黃河三角洲刁口河流路生態環境需水量研究

鄭 愷，徐立榮，鄭玉成

(1.濟南大學資源與環境學院，山東 濟南 250022;2.山東省東營市河口區黃河河務局，山東 東營 257200)

黃河三角洲刁口河流路生態環境需水量研究

鄭 愷1，徐立榮1，鄭玉成2

(1.濟南大學資源與環境學院，山東 濟南 250022;2.山東省東營市河口區黃河河務局，山東 東營 257200)

刁口河于2010年恢復黃河入海流路，研究其生態環境需水量對保障黃河三角洲生態健康具有十分重要的意義。選取刁口河流路濕地需水、河口近海生態需水、河道輸沙與保持海岸動態平衡需水、農業需水和油田需水5個方面來研究本區生態環境需水量。結果表明:淡水濕地需水為0.54億 m3;河口近海水域生態環境需水量為60億 m3;維持河道不沖不淤的輸沙需水為0.97億 m3;保持海岸及近海海域動態平衡需水量為86.4億 m3;農業春灌需水約1.37億 m3;勝利油田及東營市臨港工業園暫不需從刁口河引水。刁口河流路生態環境需水量以保持海岸動態平衡需求為最大。

生態環境需水量;濕地需水;刁口河流路;黃河三角洲

黃河三角洲是我國生物多樣性最為豐富、最具保護價值的河口三角洲生態系統，刁口河位于黃河三角洲的北部，為1964～1976年黃河入海的故道，并且于2010年6月恢復入海流路。刁口河口門以南的區域為黃河三角洲濕地生態系統的重要組成部分，為黃河三角洲北部濕地的水源。自1976年5月黃河改道清水溝流路以來，刁口河一直停運。停河期間，刁口河流路濕地長期處于干旱或半干旱狀態(僅依靠自然降水和黃河故道內的灌溉尾水來維持濕地生態平衡)，直接導致了濕地萎縮速度加快，海水入侵加劇，土壤鹽堿化加重，大量保護動物瀕臨滅絕，生物多樣性的保護面臨著嚴重威脅［1］。因此，統籌考慮生活、生產和生態環境用水，確保黃河三角洲刁口河流域水生態系統安全和健康，研究流域生態環境需水量迫在眉睫。

1 生態環境需水量的內涵

生態環境需水量是針對水資源開發利用中的生態環境保護以及科學地進行生態環境修復和改善等問題而提出的新概念。在目前國內相關的管理和研究領域，對其概念的理解還存在很多分歧，出現了生態需水、環境需水、生態環境需水、生態耗水、生態用水等諸多概念［2］。從水資源配置要求的角度，結合水資源分布特點和生態系統的特征，在水資源綜合規劃中將生態環境需水量分為河道內生態環境需水量和河道外生態環境需水量。

河道內生態環境需水量是為了維持河流生態系統一定形態和功能、平衡河流開發利用和保護的關系，所需保留在河道內的水量［3］。為滿足河流生態環境保護以及水資源開發利用的要求，分別用生態基流、最小生態環境需水量、生態環境下泄水量來表示各控制節點不同情況下應該保留在河道內的水量。河道外生態環境需水量是指為保證特定發展階段河道外生態系統結構和功能、維護生物多樣性、保持良好環境需要通過水利工程直接或間接所消耗的水量，應包括水土保持用水，林業生態工程用水，城鎮生態用水，非通河湖泊生態用水，非通河濕地生態用水和地下水回灌用水［4］。

可見，生態環境需水概念應適用于不同類型的生態系統，不同的生態系統的生態環境需水包括的內容也差別較大。本文針對黃河三角洲刁口河流路的實際現狀和生態系統的特殊性，選取濕地需水、河口近海生態需水、河道輸沙與保持海岸動態平衡需水、農業需水和油田需水5個方面來研究生態環境需水情況。

2 黃河三角洲刁口河流路生態環境需水量

本文以生物多樣性保護和生態系統穩定為根本原則，根據河口生態系統的特征、功能及生態環境需水量要求，結合流路附近工農業開發建設需要，確定以故道濕地附近瀕危鳥類生境為重點保護對象，識別與黃河水資源聯系密切的陸域濕地、河流及河口近海水域濕地等生態景觀為保護目標，同時兼顧工農業開發建設的需要，全面統籌、協調各方力量合理規劃，恢復黃河三角洲刁口河流路生態功能，使之可持續穩定。

2.1 濕地需水量

為了保護并恢復濕地，必須要給予濕地適量的水資源，這個適量的水資源應該能夠基本遏制濕地生態環境惡化趨勢，并逐步改善使濕地生態系統恢復到更健康的狀態，目前學術界將其定義為濕地生態環境需水量［5］。以黃河水為主要水源的濕地除河漫灘濕地外，主要是分布在現行流路兩側的蘆葦濕地，包括蘆葦沼澤、蘆葦草甸、香蒲沼澤、檉柳灌叢等，是丹頂鶴、東方白鸛、黑鸛、大天鵝等多種珍稀鳥類的棲息地，也是黃河三角洲最重要的生態景觀。因此，本文濕地需水量的計算僅考慮植物需水量。

在估算大區域或流域濕地植物需水量中，常常采用濕地植被面積和蒸散發量的乘植物需水量的計算。從理論公式上可表達為:

(1)式中，Wp為植物需水量，m3，Ap為濕地植被面積，m2，ETm為蒸散發量，mm，ET0為參考作物潛在蒸散發量，mm，Kc為植物系數，Ks為土壤水分限制系數。

采用彭曼公式計算參考作物潛在蒸散發量(ET0)，該方法適用于我國廣大北方地區。依據國務院批復的黃河三角洲生態保護區相關規劃要求，考慮1992年黃河三角洲自然保護區被國務院批準建立時，濕地質量相對較好、生態結構和景觀格局基本適宜，將1992年自然保護區內淡水濕地面積作為濕地恢復規模的參考規模，黃河故道刁口河流路的蘆葦濕地面積約 36.71 km2，因此可計算出年需水量(Wp)為0.54億 m3，其關鍵需水期為每年的3－5月和7－9月上旬。考慮與自然條件相結合，刁口河故道濕地修復的最佳引水時間為每年的3－5月。

2.2 河口近海生態環境需水量

河口近海生態需水，主要指滿足維持河口區域近海魚類生境保護所需要的淡水水量，主要包括維持河口近海水域咸淡水平衡，以及近海生物發育所需要的營養鹽輸入的需求。黃河口及其附近海域是渤海區域重要的漁場，然而，近幾十年來，漁業生產力下降明顯。然而，計算河口海域的生態環境需水量相當復雜，有人建議用含鹽量指標變化作為計算依據，有人建議用溫度指標變化作為計算依據，還有的建議用餌料質量指標變化作為計算依據，但至今尚未見到比較公認的方法或標準［6］。用多元統計中典型相關分析法對河口區魚類數量分布與海水溫度、鹽度的相關分析表明，海水溫度、鹽度的變化與魚類數量分布相關關系明顯，對多數魚類來說，海水鹽度較溫度的影響稍大。

黃河河口區域水域的鹽度變化主要取決于黃河入海水量的總量大小和過程分布，鑒于目前缺乏該區不同時段魚蝦棲息的鹽度閾值要求，和相應的閾值空間范圍，本文采用20世紀80年代中期，當時的我國國家水產總局黃河水產研究所對黃河河口漁業生態環境需水量的研究成果，即滿足黃河河口海域魚蝦生長條件的要求，需要黃河在每年的4～6月份下泄入海水量60億 m3。如果黃河為枯水年，可在4月份下泄 20 億 m3［7］。

2.3 河道輸沙與保持海岸動態平衡需水

黃河以泥沙含量高而居世界各大河之冠，據計算黃河從中游帶下的泥沙每年約有16億 t之多，有很大一部分沉積在黃河下游的河道里，下游河道比兩邊要高出七八米，有的地方甚至十幾米，并且由于刁口河流路停運多年，也就沒有了新的泥沙流出，海岸泥沙的動態平衡被打破，造成海岸線的后退和海灘下蝕，加之河岸農業開發等人為因素，更加劇了侵蝕力度，所以需要保證河道輸沙和保持海岸動態平衡所需的水量，來維持刁口河流路及、的安全穩定。

2.3.1 河道輸沙需水

刁口河為天然河道，河道土質多為較細的淤積土，粒徑多小于0.1 mm，過水斷面較大且極不規則，同時底坡和糙率沿程變化，河道中水力要素變化復雜。經過計算得知，采用人工提水方式引水，當主槽斷面底寬為24～50 m，對應流速均能實時滿足主槽不沖不淤要求;采用自流引水方式，當主槽斷面底寬為24 m、流量約為24.64 m3/s時，對應流速不能滿足不沖不淤要求;當主槽斷面底寬為30～50 m、流量約為36～89 m3/s時，對應流速可以實時滿足不沖不淤要求。如以刁口河現狀河道平均寬度約450 m計，則只有在達到一定水深條件下，斷面平均流速才能滿足不沖不淤的要求，此時調水流量需在400～700 m3/s以上。同時，根據水深流量的關系，對于既定過流斷面，只有達到一定水深時，才能滿足輸沙要求;如果水深流量關系得不到滿足，或過水過程中出現分水分流，水流則不能滿足輸沙要求，主槽會出現淤積，并引起連鎖反應。若開挖河道主槽底寬30 m，按照每年汛前調水調沙自流引水16 d、提水引水20 d計，則為保持刁口河河道引水時達到沖淤平衡，河道輸沙需水量應不少于0.97億m3。如按照刁口河現狀河道(平均寬度約為450 m)自流引水，滿足河道引水達到沖淤平衡條件的輸沙需水量應不少于10.54 億 m3。

2.3.2 保持海岸動態平衡需水

利用刁口河口門附近海域CS1－CS8固定測量斷面測量數據，進行相鄰年份沖淤計算，得到相鄰年際間灘海高程差值數據文件，利用SURFER8.0軟件，繪制相鄰年際間灘海沖淤圖，并進行沖淤計算，得出相鄰年份刁口河流路口門附近海域沖刷量，其淺海水域多年沖刷平均值加上輸往外海的泥沙量即為刁口河流路口門附近海岸保持動態平衡的年際需沙量。選取 1994年、1996年、1998年、1999年、2001年、2002年、2003年、2004年共8年的近期海域地形數據資料數據進行對比分析，結果表明1994～2004年整體表現為沖刷，共計沖刷 6.1億 m3，平均每年沖刷0.61億 m3。

為滿足刁口河海岸動態平衡(海岸線長約35 km)的黃河需水量采用下式計算:

(2)式中，S為海岸沖刷量，億 m3;ρ為淤積泥沙和輸往外海區泥沙的折合系數，%;γ淤積物容重，kg/m3;ρ為河流平均含沙量，kg/m3。

刁口河流路行河時期(1964年1月至1976年5月)黃河泥沙淤積分布統計情況為:陸上、三角洲海域、外海區的泥沙各占21.6%、44.1%和34.3%。依照此比例，可以計算出輸往外海區泥沙為三角洲海域淤積泥沙的77.8%(折合系數p)，取淤積物容重為 1.1×103kg/m3，2006～2009年從利津水文站得到的河流平均含沙量為13.77 kg/m3，據式(2)可計算出目前為滿足刁口河海岸動態平衡(海岸線長約35 km)的黃河需水量約為86.4億 m3。

2.4 農業生產需水

根據2009年對刁口河流路附近農業耕地和灌溉情況的調查(表1)，按照不同作物的灌溉定額計算刁口河故道農作物種植年用水量為13 656.9萬 m3(未考慮荒堿地開發治理所需水量)，每年的3～5月是春灌的最佳時機。農業灌溉，季節性強，需水量大，水庫蓄水不能完全滿足農業生產需要，因此需要合理分配取水時間和取水量，在刁口河水資源配置方案中應適當考慮農業用水時空分布需求。

2.5 油田生產需水

通過從油田相關部門得到的信息，由于受可取水量和取水配套設施修建的限制，勝利油田近期無從刁口河流路引黃用水需求。

3 結論及建議

綜上所述，2009年研究區3 671 hm2蘆葦濕地需水約0.54億 m3，其關鍵需水期為每年的3～5月和7～9月;河口近海水域為保護魚類產卵每年4～6月黃河適宜入海水量約為60億 m3;河道過水時段維持河道不沖不淤的輸沙需水約0.97億 m3;保持海岸及近海海域動態平衡約需水量86.4億m3;農業春灌(每年3～5月)需水約1.37億 m3;勝利油田及東營市臨港工業園暫不需從刁口河引水。

玉米可耕地1 007 4 050 407.7大豆 33 4 050 13.5高粱 87 4 050 35.1棉花 13 260 4 050 5 370.3果樹 445 2 850 126.9蔬菜 44 6 750 29.7草場 4 953 3 750 1 857.5林地 2 864 2 850 816.2合計13 067 8 656.9水庫魚塘蓄水5 000荒地 11 212合計13 656.9

由此可見，刁口河流路生態環境關鍵需水期主要集中在每年的3～9月，需水量以保持海岸動態平衡需求為最大。刁口河過水時，只要保持海岸動態平衡需水量能夠得到滿足，保持刁口河河道輸沙及近海水環境需水即可基本達到。那么，要想全面滿足刁口河流路生態環境需水，應以滿足保持海岸動態平衡、保護區濕地及農業需水量為底限，即每年3～9月需水量應約不小于88.31億 m3，其中3～5月不低于1.37億 m3，枯水期不低于20億 m3。實際上，保持海岸動態平衡和近海水環境生態需求只有在黃河入海流路重新改走刁口河以后才有可能滿足。在目前黃河來水條件下，單靠調水應首先重點著眼于保護區淡水濕地的生態需求，在條件許可時，兼顧生態農業的需求。

由于缺乏足夠的近海水域和河道內水域生態監測資料，本文所提成果仍需在應用實踐中根據研究區生態恢復效果逐步修正。

［1］孫志高，牟曉杰，陳小兵等.黃河三角洲濕地保護與恢復的現狀問題與建議［J］.濕地科學.2011，9(2):107 －115.

［2］馬樂寬，李天宏.關于生態環境需水概念與定義的探［J］.中國人口·資源與環境.2008，18(5):168 －173.

［3］鐘華平，劉恒.河道內生態需水估算方法及其評述［J］.水科學進展.2006，17(3):430 －434.

［4］張琳，劉瓊，白穎，等.關于河道外生態需水的討論［J］.北京師范大學學報(自然科學版).2009，45(5－6):543－546.

［5］崔保山，楊志峰.濕地學［M］.北京:北京師范大學出版社.2006.

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［7］崔樹彬.關于生態環境需水量若干問題的探討［J］.中國水利.2001(8):71－74.

Statistic Analysis on Eco－environmental Water Requirements in Diaokou Channel of the Yellow River Delta

ZHENG Kai1，XU Li－ rong1，ZHENG Yu － cheng2
(1.College of Resources and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong;2.Yellow River Hekou Bureau，Hekou Country，Dongying City of Shandong Province，Dongying 257200，Shandong)

Diaokou Channel was renewed as sea－going channel of the Yellow River in 2010，so it is crucial to studie on eco－ environmental water requirements in Diaokou Channel for the health of ecosystem in the Yellow River Delta.The paper is based on five aspects selected to study eco － environmental water requirements，which is the water requirements of wetlands，the water requirements of coastal ecosystems，the water requirements of sediment transport and maintaining a dynamic balance of coast，the agricultural water requirements and the water requirements of oil field. And the results show that the demand of freshwater water of wetlands is 540 million m3，the water requirements of coastal ecosystems is 6 billion m3，the water requirements of sediment transport of not making channel Destroyed and siltation is 970 million m3，the water requirements of maintaining the dynamic balance of coast is 8.64 billion m3，the water requirements of agriculture in spring irrigation(from March to May each year)is 0.137 billion m3，Shengli oil field and Dongying Port Industrial Park do not need water from Diaokou Channel temporarily. Therefore，the key period of eco－environmental water requirements of Diaokou Channel is mainly from March to September each year，the maximum requirements of water is mainly maintaining the dynamic balance of coast.

Eco－ environmental water requirements，Wetlands water requirements，Diaokou Channel and Yellow River Delta

TV211.1

A

1004－1184(2012)05－0092－03

2012－04－27

山東省中青年科學家科研獎勵基金(編號:2008BS08007)。

鄭愷(1988－)，男，山東濱州人，在讀碩士研究生，研究方向:水生態與水環境。