黄河三角洲刁口河流路生态环境需水量研究

郑 恺，徐立荣，郑玉成

(1.济南大学资源与环境学院，山东 济南 250022;2.山东省东营市河口区黄河河务局，山东 东营 257200)

黄河三角洲刁口河流路生态环境需水量研究

郑 恺1，徐立荣1，郑玉成2

(1.济南大学资源与环境学院，山东 济南 250022;2.山东省东营市河口区黄河河务局，山东 东营 257200)

刁口河于2010年恢复黄河入海流路，研究其生态环境需水量对保障黄河三角洲生态健康具有十分重要的意义。选取刁口河流路湿地需水、河口近海生态需水、河道输沙与保持海岸动态平衡需水、农业需水和油田需水5个方面来研究本区生态环境需水量。结果表明:淡水湿地需水为0.54亿 m3;河口近海水域生态环境需水量为60亿 m3;维持河道不冲不淤的输沙需水为0.97亿 m3;保持海岸及近海海域动态平衡需水量为86.4亿 m3;农业春灌需水约1.37亿 m3;胜利油田及东营市临港工业园暂不需从刁口河引水。刁口河流路生态环境需水量以保持海岸动态平衡需求为最大。

生态环境需水量;湿地需水;刁口河流路;黄河三角洲

黄河三角洲是我国生物多样性最为丰富、最具保护价值的河口三角洲生态系统，刁口河位于黄河三角洲的北部，为1964～1976年黄河入海的故道，并且于2010年6月恢复入海流路。刁口河口门以南的区域为黄河三角洲湿地生态系统的重要组成部分，为黄河三角洲北部湿地的水源。自1976年5月黄河改道清水沟流路以来，刁口河一直停运。停河期间，刁口河流路湿地长期处于干旱或半干旱状态(仅依靠自然降水和黄河故道内的灌溉尾水来维持湿地生态平衡)，直接导致了湿地萎缩速度加快，海水入侵加剧，土壤盐碱化加重，大量保护动物濒临灭绝，生物多样性的保护面临着严重威胁［1］。因此，统筹考虑生活、生产和生态环境用水，确保黄河三角洲刁口河流域水生态系统安全和健康，研究流域生态环境需水量迫在眉睫。

1 生态环境需水量的内涵

生态环境需水量是针对水资源开发利用中的生态环境保护以及科学地进行生态环境修复和改善等问题而提出的新概念。在目前国内相关的管理和研究领域，对其概念的理解还存在很多分歧，出现了生态需水、环境需水、生态环境需水、生态耗水、生态用水等诸多概念［2］。从水资源配置要求的角度，结合水资源分布特点和生态系统的特征，在水资源综合规划中将生态环境需水量分为河道内生态环境需水量和河道外生态环境需水量。

河道内生态环境需水量是为了维持河流生态系统一定形态和功能、平衡河流开发利用和保护的关系，所需保留在河道内的水量［3］。为满足河流生态环境保护以及水资源开发利用的要求，分别用生态基流、最小生态环境需水量、生态环境下泄水量来表示各控制节点不同情况下应该保留在河道内的水量。河道外生态环境需水量是指为保证特定发展阶段河道外生态系统结构和功能、维护生物多样性、保持良好环境需要通过水利工程直接或间接所消耗的水量，应包括水土保持用水，林业生态工程用水，城镇生态用水，非通河湖泊生态用水，非通河湿地生态用水和地下水回灌用水［4］。

可见，生态环境需水概念应适用于不同类型的生态系统，不同的生态系统的生态环境需水包括的内容也差别较大。本文针对黄河三角洲刁口河流路的实际现状和生态系统的特殊性，选取湿地需水、河口近海生态需水、河道输沙与保持海岸动态平衡需水、农业需水和油田需水5个方面来研究生态环境需水情况。

2 黄河三角洲刁口河流路生态环境需水量

本文以生物多样性保护和生态系统稳定为根本原则，根据河口生态系统的特征、功能及生态环境需水量要求，结合流路附近工农业开发建设需要，确定以故道湿地附近濒危鸟类生境为重点保护对象，识别与黄河水资源联系密切的陆域湿地、河流及河口近海水域湿地等生态景观为保护目标，同时兼顾工农业开发建设的需要，全面统筹、协调各方力量合理规划，恢复黄河三角洲刁口河流路生态功能，使之可持续稳定。

2.1 湿地需水量

为了保护并恢复湿地，必须要给予湿地适量的水资源，这个适量的水资源应该能够基本遏制湿地生态环境恶化趋势，并逐步改善使湿地生态系统恢复到更健康的状态，目前学术界将其定义为湿地生态环境需水量［5］。以黄河水为主要水源的湿地除河漫滩湿地外，主要是分布在现行流路两侧的芦苇湿地，包括芦苇沼泽、芦苇草甸、香蒲沼泽、柽柳灌丛等，是丹顶鹤、东方白鹳、黑鹳、大天鹅等多种珍稀鸟类的栖息地，也是黄河三角洲最重要的生态景观。因此，本文湿地需水量的计算仅考虑植物需水量。

在估算大区域或流域湿地植物需水量中，常常采用湿地植被面积和蒸散发量的乘植物需水量的计算。从理论公式上可表达为:

(1)式中，Wp为植物需水量，m3，Ap为湿地植被面积，m2，ETm为蒸散发量，mm，ET0为参考作物潜在蒸散发量，mm，Kc为植物系数，Ks为土壤水分限制系数。

采用彭曼公式计算参考作物潜在蒸散发量(ET0)，该方法适用于我国广大北方地区。依据国务院批复的黄河三角洲生态保护区相关规划要求，考虑1992年黄河三角洲自然保护区被国务院批准建立时，湿地质量相对较好、生态结构和景观格局基本适宜，将1992年自然保护区内淡水湿地面积作为湿地恢复规模的参考规模，黄河故道刁口河流路的芦苇湿地面积约 36.71 km2，因此可计算出年需水量(Wp)为0.54亿 m3，其关键需水期为每年的3－5月和7－9月上旬。考虑与自然条件相结合，刁口河故道湿地修复的最佳引水时间为每年的3－5月。

2.2 河口近海生态环境需水量

河口近海生态需水，主要指满足维持河口区域近海鱼类生境保护所需要的淡水水量，主要包括维持河口近海水域咸淡水平衡，以及近海生物发育所需要的营养盐输入的需求。黄河口及其附近海域是渤海区域重要的渔场，然而，近几十年来，渔业生产力下降明显。然而，计算河口海域的生态环境需水量相当复杂，有人建议用含盐量指标变化作为计算依据，有人建议用温度指标变化作为计算依据，还有的建议用饵料质量指标变化作为计算依据，但至今尚未见到比较公认的方法或标准［6］。用多元统计中典型相关分析法对河口区鱼类数量分布与海水温度、盐度的相关分析表明，海水温度、盐度的变化与鱼类数量分布相关关系明显，对多数鱼类来说，海水盐度较温度的影响稍大。

黄河河口区域水域的盐度变化主要取决于黄河入海水量的总量大小和过程分布，鉴于目前缺乏该区不同时段鱼虾栖息的盐度阈值要求，和相应的阈值空间范围，本文采用20世纪80年代中期，当时的我国国家水产总局黄河水产研究所对黄河河口渔业生态环境需水量的研究成果，即满足黄河河口海域鱼虾生长条件的要求，需要黄河在每年的4～6月份下泄入海水量60亿 m3。如果黄河为枯水年，可在4月份下泄 20 亿 m3［7］。

2.3 河道输沙与保持海岸动态平衡需水

黄河以泥沙含量高而居世界各大河之冠，据计算黄河从中游带下的泥沙每年约有16亿 t之多，有很大一部分沉积在黄河下游的河道里，下游河道比两边要高出七八米，有的地方甚至十几米，并且由于刁口河流路停运多年，也就没有了新的泥沙流出，海岸泥沙的动态平衡被打破，造成海岸线的后退和海滩下蚀，加之河岸农业开发等人为因素，更加剧了侵蚀力度，所以需要保证河道输沙和保持海岸动态平衡所需的水量，来维持刁口河流路及、的安全稳定。

2.3.1 河道输沙需水

刁口河为天然河道，河道土质多为较细的淤积土，粒径多小于0.1 mm，过水断面较大且极不规则，同时底坡和糙率沿程变化，河道中水力要素变化复杂。经过计算得知，采用人工提水方式引水，当主槽断面底宽为24～50 m，对应流速均能实时满足主槽不冲不淤要求;采用自流引水方式，当主槽断面底宽为24 m、流量约为24.64 m3/s时，对应流速不能满足不冲不淤要求;当主槽断面底宽为30～50 m、流量约为36～89 m3/s时，对应流速可以实时满足不冲不淤要求。如以刁口河现状河道平均宽度约450 m计，则只有在达到一定水深条件下，断面平均流速才能满足不冲不淤的要求，此时调水流量需在400～700 m3/s以上。同时，根据水深流量的关系，对于既定过流断面，只有达到一定水深时，才能满足输沙要求;如果水深流量关系得不到满足，或过水过程中出现分水分流，水流则不能满足输沙要求，主槽会出现淤积，并引起连锁反应。若开挖河道主槽底宽30 m，按照每年汛前调水调沙自流引水16 d、提水引水20 d计，则为保持刁口河河道引水时达到冲淤平衡，河道输沙需水量应不少于0.97亿m3。如按照刁口河现状河道(平均宽度约为450 m)自流引水，满足河道引水达到冲淤平衡条件的输沙需水量应不少于10.54 亿 m3。

2.3.2 保持海岸动态平衡需水

利用刁口河口门附近海域CS1－CS8固定测量断面测量数据，进行相邻年份冲淤计算，得到相邻年际间滩海高程差值数据文件，利用SURFER8.0软件，绘制相邻年际间滩海冲淤图，并进行冲淤计算，得出相邻年份刁口河流路口门附近海域冲刷量，其浅海水域多年冲刷平均值加上输往外海的泥沙量即为刁口河流路口门附近海岸保持动态平衡的年际需沙量。选取 1994年、1996年、1998年、1999年、2001年、2002年、2003年、2004年共8年的近期海域地形数据资料数据进行对比分析，结果表明1994～2004年整体表现为冲刷，共计冲刷 6.1亿 m3，平均每年冲刷0.61亿 m3。

为满足刁口河海岸动态平衡(海岸线长约35 km)的黄河需水量采用下式计算:

(2)式中，S为海岸冲刷量，亿 m3;ρ为淤积泥沙和输往外海区泥沙的折合系数，%;γ淤积物容重，kg/m3;ρ为河流平均含沙量，kg/m3。

刁口河流路行河时期(1964年1月至1976年5月)黄河泥沙淤积分布统计情况为:陆上、三角洲海域、外海区的泥沙各占21.6%、44.1%和34.3%。依照此比例，可以计算出输往外海区泥沙为三角洲海域淤积泥沙的77.8%(折合系数p)，取淤积物容重为 1.1×103kg/m3，2006～2009年从利津水文站得到的河流平均含沙量为13.77 kg/m3，据式(2)可计算出目前为满足刁口河海岸动态平衡(海岸线长约35 km)的黄河需水量约为86.4亿 m3。

2.4 农业生产需水

根据2009年对刁口河流路附近农业耕地和灌溉情况的调查(表1)，按照不同作物的灌溉定额计算刁口河故道农作物种植年用水量为13 656.9万 m3(未考虑荒碱地开发治理所需水量)，每年的3～5月是春灌的最佳时机。农业灌溉，季节性强，需水量大，水库蓄水不能完全满足农业生产需要，因此需要合理分配取水时间和取水量，在刁口河水资源配置方案中应适当考虑农业用水时空分布需求。

2.5 油田生产需水

通过从油田相关部门得到的信息，由于受可取水量和取水配套设施修建的限制，胜利油田近期无从刁口河流路引黄用水需求。

3 结论及建议

综上所述，2009年研究区3 671 hm2芦苇湿地需水约0.54亿 m3，其关键需水期为每年的3～5月和7～9月;河口近海水域为保护鱼类产卵每年4～6月黄河适宜入海水量约为60亿 m3;河道过水时段维持河道不冲不淤的输沙需水约0.97亿 m3;保持海岸及近海海域动态平衡约需水量86.4亿m3;农业春灌(每年3～5月)需水约1.37亿 m3;胜利油田及东营市临港工业园暂不需从刁口河引水。

玉米可耕地1 007 4 050 407.7大豆 33 4 050 13.5高粱 87 4 050 35.1棉花 13 260 4 050 5 370.3果树 445 2 850 126.9蔬菜 44 6 750 29.7草场 4 953 3 750 1 857.5林地 2 864 2 850 816.2合计13 067 8 656.9水库鱼塘蓄水5 000荒地 11 212合计13 656.9

由此可见，刁口河流路生态环境关键需水期主要集中在每年的3～9月，需水量以保持海岸动态平衡需求为最大。刁口河过水时，只要保持海岸动态平衡需水量能够得到满足，保持刁口河河道输沙及近海水环境需水即可基本达到。那么，要想全面满足刁口河流路生态环境需水，应以满足保持海岸动态平衡、保护区湿地及农业需水量为底限，即每年3～9月需水量应约不小于88.31亿 m3，其中3～5月不低于1.37亿 m3，枯水期不低于20亿 m3。实际上，保持海岸动态平衡和近海水环境生态需求只有在黄河入海流路重新改走刁口河以后才有可能满足。在目前黄河来水条件下，单靠调水应首先重点着眼于保护区淡水湿地的生态需求，在条件许可时，兼顾生态农业的需求。

由于缺乏足够的近海水域和河道内水域生态监测资料，本文所提成果仍需在应用实践中根据研究区生态恢复效果逐步修正。

［1］孙志高，牟晓杰，陈小兵等.黄河三角洲湿地保护与恢复的现状问题与建议［J］.湿地科学.2011，9(2):107 －115.

［2］马乐宽，李天宏.关于生态环境需水概念与定义的探［J］.中国人口·资源与环境.2008，18(5):168 －173.

［3］钟华平，刘恒.河道内生态需水估算方法及其评述［J］.水科学进展.2006，17(3):430 －434.

［4］张琳，刘琼，白颖，等.关于河道外生态需水的讨论［J］.北京师范大学学报(自然科学版).2009，45(5－6):543－546.

［5］崔保山，杨志峰.湿地学［M］.北京:北京师范大学出版社.2006.

［6］赵西，吴普特，王万忠，等.生态环境需水研究进展［J］.水科学进展.2005，16(4):617 －622.

［7］崔树彬.关于生态环境需水量若干问题的探讨［J］.中国水利.2001(8):71－74.

Statistic Analysis on Eco－environmental Water Requirements in Diaokou Channel of the Yellow River Delta

ZHENG Kai1，XU Li－ rong1，ZHENG Yu － cheng2
(1.College of Resources and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong;2.Yellow River Hekou Bureau，Hekou Country，Dongying City of Shandong Province，Dongying 257200，Shandong)

Diaokou Channel was renewed as sea－going channel of the Yellow River in 2010，so it is crucial to studie on eco－ environmental water requirements in Diaokou Channel for the health of ecosystem in the Yellow River Delta.The paper is based on five aspects selected to study eco － environmental water requirements，which is the water requirements of wetlands，the water requirements of coastal ecosystems，the water requirements of sediment transport and maintaining a dynamic balance of coast，the agricultural water requirements and the water requirements of oil field. And the results show that the demand of freshwater water of wetlands is 540 million m3，the water requirements of coastal ecosystems is 6 billion m3，the water requirements of sediment transport of not making channel Destroyed and siltation is 970 million m3，the water requirements of maintaining the dynamic balance of coast is 8.64 billion m3，the water requirements of agriculture in spring irrigation(from March to May each year)is 0.137 billion m3，Shengli oil field and Dongying Port Industrial Park do not need water from Diaokou Channel temporarily. Therefore，the key period of eco－environmental water requirements of Diaokou Channel is mainly from March to September each year，the maximum requirements of water is mainly maintaining the dynamic balance of coast.

Eco－ environmental water requirements，Wetlands water requirements，Diaokou Channel and Yellow River Delta

TV211.1

A

1004－1184(2012)05－0092－03

2012－04－27

山东省中青年科学家科研奖励基金(编号:2008BS08007)。

郑恺(1988－)，男，山东滨州人，在读硕士研究生，研究方向:水生态与水环境。