水利水运工程学报杂志投稿格式参考范文：融合鱼类生境及航运的河流多目标生态流量研究

　　引言

　　河流生态系统是地球生态系统必不可少的组成部分，健康的河流生态系统不仅有利于维护自然生态平衡和生物多样性，也关乎人类的生存和发展。近年来，受气候变化和人类活动的影响，河流水量短缺、水质污染等问题日益凸显，水生生物栖息地及生物多样性遭到破坏，河流生态系统健康受到严重威胁，水资源开发利用与生态保护之间的矛盾日益加剧，严重制约了经济社会的可持续发展。小清河是山东省鲁中地区的重要河流，兼具防洪、航运、灌溉等功能，开发利用程度较高，对区域经济发展有着明显的带动作用，但流域水文情势也受人类活动的显著影响。因此，研究小清河的生态流量对河流生态系统恢复及区域经济社会可持续发展具有重要意义。

　　不同河流的生态系统结构和功能有所不同，同一条河流的生态需求在不同河段或季节也会发生变化，水资源条件和开发利用需求亦有差异。因此，在制定生态流量时应考虑地域性与时效性。目前，相对成熟的生态流量计算方法有四类：水文学方法、水力学方法、生境模拟法和整体分析法。水文学方法以径流资料为基础，简单易行，应用广泛，但通常缺乏生态有效性;水力学方法通过河道断面的水力参数确定满足河道生态功能所需的流量，考虑了河床形状和生物栖息地需求，但通常不适用于河床形状不稳定的河流，无法体现河流季节性变化，近几年来应用较少;整体分析法从生态系统整体出发，涉及水文、地质、生态、社会经济等多学科，计算精度高，但所需资料繁琐，计算过程复杂，推广应用存在困难。

　　生境模拟法通过量化生物栖息地和流量之间的关系确定适宜水生生物生存的流量，直观可靠，且更能体现河流生态系统的需求。鱼类是水生态系统生物群落中的顶级物种，故本研究根据小清河干流水文站分布，选取黄台桥、岔河和石村水文站断面作为生态流量控制断面，利用生境模拟法探究考虑不同季节鱼类生境适宜性的生态流量，并与水文学方法进行对比，结合实测径流条件下两类方法的生态流量保证率及航运要求，求解小清河干流满足鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的生态流量。

　　1 材料与方法

　　小清河为山东省中部渤海水系河流，干流源起济南市泉群，沿途依次流经滨州市、淄博市、东营市和潍坊市，于寿光市羊口镇注入渤海，全长 237 km。小清河流域面积 10336 km²，属暖温带大陆性气候，四季分明，水文气象要素年内变化较大，1956—2021 年多年平均降水量为 642.2 mm，主要集中于汛期 6—9 月，约占全年的 73.4%;多年平均蒸发量 1289.9 mm，平均气温 13℃。根据河流水系特征，将小清河分为上、中、下游，由源头至魏桥水文站为上游，魏桥水文站至石村水文站为中游，石村水文站至河口为下游。

　　本研究水文数据包括：黄台桥水文站 1956—2019 年逐月天然径流量数据，2009—2014 年逐日实测水位、流量数据;岔河水文站 1956—2019 年逐月天然径流量数据，2013—2019 年逐日实测水位、流量数据;石村水文站 1956—1998、2010—2013 年逐日实测流量数据。河道地形数据为基于 2022 年小清河干流实测大断面成果图，对照天地图进行断面测点经纬度和高程提取，断面间距 1 km，弯道处进行加密处理，通过 ArcGIS 对提取出的测点进行坐标转换以获取投影坐标。

　　生境模拟法以生态水力学为基础，通过量化物种栖息地和流量之间的关系确定适合水生生物生存的流量，其中河道内流量增加法(instream flow incremental methodology，IFIM)通过水动力学模型模拟不同流量条件下河道内水动力因子分布，并根据目标物种对生境因子的适宜性计算栖息地加权可利用面积(weighted usable area，记为 AWU)，从而量化流量和 AWU 之间的关系来确定生态流量，具体可通过 PHABSIM 和 River2D 等模型实现。目前，生境模拟法大多选取鱼类作为目标物种，这是由于鱼类是水生态系统生物群落中的顶级物种，类群多样，种间关系复杂，对维持食物网结构与功能稳定及水生态系统平衡具有重要作用。

　　根据目标鱼种对不同生境因子的偏好性，通过 River2D 模型计算不同网格节点及关联区域上对应的流速、水深和河道指数的综合适宜性指数(Combined Suitability Index，ICS)。本文采用应用较广的乘积法计算 ICS。对不同生境因子的适宜性值进行组合加权得 AWU。

　　2 基于生境模拟法的生态流量计算

　　2.1 河段划分及模型构建

　　利用 River2D 模型对不同流量工况下河道栖息地环境进行模拟，故需要确定相应研究河段。小清河干流上的水文站仅有黄台桥站、岔河站与石村站具有长系列径流数据，分别作为上、中、下游代表水文站和生态流量控制断面。由此，依次选取黄台桥水文站至柴庄闸、岔河水文站至博兴水文站、石村水文站至王道闸等 3 个河段为研究对象，求解 3 个生态流量控制断面的生态流量。主要步骤如下：

　　(1)网格化地形 采用三角形网格对 3 个研究河段进行网格剖分，网格边长设置为 30 m，黄台桥水文站至柴庄闸河段共生成节点 18264 个，网格 34817 个，网格质量指数均大于 0.20(可接受范围为 [0.15, 0.50]);岔河水文站至博兴水文站河段共生成节点 20066 个，网格 35627 个，网格质量指数均大于 0.20;石村水文站至王道闸河段共生成节点 18725 个，网格 35627 个，网格质量指数为 0.20。

　　(2)边界条件 River2D 模型的边界条件包括入流断面流量和出流断面水位。3 个河段分别采用入流断面水文站实测流量数据作为入流边界条件，由于缺乏研究河段内支流河道地形及水文数据，故根据水文比拟法得到相应入流条件下的出流断面流量以考虑区间入流的影响，再由出流断面水位流量关系得到出流断面水位。

　　(3)参数设置 River2D 模型采用有效粗糙高度 Ks 代替曼宁系数 n。(4)模型验证 对比出流断面水位实测值与模拟值以验证模拟效果。3 个出流断面实测水位数据分别依据对应的入流断面黄台桥水文站(2015 年)、岔河水文站(2015 年)、石村水文站(2013 年)实测月平均流量经水文比拟法和水位流量关系推求。

　　由相关对比可见，3 个研究河段出口断面水位模拟值与实测值吻合度较高，为了更客观地反映二者的吻合程度，采用纳什效率系数和均方根误差作为验证指标。柴庄闸水位的纳什效率系数和均方根误差分别为 0.90 和 0.01 m，博兴水文站分别为 0.99 和 0.02 m，王道闸分别为 0.95 和 0.25 m。可见模型整体模拟效果良好，结果可靠。这表明所建立的小清河干流 3 个研究河段的水动力学模型结构和参数合理，可用于构建鱼类栖息地模型进行生态流量的研究。

　　2.2 鱼类的适宜性曲线

　　小清河水量和生态需求存在明显的季节差异，因此本研究根据生境调查结果，不同季节选取不同的鱼类指示物种。由相关数据可见，春夏秋三季中鲫的 IRI 均超过 1000，因此将鲫作为优势种。根据 IRI 值，春季选取泥鳅作为指示物种，根据季节差异性原则，夏季和秋季则应排除泥鳅，分别选择棒花鱼和麦穗鱼作为指示物种。根据生境调查并综合已有研究成果，构建鱼类指示物种的生境适宜性曲线。

　　2.3 生态流量的计算

　　River2D 模型采用 IFIM 量化上游入流量 Q 和河道内 AWU 之间的关系，因此，需要设置不同的流量工况进行水动力学模拟。为涵盖非汛期和汛期流量条件，本研究设置流量工况范围为 2~24 m³/s，间隔 2 m³/s，另包括 0.5 和 1.0 m³/s 两个小流量工况。

　　根据不同流量工况下鱼类栖息地模拟结果，绘制出 3 个河段的 Q-AWU 曲线。

　　4 种目标鱼类的 Q-AWU 曲线均呈现明显的先升后降趋势，这说明并不是流量越大越有利于鱼类生存。根据各曲线峰值，优势种鲫、泥鳅、棒花鱼和麦穗鱼的最适宜生态流量分别为 6、2、4 和 2 m³/s。冬季水资源紧张，采用优势种鲫的最适生态流量 6 m³/s 不合适，会造成较大的用水压力，且冬季鱼类除需要一定的水深满足越冬需求外，其他生存需求相对较低，因此建议采用春秋季生态流量 2 m³/s 作为冬季生态流量。

　　4 种目标鱼类的 Q-AWU 曲线波动较为明显，均呈现多个峰值。鲫鱼、泥鳅、麦穗鱼最大值均出现在第 1 个波峰，棒花鱼曲线最大值则出现在第 2 个波峰。根据各曲线峰值，优势种鲫、泥鳅、棒花鱼和麦穗鱼的最适宜生态流量分别为 2、2、12 和 2 m³/s。冬季仍以满足鱼类越冬需求为主，采用春秋季生态流量 2 m³/s 作为冬季生态流量，也最适于优势种鲫的生存。

　　4 种目标鱼类的 Q-AWU 曲线均呈现为单峰形式，且峰值对应的流量较大，这与该河段的河宽有较大关系。根据各曲线峰值，优势种鲫、泥鳅、棒花鱼和麦穗鱼的最适宜生态流量分别为 18、18、14 和 18 m³/s。冬季以满足鱼类越冬需求为主，采用 14 m³/s 作为冬季生态流量。综上，黄台桥、岔河、石村水文站断面生态流量计算结果如下：

　　季节方面，春季(3—5 月)目标鱼种为泥鳅时，黄台桥、岔河、石村不同站点断面生态流量分别为 2、2、18 m³/s;夏季(6—8 月)目标鱼种为棒花鱼时，对应流量分别为 4、12、14 m³/s;秋季(9—11 月)目标鱼种为麦穗鱼时，对应流量分别为 2、2、18 m³/s;冬季(12— 次年 2 月)无特定目标鱼种时，对应流量分别为 2、2、14 m³/s。注：优势种鲫在黄台桥、岔河、石村的生态流量分别为 6、2、18 m³/s。

　　3 多目标生态流量确定

　　3.1 水文学方法计算生态流量

　　采用 Tennant 法、NGPRP 法、Texas 法、最小月平均实测径流法和 90% 保证率最枯日平均流量法等 5 种水文学方法求解 3 个控制断面的生态流量，后两者采用日尺度实测流量序列，前三者采用月尺度天然流量序列，石村水文站缺少天然月尺度流量数据，故采用日尺度实测数据推算。相关研究发现小清河干流自 1997 年经过治理后，人类活动对河道内径流量的影响显著增强。但石村水文站日尺度实测流量序列集中在 1956—1998 年，受人类活动影响较小，可看作天然径流条件。

　　由相关结果可知，不同水文学方法计算结果差异明显，采用月尺度天然流量序列计算的生态流量远小于采用日尺度实测流量序列的计算结果。小清河是季节性河道，自然状态下径流量丰枯悬殊，但常年受到泉水、城市中水和农业灌溉尾水补给;为保持水质，小清河沿线几处大型水库也要保持一定的生态流量，因此导致了上述差异现象。在具有大量泉水补给的上游黄台桥站，差异最为明显。

　　大量研究已经表明，河流流量的变异性是维持其生态系统健康和生物多样性的核心。为筛选出适合小清河干流的水文学生态流量计算方法，对 5 种计算结果与 2006—2016 年天然月平均流量进行相关性分析。横向比较，Tennant 法、Texas 法、NGPRP 法计算结果与月平均流量均在 0.01 水平上显著相关，且相关程度依次减小，而其余两种方法相关性较差;纵向比较，从上游黄台桥水文站至下游石村水文站，日尺度实测流量序列计算出的生态流量结果与月平均流量的相关性越来越高，在一定程度上说明小清河干流从上游至下游，人类活动对流量的影响逐渐降低，流量对自然水文情势的影响逐渐增强。

　　基于以上分析，重点考虑与天然月平均流量相关性较强的 Tennant 法和 Texas 法。3 个控制断面中，Tennant 法计算结果均较 Texas 法计算结果偏大，根据站点的天然月平均流量数据，黄台桥水文站平均流量较小，岔河和石村水文站的平均流量均较大，故黄台桥站的生态流量采用 Texas 法计算结果，岔河和石村水文站生态流量采用 Tennant 法计算结果。

　　3.2 保证率分析及多目标生态流量的确定

　　小清河作为贯穿山东省中部工业走廊的内河水运大通道，已于 2023 年 6 月底实现全线通航，在考虑生态流量的同时，更要保证满足通航需求。根据山东省水利厅关于《山东省小清河水量调度方案 (试行)》的通知，小清河干流通航控制断面及通航下泄水量分别为：五龙堂桥 843 万 m³/ 月，金家堰枢纽 1789 万 m³/ 月，博兴水文站 1009 万 m³/ 月、石村水文站 1266 万 m³/ 月。受资料限制，本研究选取的生态流量断面与上述通航控制断面有所不同，故通过比拟和换算得到黄台桥、岔河、石村水文站 3 个生态流量断面的通航下泄流量分别为 0.52、6.90、4.88 m³/s。同时，对水文学方法和生境模拟法计算结果进行保证率分析，以对两种方法进行比选。

　　由相关保证率结果可知，实测径流条件下，对于黄台桥断面，水文学方法所得各月生态流量保证率均可达 100%，生境模拟法的生态流量保证率除 6、7、8 月份外也均可达到 100%，考虑到黄台桥断面水量较为丰富，建议采用生境模拟法计算结果。对于岔河水文站断面，除 6 月份外，两种方法生态流量保证率相差小于 20%，因此仍建议采用生境模拟法计算结果。石村水文站断面生境模拟法所得生态流量明显偏高，导致除 7、8 月份外，明显低于水文学方法生态流量保证率。石村水文站至王道闸河段位于小清河下游，河宽较大，丰富的流量更有利于满足鱼类栖息地需求，但也会造成沿岸较高的用水压力，因此建议 7、8 月份采用生境模拟法计算结果，其余月份则采用水文学方法计算结果。

　　小清河作为山东省内河航运 “黄金水道”，通航下泄流量需予以重点保证，因此将通航下泄流量作为下限流量;在鱼类生境适宜性生态流量高于通航流量、水量匮乏时，则通过水文学方法计算结果和通航流量比选，确定多目标生态流量;在水量较为丰富时，则以满足鱼类生境适宜性的流量作为多目标生态流量。基于这一思路，求得小清河干流兼顾生境适宜性、水文节律性及通航需求的多目标生态流量，并求得 3 个断面生态流量年平均保证率分别为 98.21%、83.77%、80.13%。但计算发现，岔河水文站 6 月份生态流量保证率仅有 34.21%，石村水文站 4、5 月份生态流量保证率不足 70%，明显低于平均水平，建议通过加强流域内水资源调度以及引黄灌溉尾水补给、南水北调补水等提高这一时期的生态流量保证率。

　　4 结论

　　本文采用生境模拟法求解了满足小清河干流鱼类生境适宜性的流量，并通过与水文学方法和通航流量需求进行对比分析，得到了兼顾鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的生态流量。主要结论如下：

　　(1) 采用生境模拟法计算小清河干流满足鱼类生境适宜性的生态流量，精确量化了小清河干流不同河段和季节的生态流量需求。

　　(2) 将各断面水文学方法计算结果与 2006—2016 年天然月平均流量进行相关性分析，检验了 5 种方法的合理性，结合各断面水资源条件，确定黄台桥水文站的生态流量采用 Texas 法计算结果，岔河和石村水文站生态流量采用 Tennant 法计算结果。

　　(3) 根据小清河干流通航要求，结合生态流量保证率分析，得到满足鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的生态流量，从实际出发，全面考量了小清河的生态流量需求，更有利于生态与经济协调发展。

仕玉治;钱秀红;江伟伟;黎明扬;李新宇;邱庆泰;黄继文;刁艳芳,山东省水利科学研究院;山东省水资源与水环境重点实验室;山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心;淄博市水文中心;山东农业大学水利土木工程学院,202406