苏北平原河流生态水位确定与保障措施研究

王振祺，方红远*，许广东，朱 晔，王铖洁

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009;2.江苏省水文水资源勘测局宿迁分局，江苏 宿迁 223800)

2019年2月，水利部办公厅印发了《重点河湖生态流量(水量)研究及保障工作方案的通知》，将一批重要的河湖断面分选出来并对其编制生态流量保障实施方案，逐河(湖)实施监管，并对年度实施情况进行评估[1]。目前，最小生态流量(水位)被定义为“维持河湖给定的生态环境保护目标所对应的生态环境功能不丧失，需要保留在河道内的最低水位(流量)”，作为明确河湖生态流量阈值的基础，其对河道内生态系统健康的维持至关重要;通过严格管控河湖生态流量(水位)以保障区域水环境安全，对有效落实生态文明建设全局工作具有积极作用[2]。

近年来，苏北平原河网地区有规模地实施了域内河流水系的整治改造计划，虽然河流湖滨加强景观建设，恢复了部分水生生物，但局部区域或河段过于强调城市景观，基于河湖水系连通与生态功能有机结合的规范化的开发利用行为不够深化，使得河网区域堤岸硬质化以及河滨湿地特征发生变化，其一定程度上也导致了水生生态系统退化，生物多样性偏低，系统的生态稳定性差，平原河网水系的水动力仍显不足。另外，虽然河道上闸坝站等水利工程在水资源利用方面发挥着引流灌溉、防洪排涝等功能，但闸坝站也使得河流天然流态转变为人工流态，降低了河流的连通性与河道的调蓄作用，干扰了河流的天然水循环过程，引起河流部分生物群落消失，造成了严重的水污染和生态系统健康问题[3-4]。

因此，需要在充分分析平原河网生态流量管控形势与挑战的基础上，运用有效方法计算河道生态流量(水位)阈值，并根据新时期河湖生态流量管控总体路线，提出加强河流生态流量管控对策措施，以科学确定河道生态流量目标，建立完善生态流量管控长效机制。本文以苏北平原地区总六塘河为研究对象，考虑河道生态流量(水位)管理的实际情况，采用分段设计与综合计算法确定其相应的生态水位阈值，并分析河流生态水位(流量)目标管控的相关方法及措施，以便为进一步推进研究区河湖生态流量保障提供技术支撑和参考。

1 研究区域概况

总六塘河位于江苏省宿迁市境内，起点位于洋河滩闸，末端与淮沭河平交，穿淮沭河后与北六塘河等河道汇入灌河，流入黄海。宿迁市水资源公报显示，该市多年平均降水量909.6 mm，年内分配也不均匀，年平均约68%的年降水集中在5—9月。

总六塘河作为沂南地区区域排涝的主要河道，承担宿豫区和泗阳县区间排涝及灌溉任务，河道全长76 km，流域面积691 km2(图1)。该河所处流域属于典型的平原河网地区，河道纵横，地势平坦，河网高度发育。

图1 总六塘河地理位置及水文站布设

2 河道生态水位阈值的确定

2.1 河道生态水位计算的分段设计

经对河道现行运行管理状况发现，总六塘河上游段通过六塘河闸常年与中运河保持联通，且相关翻水站可将中运河水源调蓄至总六塘河，因而可以将此区间段内中运河生态水位限值应用到总六塘河上游段生态水位;总六塘河下游段(始自河道上的苗冲橡胶坝)与淮沭河平交，因而下游段水位与淮沭河持平。综上所述，结合江苏省水利厅发布的《全省第一批河湖生态水位(试行)》，现以六塘河闸以及苗冲橡胶坝作为分段点，将总六塘河划分为上游段(洋河滩闸—六塘河闸，河长6 km)、中游段(六塘河闸—苗冲橡胶坝，河长33 km)、下游段(苗冲橡胶坝—与淮沭河交口处，河长37 km)3个区段进行生态水位(流量)计算以及管控措施分析。原则上，上游段以及下游段的生态水位阈值按《江苏省第一批河湖生态水位(试行)》中的中运河(刘老涧闸皂河闸段的刘老涧闸上断面)以及淮沭河沭阳闸上(由沭阳闸上生态控制水深推求的总六塘河与淮沭河交界断面处水位)的生态水位值确定，而中游段的生态水位阈值的计算则选用复隆站监测断面的数据作为依据。

2.2 中游段河道生态水位计算与确定

生态流量的基本保护措施是尽可能维持河流的天然流态，所以可通过河流水文变化指标和生态流量满足率等多种方式来判断河流的健康程度[5-6]。河流生态流量(水位)的常用计算方法有水文学法、水力学法、栖息地模拟法、整体法等。Richter等[7]提出根据不同水文变化指标判断水文变化特征的RVA法，该方法根据5种不同的水文情势基本特征，将33个水文参数划分为综合流量、时间、频率、延时和改变率5个方面，从不同角度评价河流的水文情势改变程度。同时在该法的基础上，延伸出多种定量评价河流水文情势变化方法，如DHRAM[8]法，直方图匹配法(HMA)等[9]。Jiang等[10]根据宜昌、汉口、大通等长江干流的7个水文站1980—2012年的观测数据，用RVA方法评估了三峡大坝对长江中下游水情的影响，得出通过水库调蓄作用对径流变化率和年极端流量的影响较大的结论，且距离三峡大坝越远，影响程度就越弱。顾西辉等[11]基于IHA 指标计算的整体水文改变度和DHRAM法评价东江流域受水库影响后河流水文过程的总体改变程度，其研究结果表明东江流域重要水文站的总体改变度超过50%，DHRAM 评价也在中等影响以上。Ma等[12]提出一种基于生态流量阈值的河流水文健康评价方法，分析了生态流量维护对河流健康状况保障的基础作用。黄广勇等[13]用最低生存水深、60%湿周率、90%保证率年最低水位等分析了盐城市主要河道水文控制断面的生态水位。

苏北平原河网区河流具有河面平静，河道内流量、流速较小，河流水动力普遍较弱等典型特征，由于各地区河流流域各具特点，汇集水区情况多复杂样，加上研究区域内许多河流的实时水文测验数据有限，一般都无法选用传统的河道生态流量计算方法，运用湖泊生态水位计算方法借以完成相关计算工作[14];同时考虑转化传统河流生态流量计算方法中对流量的运用，利用洋河滩闸、复隆水文站的历年的水位数据，来计算总六塘河的生态水位阈值。鉴于宿迁市域范围内河道水流特征，并借鉴相关平原河流生态水位(流量)分析文献中有关计算方法，本文选用90%年最低水位、湿周法、最小月平均水位、生存最小水深4种方法重点对总六塘河中游段的控制断面生态水位进行分析。

2.2.190%年最低水位法

代表频率最低水位法是对长系列逐日平均水位经验点据进行配线。通过对中游段的复隆水文站水文资料的三性审查，现选择该水文站2013年4月至2020年9月的逐日水位系列资料进行分析，通过计算对应经验频率并观察吻合程度，选取相应保证率对应水位。其中计算经验频率见式(1)：

(1)

式中m——月平均水位排列序数;n——样本容量。

另外配线法需要选定CS、CV和频率P，并利用式(2)：

(2)

式中Kp——模比系数；Xp——经验点据对应值。

根据总六塘河上布设的水文站水文资料与总六塘河的分段情况，用90%频率年最低水位对复隆控制断面的生态水位进行分析，结果见表1。

护理干预完成之后，对两组患者VAS疼痛度评分比较，观察组患者的疼痛度显著低于对照组，患者舒适度情况更高，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表1 复隆站90%保证率最低水位计算结果

由绘制的水位频率曲线分析，在最佳拟合条件下，经验点据大部分落在理论频率曲线上，拟合度高达0.984 3，因此，复隆水文站断面的90%频率水位为8.96 m。

2.2.2湿周法

根据前述复核审查后的复隆水文站实测断面图及日水位监测资料，首先计算出水深，并乘以边坡系数得到坡宽，计算时应注意该断面为复式断面，不同水位对应的水深情况下，边坡系数有所不同，因此需要分部计算。接着利用直角三角形边长公式计算得到边坡长度，最后加上坡底宽度就能计算出该水位对应的湿周。河道的湿周-流量数量关系可通过曼宁公式来计算：

(3)

式中Q——断面瞬时流量，m3/s;n——粗糙系数;S——河道比降;P——湿周，m;A——过水断面面积，m2。

以90%年最低水位法所用复隆水文站相同水位系列资料进行分析，将计算得出的湿周数据与水位监测数据对应起来，描绘关系曲线，该湿周-水位关系曲线上的拐点为(115.76，11.69)，所以湿周为115.76 m时对应的水位即为，所求生态水位为11.69 m。图2为计算分析得出的总六塘河复隆断面湿周—水位关系曲线。

图2 总六塘河复隆断面湿周-水位关系

2.2.3最小月平均水位法

(4)

最小月平均水位法顾名思义，即以最小月平均实测水位的多年平均值作为河流的基本生态水位，据复隆水位监测断面资料显示，最小月平均水位为2013年4月的8.73 m，最大月平均水位为2017年12月的9.08 m，两者水位相差0.35 m。

生存最小水深法将水生生物适应的水力生境作为确定合适的水位(流量)的根据，并在以水深作为生境参数指标时，选用鱼类体长的2～3倍作为最小生存水深。总六塘河与骆马湖相通，参考骆马湖水域其中鱼类37科148种及其本区域多年鱼获实际统计数据，总六塘河成年鱼大多体长在0.3 m左右，根据《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南》〔环评函(2006)4号，由国家环境保护总局办公厅，2006年〕以及鱼道相关研究成果，最终将生存最小水深定为0.9 m。将复隆断面河底高程6.22～6.66 m与生存最小水深加和得最低生存水位7.12～7.56 m。

2.2.5中游段生态水位阈值确定

针对总六塘河中游段，比照上述4种生态水位计算方法所得计算成果(表2)，复隆站断面的计算生态水位从低到高依次为：生存最小水位法、最小月平均水位法、90%年最低水位法、湿周法。生存最小水深法计算所得水位偏低，低于控制断面的历史最低水位，而湿周法计算所得水位偏高;因月平均水位年际间相差较大，最小月平均水位易受到特殊情况的影响，在90%年最低水位法和最小月平均水位计算得到的生态水位较为接近的情况下，综合考虑上述情况，选取90%年最低水位法计算成果(8.96 m)作为复隆控制断面(中游段)的生态水位阈值。

表2 总六塘河生态水位计算成果

2.3 河道生态水位阈值确定

综合前述生态水位相关确定原则和采用的计算方法成果，并结合江苏省水利厅发布的《全省第一批河湖生态水位(试行)》中生态水位目标控制值，现确定总六塘河生态水位目标值(生态水位阈值)为：①上游段(洋河滩闸—六塘河闸)的生态水位阈值参照中运河刘老涧闸至皂河闸段生态水位值，为17.4 m;②中游段(六塘河闸—苗冲橡胶坝)的生态水位阈值以前述计算成果为基础，取值为8.96 m;③下游段(苗冲橡胶坝—宿迁与淮安交界处或与淮沭河汇交处)的生态水位阈值，原则上应由淮沭河(沭阳闸上)生态水位值(7.5 m)相应的水深加总六塘河与淮沭河相交处附近的河道底部高程确定，但据资料分析，总六塘河下游段靠近淮沭河的河底高程一般在5.0 m左右，鉴于此，下游段河道生态水位阈值可取7.5 m。

3 总六塘河生态水位目标保障措施分析

3.1 河道生态水位(流量)管控须综合运用工程性与非工程性措施

总六塘河生态水位(流量)管控目标的实现，必须采用工程性措施与非工程性措施相结合的策略。工程性措施更多地需要考虑河道水文、气象、水资源开发利用状况、水利工程建设等实际情况，因地制宜地规划设计相关工程项目，但主要应包括河道疏浚整治工程、生态功能区建设工程、水资源配置与河道水量调控工程、河湖水系连通工程、生态植被维护与水土保持工程、河道生态调度监测系统工程等。非工程性措施可以主要从严格依法依规调度河道水量、健全河流联通联控联调体系、建立健全供用水补偿机制、加强建设区域及部门沟通协调机制、加强江河生态流量落实监督考核、加强河道取用水许可监督管理等方面加以考虑和制定。

3.2 构建完善可行的生态流量管控制度

在现有水资源管理与水生态管护机制条件下，构建包含目标需求层、信息基础层、决策支撑层和核心制度层等内容的生态流量管控制度体系是客观必要的。目标需求层是指生态流量管控要素(管控主体、目标、措施等);生态流量管控基础层应主要包括法律法规、指标体系、标准规范等;决策支撑层是指水资源有偿使用制度、水生态补偿制度等制度体系，它们在生态流量管控工作中发挥决策支撑作用;核心制度层的构建则应以目标需求为导向，坚持始终将制度保障贯穿生态流量管控工作全过程的原则[15]。

3.3 建立河道生态流量保障长效机制

努力建成宿迁市域内主要河湖生态流量现代化管控系统，实时掌握河道主要控制断面生态流量保障情况，切实保护河流生态健康。强化生态文明与河湖生态流量(水位)保障意识，要求市、县(区)各级水行政主管部门高度重视河湖生态流量保障工作，明确河湖生态流量管控的目标任务、责任主体、工作措施、责任人，切实解决制约人民享受优美环境的难点。按照国家、省、市有关要求，尽快出台关于科学合理开发河湖水资源、水环境方面的指导意见，在取水许可审批、环评审批、水生生物影响分析方面均对水利水电项目的生态流量(水位)或最小下泄流量提出了要求。以此建立河湖生态流量保障长效机制[15]，以确保河湖生态流量得到有效管控。

3.4 加快生态流量和取水量信息监测系统与生态水位目标保障预警系统建设

紧密配合江苏省水资源调度管理信息系统建设，在国家水资源监控平台框架下，尽快建设宿迁市河湖生态流量(水位)在线监测设施，将河湖生态流量在线监测数据接入监控平台，动态掌握市域范围内主要水体的生态流量(水位)保障情况，为建立健全生态流量监测预警机制奠定良好基础。根据宿迁市水资源综合规划及配置调度方案成果，及《宿迁市生态河湖行动计划(2018—2020年)》等文件要求，切实执行宿迁市域河湖生态流量调度策略。首先启动枯水期河道生态流量(水位)全面监测，进一步完善河道水文监测数据库;积极配合国家水资源监控能力建设项目实施计划，扩大农业、工业、自来水厂取水量在线监测范围，提高河道外各行业取水量以及河道相交支流的分水在线监测比例，以提高全市水资源安全保障水平。

构建基于实时水文监测数据与生态流量(水位)阈值的河道生态目标保障预警系统，预警方案可根据事件发生概率分为常规状态、特殊状态下的对应方案[16]。根据生态水位的实时监测与构建的预警系统及其河道生态水位状态保障预警方案，可设计预警系统发出低级预警信号、中级预警信号和高级预警信号，并针对不同警度等级，适时采取应对策略。当面临极端干旱年、大型水利设施运行故障或水体严重污染等情况的特殊预警状态时，由于此时供水严重不足，生态系统可能受到不可逆转的影响，则水主管部门及授权机构应组织实施应急调度，合理安排用水计划，确保控制断面流量符合规定的控制指标。

3.5 加强河湖生态流量(水位)落实情况监督考核

加强考核是推动工作的有效方法。按照国家和省级水资源考核要求，将河湖生态流量管控纳入最严格水资源管理制度和河(湖)长制双重考核范畴，督促县(区)政府及水主管部门切实履行河湖生态流量(水位)管控职责。通过严谨规范的水利综合督导制度，加强监督检查，并以“一县(区)一单”方式将突出问题反馈给相关地方政府和部门。同时，加强河湖生态流量(水位)监测结果运用，按照约谈、通报、问责等不同整改等级予以督办，确保各责任单位严格落实生态流量(水位)管控要求。

3.6 探索水生态空间确权工作以保障河道生态流量管控目标实现

《自然资源统一确权登记暂行办法》规定，以水流作为独立自然资源登记单元的，依据全国国土调查成果和水资源专项调查成果，以河流、湖泊管理范围为基础，结合堤防、水域岸线划定登记单元[17]。并且由于该项工作性质，应建立政府主导、部门协同的工作机制，系统构建河流、湖泊管理范围划定标准以推进河流、湖泊管理范围的划定工作。水生态空间确权工作可以保障河道生态流量管控目标的有效实现，作为地市一级的宿迁，如能扎实推进水域、岸线等水生态空间确权探索工作，不失为一种先行先试的超前努力。

4 结论

针对平原河网区河流的水文属性、水动力特征以及可获得的水文实测资料条件等，采取90%年最低水位法、湿周法、最小月平均水位法、生存最小水深法等4种方法从不同角度分别计算了研究区河流的生态水位阈值，并根据计算结果与实际水位监测数据、河流生态需水日常状态、河流生态目标管控运行情况等资料的对比分析，综合选择出可用于研究河流生态流量(水位)实际管控过程的更适宜、更合理的生态水位目标值。从构建完善可行的生态流量管控制度、建立河道生态流量保障长效机制、加快生态流量和取水量信息监测系统与生态水位目标保障预警系统建设、加强河湖生态流量(水位)落实情况监督考核等方面分析了河流生态水位(流量)目标保障的具体措施。文中所采用的结合多种河流生态流量(水位)计算规则的综合确定法，对一般具有相对完善的长系列水位资料的平原河网区河流生态需水量计算及其保障体系构建具有参考意义;但如何结合考虑不同河段物理特征、水生生物种类及其目标物种需求、分段河流水量水质管理以及生态流量-水位内涵关系转化、水文过程不确定性等多因素的平原河流生态流量(水位)计算分析方法还有待进一步探索。