基于河流廊道构建目标的洋河生态需水核算

徐鹤，缪萍萍，王立明，顾宏霞

（1.海河水利委员会水资源保护科学研究所，天津 300170；2.天津市碧波环境资源开发有限公司，天津 300102）

永定河是贯穿京津冀生态功能区的天然走廊，是京津冀主要功能区的主轴，也是传承京津冀晋深厚历史文化的载体。洋河作为永定河的两大重要支流之一，全长101 km，流域面积约1.55万km2，上源有东洋河、西洋河、南洋河等河流，在河北省怀安县柴沟堡附近汇合后称为洋河。洋河流经河北省张家口市怀安、万全、宣化、下花园、怀来等区县，沿线有清水河、盘肠河、龙洋河等支流汇入。东洋河上建有友谊水库。洋河流域地跨内蒙古、山西和河北3省（自治区），面积分别占流域面积比例为18%、18%、64%。洋河水系分布情况，如图1所示。

图1 洋河水系示意

保障生态环境需水量，是恢复河流生态功能、提升河湖生态系统质量和稳定性、复苏河湖生态环境的关键因素。根据国家发展改革委、水利部、国家林业局联合印发的《永定河综合治理与生态修复总体方案》[1]，洋河作为永定河水系山区段重要绿色生态河流廊道，应维持良好生态环境功能，随着自然修复步入良性循环、流域节水水平提高以及地下水位回升，将恢复成为“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”，再现河道清水长流、湖泊荡漾涟漪、沿岸绿树连绵、城乡山川相融的自然山水风貌。

1 洋河河流廊道构建目标及生态需水内涵

洋河河流廊道的生态需水核算按照高质量发展复苏河湖生态环境的新要求，结合水系生态功能定位，按照“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”的廊道构建目标和复苏河湖生态环境要求，依据《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 712-2021），从尊重生态系统自然规律、维系水生态系统的结构与功能的角度出发，结合洋河流域水文特性及水资源状况，综合考虑生态保护目标，核算洋河绿色河流廊道的生态需水量。

根据河流廊道恢复目标，确定河流生态服务功能，从而提出相应的生态流量要求，具体分析如下：

河流廊道要满足“流动的河”的目标，需要保障生态基流，保持河流纵向联通性，同时提高输水效率，发挥供水及河流系统生态环境维持功能。

河流廊道要满足“绿色的河”的目标，生态敏感期应保持河流横向连通性和竖向流通性，满足涉水的陆生、水生生态保护目标需水要求，恢复河岸植被带，发挥河岸带湿地生态环境维持功能。

河流廊道要满足“清洁的河”的目标，应保障生态基流，维持河流一定的水环境容量，发挥水质净化功能，维持和改善河流水质，满足河道水功能区目标要求，提高水质净化服务功能。

河流廊道要满足“安全的河”的目标，生态流量应控制在堤防防洪能力以下，满足流域规划的防洪标准，保障防洪安全。

综上，洋河构建河流廊道实现“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”的目标，河流生态需求应包含以下组分：反映天然水文节律并维持纵向及竖向连通的生态基流、生态敏感期满足陆生生态保护目标并维持横向连通的生态需水、生态敏感期满足水生生态保护目标的生态需水、城市河段满足景观蓄水及水体净化功能的生态需水。生态需水组分的外包值同时满足防洪标准要求可作为构建洋河生态河流廊道的生态需求量。

2 核算方法

2.1 Tennant法

Tennant法是常见的水文学方法。依据历史水文资料建立的流量（径流量）与河流生态环境状况之间的经验关系，采用历史天然流量资料，通过设定不同生态环境状况等级，确定年内不同时段的生态环境需水量[2]。河道内不同生态环境状况与流量对应情况，详见表1[3]。

表1 河道内不同生态环境状况与流量对应情况 %

2.2 水量平衡法

水量平衡法通过计算维持一定水面面积的河湖蓄水量来计算河湖生态需水。通过分析研究范围内输入、输出项的平衡关系，采用水量平衡法进行计算，即[3]：

式中：Wz为河湖生态需水量（m3）；F为河湖水面面积（km2）；EZ为河湖计算面积水面蒸发需水量（m3/km2）；P为多年平均降水量（m3/km2）；T为植物蒸散发需水量（m3）；G为土壤渗漏需水量（m3）；W0为维持一定水面面积的蓄水量（m3）；Q0为河湖连通情况下的流出水量（m3）；Qi为河湖连通情况下的流入水量（m3）。

2.3 敏感期生态需水计算方法

敏感期生态需水依据湿周法构建流量与水力要素间的关系。通过构建一维水动力学模型，模拟不同流量情况下洋河友谊水库以下河段水力要素变化。

（1）湿周法。湿周法是水力学法中最常用的方法，利用湿周作为水生生物栖息地指标，通过收集水生生物栖息地的河道尺寸及对应的流量数据，分析湿周与流量之间的关系，建立湿周-流量的关系曲线。湿周法以浅滩断面湿周-流量曲线上的拐点对应的流量作为生态需水量建议值，但由于河流实际断面的湿周流量-曲线很少只有一个拐点，多数是多个拐点或者没有明显的拐点，人为确定拐点往往会有较大的偏差，目前推荐使用的生态环境需水量获取方法是选取湿周-流量过程曲线的斜率为1或者曲率最大处的点，该点对应的流量作为河道的生态需水量，一般情况下可选择斜率为1的点作为拐点[3]。湿周-流量关系，如图2所示。

图2 湿周-流量关系

（2）模型概化。本次模拟河段为洋河友谊水库以下162 km河段。上边界为友谊水库水文站，设置为流量边界类型；下边界为洋河出口断面，设置为水位流量关系边界类型，通过曼宁公式结合地形资料构建出口断面水位流量关系。

模拟河道地形数据来自研究洋河河道综合整治工程实测资料，典型断面如图3所示。

图3 研究河段横断面示意

（3）水流数学模型及数值求解。在模型概化的基础上，基于圣维南方程组构建了研究河段描述水流的数学模型[4]，见式（2），利用有限差分法进行求解：

式中：Q为流量（m3/s）；A为断面面积（m2）；q为源汇项（m2/s）；α为流速垂向分布修正系数；h为水位（m）；C为谢才系数；R为水力半径（m）；g为重力加速度（m/s2）；h1和q1为边界水位（m）和流量（m3/s）；h0和q0为初始水位（m）和流量（m3/s）；ζ为边界。

谢才系数C与过水断面形状、壁面粗糙度以及雷诺数等因素有关，常用曼宁公式表示：

式中：n为糙率，是度量壁面粗糙对水流影响的无量纲系数，天然河道的糙率取值一般在0.01～0.1，根据河道断面形态及附着物，选取适宜的参数[5]，河道经整治后主河槽糙率为0.025、滩地糙率为0.035。

3 计算结果

3.1 采用Tennant法计算生态基流结果

洋河主要为山区段河流，选取Tennant法计算河流生态基流。河湖生态流量计算采用天然径流系列，对于人类活动干扰较大的河流水系，应对实测径流系列进行还原计算，本次计算数据采用水资源第三次调查评价结果，并根据水资源公报进行系列延长。

根据规范，对于水资源短缺、用水紧张地区河流，基本生态流量取值范围可在“良好”的分级之下取值。因此，结合新时期高质量发展复苏河湖生态环境的新要求下河流生态廊道构建的需求，选取丰水时段多年平均天然径流量的40%、枯水时段多年平均天然径流量的20%作为基本生态环境需水量，对应于生态环境状况等级为“良好”。逐月生态基流过程计算结果如图4所示，洋河流域控制站响水堡全年平均基流量2.04 m3/s，年基本生态需水量0.64亿m3。

图4 Tennant法计算逐月生态基流过程

3.2 城市河段维持生态水面的生态水量计算结果

洋河沿线分布有47.7 km的城市景观河道，其中张家口市区和花园区段城市河段的长度分别为38.5、9.2 km。城市景观河段均为渠化的城市河道，布置断面为矩形断面，水面宽140～500 m，河道常年通过梯级橡胶坝蓄水维持一定的景观水面。由于水面蒸散发耗水，因此需要补充一定的水量。根据水量平衡法，计算洋河各月城市景观河段的蒸发量和各月需水，洋河全年蒸发量1712 mm，整个城市景观河段的全年蒸发需水量为2020万m3，年内过程如图5所示。

图5 水量平衡法计算维持城市景观蓄水的生态流量过程

3.3 敏感期生态需水量计算结果

通过模型模拟得到洋河各断面湿周-流量曲线关系，如图6所示。

图6 研究河段湿周-流量关系

河岸带植被主要分布在乡村河道主河槽岸坡及一级滩地上，植被萌发季节为3—4月份，该时期河道需有一次涨水过程，促使植被敏感区有加大的过水面积，为沿河湿地充分补水。因此，根据湿周法建立的湿周与流量的关系，结合河道断面形态，可安排3月份下旬为维持河岸带湿地植被萌发所需的流量为10 m3/s，持续时间约10 d。

鱼类作为水生态系统中的顶级群落，是水生态系统的主要组成部分，是水体生态完整性的重要指标，也是生物多样性的重要组成部分。根据对鱼类群落组成和鱼类群落空间格局特征的分析，结合咨询专家给出的建议以及文献调研分析，确定洛氏鱥作为洋河流域生态需水研究的指示性目标鱼类物种。洛氏鱥水深需求为0.1～2 m，流速需求为0.1～1.2 m/s。其中，洋河城市段为渠化河道，均为近似矩形的断面，由梯级橡胶坝组成，水面较宽，难以长时间维持较大流速，因此只考虑乡村溪流河道鱼类生态环境需求。因此，洛氏鱥繁殖期4—7月期间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，结合湿周法建立的一维水动力学模型，要满足乡村溪流河段4—7月鱼类生态环境需求的生态流量为不低于3.5 m3/s。

3.4 洋河生态需水量计算结果

按照高质量发展复苏河湖生态环境的新要求，结合“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”河流廊道构建目标，综合考虑生态基流、维持城市景观生态蓄水功能、陆生及水生生态保护目标的敏感期生态需水要求，确定洋河年生态需水量为0.97亿m3。其中，维持河流生态基流量0.64亿m3，维持城市景观生态蓄水功能需水0.2亿m3，在基流量不满足生态保护目标敏感期生态需水的情况下，将二者最大值作为敏感期生态需水。计算结果详见表2，如图7所示。

表2 洋河逐月生态需水过程

图7 洋河逐月生态基流及生态需水过程

3.5 近2 a生态水量满足情况分析

收集2020、2021年响水堡断面逐月径流量，分析生态水量满足情况。近2 a，年生态需水量满足需求，但个别月份不满足生态基流过程。其中，2020年6—8月不满足生态基流需求，4—5月达不到生态需水要求；2021年6—8月不满足生态基流需求，5月达不到生态需水要求。洋河2020、2021年逐月径流与生态需水过程，如图8所示。

图8 洋河2020、2021年逐月径流与生态需水过程

4 结论与讨论

（1）洋河是永定河重要的两大支流之一，保障其生态环境需水量是构建洋河绿色生态河流廊道的基础，有利于促进永定河综合治理与生态修复进展，复苏永定河生态环境。对洋河生态环境需水量核算，按照高质量发展要求，结合《永定河综合治理与生态修复总体方案》的“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”廊道构建目标，选取Tennant法、水量平衡法、湿周法等分析洋河生态需水量。

（2）采用Tennant法计算洋河生态基流，选取丰水时段多年平均天然径流量的40%、枯水时段多年平均天然径流量的20%作为基本生态环境需水量，响水堡全年平均基流量2.04 m3/s，年基本生态需水量0.64亿m3；采用水量平衡法，核算洋河各月城市景观河段的蒸发量和各月需水，洋河全年蒸发量1712 mm，整个城市景观河段的全年蒸发需水量为2020万m3；采用湿周法，结合一维水动力学模型，选取洛氏鱥作为洋河流域生态需水研究的指示性目标物种，同时考虑河岸带湿地植被萌发，核算敏感期生态需水，主要集中在3—7月；利用外包值法确定最终洋河年生态需水量为0.97亿m3。

（3）对近2 a流域控制站响水堡断面生态水量满足情况进行了分析。结果表明，年径流量满足生态需水要求，但个别月份达不到生态基流或生态需水过程要求。为提高生态需水过程满足度，建议通过洋河上游友谊水库、洋河水库等水利工程调度，调整各月河道径流量以满足生态蓄水过程。