河口近岸海域生態(tài)需水研究——漳衛(wèi)新河河口生態(tài)需水分析

傅小城，王 芳，王 浩

（中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

1 研究背景

河口是流域和海洋的樞紐，既是流域物質(zhì)的歸宿，又是海洋過程的開始。河口海岸是陸海相互作用的集中地帶，各種過程（物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)過程）耦合多變，演變機制復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱[1]。河口海岸地帶又是經(jīng)濟發(fā)達、人口集居之地，世界60%的人口和2/3的大中城市集中在沿海地區(qū)[2]。日益加劇的人類活動增加了河口海岸地區(qū)的壓力。而導(dǎo)致河口海岸生態(tài)問題的一個重要因素是淡水入流的減少。淡水入流的減少會一定程度上影響鄰近海域海水溫度與鹽度的變化，而溫度與鹽度的變化又會導(dǎo)致生物類群的變化[3-4]。因此，維持河口一定規(guī)模的入海水量對河口近岸海域生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

目前，國內(nèi)關(guān)于河口的研究多考慮的是泥沙沖淤、防潮壓堿及防止海水入侵等方面，而生態(tài)需水研究多集中在陸域的河道、湖泊、濕地及坡面植被等生態(tài)系統(tǒng)，對于河口近岸海域的生態(tài)需水研究還較少。河口近岸海域生態(tài)系統(tǒng)作為流域水循環(huán)支撐的最末端生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)需水問題的研究對完善流域水循環(huán)的基礎(chǔ)研究以及對合理開發(fā)利用水資源具有重要的意義。

本文通過對漳衛(wèi)河口及其近岸海域進行鹽度場的初步模擬，根據(jù)鹽度對河口魚類的影響，分析不同來水條件對河口生態(tài)系統(tǒng)的作用，并初步確定河口的生態(tài)需水量。

2 研究區(qū)域

本研究區(qū)域位于漳衛(wèi)新河口及黃驊港海區(qū)，地理經(jīng)緯度為東經(jīng)117.7°～118.2°，北緯38.2°～38.6°，如圖1所示。該區(qū)域?qū)儆诓澈硡^(qū)域，潮汐類型屬于不規(guī)則半日潮型，潮流類型為不規(guī)則半日潮流。

漳衛(wèi)新河河口位于山東省無棣縣二道溝，渤海灣西南岸，是海河流域漳衛(wèi)新河水系的主要入海尾閭通道，漳衛(wèi)新河河口段自辛集閘起，至入?？谔幍拇罂诤樱L約37km，河道總體走向由西南向東北。雖然漳衛(wèi)新河是人工開挖的新河，但其河口區(qū)相對穩(wěn)定，且有一定的濕地，河口生態(tài)在海河流域相對較好，同時近岸區(qū)域與原老黃河口臨近，有一個重要的對蝦產(chǎn)卵場。漳衛(wèi)新河來水基本受辛集閘控制，來水沒有明顯規(guī)律。

黃驊港，位于渤海灣西南岸，距河北省滄州地區(qū)黃驊市東50km。該區(qū)域常風(fēng)向為西南及西南偏南，強風(fēng)向東北東向，實測最大風(fēng)速31m/s，海區(qū)基本不受臺風(fēng)影響。年平均降水量為642.6mm，集中在夏季，占全年的73.4%，年最大降水量為719.40mm（1984年），年最小降水量為336.8mm。年平均氣溫12.2℃，年最高氣溫37.7℃，年最低氣溫-19.5℃，7、8月份平均氣溫26.4℃，1月份平均氣溫-4.7℃。該海區(qū)屬不規(guī)則半日潮。最高潮位4.06m，最低潮位-0.07m，平均高潮位3.18m，平均低潮位0.96m。平均海平面2.03m，最大潮差3.44m，平均潮差2.26m。平均漲潮歷時5.45h，平均落潮歷時6.47h。

圖1 研究區(qū)域示意

3 研究區(qū)域ECOMSED模型的建立

3.1 ECOMSED模型ECOMSED（Estuarine Coastal and Ocean Model with Sediment model）模型是近年來國際上較為流行的近岸海洋數(shù)值模式，具有計算三維水流、水質(zhì)、泥沙等諸多功能。該模式主要由水動力模塊、泥沙輸運模塊、波浪模塊、熱能量模塊和粒子示蹤模塊組成，各模塊之間相互耦合[5]。其中水動力模塊采用基于靜壓假設(shè)和Boussinesq近似下的三維斜壓原始方程，自由海面，水平網(wǎng)格采用曲線正交坐標系統(tǒng)，垂向采用σ坐標，變量空間配置Arakawa-C格式，2.5階湍流閉合模型求解垂向混合系數(shù)和擴散系數(shù)，水平湍流黏滯和擴散系數(shù)基于Smagorinsky參數(shù)化方法計算[6]。

3.2 模型的準備

3.2.1 模型數(shù)據(jù)準備 模型地形數(shù)據(jù)，除采用美國地調(diào)局ETOPO1的數(shù)據(jù)結(jié)果外，根據(jù)1∶60 000的黃驊港紙質(zhì)海圖，數(shù)字化后運用克里金插值、融合，最后獲得研究區(qū)域的較為精細的水下地形數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)報告及敏感性實驗，確定模型幾個關(guān)鍵參數(shù)：最小底摩擦系數(shù)（BFRIC）為0.000 5；底粗糙系數(shù)（ZOB）為0.001m；邊界類型為Clamped；水平對流擴散采用Smolarkiewcz水平摻混公式計算，其參數(shù)HORCON取0.1；垂向紊動參數(shù)UMOL取1×10-6m2/s。

由于漳衛(wèi)新河口沒有溫鹽場的長期實測結(jié)果，因此，在本研究中模型初始溫鹽場由基于整個渤海的大模型模擬結(jié)果給出，通過插值平均分配到各個網(wǎng)格。外邊界條件潮位、溫鹽場也由渤海大模型模擬結(jié)果給定，插值到外邊界。

計算步長外模DTE=5s，內(nèi)模DTI=50s。模型模擬時間取渤海大模型8月模擬結(jié)果，計算時間共31d。

3.2.2 網(wǎng)格剖分 網(wǎng)格劃分采用Seagrid軟件劃分。該軟件可劃分正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格坐標投影使用墨卡托投影。模型計算對網(wǎng)格的正交性有一定的要求，正交性越好，模型模擬越穩(wěn)定，模擬結(jié)果也越精確。網(wǎng)格劃分完后，根據(jù)海岸線判定陸地網(wǎng)格與水面網(wǎng)格。計算水域確定后，再根據(jù)水深資料插值生成計算水域地形數(shù)據(jù)。

本研究計算網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格坐標投影使用墨卡托投影。計算區(qū)域范圍為東經(jīng)117.5°～118.5°，北緯38.1°～38.6°，網(wǎng)格布置如圖2所示。模型計算對網(wǎng)格的正交性有一定的要求，正交性越好，模型模擬越穩(wěn)定，模擬結(jié)果也越精確。因此網(wǎng)格劃分完后，通常應(yīng)對網(wǎng)格劃分結(jié)果進行正交分析。本次網(wǎng)格大小為0.6′×0.6′，網(wǎng)格數(shù)為50×100＝5 000。垂直方向采用σ坐標，分為6層，以擬合海底地形。

網(wǎng)格劃分完后，再判定哪些是陸地網(wǎng)格，哪些是水面網(wǎng)格。模型根據(jù)海岸線判定陸地與水面。計算水域確定后，再根據(jù)水深資料插值生成計算水域地形圖，如圖3所示。

圖2 計算區(qū)域及網(wǎng)格布置圖（圖中坐標點為模型驗證點）

圖3 計算水域水深結(jié)果

3.3 模型驗證這里記黃驊港海域模型為HHG，整個渤海大模型記為BH。研究中選取HHG網(wǎng)格外邊界側(cè)3點作為模型潮位驗證點，由于漳衛(wèi)新河8月來水量較小，淡水影響范圍較小，因此選近河口處1點作為鹽度驗證點，其位置及與BH網(wǎng)格點相應(yīng)關(guān)系如圖2及表1所示。

表1 模型驗證點對應(yīng)關(guān)系及位置

3個驗證點潮位驗證結(jié)果如圖4—圖6所示。從結(jié)果看，經(jīng)過3d的預(yù)熱穩(wěn)定，模型模擬非常準確，可以很好地反映潮位變化的情況。同時，我們還分析了整個研究區(qū)域的流場情況，漲落潮流向主要為南北流向，近岸后偏向垂直于岸線，流場流速較小，大致在5cm/s左右。

從鹽度驗證點看，模型模擬值剛開始受淡水輸入的影響，鹽度值迅速下降，但經(jīng)過一段時間的擴散混合后鹽度值基本接近于渤海模型模擬值，如圖7所示。同時，從時間上看，經(jīng)過1個月左右的模擬，鹽度值基本趨于穩(wěn)定。

4 鹽度控制標準確定

魚類的生長和繁殖具有一定的適溫、適鹽條件，這是魚類對環(huán)境條件中綜合因子的長期適應(yīng)結(jié)果。在河口區(qū)域，鹽度作用更加明顯。鹽度的過高或過低都會對魚類造成影響，其中影響最大的是卵的發(fā)育和仔魚成活。海、淡水魚類的卵各自適應(yīng)不同的鹽度范圍。一般淡水魚的卵隨著水域鹽度升高，死亡率增大；相反，海水魚的卵隨著水域鹽度下降，死亡率增大。鹽度劇變對處在任何發(fā)育期的魚卵都是不利的。

本文根據(jù)生態(tài)學(xué)中的謝爾福德耐受性定律（Shelford’s law of tolerance），分析渤海主要魚類產(chǎn)卵育幼期的鹽度適應(yīng)范圍，確定渤海各河口區(qū)適宜的鹽度閾值。根據(jù)相關(guān)文獻分析[7]及作者統(tǒng)計結(jié)果，確定鹽度范圍28.0～30.5為渤海各河口區(qū)主要鹽度控制標準，并認為再高則鹽度過高，再低則鹽度過低[8]。

圖4 1號點潮位驗證結(jié)果

圖5 2號點潮位驗證結(jié)果

圖6 3號點潮位驗證結(jié)果

圖7 4號點鹽度驗證結(jié)果

另外對渤海主要魚類產(chǎn)卵季節(jié)分析可知，渤海魚類的主要產(chǎn)卵時間為5—8月。在卵子的生態(tài)習(xí)性方面，渤海魚類以產(chǎn)浮性卵的種類為主，占總生物量的84%，產(chǎn)黏性或沉性卵的占13.5%。因此在進行鹽度分析時以分析表層鹽度為主。

由于漳衛(wèi)新河口及黃驊港海域為渤海灣的一個主要河口區(qū)，也是渤海灣的一個重要產(chǎn)卵場，同時考慮各種魚類產(chǎn)卵洄游范圍較大，因此這里假定漳衛(wèi)新河口適宜鹽度閾值范圍也為28.0～30.5。

5 基于鹽度標準的來水情景模擬

5.1 情景設(shè)定根據(jù)不同的來水狀況及其生態(tài)條件，以及漳衛(wèi)新河河口生態(tài)穩(wěn)定性鹽度閾值分析結(jié)果，我們設(shè)置現(xiàn)狀來水、歷史來水、短期洪水3種情景進行模擬評估。

對于鹽度需求的季節(jié)性，由于漳衛(wèi)新河來水過程完全受人為調(diào)控，枯季一般不下水，同時魚類產(chǎn)卵季節(jié)也主要集中在5—8月。因此在方案設(shè)定中，河流來水基本設(shè)定在5—8月之間。同時，鹽度場的變化主要與淡水入流有關(guān)，而潮流強迫相對穩(wěn)定，變化影響較小。因此，對于開邊界條件統(tǒng)一按經(jīng)過驗證的8月模擬結(jié)果進行分析計算，以便后面比較分析。

（1）現(xiàn)狀來水方案?，F(xiàn)狀來水條件我們選取2006年7月—2007年6月漳衛(wèi)新河的實測入海水量計算。根據(jù)辛集閘實測徑流結(jié)果，漳衛(wèi)新河徑流狀況如圖8所示。從圖中可以看出，5—8月入海流量范圍大致在0～30m3/s左右。因此，我們?nèi)×髁?和30m3/s分別進行模擬。

圖8 漳衛(wèi)新河2006年7月—2007年6月實測入海水量

（2）歷史來水方案。由于漳衛(wèi)新河近幾十年的水資源開發(fā)利用量都非常大，因此本研究采用水資源大規(guī)模利用前的來水情況進行模擬。從歷年來水情況看，我們選取20世紀60年代的平均來水情況來進行對比。根據(jù)海河流域水資源綜合規(guī)劃，60年代漳衛(wèi)新河的平均入海水量為12.64億m3，宣惠河平均入海水量為0.43億m3，因此總的入海水量大致為13.07億m3。

由于目前漳衛(wèi)新河的入海水量完全由人為控制，無法反映歷史條件下天然的來水過程，因此這里采用多年平均天然來水條件進行分析。漳衛(wèi)新河段由于閘壩調(diào)蓄較多，這里采用上游衛(wèi)運河上稱鉤灣水文站的多年平均天然徑流結(jié)果，其月分配情況如表2所示。從表中可知，漳衛(wèi)新河5月來水最小，僅占年來水量3.4%，8月來水最大，占年來水量27.9%。計算得漳衛(wèi)新河5—8月入海流量范圍在17.1～136.1m3/s左右。方案中取15m3/s與135m3/s進行模擬分析。

表2 稱勾灣水文站多年平均天然徑流月過程結(jié)果

（3）短期洪水方案。正常情況下，河流都有一定時間的洪水期，其流量相對較大。我們對短期洪水條件下河口的鹽度分布狀況也進行了模擬。據(jù)辛集閘實測洪水資料[9]，1963年與1996年發(fā)生過洪峰流量達1 260m3/s和1 390m3/s的大洪水，而設(shè)計百年一遇洪水洪峰流量可達2 000m3/s。本研究不涉及極端洪水情況，僅分析普通汛期較大規(guī)模的來水情況，時間設(shè)定為8月，洪水流量按300m3/s取，但模擬時間只取10d，以觀察短期洪水的影響。各方案設(shè)置情況如表3所示。

5.2 不同方案模擬結(jié)果分析現(xiàn)狀來水方案下，淡水入流為零時，整個計算區(qū)域的鹽度基本大于30.5，淡水控制的面積很小，整個河口區(qū)域基本被海水所控制，其鹽度場分布結(jié)果如圖9所示。對鹽度范圍為28～30.5的區(qū)域面積進行計算，可得整個研究區(qū)域的魚類鹽度適宜范圍水域面積僅有47.4km3，且基本沿岸分布。

表3 模擬評估方案設(shè)計

正常情況下，在淡水入流為零時，通過足夠時間的模擬，整個計算區(qū)域應(yīng)該不會出現(xiàn)28～30.5鹽度，這里出現(xiàn)的低鹽度區(qū)域結(jié)果主要由于以下兩個原因產(chǎn)生的。一是因為岸邊界的鹽度為零，過渡到水邊界后鹽度不可能一下子升為30.5，中間有些鹽度插值過渡帶，這就造成了近岸區(qū)域出現(xiàn)低鹽區(qū)域，當(dāng)然這也更符合近岸實際情況，因為現(xiàn)實情況下近岸還是有一定的淡水進入，稀釋鹽度。二是模擬時間還不夠長，近岸水域鹽度沒有充分擴散混合，但從模擬結(jié)果看近岸區(qū)域鹽度梯度很大，應(yīng)該不是沒有充分混合的結(jié)果，鹽度穩(wěn)定性分析也說明了這點。因此，有必要將這個面積作為背景值，其它流量方案結(jié)果減去這個背景值后為實際的魚類鹽度適宜范圍面積。

當(dāng)汛期流量為30m3/s時，其鹽度適宜范圍面積能迅速增加到300.5km2（如圖10），考慮流量為零時的背景值，實際魚類鹽度適宜范圍面積也能達到253.1km2。這說明，適當(dāng)提高漳衛(wèi)新河入海水量能明顯改善河口生態(tài)狀況，特別是在枯水季節(jié)。

圖9 淡水入海流量為0時漳衛(wèi)新河河口鹽度分布

圖10 淡水入海流量為30m3/s時漳衛(wèi)新河河口鹽度分布

歷史來水方案選定的是水資源開發(fā)利用相對較小的20世紀60年代，當(dāng)時漳衛(wèi)新河河口區(qū)域生態(tài)狀況相對較好，按當(dāng)時海河流域的入海水量及鹽度調(diào)查結(jié)果，整個渤海灣淡水濃度都還在較低的范圍，而目前漳衛(wèi)新河河口區(qū)域的鹽度已經(jīng)普遍升高，研究中所選用的模型初始場及外邊界場也都為現(xiàn)狀條件下的鹽度情況，因此重現(xiàn)歷史時期的鹽度分布范圍已經(jīng)不太現(xiàn)實。本研究分析歷史來水方案的目的主要是考慮在當(dāng)前鹽度升高的背景下，歷史來水方案對比現(xiàn)狀來水，漳衛(wèi)新河河口區(qū)域鹽度分布有何區(qū)別。同時，在實際生態(tài)需水標準確定中，以歷史來水方案作為參考，分析生態(tài)需水確定的合理性。

從結(jié)果上看，歷史來水大于現(xiàn)狀來水，其魚類鹽度適宜范圍面積也相應(yīng)較大。汛前期流量為15m3/s時，其鹽度適宜范圍面積為150.1km2，減去背景面積，其實際面積為102.7km2，而在汛期流量達135m3/s時，其鹽度適宜范圍面積為724.3km2（如圖11），實際面積可達676.9km2。

而在短期洪水方案下，雖然入海水量有了很大的提高，但其鹽度適宜范圍面積卻沒有明顯的增加，模擬結(jié)果為546.5km2，實際鹽度適宜范圍面積約500km2（圖略）。這與歷史汛期流量135m3/s方案面積減少約177.7km2，與總水量一致的情景（流量為100m3/s、模擬30d）相比，其鹽度適宜范圍面積也減少約88.3km2左右。這說明當(dāng)前條件下，漳衛(wèi)新河口區(qū)域鹽度適宜范圍面積有一個峰值。

5.3 漳衛(wèi)新河河口近岸海域生態(tài)需水確定對漳衛(wèi)新河口不同來水方案下河口生態(tài)狀況進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，河口生態(tài)狀況隨著入海水量的不斷增加而發(fā)生明顯改變。因此，在上述來水方案的基礎(chǔ)之上，增加模擬了5m3/s、10m3/s、60m3/s、100m3/s、160m3/s及200m3/s幾種流量的結(jié)果。根據(jù)這些結(jié)果，分別計算鹽度在28～30.5之間的鹽度適宜范圍面積，其面積與入海水量的相關(guān)關(guān)系如圖12所示。

圖11 淡水入海流量為135m3/s時漳衛(wèi)新河河口鹽度分布

圖12 入海水量與鹽度適宜范圍面積關(guān)系

從圖中可以看出，流量與鹽度適宜范圍面積呈明顯的S型，在流量在160m3/s左右，鹽度適宜范圍面積出現(xiàn)一個峰值，可以定此入海流量為最適入海流量。同時，流量大于135m3/s后，河口鹽度適宜范圍面積基本穩(wěn)定在一個較高值，因此可認為該流量以上為適宜的入海流量范圍。另外，從圖中還可以看出在流量為10m3/s左右時有一個面積迅速增加的拐點流量，在這個流量以上，鹽度適宜范圍面積能夠迅速增加，而在這個流量以下，河口的鹽度適宜范圍面積接近最小，因此這個流量是生態(tài)效益最高的流量，可認為是維持河口咸淡水生態(tài)環(huán)境的最小流量。

目前，現(xiàn)狀來水很難達到最適入海流量，而對于最小生態(tài)流量只要通過合理控制，應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)。相較而言，歷史來水方案下，非汛期流量都在最小生態(tài)流量以上，且汛期平均流量也基本處于最適入海流量范圍之內(nèi)，這可能是歷史時期河口生態(tài)系統(tǒng)得以較好維持的一個關(guān)鍵因素。這也說明模擬得出的漳衛(wèi)新河口最小生態(tài)流量10m3/s，最適生態(tài)流量160m3/s是較為合理可信的結(jié)果。

根據(jù)計算出的最小生態(tài)流量與最適生態(tài)流量，對漳衛(wèi)新河口年需水量及需水月過程進行推算，來水月過程比例按秤勾灣水文站實測天然來水過程。其中最小生態(tài)需水量，以月過程中最小來水月份滿足最小生態(tài)流量為基準，其它月份按比例計算。適宜生態(tài)需水量以月過程中最大來水月份滿足最適生態(tài)流量為基準，其它月份按比例計算。計算所得漳衛(wèi)新河河口近岸海域生態(tài)需水量如表4所示。

表4 漳衛(wèi)新河河口近岸海域生態(tài)需水量

根據(jù)計算結(jié)果，僅從單條河流看，漳衛(wèi)新河口9.4～15.2億m3的生態(tài)需水量偏高，但對于整個河口影響海區(qū)看，漳衛(wèi)新河口海區(qū)包括漳衛(wèi)新河口、徒駭馬頰河河口等鄰近河口。因此，這個生態(tài)需水量是漳衛(wèi)新河及鄰近河流共同生態(tài)需水量，假設(shè)漳衛(wèi)新河與徒駭馬頰河均分，則漳衛(wèi)新河需水量在4.7～7.6億m3之間，而該值也基本與“水資源綜合規(guī)劃”提出的海河流域漳衛(wèi)新河5億m3及徒駭馬頰河5億m3的生態(tài)需水目標一致。另外，這也與孫濤等[10]計算的漳衛(wèi)新河河口生態(tài)需水最小4.96億m3，最優(yōu)8.15億m3相近。

6 結(jié)論

目前漳衛(wèi)新河河口近岸海域生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，水資源極其緊缺，水環(huán)境問題突出。由于上游閘壩的控制，漳衛(wèi)新河河口近岸海域入海水量明顯減少，入海過程發(fā)生改變。本文研究表明，現(xiàn)狀來水方案下河口主要受潮汐控制，魚類鹽度適宜范圍面積較小，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，而在歷史來水條件下，河口生態(tài)環(huán)境明顯較好，淡水影響面積增加。根據(jù)河口入海水量與鹽度適宜范圍面積的相關(guān)關(guān)系確定漳衛(wèi)新河口最小生態(tài)流量為10m3/s，而最適生態(tài)流量為160m3/s。整個研究海區(qū)最小生態(tài)需水量為9.4億m3，最適生態(tài)需水量為15.2億m3。

致謝：本論文得到了太原理工大學(xué)郝瑞霞老師的指導(dǎo)與幫助，在此表示感謝！

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