平原河網區生態流量閾值研究
——以江漢平原典型河流為例

閆少鋒，熊 瑤，吳可怡，劉 昱，李芊芊，張 翔

（1.湖北省水利水電規劃勘測設計院有限公司，430070，武漢；2.長江設計集團有限公司，430010，武漢；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，430072，武漢；4.武漢大學海綿城市建設水系統科學湖北省重點實驗室，430072，武漢）

保障河湖生態流量，事關江河湖泊健康，事關生態文明建設，事關高質量發展。生態流量在水資源管理和生態文明建設中占據重要地位，研究生態流量理論和確定方法對我國生態文明建設具有重要的科學意義。實現“還給老百姓清水綠岸、魚翔淺底的景象”目標的重要前提，是持續保障與河湖生態保護要求相適應的水文條件，全面做好河湖生態流量確定與保障。2015年國務院印發《水污染防治行動計劃》，明確提出：“科學確定生態流量”，“維持河湖生態用水需求，重點保障枯水期生態基流”。2021年3月1日起施行的長江保護法明確規定：“建立健全長江流域水環境質量和污染物排放、生態環境修復、水資源節約集約利用、生態流量、生物多樣性保護、水產養殖、防災減災等標準體系”，“提出長江干流、重要支流和重要湖泊控制斷面的生態流量管控指標”。水利部2023年水資源管理工作要點強調要加強河湖生態流量保障工作，逐級建立健全生態流量管理責任體系，壓實生態流量監管責任。2023年3月，《長江流域控制性水工程聯合調度管理辦法（試行）》正式施行，要求長江流域控制性水工程實施水資源調度，應保障基本生態用水。2024年1月，《中共中央 國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》要求建立河湖水生態考核機制，強化水資源統一調度，保障河湖生態流量。

平原河網區通常為居住人口密集、經濟發展快速的地區，區域地形平坦，河流流速平緩。近年，受氣候變化、人為活動干擾以及經濟社會發展的影響，平原河網區水量減少、水質惡化、水生態退化等問題突出，河網水功能受到嚴重損害，影響了區域內經濟發展和生態健康。當前，盡管已有對平原河網區生態流量計算的相關研究，但是適合平原河網區地勢平坦、水動力條件弱、水質較差、閘壩等人工調節措施較多等復雜條件的生態流量計算方法尚不成熟。本文以湖北省江漢平原典型平原河網區為研究對象，開展平原河網區河流生態流量閾值研究，從河流基本生態保障、水生態環境保護等方面的綜合需求進行考慮，對河流的年尺度、月尺度以及典型時段的生態流量進行研究，以期為平原河網區生態流量閾值計算提供借鑒。

一、平原河網區生態流量研究進展與內涵

我國生態流量的研究起源可以追溯至國外在20世紀70年代提出的環境流（Environmental Flow）。在多種環境流量的定義中，受水文情勢變化影響的因素除了河湖生態系統以外，還涉及社會經濟用水、景觀美學價值、文化特征等多種因素。國內常用的另一個名詞是生態環境需水，豐華麗、楊志峰等指出生態環境需水是保證某種生態系統結構與基本功能、生態服務功能和特殊功能完整性所需要的一定質量的水量，基本含義與生態流量、環境流相近。以國務院頒布《水污染防治行動計劃》要求“科學確定生態流量”為起點，我國對生態流量概念內涵進行重新認識與系統研究；以2020年水利部頒布《水利部關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》為標志，生態流量成為水資源管理與河湖生態保護治理的重要內容。

盡管生態流量計算理論、方法已相對成熟，但大部分生態流量研究主要針對歷史水文數據進行統計分析，或者基于某一方面的流量需求開展研究，缺乏針對目前水資源主要問題開展的綜合性生態流量研究，平原河網區生態流量研究尤其不足，計算方法不成熟。張金池認為河網生態環境需水量是在特定的時間和空間為滿足特定服務目標的變量，它是能夠在特定水平下滿足河網系統諸項生態環境功能所需水量的總稱。劉洪財、方萍針對平原河網區生態流量難以確定的問題開展研究，并提出以水位作為生態水量表征河流生態流量的建議。李大勇認為平原河網系統中水環境問題相對突出，河流的生態流量更側重于環境需水，即保護和改善河網區人類居住環境及保證其水環境所需要的水量。

本文認為，平原河網區生態流量應為“多樣化、動態化以及非理想化”的需水過程，其計算應從整體河網角度出發，綜合考慮自然與社會屬性、時間與空間需求、水質與水量一致性以及理論與實踐差異等因素。以湖北省江漢平原河網區作為研究對象，基于不同時空條件下的河流生態定位、保護對象，研究適用于平原河網區生態流量的綜合計算方法。

二、湖北省典型平原河網區生態流量研究

1.研究區域及主要保護目標

（1）研究區域

江漢平原位于湖北省中南部，由長江與漢江沖積而成，因其地跨長江和漢江而得名，是我國三大平原之一的長江中下游平原的重要組成部分。江漢平原為海拔高程50 m 以下區域，面積約4.69 萬km2，區域內河渠縱橫交錯、湖泊星羅棋布，主要河渠有長江、漢江、府澴河、漢北河、天門河等。江漢平原地勢低平、城市密布、人口集中，是湖北省政治、經濟、文化核心區域，以占湖北省40%的土地面積，承載了近64%的人口，創造了約70%的經濟總量，對支撐湖北省經濟社會發展具有重大作用。

湖北省“一江三河”區域位于江漢平原腹地，“一江”指漢江，“三河”指漢北河、天門河和府澴河，屬于江漢平原地區典型的平原河網流域。河網內，漢江水一部分通過羅漢寺閘分水進入天北干渠，而后進入漢北河、天門河，最終再通過新溝閘等進入漢江；另一部分則下行進入漢江下游河道。府澴河與漢北河相連通，最終匯入長江，形成了江漢平原的連通河網。“一江三河”區域是長江經濟帶和漢江生態經濟帶的交匯區域，是湖北經濟發展的重要區域，隨著經濟發展，水資源短缺和水生態環境惡化成為制約當地經濟社會發展的重要因素。同時，漢江分布有鐘祥段鳡鳤鯮魚國家級水產種質資源保護區、沙洋段長吻鮠瓦氏黃顙魚國家級水產種質資源保護區、潛江段和漢川段四大家魚國家級水產種質資源保護區，漢北河、天門河為四大家魚棲息地，因此開展“一江三河”區域的生態流量研究對保護平原河網區生態具有重要意義。江漢平原、“一江三河”區域水系及主要物種保護區分布情況如圖1、圖2 所示。

圖1 江漢平原區域水系情況

（2）區域保護目標及斷面選取

基于“一江三河”地區的水文水資源特性、水環境情況、河道外用水需求以及生態環境保護需求等，綜合考慮不同河流、河段生態保護目標，選定代表性控制斷面開展江漢平原河網生態流量閾值研究。

漢江是沿線城市的重要水源地，分布有多個種質資源保護區，且興隆水利樞紐附近為水華發生重點江段，其主要生態定位為保證水源供給、防止水華事件發生以及保護魚類棲息地，選擇興隆水利樞紐以下的潛江、漢川斷面開展生態流量研究；漢北河分布有重要經濟魚類，其主要生態定位為四大家魚棲息地，選擇黃潭、沿湖、東羅村斷面開展生態流量研究；天門河穿市區而過，水環境受人類活動影響較大，其主要生態定位為改善河流水質、保證良好的人居環境，選擇凈潭、北支、南支斷面開展生態流量研究；府澴河主要考慮保證河流基本生境，選擇臥龍潭斷面開展生態流量研究。綜上所述，選擇河網內不同河流的9 個控制斷面開展生態流量研究，詳見表1。

表1 “一江三河”河流控制斷面生態保護對象及生態需求

2.“一江三河”生態流量閾值研究

基于表1 不同河流、不同斷面的生態功能定位以及保護對象，確定江漢平原河網不同河流的生態用水需求，開展生態流量閾值研究。

（1）漢江生態流量閾值研究

①基本生態流量

漢江擔負著沿線城市居民生活、農業灌溉以及工業發展用水等方面的需求，同時還包括漢江干流河道基本生態以及航運用水需求。綜合以上，考慮漢江沿線用補水、退水等因素，確定漢江基本生態流量。

以興隆水利樞紐以下的潛江、漢川斷面為例，分析計算潛江市、天門市、仙桃市、孝感市、武漢市等城市用水、退水，漢北河、天門河等支流的匯入與流出，計算漢江干流典型斷面的生態流量，其中潛江段生態流量年平均值667 m3/s，漢川段554 m3/s。

②特殊生境所需生態流量

漢江水產種質資源保護區保護對象主要為黃顙魚、鳡鳤鯮魚、四大家魚等。黃顙魚、鳡鳤鯮魚為產黏性卵魚類，調節河流水動力條件對其影響不大。流速是四大家魚繁殖行為的主要控制因子，可通過調節流量保障四大家魚產卵期自然繁殖行為。因此，本研究選擇處于四大家魚種質資源保護區內的潛江和漢川斷面作為目標斷面，以四大家魚為目標魚類。據研究，區域內主要魚類產卵期為4—7月，喜愛流速及極限流速如表2所示。

表2 研究區四大家魚的喜愛流速與極限流速

室內控制實驗及野外實地觀測綜合結果表明，四大家魚產卵存在觸發流速、適宜流速，其中產卵觸發流速為1.11～1.49 m/s，產卵適宜流速為1.40～1.60 m/s，所以滿足產卵適宜流速時即可以滿足其他產卵事件的要求。

本研究以近年漢江相關水文站點的逐日流量、水位數據構建水動力模型，以漢江興隆水利樞紐下泄流量數據為上邊界條件，漢江下游新溝閘等閘站水位數據為下邊界條件。通過建立的二維水動力模型設計不同的流速梯度作為輸入，得到潛江江段和漢川江段流速，直到滿足流速在1.40～1.60 m/s 為止，根據研究斷面地形，建立流速-流量關系，推求滿足適宜流速相應的生態流量，結果如表3所示。

表3 基于四大家魚產卵流速的生態流量 單位：m3/s

③水華控制所需生態流量

調查統計顯示，漢江中下游在冬春季和夏季均有水華發生，冬春季水華以硅藻為優勢種，主要發生在興隆水利樞紐上下游附近；夏季以藍藻為優勢種，主要發生在襄陽斷面。漢江夏季水華雖有發生，但是由于河道流速較大，藻類未發生沿程累積，水華的生態后果不顯著；冬春季河道流速較小，水華在局部河段停留時間長，產生沿程的累積疊加，因此冬春季的漢江水華是需要解決的重點問題。

國內學者對漢江春季硅藻水華暴發的原因開展了大量研究，主要影響因素包括營養鹽條件、水文水動力條件以及氣象條件等。同時，統計發現，水華發生年份的流量、流速均值絕大部分小于同期未發生水華年份的均值，即在漢江枯水期流量減小、水位降低、流速減緩的條件下易發生水華。

研究漢江流域水華暴發時流速的大小發現，當流速處于0.4～0.6 m/s 時，藻類生長受到抑制，參考斷面實際情況確定藻類抑制流速為0.5 m/s，與斷面面積相乘得到滿足水質條件的流量，結果如表4所示。

表4 冬春季基于水華控制的各斷面生態環境需水量閾值 單位：m3/s

（2）“三河”生態流量閾值研究

①基本生態流量

漢北河、天門河和府澴河等河流在一定程度上負責沿線的灌溉等用水，水源地功能相對較弱，基本生態流量主要考慮其歷史流量，通過水文法確定其生態流量閾值。基于此，利用Qp法、Tennant法等水文方法計算，對于無水文資料地區，采用濕周法進行計算，“三河”地區各河流的生態流量閾值如表5所示。

表5 “三河”不同控制斷面基本生態流量 單位：m3/s

②特殊生境所需生態流量

調查顯示，“三河”地區同樣分布有四大家魚，其中以漢北河為主，因此以漢北河為研究對象，考慮四大家魚生存需求，開展特殊生境生態流量計算。

基于天門水文站的水文數據以及河道斷面測量數據，對關鍵斷面的水位、徑流量數據進行模擬，確定關鍵斷面的水位、流量關系，分析四大家魚不同生長期對生態流量的需求，計算適宜生態流量，詳見表6。

表6 四大家魚各時期生態流量組合

③水環境保護所需生態流量

根據“湖北省水功能區劃”，河流水質按功能區劃水質目標控制，基于各河段的水質目標與污染物控制濃度以及河流水量信息，計算目標控制水平下的河流污染物量。如表7所示，“三河”流域不同河流斷面分別對應不同的水質目標。

表7 目標控制水平下“三河”流域主要河流水質目標

利用MIKE軟件，建立河網水動力與水質模型，并利用實測水文、水質數據完成模型率定。確定模型參數后，利用河流現狀污染物入流情況確定河網現狀污染情況，結合河網內的水質目標，計算河網水環境改善所需生態流量。計算結果如表8所示。

表8 “三河”水環境改善所需生態流量

3.河網生態流量閾值確定

綜上所述，考慮江漢平原河網內不同河流的生態功能定位、保護對象等因素，從基本生態、特殊生境以及水環境保護等方面進行生態流量閾值計算，得到不同生態需求情況下的生態流量閾值范圍，其中較低、較高閾值結果分別作為生態流量閾值的下限、上限。以“一江三河”為例，控制斷面的基本生態流量閾值相對較低，宜作為相應下限生態流量閾值；水環境保護、特殊生境保護所需生態流量閾值多數情況相對較高，宜作為上限生態流量閾值，在實際操作過程中針對實際情況分析確定。

以上生態流量閾值研究從整體河網角度考慮了不同河流生態定位與保護對象，為多樣化、動態化的需水過程，且考慮了水資源的自然社會屬性、時空需求、水量水質一致性等因素，結果與實際相符，對河流管理具有借鑒意義。

三、思考與建議

平原河網區通常水系結構復雜、河渠縱橫交錯，河流之間相互影響明顯，同時還具有地勢平坦、人類活動影響強度高等特點，導致區域內河流流速小、流向隨機不定、水生態環境條件較差。因此從整體河網角度綜合多因素計算河流生態流量閾值更具生態意義，對整體河網的生態環境改善具有積極作用。

針對當前平原河網區生態流量閾值確定存在的問題，提出如下建議：平原河網區生態流量閾值的確定宜考慮河流的生態需求及保護對象，基于水文、水生態環境等方面所需的生態流量，確定多樣化、動態化的需水過程，并對需水過程開展適宜性分析，確定綜合條件下的生態流量閾值；平原河網區生態流量閾值計算宜避免將單一化、靜態化的計算規則應用于河網內的所有河流，應從河網、河流特有生態功能定位出發，采用“一河一策”的生態保護策略，對不同河流采用針對性的計算方法，確定更具適宜性的生態流量閾值。