平原河网地区河流生态水量表征方式及核算研究——以通榆河为例

刘洪财，丁晓雯*，蒋 咏，陈庆伟

(1.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206；2.江苏省水资源服务中心，江苏 南京 210029；3.水利部水资源管理中心，北京 100053)

从古至今水资源就被视为是人类赖以生存、发展所必需的生命活动物质，现在也被视为对生态环境系统起到控制性的重要因素之一，在“十四五”规划中也提出了要提升生态系统质量和稳定性的目标[1-2]。但长期以来，人们为了提高自己的生活水平，过度开发和利用水资源，导致河湖水量减少、河道结构被破坏、湖泊湿地萎缩等一系列水资源和水生态问题，而解决这些问题关键在于合理的确定河湖生态水量[3-6]。早在20世纪40年代，美国就开始了有关河流生态水量的研究，并提出了“最小生态流量”的概念[7]。中国则是从20世纪70年代才开始对生态水量进行探索研究，现也取得了许多研究成果[8]。但中国对生态水量的研究主要集中在干旱、半干旱和半湿润地区，对湿润的平原河网地区河流生态水量的研究相对较少[9-12]。而在平原河网地区，由于人口密集、工农业发达，生活、生产用水量的增加，导致河流生态水量减少，在一定程度上影响了河流生态系统的健康，故现需对平原河网地区河流的生态水量进行核算与研究，以保证平原河网地区河流生态系统的健康与稳定。而研究确定平原河网地区河流的生态水量，不仅可以为该区域水资源可持续开发利用提供科学依据，而且也可以使该区域的水资源进行更合理配置和优化调度，具有十分重要的现实意义。

1 平原河网地区河流特征分析

中国地势西高东低，呈阶梯状分布，西部多为山地、高原和盆地，东部多为平原和丘陵；且中国河流众多，但分布不均匀，河流密度总的趋势是南方大，北方小，东部大，西部小[13]。这就导致中国东部平原地区地势平坦、河流多，河道交织连接呈现为网状，故将这种地区统称为平原河网地区[14]。平原河网地区水系结构极其复杂，河道纵横交错，水量交换关系紊乱，河道的干支流概念模糊[15]。网状水系结构是平原河网地区的典型地理特征[16]，而相比树枝状的水系结构，网状的水系结构具有相互连通、比降较小、河道相对稳定的特点[17]。平原河网地区的河流所流经的区域大多数地势较为平坦，从而导致平原河网地区中的河流河床较为平缓，起伏不大，坡降处于0.1‰～1.0‰，造成河流水动力不足。且上游河道来水进入平原河网中后，逐步向平面河网中扩散，也使河流中的水动力减小[14]。当河流中的流速降低到一定程度时，河水中携带的泥沙逐步沉积，形成巨大的堆积层，使水流的流速变得更小。总而言之，在平原河网地区的河流水动力较小，从而导致流速缓慢。中国的平原河网地区大多属于亚热带季风气候，处于流域下游，有充沛的水资源。网状的水系结构，使得水量交换频繁，加上水动力的不足，导致平原河网地区的河流水流流速小，水位变化不显著，流向随机变化不定[15]。

2 平原河网地区河流生态水量的表征方式的确定

目前，对生态水量的研究对象主要分为河流和湖库两大类。一般来说采用生态流量(m3/s)作为河流生态水量的表征方式；采用生态水位(m)作为湖库生态水量的表征方式。相关的研究见表1。

通过第1节中对平原河网地区河流特征分析可知，平原河网地区的河流纵横交织连接，水流流速缓慢，水流往复流动，水位变化不显著，流向、流态随机变化不定。若还采用生态流量表征平原地区河流生态系统功能所需要的水量及其过程，则难以对核算，更难以对其监管和保障。而生态水位是对湖泊湿地等缓慢或不流动水域生态需水的特定表达。且由于平原河网地区河流较多，缺少对每条河流流量的监测，加上水流往复流动，对流量的准确监测也较难实现，而对河流的水位监测较为方便可行。因此本文认为对于平原河网地区相对于生态流量采用生态水位来表征河流的生态水量更为合适。

3 通榆河生态水位的研究

3.1 通榆河概况

通榆河南起南通市九圩港，北至连云港市赣榆县，全长415 km，是江苏省江水东引北调工程的重要组成部分，是继京杭大运河之后江苏省的第二条南北走向的千吨级航道。通榆河也是沿海地区的“清水廊道”，是沿线1 000多万城乡居民主要的饮用水源，肩负着沿海垦区、渠北地区供水重任，在沿海发展大局中具有重要战略地位[26]。而江苏省作为中国平原面积占比最高的省份，平原面积占比达70%；且江苏省境内河湖众多，水域面积占比达16.9%，是典型的平原河网地区[27]。故本文选取江苏省内的通榆河为例，对其里下河区内的阜宁(通)断面进行生态水位的核算研究，从而为平原河网地区河流生态水量表征方式的研究提供参考依据，其水文站具体位置及周边水系见图1。

3.2 历年观测水位分析

通榆河阜宁(通)水文站位于通榆河与射阳河交汇上游，可以监测通榆河汇流到射阳河的水量，并且具有较为详细的监测数据。根据所获得的阜宁(通)水文站1988—2019年(无1998—2002年)以废黄河基面为水位基面的逐日平均水位资料，可以求得历年311个月的月平均水位，见图2，由图可以看出阜宁(通)断面的历年月平均水位较为平缓且有逐渐下降的趋势。而通榆河阜宁(通)断面也是江苏省第一批试行的河湖生态水位的断面，所以本研究选择通榆河阜宁(通)断面来开展通榆河生态水位的研究。

图1 通榆河阜宁(通)水文站周围骨干河道水系

图2 历年月平均水位散点图

根据获取的阜宁(通)水文站逐日平均水位资料计算得出逐月平均、最高、最低水位，结果见表2。

由表2可知，通榆河阜宁(通)断面的逐月月平均水位中7月份的月平均水位最高，为0.90 m；6月份的月平均水位最低，为0.60 m。根据多年的逐日平均水位资料可知，多年的最高日平均水位是在2006年7月5日达到的2.38 m，多年的最低日平均水位是在1997年6月29日里下河地区特大干旱时出现的-0.84 m，导致通榆河水面降至废黄河基面以下出现负水位[28]。6月份的月平均水位最低并且出现了历年最低水位，这是由于通榆河作为盐城市农业灌溉主要供水水源，而盐城又是农业大市，农业用水占总用水的70%，6月份又是大秧栽插期[29]，农业用水的增加而导致河流的水位已经无法满足河流生态系统最低生态水位的需求，故需对通榆河最低生态水位进行确定，以保证通榆河生态系统的质量和稳定性。

根据表2的逐月平均水位序列计算其均值、均方差、变差系数。经计算可得多年平均水位为0.73 m，均方差为0.08 m，变差系数为0.11，表明通榆河阜宁(通)断面各月的月平均水位在多年平均水位两旁分布比较集中，其离散程度小，月平均水位变化不大。由3个统计参数也反映出了通榆河阜宁(通)断面具有平原河网地区水位变化不显著的特征，故采用生态水位来反映阜宁(通)断面及通榆河的生态水量是比较适宜的。

表2 阜宁(通)逐月平均、最高、最低水位 单位：m

3.3 阜宁(通)断面生态水位的计算方法

河湖生态水位的计算方法有近10年最枯月平均水位法、排频法、湖泊形态分析法、湿周法、生物空间法等[30]。近10年最枯月平均水位法和排频法是传统的水文学方法，需要根据历年实测水位还原为天然水位，而平原河网中的河流由于水量交换关系紊乱，且目前通榆河几乎完全受人工调控，已经无法对其水位进行还原计算，故近10年最枯月平均水位法和排频法无法用于计算阜宁(通)断面的生态水位；湖泊形态分析法适用于计算湖泊的生态水位，而不适用于计算河流的生态水位；湿周法和生物空间法是根据河流的大断面资料和各类生物资料进行生态水位的计算，无需对历年观测数据进行还原计算，且也适用于计算河流的生态水位，故本文选取湿周法和生物空间法来计算通榆河阜宁(通)断面的生态水位。

3.3.1湿周法

湿周法是利用湿周作为水生物栖息地指标，通过采集河道的尺寸及对应的水位数据，分析湿周与水位之间的关系，建立湿周-水位的关系曲线[30]。湿周法也是水力学法中最常用的方法，只要选取的断面稳定，计算结果基本不受人们活动的影响。在水位湿周关系稳定情况下，河道断面的湿周通常会随着水位的增加而逐渐增加，但湿周大于某临界值时，随着水位的增加湿周变化缓慢。从生态学角度看，这就是意味着当水位大于这一临界值，生物群落对水位的变化不敏感；小于这一临界值时，生物群落对水位的变化较为敏感[31]。为保证河流的正常生态功能，河道至少应维持这一临界水位，也就是最低生态水位。确定湿周水位关系的这一临界点传统方法有曲率法和斜率法[32]；或选取河流多年平均水位作为基准点，其对应的湿周为R，将该湿周R的80%时对应的水位作为河道的最低生态水位[30]。

3.3.2生物空间法

生物空间法是基于河流各类生物对生存空间的需求来确定河流的最低生态水位。该需求不是各种生物生存最小空间的叠加，而是取生物生存最小空间的最大值[30]。其最低生态水位可采用式(1)计算：

(1)

河流生态系统内有多类生物，主要包括：鱼类、藻类、浮游植物、浮游动物、水生植物和底栖动物等[33-35]。而将河道内所有生物所需的最小生存空间全部确定较为困难，也较为难以实现。因此，选择河流生态系统内的指示生物作为关键物种，认为指示生物的生存空间得到满足，其他生物的最小生存空间也得到满足。与其他的类群相比，鱼类作为河流生态系统内的顶级群落，对其他类群的存在有着重要作用，加之鱼类对生存空间最为敏感，故将鱼类作为指示生物[36-37]。其最低生态水位采用式(2)进行计算：

Heminf=H0+Hf

(2)

式中Heminf——鱼类所需的河流最低生态水位，m；H0——河底高程，m；Hf——鱼类生存所需的最小水深，m。

4 计算结果与合理性分析

4.1 湿周法计算结果

根据阜宁(通)站实测大断面资料，绘制出的大断面见图3，由图可知河流的断面形状为抛物线形。利用实测大断面资料计算不同水位下对应的湿周，然后得到水位-湿周关系曲线，见图4。

图3 阜宁(通)站大断面

图4 阜宁(通)站水位-湿周关系曲线

研究表明，曲率法在某些断面情况下得到的湿周偏小，而斜率法中斜率的选取受坐标尺度的影响，存在较大的不确定性[38]。故本文选取湿周R的80%对应的水位为湿周法求得的生态水位[30]。由3.2节可知阜宁(通)站的多年平均水位为0.73 m，根据图4可知，对应的湿周R=48.65 m，而湿周R的80%对应的水位为0.20 m。故0.20 m为湿周法所求的最低生态水位。

4.2 生物空间法计算结果

根据图3可知，通榆河阜宁(通)断面的河底高程为-2.60 m。通榆河的典型鱼类以草鱼、鲤鱼、鲢鱼、鲫鱼为主[34]。对于鱼类而言，不同种类的鱼对水深的要求也不同，其中鲢鱼是上层典型鱼类，适宜生存水深为1.50 m；草鱼、鲤鱼和鲫鱼是中下层典型鱼类，适宜生存水深为1.00 m[35]。而河流也作为鱼类洄游的重要通道，其河道断面的最大水深必须满足鱼类洄游的需要。国内外对鱼类洄游通道的研究表明，其所需的最小水深约是鱼类体高的3倍[37,39]。但由于缺乏鱼类体高资料，故对其所需的最大水深进行粗估，取通榆河鱼类体高为30 cm，则鱼类通道所需水深为0.90 m[40]。综上，鱼类生存所需的最小水深为1.50 m，利用式(2)计算可得鱼类所需的河流最低生态水位为-1.10 m。

4.3 阜宁(通)断面最低生态水位推荐值及合理性分析

根据上述2种方法的计算结果可知，其中湿周法和生物空间法所求的最低生态水位值分别为0.20、-1.10 m。通过从不同的角度对计算结果进行分析，见表3，本文认为湿周法求得的0.20 m为通榆河阜宁(通)断面最终的推荐值较为合适。

在2019年，江苏省水利厅为了进一步加强河湖水资源的统一管控，加强水量合理分配，强化河湖生态水位监测和预警，明确了通榆河等河流及宝应湖等湖库在内的江苏省第一批河湖生态水位要求，并发布了《省水利厅关于发布我省第一批河湖生态水位(试行)的通知》(苏水资〔2019〕14号)。该文件要求通榆河阜宁(通)控制断面的最低生态水位为0.20 m。将本文对通榆河阜宁(通)站最低生态水位的计算结果与江苏省水利厅发布的文件中规定的通榆河阜宁(通)断面的最低生态水位对比，发现本文的计算结果与文件中规定值相等。且考虑到今后的工农业节水和生态环境的改善，本研究提出的最低生态水位的推荐值也较为合理。由此证明本文采用生态水位来表征平原河网地区河流生态水量的方式是合适的，采用湿周法和生物空间法来计算最低生态水位也是可靠的，最终确定的推荐值也是科学可信的。

表3 最低生态水位推荐值分析

5 结语

通过分析平原河网地区河流特征分析以及国内对生态水量的研究现状，发现生态流量不适合用于表征平原河网地区河流的生态水量。基于平原河网地区河流的水流流速缓慢、水位变化不显著、水流往复流动的特点，结合中国目前水文观测现状，提出利用生态水位来表征平原河网地区河流的生态水量更为合适。选取平原河网地区的通榆河为例，用湿周法、生物空间法对其阜宁(通)断面的最低生态水位进行了计算分析，最终提出其最低生态水位推荐值为0.20 m。与江苏省水利厅印发的《省水利厅关于发布我省第一批河湖生态水位(试行)的通知》(苏水资〔2019〕14号)中对通榆河阜宁(通)断面最低生态水位规定值的对比，表明：本文提出的用生态水位来表征平原河网地区河流生态水量及计算结果合理可靠，从而为通榆河今后的生态水量的确定与保障提供参考依据，也为平原河网地区的河流管理与水量调度提供了新的思路。