0 引 言

河流生态系统是人类和其它生物赖以生存的最重要的自然生态系统之一，为人类社会、经济和文化的发展提供了水资源、航运、水能等丰富的生态服务，对全球生态环境起着重要的调节和改善作用 。但是，水利工程的拦蓄、经济用水对生态用水的严重挤占、过度捕捞、污水的过度排放等人类活动造成了河流生态系统被严重破坏。径流是河流生态系统的重要组成部分，是河流物质流、能量流、信息流的主要载体，为了保障河流生态系统健康发展，近年来日益重视生态需水研究 。

目前用于生态需水计算的方法有很多，主要有水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法四大类。水文学法主要是利用历史流量资料确定河流生态需水量，一般计算较简单，且对数据要求不高，但是计算过程忽略了生物参数及其相互影响的关系，缺乏明确的生态学意义。水力学法 较水文学法更为准确，通过河流径流量与河道断面水力学特征的相互关系推求河流生态需水，但大多数水力学法未考虑河流季节性变化，一般不能用于季节性河流。生境模拟法 通过建立河流径流量与目标生物栖息地之间的关系，求得河流生态需水，其生态学意义明确，是目前较为合理、应用较广的一种研究方法。整体法从保护单一物种或生态目标向生态完整性方向全面评估整个河流生态系统的需水状况，计算结果能够最大程度地保障生态基流，但需要大量水文数据、水力参数、生物数据和多学科专家咨询意见，使用较少。

每一种方法都有其产生的独特背景和适用条件，应用这些方法时必须结合所评价对象的自身特点及评价要求。灌河流域内有河南大别山国家级自然保护区、商城黄柏山自然保护区、商城肥鲵自然保护区，除此外还有黄柏山国家森林公园、金刚台国家地质公园、“中原神水”汤泉池等旅游资源，具有重要生态功能，因此，本次研究选择具有明显生态学意义的生境模拟法进行生态需水的研究。鱼类是评价河流健康程度的重要指标，是河流生态系统生物链的顶端，对保证河流生态功能具有重要意义，所以此次生境模拟法选择鱼类作为指示物种 。由于鱼类在不同生长阶段对环境有不同的要求，在产卵期时，要满足鱼类洄游和产卵需求会对流量有特殊要求，而其他时间对环境要求较低，生态基流就可以基本满足鱼类生长需求。因此，本文认为用生境模拟法来计算鱼类产卵期需要的敏感生态需水，用计算简单方便的Tennant法来计算生态基流是较适宜的生态需水计算组合方案。

虽然生境模拟法在生态需水的计算中已经有了比较成熟的应用，但仍存在一些弊端。首先在生境要素的选择上不够全面，比如侯俊 利用生境模拟法选择水深、流速2个生境要素计算了雅鲁藏布江中游的环境流量，但是忽略对鱼类生长具有重要意义的水质要素，所以本次研究在生境要素的选择上加入了水质因子，做到水量与水质的统一；此外在计算时主要关注塑造栖息地的流量情况而忽略了水生生物生存的其他条件，如洪思扬 利用生境模拟法得到满足栖息地指标要求的生态流量，但是忽略了触发鱼类关键生命活动的生命节律信号，例如高流量脉冲，所以本次研究加入了触发鱼类产卵的高流量脉冲过程，使鱼类生境条件更为完整。

本次研究以灌河为研究对象，以灌河鱼类为目标物种，利用Tennant法和生境模拟法计算了鱼类生长产卵所需的生态基流和敏感生态需水并计算触发鱼类产卵河洄游的高流量脉冲特征值，完成了灌河生态需水过程的计算。灌河生态需水的计算对保证河流的连通性和完整性、恢复灌河鱼类栖息地条件、维持灌河生物多样性具有重大意义，并可为灌河水资源生态调度方案和生态修复方案的制订提供科学依据。

1 研究区概况

灌河古称浍水，是淮河右岸二级支流，史河左岸一级支流，流域面积1 650 km2,干流全长164 km2,现有大型水库鲇鱼山水库和中型水库铁佛寺水库，水系情况如图1所示。灌河属亚热带向暖温带过渡的季风湿润气候，多年平均气温为15～16 ℃,多年平均水面蒸发为777.2 mm, 多年平均降水量为1 241.4 mm。

图1 灌河流域水系分布

灌河上游有商城肥鲵自然保护区和黄柏山自然保护区，有国家Ⅱ级保护动物黄缘闭壳龟和商城肥鲵，动植物物种丰富，水资源量也比较丰富，而中下游则面临较多的生态问题。首先，流域内修建的水库和闸坝对河道的天然生境与河道连通性产生不利影响，较大程度上改变了天然径流过程，对原有水生态系统易造成较大的破坏，影响青、草、鲢、鳙等产漂流性卵鱼类的生存和繁衍；其次，灌河非法挖砂、农田开垦等侵占活动直接改变了河流原始生境，加速了生物多样性的降低；另外，渔业过渡捕捞导致鱼类资源下降、优势物种小型化，使生态系统更加脆弱。总体而言，流域内水生生物多样性正呈现出逐渐下降或呈低线波动状态，水生动物群落结构正逐步趋于简单化，主要经济鱼类呈低龄化和小型化，种群数量明显下降。经过分析，本次研究选取生态系统破坏严重的鲇鱼山水库以下河段为研究对象，开展生态需水过程的研究。

2 研究方法

2.1 Tennant法

Tennant法在我国应用比较广泛，以河流年平均流量的百分比作为生态需水计算的基准。研究表明，多年平均流量的10%是支撑水生生物生存的最小瞬时流量，此时的栖息地条件是贫瘠或者退化的；20%是保护栖息地条件的适宜标准；在小河流中，30%接近最佳栖息地标准。

2.2 生境模拟法

生境模拟法首先需要确定目标物种并绘制目标物种水深、流速等生境因子的适宜性曲线，再利用水动力水质模型模拟研究区不同流量下水深、流速和水质的情况，最后通过模拟结果与适宜性曲线的耦合绘制流量-生境可利用面积(Q-A )关系曲线，求得敏感生态需水。

2.2.1 目标物种选取与适宜性曲线绘制

选择合适的鱼类作为目标物种时，要综合考虑鱼类的数据完整性、环境敏感性、经济价值、生态价值和濒危程度等 。据调查，灌河鱼类有42种，其中包括四大家鱼、鲤、鲫以及黄鳝等常见的经济物种。由于商城肥鲵、黄缘闭壳龟等保护物种多位于水量丰富的鲇鱼山水库上游，本次研究不予考虑。而对中下游鱼类调查研究中发现，现状灌河上已经没有四大家鱼的自然种群分布，均为人工放养且呈现低龄化、小龄化趋势，四大家鱼对比其他经济鱼类有较高的环境敏感度、丰富的研究数据资料、较高的经济价值且衰退趋势明显，综合考虑选取四大家鱼作为目标物种。

适宜性曲线是用来量化目标物种对栖息地流速、水深等生境因子的喜好程度，范围从0到1,值越大代表适宜性越好 。一般对鱼类生境的研究，主要选择水深、流速2个生境要素，但由于灌河局部水污染比较严重，陶家河入河口附近水质甚至达到V类，对灌河鱼类生存有明显影响，因此，本次研究加入水质因子。通过水质现状评价发现灌河水污染超标因子主要有氨氮、TP、COD 。周永欣等 发现氨氮对鱼类有较高的毒性，致死浓度或亚致死浓度暴露的鱼类均出现鳃组织损伤，易雨君 研究发现当非离子氨浓度在 0.3 mg/L 以上时，对体长为 10.42 cm 的草鱼生长产生明显的毒害作用。综合考虑选取水深、流速和氨氮3个生境要素并绘制生境适宜性曲线。

2.2.2 水动力水质模型

利用MIKE21来搭建二维水动力水质模型，该模型主要由划分计算网格模块、确定进出口的边界条件、率定模型的计算参数 3 个部分组成 ,具体建模步骤如下。

(1)搭建模拟区域地形网格。

根据灌河的地形特点，采用非结构性三角网格，网格生成后，加载具体的实测高程数据散点对生成的网格节点进行插值，生成地形网格。灌河计算地形网格如图2所示。

图2 灌河地形网格

(2)确定边界条件和各项参数。

模型采用2个边界，上游分别为流量边界和水质边界，下游为水位边界和水质边界。模型参数主要有糙率、扩散系数和衰减系数，参数确定主要是先根据文献确定参数的取值范围，再通过不断调整参数取值使误差最小，从而确定模型参数。最终确定基本糙率为0.025、氨氮扩散系数取1.5 m /s, 衰减系数取0.1 d 。

(3)模型率定。

模型共模拟了2016年1—9月的水动力水质模拟，本次率定选择马堽断面的水位、水质资料对模型水动力和水质参数进行率定，马堽断面的位置如图3所示，水位实测值和模拟值对比如图4所示，氨氮实测值和模拟值如图5所示。采用相对误差对模型精度进行评定，水位和氨氮的计算值与实测值的平均相对误差为8.4%和14.7%,猜测造成误差的主要原因是测量过程中产生误差和水质模块中只考虑了扩散系数和衰减系数，而没有考虑到更复杂的生态状况等。

图3 监测断面位置

图4 水位实测值和模拟值对比

图5 氨氮实测值和模拟值对比

(4)运行模型。

运行模型，得到模拟结果。根据鲇鱼山水库多年流量资料和灌河实测水质数据，以1 m /s为起推流量进行模型模拟。通过模拟得到不同流量下的水深、流速和氨氮情况。

2.2.3 流量-生境可利用面积关系

将水动力水质模型模拟得到的水深、流速和氨氮分布情况导入GIS中，对照适宜性曲线确定每个网格各个生境因子的适宜性指标并据此计算综合生境适宜度。综合生境适宜度计算方法主要有3种，本次研究选择公式(1),可以体现生境因子综合作用的结果。

式中，HSI为生境适宜度；SI1、SI2、SI3为各要素的适宜性指标。

HSI代表鱼类对环境的适宜性，值越大代表鱼类对环境适宜性越高，当HSI<0.5时，表示适宜性较差，不适合鱼类生存；当0.5<HSI<0.8,表示一般适宜，可供鱼类生存，但适宜性不高；HSI>0.8表示适宜性强，是鱼类理想的生境。本次研究选择HSI>0.8的区域作为适宜生境，通过GIS筛选出符合条件的网格并计算面积。研究河段每单位长度对应的可利用面积计算公式为

式中，Ahuw为研究河段每单位长度的生境可利用面积(m /m);Ahuw为长度为有效断面距离的每个单元水平面积(m );L为研究河段总长度(m)。

根据上述步骤得到的计算结果绘制流量-可利用生境面积(Q-A )关系曲线，曲线第一个拐点即增长速度最快的点对应的流量为最小生态流量，第二个拐点即可利用生境面积最大的点对应的流量为适宜生态流量。

2.3 高流量脉冲过程计算

高流量脉冲主要发生在产卵期，可以刺激鱼类洄游和产卵，也是塑造河床形态及底质条件的关键因素，MATHEWS等 提出了高流量脉冲的34个水文指标，根据灌河实际需要，本次选取峰值流量、平均流量、持续时间和发生次数4个指标进行研究。由于缺乏触动鱼类产卵繁殖的明确的流速、水深资料，对高流量脉冲的研究也未有统一的标准，这里参照梁友 对淮河水系研究的成果简单按年径流的 50%频率给出高流量脉冲推荐值。其次，高流量脉冲要持续3 d以上才能刺激鱼类进行洄游产卵 ,因此定义流量频率大于50%且持续时间超过3 d的为一个高流量脉冲过程，每年产卵期要有1～2次高流量脉冲过程，才能满足鱼类产卵需求。

3 结果与分析

3.1 生态基流

结合灌河中下游水资源短缺且非汛期断流等状况，本次研究选择多年平均流量的20%作为生态基流，根据鲇鱼山水库多年径流资料直接计算得生态基流为3.4 m3/s, 表示鱼类一般用水期生存所需的最小生态流量为3.4 m3/s。

3.2 敏感生态需水

参考相关文献 [19]可得四大家鱼非产卵期为8月—次年2月，产卵期为3—7月。查阅相关文献并进行综合分析得，鲤科鱼类产卵期的适宜水深、流速和氨氮范围分别为0.4～2 m、0.2～1.2 m/s、0.3～1.3 mg/L,其中，在0.8～1.5 m的水深范围、0.4～0.8 m/s的流速范围和0～0.3 mg/L的氨氮浓度范围内最为适宜 。具体适宜性指标曲线如图6所示。

通过模型模拟得到不同流量下的四大家鱼流量下的生境可利用面积，绘制得到Q-Ahuw关系曲线(见图7)。

图7 四大家鱼流量-可利用生境面积(Q-A )关系曲线

由图7可知，曲线第一个转折点对应的流量是12 m3/s, 这是满足灌河四大家鱼产卵需求的最小流量，最高点对应的流量为20 m3/s, 这是满足鱼类产卵的适宜流量。由于水文过程的随机性和周期性，生态需水的确定要结合保证率要求，低流量高保证率要比高流量低保证率更具备现实可实现性，而且对鲇鱼山水库多年流量资料分析可知在敏感期稳定达到20 m3/s的流量基本无法实现，因此本次选择12 m3/s作为四大家鱼敏感生态需水。由于灌河整体河段较长，计算结果无法全部显示，这里选择其中具有代表性的一段，展示12 m3/s流量下的各指标适宜性情况(见图8)。

图8 12 m3/s流量下的综合适宜性情况

由图8可知，流量为12 m3/s时，综合适宜性指数在0.8以上的适宜区域大块成段存在，有些区域不连续，但加上0.5以上的相对适宜区域可以基本连成比较完整连续的生境适宜区域，可以基本满足四大家鱼进行产卵繁殖等各项生命活动的需要，计算结果较为合理。

3.3 高流量脉冲过程

由鲇鱼山水库1956—2016年共61年的径流资料计算得高流量脉冲推荐值为24 m3/s, 即流量达到24 m3/s且持续时间超过3 d为一次高流量脉冲过程，鱼类在高流量脉冲的刺激下开始产卵。利用近10 a鲇鱼山水库日流量资料对高流量脉冲过程进行统计，统计结果如表1所列。

表1 鲇鱼山水库涨水期高流量脉冲特征值

峰值流量中2015年峰值流量达312 m3/s, 与其他高流量脉冲过程中的峰值流量相差较大，属于极值流量，为计算结果的合理性考虑，在计算平均值时将其忽略。由表1知，灌河大部分年份产卵期内都会有2次的高流量脉冲过程，且持续时间较长，丰水年和枯水年略有差异，总体可以满足四大家鱼洄游和产卵需求。

3.4 结果讨论

通过计算得灌河生态基流为3.4 m3/s, 敏感生态需水为12 m3/s, 换算成生态需水总量即一般用水期所需生态需水量为0.62亿m3,产卵期所需生态需水量为1.55亿m3,年生态需水量共2.17亿m3。具体生态流量过程线如图9所示(“本文生态流量计算”曲线)。

为了验证本次研究计算结果的合理性，将本文计算结果与Tennant法计算结果相比较，计算结果如图9所示。

图9 不同方法的计算结果对比

结果显示部分月份生态需水计算结果相差较大，汛期(6—9月)Tennant法计算生态需水普遍大于本文计算结果，非汛期则普遍小于本文计算结果，主要由于灌河是季节性河流，汛期和非汛期流量差异较大，流量年内分配非常不均匀。Tennant法没有直接考虑到水生生物的生境要求，可能会造成部分生物非汛期水量不足，无法进行正常的生命活动。计算结果显示，本文计算生态流量结果占各月多年平均流量的22%和58%之间，处于较好到很好的范围内，说明本次计算结果总体比较合理。

4—7月是四大家鱼的产卵高峰期，以近十年的日均流量过程研究灌河高流量脉冲过程(见图10),由图可知，平均每年约2次高流量脉冲，由表1值每次平均持续16天，每次平均流量为50.23,可知一次脉冲的放水量约为292.8万m3。

图10 灌河高流量脉冲过程

本文研究方法比较适用于具有重要生态功能的流域和地区，计算过程以保证健康的河流生态系统和塑造完整的生物栖息地为目的，生态学意义显著。但研究方法仍存在不足之处，比如需要较多的生物资料和水文资料，由于条件的限制，部分资料是从相关论文或者网上其他资料里进行获取，与真实情况可能会产生一些误差。

3.5 生态需水过程评估及保障措施

生态需水的保障程度是生态系统健康评价的标准之一，年代太早的径流数据可能无法代表现在的河流水文状况，所以选择鲇鱼山水库近10年日径流资料计算生态需水保证率，得到生态基流保证率为65%,敏感生态需水保证率为46%。在生长期时(8月—次年2月),鲇鱼山水库下泄水量较少，有些月份甚至不泄水导致下游部分河段断流，生态需水保证率得不到满足，生态功能部分丧失。在产卵期时(3—7月),丰水年和平水年下泄总水量比较丰富，但不同月份下泄水量差异较大，不满足生态需水过程性。枯水年份缺水比较严重，生态需水保证率低，对生物影响较大。因此，应该通过各种工程和非工程措施调节河流的水深、流速和水质，使其尽可能满足四大家鱼生长产卵的需要。

生态需水保障措施主要有：(1)灌河流域内农业是用水大户，水源主要为鲇鱼山水库水，现状用水效率有待提高的特点，把农业节水作为主攻方向，深度挖掘农业节水潜力，节约水资源，增加灌河生态用水有效供给。同时加强雨洪、再生水非常规水源的利用。(2)已有规划规划在灌河干流涂寨村新建拦河坝一座，在小河入灌河口下游新建一座拦河闸坝，在河凤桥乡、上石桥镇、马岗集乡等穿镇区河段设置4座生态堰。通过生态补源工程的建设来保障下游灌河生态用水。(3)统筹协调生态需水、生活需水和工业需水等，改进鲇鱼山水库调度方式，加强流域内统一调度，加强生态流量的监测，建立生态流量预警机制。

4 结 论

本文选取灌河鲇鱼山水库下游河段为对象进行生态需水研究，基于Tennant法和生境模拟法计算四大家鱼不同生命阶段的生态流量，得到以下结论：

(1)利用Tennant法计算了四大家鱼生长期最小生态流量即生态基流为3.4 m /s, 利用水动力水质模型模拟得到Q-A 关系曲线求得满足灌河四大家鱼产卵需求的最小流量12 m /s, 满足鱼类产卵的适宜流量20 m /s, 产卵期还需要1～2次，流量大于24 m /s且持续3 d以上的高流量脉冲过程来刺激鱼类产卵，年生态需水量共2.17亿m 。

(2)根据历史流量资料知，灌河生态基流保证率和敏感生态需水保证率较低，高流量脉冲过程保证率较高，需要通过灌溉节水、生态补源以及生态调度等方式进行调节，使其满足四大家鱼生境需求。

鱼类生境不仅与水深、流速和氨氮有关系，还与水温、溶解氧等因素有关，各因素间亦有相互影响，生境适宜度模型如何选取合适的因素并进行准确的量化是今后生态需水研究的难点。

作者简介：

吕翠美(1982—),女，副教授，博士，主要从事水文与水资源方面研究。E-mail:lvcuimei305@163.com;

*刘苗苗(1996—),女，硕士研究生，主要从事生态需水方面研究。E-mail:2857321299@qq.com;

引用：

吕翠美，刘苗苗，王民，等． 基于四大家鱼生境需求的灌河生态需水过程研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 5) : 149-157.

LYU Cuimei，LIU Miaomiao，WANG Min，et al． Habitat demand of four major Chinese carps-based study on process of eco-water demand ofGuanhe Ｒiver ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 5) : 149-157.