謝悅　夏軍　張翔　柏慕琛

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生產(chǎn)生活用水長(zhǎng)期擠占生態(tài)環(huán)境用水，造成河道斷流、生境破壞、生態(tài)系統(tǒng)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)淮河流域目前的水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，以淮河中游魚(yú)類(lèi)為研究對(duì)象，通過(guò)分析河段天然流量過(guò)程，以淮河流域生態(tài)恢復(fù)為目標(biāo)，建立魚(yú)類(lèi)保護(hù)目標(biāo)概念模型，采用IHA及EFC指標(biāo)體系分析天然流量變化特性，并用HEC-RAS模型基于魚(yú)類(lèi)生態(tài)水力需求確定流量值大小，得出符合天然流量動(dòng)態(tài)變化且滿(mǎn)足不同等級(jí)生境目標(biāo)需求的生態(tài)需水推薦結(jié)果，可為淮河流域水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生境目標(biāo)；魚(yú)類(lèi)保護(hù)；IHA分析；HEC-RAS模型；生態(tài)需水

中圖分類(lèi)號(hào)：X176 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）05-0076-06

水是河道生態(tài)系統(tǒng)的載體，承擔(dān)著物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化、能量交換及為水生生物提供生存繁殖空間的作用，健康的河道必須維持一定的水量。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，生產(chǎn)生活用水不斷增加，河道水量不斷減少，造成河道斷流、水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。如何在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)保證水生態(tài)環(huán)境以及保障河流等生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展的生態(tài)需水量，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

我國(guó)的生態(tài)需水研究采用的方法大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法及棲息地法。水文學(xué)方法以歷史日流量資料為依據(jù)，通過(guò)變異性分析、頻率分析或流量組分分析等統(tǒng)計(jì)分析方法確定生態(tài)需水值。水力學(xué)法大多以河道地形斷面條件為依據(jù)，通過(guò)分析斷面水力變化來(lái)確定生態(tài)需水，如水力半徑法、濕周法等。棲息地法的應(yīng)用研究大多集中在長(zhǎng)江流域，以中華鱘、大型底棲動(dòng)物等珍稀物種的棲息地保護(hù)為重點(diǎn)，通過(guò)建立流速、水溫、水深等參數(shù)與棲息地面積關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)確定生態(tài)需水。上述方法中，水文學(xué)和水力學(xué)方法對(duì)水生物需求采用經(jīng)驗(yàn)概化或直接忽略，與生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系較弱，同時(shí)推薦值大多為年均值或月均值，忽略了水文過(guò)程的動(dòng)態(tài)性和季節(jié)性；棲息地法則需要大量的水文、生物、地質(zhì)等數(shù)據(jù)，而我國(guó)大多數(shù)流域長(zhǎng)期以來(lái)缺乏生態(tài)監(jiān)測(cè)，相關(guān)數(shù)據(jù)較少，應(yīng)用難度較大。因此，需要建立一種資料需求適中、與生態(tài)系統(tǒng)有直接聯(lián)系的生態(tài)需水計(jì)算方法。由于水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，最小生態(tài)需水并不能滿(mǎn)足健康河道對(duì)水量的需求，同時(shí)考慮水資源年際間豐枯變化及用水差異，需要根據(jù)不同等級(jí)生境保護(hù)目標(biāo)確定生態(tài)需水量以達(dá)到滿(mǎn)足不同時(shí)期河道保護(hù)目標(biāo)的需求目的。

淮河是我國(guó)受人類(lèi)活動(dòng)影響最為嚴(yán)重的河流之一，水利工程在發(fā)揮防洪、發(fā)電、灌溉及供水方面的功能的同時(shí)改變了河道水文形勢(shì)，出現(xiàn)了河道斷流、主槽淤積萎縮等問(wèn)題，嚴(yán)重影響河道生態(tài)系統(tǒng)健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)淮河流域64%的河流處于不健康或亞健康狀態(tài)，河道中魚(yú)類(lèi)等大量水生物出現(xiàn)死亡甚至滅絕的狀態(tài)，水生態(tài)問(wèn)題已成為淮河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素之一。如何在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)逐步恢復(fù)淮河流域生態(tài)健康成為當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。

1研究對(duì)象

1.1研究區(qū)概況

淮河流域位于我國(guó)東部，流域面積2 75×10⁵km²，流域內(nèi)多年平均降水量為888 mm，多年平均徑流深約為221 mm?；春恿饔?yàn)榈湫图竟?jié)性河流，受梅雨及臺(tái)風(fēng)的影響，6月-9月（汛期）暴雨頻發(fā)，汛期降水總量約占淮河流域全年降水量的60%。流域總?cè)丝诩s1.70億，流域平均人口密度為631人/km²，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）為1.73萬(wàn)億元，人均1.02萬(wàn)元。人口密度大，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)比較差，屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)。

淮河流域歷史上水資源豐富，魚(yú)類(lèi)資源眾多，淮河中游曾經(jīng)分布著較多的產(chǎn)卵場(chǎng)，其中安徽省鳳臺(tái)縣的峽山口由于其得天獨(dú)厚的水流條件使其在歷史上成為淮河中游重要的產(chǎn)卵場(chǎng)，但是由于近年來(lái)截彎取直、水文情勢(shì)改變和過(guò)度捕撈等造成河道生態(tài)環(huán)境不斷惡化，產(chǎn)卵場(chǎng)逐漸消失，淮河流域魚(yú)類(lèi)數(shù)量急劇下降。本次在淮河鳳臺(tái)縣河段選取了分布距離較為均勻的8個(gè)典型大斷面，區(qū)間河段河床為巖石底質(zhì)，斷面較為穩(wěn)定，河段平均比降為0.02%，糙率0.03。研究區(qū)及研究斷面見(jiàn)圖1。

1.2指示性物種

參考《淮河流域生態(tài)一環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告》和《淮河流域生態(tài)用水調(diào)度研究報(bào)告》，淮河流域魚(yú)類(lèi)有23種，隸屬于9科，其中鳳臺(tái)縣河段魚(yú)類(lèi)主要有鯉魚(yú)科鯽、餐、蛇鮈、油餐、銀鮈、蒙古鲌、紅鰭鲌、青梢鲌及鱗科光澤黃顙魚(yú)、長(zhǎng)吻鮠，鯉魚(yú)科為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群。魚(yú)類(lèi)是河道生態(tài)系統(tǒng)的項(xiàng)級(jí)生物，魚(yú)類(lèi)種群的改變可直觀(guān)反映河道水文情勢(shì)的變化對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)的影響，同時(shí)，適宜魚(yú)類(lèi)生存繁殖的流量過(guò)程也能使河道達(dá)到健康狀態(tài)。本文選擇鳳臺(tái)縣典型魚(yú)類(lèi)為研究對(duì)象，將魚(yú)類(lèi)在不同時(shí)期對(duì)水流條件的需求作為生態(tài)需水制定的依據(jù)。同時(shí)本次將4月-6月定義為魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期繁殖期，6月-9月定義為育幼期，該時(shí)間段對(duì)于魚(yú)類(lèi)種群豐度具有極其重要的作用，對(duì)其需求應(yīng)重點(diǎn)考慮及研究。魚(yú)類(lèi)生態(tài)習(xí)性見(jiàn)表1。

2研究?jī)?nèi)容

2.1研究方法

河流水文情勢(shì)與河流生態(tài)過(guò)程具有內(nèi)在關(guān)系，是河流生態(tài)過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力。天然水文過(guò)程較為復(fù)雜，但生物與環(huán)境在長(zhǎng)期相互作用的過(guò)程中，河流水文情勢(shì)的變化與水生物年內(nèi)生命階段之間形成了天然的匹配關(guān)系。國(guó)際上普遍認(rèn)為，流量的天然變化過(guò)程包括大小、頻率、發(fā)生及持續(xù)時(shí)間、漲落率等最適宜魚(yú)類(lèi)的生存，對(duì)河道健康最有利。本文在確立不同等級(jí)生境保護(hù)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立生態(tài)一水文響應(yīng)概念性模型，通過(guò)歷史流量資料分析確定流量組分年內(nèi)分布變化特征，同時(shí)根據(jù)魚(yú)類(lèi)不同時(shí)期需求對(duì)生境保護(hù)目標(biāo)賦予不同水力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)一維水力學(xué)模型演算確定流量值，綜合確定生態(tài)需水推薦值。研究流程如圖2所示。

2.2生境保護(hù)目標(biāo)確定

淮河流域水資源問(wèn)題突出，水資源時(shí)空差異性明顯，生態(tài)環(huán)境整體較差。在本次研究中，對(duì)研究區(qū)域設(shè)定了三個(gè)不同等級(jí)生境：（1）不斷流，即河道基流維持水體縱向聯(lián)通性，無(wú)法維持水生生物的正常生存空間，生物由于缺水逐漸消亡生態(tài)系統(tǒng)處于極不健康狀態(tài)；（2）最小生境，即維持河道生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀不惡化，為關(guān)鍵性物種如魚(yú)類(lèi)提供最小生存空間；（3）適宜生境，定義為維持水生態(tài)系統(tǒng)完整性，河道水文情勢(shì)能滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)正常生存繁殖的水文、水力學(xué)要求，生態(tài)系統(tǒng)呈健康狀態(tài)。生境保護(hù)目標(biāo)的確定為生態(tài)需水推求提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。endprint

2.3生態(tài)需水組成要素分析

根據(jù)淮河流域特點(diǎn)，以天然流量過(guò)程的變化為基準(zhǔn)，以IHA（Indicator of Hydrologic Aiteration即水文變異指標(biāo)法）及EFC（Enuironmental Flow Components即環(huán)境流量指數(shù)）指標(biāo)體系為基礎(chǔ)建立一套適用于研究河段生態(tài)的水文指標(biāo)，建立流量組分生態(tài)作用概念性模型如圖3。分析河道1956年-2012年日流量過(guò)程，統(tǒng)計(jì)不同流量組分年內(nèi)時(shí)間分布及變化特征，并確定極低流量、低流量、高流量、脈沖流量及洪水的年內(nèi)發(fā)生時(shí)間、頻率的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及適宜值（表2）。由于漫灘洪水會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成損害，且其生態(tài)作用小洪水也能達(dá)到，因此在生態(tài)需水過(guò)程推薦中不考慮該種流量組分。

2.4確定基于魚(yú)類(lèi)需求的生態(tài)需水

生態(tài)過(guò)程與特定的流量組分之間有極高的聯(lián)系，但生態(tài)過(guò)程難以與特定的流量值形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是這種關(guān)系能建立在生態(tài)過(guò)程與一些與生態(tài)系統(tǒng)具有較大聯(lián)系的水力學(xué)參數(shù)如水深、流速、濕周上，如平均水深反映了魚(yú)類(lèi)在整個(gè)斷面上生存空間的情況，最大水深為魚(yú)類(lèi)提供通道條件，淺灘水深為黏性卵魚(yú)類(lèi)在產(chǎn)卵時(shí)期提供繁殖及幼魚(yú)生存空間。本文通過(guò)前期調(diào)查搜集文獻(xiàn)及資料，結(jié)合R2CROSS法（基于曼寧方程并綜合考慮棲息地有關(guān)水流指數(shù)的計(jì)算方法）中數(shù)據(jù)及Tennant野外試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)域魚(yú)類(lèi)不同生命歷程的水力學(xué)需求；通過(guò)河道地形數(shù)據(jù)、糙率等資料，采用HEC-RAS構(gòu)建一維水力學(xué)模型，模擬給定流量的水力學(xué)特性，建立水力學(xué)參數(shù)與流量之間的聯(lián)系。

3生態(tài)需水推薦

基于魚(yú)類(lèi)需求及水文特性，對(duì)不同等級(jí)生態(tài)需水推薦結(jié)果為：在極端情況下，為防止河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生毀滅性災(zāi)難，推薦至少維持17.5 m³/s的基流；維持生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀不惡化的最小生境，推薦在10年-翌年5月、6月-9月分別維持44.9 m³/s、93.23m³/s的基流，為魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵繁殖及幼魚(yú)生長(zhǎng)提供一定的條件和空間，推薦在4月-6月產(chǎn)卵繁殖期保證2次以上峰值不小于238.45 m³/s，且漲水2天以上過(guò)程不少于7天的脈沖流量，6月-9月汛期發(fā)生1次以上峰值不小于1237.07 m³/s，漲水不小于3天，峰值持續(xù)2天整個(gè)過(guò)程不少于12天的非漫灘洪水；維持河道生態(tài)系統(tǒng)健康的適宜生境，推薦在10月-5月、6月-9月分別維持93.27 m³/s、169.49 m³/s的基流，為魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵繁殖及幼魚(yú)生長(zhǎng)提供適宜的條件和空間，推薦在4月-6月產(chǎn)卵繁殖期保證4次以上峰值不小于577.1 m³/s，且漲水2天以上過(guò)程不少于7天的脈沖流量，6月-9月汛期發(fā)生2次以上峰值不小于1881.06 m³/s，漲水不小于3天，峰值持續(xù)2天整個(gè)過(guò)程不少于12天的非漫灘洪水。三種推薦生態(tài)需水過(guò)程示意圖見(jiàn)圖4。通過(guò)計(jì)算結(jié)果與Tennant法棲息地質(zhì)量等級(jí)對(duì)比（表4）可看出，不斷流流量處于嚴(yán)重退化等級(jí)，河道生態(tài)系統(tǒng)不能維持正常功能；最小生態(tài)需水在枯水期處于較差水平，汛期處于中等水平；適宜生態(tài)需水在枯水期處于中等偏好水平，汛期處于較好等級(jí)。由于Tennant法采用年均流量比例的方法劃分質(zhì)量等級(jí)，忽略了流量季節(jié)性變化，均化了河流汛期脈沖流量及洪水對(duì)河道流量的改變，對(duì)季節(jié)性河流非汛期生態(tài)需水推薦偏大，并不能完全反映淮河流域生態(tài)需水特點(diǎn)，僅具有參考價(jià)值。

4結(jié)語(yǔ)

生態(tài)需水是生態(tài)用水的依據(jù)，在生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中起著重要的作用，本文在淮河流域現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，參考大量國(guó)內(nèi)外研究，提出一種符合淮河流域的實(shí)際生態(tài)需水計(jì)算方法。在本次研究中綜合考慮河道天然水文情勢(shì)變化特點(diǎn)及以魚(yú)類(lèi)為代表的水生態(tài)系統(tǒng)的需求，同時(shí)推薦的生態(tài)需水量在對(duì)于魚(yú)類(lèi)種群具有重要意義的產(chǎn)卵繁殖期及育幼期特別考慮，特別推薦了該時(shí)期脈沖或洪水發(fā)生的頻率及漲落持續(xù)時(shí)間，更具有可操作性。本文資料需求適中且較為綜合地考慮了水文生態(tài)系統(tǒng)，不同等級(jí)推薦流量均符合Tennant法棲息地等級(jí)范圍，有利于水資源管理者在不同水資源管理策略中選擇適宜的生態(tài)需水，實(shí)現(xiàn)水資源合理配置和高效利用，為淮河流域中長(zhǎng)期水資源規(guī)劃提供參考。

本次推薦的生態(tài)需水值是基于特定的河道地形條件由水力學(xué)參數(shù)確定的，由于水流沖刷作用導(dǎo)致河道地形復(fù)雜且多變，因此推薦的流量值并非一成不變，在不同時(shí)期生態(tài)需水可根據(jù)河道地形變化做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。同時(shí)，本文研究?jī)H以魚(yú)類(lèi)作為生態(tài)系統(tǒng)的代表研究其在不同生境條件下生態(tài)過(guò)程與流量之間的關(guān)系，在今后研究中會(huì)加入河道生態(tài)系統(tǒng)中底棲、浮游動(dòng)植物等生態(tài)需水情況研究，同時(shí)考慮水質(zhì)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響綜合確定生態(tài)需水。本文在分析長(zhǎng)系列日流量資料時(shí)忽略氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文過(guò)程一致性的影響，在以后研究中也應(yīng)該加入對(duì)水文變異性的分析。endprint