小清河（东营段）关键功能组构建与生态需水估算

张乃鹏张惠潼于志强孙 崇

小清河发源于济南市睦里庄，是一条具有防洪、排涝、灌溉、航运、景观等多功能的人工运河。小清河尾闾地区东营市所处黄河三角洲是东北亚内陆和环西太平洋鸟类迁徙重要的中转站、越冬栖息地和繁殖地，维持小清河必需的河道内生态需水对保护生态平衡具有重要意义。

一、小清河流域水文情势

小清河（东营段）地处中纬度，背陆面海，受亚欧大陆和西太平洋共同影响，属暖温带大陆性季风气候，基本气候特征为冬寒夏热，四季分明。小清河（东营段）地处华北坳陷区之济阳坳陷东端，地势沿黄河走向自西南向东北倾斜。微地貌有5种类型：古河滩高地、河滩高地、微斜平地、浅平洼地以及海滩地。土壤分为褐土、砂姜黑土、潮土、盐土及水稻土五个类别。小清河（东营段）是我国东部沿海地区受人为干扰少、生态环境自然属性显著的地区，拥有我国暖温带最年轻、最完整、最典型、面积最大的湿地生态系统—黄河三角洲。

区域生物多样性较高，特别是鸟类，种类多样性和珍稀性价值都很高。小清河尾闾东营市别称石油之城、生态之城、东方湿地之城，有丰富的石油、天然气资源、海洋资源。多年平均水资源总量5.32亿m3，人均水资源量为全国的11%。其中地表水资源量为4.47亿m3，多集中在夏季，大部分排入海洋，利用率较低。小清河是鲁中地区一条重要的排水河道，兼顾两岸农田灌溉、内河航运、生态等综合利用的河道，是全国5条重要的国防战备河道之一。

根据2011～2013年小清河（东营段）典型断面——石村站水文数据，对该流域基本水文特征进行分析，得到以下结论：时间上，夏秋季水位高于春冬季，降水量年内分配不均，主要集中在汛期的7～9月，占全年降水量的50%～70%；大断面全年基本无变化。流速在小于某阈值的时候，流速越小断面面积越大；超过该范围后，流速越大，断面面积也就越大。这与流速—水位的关系相对应，而河床情况变化不大的情况下，断面面积与水位呈现明显的线性关系。

二、典型断面水生态采样

以小清河（东营段）为研究对象，在分析目前水质、生态空间分布的基础上，划定了石村站具有典型意义的采样断面，于2014年5月、8月、11月份分别进行了三次生态监测与调查（包括底栖动物、浮游动物、浮游植物、鱼类），采集了水生态系统信息，为下一步遴选关键功能组奠定了基础。

通过采样分析可知，石村站浮游植物生物多样性较好，5月多样性指数为 3.25，8 月为 3.91，11 月为 3.59；物种组成方面全年以绿藻为主，其次为硅藻。浮游动物生物多样性一般，季节差异明显，5月多样性指数为1.38，8 月为 1.23，11 月为 2.15；物种组成方面5月以轮虫为主，8月以枝角类为主，11月桡足类最多，年内变化明显。底栖动物多样性一般，5月、8月、11月底栖动物生物多样性分别为1.80、2.81、1.18；物种组成 5 月以摇蚊、水丝蚓、螺类为主，8月、11月腹足纲、软甲纲生物居多。鱼类多样性较差，发现物种较少，5月未发现鱼类，8月物种数较多，多样性指数1.1，11月发现鱼类5种，多样性指数1.48。

三、典型断面关键功能组构建

模型的构建是筛选关键功能组成员至关重要的一环，该研究中采用Ecopath模型来进行关键物种的筛选。在构建模型过程中，需要输入一些基本的参数，包括功能组的定义、生物量、生产量、每个功能组的食物组成等，通过这些输入参数，Ecopath才能进行能量流动层次上的能量关系的构建。因此，首先需要构建Ecopath关于三次采样的三个模型，即2014年5月、8月、11月三个模型。

在构建模型时，第一步是定义功能组，这里所说的功能组是指在生态系统中功能和结构上相近的物种的集合，在一些大型水生生态系统的模型构建时甚至可以按物种的不同年龄来定义为不同的功能组。Ecopath模型要求最少定义12个功能组（不包括碎屑组）。根据采样所得物种种类分别定义三次采样的功能组，然后根据采样所得数据填入基本输入数据。按照实际调查中小清河（东营段）生态系统的现有生物群落结构特征定义了功能组，在定义功能组时将其分为生产者、消费者等类别。需要注意的是每个模型中均需定义至少一个碎屑组，至少一个生产者功能组，从而为其他更高级（如果存在）物种提供能力输入。由于Ecopath模型中所有的操作都是基于功能组的，故功能组的定义是下一步计算的基础。

通过对小清河流域水生态系统典型断面采样所得数据，构建小清河流域 5月、8月、11月三个 Ecopath模型，计算关键度指数（Keystoneness），识别小清河水生态系统中不同层次的关键功能组成员。关键功能组成员为：鱼类有青鳉、餐（音）、泥鳅（包括大鳞副泥鳅）、鲫。底栖动物有水丝蚓、秀丽白虾。浮游动物为原生动物，浮游植物为裸藻、隐藻、黄藻。

四、河道内生态需水计算

1.生态水位的确定

对于产粘性卵的鱼类来说，水位对其卵的存活起着至关重要的因素，若水位降至鱼卵所在高程以下，会导致所产的卵失水而死。因此计算生态需水需要考虑流速和水位两方面的因素。对于生态水位的确定，在考虑鱼类对环境的适应情况下，利用2013年产卵期的平均水位作为生态水位。小清河（东营段）关键鱼类产卵期主要集中在4～7月，则按下式：

计算出石村生态水位为3.36m。非产卵期则不考虑水位的影响，仅仅考虑水流对生态需水量的影响。在生态水力半径法的计算过程中，利用水位和流速分别算出一组生态需水量。在产卵期，如果利用水位计算出的生态流量大于利用流速计算出的，则说明流速达到关键鱼类的需求时，水位并没有达到要求，为了满足所有关键鱼类的需求，就必须按照水位来进行计算，即取通过水位计算出的流量和流速计算出的流量中较大的一个作为生态需水。非产卵期则无需考虑水位要求。

2.生态需水估算

前面已经完成了对指标物种的筛选，构建了小清河流域关键功能组。在生态系统中各种生物对水量的需求不同，而此时生态需水的总量不可能仅仅是各种物种需求的简单加和，这样如何对各物种的需求进行耦合就成了一个问题。在前面对于关键功能组研究的基础上，综合利用优势度模型方法，进行不同生物对流速需求的耦合，并考虑到鱼类卵的发育的水位需求，运用改进后的生态水力半径法结合历年水位、流速、大断面等水文资料来进行小清河流域生态需水的计算。关键功能组成员生态需水量计算见表1。

3.生态需水验证与分析

Tennant法认为多年平均天然径流量的10%为保持河流生态系统健康的最小流量，多年平均天然径流量的30%保证率能为大多数水生生物提供较好的栖息地条件。本文计算得到小清河（东营段）鱼类非产卵期流量为3.47 m3/s，分别对应Tennant法非产卵期一般情况；产卵期流量为37.38m3/s，对应Tennant法非产卵期最佳三种情况。将实际流量与生态需水量进行比较，可以得到小清河（东营段）生态需水满足率。

表1 小清河（东营段）逐月生态需水计算结果表（单位：m3/s）

石村断面在4月、5月生态需水不能得到完全满足，也就是说这个断面在关键鱼类的产卵期不能完全满足生态需水量要求，容易对小清河（东营段）关键鱼类繁衍造成负面影响。

五、结论

该项目基于小清河（东营段）典型断面石村站的水生态系统采样，包括鱼类、浮游植物、浮游动物、底栖动物等，基于水生态系统的食物链模型，耦合水生态系统优势度指数和栖息地指数，识别得到了适合小清河流域气候与社会经济发展的水生态系统关键功能组，并开展了生态需水计算与分析，为小清河沿岸水生态健康与社会经济持续发展提供了重要科学依据■

图1 石村断面生态需水满足率图