城市水系河流断面生态需水量研究

孔令刚，李萌萌，郭文献，张海涛

(1.石家庄市水利水电勘测设计研究院，河北 石家庄 050001；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

石家庄市水资源匮乏，属于资源型严重缺水的地区。从近年实际发生的情况看，其缺水特征主要表现为枯水年干旱季节工程性缺水、城市资源性缺水和局部河段水质性缺水。局部地区水污染严重。即，由于大量污水流入到滹沱河、磁河、洨河、汪洋沟等地表河流，造成了河流两岸近200 m范围内形成为沿河地下水污染带[1]；同时，部分地区采用污水灌溉，农田每年施用大量的化肥、农药等，也使得地下水的质量受到影响。由于人均水资源量少，年内年际变化大，分布不均且与生产力布局不相匹配，造成水资源开发利用与河流生态需水保障的矛盾加剧。经济社会发展大量挤占河道内生态环境用水和地下水超采，造成滹沱河冲积扇扇缘的市区西部的地段基本被疏干，被疏干或接近疏干的面积约2～5 km2，导致农村生活用水、部分工厂企业用水及农业灌溉用水等受到较大影响[2]。

为此，本研究的重点是维护和保障石家庄市河湖生态环境用水需求，针对滹沱河、磁河等河流水生态系统保护存在的主要问题，根据石家庄各重点流域水资源条件和水生态特点，合理调配水资源，保障生态用水需求。

1 石家庄市河流生态需水量计算

石家庄市地处河北省中南部，与保定、衡水、邢台和山西省相邻，居环渤海经济区腹地，交通便捷，素有“南北通衢，燕晋咽喉”之称，属暖温带大陆季风气候。石家庄市属海河流域大清河水系和子牙河水系[3]，平原区河流由北而南主要有沙河、滋河、滹沱河、洨河、槐河等自西向东南流经本区。其中滹沱河最大，发源于山西省繁峙县，源远流长，长达540 km，流域面积3 089 km2。石家庄市是资源型缺水的严重地区，水资源匮乏，经济社会用水与水资源承载能力严重失衡，地下水连续多年处于超采状态，境内水系常年处于断流状态，河流生境面临十分恶劣的挑战。

1.1 河流生态需水内涵

生态需水量是指在特定时间和空间条件下，为满足生态系统诸项功能所需水量的总称。河流生态需水包含两个主要特性：一方面，受到河流生态水文过程的制约，表现出随时间和空间变化的动态特征；另一方面，生态需水具有协调各项生态系统基本功能的内涵，表现出在特定时空单元内最大限度地满足河湖主要功能的优先选择性，即阈值性。因此，在确定生态需水合理阈值的同时，还需要体现天然径流的变化特征，从而满足河流不同区段在不同时段的特定生态功能需求。

水体在生态系统中具有多种多样的功能，所以在规定生态系统某一功能时，都应与相应的生态目标结合。规定的功能不同，相应的生态目标则不同，生态需水量也不同。在确定生态需水量之前，首先要确定生态系统的管理目标。生态需水目标设定主要考虑河道内生态系统，特别是水生生物的需水要求，各种生物群落的需水要求可能不尽相同。鱼类是水生态系统中的顶级群落，对环境变化最为敏感，对其他类群的存在和丰度有着重要作用。鱼类对生存空间(如水深、流速等)最为敏感。例如，鱼类具有在水流中对流向和流速行为的反映特征，即趋流性，并以感觉流速、喜爱流速和极限流速为指标。感觉流速是指鱼类对流速可能产生反映的最小流速值，喜爱流速是指鱼类所能适应的多种流速值中最为适宜的的流速范围，极限流速指鱼类所能适应的最大流速值。各种鱼类的感觉流速大致相同，但极限流速差别很大。无论是极限流速还是喜爱流速，都随着体积的增大而提高。

河流生态需水针对不同的生态目标设定了不同的需水量阈值，具体包括最小生态需水量和适宜生态需水量。河流最小生态需水量指维持现有河道生态系统不再恶化，保障河道天然关键物种不消亡，从而保证河道生态系统基本功能不严重退化，必须在河道中常年流动着的最小临界水量[4]。河流最小生态需水量随河流自身特性、河段位置和时段范围变化，具有时空动态变化的特征，所以必须同时考虑其总水量和径流过程。

结合河流生态需水目标的划定，河道最小生态需水量的生态功能目标定义为：①一般时期，首先必须保证河段不断流，并为关键物种如鱼类提供最小的生存和活动空间，从而防止河道生态系统发生毁灭性的破坏。②水生生物繁殖、发育等关键生命阶段须满足其产卵、洄游对生境条件的最低需求。

适宜生态流量指满足河流生态系统的生物多样性及其良好的生存条件，维持河流生态系统结构稳定和动态平衡所需的水量阈值。适宜生态流量考虑目标为水生生物，主要包括鱼类生存、繁衍对水域水温、水利特性的要求，从而能够在不同生命阶段内获得满足其需求的适宜栖息场所。同时，假设流量与鱼类栖息地的有效性有直接联系，鱼类得到了满足其需求的适宜栖息地场所，河流生态系统中的其他物种栖息地也得到了足够的保护。因此，维持主要河流生态系统的完整性，可以体现在满足鱼类产卵、繁殖等关键生命阶段对适宜栖息地的需求上。

1.2 河流生态需水计算方法

目前，关于河流生态需水的计算方法较多，总结起来可以分为：水文学法、水力学法、生境模拟法和综合分析法等[5]。这四类方法中比较常用的有Tennant法、月(年)保证率法、河道湿周法和R2CROSS法等。本文采用Tennant法。Tennant法(也称作“Montana法”)是一种非现场测定类型的标准设定法，河道推荐流量以预先确定的年均流量百分比为基准，是一种更多依赖于统计的方法。这种方法是将平均每年自然流量的简单百分比作为基流，以年平均流量的10%作为水生生物生长最低标准下限，年平均流量的30%作为水生生物的满意流量[6]。该法不仅适用于有水文站点的季节性河流，而且适用于没有水文站点的河流，可通过水文技术来获得平均流量。为了分析本研究成果的合理性，采用Tennant法评价标准进行对比分析，划分的流量等级标准设定见表1。

表1 Tennant法推荐生态流量标准 %

2 结果与讨论

2.1 计算过程

本研究计算所需水文数据采用《石家庄市水资源调查评价成果表》，其中滹沱河黄壁庄站(1959年～1980年近天然径流系列)、磁河横山岭站(1959年～1968年近天然径流系列)以及槐河马村站(1959年～1967年近天然径流系列)，滹沱河北中山站(1959年～1968年实测径流系列)、沙河新乐站(1959年～1984实测径流系列)采用石家庄市水文局提供的水文站实测流量数据。采用石家庄市河流控制站多年天然月均径流过程，并以多年月均流量过程为基准进行河道生态基流年内过程计算。石家庄市范围内主要河流水文站的生态流量过程见图1～5。

图1 滹沱河黄壁庄水库生态流量过程

图2 滹沱河北中山站生态流量过程

图3 沙河新乐站生态流量过程

图4 磁河横山岭水库生态流量过程

图5 槐河马村站生态流量过程

2.2 计算结果与Tennant法评价标准的对比

石家庄市主要河流各水文断面的基本生态流量计算结果与Tennant法评价标准进行对比分析(见表2)。最小生态流量在一般用水期(10月至翌年3月)各个水文断面生态流量占多年年均流量的1.2%～5.4%，根据Tennant法评价标准均处在严重退化的范围，此时河道径流量条件应保持一定的水深、流速、河宽，保障鱼类生存、洄游、景观一般要求，是保持绝大多数能够保障水生生物短时间生存最低的流量推荐值；适宜生态流量在一般用水期占多年平均流量的8.4%～16.3%。按照Tennant法评价除马村处在严重退化范围外，其余4个断面均处在一般范围内。

表2 河流生态流量Tennant法评价

由表2知，鱼类产卵育幼期各水文断面最小生态流量占多年年均流量的5.1%～17.2%，除新乐断面处于严重退化范围内，其余4个断面均处于较好的范围中，能够保障水生生物栖息和产卵、育幼等目标的流量需求。适宜生态流量在鱼类产卵期占多年年均流量的43.7%～51.6%，均处于最佳范围内。因此，利用Tennant法计算的生态流量与设定的分期相符，能够保障河流生态目标的需求。

3 结 论

(1)利用Tennant法分别计算得到了滹沱河黄壁庄水库站、滹沱河北中山站、沙河新乐站、磁河横山岭水库站、槐河马村水文站年最小生态需水量分别为1.83亿、1.56亿、0.06亿、0.14亿、0.16亿m3，适宜生态需水量为5.49亿、4.69亿、0.57亿、0.41亿m3和0.48亿m3。

(2)参照Tennant法评价标准可知，利用Tennant法计算出的最小生态流量和适宜生态流量都与Tennant法设定的分期相符，均能够满足河流生态目标的需求，计算结果较为合理。该研究结果可为石家庄市河道生态修复提供科学基础参考。