基于综合功能辨识的城市河湖生态流量计算模型及应用

褚俊英，严登华，周祖昊，吴 迪，刘 琳

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中建水务环保有限公司，北京 100070）

1 研究背景

随着城镇化进程的加快，我国城市河湖水系正面临着水资源短缺、水质恶化、水体萎缩与调蓄能力降低、河湖水力和生态联系阻隔、滨湖地带过度开发、生物多样性减少等突出问题，河湖的健康生命受到严重威胁，并对人类社会的长远发展带来严峻挑战。城市河湖生态系统是一个完整的有机整体，水是生态过程的重要驱动因子，生态流量是河湖健康维系的重要条件［1］。科学给出城市河湖生态流量阈值尤为重要，是维护城市河湖基本功能，实施最严格水资源管理的基石［2］，有利于促进城市生态系统与社会经济的协调发展。

在城市河湖生态流量计算方面，国内外学者当前提出多种计算方法，如水文学、水力学、栖息地法以及整体法等［3］，河湖生态流量的研究日益注重水分-生态的耦合作用机理、人类活动对生态用水过程影响机制且对资料的要求较高［4］。如在栖息地法中研究者可通过河湖中存在的敏感性、指示性的生物物种调查，分析确定其生活史过程中（如栖息、产卵等）所需要的水深、流速等指标要求，从而推求河湖生态流量。Marsili-Libelli等［5］采用鲤鱼和欧洲鲢鱼作为指示物种，依据适宜水流和污染物浓度曲线确定生态流量。徐宗学等［6］依据鱼类洄游的流速范围，采用生态水力学法计算生态流量。由于我国城市河湖缺乏长期的水量、水质与水生生态系统结构与群落的观测资料，多数河湖都已渠道化且受到人工调控影响严重，这些方法在实践中应用通常面临数据缺失、适应性和代表性有待提升等瓶颈，其实践应用的范围与效果有限［7］。

城市河湖相对自然河湖在服务功能方面有明显差异，通常大部分丧失了传统上的灌溉、饮水、航运、维持河口盐分平衡等功能，多保留了排水、景观、娱乐、防洪、冲沙等功能［8］。为体现城市河湖水系这些特定的生态服务功能，面向生态服务功能的河湖生态流量计算方法日益得到发展。如贾仰文等［9］考虑生态基流、鱼类产卵、输沙、湿地与景观、渗漏与蒸发等多个要素，综合给出了渭河流域城市河湖生态流量；杨毅等［10］体现基本生态需水、净化、景观娱乐等功能要求开展了资料有限条件下北京市河流的生态需水计算。这些方法当前主要针对城市特定的河湖构建，而河湖多种复合生态服务功能的合理辨识、多种功能所需生态流量的量化方法等有待于进一步提升，河流与湖泊、湿地之间的耦合关系也需要进一步明确。本文针对城市河湖的特点，基于综合功能辨识构建了河湖生态流量计算与保障程度分析的总体框架与量化模型，选取株洲市区的河湖水系进行了典型案例分析，可为城市河流生态流量的保障与调控提供基础支撑。

2 基本概念与总体框架

2.1 基本概念 当前，城市河湖生态流量尚缺乏明确的定义，生态用水、生态耗水、生态缺水、生态基流、生态需水、环境需水及生态环境用水等多个概念尚未统一。生态流量对河湖生态系统所需物质、能量、信息及物种输移有重要意义，为了保证河湖健康与生态系统功能的发挥，要求河湖生态流量的大小、情势与水质不能超过生态系统的耐受性范围，生态系统仍然能够顺利完成其生活史。

城市河湖生态流量是指城市河湖健康所需要的、符合水质要求且满足生态需求节律的流动水量。河湖生态流量由消耗分项和非消耗分项构成［11］。其中，消耗分项主要是为实现河湖生态系统蒸散发耗水和渗漏等功能；非消耗分项主要是满足河湖生态健康所需的水动力学过程以维持连通性。在消耗分项和非消耗分项基础上，河湖生态流量可进一步细分成存量水和通量水。其中，存量水是指赋存于河道与湖泊且具有一定体积的连续水分体，通量水是指单位时间流经某一单位截面积的水量（如流量或换水量）。存量主要以河湖特征水深体现，可基于湖泊水位-容积关系曲线和水位-面积关系曲线，由特征水位确定相应的容积和水面面积相除所得，如满足河湖景观功能水深等；通量表现为河湖的流动水量，如河流生态基流、河湖维持自净流量、河流输沙功能流量以及河流景观流量等。消耗分项主要由通量构成，非消耗分项则包括存量和通量。同一流域或区域的水生态系统分布格局及生态用水的时空特征不同，产水区域也不尽相同，需要进行整合计算，以确定城市河湖主要控制断面或控制点的生态流量过程。通常，城市河道与湖泊水体以外的农田灌溉、绿地浇灌、城市供水等则不计入河湖生态流量核定的范畴。

图1 城市河湖生态流量分析的总体框架

2.2 总体框架 基于综合功能辨识的城市河湖生态流量分析的总体框架如图1所示，具体如下：（1）确定城市河湖的主要控制断面与控制节点。针对各城市河湖水系的特点，综合考虑支流汇入、上下游关联、生态功能要求等多种因素，选取河湖生态流量计算的代表性控制断面与节点。每个断面或节点控制的集水区都可视为独立单元，能够发挥特定的生态服务功能；（2）城市河湖的保护目标与主导功能的识别。逐个识别各控制断面与控制节点的主导生态服务功能，如敏感生物、景观、娱乐、防洪、冲沙以及航运等方面，明确生态保护目标；（3）城市河湖生态流量过程线的综合计算与优化分析。面向各控制断面与控制节点的功能和保护目标，建立上下游的产汇流水力联系，借助水文、水量、水质、生态等多方面数据分析，进行河湖生态流量消耗与非消耗分项、存量与通量的计算，综合优化得到河湖生态流量过程线、流量构成（即流量中消耗与非消耗量、存量与增量、各项生态服务功能所需流量）与变异性系数；（4）提出城市河湖生态流量的保障程度和调控要求。分析不同频率的来水过程，计算得出不同来水频率条件下城市河湖生态流量的保障程度，提出生态流量的调控指标要求以及调控时机，为城市河湖的健康管理提供决策支持。

3 计算模型

3.1 模型结构 基于综合功能辨识的城市河湖生态流量计算与保障程度分析模型（Model for urban ecological streamflow calculation and guarantee degree analysis based on systhesized ecosystem service function identification，简称MUSEF模型）的基本结构如图2所示。该模型面向城市河湖多种生态服务功能目标，综合体现河流断面与湖泊湿地水力联系，权衡生态流量消耗分项与非消耗分项、存量与通量、水量与水质之间的关系，量化得出城市河湖生态流量大小、过程、构成、空间分布、满足程度与调控要求，为城市河湖生态流量的保障与健康管理决策提供支持。

图2 基于综合功能辨识的城市河流生态流量计算模型结构（MUSEF模型）

3.2 调控机制 河段水平衡关系为上游汇入流量、自身流域汇入量、补给量、降水量与人工补水量之和等于社会经济最大耗水限值与生态流量（如图2所示，具体计算如下式所示）。生态流量指标阈值尤为关键，该指标的确定将对社会经济（如工业、农业等）用耗水过程进行限制，从而最大限度减少人类水资源开发利用对河湖生态系统的破坏［2］。为维系生态流量，人类可以减少本河段社会经济耗水，也可从其他水源如地表水、地下水或非常规水源对河段进行补水［12］，具体调控措施的选取需要进行技术经济的综合权衡。

式中：St为第t时间上游汇入流量，m3/s；ZQt为第t时间自身流域汇入流量，m3/s；Tt为第t时间人工补水流量，m3/s；PQt为第t时间水体降水补给流量，m3/s，KQt为第t时间其他补给流量，m3/s；Ut为第t时间社会经济最大耗水流量限值，m3/s；Wt为第t时间河流生态流量阈值，m3/s。

3.3 生态流量过程线计算 城市河流生态流量过程线由河段生态流量以及与河段连接的湖泊/湿地生态流量组合构成，包括消耗和非消耗分项两部分，具体如下：（1）河流生态流量的消耗分项包括河流蒸散通量、渗漏通量以及其他消耗（如生物消耗）等通量；非消耗分项包括河流生态系统基流、河流维持自净流量、河流输沙功能流量、河流景观与其他功能流量等通量和存量；（2）湖泊/湿地生态流量的消耗分项包括湖泊/湿地蒸散量、渗漏量和其他消耗等通量，非消耗分项为自净与其他功能水量。鉴于非消耗分项实现多项生态服务功能具有重叠性，取外包值（即max函数）计算，如下式所示：

式中：Qt为第t时间河流生态流量，m3/s；Mt为第t时间与河流连接的湖泊湿地的生态流量，m3/s；Qet、Qgt和Qnt分别为第t时间河流蒸散通量、河道渗漏通量以及其他消耗通量，m3/s；Qmt、Qat、Qbt、Qct、Qdt分别为第t时间河流非消耗生态流量、河流生态系统基流、河流维持自净流量、河流输沙功能流量、河流景观与其他功能流量等通量，m3/s；Met、Mgt、Mnt和Mbt分别为湖泊/湿地蒸散通量、湖泊/湿地渗漏通量、湖泊/湿地其他消耗通量以及湖泊/湿地自净与其他水量等通量，m3/s。

3.3.1 消耗分项计算

（1）河湖水面蒸发与湿地植被蒸散发通量。蒸散发作为城市河湖水循环过程中的一个重要环节，是水量的损失项，是河湖生态流量的组成部分和消耗项。通常，湿地植被的蒸散量包括植物同化过程耗水、植物体内包含的水分、湿地植株表面蒸发耗水等部分，其中后两部分所占比重较大［13］。在数据稀疏时湿地植被与水面面积可按照一定的比例计算［9］。河道和湖泊的水面面积以及湿地植被面积通常是水深（Hb和Hq）的函数，具体计算如下：

式中：Qet、Met分别为河湖水体第t时间的蒸散发量，m3/s；E1t、E2t分别为河湖水面第t时间水面蒸发强度、湿地植被蒸散发强度，mm/s；Aqt、Amt分别为第t时间的河道和湖泊的水面面积，m2；A1bt、A2bt分别为第t时间的河流湿地与湖泊湿地植被面积，m2。

（2）河湖渗漏通量。渗漏是河湖水量自然损失的方式，当河湖水位高于地下水位时，河湖水体通过底部渗漏和岸边侧渗补给地下水。考虑到城市河湖底部通常会有护坡和防渗处理，渗透系数非常小。对于未经防渗的自然河湖水体，可采用如下公式计算［14］。自然河湖的渗透系数通常受到土壤类型、河流形态、河道水位与地下水位差、地质条件等多种因素影响，通常采用水量平衡法、地下水动力学方法或经验公式法等方法计算，或通过河道渗漏现场试验以及动态模拟等方法进行确定［15］。

式中：Qgt、Mgt分别为第t时间的河道和湖泊渗漏水量，m3/s；Kq、Km分别为河道和湖泊渗透系数，m/s；Iq、Im为河道和湖泊坡降，‰；Lqt、Lmt分别为第t时间的河流和湖泊过水断面面积，m2；如果仅考虑垂直渗漏，则渗漏面积即为河湖的水面面积，可采用如下公式计算［11］。

（3）其他消耗通量。城市河湖其他消耗量（Qnt和Mnt）通常较小，可忽略不计。对于特殊的河湖生态系统，需根据实际情况采用经验公式或量化方法确定。

3.3.2 非消耗分项计算 城市河湖生态流量非消耗分项的计算主要包括两部分，一是存量特征水深的计算；二是体现特征水深的通量计算。其中，存量特征水深是指湖泊生态系统最低生态水深、河湖景观与其他功能水深；体现特征水深的通量包括河流生态系统基流、河湖维持自净流量、河流输沙功能流量、河流景观娱乐与其他功能流量。

（1）存量的特征水深计算。

（i）湖泊生态系统基本水深。维持湖泊形态以及水生生物生存与栖息等生态服务功能不丧失，需要一定的湖泊蓄水量（存量）。对于湖泊水生生态系统而言，枯水期实际可保持的满足其生存需求的水深尤为重要。计算湖泊维系生态系统功能的基本生态水深Hs可以采用湖泊形态法、生物空间法等方法。其中，湖泊形态法主要基于历史资料，量化分析湖泊水面面积变化率与湖泊水深关系曲线，依据该曲线寻找枯水期水深附近面积变化率最大值对应的数值作为基本生态水深，如公式所示。要维持该湖泊基本生态水深，需要计算湖泊蒸发、渗漏等消耗分项（如前所述），作为湖泊所需的生态流量指标。

式中：F为湖面面积，m2；f为函数关系；Hs为湖泊基本生态水深，m；Hmin为湖泊多年平均最低水深，m；a、b分别为和湖泊水位变幅相比较小的正数，m。

（ii）河湖景观与其他功能基本水深。城市河湖系统通常受到水闸和橡皮坝的人工扰动，流速和流量受到控制。保持特定的水深通常是城市河湖实现景观与其他功能的重要途径［1］。基于数据资料，综合体现景观、娱乐、航运、灌溉、发电等多方面功能要求，确定河湖景观与其他功能基本水深（Hw和Hq）。

（2）通量计算。

（i）河流生态基流。维持河流基本水生生态系统的稳定，确保一定的河流基流尤为重要。河流生态基流多采用水文学方法计算，如美国、法国多采用多年平均流量的10%，作为大多数水生生物生存所推荐的最低流量；我国《水利水电建设项目水资源论证导则》（SL525-2011）提出原则上按多年平均流量的10%～20%确定。随着城市河湖的水文、水量、水质与水生生态系统（如浮游植物、浮游动物、底栖动物等）与群落观测资料的不断完善，突出水分与生态系统响应机理的生态流量计算方法将得到更多应用［16］。

式中：Qat为第t时间的河流生态基流，m3/s；Rr为多年平均径流量，m3/s；Cat为第t时间的生态基流的比重系数，无量纲；Prt为多年平均条件第t时间的降雨量，mm/s；Kr为降雨径流系数，无量纲；Dq为河段陆域的汇流面积，m2。

（ii）河湖维持自净流量。河流自净流量是保护河流达到水质目标必须维持的最小流量。我国《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839-83），规定一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量，用于计算污染物允许排放量。《水域纳污能力计算规程》（GB/T25173）提出“计算河流水域纳污能力，应采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量。”除了统计学方法外，研究者还构建了水质模型模拟污染物浓度，结合本底情况计算得到所需的维持自净流量。如康然然等［17］利用QUAL2K建立了沈阳城区南运河水系的丰、枯水期的水质模型，以COD和氨氮指标达到水质目标为约束，不断调整进水闸水量，直到得到维持自净的最小生态流量。

对于城市湖泊而言，采用新鲜水源对水体进行稀释不利于污染物的源头控制，但可促进河湖水体流动而提高水环境承载力，也成为当前城市河湖管理举措，例如北京六海换水频率为每年0.5～1.25次［18］，渭河流域主要城市湖泊换水周期为60 d［9］，长沙市公园湖泊换水频率约每年1.7次［19］。换水周期或频率的大小通常受到城市水资源配置调度、湖泊水系景观娱乐等服务功能要求的影响［20］。随着湖泊水污染防治与生态修复技术的发展及应用，该水量将逐渐减少至消除，具体计算如下式所示：

式中：Mbt为第t时间的城市湖泊维持环自净水量，m3/s；Hb为湖泊最小生态水深，m；Uh为湖泊换水系数，通常根据换水周期、换水频率或换水量比率推算，次/s；Hw为湖泊景观与其他功能基本水深，m；Hs为湖泊基本生态水深，m。

（iii）河流输沙功能流量。河流输沙功能通常受到水量和含沙量两方面影响，主要在汛期完成。为保障河流输沙功能的实现，生态流量计算如下式所示：

式中：Qct为第t时间的河流输沙水量，m3/s；St为第t时间的河流输沙量，t/s；Cmax为长系列最大河流平均含沙量，t/m3；Ct为第t时间河流含沙量，t/m3。

（iv）河流景观与其他功能流量。除了上述生态服务功能外，健康的河流还需要满足河流景观与其他特定功能如航运、发电等。河流景观与其他功能流量的计算通常可采用经验法、水力学法等多种方法进行计算。其中，水力学法可采用下式计算：

式中：N为河道天然糙率，通常根据现场勘测的河床组成、断面形状、岸坡及河床中卵石砾石的分布、疏密度等情况确定，无量纲；J为坡降，‰；R为生态水力学半径，当河流宽深比较大时，可近似等于河流景观与其他功能基本水深Hq，m；B为河道宽度，m。

3.4 生态流量检验与优化分析 对于城市河湖生态流量合理性检验通常采用多年平均流量的合理百分比确定，枯水期和丰水期比重应有所不同，需要根据各城市河湖水系的实际情况确定。通常，在数据缺失条件下，城市河湖的部分生态服务功能无法量化辨识，为了最大限度的确保河湖生态系统的健康，通常取两者的外包络线确定，如下式所示。

式中：Qtt为第t时间的河湖生态流量检验值，m3/s；Ntt第t时间的生态流量检验系数，无量纲；WTt为第t时间综合优化后的河湖生态流量，m3/s。

3.5 过程变异性 城市河湖生态系统具有特定的水文节律要求，在不同时期河湖生态流量的大小通常有所差异。这种过程变异性程度可采用过程变异性系数来体现，以反应不同时间生态流量指标偏移总体样本均值的大小，具体计算如下式所示：

式中：Kwm，t为第m个控制断面或节点第t时间的河湖生态流量过程变异性系数，无量纲；WAm为第m个控制断面或节点河湖生态流量从t=1到T时刻的均值，m3/s；KW为河湖生态流量所有控制断面或节点总过程变异性系数，无量纲；Np为控制断面或节点总数，个。

3.6 不同来水频率条件下的保障程度 不同来水频率条件下城市河湖各断面或控制节点生态流量的保障程度计算如下式所示。其中，城市河湖生态流量总体保障程度等于所有河流控制断面与节点保障程度的平均值。基于生态系统对干扰的抗性能力特征，通常采用月平均流量进行生态需水保障程度分析［21］。

式中：BWx分别为x来水频率条件下的总保障程度，%；Bwx，t为x来水频率条件下的第t时间的保障程度，%；Rx，t为x来水频率条件下第t时间的来水流量，m3/s；Px，t为x来水频率条件下第t时间的降雨量，mm/s；x为来水频率，根据不同城市河湖水系的特点确定，如多年平均、75%、90%和95%等不同来水频率条件。

3.7 模型主要参数与输入特征 MUSEF模型的输入输出与主要参数如表1所示。河湖生态流量各分项所选择的计算方法不同，要求的精细化程度不同，所需的输入数据和参数也差异较大。总体上看，降水、蒸发、渗漏以及河湖水体的特征参数（如面积、水深、水质以及生态系统特征）的可得性与可靠性是影响城市河湖生态流量计算合理性的重要因素。

表1 基于综合功能辨识的城市河流生态流量计算模型输入输出与主要参数

4 案例应用

4.1 研究区域与基础数据 株洲市位于湖南省东部，湘江中下游，属于湘江生态经济带，是湖南工业重镇、南方交通枢纽，素有“火车拖来的城市”之称，享有“中国电力机车的摇篮”和“中国电力机车之都”的美誉，是湖南省“一点一线”区域经济带的重要城市，是国家重点开发区长株潭城市群（“金三角”）的重要组成部分。株洲市地处湿润多雨丘陵区，河网纵横、湖库密布、水系发达，湘江东侧（河东）地形破碎复杂，地势高低起伏，分布有湘江的4个一级支流，即白石港、建宁港、枫溪港、霞湾港。

基于株洲市区河湖水系特点，研究确定了河湖生态流量的31个主要控制断面和控制节点。其中，河流生态流量断面21个（干流为11个，其余为支流），湖泊控制节点10个，如图3所示。株洲市河湖生态流量计算的主要数据来源如下：湖泊、河流长度、面积与断面形状等基础资料来自株洲市水利局的长期监测和中国水利水电科学研究院2016年8月现场测定的结果（表2）。河湖渗透系数来源于株洲市水利水电规划勘测设计院的勘测结果，均值为3.0×10-7m/s，其余数据见表3。降雨资料来源于国家气象局株洲站1955—2016年共计62年逐月资料，降雨产流系数来自《株洲市水资源公报》，蒸发数据来源于《株洲统计年鉴》，如表4所示。

图3 株洲市河湖生态流量的控制断面与控制节点

表2 株洲市区河流生态流量计算断面的参数与输入数据

表3 湖泊湿地多年平均面积与最小生态水深数据

表4 株洲市区河流主要控制断面生态流量过程线（单位：mm）

4.2 河流生态需水过程线、构成与变异性 在确定株洲市河湖主要控制断面和控制节点多重生态服务功能目标基础上，经MUSEF模型进行长系列计算，得到控制断面与节点逐月生态流量过程线，如表5所示。可以看出，河流干流断面汛期（4—9月）的流量总体大于非汛期，以满足汛期特定生态服务功能的要求。支流入江口断面（以霞湾港为例）生态流量的过程线与构成如图4所示。总体上，株洲市区河湖生态流量主要为非消耗生态流量，其中最主要的是景观娱乐需水，其次是环境自净流量，输沙流量、生态基流所占比重较小。从生态流量的过程检验看，汛期生态流量过程有所优化提升，属偏安全计算。

表5 株洲市区河流主要控制断面生态流量过程线（单位：m3/s）

图4 支流入江口断面生态流量构成（霞湾港，S41断面）

河湖生态流量的月变异系数反应了逐月生态流量偏离全年尺度月均值的程度，计算结果如图5所示。这些断面可分成如下三类：（1）“二值型”，即汛期（4—9月）逐月生态流量基本相同，月变异系数较大；非汛期（其余月份）逐月生态流量基本相同，月变异系数较小，包括14个断面（即S1-2，S11，S12，S13，S22，S3-1，S3-4，S3-5，S3-7，S32，S33，S34，S41和 S42）；（2）“一值型”，即汛期、非汛期逐月的生态流量过程大致相当，基本在月均值附近，如断面S1-1，S1-3，S3-2，S3-3，S3-6和S31；（3）“分散型”，即逐月的生态流量过程不同，如断面S21，主要原因是湖泊湿地生态用水所占比重较大，受到湖泊湿地蒸散发耗水、环境自净等月过程变化的影响，生态流量逐月过程有明显波动，具体如图6所示。

图5 株洲市区河流生态流量的月变异系数

图6 株洲河流连接的所有湖泊生态水量月过程构成

图7 株洲河流各断面生态需水逐月满足程度

4.3 不同来水频率条件下河湖生态流量保障程度与调控要求 在多年平均、75%、90%和95%来水频率条件下，株洲市各河流断面生态流量的总保障程度分别为98.8%、91.7%、79.0%和65.9%，具体断面保障程度如图7所示。通过各种水资源调控途径所需增加的河湖生态流量，在多年平均、75%、90%和95%来水频率条件下折合年水量分别为15.6万、333.4万、3975.8万和4335.8万m3。从调控时机看，河湖生态流量调控主要分布在非汛期，在多年平均条件下12月需增加生态流量；在75%来水频率条件下2月和12月需增加生态流量；在90%和95%来水频率条件下，1—3月、8—10月和12月需增加生态流量。从空间分布看，河湖生态流量所需增加最大的为白石港，其次为枫溪港，建宁港和霞湾港所需增加的生态流量较少。

5 结论

研究构建了基于综合功能辨识的城市河湖生态流量计算与保障程度分析模型，可为不同城市的河湖生态流量的安全保障和健康管理提供科学基础。以株洲市区河湖为案例应用的分析结果表明，在多年平均、75%、90%和95%来水频率条件下，株洲市河湖生态流量的年均保障程度分别为98.8%、91.7%、79.0%和65.9%。在此基础上，量化提出了所需增加的生态流量指标要求和时空分布特征。

城市河湖生态流量随着河湖水系特征、生态系统结构和功能的差异化具有相当的复杂性。应进一步加强城市河湖生态系统健康状况调查与评估，对河流及其关联的湖泊、湿地的水文、水质、水生生物多样性与群落演替（如浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类等）进行系统的本底调查与长系列的观测，为河湖生态流量的精细化计算提供进一步支撑。应加强河湖生态流量计算的参数不确定性分析，并结合城市社会经济发展耗水过程与趋势，综合考虑再生水、雨水、地表水和地下水，开展城市河湖生态流量的多水源优化配置与调度，为变化环境下城市河湖生态流量阈值的定量识别与动态保障提供决策支持。