高度人工化城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量計(jì)算方法

華祖林，董越洋，褚克堅(jiān)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

城市河流是城市景觀環(huán)境的重要依托和歷史文化的重要載體，也是城市品質(zhì)的重要標(biāo)志之一，具有強(qiáng)烈的社會(huì)屬性。我國(guó)城市河流面臨著污染負(fù)荷日益加重、河道內(nèi)水量被社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水大量擠占、生態(tài)流量與生態(tài)水位難以保障的困境，從而導(dǎo)致了河流水質(zhì)惡化、水生生物銳減、生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重傷害了城市河流功能。為了城市防洪排澇安全，許多城市河流進(jìn)行了大量的人工改造，出現(xiàn)了高度人工化城市河流，對(duì)于其生態(tài)水位和生態(tài)流量的計(jì)算目前還沒(méi)有很好的方法，究其原因在于高度人工化城市河流有著其顯著的特點(diǎn)和特定的生態(tài)功能與服務(wù)需求，具體表現(xiàn)為：①河道徑流高度人工控制，閘壩分布密集，水文情勢(shì)發(fā)生巨大改變，造成河流上下游水文、水力、生態(tài)等參數(shù)的不連續(xù)性，流量與水位關(guān)系已經(jīng)不對(duì)應(yīng)，這就決定了河流生態(tài)需水的計(jì)算必須同時(shí)給出生態(tài)流量和生態(tài)水位，并根據(jù)人工控制情況，分不同河段進(jìn)行計(jì)算；②高度人工化城市河流生物多樣性銳減，物種相對(duì)單一，有著明顯的同質(zhì)性生境通道，不像自然河流，即使恢復(fù)到原有的流量與水位，也難以恢復(fù)原有的生物種類，因此現(xiàn)實(shí)的生態(tài)功能和目標(biāo)應(yīng)為維持河道內(nèi)主要水生生物(如魚(yú)類等)和河道岸灘植物生境等；③對(duì)城市河流而言，維持良好景觀，保障水體功能，實(shí)現(xiàn)人水相親，服務(wù)于城市居民，是其生態(tài)服務(wù)功能的最為集中與重要的體現(xiàn)；④由于人為的阻隔作用，造成城市河流河水大多呈滯流狀態(tài)，死水區(qū)增多，水體自然復(fù)氧困難，加之入河污染物排放，水質(zhì)惡化，極易誘發(fā)藍(lán)藻暴發(fā)。

對(duì)于城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的嘗試，如Souter等[1]基于河流天然節(jié)律，將水文情勢(shì)分為5組28個(gè)參數(shù)，分別從流量、時(shí)間、頻率和變化速率等方面分析了澳大利亞Murray河受嚴(yán)格管控后水文情勢(shì)的變化，并以恢復(fù)天然水文情勢(shì)為生態(tài)目標(biāo)計(jì)算了生態(tài)流量；Hough等[2]基于生物習(xí)性的生態(tài)流量推求方法[3-5]利用SRH-2D和CASiMiR模型構(gòu)建了適用于英格蘭西北部某河流的水生態(tài)模型，通過(guò)流速偏好得到水生生境適宜度曲線，評(píng)估并提出了研究地點(diǎn)的生態(tài)流量；張士峰等[6]根據(jù)人工重建河道生態(tài)目標(biāo)，考慮生態(tài)基流、水面蒸發(fā)和植被耗水等多個(gè)要素，計(jì)算了永定河北京段生態(tài)需水量；楊毓鑫等[7]從湖泊形態(tài)、最小空間需求以及生態(tài)需求等角度推求了洞庭湖的生態(tài)水位，對(duì)城市河流生態(tài)水位的計(jì)算有一定的借鑒作用；涂晶晶等[8]基于河流天然流量的基本特征，構(gòu)建了河流生態(tài)流量特征圖，建立了判斷生態(tài)流量滿足程度的生態(tài)需水綜合指標(biāo)。但是在高度人工化城市河流中，水文情勢(shì)已明顯不同于自然河流，難以以此來(lái)推求生態(tài)流量；城市河流生物多樣性已顯著減少，若僅依據(jù)生物習(xí)性推算生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果的可靠度難以保證；城市河流生態(tài)流量計(jì)算還應(yīng)適當(dāng)考慮城市生態(tài)景觀這一極其重要的目標(biāo)，同時(shí)關(guān)注高度人工化城市河流生態(tài)水位與生態(tài)流量不對(duì)應(yīng)的特性。

本文針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，根據(jù)高度人工化城市河流的顯著特點(diǎn)和特定的生態(tài)功能，提出了一種既考慮維護(hù)其基本生態(tài)功能，又滿足特定服務(wù)需求為關(guān)注點(diǎn)的計(jì)算方法，并以南京市秦淮河為例，對(duì)所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，為高度人工化城市河流的生態(tài)需水計(jì)算進(jìn)行了一次有益的探索。

1 計(jì)算方法

1.1 生態(tài)水位和生態(tài)流量的內(nèi)涵

高度人工化城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量?jī)?nèi)涵是指為保障城市河流各項(xiàng)生態(tài)功能正常發(fā)揮，必須同時(shí)滿足的一定水深、流速、水質(zhì)和水量條件。城市河流生態(tài)功能包括：①連通性功能。維持城市河流連通性功能在于有一定水深以維持河流基本形態(tài)穩(wěn)定，并以一定流速保持河道流動(dòng)性，維持河道廊道暢通，這是因?yàn)樵诟叨热斯せ鞘泻恿髦校颠B通受阻，水體流動(dòng)性受限。②水生生物生境功能?？紤]到城市河流生物多樣性已經(jīng)急劇下降，城市河流水生生物生境功能主要目標(biāo)為維持河道內(nèi)主要水生生物(如魚(yú)類等)和河道岸灘植物生境等，保障魚(yú)類和植物的生長(zhǎng)空間和適宜的水流條件。③景觀娛樂(lè)功能。景觀娛樂(lè)功能是城市河流最為主要的生態(tài)服務(wù)功能，其始于城市居民對(duì)河流自身的景觀美學(xué)感受，尤為注重視覺(jué)感知和嗅覺(jué)體驗(yàn)，要求河流應(yīng)具有一定的水面面積、水深和水質(zhì)條件。④抑制高度人工化城市河流在滯流狀態(tài)下可能的藻類暴發(fā)性生長(zhǎng)。

1.2 生態(tài)水位計(jì)算方法

a. 維持城市河流連通性的生態(tài)水位H1，具體指維持河流的基本形態(tài)的水位。河流水面寬度是表征城市河流形態(tài)與廊道通道功能完整性的重要因子，直接受河道水位過(guò)程控制。河流水面寬度與水位之間通常呈非線性正相關(guān)關(guān)系，其變化率存在一個(gè)高值區(qū)，此高變化率相應(yīng)河道水位以下，水位降低到某一水位時(shí)，水面寬度的減少量將顯著增加，河流生態(tài)功能的減少量也將隨之顯著上揚(yáng)。以河道水位為控制指標(biāo)，河流水面寬度為功能指標(biāo)，通過(guò)建立河道控制斷面水位與水面寬度的關(guān)系曲線，識(shí)別水面寬度出現(xiàn)急速退化情形所對(duì)應(yīng)的臨界水位，以此作為維持河道連通性的生態(tài)水位。

b. 維持城市河流河道內(nèi)魚(yú)類生境的生態(tài)水位H2。H2的計(jì)算需要考慮魚(yú)類生命各階段所必要的生存水深，以及游魚(yú)垂向轉(zhuǎn)身需要的水深(為魚(yú)類體長(zhǎng)的2～3倍(平均體長(zhǎng)按70～80 cm計(jì)))。參考國(guó)內(nèi)外魚(yú)類生態(tài)學(xué)[9-10]研究的成果，魚(yú)類適宜水深取為：產(chǎn)卵期(3～6月)和幼魚(yú)期(7～9月)大于或等于0.9 m；成魚(yú)期(10月至次年2月)大于或等于0.8 m。垂向轉(zhuǎn)身水深取為魚(yú)類平均體長(zhǎng)的 2～3倍。

c. 維持城市河流河道岸灘植物生境的生態(tài)水位H3。H3可以根據(jù)各類水生植物適生水深，結(jié)合生長(zhǎng)區(qū)域和分布的高程范圍進(jìn)行估算。例如，挺水植物蘆葦、水花生等(生長(zhǎng)期6—8月)適生水深取 20～40 cm；草本植物高羊茅、一年蓬、水蓼等(生長(zhǎng)期6—8月)適生水深取10～20 cm；浮水植物鳳眼蓮等(生長(zhǎng)期6—10月)適生水深取20～80 cm。

d. 維持河流景觀娛樂(lè)的生態(tài)水位H4。H4的計(jì)算側(cè)重于居民的審美需求，可以從市民親水、游船航行等多角度進(jìn)行主觀定性分析：

H4=max(H5，H6，H7)

(1)

式中：H5為親水平臺(tái)要求，有研究[11]表明水面距親水平臺(tái)下約0.5 m，景觀娛樂(lè)效果最佳；H6為旅游觀光游船航行要求水深，水深1.5 m左右即可滿足小型游船航行要求；H7為城市雨水排入河口高度限制要求水深。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，可得河段生態(tài)水位H：

H=max(H1，H2，H3，H4)

(2)

1.3 生態(tài)流量計(jì)算方法

維持河流連通性、生物生境、景觀娛樂(lè)等功能的生態(tài)流量Q1，可基于生態(tài)水位、生態(tài)流速及河道控制斷面參數(shù)確定。Q1的計(jì)算關(guān)鍵在于生態(tài)流速的確定。流速是維持河流水系連通、保持河流生物生境功能以及營(yíng)造河流景觀的一個(gè)重要因子，其計(jì)算公式為

v=max(v1，v2，v3)

(3)

式中：v為河流生態(tài)流速；v1為維持河流連通性生態(tài)流速，可保持河道流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)暢通流動(dòng)，另外一定的流速可提高河流的復(fù)氧量，增強(qiáng)河流的自凈能力[12]；v2為魚(yú)類適宜流速，在魚(yú)類生命各階段中，產(chǎn)卵期對(duì)流速最為敏感，按實(shí)測(cè)與相關(guān)研究成果推算，流速0.1～0.2 m/s為宜；v3為抑制藻類繁殖流速。藻類的生長(zhǎng)繁殖機(jī)理十分復(fù)雜，其發(fā)生機(jī)制和過(guò)程尚不清楚，已有研究[13]表明，流速、水溫和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是決定藻類生長(zhǎng)的主要因素，其中水體流動(dòng)可以有效抑制藻類的大量繁殖；一般認(rèn)為，當(dāng)流速大于0.1～0.2 m/s，可以明顯抑制藻類過(guò)量繁殖[14-16]。

由于城市河流一般會(huì)存在排污口，計(jì)算生態(tài)流量時(shí)還應(yīng)當(dāng)充分考慮各功能正常發(fā)揮下的自凈需水[17]，即環(huán)境需水量Q2。Q2常常采用一維水質(zhì)模型[18]來(lái)估算，計(jì)算公式為

(4)

式中：ρs為河段終止斷面的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0為河段起始斷面的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；ρi為排污口i排放的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；qi為排污口i排入河流的水量，m3/s；Li為排污口i距離終止斷面的長(zhǎng)度，km；L為河段總長(zhǎng)，km；u為河段平均流速，m/s；K為綜合衰減系數(shù)，d-1;n為排污口總數(shù)。

河流生態(tài)流量Q為

Q=max(Q1，Q2)

(5)

2 計(jì)算案例

2.1 秦淮河概況

以江蘇省南京市秦淮河為例進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。秦淮河素有“十里秦淮”之稱，具有厚重的文化歷史韻味，近年來(lái)南京市大力建設(shè)林蔭大道和綠地，構(gòu)建層次豐富、各有特色的濱水景觀節(jié)點(diǎn)，打造水上游船線路，恢復(fù)重塑秦淮河風(fēng)光帶。確定并保障生態(tài)水位與生態(tài)流量對(duì)城市品質(zhì)提升有著重要的作用。

南京市秦淮河是秦淮河流域中下游河道，指前垾村以下南京城區(qū)秦淮河段，屬于典型的高度人工化城市河流(圖1)。南京市秦淮河河網(wǎng)交錯(cuò)縱橫，主要包括秦淮河和秦淮新河兩條二級(jí)河道，以及若干條五級(jí)、六級(jí)河道，主要河道的基本特征值見(jiàn)表1。河道上閘壩分布密集，大大小小泵站有十幾座，主要控制性水工建筑物有武定門樞紐、三汊河口閘和秦淮新河樞紐。

圖1 秦淮河水系

表1 秦淮河主要河道特征值

秦淮河內(nèi)生物多樣性較弱，魚(yú)類以鯽、青、草等常見(jiàn)魚(yú)種為主，浮游植物以藍(lán)藻和硅藻門占優(yōu)勢(shì)，河道內(nèi)葉綠素a最高檢出36.50 mg/m3，富營(yíng)養(yǎng)化程度整體較高，每年均有不同程度的藍(lán)藻水華暴發(fā)，這些都嚴(yán)重?fù)p害了河流健康和城市形象。河道外部分有岸灘濕地分布，但植物群落組成單一且缺乏沉水植物，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，生物量貧乏。

2.2 計(jì)算結(jié)果

將南京市秦淮河人工控制情況按表1劃分為4段，生態(tài)水位和生態(tài)流量也相應(yīng)逐段進(jìn)行計(jì)算。限于篇幅，生態(tài)水位計(jì)算以秦淮河上段為例,生態(tài)流量計(jì)算以外秦淮河為例。

秦淮河上段采用典型大斷面(圖2)為該河段生態(tài)水位控制斷面，計(jì)算不同水位下該控制斷面對(duì)應(yīng)的水面寬度，并建立兩者關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，水面寬隨水位的降低而減小，其變化率在高程3.2 m水位處有一拐點(diǎn)，當(dāng)水位低于3.2 m時(shí)，河流水面寬隨水位降低的減少量將顯著增大，即維持城市河流連通性的生態(tài)水位為3.2 m。根據(jù)前述魚(yú)類適宜水深，由河道斷面形態(tài)特征，并考慮一定的安全余量，計(jì)算出維持魚(yú)類生境的水深為1.5 m，換算成生態(tài)水位為5.3 m?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘與不同時(shí)期衛(wèi)星影像調(diào)查資料分析表明，秦淮河上段堤壩內(nèi)岸灘分布有蘆葦、高羊茅、一年蓬、鳳眼蓮、水花生、水蓼等大型水生植物，生長(zhǎng)區(qū)域主要位于5.3～6.5 m高程之間的河道灘地。根據(jù)前述相關(guān)水生植物適生水深，結(jié)合植被的高程分布，可推算秦淮河上段維持岸灘水生植物生境的最小生態(tài)水位約為5.5 m，則秦淮河上段維持河流生物生境的生態(tài)水位為 5.5 m。景觀生態(tài)水位按式(1)計(jì)算，調(diào)查秦淮河沿線親水平臺(tái)、觀光游船和市政排水，H4約為6.8 m。綜合以上計(jì)算結(jié)果，由式(2)計(jì)算得到秦淮河上段生態(tài)水位H=6.8 m。

圖2 秦淮河上段典型大斷面

圖3 秦淮河上段大斷面水面寬與水位的關(guān)系

同理可計(jì)算得秦淮河下段、外秦淮河和秦淮新河的生態(tài)水位分別為6.7 m、6.3 m和6.7 m。

對(duì)于生態(tài)流量，由式(3)計(jì)算得外秦淮河生態(tài)流速v=0.1 m/s，這與王超等[19]提出的將 0.1 m/s 作為維持城市河流生態(tài)系統(tǒng)的最小參考流速一致。基于生態(tài)水位、生態(tài)流速和控制斷面，得Q1=26.5 m3/s；由圖1中的概化排污口，按式(4)計(jì)算得到Q2=20 m3/s。綜合以上計(jì)算結(jié)果，由式(5)可得到外秦淮河段生態(tài)流量Q=26.5 m3/s。

同理，可計(jì)算得秦淮河上段、秦淮河下段和秦淮新河生態(tài)流量分別為20.8 m3/s、25.8 m3/s和 19.1 m3/s。

2.3 計(jì)算結(jié)果合理性分析

Tennant法[20-21]是應(yīng)用最廣泛的水文學(xué)法，是依據(jù)觀測(cè)資料而建立起來(lái)的流量和棲息地質(zhì)量之間的關(guān)系來(lái)確定生態(tài)流量的方法。Tennant法使用歷史流量資料來(lái)確定生態(tài)需水，使用簡(jiǎn)單、方便，通常可作為其他方法的檢驗(yàn)方法。將本文方法與Tennant計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2，對(duì)比發(fā)現(xiàn)4個(gè)河段采用本文方法得到的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果均介于Tennant方法計(jì)算結(jié)果的40%～60%之間，即Tennant標(biāo)準(zhǔn)的“好”和“非常好”之間，計(jì)算結(jié)果合理，由此證明本文方法合理可靠。

表2 兩種方法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了高度人工化城市河流的特點(diǎn)及生態(tài)功能需求，解析了城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量的內(nèi)涵，針對(duì)目前城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量確定方法的欠缺，從維持河流連通性、河道內(nèi)主要生物生境、城市景觀娛樂(lè)、水質(zhì)保障以及抑制可能的藍(lán)藻暴發(fā)等角度，嘗試性地提出了一種高度人工化城市河流生態(tài)水位和生態(tài)流量的計(jì)算方法。以南京市秦淮河為例，分別計(jì)算得到了秦淮河上段、秦淮河下段、外秦淮河和秦淮新河4個(gè)河段的生態(tài)水位分別為6.8 m、6.7 m、6.3 m和6.7 m，生態(tài)流量分別為 20.8 m3/s、25.8 m3/s、26.5 m3/s和19.1 m3/s，并利用Tennant法檢驗(yàn)了其合理性，可為像南京市秦淮河等我國(guó)高度人工化城市河流的生態(tài)水位和生態(tài)流量的確定提供參考。