魏 健, 潘興瑤, 孔 剛, 白 濤, 黃 強， 李 波, 馬盼盼

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院 北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心， 北京 100048；2.西安理工大學(xué)， 陜西 西安 710048；3.北京市水影響評價中心， 北京 100161；4.河北工程大學(xué)， 河北 邯鄲 056038)

1 研究背景

河流在維系地球水循環(huán)、能量平衡、氣候變化和生態(tài)發(fā)展中具有極其重要的作用，同時也承擔(dān)了人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水等功能[1]。然而，當前河流生態(tài)系統(tǒng)正遭受嚴重威脅，一方面，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化迅速擴張，人類生產(chǎn)生活需水激增，河流必要的生態(tài)用水遭到擠占[2-3]；另一方面，大量研究表明氣候變化對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響，許多河流徑流顯著減少，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化[4-7]。伴隨著人們環(huán)境理念的提高，為改善日益惡化的河流生態(tài)環(huán)境，修復(fù)破損的河流生態(tài)系統(tǒng)，河流生態(tài)修復(fù)[8-10]已經(jīng)引起人們廣泛關(guān)注，其中開展缺水河流的生態(tài)補水工作已在典型流域?qū)嵤：恿魃鷳B(tài)補水是指通過補充受損生態(tài)系統(tǒng)缺失的環(huán)境因子——水，改善、修復(fù)、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)功能和結(jié)構(gòu)使其繼續(xù)為人類創(chuàng)造良好的、健康的生存環(huán)境[11]。生態(tài)需水作為合理配置水資源，制定生態(tài)補水水量的重要基礎(chǔ)，從20世紀40年代發(fā)展至今，已形成一系列理念和方法。吉小盼等[12]通過建立斷面濕周與流量關(guān)系及其擬合曲線，采用斜率法、曲率法和經(jīng)驗法確定了斷面最小生態(tài)需水。李抒苡等[13]基于蓄洪、生態(tài)調(diào)節(jié)與保育及景觀水體的功能界定并計算生態(tài)需水量，同時考慮補水成本和經(jīng)濟性進行基于滿意度的需水量修正。李詠紅等[14]基于河流不同階段下的保護目標，應(yīng)用環(huán)境需水量和生態(tài)需水量兩種方法計算了河道內(nèi)生態(tài)需水量。同時，為保證生態(tài)需水結(jié)果的可靠性，有必要在計算時考慮水文變異的影響[15]。鑒于此，本文以永定河官廳山峽段為例，首先采用多種方法對入庫徑流序列進行綜合變異診斷，在此基礎(chǔ)上計算水文變異前后河道內(nèi)生態(tài)流量；其次，基于變異點和需水水平設(shè)置生態(tài)修復(fù)不同階段；最后，分析現(xiàn)狀補水方案并研究未來生態(tài)補水水量和補水時機以期為永定河生態(tài)修復(fù)提供重要參考和指導(dǎo)。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

永定河作為北京五大水系之一，位于112°～117°45′E，39°～41°21′N之間，流域總面積4.7×104km2，以三家店攔河閘和南六環(huán)為界，將永定河從上至下依次劃分3段：三家店攔河閘以上至官廳水庫之間為官廳山峽段，三家店攔河閘至北京市南六環(huán)之間為平原城市段，北京市南六環(huán)至梁各莊之間為平原郊野段。

近幾十年來，流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展和人口增長迅速，水資源需求量急劇增大，使得區(qū)域水資源嚴重匱乏[7]，河道內(nèi)徑流顯著減少，其中三家店攔河閘以下河道長年干涸，喪失基本的生態(tài)服務(wù)功能，生態(tài)修復(fù)實踐可行性小。因此，本文選取干擾相對較小，具有可修復(fù)性的官廳山峽段作為研究區(qū)域，研究區(qū)域示意圖見圖1。

圖1 永定河流域官廳山峽段示意圖

2.2 資料來源

官廳山峽段位于永定河流域上游，全長91.2 km，河寬70～300 m，落差283 m，其徑流補給來源主要包括大氣降水和地下水等，徑流年內(nèi)分配十分不均勻。官廳水庫位于流域上游，對整個流域起著控制作用，官廳水庫的修建改變了下游河道天然徑流過程，在計算時應(yīng)盡量避免水利工程對徑流過程的影響，因此選取官廳水庫入庫徑流計算官廳山峽段生態(tài)需水過程，本文基于官廳水庫1956-2018年的月平均入庫徑流實測數(shù)據(jù)開展研究。

2.3 河流生態(tài)修復(fù)

氣候變化和人類活動加劇河流生態(tài)系統(tǒng)退化的同時引發(fā)了人們對傳統(tǒng)治水理念的反思，為從根本上解決這一問題，以河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)為主的治水理念已引起廣泛關(guān)注。河流生態(tài)修復(fù)作為一種環(huán)境保護行動，其目的是促使河流系統(tǒng)修復(fù)到較為自然的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下河流生態(tài)系統(tǒng)具有可持續(xù)性，并可提高生態(tài)系統(tǒng)價值和生物多樣性[8]，河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括緩沖區(qū)修復(fù)、植被修復(fù)、河道補水、生物-生態(tài)修復(fù)、生境修復(fù)等技術(shù)。

永定河官廳山峽段現(xiàn)狀生態(tài)問題突出，最主要原因是入河水量減少。圖2為1956-2018年官廳水庫入庫徑流過程。由圖2可知，自20世紀50年代以來，官廳水庫入庫徑流量呈持續(xù)減少趨勢，從1956年的23.4×108m3減少到2018年的不足2.1×108m3，衰減幅度高達九成以上；2000年以后的年徑流量不足3.0×108m3，最近10年的年均徑流量僅為1.4×108m3，遠不能滿足河道正常需水，導(dǎo)致河道內(nèi)生態(tài)流量銳減，部分河段出現(xiàn)若干公里的干枯、斷流現(xiàn)象，河道內(nèi)生物生存遭受嚴重威脅，天然的徑流已經(jīng)不能滿足基本生態(tài)需求，因此，永定河官廳山峽段生態(tài)修復(fù)應(yīng)以河道補水為主。

圖2 1956-2018年官廳水庫入庫徑流過程

2.4 生態(tài)需水

河流補水通常采用“以需定供”的思路，即在計算河流生態(tài)需水的基礎(chǔ)上確定合理的生態(tài)補水水量，按照生態(tài)環(huán)境需水量的基本特征其可分為環(huán)境需水量和生態(tài)需水量[10]。官廳山峽段位于整個流域上游，受人類活動影響較小，流域用水結(jié)構(gòu)較為簡單，在計算時不考慮生產(chǎn)生活用水及景觀用水，因此永定河官廳山峽段的環(huán)境需水量由蒸發(fā)需水量和滲漏需水量組成，生態(tài)需水量由河流基本生態(tài)需水量組成。相應(yīng)計算如下：

(1)蒸發(fā)需水量

(1)

式中：W1為蒸發(fā)需水量，104m3；Ai為不同類型水面的蒸發(fā)面積，hm2；Ei為不同類型水面平均蒸發(fā)量，m；n為水面類型，在本文分別為水庫水面蒸發(fā)和溪流水面蒸發(fā)。

(2)滲漏需水量

W2=AsKsT

(2)

式中：W2為滲漏需水量，104m3；As為滲透剖面面積，hm2；Ks為滲透系數(shù)，m/d；T為時間，d。

(3)河流基本生態(tài)需水量

河流基本生態(tài)需水量是保證河流健康，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，維持河流基本功能所需的水量。這部分水量通常由最小生態(tài)流量法計算得到，然而許多學(xué)者對此結(jié)果提出質(zhì)疑，例如Richter等研究表明河流生態(tài)系統(tǒng)對于流量需求比最小生態(tài)流量更復(fù)雜和精細[16]，因此，為彌補最小生態(tài)流量的不足，本文同時考慮采用最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量分別作為低水平和高水平的河流基本生態(tài)需水量，其計算分別如下：

①最小生態(tài)流量：最小生態(tài)流量是維持河道基本功能所需要的最小流量，本文采用逐月最小徑流法計算。

②適宜生態(tài)流量：相比于最小生態(tài)流量，適宜生態(tài)流量是維持河道生態(tài)系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性的流量。依據(jù)環(huán)境因子與種群關(guān)系，河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)流量為各月份頻率最大的月平均流量[6,15]。要求出頻率最大的生態(tài)流量，需要選擇合適的分布函數(shù)，研究表明，廣義極值(generalized extreme value, GEV)分布比P-III 型分布更適合河道內(nèi)月平均流量[6]，因此，本文選擇GEV分布函數(shù)，采用線形矩法對GEV分布進行參數(shù)估計。

2.5 水文變異

氣候變化和人類活動作用下，水文循環(huán)過程加快，原有的河流水文序列一致性遭到破壞，發(fā)生不同程度的變異，因此，在計算生態(tài)流量前開展徑流序列的水文變異診斷十分有必要。水文變異后河流生態(tài)水文勢情發(fā)生改變，變異前的天然水文狀態(tài)是生物生存的最理想狀態(tài)，也是河流生態(tài)修復(fù)的最終目標。但在現(xiàn)今社會和經(jīng)濟發(fā)展如此之快的背景下，以變異前水文序列計算結(jié)果作為河道內(nèi)生態(tài)流量目標難以直接實現(xiàn)，特別是水資源嚴重匱乏的永定河流域。因此，考慮到水文變異前后生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化-適應(yīng)-再變化的自適應(yīng)調(diào)整過程，本文基于變異點劃分不同生態(tài)修復(fù)階段，計算各階段河流生態(tài)需水閾值。

水文變異診斷方法眾多，研究表明秩和檢驗法在眾多方法中效果最優(yōu)，有序聚類法次之，R/S分析法效果最差[17-18]，Mann-Kendall檢驗為世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗方法。為避免單一方法的不足和增加計算結(jié)果可信度，本文首先利用Mann-Kendall檢驗法和有序聚類法初步選擇所有可能的變異點，再利用秩和檢驗法對可能變異點進行顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 永定河生態(tài)需水分析

3.1.1 水文變異診斷 采用Mann-Kendall檢驗法和有序聚類法初步確定官廳水庫徑流序列的可能變異點為1970年和1984年，進一步采用秩和檢驗法(顯著性水平0.05)對可能變異點進行顯著性檢驗，結(jié)果如表1所示。由表1可知，徑流序列在1970和1984年確實發(fā)生顯著性變異。

表1 官廳水庫變異點秩和檢驗結(jié)果

3.1.2 生態(tài)流量計算 根據(jù)石建軍等[19]提出的生態(tài)徑流過程推估方法，1970年和1984年兩個變異點將水文序列劃分為：1956-1970年(天然階段)、1971-1984年(人類弱干擾階段)和1985-2018年(人類強干擾階段)。根據(jù)最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量方法確定不同序列的低水平和高水平生態(tài)流量過程如圖3所示。

圖3 不同序列生態(tài)流量過程

由圖3可知：

(1)不同序列高水平對應(yīng)的適宜生態(tài)流量顯著優(yōu)于低水平對應(yīng)的最小生態(tài)流量，兩次水文變異均造成生態(tài)流量減少，以高水平適宜流量過程為例：1971-1984年序列和1985-2018年序列同1956-1970序列相比，生態(tài)流量分別減少58.05%和87.36%，表明水文變異后，河道生態(tài)流量顯著減少，生態(tài)系統(tǒng)情勢發(fā)生惡化，水文變異對河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著的負面影響，也進一步凸顯了現(xiàn)狀補水的必要性。

(2)從變化趨勢分析，1956-1970年和1971-1984年對應(yīng)的生態(tài)流量過程均呈現(xiàn)出明顯的雙峰形狀，主要與天然來水特征有關(guān)；1984年變異后的生態(tài)流量過程較為穩(wěn)定，年內(nèi)波動范圍較小，主要原因是變異后河道流量大幅減少，不能維持天然狀態(tài)水平，生態(tài)流量更趨向于滿足某一穩(wěn)定過程。

(3)從變化幅度分析，以年際尺度來看，1970年第1次變異前后，河道內(nèi)生態(tài)流量減少較為顯著，1984年第2次變異前后，河道內(nèi)生態(tài)流量減少相對較為穩(wěn)定；以年內(nèi)月尺度來看，非汛期3月份和汛期的7-9月份生態(tài)流量減少幅度較大，其余月份減少幅度相對較小。

3.1.3 不同計算方法的結(jié)果對比 將本文計算結(jié)果同Tennant法[15]、逐月頻率法[15]進行對比，其中逐月頻率法中豐水期(6-9月)、枯水期(10月-次年5月)分別取50%和80%保證率；Tennant法采用變異前天然水文序列(1956-1970年)作為評價標準，因篇幅有限，所有生態(tài)流量均以年均流量表示，其結(jié)果如表2所示。

由表2可知：以Tennant法作為評級標準，最小生態(tài)流量只有1956-1970年計算結(jié)果勉強達到一般水平，其余年份皆不滿足；適宜生態(tài)流量中，1956-1970年計算結(jié)果達到最佳水平，1970-1984年計算結(jié)果對應(yīng)一般水平，1985-2018年計算結(jié)果不滿足標準，進一步驗證了水文變異后河流生態(tài)環(huán)境發(fā)生惡化；同逐月頻率法計算結(jié)果相比，最小生態(tài)流量顯著小于逐月頻率法計算結(jié)果，而適宜生態(tài)流量與逐月頻率法計算結(jié)果相當。這是因為最小生態(tài)流量考慮的最小月平均流量這一極端狀態(tài)，逐月頻率法是設(shè)定不同的保證率計算，而Tennant 法計算的是天然徑流量應(yīng)該達到的水平[15]。因此，本文所采用的方法計算的適宜生態(tài)流量大于最小生態(tài)流量法結(jié)果，與逐月頻率法計算結(jié)果相當，表明其具有合理性和確定性，滿足計算要求。

表2 不同方法計算的生態(tài)流量比較

3.1.4 不同階段生態(tài)流量滿足率計算 將第1次變異前計算的生態(tài)流量過程作為評價標準，分別計算不同階段的生態(tài)流量滿足率，以適宜生態(tài)流量過程為例，計算結(jié)果如表3所示。

由表3分析可得：水文變異前，生態(tài)流量滿足率均值達到65%，意味著一年中河道至少有一半的時間滿足生態(tài)流量需求；而變異后河道生態(tài)流量滿足率普遍銳減。第1次變異后，生態(tài)需水滿足率從65%銳減至19%，減少幅度高達七成以上；第2次變異后，生態(tài)需水滿足率減少至4%，相比第1次變異后減少幅度高達7成。19%和4%滿足率對應(yīng)的月時間長度分別為不足3個月和不足1個月，這對于河道內(nèi)的生物生存具有毀滅性打擊，也說明現(xiàn)狀條件下永定河生態(tài)缺水勢情異常嚴峻。

綜上分析，水文變異后河道生態(tài)流量顯著降低，河道生態(tài)流量滿足率顯著減小，長此以往，河流生態(tài)功能將喪失，因此，永定河生態(tài)修復(fù)十分迫切，實施生態(tài)補水工作刻不容緩。

3.1.5 河流生態(tài)修復(fù)需水量 河流生態(tài)修復(fù)是一項涉及大量人力物力的工程實踐，其過程不可能一蹴而就，在進行生態(tài)修復(fù)時應(yīng)基于循序漸進的理念制定合理的生態(tài)修復(fù)階段。本文依據(jù)水文變異的3個階段制定生態(tài)修復(fù)相應(yīng)的3個階段：即第1階段河流生態(tài)首先修復(fù)到人類強干擾階段對應(yīng)的生態(tài)水平；第2階段達到人類弱干擾階段對應(yīng)的生態(tài)水平；生態(tài)修復(fù)第3階段也是最終目標即達到天然階段對應(yīng)的生態(tài)水平，每個階段劃分低和高兩種需水水平，其中低水平需水是每個階段最小也是必須滿足的，高水平需水是在低水平需水滿足的基礎(chǔ)上可以進一步達到的理性狀態(tài)。

根據(jù)3.1.2節(jié)計算的生態(tài)流量過程，得到各階段河流基本生態(tài)需水量；根據(jù)北京水務(wù)局和中國水利科學(xué)研究院的實測參數(shù)，計算得到河流蒸發(fā)需水量為0.30×108m3，河道滲透需水量為1.55×108m3。據(jù)此得到不同修復(fù)階段的生態(tài)需水如表4所示。

表3 1956-2018年不同階段適宜生態(tài)流量滿足率 %

表4 官廳山峽段生態(tài)修復(fù)需水量 108 m3

3.2 永定河生態(tài)補水分析

在生態(tài)需水確定的前提下，河流生態(tài)修復(fù)的補水量與入庫徑流密切相關(guān)，鑒于來水的隨機性以及變異后官廳水庫入庫徑流處于偏枯水平，本文選取頻率為75%、90%和95%的3個枯水年研究不同階段河流生態(tài)修復(fù)需要的生態(tài)補水水量。

3.2.1 現(xiàn)狀生態(tài)補水分析 氣候變化、人口增長、經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致永定河流域出現(xiàn)河道干涸、河水水質(zhì)惡化、生物減少等一系列環(huán)境問題。沿河居民和有關(guān)部門對此嚴重不滿，為還人們一個山清水秀的生態(tài)環(huán)境，2005年，北京市制訂了永定河綜合規(guī)劃，綜合規(guī)劃中強調(diào)，永定河是西部的生態(tài)走廊，是城市與外界的綠色交通要道，也是城市的綠色屏障。2018年，北京市水務(wù)局聯(lián)合多部門共同簽訂《永定河生態(tài)用水保障合作協(xié)議》，協(xié)議規(guī)定通過山西省萬家寨引黃北干線工程和冊田水庫補充永定河生態(tài)用水，現(xiàn)狀水平下永定河年均補水水量1.7×108m3，時間從3月初持續(xù)到5月底，補水期間各月水量相等。

以表4生態(tài)修復(fù)需水量為標準可以得到： 75%、90%和95%頻率典型年中僅75%頻率典型年達到第3階段(低)水平，表明在此水平下河流生態(tài)正遭受嚴重威脅。現(xiàn)狀1.7×108m3的生態(tài)補水量實施后，75%、90%和95%頻率典型年的水量分別增加到3.82×108、2.60×108和2.33×108m3，其中75%頻率典型年恢復(fù)到第1階段(高)水平，90%和95%典型年僅恢復(fù)到第1階段(低)水平，表明現(xiàn)狀條件下的生態(tài)補水雖然具有積極作用，但離河道理想的生態(tài)過程——第3階段仍然具有非常大的差距，未來生態(tài)補水面臨較大挑戰(zhàn)。

3.2.2 未來生態(tài)補水分析 河流生態(tài)修復(fù)最終目標是達到天然階段對應(yīng)的生態(tài)水平，3.2.1節(jié)結(jié)果表明現(xiàn)狀生態(tài)補水量遠不能達到此標準，因此在未來還需逐漸增加補水量以實現(xiàn)永定河的全面可持續(xù)發(fā)展。以表4中生態(tài)修復(fù)第2、第3階段需水量為目標，計算得到未來典型年需要的生態(tài)補水量如表5所示。

表5 未來典型年不同階段生態(tài)補水量 108 m3

生態(tài)補水實施中，相比于總量控制，其更加傾向于過程控制，由于生態(tài)補水的復(fù)雜性，永定河生態(tài)補水很難實現(xiàn)全年補水，因此有必要探究補水關(guān)鍵期，以達到水資源的高效利用。補水關(guān)鍵期的確定需要考慮月生態(tài)需水量的影響，以生態(tài)修復(fù)的最低目標——第3階段(低)水平為修復(fù)目標，以2009-2018最近10年的徑流均值作為來水過程，計算得到各月需水量如圖4所示。

圖4 月生態(tài)需水過程

由圖4可知：豐水期6-9月和枯水期5月需水量整體上相對較小，枯水期10月-次年4月需水量化較大，其中3月份的需水量遠大于其他月份，在補水時應(yīng)重點關(guān)注。另一方面，相比于月需水過程，補水時機的選擇更應(yīng)考慮河道內(nèi)關(guān)鍵生物的生活習(xí)性。永定河流域水生生物以北方地區(qū)河道淡水魚(鯽魚、鰱魚、草魚等家魚)為主，其繁殖期為4-6月份[20]，繁殖期內(nèi)生物對河道內(nèi)水流、溫度等參數(shù)要求嚴格，繁殖期的需水對生物生存繁衍意義重大。綜上所述，本文推薦3-6月份為生態(tài)補水關(guān)鍵期，這與現(xiàn)狀補水時間(3月初-5月底)基本契合，滿足工程實踐可操作性。河流生態(tài)修復(fù)作為一項復(fù)雜的工程實踐，僅依靠單一的生態(tài)補水修復(fù)技術(shù)很難實現(xiàn)河流的完全恢復(fù)，在未來實踐中，應(yīng)更多地綜合考慮水質(zhì)、水量、河流生態(tài)結(jié)構(gòu)以及水生生物等方面因素，采取多種技術(shù)共同修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)，最終打造一條綠色的、流動的、健康的永定河。

4 結(jié) 論

為研究現(xiàn)狀生態(tài)補水對永定河生態(tài)修復(fù)的影響以及探究未來生態(tài)補水量和補水關(guān)鍵期，本文基于水文變異和需水水平制定不同的生態(tài)修復(fù)階段，計算不同階段的生態(tài)需水量，并對永定河生態(tài)補水做出研究。結(jié)果分析得到：

(1)3種水文變異方法綜合診斷表明官廳水庫徑流分別于1970和1984年發(fā)生變異，變異后生態(tài)流量和生態(tài)流量滿足率顯著減少，河流生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化，實施生態(tài)補水工程已刻不容緩。

(2)現(xiàn)狀生態(tài)補水方案下，75%頻率典型年生態(tài)修復(fù)至第1階段(高)水平，90%和95%典型年勉強達到第1階段(低)水平，相比最終天然狀態(tài)下的生態(tài)過程仍有較大距離。

(3)未來以第3階段(低)為修復(fù)目標，3個典型年分別需要生態(tài)補水4.88×108、6.11×108和6.37×108m3；同時綜合月需水過程和典型生物習(xí)性推薦3-6月份作為生態(tài)補水關(guān)鍵期。