的90%頻率水位為8.96 m。

2.2.2濕周法

根據前述復核審查后的復隆水文站實測斷面圖及日水位監測資料，首先計算出水深，并乘以邊坡系數得到坡寬，計算時應注意該斷面為復式斷面，不同水位對應的水深情況下，邊坡系數有所不同，因此需要分部計算。接著利用直角三角形邊長公式計算得到邊坡長度，最后加上坡底寬度就能計算出該水位對應的濕周。河道的濕周-流量數量關系可通過曼寧公式來計算：

(3)

式中Q——斷面瞬時流量，m3/s;n——粗糙系數;S——河道比降;P——濕周，m;A——過水斷面面積，m2。

以90%年最低水位法所用復隆水文站相同水位系列資料進行分析，將計算得出的濕周數據與水位監測數據對應起來，描繪關系曲線，該濕周-水位關系曲線上的拐點為(115.76，11.69)，所以濕周為115.76 m時對應的水位即為，所求生態水位為11.69 m。圖2為計算分析得出的總六塘河復隆斷面濕周—水位關系曲線。

圖2 總六塘河復隆斷面濕周-水位關系

2.2.3最小月平均水位法

(4)

最小月平均水位法顧名思義，即以最小月平均實測水位的多年平均值作為河流的基本生態水位，據復隆水位監測斷面資料顯示，最小月平均水位為2013年4月的8.73 m，最大月平均水位為2017年12月的9.08 m，兩者水位相差0.35 m。

生存最小水深法將水生生物適應的水力生境作為確定合適的水位(流量)的根據，并在以水深作為生境參數指標時，選用魚類體長的2～3倍作為最小生存水深?？偭梁优c駱馬湖相通，參考駱馬湖水域其中魚類37科148種及其本區域多年魚獲實際統計數據，總六塘河成年魚大多體長在0.3 m左右，根據《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南》〔環評函(2006)4號，由國家環境保護總局辦公廳，2006年〕以及魚道相關研究成果，最終將生存最小水深定為0.9 m。將復隆斷面河底高程6.22～6.66 m與生存最小水深加和得最低生存水位7.12～7.56 m。

2.2.5中游段生態水位閾值確定

針對總六塘河中游段，比照上述4種生態水位計算方法所得計算成果(表2)，復隆站斷面的計算生態水位從低到高依次為：生存最小水位法、最小月平均水位法、90%年最低水位法、濕周法。生存最小水深法計算所得水位偏低，低于控制斷面的歷史最低水位，而濕周法計算所得水位偏高;因月平均水位年際間相差較大，最小月平均水位易受到特殊情況的影響，在90%年最低水位法和最小月平均水位計算得到的生態水位較為接近的情況下，綜合考慮上述情況，選取90%年最低水位法計算成果(8.96 m)作為復隆控制斷面(中游段)的生態水位閾值。

表2 總六塘河生態水位計算成果

2.3 河道生態水位閾值確定

綜合前述生態水位相關確定原則和采用的計算方法成果，并結合江蘇省水利廳發布的《全省第一批河湖生態水位(試行)》中生態水位目標控制值，現確定總六塘河生態水位目標值(生態水位閾值)為：①上游段(洋河灘閘—六塘河閘)的生態水位閾值參照中運河劉老澗閘至皂河閘段生態水位值，為17.4 m;②中游段(六塘河閘—苗沖橡膠壩)的生態水位閾值以前述計算成果為基礎，取值為8.96 m;③下游段(苗沖橡膠壩—宿遷與淮安交界處或與淮沭河匯交處)的生態水位閾值，原則上應由淮沭河(沭陽閘上)生態水位值(7.5 m)相應的水深加總六塘河與淮沭河相交處附近的河道底部高程確定，但據資料分析，總六塘河下游段靠近淮沭河的河底高程一般在5.0 m左右，鑒于此，下游段河道生態水位閾值可取7.5 m。

3 總六塘河生態水位目標保障措施分析

3.1 河道生態水位(流量)管控須綜合運用工程性與非工程性措施

總六塘河生態水位(流量)管控目標的實現，必須采用工程性措施與非工程性措施相結合的策略。工程性措施更多地需要考慮河道水文、氣象、水資源開發利用狀況、水利工程建設等實際情況，因地制宜地規劃設計相關工程項目，但主要應包括河道疏浚整治工程、生態功能區建設工程、水資源配置與河道水量調控工程、河湖水系連通工程、生態植被維護與水土保持工程、河道生態調度監測系統工程等。非工程性措施可以主要從嚴格依法依規調度河道水量、健全河流聯通聯控聯調體系、建立健全供用水補償機制、加強建設區域及部門溝通協調機制、加強江河生態流量落實監督考核、加強河道取用水許可監督管理等方面加以考慮和制定。

3.2 構建完善可行的生態流量管控制度

在現有水資源管理與水生態管護機制條件下，構建包含目標需求層、信息基礎層、決策支撐層和核心制度層等內容的生態流量管控制度體系是客觀必要的。目標需求層是指生態流量管控要素(管控主體、目標、措施等);生態流量管控基礎層應主要包括法律法規、指標體系、標準規范等;決策支撐層是指水資源有償使用制度、水生態補償制度等制度體系，它們在生態流量管控工作中發揮決策支撐作用;核心制度層的構建則應以目標需求為導向，堅持始終將制度保障貫穿生態流量管控工作全過程的原則[15]。

3.3 建立河道生態流量保障長效機制

努力建成宿遷市域內主要河湖生態流量現代化管控系統，實時掌握河道主要控制斷面生態流量保障情況，切實保護河流生態健康。強化生態文明與河湖生態流量(水位)保障意識，要求市、縣(區)各級水行政主管部門高度重視河湖生態流量保障工作，明確河湖生態流量管控的目標任務、責任主體、工作措施、責任人，切實解決制約人民享受優美環境的難點。按照國家、省、市有關要求，盡快出臺關于科學合理開發河湖水資源、水環境方面的指導意見，在取水許可審批、環評審批、水生生物影響分析方面均對水利水電項目的生態流量(水位)或最小下泄流量提出了要求。以此建立河湖生態流量保障長效機制[15]，以確保河湖生態流量得到有效管控。

3.4 加快生態流量和取水量信息監測系統與生態水位目標保障預警系統建設

緊密配合江蘇省水資源調度管理信息系統建設，在國家水資源監控平臺框架下，盡快建設宿遷市河湖生態流量(水位)在線監測設施，將河湖生態流量在線監測數據接入監控平臺，動態掌握市域范圍內主要水體的生態流量(水位)保障情況，為建立健全生態流量監測預警機制奠定良好基礎。根據宿遷市水資源綜合規劃及配置調度方案成果，及《宿遷市生態河湖行動計劃(2018—2020年)》等文件要求，切實執行宿遷市域河湖生態流量調度策略。首先啟動枯水期河道生態流量(水位)全面監測，進一步完善河道水文監測數據庫;積極配合國家水資源監控能力建設項目實施計劃，擴大農業、工業、自來水廠取水量在線監測范圍，提高河道外各行業取水量以及河道相交支流的分水在線監測比例，以提高全市水資源安全保障水平。

構建基于實時水文監測數據與生態流量(水位)閾值的河道生態目標保障預警系統，預警方案可根據事件發生概率分為常規狀態、特殊狀態下的對應方案[16]。根據生態水位的實時監測與構建的預警系統及其河道生態水位狀態保障預警方案，可設計預警系統發出低級預警信號、中級預警信號和高級預警信號，并針對不同警度等級，適時采取應對策略。當面臨極端干旱年、大型水利設施運行故障或水體嚴重污染等情況的特殊預警狀態時，由于此時供水嚴重不足，生態系統可能受到不可逆轉的影響，則水主管部門及授權機構應組織實施應急調度，合理安排用水計劃，確?？刂茢嗝媪髁糠弦幎ǖ目刂浦笜恕?/p>

3.5 加強河湖生態流量(水位)落實情況監督考核

加強考核是推動工作的有效方法。按照國家和省級水資源考核要求，將河湖生態流量管控納入最嚴格水資源管理制度和河(湖)長制雙重考核范疇，督促縣(區)政府及水主管部門切實履行河湖生態流量(水位)管控職責。通過嚴謹規范的水利綜合督導制度，加強監督檢查，并以“一縣(區)一單”方式將突出問題反饋給相關地方政府和部門。同時，加強河湖生態流量(水位)監測結果運用，按照約談、通報、問責等不同整改等級予以督辦，確保各責任單位嚴格落實生態流量(水位)管控要求。

3.6 探索水生態空間確權工作以保障河道生態流量管控目標實現

《自然資源統一確權登記暫行辦法》規定，以水流作為獨立自然資源登記單元的，依據全國國土調查成果和水資源專項調查成果，以河流、湖泊管理范圍為基礎，結合堤防、水域岸線劃定登記單元[17]。并且由于該項工作性質，應建立政府主導、部門協同的工作機制，系統構建河流、湖泊管理范圍劃定標準以推進河流、湖泊管理范圍的劃定工作。水生態空間確權工作可以保障河道生態流量管控目標的有效實現，作為地市一級的宿遷，如能扎實推進水域、岸線等水生態空間確權探索工作，不失為一種先行先試的超前努力。

4 結論

針對平原河網區河流的水文屬性、水動力特征以及可獲得的水文實測資料條件等，采取90%年最低水位法、濕周法、最小月平均水位法、生存最小水深法等4種方法從不同角度分別計算了研究區河流的生態水位閾值，并根據計算結果與實際水位監測數據、河流生態需水日常狀態、河流生態目標管控運行情況等資料的對比分析，綜合選擇出可用于研究河流生態流量(水位)實際管控過程的更適宜、更合理的生態水位目標值。從構建完善可行的生態流量管控制度、建立河道生態流量保障長效機制、加快生態流量和取水量信息監測系統與生態水位目標保障預警系統建設、加強河湖生態流量(水位)落實情況監督考核等方面分析了河流生態水位(流量)目標保障的具體措施。文中所采用的結合多種河流生態流量(水位)計算規則的綜合確定法，對一般具有相對完善的長系列水位資料的平原河網區河流生態需水量計算及其保障體系構建具有參考意義;但如何結合考慮不同河段物理特征、水生生物種類及其目標物種需求、分段河流水量水質管理以及生態流量-水位內涵關系轉化、水文過程不確定性等多因素的平原河流生態流量(水位)計算分析方法還有待進一步探索。