基于河流廊道構建目標的洋河生態需水核算

徐鶴，繆萍萍，王立明，顧宏霞

（1.海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170；2.天津市碧波環境資源開發有限公司，天津 300102）

永定河是貫穿京津冀生態功能區的天然走廊，是京津冀主要功能區的主軸，也是傳承京津冀晉深厚歷史文化的載體。洋河作為永定河的兩大重要支流之一，全長101 km，流域面積約1.55萬km2，上源有東洋河、西洋河、南洋河等河流，在河北省懷安縣柴溝堡附近匯合后稱為洋河。洋河流經河北省張家口市懷安、萬全、宣化、下花園、懷來等區縣，沿線有清水河、盤腸河、龍洋河等支流匯入。東洋河上建有友誼水庫。洋河流域地跨內蒙古、山西和河北3?。ㄗ灾螀^），面積分別占流域面積比例為18%、18%、64%。洋河水系分布情況，如圖1所示。

圖1 洋河水系示意

保障生態環境需水量，是恢復河流生態功能、提升河湖生態系統質量和穩定性、復蘇河湖生態環境的關鍵因素。根據國家發展改革委、水利部、國家林業局聯合印發的《永定河綜合治理與生態修復總體方案》[1]，洋河作為永定河水系山區段重要綠色生態河流廊道，應維持良好生態環境功能，隨著自然修復步入良性循環、流域節水水平提高以及地下水位回升，將恢復成為“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，再現河道清水長流、湖泊蕩漾漣漪、沿岸綠樹連綿、城鄉山川相融的自然山水風貌。

1 洋河河流廊道構建目標及生態需水內涵

洋河河流廊道的生態需水核算按照高質量發展復蘇河湖生態環境的新要求，結合水系生態功能定位，按照“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”的廊道構建目標和復蘇河湖生態環境要求，依據《河湖生態環境需水計算規范》（SL/T 712-2021），從尊重生態系統自然規律、維系水生態系統的結構與功能的角度出發，結合洋河流域水文特性及水資源狀況，綜合考慮生態保護目標，核算洋河綠色河流廊道的生態需水量。

根據河流廊道恢復目標，確定河流生態服務功能，從而提出相應的生態流量要求，具體分析如下：

河流廊道要滿足“流動的河”的目標，需要保障生態基流，保持河流縱向聯通性，同時提高輸水效率，發揮供水及河流系統生態環境維持功能。

河流廊道要滿足“綠色的河”的目標，生態敏感期應保持河流橫向連通性和豎向流通性，滿足涉水的陸生、水生生態保護目標需水要求，恢復河岸植被帶，發揮河岸帶濕地生態環境維持功能。

河流廊道要滿足“清潔的河”的目標，應保障生態基流，維持河流一定的水環境容量，發揮水質凈化功能，維持和改善河流水質，滿足河道水功能區目標要求，提高水質凈化服務功能。

河流廊道要滿足“安全的河”的目標，生態流量應控制在堤防防洪能力以下，滿足流域規劃的防洪標準，保障防洪安全。

綜上，洋河構建河流廊道實現“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”的目標，河流生態需求應包含以下組分：反映天然水文節律并維持縱向及豎向連通的生態基流、生態敏感期滿足陸生生態保護目標并維持橫向連通的生態需水、生態敏感期滿足水生生態保護目標的生態需水、城市河段滿足景觀蓄水及水體凈化功能的生態需水。生態需水組分的外包值同時滿足防洪標準要求可作為構建洋河生態河流廊道的生態需求量。

2 核算方法

2.1 Tennant法

Tennant法是常見的水文學方法。依據歷史水文資料建立的流量（徑流量）與河流生態環境狀況之間的經驗關系，采用歷史天然流量資料，通過設定不同生態環境狀況等級，確定年內不同時段的生態環境需水量[2]。河道內不同生態環境狀況與流量對應情況，詳見表1[3]。

表1 河道內不同生態環境狀況與流量對應情況 %

2.2 水量平衡法

水量平衡法通過計算維持一定水面面積的河湖蓄水量來計算河湖生態需水。通過分析研究范圍內輸入、輸出項的平衡關系，采用水量平衡法進行計算，即[3]：

式中：Wz為河湖生態需水量（m3）；F為河湖水面面積（km2）；EZ為河湖計算面積水面蒸發需水量（m3/km2）；P為多年平均降水量（m3/km2）；T為植物蒸散發需水量（m3）；G為土壤滲漏需水量（m3）；W0為維持一定水面面積的蓄水量（m3）；Q0為河湖連通情況下的流出水量（m3）；Qi為河湖連通情況下的流入水量（m3）。

2.3 敏感期生態需水計算方法

敏感期生態需水依據濕周法構建流量與水力要素間的關系。通過構建一維水動力學模型，模擬不同流量情況下洋河友誼水庫以下河段水力要素變化。

（1）濕周法。濕周法是水力學法中最常用的方法，利用濕周作為水生生物棲息地指標，通過收集水生生物棲息地的河道尺寸及對應的流量數據，分析濕周與流量之間的關系，建立濕周-流量的關系曲線。濕周法以淺灘斷面濕周-流量曲線上的拐點對應的流量作為生態需水量建議值，但由于河流實際斷面的濕周流量-曲線很少只有一個拐點，多數是多個拐點或者沒有明顯的拐點，人為確定拐點往往會有較大的偏差，目前推薦使用的生態環境需水量獲取方法是選取濕周-流量過程曲線的斜率為1或者曲率最大處的點，該點對應的流量作為河道的生態需水量，一般情況下可選擇斜率為1的點作為拐點[3]。濕周-流量關系，如圖2所示。

圖2 濕周-流量關系

（2）模型概化。本次模擬河段為洋河友誼水庫以下162 km河段。上邊界為友誼水庫水文站，設置為流量邊界類型；下邊界為洋河出口斷面，設置為水位流量關系邊界類型，通過曼寧公式結合地形資料構建出口斷面水位流量關系。

模擬河道地形數據來自研究洋河河道綜合整治工程實測資料，典型斷面如圖3所示。

圖3 研究河段橫斷面示意

（3）水流數學模型及數值求解。在模型概化的基礎上，基于圣維南方程組構建了研究河段描述水流的數學模型[4]，見式（2），利用有限差分法進行求解：

式中：Q為流量（m3/s）；A為斷面面積（m2）；q為源匯項（m2/s）；α為流速垂向分布修正系數；h為水位（m）；C為謝才系數；R為水力半徑（m）；g為重力加速度（m/s2）；h1和q1為邊界水位（m）和流量（m3/s）；h0和q0為初始水位（m）和流量（m3/s）；ζ為邊界。

謝才系數C與過水斷面形狀、壁面粗糙度以及雷諾數等因素有關，常用曼寧公式表示：

式中：n為糙率，是度量壁面粗糙對水流影響的無量綱系數，天然河道的糙率取值一般在0.01～0.1，根據河道斷面形態及附著物，選取適宜的參數[5]，河道經整治后主河槽糙率為0.025、灘地糙率為0.035。

3 計算結果

3.1 采用Tennant法計算生態基流結果

洋河主要為山區段河流，選取Tennant法計算河流生態基流。河湖生態流量計算采用天然徑流系列，對于人類活動干擾較大的河流水系，應對實測徑流系列進行還原計算，本次計算數據采用水資源第三次調查評價結果，并根據水資源公報進行系列延長。

根據規范，對于水資源短缺、用水緊張地區河流，基本生態流量取值范圍可在“良好”的分級之下取值。因此，結合新時期高質量發展復蘇河湖生態環境的新要求下河流生態廊道構建的需求，選取豐水時段多年平均天然徑流量的40%、枯水時段多年平均天然徑流量的20%作為基本生態環境需水量，對應于生態環境狀況等級為“良好”。逐月生態基流過程計算結果如圖4所示，洋河流域控制站響水堡全年平均基流量2.04 m3/s，年基本生態需水量0.64億m3。

圖4 Tennant法計算逐月生態基流過程

3.2 城市河段維持生態水面的生態水量計算結果

洋河沿線分布有47.7 km的城市景觀河道，其中張家口市區和花園區段城市河段的長度分別為38.5、9.2 km。城市景觀河段均為渠化的城市河道，布置斷面為矩形斷面，水面寬140～500 m，河道常年通過梯級橡膠壩蓄水維持一定的景觀水面。由于水面蒸散發耗水，因此需要補充一定的水量。根據水量平衡法，計算洋河各月城市景觀河段的蒸發量和各月需水，洋河全年蒸發量1712 mm，整個城市景觀河段的全年蒸發需水量為2020萬m3，年內過程如圖5所示。

圖5 水量平衡法計算維持城市景觀蓄水的生態流量過程

3.3 敏感期生態需水量計算結果

通過模型模擬得到洋河各斷面濕周-流量曲線關系，如圖6所示。

圖6 研究河段濕周-流量關系

河岸帶植被主要分布在鄉村河道主河槽岸坡及一級灘地上，植被萌發季節為3—4月份，該時期河道需有一次漲水過程，促使植被敏感區有加大的過水面積，為沿河濕地充分補水。因此，根據濕周法建立的濕周與流量的關系，結合河道斷面形態，可安排3月份下旬為維持河岸帶濕地植被萌發所需的流量為10 m3/s，持續時間約10 d。

魚類作為水生態系統中的頂級群落，是水生態系統的主要組成部分，是水體生態完整性的重要指標，也是生物多樣性的重要組成部分。根據對魚類群落組成和魚類群落空間格局特征的分析，結合咨詢專家給出的建議以及文獻調研分析，確定洛氏鱥作為洋河流域生態需水研究的指示性目標魚類物種。洛氏鱥水深需求為0.1～2 m，流速需求為0.1～1.2 m/s。其中，洋河城市段為渠化河道，均為近似矩形的斷面，由梯級橡膠壩組成，水面較寬，難以長時間維持較大流速，因此只考慮鄉村溪流河道魚類生態環境需求。因此，洛氏鱥繁殖期4—7月期間安排河道平均流速不低于0.65 m/s，水深需求不低于0.5 m，結合濕周法建立的一維水動力學模型，要滿足鄉村溪流河段4—7月魚類生態環境需求的生態流量為不低于3.5 m3/s。

3.4 洋河生態需水量計算結果

按照高質量發展復蘇河湖生態環境的新要求，結合“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”河流廊道構建目標，綜合考慮生態基流、維持城市景觀生態蓄水功能、陸生及水生生態保護目標的敏感期生態需水要求，確定洋河年生態需水量為0.97億m3。其中，維持河流生態基流量0.64億m3，維持城市景觀生態蓄水功能需水0.2億m3，在基流量不滿足生態保護目標敏感期生態需水的情況下，將二者最大值作為敏感期生態需水。計算結果詳見表2，如圖7所示。

表2 洋河逐月生態需水過程

圖7 洋河逐月生態基流及生態需水過程

3.5 近2 a生態水量滿足情況分析

收集2020、2021年響水堡斷面逐月徑流量，分析生態水量滿足情況。近2 a，年生態需水量滿足需求，但個別月份不滿足生態基流過程。其中，2020年6—8月不滿足生態基流需求，4—5月達不到生態需水要求；2021年6—8月不滿足生態基流需求，5月達不到生態需水要求。洋河2020、2021年逐月徑流與生態需水過程，如圖8所示。

圖8 洋河2020、2021年逐月徑流與生態需水過程

4 結論與討論

（1）洋河是永定河重要的兩大支流之一，保障其生態環境需水量是構建洋河綠色生態河流廊道的基礎，有利于促進永定河綜合治理與生態修復進展，復蘇永定河生態環境。對洋河生態環境需水量核算，按照高質量發展要求，結合《永定河綜合治理與生態修復總體方案》的“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”廊道構建目標，選取Tennant法、水量平衡法、濕周法等分析洋河生態需水量。

（2）采用Tennant法計算洋河生態基流，選取豐水時段多年平均天然徑流量的40%、枯水時段多年平均天然徑流量的20%作為基本生態環境需水量，響水堡全年平均基流量2.04 m3/s，年基本生態需水量0.64億m3；采用水量平衡法，核算洋河各月城市景觀河段的蒸發量和各月需水，洋河全年蒸發量1712 mm，整個城市景觀河段的全年蒸發需水量為2020萬m3；采用濕周法，結合一維水動力學模型，選取洛氏鱥作為洋河流域生態需水研究的指示性目標物種，同時考慮河岸帶濕地植被萌發，核算敏感期生態需水，主要集中在3—7月；利用外包值法確定最終洋河年生態需水量為0.97億m3。

（3）對近2 a流域控制站響水堡斷面生態水量滿足情況進行了分析。結果表明，年徑流量滿足生態需水要求，但個別月份達不到生態基流或生態需水過程要求。為提高生態需水過程滿足度，建議通過洋河上游友誼水庫、洋河水庫等水利工程調度，調整各月河道徑流量以滿足生態蓄水過程。