引言

　　河流生態系統是地球生態系統必不可少的組成部分，健康的河流生態系統不僅有利于維護自然生態平衡和生物多樣性，也關乎人類的生存和發展。近年來，受氣候變化和人類活動的影響，河流水量短缺、水質污染等問題日益凸顯，水生生物棲息地及生物多樣性遭到破壞，河流生態系統健康受到嚴重威脅，水資源開發利用與生態保護之間的矛盾日益加劇，嚴重制約了經濟社會的可持續發展。小清河是山東省魯中地區的重要河流，兼具防洪、航運、灌溉等功能，開發利用程度較高，對區域經濟發展有著明顯的帶動作用，但流域水文情勢也受人類活動的顯著影響。因此，研究小清河的生態流量對河流生態系統恢復及區域經濟社會可持續發展具有重要意義。

　　不同河流的生態系統結構和功能有所不同，同一條河流的生態需求在不同河段或季節也會發生變化，水資源條件和開發利用需求亦有差異。因此，在制定生態流量時應考慮地域性與時效性。目前，相對成熟的生態流量計算方法有四類：水文學方法、水力學方法、生境模擬法和整體分析法。水文學方法以徑流資料為基礎，簡單易行，應用廣泛，但通常缺乏生態有效性;水力學方法通過河道斷面的水力參數確定滿足河道生態功能所需的流量，考慮了河床形狀和生物棲息地需求，但通常不適用于河床形狀不穩定的河流，無法體現河流季節性變化，近幾年來應用較少;整體分析法從生態系統整體出發，涉及水文、地質、生態、社會經濟等多學科，計算精度高，但所需資料繁瑣，計算過程復雜，推廣應用存在困難。

　　生境模擬法通過量化生物棲息地和流量之間的關系確定適宜水生生物生存的流量，直觀可靠，且更能體現河流生態系統的需求。魚類是水生態系統生物群落中的頂級物種，故本研究根據小清河干流水文站分布，選取黃臺橋、岔河和石村水文站斷面作為生態流量控制斷面，利用生境模擬法探究考慮不同季節魚類生境適宜性的生態流量，并與水文學方法進行對比，結合實測徑流條件下兩類方法的生態流量保證率及航運要求，求解小清河干流滿足魚類生境適宜性、水文節律性和航運要求的生態流量。

　　1 材料與方法

　　小清河為山東省中部渤海水系河流，干流源起濟南市泉群，沿途依次流經濱州市、淄博市、東營市和濰坊市，于壽光市羊口鎮注入渤海，全長 237 km。小清河流域面積 10336 km²，屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，水文氣象要素年內變化較大，1956—2021 年多年平均降水量為 642.2 mm，主要集中于汛期 6—9 月，約占全年的 73.4%;多年平均蒸發量 1289.9 mm，平均氣溫 13℃。根據河流水系特征，將小清河分為上、中、下游，由源頭至魏橋水文站為上游，魏橋水文站至石村水文站為中游，石村水文站至河口為下游。

　　本研究水文數據包括：黃臺橋水文站 1956—2019 年逐月天然徑流量數據，2009—2014 年逐日實測水位、流量數據;岔河水文站 1956—2019 年逐月天然徑流量數據，2013—2019 年逐日實測水位、流量數據;石村水文站 1956—1998、2010—2013 年逐日實測流量數據。河道地形數據為基于 2022 年小清河干流實測大斷面成果圖，對照天地圖進行斷面測點經緯度和高程提取，斷面間距 1 km，彎道處進行加密處理，通過 ArcGIS 對提取出的測點進行坐標轉換以獲取投影坐標。

　　生境模擬法以生態水力學為基礎，通過量化物種棲息地和流量之間的關系確定適合水生生物生存的流量，其中河道內流量增加法(instream flow incremental methodology，IFIM)通過水動力學模型模擬不同流量條件下河道內水動力因子分布，并根據目標物種對生境因子的適宜性計算棲息地加權可利用面積(weighted usable area，記為 AWU)，從而量化流量和 AWU 之間的關系來確定生態流量，具體可通過 PHABSIM 和 River2D 等模型實現。目前，生境模擬法大多選取魚類作為目標物種，這是由于魚類是水生態系統生物群落中的頂級物種，類群多樣，種間關系復雜，對維持食物網結構與功能穩定及水生態系統平衡具有重要作用。

　　根據目標魚種對不同生境因子的偏好性，通過 River2D 模型計算不同網格節點及關聯區域上對應的流速、水深和河道指數的綜合適宜性指數(Combined Suitability Index，ICS)。本文采用應用較廣的乘積法計算 ICS。對不同生境因子的適宜性值進行組合加權得 AWU。

　　2 基于生境模擬法的生態流量計算

　　2.1 河段劃分及模型構建

　　利用 River2D 模型對不同流量工況下河道棲息地環境進行模擬，故需要確定相應研究河段。小清河干流上的水文站僅有黃臺橋站、岔河站與石村站具有長系列徑流數據，分別作為上、中、下游代表水文站和生態流量控制斷面。由此，依次選取黃臺橋水文站至柴莊閘、岔河水文站至博興水文站、石村水文站至王道閘等 3 個河段為研究對象，求解 3 個生態流量控制斷面的生態流量。主要步驟如下：

　　(1)網格化地形 采用三角形網格對 3 個研究河段進行網格剖分，網格邊長設置為 30 m，黃臺橋水文站至柴莊閘河段共生成節點 18264 個，網格 34817 個，網格質量指數均大于 0.20(可接受范圍為 [0.15, 0.50]);岔河水文站至博興水文站河段共生成節點 20066 個，網格 35627 個，網格質量指數均大于 0.20;石村水文站至王道閘河段共生成節點 18725 個，網格 35627 個，網格質量指數為 0.20。

　　(2)邊界條件 River2D 模型的邊界條件包括入流斷面流量和出流斷面水位。3 個河段分別采用入流斷面水文站實測流量數據作為入流邊界條件，由于缺乏研究河段內支流河道地形及水文數據，故根據水文比擬法得到相應入流條件下的出流斷面流量以考慮區間入流的影響，再由出流斷面水位流量關系得到出流斷面水位。

　　(3)參數設置 River2D 模型采用有效粗糙高度 Ks 代替曼寧系數 n。(4)模型驗證 對比出流斷面水位實測值與模擬值以驗證模擬效果。3 個出流斷面實測水位數據分別依據對應的入流斷面黃臺橋水文站(2015 年)、岔河水文站(2015 年)、石村水文站(2013 年)實測月平均流量經水文比擬法和水位流量關系推求。

　　由相關對比可見，3 個研究河段出口斷面水位模擬值與實測值吻合度較高，為了更客觀地反映二者的吻合程度，采用納什效率系數和均方根誤差作為驗證指標。柴莊閘水位的納什效率系數和均方根誤差分別為 0.90 和 0.01 m，博興水文站分別為 0.99 和 0.02 m，王道閘分別為 0.95 和 0.25 m。可見模型整體模擬效果良好，結果可靠。這表明所建立的小清河干流 3 個研究河段的水動力學模型結構和參數合理，可用于構建魚類棲息地模型進行生態流量的研究。

　　2.2 魚類的適宜性曲線

　　小清河水量和生態需求存在明顯的季節差異，因此本研究根據生境調查結果，不同季節選取不同的魚類指示物種。由相關數據可見，春夏秋三季中鯽的 IRI 均超過 1000，因此將鯽作為優勢種。根據 IRI 值，春季選取泥鰍作為指示物種，根據季節差異性原則，夏季和秋季則應排除泥鰍，分別選擇棒花魚和麥穗魚作為指示物種。根據生境調查并綜合已有研究成果，構建魚類指示物種的生境適宜性曲線。

　　2.3 生態流量的計算

　　River2D 模型采用 IFIM 量化上游入流量 Q 和河道內 AWU 之間的關系，因此，需要設置不同的流量工況進行水動力學模擬。為涵蓋非汛期和汛期流量條件，本研究設置流量工況范圍為 2~24 m³/s，間隔 2 m³/s，另包括 0.5 和 1.0 m³/s 兩個小流量工況。

　　根據不同流量工況下魚類棲息地模擬結果，繪制出 3 個河段的 Q-AWU 曲線。

　　4 種目標魚類的 Q-AWU 曲線均呈現明顯的先升后降趨勢，這說明并不是流量越大越有利于魚類生存。根據各曲線峰值，優勢種鯽、泥鰍、棒花魚和麥穗魚的最適宜生態流量分別為 6、2、4 和 2 m³/s。冬季水資源緊張，采用優勢種鯽的最適生態流量 6 m³/s 不合適，會造成較大的用水壓力，且冬季魚類除需要一定的水深滿足越冬需求外，其他生存需求相對較低，因此建議采用春秋季生態流量 2 m³/s 作為冬季生態流量。

　　4 種目標魚類的 Q-AWU 曲線波動較為明顯，均呈現多個峰值。鯽魚、泥鰍、麥穗魚最大值均出現在第 1 個波峰，棒花魚曲線最大值則出現在第 2 個波峰。根據各曲線峰值，優勢種鯽、泥鰍、棒花魚和麥穗魚的最適宜生態流量分別為 2、2、12 和 2 m³/s。冬季仍以滿足魚類越冬需求為主，采用春秋季生態流量 2 m³/s 作為冬季生態流量，也最適于優勢種鯽的生存。

　　4 種目標魚類的 Q-AWU 曲線均呈現為單峰形式，且峰值對應的流量較大，這與該河段的河寬有較大關系。根據各曲線峰值，優勢種鯽、泥鰍、棒花魚和麥穗魚的最適宜生態流量分別為 18、18、14 和 18 m³/s。冬季以滿足魚類越冬需求為主，采用 14 m³/s 作為冬季生態流量。綜上，黃臺橋、岔河、石村水文站斷面生態流量計算結果如下：

　　季節方面，春季(3—5 月)目標魚種為泥鰍時，黃臺橋、岔河、石村不同站點斷面生態流量分別為 2、2、18 m³/s;夏季(6—8 月)目標魚種為棒花魚時，對應流量分別為 4、12、14 m³/s;秋季(9—11 月)目標魚種為麥穗魚時，對應流量分別為 2、2、18 m³/s;冬季(12— 次年 2 月)無特定目標魚種時，對應流量分別為 2、2、14 m³/s。注：優勢種鯽在黃臺橋、岔河、石村的生態流量分別為 6、2、18 m³/s。

　　3 多目標生態流量確定

　　3.1 水文學方法計算生態流量

　　采用 Tennant 法、NGPRP 法、Texas 法、最小月平均實測徑流法和 90% 保證率最枯日平均流量法等 5 種水文學方法求解 3 個控制斷面的生態流量，后兩者采用日尺度實測流量序列，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數據，故采用日尺度實測數據推算。相關研究發現小清河干流自 1997 年經過治理后，人類活動對河道內徑流量的影響顯著增強。但石村水文站日尺度實測流量序列集中在 1956—1998 年，受人類活動影響較小，可看作天然徑流條件。

　　由相關結果可知，不同水文學方法計算結果差異明顯，采用月尺度天然流量序列計算的生態流量遠小于采用日尺度實測流量序列的計算結果。小清河是季節性河道，自然狀態下徑流量豐枯懸殊，但常年受到泉水、城市中水和農業灌溉尾水補給;為保持水質，小清河沿線幾處大型水庫也要保持一定的生態流量，因此導致了上述差異現象。在具有大量泉水補給的上游黃臺橋站，差異最為明顯。

　　大量研究已經表明，河流流量的變異性是維持其生態系統健康和生物多樣性的核心。為篩選出適合小清河干流的水文學生態流量計算方法，對 5 種計算結果與 2006—2016 年天然月平均流量進行相關性分析。橫向比較，Tennant 法、Texas 法、NGPRP 法計算結果與月平均流量均在 0.01 水平上顯著相關，且相關程度依次減小，而其余兩種方法相關性較差;縱向比較，從上游黃臺橋水文站至下游石村水文站，日尺度實測流量序列計算出的生態流量結果與月平均流量的相關性越來越高，在一定程度上說明小清河干流從上游至下游，人類活動對流量的影響逐漸降低，流量對自然水文情勢的影響逐漸增強。

　　基于以上分析，重點考慮與天然月平均流量相關性較強的 Tennant 法和 Texas 法。3 個控制斷面中，Tennant 法計算結果均較 Texas 法計算結果偏大，根據站點的天然月平均流量數據，黃臺橋水文站平均流量較小，岔河和石村水文站的平均流量均較大，故黃臺橋站的生態流量采用 Texas 法計算結果，岔河和石村水文站生態流量采用 Tennant 法計算結果。

　　3.2 保證率分析及多目標生態流量的確定

　　小清河作為貫穿山東省中部工業走廊的內河水運大通道，已于 2023 年 6 月底實現全線通航，在考慮生態流量的同時，更要保證滿足通航需求。根據山東省水利廳關于《山東省小清河水量調度方案 (試行)》的通知，小清河干流通航控制斷面及通航下泄水量分別為：五龍堂橋 843 萬 m³/ 月，金家堰樞紐 1789 萬 m³/ 月，博興水文站 1009 萬 m³/ 月、石村水文站 1266 萬 m³/ 月。受資料限制，本研究選取的生態流量斷面與上述通航控制斷面有所不同，故通過比擬和換算得到黃臺橋、岔河、石村水文站 3 個生態流量斷面的通航下泄流量分別為 0.52、6.90、4.88 m³/s。同時，對水文學方法和生境模擬法計算結果進行保證率分析，以對兩種方法進行比選。

　　由相關保證率結果可知，實測徑流條件下，對于黃臺橋斷面，水文學方法所得各月生態流量保證率均可達 100%，生境模擬法的生態流量保證率除 6、7、8 月份外也均可達到 100%，考慮到黃臺橋斷面水量較為豐富，建議采用生境模擬法計算結果。對于岔河水文站斷面，除 6 月份外，兩種方法生態流量保證率相差小于 20%，因此仍建議采用生境模擬法計算結果。石村水文站斷面生境模擬法所得生態流量明顯偏高，導致除 7、8 月份外，明顯低于水文學方法生態流量保證率。石村水文站至王道閘河段位于小清河下游，河寬較大，豐富的流量更有利于滿足魚類棲息地需求，但也會造成沿岸較高的用水壓力，因此建議 7、8 月份采用生境模擬法計算結果，其余月份則采用水文學方法計算結果。

　　小清河作為山東省內河航運 “黃金水道”，通航下泄流量需予以重點保證，因此將通航下泄流量作為下限流量;在魚類生境適宜性生態流量高于通航流量、水量匱乏時，則通過水文學方法計算結果和通航流量比選，確定多目標生態流量;在水量較為豐富時，則以滿足魚類生境適宜性的流量作為多目標生態流量。基于這一思路，求得小清河干流兼顧生境適宜性、水文節律性及通航需求的多目標生態流量，并求得 3 個斷面生態流量年平均保證率分別為 98.21%、83.77%、80.13%。但計算發現，岔河水文站 6 月份生態流量保證率僅有 34.21%，石村水文站 4、5 月份生態流量保證率不足 70%，明顯低于平均水平，建議通過加強流域內水資源調度以及引黃灌溉尾水補給、南水北調補水等提高這一時期的生態流量保證率。

　　4 結論

　　本文采用生境模擬法求解了滿足小清河干流魚類生境適宜性的流量，并通過與水文學方法和通航流量需求進行對比分析，得到了兼顧魚類生境適宜性、水文節律性和航運要求的生態流量。主要結論如下：

　　(1) 采用生境模擬法計算小清河干流滿足魚類生境適宜性的生態流量，精確量化了小清河干流不同河段和季節的生態流量需求。

　　(2) 將各斷面水文學方法計算結果與 2006—2016 年天然月平均流量進行相關性分析，檢驗了 5 種方法的合理性，結合各斷面水資源條件，確定黃臺橋水文站的生態流量采用 Texas 法計算結果，岔河和石村水文站生態流量采用 Tennant 法計算結果。

　　(3) 根據小清河干流通航要求，結合生態流量保證率分析，得到滿足魚類生境適宜性、水文節律性和航運要求的生態流量，從實際出發，全面考量了小清河的生態流量需求，更有利于生態與經濟協調發展。

仕玉治;錢秀紅;江偉偉;黎明揚;李新宇;邱慶泰;黃繼文;刁艷芳,山東省水利科學研究院;山東省水資源與水環境重點實驗室;山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心;淄博市水文中心;山東農業大學水利土木工程學院,202406