玉符河干流生态适宜流量与生态补水效应分析

徐 震，赵进勇，李庆国，董亚楠

(1.济南大学资源与环境学院，济南 250022；2.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038)

人类活动对于河流生态系统有着巨大的扰动作用，特别是随着社会的发展，沿河修建大量的水利工程以满足对水资源的需求，严重影响了河流的形态及功能，造成了生态系统的破坏[1-3]。河流生态系统的破坏带来一系列的问题致使研究者在水利工程调度中考虑生态需水，以保障并改善河流的生态功能。因此，流域下游生态保护与修复生态需水的研究受到越来越广泛的重视。生态适宜流量(河道内生态需水)是流域水资源配置与生态系统健康的重要基础，对于该方面的研究，国外在理论和计算方法上都已经取得了一定的成果，可以归纳为基于水文数据的水文学法、基于水力参数的水力学法、栖息地偏爱法、整体分析法等；国内研究者大多数使用水文学法中的Tennant法对生态适宜流量进行计算[4-6]。但是，Tennant法与生物联系不太紧密，计算得到的最小需水量(minimum flow)缺乏明确的生态学意义。此外，在干旱时期，最小河道内流量并不能提供河流资源充分的保护，在丰水时期，它也不能为有最佳的鱼种数量创造机会[7,8]。因此，需要一种能够量化河道内流量增加变化带来的影响并能评价生态修复与水资源分配的方法。本文选用栖息地偏爱法通过建立河流径流量与目标生物栖息地之间的关系，求得河道内生态需水，其物理意义明确，同时也能够有效地评估生态需水量的增加对于流域生态系统的影响，为玉符河生态修复与保护以及水资源分配提供量化的依据。

1 研究区概况

玉符河位于山东省济南市的西南部，属于黄河流域，河流的源头是历城区南部山区的锦绣川、锦阳川、锦云川的主要支流(见图1)。玉符河全长约70 km，流域面积为827.3 km2，水面宽度最大达89 m，多半浮动在20 m上下。地处中纬度地带，属于大陆性季风气候，冬冷夏热，四季分明，春季干燥少雨，夏季多雨炎热，秋季凉爽干燥，冬季寒冷少雨。流域北部平原地区年平均降水量为650～700 mm，汛期降水量约占全年降水量的70%。该流域地质条件是独特断裂结构发育，断裂及岩溶裂隙沟通了张夏组灰岩含水层及奥陶系灰岩含水层，河水大量下渗补给地下水，寨而头村至催马庄段河道渗透能力尤为强烈[9,10]。对于济南市，玉符河具有重大的存在价值，它不仅保障了济南市一半的城市用水，而且玉符河强渗漏带地区下渗的水量补给地下水也是济南泉水不断喷涌的重要保障。

图1 玉符河水系图Fig.1 Yufu river water map

2 生态适宜流量计算

2.1 计算方法

在栖息地偏爱法中，以20世纪70年代美国鱼类及野生动物署(US Fish and Wild life Service)提出的河道内流量增量法(In stream Flow Incremental Methodology，IFIM)最具有代表性。IFIM法是一种理论上的计算方法，若运用此法计算还需要进一步选择具体的模型，本文选用的是精度要求比较高的River2D栖息地模拟模型。

该模型是通过对不同流量下河段的水深和流速的分布进行模拟，从而计算目标生物的栖息地数量，即加权可用面积(Weighted Usable Area，WUA)。具体过程可概括为：①河段河床地形文件的形成；②形成的河床地形文件网格化；③对不同流量下水深、流速等分布进行模拟；④依据鱼类栖息地适宜性曲线，获得不同流量下各河段的WUA值。

WUA在一定程度上可以体现目标生物在此河流环境下能够生存的面积，数值上等于栖息地适宜性指数乘以该单元面积。River2D中栖息地模型模拟主要是依靠栖息地适宜性曲线得到每个单元影响因子的适宜性组合值，计算模拟河段的WUA：

(1)

式中：f为适宜性组合函数，f(Vi,Di,Ci)=ViDiCi，体现了影响因子的综合作用；n为断面划分的计算单元数；Ai为每个网格单元的面积；Vi为流速指标；Di为水深指标；Ci为河道底质指数，本文只考虑流速和水深的共同影响，暂不考虑底质和覆盖物的影响，故Ci默认为1。

由于鱼类是水生生物中的高级群落，影响着其他物种的生存及丰富度，故一般作为IFIM法研究的指示物种，针对玉符河流域，本文决定把鲤鱼作为探讨的代表物种。本研究釆取单变量方法，只分别研究不同水深、流速下的鲤鱼栖息地适宜性曲线，根据相关资料[5](表1)，分别建立不同水深和流速下的鲤鱼栖息地适宜性曲线(图2)，从图2可以看出，最适合鲤鱼生长的水深为0.5～1.0 m，最适合鲤鱼生长的流速为0.15～0.8 m/s。

表1 已有文献中鲤科鱼类适宜性指数探讨Tab.1 The existing literature Cyprinidae suitability index

图2 适宜性指数与流速和水深的关系曲线Fig.2 Suitability index versus flow velocity and water depth

2.2 计算结果

2.2.1 玉符河干流WUA指数与流量关系

由于River2D不适应长河段，同时考虑研究河道橡胶坝的分段性，本研究把整个河段分为3个部分进行处理。以卧虎山水库大坝为起点，3部分分别为桩号0～8+800、8+800～15+400、15+400～38+600河段。将DEM输入到River2D中，得到玉符河研究河段的河床地形图。然后对河床地形图进行网格化，如图3所示。

图3 河段的网格划分和地形示意图Fig.3 The grid division and topographic map of the river section

考虑到玉符河河流状况具有明显的季节性，104国道以下的河道在自然条件下就会出现断流的情况，生态恢复的一个重要举措就是下游采用缩窄的人工子槽过流。因此对15+400～38+600河段，本研究选择典型子槽断面进行研究，具体选择的河段为36+000～38+000河段，河段网格如图4所示。

图4 36+000～38+000河段网格划分示意图Fig.4 Diagram of grid division of 36+000～38+000

对河床地形图进行网格化之后，输入2、5、10、15、20、30 m3/s在内的6个不同流量值，求得各河段在不同流量下的WUA，可以发现各河段在稳定流条件下WUA都首先随着流量的增加而增大，在流量为20 m3/s左右处到达最大值，之后随着流量的增大，WUA持续减小，符合目标物种的适宜曲线变化规律。(图5选用的是2、10 m3/s流量下的WUA值图)

玉符河干流不同河段WUA值与流量统计表见表2。根据3个河段的研究结果，可以初步体现出WUA指数与流量的线性关系(见图6)。一定程度上，不同流量与WUA的关系可以反映玉符河的生态水文规律，当采取不同的生态补水方案进行修复其生态系统时，可以通过此定量关系进行相应的水文计算，评价和拟定适当的生态修复方案。

2.2.2 底栖生物完整性与流量关系

根据中国水利水电科学研究院研究，玉符河各样点中水深与流速变化较明显，是影响底栖生物的主要因素，而河流的理化指标变化较小，不足以对底栖生物造成影响。因此，本文选择底栖动物与流速、水深等相关关系来表征玉符河生态与水文要素的关系。底栖生物完整性用B-IBI来表示，数值上等于各采样点主要的多样性指数实际测定值除以本底值。

图5 不同河段在不同流量下分析计算的WUA值图Fig.5 WUA values calculated and analyzed at different flow rates in different reaches of river

流量/(m3·s-1)0+000～8+800河段WUATotal Area%8+800～15+400河段WUATotal Area%36+000～38+000河段WUATotal Area%210 415.15764 6001.368 222.65655 7691.254 929.28242 7562.03515 594.91764 6002.0413 340.97655 7692.036 979.74242 7562.881018 461.87764 6002.4116 275.22655 7692.488 555.18242 7563.521519 890.75764 6002.6017 298.94655 7692.64---2020 967.22764 6002.7417 810.87655 7692.729 821.08242 7564.053018 654.00764 6002.4417 672.50655 7692.699 483.22242 7563.91

图6 玉符河WUA指数与流量统计关系Fig.6 Relationship between WUA index and flow statistics of Yufu river

玉符河底栖生物完整性相似指数与一定宽度上的流量建立回归方程可表示为：

Y=11.428X+1.087 6 (R2=0.861)

(2)

式中：Y为底栖生物完整性相似指数；X为2 m宽的单宽流量。

由确定性系数R2可以得出玉符河B-IBI相似指数与流量之间具有较好的相关关系，表明玉符河的生态水文规律相对平稳。

B-IBI其评价标准参考相关文献，可以定为：①B-IBI ≥ 3.59健康，最佳状态；②2.69 ≤ B-IBI < 3.59亚健康，次最佳状态；③1.8 ≤ B-IBI < 2.69一般状态；④0.9 ≤ B-IBI < 1.8较差；⑤B-IBI < 0.9差。

3 生态补水方案分析

卧虎山水库2005年进行的回灌试验表明，水库到104国道间强渗漏带全年平均渗漏损失流量达1.24 m3/s，国道至周王庄桥平均损失流量为0.3 m3/s，估算断流天数240 d。要恢复其生态系统，保证这段河道不出现断流情况，全年共需要水约2 570 万m3。卧虎山水库的年平均来水量约为5 891 万m3。其中，卧虎山水库向城市提供约1 825 万m3的水量，平均每年向农业提供658 万m3的水量，这样扣除死库容350 万m3后，再考虑降雨丰富时期的径流量会补给约1 558 万m3的水量，最后卧虎山水库大约有4 616 万m3水可用于下游生态补水，可以满足2 m3/s的下泄流量。

3.1 不考虑引水状态下河道的生态修复与补水方案分析

近期卧虎山水库下泄流量为2 m3/s，考虑到104国道以上的河段存在着强渗漏带，运用一维河道模型，模拟河道下泄过程，并计算玉符河干流上段的生态水文条件，详细结果见表3。从表3可以看出，鱼类栖息地的加权可用面积随着流量的减小而减小，其恢复最佳状态的程度最大接近于40%，整体偏小；而从底栖生物完整性角度分析，恢复程度较好。综合这两种情况进行预测分析，104国道以上的大部分河段都可以恢复到最佳状态的50%以上。

表3 玉符河干流上段生态水文指标恢复预测值Tab.3 The prediction value of ecological hydrological indices of the upper reaches of Yufu river

3.2 考虑南水北调引水状态下河道的生态修复与补水方案分析

为了减小渗漏，连通整个河段，本文考虑采用缩窄河道的人工子槽方案进行玉符河的生态恢复，并运用一维河道模型，模拟河道下泄过程。在南水北调济南续配套工程正式运行后，每天将有20 万m3的水量调入卧虎山水库，另外还有10 万m3的长江水通过玉符河沿线预留的出水口，直接进入玉符河的强渗漏带补给地下水，完全可以满足4 m3/s的下泄流量，详细计算见表4。

从表4可以看出，卧虎山水库下泄流量为4 m3/s时，可以实现全河段连通的目标。从鱼类栖息地角度分析预测，104国道以上河段的恢复程度可以达到最佳状态的50%，但以下河段的恢复程度依旧偏小；从底栖生物完整性角度看，全部河段的恢复程度可以到达最优状态的95%以上。综合分析得到，采用卧虎山水库下泄流量为4 m3/s的补水方案，预测综合恢复程度50%～75%，即基本使玉符河的生态系统恢复到中等偏上水平。

表4 玉符河干流全段生态水文指标恢复预测值Tab.4 The prediction value of ecological hydrological indices of Yufu river

4 结 语

本文基于鱼类栖息地数目和底栖生物完整性两个方面，对玉符河的生态补水进行分析。分析表明：采取卧虎山水库下泄流量为2 m3/s的方案，预测可使104国道以上的大部分河段恢复到最佳状态的50%以上；在考虑引用长江水状态下，采取卧虎山水库下泄流量为4 m3/s的方案，预测可使玉符河全部河段贯通且生态系统恢复到中等偏上水平。本研究弥补了该流域在生态适宜流量以及生态需水等方面研究的不足，有助于流域的管理者采用科学的水量生态优化调度进行生态调控，保证用有限的水资源最大限度地达到生态修复的目标，为北方地区有水库供水的典型季节性河流的生态修复以及水资源分配提供了参考。

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