閆少鋒，熊 瑤，吳可怡，劉 昱，李芊芊，張 翔

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，430070，武漢；2.長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，430010，武漢；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072，武漢；4.武漢大學(xué)海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072，武漢）

保障河湖生態(tài)流量，事關(guān)江河湖泊健康，事關(guān)生態(tài)文明建設(shè)，事關(guān)高質(zhì)量發(fā)展。生態(tài)流量在水資源管理和生態(tài)文明建設(shè)中占據(jù)重要地位，研究生態(tài)流量理論和確定方法對(duì)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)具有重要的科學(xué)意義。實(shí)現(xiàn)“還給老百姓清水綠岸、魚翔淺底的景象”目標(biāo)的重要前提，是持續(xù)保障與河湖生態(tài)保護(hù)要求相適應(yīng)的水文條件，全面做好河湖生態(tài)流量確定與保障。2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，明確提出：“科學(xué)確定生態(tài)流量”，“維持河湖生態(tài)用水需求，重點(diǎn)保障枯水期生態(tài)基流”。2021年3月1日起施行的長(zhǎng)江保護(hù)法明確規(guī)定：“建立健全長(zhǎng)江流域水環(huán)境質(zhì)量和污染物排放、生態(tài)環(huán)境修復(fù)、水資源節(jié)約集約利用、生態(tài)流量、生物多樣性保護(hù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、防災(zāi)減災(zāi)等標(biāo)準(zhǔn)體系”，“提出長(zhǎng)江干流、重要支流和重要湖泊控制斷面的生態(tài)流量管控指標(biāo)”。水利部2023年水資源管理工作要點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)河湖生態(tài)流量保障工作，逐級(jí)建立健全生態(tài)流量管理責(zé)任體系，壓實(shí)生態(tài)流量監(jiān)管責(zé)任。2023年3月，《長(zhǎng)江流域控制性水工程聯(lián)合調(diào)度管理辦法（試行）》正式施行，要求長(zhǎng)江流域控制性水工程實(shí)施水資源調(diào)度，應(yīng)保障基本生態(tài)用水。2024年1月，《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)美麗中國(guó)建設(shè)的意見》要求建立河湖水生態(tài)考核機(jī)制，強(qiáng)化水資源統(tǒng)一調(diào)度，保障河湖生態(tài)流量。

平原河網(wǎng)區(qū)通常為居住人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速的地區(qū)，區(qū)域地形平坦，河流流速平緩。近年，受氣候變化、人為活動(dòng)干擾以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響，平原河網(wǎng)區(qū)水量減少、水質(zhì)惡化、水生態(tài)退化等問(wèn)題突出，河網(wǎng)水功能受到嚴(yán)重?fù)p害，影響了區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)健康。當(dāng)前，盡管已有對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量計(jì)算的相關(guān)研究，但是適合平原河網(wǎng)區(qū)地勢(shì)平坦、水動(dòng)力條件弱、水質(zhì)較差、閘壩等人工調(diào)節(jié)措施較多等復(fù)雜條件的生態(tài)流量計(jì)算方法尚不成熟。本文以湖北省江漢平原典型平原河網(wǎng)區(qū)為研究對(duì)象，開展平原河網(wǎng)區(qū)河流生態(tài)流量閾值研究，從河流基本生態(tài)保障、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的綜合需求進(jìn)行考慮，對(duì)河流的年尺度、月尺度以及典型時(shí)段的生態(tài)流量進(jìn)行研究，以期為平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量閾值計(jì)算提供借鑒。

一、平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量研究進(jìn)展與內(nèi)涵

我國(guó)生態(tài)流量的研究起源可以追溯至國(guó)外在20世紀(jì)70年代提出的環(huán)境流（Environmental Flow）。在多種環(huán)境流量的定義中，受水文情勢(shì)變化影響的因素除了河湖生態(tài)系統(tǒng)以外，還涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水、景觀美學(xué)價(jià)值、文化特征等多種因素。國(guó)內(nèi)常用的另一個(gè)名詞是生態(tài)環(huán)境需水，豐華麗、楊志峰等指出生態(tài)環(huán)境需水是保證某種生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本功能、生態(tài)服務(wù)功能和特殊功能完整性所需要的一定質(zhì)量的水量，基本含義與生態(tài)流量、環(huán)境流相近。以國(guó)務(wù)院頒布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》要求“科學(xué)確定生態(tài)流量”為起點(diǎn)，我國(guó)對(duì)生態(tài)流量概念內(nèi)涵進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)與系統(tǒng)研究；以2020年水利部頒布《水利部關(guān)于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導(dǎo)意見》為標(biāo)志，生態(tài)流量成為水資源管理與河湖生態(tài)保護(hù)治理的重要內(nèi)容。

盡管生態(tài)流量計(jì)算理論、方法已相對(duì)成熟，但大部分生態(tài)流量研究主要針對(duì)歷史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，或者基于某一方面的流量需求開展研究，缺乏針對(duì)目前水資源主要問(wèn)題開展的綜合性生態(tài)流量研究，平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量研究尤其不足，計(jì)算方法不成熟。張金池認(rèn)為河網(wǎng)生態(tài)環(huán)境需水量是在特定的時(shí)間和空間為滿足特定服務(wù)目標(biāo)的變量，它是能夠在特定水平下滿足河網(wǎng)系統(tǒng)諸項(xiàng)生態(tài)環(huán)境功能所需水量的總稱。劉洪財(cái)、方萍針對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量難以確定的問(wèn)題開展研究，并提出以水位作為生態(tài)水量表征河流生態(tài)流量的建議。李大勇認(rèn)為平原河網(wǎng)系統(tǒng)中水環(huán)境問(wèn)題相對(duì)突出，河流的生態(tài)流量更側(cè)重于環(huán)境需水，即保護(hù)和改善河網(wǎng)區(qū)人類居住環(huán)境及保證其水環(huán)境所需要的水量。

本文認(rèn)為，平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量應(yīng)為“多樣化、動(dòng)態(tài)化以及非理想化”的需水過(guò)程，其計(jì)算應(yīng)從整體河網(wǎng)角度出發(fā)，綜合考慮自然與社會(huì)屬性、時(shí)間與空間需求、水質(zhì)與水量一致性以及理論與實(shí)踐差異等因素。以湖北省江漢平原河網(wǎng)區(qū)作為研究對(duì)象，基于不同時(shí)空條件下的河流生態(tài)定位、保護(hù)對(duì)象，研究適用于平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量的綜合計(jì)算方法。

二、湖北省典型平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量研究

1.研究區(qū)域及主要保護(hù)目標(biāo)

（1）研究區(qū)域

江漢平原位于湖北省中南部，由長(zhǎng)江與漢江沖積而成，因其地跨長(zhǎng)江和漢江而得名，是我國(guó)三大平原之一的長(zhǎng)江中下游平原的重要組成部分。江漢平原為海拔高程50 m 以下區(qū)域，面積約4.69 萬(wàn)km2，區(qū)域內(nèi)河渠縱橫交錯(cuò)、湖泊星羅棋布，主要河渠有長(zhǎng)江、漢江、府澴河、漢北河、天門河等。江漢平原地勢(shì)低平、城市密布、人口集中，是湖北省政治、經(jīng)濟(jì)、文化核心區(qū)域，以占湖北省40%的土地面積，承載了近64%的人口，創(chuàng)造了約70%的經(jīng)濟(jì)總量，對(duì)支撐湖北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大作用。

湖北省“一江三河”區(qū)域位于江漢平原腹地，“一江”指漢江，“三河”指漢北河、天門河和府澴河，屬于江漢平原地區(qū)典型的平原河網(wǎng)流域。河網(wǎng)內(nèi)，漢江水一部分通過(guò)羅漢寺閘分水進(jìn)入天北干渠，而后進(jìn)入漢北河、天門河，最終再通過(guò)新溝閘等進(jìn)入漢江；另一部分則下行進(jìn)入漢江下游河道。府澴河與漢北河相連通，最終匯入長(zhǎng)江，形成了江漢平原的連通河網(wǎng)?！耙唤印眳^(qū)域是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的交匯區(qū)域，是湖北經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源短缺和水生態(tài)環(huán)境惡化成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。同時(shí)，漢江分布有鐘祥段鳡鳤鯮魚國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、沙洋段長(zhǎng)吻鮠瓦氏黃顙魚國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、潛江段和漢川段四大家魚國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，漢北河、天門河為四大家魚棲息地，因此開展“一江三河”區(qū)域的生態(tài)流量研究對(duì)保護(hù)平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)具有重要意義。江漢平原、“一江三河”區(qū)域水系及主要物種保護(hù)區(qū)分布情況如圖1、圖2 所示。

圖1 江漢平原區(qū)域水系情況

（2）區(qū)域保護(hù)目標(biāo)及斷面選取

基于“一江三河”地區(qū)的水文水資源特性、水環(huán)境情況、河道外用水需求以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求等，綜合考慮不同河流、河段生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，選定代表性控制斷面開展江漢平原河網(wǎng)生態(tài)流量閾值研究。

漢江是沿線城市的重要水源地，分布有多個(gè)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，且興隆水利樞紐附近為水華發(fā)生重點(diǎn)江段，其主要生態(tài)定位為保證水源供給、防止水華事件發(fā)生以及保護(hù)魚類棲息地，選擇興隆水利樞紐以下的潛江、漢川斷面開展生態(tài)流量研究；漢北河分布有重要經(jīng)濟(jì)魚類，其主要生態(tài)定位為四大家魚棲息地，選擇黃潭、沿湖、東羅村斷面開展生態(tài)流量研究；天門河穿市區(qū)而過(guò)，水環(huán)境受人類活動(dòng)影響較大，其主要生態(tài)定位為改善河流水質(zhì)、保證良好的人居環(huán)境，選擇凈潭、北支、南支斷面開展生態(tài)流量研究；府澴河主要考慮保證河流基本生境，選擇臥龍?zhí)稊嗝骈_展生態(tài)流量研究。綜上所述，選擇河網(wǎng)內(nèi)不同河流的9 個(gè)控制斷面開展生態(tài)流量研究，詳見表1。

表1 “一江三河”河流控制斷面生態(tài)保護(hù)對(duì)象及生態(tài)需求

2.“一江三河”生態(tài)流量閾值研究

基于表1 不同河流、不同斷面的生態(tài)功能定位以及保護(hù)對(duì)象，確定江漢平原河網(wǎng)不同河流的生態(tài)用水需求，開展生態(tài)流量閾值研究。

（1）漢江生態(tài)流量閾值研究

①基本生態(tài)流量

漢江擔(dān)負(fù)著沿線城市居民生活、農(nóng)業(yè)灌溉以及工業(yè)發(fā)展用水等方面的需求，同時(shí)還包括漢江干流河道基本生態(tài)以及航運(yùn)用水需求。綜合以上，考慮漢江沿線用補(bǔ)水、退水等因素，確定漢江基本生態(tài)流量。

以興隆水利樞紐以下的潛江、漢川斷面為例，分析計(jì)算潛江市、天門市、仙桃市、孝感市、武漢市等城市用水、退水，漢北河、天門河等支流的匯入與流出，計(jì)算漢江干流典型斷面的生態(tài)流量，其中潛江段生態(tài)流量年平均值667 m3/s，漢川段554 m3/s。

②特殊生境所需生態(tài)流量

漢江水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)保護(hù)對(duì)象主要為黃顙魚、鳡鳤鯮魚、四大家魚等。黃顙魚、鳡鳤鯮魚為產(chǎn)黏性卵魚類，調(diào)節(jié)河流水動(dòng)力條件對(duì)其影響不大。流速是四大家魚繁殖行為的主要控制因子，可通過(guò)調(diào)節(jié)流量保障四大家魚產(chǎn)卵期自然繁殖行為。因此，本研究選擇處于四大家魚種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)內(nèi)的潛江和漢川斷面作為目標(biāo)斷面，以四大家魚為目標(biāo)魚類。據(jù)研究，區(qū)域內(nèi)主要魚類產(chǎn)卵期為4—7月，喜愛流速及極限流速如表2所示。

表2 研究區(qū)四大家魚的喜愛流速與極限流速

室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)及野外實(shí)地觀測(cè)綜合結(jié)果表明，四大家魚產(chǎn)卵存在觸發(fā)流速、適宜流速，其中產(chǎn)卵觸發(fā)流速為1.11～1.49 m/s，產(chǎn)卵適宜流速為1.40～1.60 m/s，所以滿足產(chǎn)卵適宜流速時(shí)即可以滿足其他產(chǎn)卵事件的要求。

本研究以近年漢江相關(guān)水文站點(diǎn)的逐日流量、水位數(shù)據(jù)構(gòu)建水動(dòng)力模型，以漢江興隆水利樞紐下泄流量數(shù)據(jù)為上邊界條件，漢江下游新溝閘等閘站水位數(shù)據(jù)為下邊界條件。通過(guò)建立的二維水動(dòng)力模型設(shè)計(jì)不同的流速梯度作為輸入，得到潛江江段和漢川江段流速，直到滿足流速在1.40～1.60 m/s 為止，根據(jù)研究斷面地形，建立流速-流量關(guān)系，推求滿足適宜流速相應(yīng)的生態(tài)流量，結(jié)果如表3所示。

表3 基于四大家魚產(chǎn)卵流速的生態(tài)流量 單位：m3/s

③水華控制所需生態(tài)流量

調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，漢江中下游在冬春季和夏季均有水華發(fā)生，冬春季水華以硅藻為優(yōu)勢(shì)種，主要發(fā)生在興隆水利樞紐上下游附近；夏季以藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)種，主要發(fā)生在襄陽(yáng)斷面。漢江夏季水華雖有發(fā)生，但是由于河道流速較大，藻類未發(fā)生沿程累積，水華的生態(tài)后果不顯著；冬春季河道流速較小，水華在局部河段停留時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生沿程的累積疊加，因此冬春季的漢江水華是需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)漢江春季硅藻水華暴發(fā)的原因開展了大量研究，主要影響因素包括營(yíng)養(yǎng)鹽條件、水文水動(dòng)力條件以及氣象條件等。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，水華發(fā)生年份的流量、流速均值絕大部分小于同期未發(fā)生水華年份的均值，即在漢江枯水期流量減小、水位降低、流速減緩的條件下易發(fā)生水華。

研究漢江流域水華暴發(fā)時(shí)流速的大小發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速處于0.4～0.6 m/s 時(shí)，藻類生長(zhǎng)受到抑制，參考斷面實(shí)際情況確定藻類抑制流速為0.5 m/s，與斷面面積相乘得到滿足水質(zhì)條件的流量，結(jié)果如表4所示。

表4 冬春季基于水華控制的各斷面生態(tài)環(huán)境需水量閾值 單位：m3/s

（2）“三河”生態(tài)流量閾值研究

①基本生態(tài)流量

漢北河、天門河和府澴河等河流在一定程度上負(fù)責(zé)沿線的灌溉等用水，水源地功能相對(duì)較弱，基本生態(tài)流量主要考慮其歷史流量，通過(guò)水文法確定其生態(tài)流量閾值?；诖?，利用Qp法、Tennant法等水文方法計(jì)算，對(duì)于無(wú)水文資料地區(qū)，采用濕周法進(jìn)行計(jì)算，“三河”地區(qū)各河流的生態(tài)流量閾值如表5所示。

表5 “三河”不同控制斷面基本生態(tài)流量 單位：m3/s

②特殊生境所需生態(tài)流量

調(diào)查顯示，“三河”地區(qū)同樣分布有四大家魚，其中以漢北河為主，因此以漢北河為研究對(duì)象，考慮四大家魚生存需求，開展特殊生境生態(tài)流量計(jì)算。

基于天門水文站的水文數(shù)據(jù)以及河道斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)關(guān)鍵斷面的水位、徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，確定關(guān)鍵斷面的水位、流量關(guān)系，分析四大家魚不同生長(zhǎng)期對(duì)生態(tài)流量的需求，計(jì)算適宜生態(tài)流量，詳見表6。

表6 四大家魚各時(shí)期生態(tài)流量組合

③水環(huán)境保護(hù)所需生態(tài)流量

根據(jù)“湖北省水功能區(qū)劃”，河流水質(zhì)按功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)控制，基于各河段的水質(zhì)目標(biāo)與污染物控制濃度以及河流水量信息，計(jì)算目標(biāo)控制水平下的河流污染物量。如表7所示，“三河”流域不同河流斷面分別對(duì)應(yīng)不同的水質(zhì)目標(biāo)。

表7 目標(biāo)控制水平下“三河”流域主要河流水質(zhì)目標(biāo)

利用MIKE軟件，建立河網(wǎng)水動(dòng)力與水質(zhì)模型，并利用實(shí)測(cè)水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)完成模型率定。確定模型參數(shù)后，利用河流現(xiàn)狀污染物入流情況確定河網(wǎng)現(xiàn)狀污染情況，結(jié)合河網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)目標(biāo)，計(jì)算河網(wǎng)水環(huán)境改善所需生態(tài)流量。計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 “三河”水環(huán)境改善所需生態(tài)流量

3.河網(wǎng)生態(tài)流量閾值確定

綜上所述，考慮江漢平原河網(wǎng)內(nèi)不同河流的生態(tài)功能定位、保護(hù)對(duì)象等因素，從基本生態(tài)、特殊生境以及水環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行生態(tài)流量閾值計(jì)算，得到不同生態(tài)需求情況下的生態(tài)流量閾值范圍，其中較低、較高閾值結(jié)果分別作為生態(tài)流量閾值的下限、上限。以“一江三河”為例，控制斷面的基本生態(tài)流量閾值相對(duì)較低，宜作為相應(yīng)下限生態(tài)流量閾值；水環(huán)境保護(hù)、特殊生境保護(hù)所需生態(tài)流量閾值多數(shù)情況相對(duì)較高，宜作為上限生態(tài)流量閾值，在實(shí)際操作過(guò)程中針對(duì)實(shí)際情況分析確定。

以上生態(tài)流量閾值研究從整體河網(wǎng)角度考慮了不同河流生態(tài)定位與保護(hù)對(duì)象，為多樣化、動(dòng)態(tài)化的需水過(guò)程，且考慮了水資源的自然社會(huì)屬性、時(shí)空需求、水量水質(zhì)一致性等因素，結(jié)果與實(shí)際相符，對(duì)河流管理具有借鑒意義。

三、思考與建議

平原河網(wǎng)區(qū)通常水系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、河渠縱橫交錯(cuò)，河流之間相互影響明顯，同時(shí)還具有地勢(shì)平坦、人類活動(dòng)影響強(qiáng)度高等特點(diǎn)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)河流流速小、流向隨機(jī)不定、水生態(tài)環(huán)境條件較差。因此從整體河網(wǎng)角度綜合多因素計(jì)算河流生態(tài)流量閾值更具生態(tài)意義，對(duì)整體河網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境改善具有積極作用。

針對(duì)當(dāng)前平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量閾值確定存在的問(wèn)題，提出如下建議：平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量閾值的確定宜考慮河流的生態(tài)需求及保護(hù)對(duì)象，基于水文、水生態(tài)環(huán)境等方面所需的生態(tài)流量，確定多樣化、動(dòng)態(tài)化的需水過(guò)程，并對(duì)需水過(guò)程開展適宜性分析，確定綜合條件下的生態(tài)流量閾值；平原河網(wǎng)區(qū)生態(tài)流量閾值計(jì)算宜避免將單一化、靜態(tài)化的計(jì)算規(guī)則應(yīng)用于河網(wǎng)內(nèi)的所有河流，應(yīng)從河網(wǎng)、河流特有生態(tài)功能定位出發(fā)，采用“一河一策”的生態(tài)保護(hù)策略，對(duì)不同河流采用針對(duì)性的計(jì)算方法，確定更具適宜性的生態(tài)流量閾值。