漳卫南运河环境流量研究（于伟东,田术存,吴晓楷）

摘要: 河流生态需水量和环境流量是当前的研究热点。环境流量是河流水生态恢复和保护首先解决的问题。河流生态需水量和环境流量的计算方法很多，但是普遍存在与水资源配置单元和时间结合不足、未考虑不同河段的因生态功能不同产生的生态需水量差异、与水资源配置和管理目标不协调的不足等问题，导致研究结果的实际应用性较差。本文以海河流域代表性河流－漳卫南运河为例，根据流域50多年水文观测和还原资料，以水流情势为基础，考虑河源、上、中、下游和河口的不同水文特征、生态环境特点，确定了漳卫南运河的环境流量，具有很强的实践性和实用性，对于流域水资源管理、水生态恢复和保护实践具有很强指导意义。
关键词：生态需水量，环境流量，漳卫南运河，水资源

1概述

早期的生态需水量和河流环境流量研究主要针对鱼类、野生动物和底栖生物对流量的需求，其中尤其是对鱼类和流量关系研究较多。20世纪40年代美国鱼类和野生动物保护协会最早提出了最小环境流量概念[1]。随着实践发展，研究范围逐渐扩大，生物栖息地、洪泛区、湿地、河岸植被等的生态需水也有了较深入的研究。到20世纪90年代，研究的对象开始打破过去局限于所关心的物种（如鱼类）或某一单一目标的情景，开始考虑维持河流系统完整性的生态流量需求[2,3,4]。近年来，国际河流生态需水量的研究上注重与水资源管理目标的结
合，注重与水资源配置关系的研究，生态流量方案的制定向科学性、民主性、经济可行性和管理可操作性转变。如张国芳等编译的世界自然保护联盟“环境流量－河流的生命”（Flow: The essentials of Environmental Flows），对环境流量内涵、流量的评估确定、水利工程改建、政治政策法律保障、经济效益分析等进行全面的分析论证，形成较完整的理论和实施体系，对生态水量管理的实践指导性非常强[5]。澳大利亚墨累河（River Murray）环境评价工作（MDBC,2003）中提出“环境流量－河流生命”：在有竞争性用水需求的河流、湿地和沿海地区，除了获取水的社会和经济效益之外，在可能的范围内实施水量调配以保障可以维系生态系统健康状况及其效益的水流［5］。国外河流生态需水量的研究已经进入到研究与应用和实践密切结合的新阶段。

我国20世纪70年代开始关注河流最小流量问题[1]。近年来，河流生态需水量的研究较多，取得了很大进展[6，7，8，9，10，11，12],但总体上河流生态需水量的理论体系还处在不断发展和完善中，对河流环境流量研究相对较少，生态需水量的计算还处于定性和宏观定量研究阶段中，河流生态需水量的确定与水资源配置单元和时间结合不足，未考虑不同河段因生态功能不同而产生的需水量差异，而且与水资源配置和管理目标协调不足，研究结果的实际应用性较差，与河流水生态恢复和保护的实践需要还有一定差距。世界范围内，中国水问题最为复杂，“水多、水少、水脏、水混”问题并存，其中海河流域的水少和水脏问题特别突出，水生态系统恶化形势极为严峻。漳卫南运河是海河流域的典型河流，水资源缺乏和水污染问题在海河流域乃至北方河流中极具代表性。本文结合流域水资源管理和保护目标，研究漳卫南运河的环境流量问题，具有很强的实践性和应用性，对于海河流域水资源管理、河流生态恢复和保护实践具有很强的指导意义。

2河流生态需水和环境流量

2.1 河流生态需水量

河流是自然界最重要的生态系统之一，具有输水、输沙、泄洪、景观、航运、生态等多种功能，为满足河流系统各项基本功能必需的水量就是河流的生态需水量，主要包括维持各项生态功能的水量和为保持各项生态功能所消耗的水量[12]。从河流角度讲，河流生态需水量应该是保障“健康工作河流”(health working river )的需水量，能够确保人类拥有持续的财富、干净的水及良好的环境[5] 。河流具有很强的地域性特征，流域的自然地理、气候、地质和土地利用等决定着径流、河道、基质类型、水沙特性等物理及水化学特征。对于水资源丰沛的河流来说，应注重考虑的是生态系统的需求，而对于水资源匮乏的河流而言，则要综合考虑经济社会发展、水循环系统以及维持河流生态基本功能等多方面的需求。

2.2 环境流量

环境流量就是保证河流生态功能的流量，应包括二个方面，一是径流总量；二是水文情势，即流量的时间、空间分配。径流是评价河流生态系统的重要指标，水流是河流生态系统的主导变量，恢复河流生态系统的功能，径流条件始终是基础和前提。天然水流是维系河流特征所需环境条件的基础，使河流的水流尽可能的接近天然流态以维持所有物种的生存、保护、修复河流生态系统的完整性和生物多样性是河流生态保护的最高目标[5]。对于河流生态恢复实践来讲，环境流量的实践性和应用性显然更强，更具体。

3河流生态环境流量的确定

河流环境流量确定的关键是确定维持河流最佳生态功能的径流量和确定保证河流生态功能的最小流量。河流生态环境流量计算方法可以分为三大类。一是水文方法，如Tennant法、Montana法和7Q10法，根据河道水文径流的历史资料来确定最小河流生态环境；二是水力学法，如R2CROSS和湿周法等，根据水力学现场数据来检验河流流量与鱼类栖息地指示因子的关系，确定流量所需的最小流量标准值；三是生态学方法。生态学方法主要是基于生态管理的目标。生态学方法的优势是直接针对目前系统的生态价值和现存问题，如水禽对水的利用状况、濒危物种或种群的现状、侵入物种的表现等进行研究。河道内流量增加法（IFIM）、CASIMIR法（Computer Aided Simulation Model for Instream flow Requirements in diverted stream）、BBM法（the Building Block Methodology），又称地形结构法(Geomorphological Framework method)。

国际研究经验表明，河道内径流为50%保证率河道流量的百分之十（即百分之九十为河道外耗水）是保持大多数水生生物在全年生存所推荐的最低径流量，保持大多数水生动物有良好的栖息条件和一般的娱乐活动所推荐的基本径流量是河道内径流为50%保证率河道流量的百分之三十至百分之五十。目前国际上公认的关于水资源开发利用标准是不超过40%阈值。钱正英院士认为我国因为水资源紧张，一般水资源开发利用可以采取60%～70%的标准。

4河段生态功能与环境流量

河流一般具有河源、上、中、下游和河口的空间结构。一般来讲，河流上游比降大，流速大，河槽多为基岩或砾石；中游比降和流速减小，流量加大，冲刷、淤积都不严重，但河流侧蚀有所发展，河槽多为粗砂；下游比降平缓，流速较小，但流量大，淤积占优势，多浅滩或沙洲，河槽多细砂或淤泥。不同河段在河流生态系统中具有不同生态功能，具有不同的水文特征、生态环境特点。同时，河流具有很强的地域性，世界上大多数河流具有季节和丰枯水差异，如海河流域丰水期6、7、8月降雨占全年70－80％，径流丰枯差异非常显著。因此，环境流量的确定应该反映河段的生态功能，并应考虑丰枯水期差别。

5河流生态恢复目标等级

海河流域水资源开发普遍超过合理范围，河流生态环境破坏严重，参照DRIFT方法，从生态保护管理的角度，以水流情势为基础，量化流态变化的生态效应，依据河流流态的改变程度，对河流生态目标进行等级划分，分为A、B、C、D四级。详见表1

6漳卫南运河环境流量

6.1计算方法和步骤

（1）河流划分，选择控制断面。按照干流、一级支流、二级支流等河流分级，漳卫南运河二级以上河流进行统计划分：

①干流

卫运河（馆陶县徐万仓至武城县四女寺）

漳卫新河（武城县四女寺至无棣县辛集）

②一级支流

漳河（涉县合漳至馆陶县徐万仓）

卫河（新乡县合河至馆陶县徐万仓）

③二级支流

浊漳河（襄垣县合河口至涉县合漳村）

浊漳北源（榆社县柳树沟至襄垣县合河口）

浊漳西源（沁县漳源村至襄垣县甘村入浊漳河南源）

浊漳南源（长子县绛河里村至襄垣县合河口）

清漳河（左权县下交漳至涉县合漳村）

清漳东源（昔阳县漳曹村至左权县下交漳）

清漳西源（合顺县八赋岭至左权县下交漳）。

大沙河（陵川县夺火镇南岭至新乡市合河）

共产主义渠（新乡市合河至河南省浚县老观咀）

淇河（陵川县西马安至淇县淇门入卫河）

安阳河（林州市河顺至内黄县入卫河）

（2）控制断面水文资料统计和还原。水文站漳卫南运河流域内水文站点规划合理，水文资料50多年、月、日实测径流系列资料和还原资料，为环境流量确定提供优越的条件。

(3)可以根据天然水文特征，分别确定枯水期和汛期环境流量。漳卫南运河枯水期为10月至第二年5月，丰水期为6月至9月。漳卫南运河流域人类开发历史悠久，中下游河道经历大规模人工治理和开发，属于人工运河，设定生态流量的目标是创造适于水生生物生态环境。

(4)根据河流河段，结合漳卫南运河实际水文特征和水资源开发利用现状，研究确定漳卫南运河的河源、上游、中游、下游和河口段的环境流量系数。

①河源

流域河流的源头占据重要的生态地位，人为活动较少，其生态环境优劣影响和制约整个中下游地区的生态环境质量，河流等级为A级，基本上可以不用考虑生态恢复。主要河段为：清漳东源及各支流；清漳西源各支流；清漳东源（山西省昔阳县漳漕村至山西省左权县下交漳村）；清漳西源（山西省和顺县八赋岭至山西省左权县下交漳村）；浊漳北源及各支流；浊漳西源及各支流；浊漳南源及各支流；大沙河源头及各支流；淇河源头及各支流；安阳河源头及各支流；

②上游

紧邻源头地区，水资源供给相对比较丰富，同时对中下游地区有较大影响，河流等级为B级，生态环境基流保证系数分0.6。主要河段为：浊漳河（山西省襄垣县合河口至河北省涉县合漳村）；浊漳北源（山西省榆社县柳树沟至山西省襄垣县合河口）；浊漳西源（山西省沁县漳源村至山西省襄垣县甘村入浊漳南源）；浊漳南源（山西省长子县绛河里村至山西省襄垣县合河口）；清漳河（山西省左权县下交漳村至河北省涉县合漳村）；大沙河（山西陵川县夺火镇南岭至河南省新乡市合河）；淇河（山西省陵川县西马安至河南省淇县淇门入卫河）；安阳河（河南省林州市河顺至河南省安阳市彰武水库）；安阳河（河南省安阳市彰武水库至河南省内黄县入卫河）。

③中游：处于流域中部，既受到上游水利工程的影响，又对下游地区的水资源供给产生影响，河流等级为C级，生态环境基流保证系数枯水期为0.25，丰水期为0.4。主要河段有：漳河（河北省涉县合漳村至观台）；卫河（河南省新乡市合河至河北省馆陶县徐万仓）。

④ 下游：由于各种水利工程的影响，下游一般得不到足够的水资源补充，同时下游地区直接影响到河口地区生态环境，河流等级为D级，确定一个合适的生态环境基流。主要河段为：漳河（观台至河北省馆陶县徐万仓）；卫运河（河北省馆陶县徐万仓至山东省武城县四女寺枢纽）；漳卫新河（山东省武城县四女寺枢纽至山东省无棣县辛集闸）。考虑到卫运河、漳卫新河河槽稳定且不随时间变化，大部分应用于宽浅矩形渠道，采用R2CROSS单断面法确定生态基流量。

⑤河口：主要河段为漳卫新河河口（山东省无棣县辛集闸至山东省无棣县二道沟入海）。淡咸水交汇区，生物多样性丰富且生态环境脆弱，主要考虑冲淤水量、防止海水上溯水量、维持渤海湾的生态平衡水量。

6.2 环境流量

根据控制断面的水文月径流和生态流量系数，确定各河段生态流量。详见表2。

7讨论

7.1 成果分析

(1) 计算中径流系数参照了河流生态保护研究成果，因此成果符合一般河流的生态保护要求。同时，研究成果以控制水文站月还原径流量为基准，考虑天然河流水文频率的丰平枯径流和季节差异，符合天然径流特点，基本符合河流天然水文情势。

（2）环境流量计算均以水文控制断面为界，综合考虑水资源开发利用实际情况，注意与流域水资源配置相结合，成果具备很强的可操作性和实践性。

（3）该方法适用于水文测站充足、水文资料丰富的河流，计算方法简单、简捷，计算结果符合实际。我国水文站网规划、建设规范，水文资料系丰富，该方法具有很强的适用性，应用性强。

（4）计算成果将环境流量按月径流、年度径流进行了细化，对水资源的管理和配置提出了更高要求，同时也体现了河流生态保护和恢复的实践需要。

7.2 不足和展望

（1）由于本流域河流生物和生态保护研究基础差，径流开发系数的确定参照国际、国内环境流量的研究成果，河流生物和生态保护考虑不足，生物多样性考虑不足，建议进行河流综合评价，开展相关生态、生物保护研究，修正完善径流开发系数。

（2）未对环境流量的保证措施和实施方案进行研究，这应该是环境流量研究的一项重要内容。漳卫南运河属于水资源开发程度很高河流，水库众多，水库、水闸的生态调度应该是环境流量保障的重点。

参考文献

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