玉符河干流生態適宜流量與生態補水效應分析

徐 震，趙進勇，李慶國，董亞楠

(1.濟南大學資源與環境學院，濟南 250022；2.中國水利水電科學研究院 水環境研究所，北京 100038)

人類活動對于河流生態系統有著巨大的擾動作用，特別是隨著社會的發展，沿河修建大量的水利工程以滿足對水資源的需求，嚴重影響了河流的形態及功能，造成了生態系統的破壞[1-3]。河流生態系統的破壞帶來一系列的問題致使研究者在水利工程調度中考慮生態需水，以保障并改善河流的生態功能。因此，流域下游生態保護與修復生態需水的研究受到越來越廣泛的重視。生態適宜流量(河道內生態需水)是流域水資源配置與生態系統健康的重要基礎，對于該方面的研究，國外在理論和計算方法上都已經取得了一定的成果，可以歸納為基于水文數據的水文學法、基于水力參數的水力學法、棲息地偏愛法、整體分析法等；國內研究者大多數使用水文學法中的Tennant法對生態適宜流量進行計算[4-6]。但是，Tennant法與生物聯系不太緊密，計算得到的最小需水量(minimum flow)缺乏明確的生態學意義。此外，在干旱時期，最小河道內流量并不能提供河流資源充分的保護，在豐水時期，它也不能為有最佳的魚種數量創造機會[7,8]。因此，需要一種能夠量化河道內流量增加變化帶來的影響并能評價生態修復與水資源分配的方法。本文選用棲息地偏愛法通過建立河流徑流量與目標生物棲息地之間的關系，求得河道內生態需水，其物理意義明確，同時也能夠有效地評估生態需水量的增加對于流域生態系統的影響，為玉符河生態修復與保護以及水資源分配提供量化的依據。

1 研究區概況

玉符河位于山東省濟南市的西南部，屬于黃河流域，河流的源頭是歷城區南部山區的錦繡川、錦陽川、錦云川的主要支流(見圖1)。玉符河全長約70 km，流域面積為827.3 km2，水面寬度最大達89 m，多半浮動在20 m上下。地處中緯度地帶，屬于大陸性季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，春季干燥少雨，夏季多雨炎熱，秋季涼爽干燥，冬季寒冷少雨。流域北部平原地區年平均降水量為650～700 mm，汛期降水量約占全年降水量的70%。該流域地質條件是獨特斷裂結構發育，斷裂及巖溶裂隙溝通了張夏組灰巖含水層及奧陶系灰巖含水層，河水大量下滲補給地下水，寨而頭村至催馬莊段河道滲透能力尤為強烈[9,10]。對于濟南市，玉符河具有重大的存在價值，它不僅保障了濟南市一半的城市用水，而且玉符河強滲漏帶地區下滲的水量補給地下水也是濟南泉水不斷噴涌的重要保障。

圖1 玉符河水系圖Fig.1 Yufu river water map

2 生態適宜流量計算

2.1 計算方法

在棲息地偏愛法中，以20世紀70年代美國魚類及野生動物署(US Fish and Wild life Service)提出的河道內流量增量法(In stream Flow Incremental Methodology，IFIM)最具有代表性。IFIM法是一種理論上的計算方法，若運用此法計算還需要進一步選擇具體的模型，本文選用的是精度要求比較高的River2D棲息地模擬模型。

該模型是通過對不同流量下河段的水深和流速的分布進行模擬，從而計算目標生物的棲息地數量，即加權可用面積(Weighted Usable Area，WUA)。具體過程可概括為：①河段河床地形文件的形成；②形成的河床地形文件網格化；③對不同流量下水深、流速等分布進行模擬；④依據魚類棲息地適宜性曲線，獲得不同流量下各河段的WUA值。

WUA在一定程度上可以體現目標生物在此河流環境下能夠生存的面積，數值上等于棲息地適宜性指數乘以該單元面積。River2D中棲息地模型模擬主要是依靠棲息地適宜性曲線得到每個單元影響因子的適宜性組合值，計算模擬河段的WUA：

(1)

式中：f為適宜性組合函數，f(Vi,Di,Ci)=ViDiCi，體現了影響因子的綜合作用；n為斷面劃分的計算單元數；Ai為每個網格單元的面積；Vi為流速指標；Di為水深指標；Ci為河道底質指數，本文只考慮流速和水深的共同影響，暫不考慮底質和覆蓋物的影響，故Ci默認為1。

由于魚類是水生生物中的高級群落，影響著其他物種的生存及豐富度，故一般作為IFIM法研究的指示物種，針對玉符河流域，本文決定把鯉魚作為探討的代表物種。本研究釆取單變量方法，只分別研究不同水深、流速下的鯉魚棲息地適宜性曲線，根據相關資料[5](表1)，分別建立不同水深和流速下的鯉魚棲息地適宜性曲線(圖2)，從圖2可以看出，最適合鯉魚生長的水深為0.5～1.0 m，最適合鯉魚生長的流速為0.15～0.8 m/s。

表1 已有文獻中鯉科魚類適宜性指數探討Tab.1 The existing literature Cyprinidae suitability index

圖2 適宜性指數與流速和水深的關系曲線Fig.2 Suitability index versus flow velocity and water depth

2.2 計算結果

2.2.1 玉符河干流WUA指數與流量關系

由于River2D不適應長河段，同時考慮研究河道橡膠壩的分段性，本研究把整個河段分為3個部分進行處理。以臥虎山水庫大壩為起點，3部分分別為樁號0～8+800、8+800～15+400、15+400～38+600河段。將DEM輸入到River2D中，得到玉符河研究河段的河床地形圖。然后對河床地形圖進行網格化，如圖3所示。

圖3 河段的網格劃分和地形示意圖Fig.3 The grid division and topographic map of the river section

考慮到玉符河河流狀況具有明顯的季節性，104國道以下的河道在自然條件下就會出現斷流的情況，生態恢復的一個重要舉措就是下游采用縮窄的人工子槽過流。因此對15+400～38+600河段，本研究選擇典型子槽斷面進行研究，具體選擇的河段為36+000～38+000河段，河段網格如圖4所示。

圖4 36+000～38+000河段網格劃分示意圖Fig.4 Diagram of grid division of 36+000～38+000

對河床地形圖進行網格化之后，輸入2、5、10、15、20、30 m3/s在內的6個不同流量值，求得各河段在不同流量下的WUA，可以發現各河段在穩定流條件下WUA都首先隨著流量的增加而增大，在流量為20 m3/s左右處到達最大值，之后隨著流量的增大，WUA持續減小，符合目標物種的適宜曲線變化規律。(圖5選用的是2、10 m3/s流量下的WUA值圖)

玉符河干流不同河段WUA值與流量統計表見表2。根據3個河段的研究結果，可以初步體現出WUA指數與流量的線性關系(見圖6)。一定程度上，不同流量與WUA的關系可以反映玉符河的生態水文規律，當采取不同的生態補水方案進行修復其生態系統時，可以通過此定量關系進行相應的水文計算，評價和擬定適當的生態修復方案。

2.2.2 底棲生物完整性與流量關系

根據中國水利水電科學研究院研究，玉符河各樣點中水深與流速變化較明顯，是影響底棲生物的主要因素，而河流的理化指標變化較小，不足以對底棲生物造成影響。因此，本文選擇底棲動物與流速、水深等相關關系來表征玉符河生態與水文要素的關系。底棲生物完整性用B-IBI來表示，數值上等于各采樣點主要的多樣性指數實際測定值除以本底值。

圖5 不同河段在不同流量下分析計算的WUA值圖Fig.5 WUA values calculated and analyzed at different flow rates in different reaches of river

流量/(m3·s-1)0+000～8+800河段WUATotal Area%8+800～15+400河段WUATotal Area%36+000～38+000河段WUATotal Area%210 415.15764 6001.368 222.65655 7691.254 929.28242 7562.03515 594.91764 6002.0413 340.97655 7692.036 979.74242 7562.881018 461.87764 6002.4116 275.22655 7692.488 555.18242 7563.521519 890.75764 6002.6017 298.94655 7692.64---2020 967.22764 6002.7417 810.87655 7692.729 821.08242 7564.053018 654.00764 6002.4417 672.50655 7692.699 483.22242 7563.91

圖6 玉符河WUA指數與流量統計關系Fig.6 Relationship between WUA index and flow statistics of Yufu river

玉符河底棲生物完整性相似指數與一定寬度上的流量建立回歸方程可表示為：

Y=11.428X+1.087 6 (R2=0.861)

(2)

式中：Y為底棲生物完整性相似指數；X為2 m寬的單寬流量。

由確定性系數R2可以得出玉符河B-IBI相似指數與流量之間具有較好的相關關系，表明玉符河的生態水文規律相對平穩。

B-IBI其評價標準參考相關文獻，可以定為：①B-IBI ≥ 3.59健康，最佳狀態；②2.69 ≤ B-IBI < 3.59亞健康，次最佳狀態；③1.8 ≤ B-IBI < 2.69一般狀態；④0.9 ≤ B-IBI < 1.8較差；⑤B-IBI < 0.9差。

3 生態補水方案分析

臥虎山水庫2005年進行的回灌試驗表明，水庫到104國道間強滲漏帶全年平均滲漏損失流量達1.24 m3/s，國道至周王莊橋平均損失流量為0.3 m3/s，估算斷流天數240 d。要恢復其生態系統，保證這段河道不出現斷流情況，全年共需要水約2 570 萬m3。臥虎山水庫的年平均來水量約為5 891 萬m3。其中，臥虎山水庫向城市提供約1 825 萬m3的水量，平均每年向農業提供658 萬m3的水量，這樣扣除死庫容350 萬m3后，再考慮降雨豐富時期的徑流量會補給約1 558 萬m3的水量，最后臥虎山水庫大約有4 616 萬m3水可用于下游生態補水，可以滿足2 m3/s的下泄流量。

3.1 不考慮引水狀態下河道的生態修復與補水方案分析

近期臥虎山水庫下泄流量為2 m3/s，考慮到104國道以上的河段存在著強滲漏帶，運用一維河道模型，模擬河道下泄過程，并計算玉符河干流上段的生態水文條件，詳細結果見表3。從表3可以看出，魚類棲息地的加權可用面積隨著流量的減小而減小，其恢復最佳狀態的程度最大接近于40%，整體偏小；而從底棲生物完整性角度分析，恢復程度較好。綜合這兩種情況進行預測分析，104國道以上的大部分河段都可以恢復到最佳狀態的50%以上。

表3 玉符河干流上段生態水文指標恢復預測值Tab.3 The prediction value of ecological hydrological indices of the upper reaches of Yufu river

3.2 考慮南水北調引水狀態下河道的生態修復與補水方案分析

為了減小滲漏，連通整個河段，本文考慮采用縮窄河道的人工子槽方案進行玉符河的生態恢復，并運用一維河道模型，模擬河道下泄過程。在南水北調濟南續配套工程正式運行后，每天將有20 萬m3的水量調入臥虎山水庫，另外還有10 萬m3的長江水通過玉符河沿線預留的出水口，直接進入玉符河的強滲漏帶補給地下水，完全可以滿足4 m3/s的下泄流量，詳細計算見表4。

從表4可以看出，臥虎山水庫下泄流量為4 m3/s時，可以實現全河段連通的目標。從魚類棲息地角度分析預測，104國道以上河段的恢復程度可以達到最佳狀態的50%，但以下河段的恢復程度依舊偏小；從底棲生物完整性角度看，全部河段的恢復程度可以到達最優狀態的95%以上。綜合分析得到，采用臥虎山水庫下泄流量為4 m3/s的補水方案，預測綜合恢復程度50%～75%，即基本使玉符河的生態系統恢復到中等偏上水平。

表4 玉符河干流全段生態水文指標恢復預測值Tab.4 The prediction value of ecological hydrological indices of Yufu river

4 結 語

本文基于魚類棲息地數目和底棲生物完整性兩個方面，對玉符河的生態補水進行分析。分析表明：采取臥虎山水庫下泄流量為2 m3/s的方案，預測可使104國道以上的大部分河段恢復到最佳狀態的50%以上；在考慮引用長江水狀態下，采取臥虎山水庫下泄流量為4 m3/s的方案，預測可使玉符河全部河段貫通且生態系統恢復到中等偏上水平。本研究彌補了該流域在生態適宜流量以及生態需水等方面研究的不足，有助于流域的管理者采用科學的水量生態優化調度進行生態調控，保證用有限的水資源最大限度地達到生態修復的目標，為北方地區有水庫供水的典型季節性河流的生態修復以及水資源分配提供了參考。

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