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苏北平原河网地区河道生态水位确定及保障研究以宿迁宿豫区为例

花匠小妙招
2024-09-18 18:50

0. 引　言

近年来，我国河湖生态环境保障工作不断加强，水生态状况得到初步改善[1]；但受自然禀赋条件限制、不合理开发利用及全球气候变化等影响，部分流域和区域生活、生产及生态用水矛盾仍然突出，河湖生态流量难以保障，河流断流、湖泊萎缩、生物多样性受损、生态服务功能下降等问题依然严峻[2]。近些年，国内学者在生态水位研究方面进行了大量实践与探索。余果等[3]基于程海湖河口水文站1985—2021年实测水位数据，采用最低年平均水位法、天然水位资料法、湖泊形态数据法对程海湖历史水位演变进行综合分析，得到程海湖最低生态水位；潘静也[4]采用滑动T检验和累积距平法，通过分析水位变化趋势，确定水位变异点，并以水位变异点为界，分别采用保证率法和年内展布法计算变异前后及长序列时段水利片内生态水位及年内过程，评估生态水位满足程度，为平原河网地区水生态环境保护、水资源调度决策提供了重要参考。毛莹等[5]认为水系生态环境需水具有时空性，单一的计算方法往往具有局限性和片面性，提出了运用多种水文学方法构建计算模型来确定生态水位。常用的河流生态流量计算方法有水文学法、水力学法、栖息地模拟法、整体法等。国内外虽然已形成多种成熟的河流生态流量计算方法，但各种方法本身仍存在一定不足，不同计算方法侧重点存在差异。由于本次研究区域内水文测验数据、生物数据资料有限，且考虑城区河道的功能定位及现状水位情况，因此基本生态水位的计算采用综合分析法，重点考虑水文、水生生物生长及景观3个要素。

本文以宿迁市海绵城市建设为契机，开展城市河湖生态水位控制研究。通过分析重要河道运行调度及水位流量变化情况，按照有关法律、法规、规程规范和相关上位规划要求，确定生态水位计算方法及水位控制断面等要素，充分考虑再生水的利用、补给对生态水位的影响，通过合理计算和协调分析，综合确定河道基本生态水位、目标生态水位。

1. 研究区域概况

宿豫区位于江苏宿迁市西北部，东经117°56′—118°35′、北纬32°48′—34°09′，东接沭阳县、泗阳县，西邻徐州市，全区行政面积685.82 km2（图1）。

本次生态水位控制研究涉及宿迁宿豫片9条河道（河段）（图2），分别为总六塘河（六塘河闸以上）、总六塘河（六塘河闸以下）、牡丹江河、嘉陵江河、黑龙江河、贺兰山河、泰山河、江山何、马河；区域内河道可分为4个蓄水梯级，分别为19.5 m、14.5 m、16.5 m、16.3 m（表1）。

宿迁市中心城区宿豫片已建成跨区域再生水输配主管道115 km，将原来排入西民便河、九支渠、马河、泰山河、山东河和利民河等河道的污水处理厂尾水处理达标后，通过压力管道统一输送至新沂河，为再生水跨区域利用配置提供了重要基础。据统计，2023年宿迁市中心城区污水处理量为11 633.3万t，再生水利用量为4 779.5万t，再生水利用率为41.08%。其中，工业生产再生水利用量为182.3万t，城市杂用（园林绿化、道路清扫等）再生水利用量为86.9万t，河道生态补水再生水利用量为4 510.3万t。

蓄水梯级常水位涉及河道（河段）控制断面河道底高程 Ⅰ 19.5 总六塘河（六塘河闸以上）六塘河闸上 13.0 Ⅱ 14.5 总六塘河（六塘河闸以下）六塘河壅水闸下
13.0 Ⅲ 16.5 牡丹江河牡丹江河闸上 13.5 嘉陵江河嘉陵江河闸上 14.8 黑龙江河黑龙江河闸上 14.0 贺兰山河贺兰山河蓄水闸 14.2 泰山河泰山河闸上 14.0 Ⅳ 16.3 江山何武夷山闸上 14.0 马河马河地涵下 14.3

2. 研究方法

2.1 生态水位控制断面确定

河道生态水位控制断面[6]选取原则主要参考《河湖生态环境需水计算规范》（SL/T 712—2021），具体原则如下：河道控制断面选取应具有代表性。控制断面原则上应为水文监测断面，宜选取跨行政区控制断面、把口断面（入海、入干流、入尾闾）、重要生态敏感区控制断面、重要控制性水工程控制断面等；较长或水文情势复杂，以及生态敏感保护对象较多的河流（河段）应选择多个控制断面。

根据上述生态水位控制断面确定原则，结合片区河道调度运行与梯级蓄水情况，宿豫片9条河道（河段）共选取9个控制断面（表1）。

2.2 生态水位计算方法 2.2.1 水文因素分析生态水位H1

目前8条河道中大部分河道并未设置水位监测站点，基本生态水位的计算方法应根据有无水位监测站点，分别进行确定。

（1）有水位监测站点的，分以下两种情况进行确定。

① 90%保证率最低水位：对于水位监测资料序列长度超过10年的河道，为反映季节的变化，选择以月为单位，求各月逐日水位的平均值，通过经验频率计算、配线过程，选取90%频率对应的水位作为河道的基本生态水位。

式中：m为月平均水位排列序数；n为样本容量。

② 最枯月平均水位：对于水位监测资料序列长度为10年或小于10年的河道，以最枯月平均实测水位的多年平均值作为河道的基本生态水位，计算公式为：

式中：ˉZmin为各年最小月实测水位；n为年数。

（2）对于干流无水文监测站点，且主要依靠天然降水补给的河道，选用代表雨量站近30年以上的90%保证率下最枯月的降雨量与该流域面积、径流系数的乘积作为该河道的生态流量，采用明渠恒定均匀流公式及迭代法推算河道水深，结合河底高程，得到基本生态水位。

h(j+1)=(nQ√i)0.6(b+2h(j)√1+m2)0.4(b+mh(j))

式中：A为河道断面面积，m2；h为河道水深，m；b为河道底宽，m；χ为湿周；m为边坡系数；i为河底坡降；n为河底糙率；Q为河道断面流量，m3/s；j为迭代步数。

2.2.2 维持水生生物基本生存条件生态水位H2

（1）维持城市河流河道内鱼类生境的生态水位h1。根据《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南》和鱼道相关研究成果[7]，鱼类生存水深的下限约为鱼类体长的3倍。参考国内外鱼类生态学研究的成果，鱼类适宜水深取为：产卵期（3—6月）和幼鱼期（7—9月）大于或等于0.9 m，成鱼期（10月至次年2月）大于或等于0.8 m，垂向转身水深取鱼类平均体长的2～3倍[8]。

（2）维持城市河流河道岸滩植物生境的生态水位h2。h2可以根据各类水生植物适生水深，结合生长区域和分布的高程范围进行估算。如挺水植物芦苇、水花生等（生长期6—8月）适生水深取0～40 cm，草本植物高羊茅、一年蓬、水蓼等（生长期6—8月）适生水深取10～20 cm；浮水植物凤眼莲等（生长期6—10月）适生水深取20～80 cm[9]。

考虑鱼类和个水生植物的生存需求，可得出生态水位H2=max（h1，h2）

2.2.3 景观因素分析生态水位H3

对于仅具有一般景观功能的河流，根据专家评定、公众调查和经验法确定可满足景观需求的最低水深为0.3 m；对于兼具景观和娱乐功能的水体，可满足划船需求的最低水深为0.7 m，可满足游泳的最低水深为1.0 m[10]。由于研究区内的河道仅具有一般景观功能，故取生态水位0.3 m。

综合以上计算结果，可得到河段生态水位H=max（H1，H2，H3）。

3. 结果与分析

3.1 生态水位确定

根据河道实际运行情况及水文测验数据、生物数据资料、河道断面资料掌握情况，考虑水文、水生生物生长及景观3个因素，分别采用不同的方法计算河道断面的最低生态水位，再结合片区河网水系实际调度运行及梯级蓄水情况，比较同一蓄水梯级相关河道的水位计算值，取最大值作为最终基本生态水位。综合考虑城区河道的实际蓄水需求，符合河道调度运行实际情况，河道目标生态水位取常水位。

（1）19.5 m蓄水梯级基本生态水位确定。本梯级仅涉及总六塘河（六塘河闸以上），生态水位控制断面有水位监测资料，且序列长度超过10年。根据水文分析、水生生物生长分析及景观因素分析计算得到水位成果，取3者最大值作为总六塘河（六塘河闸以上）的基本生态水位。

（2）14.5 m蓄水梯级基本生态水位确定。本梯级仅涉及总六塘河（塘河闸以下段），生态水位控制断面未设置水位监测站点。

（3）16.5 m蓄水梯级基本生态水位确定。本梯级涉及牡丹江河、嘉陵江河、黑龙江河、贺兰山河、泰山河，生态水位控制断面均未设置水位监测站点，根据水文分析、水生生物生长分析及景观因素分析计算得到的水位成果，取3者的最大值作为每条河道的基本生态水位计算值，比较计算值，取最大值作为最终基本生态水位。

（4）16.3 m蓄水梯级基本生态水位确定。本梯级涉及江山河、马河，生态水位控制断面均未设置水位监测站点，生态水位取各河道基本生态水位计算值的最大值。

不同蓄水梯级河道（河段）基本生态水位计算成果见表2。

表 2 不同蓄水梯级河道（河段）基本生态水位计算成果

m 蓄水梯级对
应常水位河道底高程水文因素对应
生态水位水生生物生长因素对应
生态水位景观因素对应
生态水位基本生态水位
计算值基本生态水位取值 19.5 总六塘河（六塘河闸以上） 13.0 18.7 13.9 18.7 18.7 18.7 14.5 总六塘河（六塘河闸以下） 13.0 13.5 13.9 13.3 13.9 13.9 16.5 牡丹江河 13.5 13.9 14.1 13.8 14.1 15.4 嘉陵江河 14.8 15.0 15.4 15.1 15.4 黑龙江河 14.0 14.0 14.6 14.3 14.6 贺兰山河 14.2 14.2 14.8 14.5 14.8 泰山河 14.0 14.0 14.6 14.3 14.6 16.3 江山河 14.3 14.4 14.9 14.6 14.9 14.9 马河 13.5 13.6 14.1 13.8 14.1

综上，可计算出研究区域内不同蓄水梯级的基本生态水位。为维持河湖良好生态系统的结构和功能，满足给定生态保护目标和日常运行调度，可取河道常水位作为目标生态水位，具体结果见表3。

表 3 宿豫片重要河道控制断面生态水位计算成果

m 蓄水梯级控制断面基本生态水位取值目标生态水位 Ⅰ 六塘河闸上 18.7 19.5 Ⅱ 六塘河壅水闸下 13.9 14.5 Ⅲ 牡丹江河闸上 15.4 16.5 嘉陵江河闸上黑龙江河闸上贺兰山河蓄水闸泰山河闸上 Ⅳ 武夷山闸上 14.9 16.3 马河地涵下 3.2 生态水位保障

河道生态水位保障[11]是在有效利用地表降雨径流补给的基础上，尽量充分利用再生水补给河道生态需水量，不足部分再通过调度引流补水，继而有效维持河道目标生态水位。若遇特殊干旱年、防洪预降、突发水污染事件等情况，生态水位允许适当破坏，主要保障措施如下。

（1）河道拦蓄水。河道各生态水位控制断面利用现状自身蓄水工程、交叉河口拦蓄水工程等能够实现正常蓄水，满足基本生态水位蓄水要求。为保证达到目标生态水位，需增加工程补水措施。

（2）再生水利用补给。根据河道再生水补给现状，结合《宿迁市中心城区再生水利用配置试点实施方案》，建议宿豫片配置两处河道再生水补水口（泰山河补水口和马河补水口），补水方式为管道补水，年补水规模1 400万m3。

（3）调度引流补水。经计算分析，在充分利用再生水补给河道的前提下，宿豫片区8条河道目标生态水位仍无法保障，每月均需进行调度引流补水。可将骆马湖、中运河作为补水水源，利用洋河滩闸、井头翻水站及阿里山站进行补水，依托片区水系互通互济的优势，适时引流补水能够有效解决片区河道生态补水量不足的问题（图3），蓝色线路以骆马湖为水源，经总六塘河输入，绿色线路以中运河为补给水源。