高度人工化城市河流生態水位和生態流量計算方法

華祖林，董越洋，褚克堅

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098；2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098)

城市河流是城市景觀環境的重要依托和歷史文化的重要載體，也是城市品質的重要標志之一，具有強烈的社會屬性。我國城市河流面臨著污染負荷日益加重、河道內水量被社會經濟用水大量擠占、生態流量與生態水位難以保障的困境，從而導致了河流水質惡化、水生生物銳減、生態系統嚴重退化等一系列問題，嚴重傷害了城市河流功能。為了城市防洪排澇安全，許多城市河流進行了大量的人工改造，出現了高度人工化城市河流，對于其生態水位和生態流量的計算目前還沒有很好的方法，究其原因在于高度人工化城市河流有著其顯著的特點和特定的生態功能與服務需求，具體表現為：①河道徑流高度人工控制，閘壩分布密集，水文情勢發生巨大改變，造成河流上下游水文、水力、生態等參數的不連續性，流量與水位關系已經不對應，這就決定了河流生態需水的計算必須同時給出生態流量和生態水位，并根據人工控制情況，分不同河段進行計算；②高度人工化城市河流生物多樣性銳減，物種相對單一，有著明顯的同質性生境通道，不像自然河流，即使恢復到原有的流量與水位，也難以恢復原有的生物種類，因此現實的生態功能和目標應為維持河道內主要水生生物(如魚類等)和河道岸灘植物生境等；③對城市河流而言，維持良好景觀，保障水體功能，實現人水相親，服務于城市居民，是其生態服務功能的最為集中與重要的體現；④由于人為的阻隔作用，造成城市河流河水大多呈滯流狀態，死水區增多，水體自然復氧困難，加之入河污染物排放，水質惡化，極易誘發藍藻暴發。

對于城市河流生態水位和生態流量的計算，國內外學者進行了一定的嘗試，如Souter等[1]基于河流天然節律，將水文情勢分為5組28個參數，分別從流量、時間、頻率和變化速率等方面分析了澳大利亞Murray河受嚴格管控后水文情勢的變化，并以恢復天然水文情勢為生態目標計算了生態流量；Hough等[2]基于生物習性的生態流量推求方法[3-5]利用SRH-2D和CASiMiR模型構建了適用于英格蘭西北部某河流的水生態模型，通過流速偏好得到水生生境適宜度曲線，評估并提出了研究地點的生態流量；張士峰等[6]根據人工重建河道生態目標，考慮生態基流、水面蒸發和植被耗水等多個要素，計算了永定河北京段生態需水量；楊毓鑫等[7]從湖泊形態、最小空間需求以及生態需求等角度推求了洞庭湖的生態水位，對城市河流生態水位的計算有一定的借鑒作用；涂晶晶等[8]基于河流天然流量的基本特征，構建了河流生態流量特征圖，建立了判斷生態流量滿足程度的生態需水綜合指標。但是在高度人工化城市河流中，水文情勢已明顯不同于自然河流，難以以此來推求生態流量；城市河流生物多樣性已顯著減少，若僅依據生物習性推算生態流量，計算結果的可靠度難以保證；城市河流生態流量計算還應適當考慮城市生態景觀這一極其重要的目標，同時關注高度人工化城市河流生態水位與生態流量不對應的特性。

本文針對現有方法的不足，根據高度人工化城市河流的顯著特點和特定的生態功能，提出了一種既考慮維護其基本生態功能，又滿足特定服務需求為關注點的計算方法，并以南京市秦淮河為例，對所提出的方法進行了驗證計算，為高度人工化城市河流的生態需水計算進行了一次有益的探索。

1 計算方法

1.1 生態水位和生態流量的內涵

高度人工化城市河流生態水位和生態流量內涵是指為保障城市河流各項生態功能正常發揮，必須同時滿足的一定水深、流速、水質和水量條件。城市河流生態功能包括：①連通性功能。維持城市河流連通性功能在于有一定水深以維持河流基本形態穩定，并以一定流速保持河道流動性，維持河道廊道暢通，這是因為在高度人工化城市河流中，水系連通受阻，水體流動性受限。②水生生物生境功能。考慮到城市河流生物多樣性已經急劇下降，城市河流水生生物生境功能主要目標為維持河道內主要水生生物(如魚類等)和河道岸灘植物生境等，保障魚類和植物的生長空間和適宜的水流條件。③景觀娛樂功能。景觀娛樂功能是城市河流最為主要的生態服務功能，其始于城市居民對河流自身的景觀美學感受，尤為注重視覺感知和嗅覺體驗，要求河流應具有一定的水面面積、水深和水質條件。④抑制高度人工化城市河流在滯流狀態下可能的藻類暴發性生長。

1.2 生態水位計算方法

a. 維持城市河流連通性的生態水位H1，具體指維持河流的基本形態的水位。河流水面寬度是表征城市河流形態與廊道通道功能完整性的重要因子，直接受河道水位過程控制。河流水面寬度與水位之間通常呈非線性正相關關系，其變化率存在一個高值區，此高變化率相應河道水位以下，水位降低到某一水位時，水面寬度的減少量將顯著增加，河流生態功能的減少量也將隨之顯著上揚。以河道水位為控制指標，河流水面寬度為功能指標，通過建立河道控制斷面水位與水面寬度的關系曲線，識別水面寬度出現急速退化情形所對應的臨界水位，以此作為維持河道連通性的生態水位。

b. 維持城市河流河道內魚類生境的生態水位H2。H2的計算需要考慮魚類生命各階段所必要的生存水深，以及游魚垂向轉身需要的水深(為魚類體長的2～3倍(平均體長按70～80 cm計))。參考國內外魚類生態學[9-10]研究的成果，魚類適宜水深取為：產卵期(3～6月)和幼魚期(7～9月)大于或等于0.9 m；成魚期(10月至次年2月)大于或等于0.8 m。垂向轉身水深取為魚類平均體長的 2～3倍。

c. 維持城市河流河道岸灘植物生境的生態水位H3。H3可以根據各類水生植物適生水深，結合生長區域和分布的高程范圍進行估算。例如，挺水植物蘆葦、水花生等(生長期6—8月)適生水深取 20～40 cm；草本植物高羊茅、一年蓬、水蓼等(生長期6—8月)適生水深取10～20 cm；浮水植物鳳眼蓮等(生長期6—10月)適生水深取20～80 cm。

d. 維持河流景觀娛樂的生態水位H4。H4的計算側重于居民的審美需求，可以從市民親水、游船航行等多角度進行主觀定性分析：

H4=max(H5，H6，H7)

(1)

式中：H5為親水平臺要求，有研究[11]表明水面距親水平臺下約0.5 m，景觀娛樂效果最佳；H6為旅游觀光游船航行要求水深，水深1.5 m左右即可滿足小型游船航行要求；H7為城市雨水排入河口高度限制要求水深。

綜合以上計算結果，可得河段生態水位H：

H=max(H1，H2，H3，H4)

(2)

1.3 生態流量計算方法

維持河流連通性、生物生境、景觀娛樂等功能的生態流量Q1，可基于生態水位、生態流速及河道控制斷面參數確定。Q1的計算關鍵在于生態流速的確定。流速是維持河流水系連通、保持河流生物生境功能以及營造河流景觀的一個重要因子，其計算公式為

v=max(v1，v2，v3)

(3)

式中：v為河流生態流速；v1為維持河流連通性生態流速，可保持河道流動性，實現暢通流動，另外一定的流速可提高河流的復氧量，增強河流的自凈能力[12]；v2為魚類適宜流速，在魚類生命各階段中，產卵期對流速最為敏感，按實測與相關研究成果推算，流速0.1～0.2 m/s為宜；v3為抑制藻類繁殖流速。藻類的生長繁殖機理十分復雜，其發生機制和過程尚不清楚，已有研究[13]表明，流速、水溫和營養物質是決定藻類生長的主要因素，其中水體流動可以有效抑制藻類的大量繁殖；一般認為，當流速大于0.1～0.2 m/s，可以明顯抑制藻類過量繁殖[14-16]。

由于城市河流一般會存在排污口，計算生態流量時還應當充分考慮各功能正常發揮下的自凈需水[17]，即環境需水量Q2。Q2常常采用一維水質模型[18]來估算，計算公式為

(4)

式中：ρs為河段終止斷面的污染物質量濃度，mg/L；ρ0為河段起始斷面的污染物質量濃度，mg/L；ρi為排污口i排放的污染物質量濃度，mg/L；qi為排污口i排入河流的水量，m3/s；Li為排污口i距離終止斷面的長度，km；L為河段總長，km；u為河段平均流速，m/s；K為綜合衰減系數，d-1;n為排污口總數。

河流生態流量Q為

Q=max(Q1，Q2)

(5)

2 計算案例

2.1 秦淮河概況

以江蘇省南京市秦淮河為例進行計算驗證。秦淮河素有“十里秦淮”之稱，具有厚重的文化歷史韻味，近年來南京市大力建設林蔭大道和綠地，構建層次豐富、各有特色的濱水景觀節點，打造水上游船線路，恢復重塑秦淮河風光帶。確定并保障生態水位與生態流量對城市品質提升有著重要的作用。

南京市秦淮河是秦淮河流域中下游河道，指前垾村以下南京城區秦淮河段，屬于典型的高度人工化城市河流(圖1)。南京市秦淮河河網交錯縱橫，主要包括秦淮河和秦淮新河兩條二級河道，以及若干條五級、六級河道，主要河道的基本特征值見表1。河道上閘壩分布密集，大大小小泵站有十幾座，主要控制性水工建筑物有武定門樞紐、三汊河口閘和秦淮新河樞紐。

圖1 秦淮河水系

表1 秦淮河主要河道特征值

秦淮河內生物多樣性較弱，魚類以鯽、青、草等常見魚種為主，浮游植物以藍藻和硅藻門占優勢，河道內葉綠素a最高檢出36.50 mg/m3，富營養化程度整體較高，每年均有不同程度的藍藻水華暴發，這些都嚴重損害了河流健康和城市形象。河道外部分有岸灘濕地分布，但植物群落組成單一且缺乏沉水植物，結構較為簡單，生物量貧乏。

2.2 計算結果

將南京市秦淮河人工控制情況按表1劃分為4段，生態水位和生態流量也相應逐段進行計算。限于篇幅，生態水位計算以秦淮河上段為例,生態流量計算以外秦淮河為例。

秦淮河上段采用典型大斷面(圖2)為該河段生態水位控制斷面，計算不同水位下該控制斷面對應的水面寬度，并建立兩者關系曲線如圖3所示。由圖3可知，水面寬隨水位的降低而減小，其變化率在高程3.2 m水位處有一拐點，當水位低于3.2 m時，河流水面寬隨水位降低的減少量將顯著增大，即維持城市河流連通性的生態水位為3.2 m。根據前述魚類適宜水深，由河道斷面形態特征，并考慮一定的安全余量，計算出維持魚類生境的水深為1.5 m，換算成生態水位為5.3 m。現場踏勘與不同時期衛星影像調查資料分析表明，秦淮河上段堤壩內岸灘分布有蘆葦、高羊茅、一年蓬、鳳眼蓮、水花生、水蓼等大型水生植物，生長區域主要位于5.3～6.5 m高程之間的河道灘地。根據前述相關水生植物適生水深，結合植被的高程分布，可推算秦淮河上段維持岸灘水生植物生境的最小生態水位約為5.5 m，則秦淮河上段維持河流生物生境的生態水位為 5.5 m。景觀生態水位按式(1)計算，調查秦淮河沿線親水平臺、觀光游船和市政排水，H4約為6.8 m。綜合以上計算結果，由式(2)計算得到秦淮河上段生態水位H=6.8 m。

圖2 秦淮河上段典型大斷面

圖3 秦淮河上段大斷面水面寬與水位的關系

同理可計算得秦淮河下段、外秦淮河和秦淮新河的生態水位分別為6.7 m、6.3 m和6.7 m。

對于生態流量，由式(3)計算得外秦淮河生態流速v=0.1 m/s，這與王超等[19]提出的將 0.1 m/s 作為維持城市河流生態系統的最小參考流速一致。基于生態水位、生態流速和控制斷面，得Q1=26.5 m3/s；由圖1中的概化排污口，按式(4)計算得到Q2=20 m3/s。綜合以上計算結果，由式(5)可得到外秦淮河段生態流量Q=26.5 m3/s。

同理，可計算得秦淮河上段、秦淮河下段和秦淮新河生態流量分別為20.8 m3/s、25.8 m3/s和 19.1 m3/s。

2.3 計算結果合理性分析

Tennant法[20-21]是應用最廣泛的水文學法，是依據觀測資料而建立起來的流量和棲息地質量之間的關系來確定生態流量的方法。Tennant法使用歷史流量資料來確定生態需水，使用簡單、方便，通常可作為其他方法的檢驗方法。將本文方法與Tennant計算結果進行對比，結果見表2，對比發現4個河段采用本文方法得到的生態流量計算結果均介于Tennant方法計算結果的40%～60%之間，即Tennant標準的“好”和“非常好”之間，計算結果合理，由此證明本文方法合理可靠。

表2 兩種方法生態流量計算結果對比

3 結 語

本文分析了高度人工化城市河流的特點及生態功能需求，解析了城市河流生態水位和生態流量的內涵，針對目前城市河流生態水位和生態流量確定方法的欠缺，從維持河流連通性、河道內主要生物生境、城市景觀娛樂、水質保障以及抑制可能的藍藻暴發等角度，嘗試性地提出了一種高度人工化城市河流生態水位和生態流量的計算方法。以南京市秦淮河為例，分別計算得到了秦淮河上段、秦淮河下段、外秦淮河和秦淮新河4個河段的生態水位分別為6.8 m、6.7 m、6.3 m和6.7 m，生態流量分別為 20.8 m3/s、25.8 m3/s、26.5 m3/s和19.1 m3/s，并利用Tennant法檢驗了其合理性，可為像南京市秦淮河等我國高度人工化城市河流的生態水位和生態流量的確定提供參考。