王振祺，方紅遠*，許廣東，朱 曄，王鋮潔

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009;2.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局，江蘇 宿遷 223800)

2019年2月，水利部辦公廳印發(fā)了《重點河湖生態(tài)流量(水量)研究及保障工作方案的通知》，將一批重要的河湖斷面分選出來并對其編制生態(tài)流量保障實施方案，逐河(湖)實施監(jiān)管，并對年度實施情況進行評估[1]。目前，最小生態(tài)流量(水位)被定義為“維持河湖給定的生態(tài)環(huán)境保護目標所對應的生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需要保留在河道內(nèi)的最低水位(流量)”，作為明確河湖生態(tài)流量閾值的基礎，其對河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康的維持至關(guān)重要;通過嚴格管控河湖生態(tài)流量(水位)以保障區(qū)域水環(huán)境安全，對有效落實生態(tài)文明建設全局工作具有積極作用[2]。

近年來，蘇北平原河網(wǎng)地區(qū)有規(guī)模地實施了域內(nèi)河流水系的整治改造計劃，雖然河流湖濱加強景觀建設，恢復了部分水生生物，但局部區(qū)域或河段過于強調(diào)城市景觀，基于河湖水系連通與生態(tài)功能有機結(jié)合的規(guī)范化的開發(fā)利用行為不夠深化，使得河網(wǎng)區(qū)域堤岸硬質(zhì)化以及河濱濕地特征發(fā)生變化，其一定程度上也導致了水生生態(tài)系統(tǒng)退化，生物多樣性偏低，系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性差，平原河網(wǎng)水系的水動力仍顯不足。另外，雖然河道上閘壩站等水利工程在水資源利用方面發(fā)揮著引流灌溉、防洪排澇等功能，但閘壩站也使得河流天然流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち鲬B(tài)，降低了河流的連通性與河道的調(diào)蓄作用，干擾了河流的天然水循環(huán)過程，引起河流部分生物群落消失，造成了嚴重的水污染和生態(tài)系統(tǒng)健康問題[3-4]。

因此，需要在充分分析平原河網(wǎng)生態(tài)流量管控形勢與挑戰(zhàn)的基礎上，運用有效方法計算河道生態(tài)流量(水位)閾值，并根據(jù)新時期河湖生態(tài)流量管控總體路線，提出加強河流生態(tài)流量管控對策措施，以科學確定河道生態(tài)流量目標，建立完善生態(tài)流量管控長效機制。本文以蘇北平原地區(qū)總六塘河為研究對象，考慮河道生態(tài)流量(水位)管理的實際情況，采用分段設計與綜合計算法確定其相應的生態(tài)水位閾值，并分析河流生態(tài)水位(流量)目標管控的相關(guān)方法及措施，以便為進一步推進研究區(qū)河湖生態(tài)流量保障提供技術(shù)支撐和參考。

1 研究區(qū)域概況

總六塘河位于江蘇省宿遷市境內(nèi)，起點位于洋河灘閘，末端與淮沭河平交，穿淮沭河后與北六塘河等河道匯入灌河，流入黃海。宿遷市水資源公報顯示，該市多年平均降水量909.6 mm，年內(nèi)分配也不均勻，年平均約68%的年降水集中在5—9月。

總六塘河作為沂南地區(qū)區(qū)域排澇的主要河道，承擔宿豫區(qū)和泗陽縣區(qū)間排澇及灌溉任務，河道全長76 km，流域面積691 km2(圖1)。該河所處流域?qū)儆诘湫偷钠皆泳W(wǎng)地區(qū)，河道縱橫，地勢平坦，河網(wǎng)高度發(fā)育。

圖1 總六塘河地理位置及水文站布設

2 河道生態(tài)水位閾值的確定

2.1 河道生態(tài)水位計算的分段設計

經(jīng)對河道現(xiàn)行運行管理狀況發(fā)現(xiàn)，總六塘河上游段通過六塘河閘常年與中運河保持聯(lián)通，且相關(guān)翻水站可將中運河水源調(diào)蓄至總六塘河，因而可以將此區(qū)間段內(nèi)中運河生態(tài)水位限值應用到總六塘河上游段生態(tài)水位;總六塘河下游段(始自河道上的苗沖橡膠壩)與淮沭河平交，因而下游段水位與淮沭河持平。綜上所述，結(jié)合江蘇省水利廳發(fā)布的《全省第一批河湖生態(tài)水位(試行)》，現(xiàn)以六塘河閘以及苗沖橡膠壩作為分段點，將總六塘河劃分為上游段(洋河灘閘—六塘河閘，河長6 km)、中游段(六塘河閘—苗沖橡膠壩，河長33 km)、下游段(苗沖橡膠壩—與淮沭河交口處，河長37 km)3個區(qū)段進行生態(tài)水位(流量)計算以及管控措施分析。原則上，上游段以及下游段的生態(tài)水位閾值按《江蘇省第一批河湖生態(tài)水位(試行)》中的中運河(劉老澗閘皂河閘段的劉老澗閘上斷面)以及淮沭河沭陽閘上(由沭陽閘上生態(tài)控制水深推求的總六塘河與淮沭河交界斷面處水位)的生態(tài)水位值確定，而中游段的生態(tài)水位閾值的計算則選用復隆站監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。

2.2 中游段河道生態(tài)水位計算與確定

生態(tài)流量的基本保護措施是盡可能維持河流的天然流態(tài)，所以可通過河流水文變化指標和生態(tài)流量滿足率等多種方式來判斷河流的健康程度[5-6]。河流生態(tài)流量(水位)的常用計算方法有水文學法、水力學法、棲息地模擬法、整體法等。Richter等[7]提出根據(jù)不同水文變化指標判斷水文變化特征的RVA法，該方法根據(jù)5種不同的水文情勢基本特征，將33個水文參數(shù)劃分為綜合流量、時間、頻率、延時和改變率5個方面，從不同角度評價河流的水文情勢改變程度。同時在該法的基礎上，延伸出多種定量評價河流水文情勢變化方法，如DHRAM[8]法，直方圖匹配法(HMA)等[9]。Jiang等[10]根據(jù)宜昌、漢口、大通等長江干流的7個水文站1980—2012年的觀測數(shù)據(jù)，用RVA方法評估了三峽大壩對長江中下游水情的影響，得出通過水庫調(diào)蓄作用對徑流變化率和年極端流量的影響較大的結(jié)論，且距離三峽大壩越遠，影響程度就越弱。顧西輝等[11]基于IHA 指標計算的整體水文改變度和DHRAM法評價東江流域受水庫影響后河流水文過程的總體改變程度，其研究結(jié)果表明東江流域重要水文站的總體改變度超過50%，DHRAM 評價也在中等影響以上。Ma等[12]提出一種基于生態(tài)流量閾值的河流水文健康評價方法，分析了生態(tài)流量維護對河流健康狀況保障的基礎作用。黃廣勇等[13]用最低生存水深、60%濕周率、90%保證率年最低水位等分析了鹽城市主要河道水文控制斷面的生態(tài)水位。

蘇北平原河網(wǎng)區(qū)河流具有河面平靜，河道內(nèi)流量、流速較小，河流水動力普遍較弱等典型特征，由于各地區(qū)河流流域各具特點，匯集水區(qū)情況多復雜樣，加上研究區(qū)域內(nèi)許多河流的實時水文測驗數(shù)據(jù)有限，一般都無法選用傳統(tǒng)的河道生態(tài)流量計算方法，運用湖泊生態(tài)水位計算方法借以完成相關(guān)計算工作[14];同時考慮轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)河流生態(tài)流量計算方法中對流量的運用，利用洋河灘閘、復隆水文站的歷年的水位數(shù)據(jù)，來計算總六塘河的生態(tài)水位閾值。鑒于宿遷市域范圍內(nèi)河道水流特征，并借鑒相關(guān)平原河流生態(tài)水位(流量)分析文獻中有關(guān)計算方法，本文選用90%年最低水位、濕周法、最小月平均水位、生存最小水深4種方法重點對總六塘河中游段的控制斷面生態(tài)水位進行分析。

2.2.190%年最低水位法

代表頻率最低水位法是對長系列逐日平均水位經(jīng)驗點據(jù)進行配線。通過對中游段的復隆水文站水文資料的三性審查，現(xiàn)選擇該水文站2013年4月至2020年9月的逐日水位系列資料進行分析，通過計算對應經(jīng)驗頻率并觀察吻合程度，選取相應保證率對應水位。其中計算經(jīng)驗頻率見式(1)：

(1)

式中m——月平均水位排列序數(shù);n——樣本容量。

另外配線法需要選定CS、CV和頻率P，并利用式(2)：

(2)

式中Kp——模比系數(shù)；Xp——經(jīng)驗點據(jù)對應值。

根據(jù)總六塘河上布設的水文站水文資料與總六塘河的分段情況，用90%頻率年最低水位對復隆控制斷面的生態(tài)水位進行分析，結(jié)果見表1。

護理干預完成之后，對兩組患者VAS疼痛度評分比較，觀察組患者的疼痛度顯著低于對照組，患者舒適度情況更高，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表2。

表1 復隆站90%保證率最低水位計算結(jié)果

由繪制的水位頻率曲線分析，在最佳擬合條件下，經(jīng)驗點據(jù)大部分落在理論頻率曲線上，擬合度高達0.984 3，因此，復隆水文站斷面的90%頻率水位為8.96 m。

2.2.2濕周法

根據(jù)前述復核審查后的復隆水文站實測斷面圖及日水位監(jiān)測資料，首先計算出水深，并乘以邊坡系數(shù)得到坡寬，計算時應注意該斷面為復式斷面，不同水位對應的水深情況下，邊坡系數(shù)有所不同，因此需要分部計算。接著利用直角三角形邊長公式計算得到邊坡長度，最后加上坡底寬度就能計算出該水位對應的濕周。河道的濕周-流量數(shù)量關(guān)系可通過曼寧公式來計算：

(3)

式中Q——斷面瞬時流量，m3/s;n——粗糙系數(shù);S——河道比降;P——濕周，m;A——過水斷面面積，m2。

以90%年最低水位法所用復隆水文站相同水位系列資料進行分析，將計算得出的濕周數(shù)據(jù)與水位監(jiān)測數(shù)據(jù)對應起來，描繪關(guān)系曲線，該濕周-水位關(guān)系曲線上的拐點為(115.76，11.69)，所以濕周為115.76 m時對應的水位即為，所求生態(tài)水位為11.69 m。圖2為計算分析得出的總六塘河復隆斷面濕周—水位關(guān)系曲線。

圖2 總六塘河復隆斷面濕周-水位關(guān)系

2.2.3最小月平均水位法

(4)

最小月平均水位法顧名思義，即以最小月平均實測水位的多年平均值作為河流的基本生態(tài)水位，據(jù)復隆水位監(jiān)測斷面資料顯示，最小月平均水位為2013年4月的8.73 m，最大月平均水位為2017年12月的9.08 m，兩者水位相差0.35 m。

生存最小水深法將水生生物適應的水力生境作為確定合適的水位(流量)的根據(jù)，并在以水深作為生境參數(shù)指標時，選用魚類體長的2～3倍作為最小生存水深?？偭梁优c駱馬湖相通，參考駱馬湖水域其中魚類37科148種及其本區(qū)域多年魚獲實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，總六塘河成年魚大多體長在0.3 m左右，根據(jù)《水電水利建設項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設施環(huán)境影響評價技術(shù)指南》〔環(huán)評函(2006)4號，由國家環(huán)境保護總局辦公廳，2006年〕以及魚道相關(guān)研究成果，最終將生存最小水深定為0.9 m。將復隆斷面河底高程6.22～6.66 m與生存最小水深加和得最低生存水位7.12～7.56 m。

2.2.5中游段生態(tài)水位閾值確定

針對總六塘河中游段，比照上述4種生態(tài)水位計算方法所得計算成果(表2)，復隆站斷面的計算生態(tài)水位從低到高依次為：生存最小水位法、最小月平均水位法、90%年最低水位法、濕周法。生存最小水深法計算所得水位偏低，低于控制斷面的歷史最低水位，而濕周法計算所得水位偏高;因月平均水位年際間相差較大，最小月平均水位易受到特殊情況的影響，在90%年最低水位法和最小月平均水位計算得到的生態(tài)水位較為接近的情況下，綜合考慮上述情況，選取90%年最低水位法計算成果(8.96 m)作為復隆控制斷面(中游段)的生態(tài)水位閾值。

表2 總六塘河生態(tài)水位計算成果

2.3 河道生態(tài)水位閾值確定

綜合前述生態(tài)水位相關(guān)確定原則和采用的計算方法成果，并結(jié)合江蘇省水利廳發(fā)布的《全省第一批河湖生態(tài)水位(試行)》中生態(tài)水位目標控制值，現(xiàn)確定總六塘河生態(tài)水位目標值(生態(tài)水位閾值)為：①上游段(洋河灘閘—六塘河閘)的生態(tài)水位閾值參照中運河劉老澗閘至皂河閘段生態(tài)水位值，為17.4 m;②中游段(六塘河閘—苗沖橡膠壩)的生態(tài)水位閾值以前述計算成果為基礎，取值為8.96 m;③下游段(苗沖橡膠壩—宿遷與淮安交界處或與淮沭河匯交處)的生態(tài)水位閾值，原則上應由淮沭河(沭陽閘上)生態(tài)水位值(7.5 m)相應的水深加總六塘河與淮沭河相交處附近的河道底部高程確定，但據(jù)資料分析，總六塘河下游段靠近淮沭河的河底高程一般在5.0 m左右，鑒于此，下游段河道生態(tài)水位閾值可取7.5 m。

3 總六塘河生態(tài)水位目標保障措施分析

3.1 河道生態(tài)水位(流量)管控須綜合運用工程性與非工程性措施

總六塘河生態(tài)水位(流量)管控目標的實現(xiàn)，必須采用工程性措施與非工程性措施相結(jié)合的策略。工程性措施更多地需要考慮河道水文、氣象、水資源開發(fā)利用狀況、水利工程建設等實際情況，因地制宜地規(guī)劃設計相關(guān)工程項目，但主要應包括河道疏浚整治工程、生態(tài)功能區(qū)建設工程、水資源配置與河道水量調(diào)控工程、河湖水系連通工程、生態(tài)植被維護與水土保持工程、河道生態(tài)調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)工程等。非工程性措施可以主要從嚴格依法依規(guī)調(diào)度河道水量、健全河流聯(lián)通聯(lián)控聯(lián)調(diào)體系、建立健全供用水補償機制、加強建設區(qū)域及部門溝通協(xié)調(diào)機制、加強江河生態(tài)流量落實監(jiān)督考核、加強河道取用水許可監(jiān)督管理等方面加以考慮和制定。

3.2 構(gòu)建完善可行的生態(tài)流量管控制度

在現(xiàn)有水資源管理與水生態(tài)管護機制條件下，構(gòu)建包含目標需求層、信息基礎層、決策支撐層和核心制度層等內(nèi)容的生態(tài)流量管控制度體系是客觀必要的。目標需求層是指生態(tài)流量管控要素(管控主體、目標、措施等);生態(tài)流量管控基礎層應主要包括法律法規(guī)、指標體系、標準規(guī)范等;決策支撐層是指水資源有償使用制度、水生態(tài)補償制度等制度體系，它們在生態(tài)流量管控工作中發(fā)揮決策支撐作用;核心制度層的構(gòu)建則應以目標需求為導向，堅持始終將制度保障貫穿生態(tài)流量管控工作全過程的原則[15]。

3.3 建立河道生態(tài)流量保障長效機制

努力建成宿遷市域內(nèi)主要河湖生態(tài)流量現(xiàn)代化管控系統(tǒng)，實時掌握河道主要控制斷面生態(tài)流量保障情況，切實保護河流生態(tài)健康。強化生態(tài)文明與河湖生態(tài)流量(水位)保障意識，要求市、縣(區(qū))各級水行政主管部門高度重視河湖生態(tài)流量保障工作，明確河湖生態(tài)流量管控的目標任務、責任主體、工作措施、責任人，切實解決制約人民享受優(yōu)美環(huán)境的難點。按照國家、省、市有關(guān)要求，盡快出臺關(guān)于科學合理開發(fā)河湖水資源、水環(huán)境方面的指導意見，在取水許可審批、環(huán)評審批、水生生物影響分析方面均對水利水電項目的生態(tài)流量(水位)或最小下泄流量提出了要求。以此建立河湖生態(tài)流量保障長效機制[15]，以確保河湖生態(tài)流量得到有效管控。

3.4 加快生態(tài)流量和取水量信息監(jiān)測系統(tǒng)與生態(tài)水位目標保障預警系統(tǒng)建設

緊密配合江蘇省水資源調(diào)度管理信息系統(tǒng)建設，在國家水資源監(jiān)控平臺框架下，盡快建設宿遷市河湖生態(tài)流量(水位)在線監(jiān)測設施，將河湖生態(tài)流量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)接入監(jiān)控平臺，動態(tài)掌握市域范圍內(nèi)主要水體的生態(tài)流量(水位)保障情況，為建立健全生態(tài)流量監(jiān)測預警機制奠定良好基礎。根據(jù)宿遷市水資源綜合規(guī)劃及配置調(diào)度方案成果，及《宿遷市生態(tài)河湖行動計劃(2018—2020年)》等文件要求，切實執(zhí)行宿遷市域河湖生態(tài)流量調(diào)度策略。首先啟動枯水期河道生態(tài)流量(水位)全面監(jiān)測，進一步完善河道水文監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;積極配合國家水資源監(jiān)控能力建設項目實施計劃，擴大農(nóng)業(yè)、工業(yè)、自來水廠取水量在線監(jiān)測范圍，提高河道外各行業(yè)取水量以及河道相交支流的分水在線監(jiān)測比例，以提高全市水資源安全保障水平。

構(gòu)建基于實時水文監(jiān)測數(shù)據(jù)與生態(tài)流量(水位)閾值的河道生態(tài)目標保障預警系統(tǒng)，預警方案可根據(jù)事件發(fā)生概率分為常規(guī)狀態(tài)、特殊狀態(tài)下的對應方案[16]。根據(jù)生態(tài)水位的實時監(jiān)測與構(gòu)建的預警系統(tǒng)及其河道生態(tài)水位狀態(tài)保障預警方案，可設計預警系統(tǒng)發(fā)出低級預警信號、中級預警信號和高級預警信號，并針對不同警度等級，適時采取應對策略。當面臨極端干旱年、大型水利設施運行故障或水體嚴重污染等情況的特殊預警狀態(tài)時，由于此時供水嚴重不足，生態(tài)系統(tǒng)可能受到不可逆轉(zhuǎn)的影響，則水主管部門及授權(quán)機構(gòu)應組織實施應急調(diào)度，合理安排用水計劃，確?？刂茢嗝媪髁糠弦?guī)定的控制指標。

3.5 加強河湖生態(tài)流量(水位)落實情況監(jiān)督考核

加強考核是推動工作的有效方法。按照國家和省級水資源考核要求，將河湖生態(tài)流量管控納入最嚴格水資源管理制度和河(湖)長制雙重考核范疇，督促縣(區(qū))政府及水主管部門切實履行河湖生態(tài)流量(水位)管控職責。通過嚴謹規(guī)范的水利綜合督導制度，加強監(jiān)督檢查，并以“一縣(區(qū))一單”方式將突出問題反饋給相關(guān)地方政府和部門。同時，加強河湖生態(tài)流量(水位)監(jiān)測結(jié)果運用，按照約談、通報、問責等不同整改等級予以督辦，確保各責任單位嚴格落實生態(tài)流量(水位)管控要求。

3.6 探索水生態(tài)空間確權(quán)工作以保障河道生態(tài)流量管控目標實現(xiàn)

《自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記暫行辦法》規(guī)定，以水流作為獨立自然資源登記單元的，依據(jù)全國國土調(diào)查成果和水資源專項調(diào)查成果，以河流、湖泊管理范圍為基礎，結(jié)合堤防、水域岸線劃定登記單元[17]。并且由于該項工作性質(zhì)，應建立政府主導、部門協(xié)同的工作機制，系統(tǒng)構(gòu)建河流、湖泊管理范圍劃定標準以推進河流、湖泊管理范圍的劃定工作。水生態(tài)空間確權(quán)工作可以保障河道生態(tài)流量管控目標的有效實現(xiàn)，作為地市一級的宿遷，如能扎實推進水域、岸線等水生態(tài)空間確權(quán)探索工作，不失為一種先行先試的超前努力。

4 結(jié)論

針對平原河網(wǎng)區(qū)河流的水文屬性、水動力特征以及可獲得的水文實測資料條件等，采取90%年最低水位法、濕周法、最小月平均水位法、生存最小水深法等4種方法從不同角度分別計算了研究區(qū)河流的生態(tài)水位閾值，并根據(jù)計算結(jié)果與實際水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、河流生態(tài)需水日常狀態(tài)、河流生態(tài)目標管控運行情況等資料的對比分析，綜合選擇出可用于研究河流生態(tài)流量(水位)實際管控過程的更適宜、更合理的生態(tài)水位目標值。從構(gòu)建完善可行的生態(tài)流量管控制度、建立河道生態(tài)流量保障長效機制、加快生態(tài)流量和取水量信息監(jiān)測系統(tǒng)與生態(tài)水位目標保障預警系統(tǒng)建設、加強河湖生態(tài)流量(水位)落實情況監(jiān)督考核等方面分析了河流生態(tài)水位(流量)目標保障的具體措施。文中所采用的結(jié)合多種河流生態(tài)流量(水位)計算規(guī)則的綜合確定法，對一般具有相對完善的長系列水位資料的平原河網(wǎng)區(qū)河流生態(tài)需水量計算及其保障體系構(gòu)建具有參考意義;但如何結(jié)合考慮不同河段物理特征、水生生物種類及其目標物種需求、分段河流水量水質(zhì)管理以及生態(tài)流量-水位內(nèi)涵關(guān)系轉(zhuǎn)化、水文過程不確定性等多因素的平原河流生態(tài)流量(水位)計算分析方法還有待進一步探索。