河口近岸海域生态需水研究——漳卫新河河口生态需水分析

傅小城，王 芳，王 浩

（中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

1 研究背景

河口是流域和海洋的枢纽，既是流域物质的归宿，又是海洋过程的开始。河口海岸是陆海相互作用的集中地带，各种过程（物理、化学、生物和地质过程）耦合多变，演变机制复杂，生态环境敏感脆弱[1]。河口海岸地带又是经济发达、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区[2]。日益加剧的人类活动增加了河口海岸地区的压力。而导致河口海岸生态问题的一个重要因素是淡水入流的减少。淡水入流的减少会一定程度上影响邻近海域海水温度与盐度的变化，而温度与盐度的变化又会导致生物类群的变化[3-4]。因此，维持河口一定规模的入海水量对河口近岸海域生态系统具有重要意义。

目前，国内关于河口的研究多考虑的是泥沙冲淤、防潮压碱及防止海水入侵等方面，而生态需水研究多集中在陆域的河道、湖泊、湿地及坡面植被等生态系统，对于河口近岸海域的生态需水研究还较少。河口近岸海域生态系统作为流域水循环支撑的最末端生态系统，其生态需水问题的研究对完善流域水循环的基础研究以及对合理开发利用水资源具有重要的意义。

本文通过对漳卫河口及其近岸海域进行盐度场的初步模拟，根据盐度对河口鱼类的影响，分析不同来水条件对河口生态系统的作用，并初步确定河口的生态需水量。

2 研究区域

本研究区域位于漳卫新河口及黄骅港海区，地理经纬度为东经117.7°～118.2°，北纬38.2°～38.6°，如图1所示。该区域属于渤海湾区域，潮汐类型属于不规则半日潮型，潮流类型为不规则半日潮流。

漳卫新河河口位于山东省无棣县二道沟，渤海湾西南岸，是海河流域漳卫新河水系的主要入海尾闾通道，漳卫新河河口段自辛集闸起，至入海口处的大口河，全长约37km，河道总体走向由西南向东北。虽然漳卫新河是人工开挖的新河，但其河口区相对稳定，且有一定的湿地，河口生态在海河流域相对较好，同时近岸区域与原老黄河口临近，有一个重要的对虾产卵场。漳卫新河来水基本受辛集闸控制，来水没有明显规律。

黄骅港，位于渤海湾西南岸，距河北省沧州地区黄骅市东50km。该区域常风向为西南及西南偏南，强风向东北东向，实测最大风速31m/s，海区基本不受台风影响。年平均降水量为642.6mm，集中在夏季，占全年的73.4%，年最大降水量为719.40mm（1984年），年最小降水量为336.8mm。年平均气温12.2℃，年最高气温37.7℃，年最低气温-19.5℃，7、8月份平均气温26.4℃，1月份平均气温-4.7℃。该海区属不规则半日潮。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。平均涨潮历时5.45h，平均落潮历时6.47h。

图1 研究区域示意

3 研究区域ECOMSED模型的建立

3.1 ECOMSED模型ECOMSED（Estuarine Coastal and Ocean Model with Sediment model）模型是近年来国际上较为流行的近岸海洋数值模式，具有计算三维水流、水质、泥沙等诸多功能。该模式主要由水动力模块、泥沙输运模块、波浪模块、热能量模块和粒子示踪模块组成，各模块之间相互耦合[5]。其中水动力模块采用基于静压假设和Boussinesq近似下的三维斜压原始方程，自由海面，水平网格采用曲线正交坐标系统，垂向采用σ坐标，变量空间配置Arakawa-C格式，2.5阶湍流闭合模型求解垂向混合系数和扩散系数，水平湍流黏滞和扩散系数基于Smagorinsky参数化方法计算[6]。

3.2 模型的准备

3.2.1 模型数据准备 模型地形数据，除采用美国地调局ETOPO1的数据结果外，根据1∶60 000的黄骅港纸质海图，数字化后运用克里金插值、融合，最后获得研究区域的较为精细的水下地形数据。根据相关报告及敏感性实验，确定模型几个关键参数：最小底摩擦系数（BFRIC）为0.000 5；底粗糙系数（ZOB）为0.001m；边界类型为Clamped；水平对流扩散采用Smolarkiewcz水平掺混公式计算，其参数HORCON取0.1；垂向紊动参数UMOL取1×10-6m2/s。

由于漳卫新河口没有温盐场的长期实测结果，因此，在本研究中模型初始温盐场由基于整个渤海的大模型模拟结果给出，通过插值平均分配到各个网格。外边界条件潮位、温盐场也由渤海大模型模拟结果给定，插值到外边界。

计算步长外模DTE=5s，内模DTI=50s。模型模拟时间取渤海大模型8月模拟结果，计算时间共31d。

3.2.2 网格剖分 网格划分采用Seagrid软件划分。该软件可划分正交曲线网格，网格坐标投影使用墨卡托投影。模型计算对网格的正交性有一定的要求，正交性越好，模型模拟越稳定，模拟结果也越精确。网格划分完后，根据海岸线判定陆地网格与水面网格。计算水域确定后，再根据水深资料插值生成计算水域地形数据。

本研究计算网格采用正交曲线网格，网格坐标投影使用墨卡托投影。计算区域范围为东经117.5°～118.5°，北纬38.1°～38.6°，网格布置如图2所示。模型计算对网格的正交性有一定的要求，正交性越好，模型模拟越稳定，模拟结果也越精确。因此网格划分完后，通常应对网格划分结果进行正交分析。本次网格大小为0.6′×0.6′，网格数为50×100＝5 000。垂直方向采用σ坐标，分为6层，以拟合海底地形。

网格划分完后，再判定哪些是陆地网格，哪些是水面网格。模型根据海岸线判定陆地与水面。计算水域确定后，再根据水深资料插值生成计算水域地形图，如图3所示。

图2 计算区域及网格布置图（图中坐标点为模型验证点）

图3 计算水域水深结果

3.3 模型验证这里记黄骅港海域模型为HHG，整个渤海大模型记为BH。研究中选取HHG网格外边界侧3点作为模型潮位验证点，由于漳卫新河8月来水量较小，淡水影响范围较小，因此选近河口处1点作为盐度验证点，其位置及与BH网格点相应关系如图2及表1所示。

表1 模型验证点对应关系及位置

3个验证点潮位验证结果如图4—图6所示。从结果看，经过3d的预热稳定，模型模拟非常准确，可以很好地反映潮位变化的情况。同时，我们还分析了整个研究区域的流场情况，涨落潮流向主要为南北流向，近岸后偏向垂直于岸线，流场流速较小，大致在5cm/s左右。

从盐度验证点看，模型模拟值刚开始受淡水输入的影响，盐度值迅速下降，但经过一段时间的扩散混合后盐度值基本接近于渤海模型模拟值，如图7所示。同时，从时间上看，经过1个月左右的模拟，盐度值基本趋于稳定。

4 盐度控制标准确定

鱼类的生长和繁殖具有一定的适温、适盐条件，这是鱼类对环境条件中综合因子的长期适应结果。在河口区域，盐度作用更加明显。盐度的过高或过低都会对鱼类造成影响，其中影响最大的是卵的发育和仔鱼成活。海、淡水鱼类的卵各自适应不同的盐度范围。一般淡水鱼的卵随着水域盐度升高，死亡率增大；相反，海水鱼的卵随着水域盐度下降，死亡率增大。盐度剧变对处在任何发育期的鱼卵都是不利的。

本文根据生态学中的谢尔福德耐受性定律（Shelford’s law of tolerance），分析渤海主要鱼类产卵育幼期的盐度适应范围，确定渤海各河口区适宜的盐度阈值。根据相关文献分析[7]及作者统计结果，确定盐度范围28.0～30.5为渤海各河口区主要盐度控制标准，并认为再高则盐度过高，再低则盐度过低[8]。

图4 1号点潮位验证结果

图5 2号点潮位验证结果

图6 3号点潮位验证结果

图7 4号点盐度验证结果

另外对渤海主要鱼类产卵季节分析可知，渤海鱼类的主要产卵时间为5—8月。在卵子的生态习性方面，渤海鱼类以产浮性卵的种类为主，占总生物量的84%，产黏性或沉性卵的占13.5%。因此在进行盐度分析时以分析表层盐度为主。

由于漳卫新河口及黄骅港海域为渤海湾的一个主要河口区，也是渤海湾的一个重要产卵场，同时考虑各种鱼类产卵洄游范围较大，因此这里假定漳卫新河口适宜盐度阈值范围也为28.0～30.5。

5 基于盐度标准的来水情景模拟

5.1 情景设定根据不同的来水状况及其生态条件，以及漳卫新河河口生态稳定性盐度阈值分析结果，我们设置现状来水、历史来水、短期洪水3种情景进行模拟评估。

对于盐度需求的季节性，由于漳卫新河来水过程完全受人为调控，枯季一般不下水，同时鱼类产卵季节也主要集中在5—8月。因此在方案设定中，河流来水基本设定在5—8月之间。同时，盐度场的变化主要与淡水入流有关，而潮流强迫相对稳定，变化影响较小。因此，对于开边界条件统一按经过验证的8月模拟结果进行分析计算，以便后面比较分析。

（1）现状来水方案。现状来水条件我们选取2006年7月—2007年6月漳卫新河的实测入海水量计算。根据辛集闸实测径流结果，漳卫新河径流状况如图8所示。从图中可以看出，5—8月入海流量范围大致在0～30m3/s左右。因此，我们取流量0和30m3/s分别进行模拟。

图8 漳卫新河2006年7月—2007年6月实测入海水量

（2）历史来水方案。由于漳卫新河近几十年的水资源开发利用量都非常大，因此本研究采用水资源大规模利用前的来水情况进行模拟。从历年来水情况看，我们选取20世纪60年代的平均来水情况来进行对比。根据海河流域水资源综合规划，60年代漳卫新河的平均入海水量为12.64亿m3，宣惠河平均入海水量为0.43亿m3，因此总的入海水量大致为13.07亿m3。

由于目前漳卫新河的入海水量完全由人为控制，无法反映历史条件下天然的来水过程，因此这里采用多年平均天然来水条件进行分析。漳卫新河段由于闸坝调蓄较多，这里采用上游卫运河上称钩湾水文站的多年平均天然径流结果，其月分配情况如表2所示。从表中可知，漳卫新河5月来水最小，仅占年来水量3.4%，8月来水最大，占年来水量27.9%。计算得漳卫新河5—8月入海流量范围在17.1～136.1m3/s左右。方案中取15m3/s与135m3/s进行模拟分析。

表2 称勾湾水文站多年平均天然径流月过程结果

（3）短期洪水方案。正常情况下，河流都有一定时间的洪水期，其流量相对较大。我们对短期洪水条件下河口的盐度分布状况也进行了模拟。据辛集闸实测洪水资料[9]，1963年与1996年发生过洪峰流量达1 260m3/s和1 390m3/s的大洪水，而设计百年一遇洪水洪峰流量可达2 000m3/s。本研究不涉及极端洪水情况，仅分析普通汛期较大规模的来水情况，时间设定为8月，洪水流量按300m3/s取，但模拟时间只取10d，以观察短期洪水的影响。各方案设置情况如表3所示。

5.2 不同方案模拟结果分析现状来水方案下，淡水入流为零时，整个计算区域的盐度基本大于30.5，淡水控制的面积很小，整个河口区域基本被海水所控制，其盐度场分布结果如图9所示。对盐度范围为28～30.5的区域面积进行计算，可得整个研究区域的鱼类盐度适宜范围水域面积仅有47.4km3，且基本沿岸分布。

表3 模拟评估方案设计

正常情况下，在淡水入流为零时，通过足够时间的模拟，整个计算区域应该不会出现28～30.5盐度，这里出现的低盐度区域结果主要由于以下两个原因产生的。一是因为岸边界的盐度为零，过渡到水边界后盐度不可能一下子升为30.5，中间有些盐度插值过渡带，这就造成了近岸区域出现低盐区域，当然这也更符合近岸实际情况，因为现实情况下近岸还是有一定的淡水进入，稀释盐度。二是模拟时间还不够长，近岸水域盐度没有充分扩散混合，但从模拟结果看近岸区域盐度梯度很大，应该不是没有充分混合的结果，盐度稳定性分析也说明了这点。因此，有必要将这个面积作为背景值，其它流量方案结果减去这个背景值后为实际的鱼类盐度适宜范围面积。

当汛期流量为30m3/s时，其盐度适宜范围面积能迅速增加到300.5km2（如图10），考虑流量为零时的背景值，实际鱼类盐度适宜范围面积也能达到253.1km2。这说明，适当提高漳卫新河入海水量能明显改善河口生态状况，特别是在枯水季节。

图9 淡水入海流量为0时漳卫新河河口盐度分布

图10 淡水入海流量为30m3/s时漳卫新河河口盐度分布

历史来水方案选定的是水资源开发利用相对较小的20世纪60年代，当时漳卫新河河口区域生态状况相对较好，按当时海河流域的入海水量及盐度调查结果，整个渤海湾淡水浓度都还在较低的范围，而目前漳卫新河河口区域的盐度已经普遍升高，研究中所选用的模型初始场及外边界场也都为现状条件下的盐度情况，因此重现历史时期的盐度分布范围已经不太现实。本研究分析历史来水方案的目的主要是考虑在当前盐度升高的背景下，历史来水方案对比现状来水，漳卫新河河口区域盐度分布有何区别。同时，在实际生态需水标准确定中，以历史来水方案作为参考，分析生态需水确定的合理性。

从结果上看，历史来水大于现状来水，其鱼类盐度适宜范围面积也相应较大。汛前期流量为15m3/s时，其盐度适宜范围面积为150.1km2，减去背景面积，其实际面积为102.7km2，而在汛期流量达135m3/s时，其盐度适宜范围面积为724.3km2（如图11），实际面积可达676.9km2。

而在短期洪水方案下，虽然入海水量有了很大的提高，但其盐度适宜范围面积却没有明显的增加，模拟结果为546.5km2，实际盐度适宜范围面积约500km2（图略）。这与历史汛期流量135m3/s方案面积减少约177.7km2，与总水量一致的情景（流量为100m3/s、模拟30d）相比，其盐度适宜范围面积也减少约88.3km2左右。这说明当前条件下，漳卫新河口区域盐度适宜范围面积有一个峰值。

5.3 漳卫新河河口近岸海域生态需水确定对漳卫新河口不同来水方案下河口生态状况进行分析，可以发现，河口生态状况随着入海水量的不断增加而发生明显改变。因此，在上述来水方案的基础之上，增加模拟了5m3/s、10m3/s、60m3/s、100m3/s、160m3/s及200m3/s几种流量的结果。根据这些结果，分别计算盐度在28～30.5之间的盐度适宜范围面积，其面积与入海水量的相关关系如图12所示。

图11 淡水入海流量为135m3/s时漳卫新河河口盐度分布

图12 入海水量与盐度适宜范围面积关系

从图中可以看出，流量与盐度适宜范围面积呈明显的S型，在流量在160m3/s左右，盐度适宜范围面积出现一个峰值，可以定此入海流量为最适入海流量。同时，流量大于135m3/s后，河口盐度适宜范围面积基本稳定在一个较高值，因此可认为该流量以上为适宜的入海流量范围。另外，从图中还可以看出在流量为10m3/s左右时有一个面积迅速增加的拐点流量，在这个流量以上，盐度适宜范围面积能够迅速增加，而在这个流量以下，河口的盐度适宜范围面积接近最小，因此这个流量是生态效益最高的流量，可认为是维持河口咸淡水生态环境的最小流量。

目前，现状来水很难达到最适入海流量，而对于最小生态流量只要通过合理控制，应该能够实现。相较而言，历史来水方案下，非汛期流量都在最小生态流量以上，且汛期平均流量也基本处于最适入海流量范围之内，这可能是历史时期河口生态系统得以较好维持的一个关键因素。这也说明模拟得出的漳卫新河口最小生态流量10m3/s，最适生态流量160m3/s是较为合理可信的结果。

根据计算出的最小生态流量与最适生态流量，对漳卫新河口年需水量及需水月过程进行推算，来水月过程比例按秤勾湾水文站实测天然来水过程。其中最小生态需水量，以月过程中最小来水月份满足最小生态流量为基准，其它月份按比例计算。适宜生态需水量以月过程中最大来水月份满足最适生态流量为基准，其它月份按比例计算。计算所得漳卫新河河口近岸海域生态需水量如表4所示。

表4 漳卫新河河口近岸海域生态需水量

根据计算结果，仅从单条河流看，漳卫新河口9.4～15.2亿m3的生态需水量偏高，但对于整个河口影响海区看，漳卫新河口海区包括漳卫新河口、徒骇马颊河河口等邻近河口。因此，这个生态需水量是漳卫新河及邻近河流共同生态需水量，假设漳卫新河与徒骇马颊河均分，则漳卫新河需水量在4.7～7.6亿m3之间，而该值也基本与“水资源综合规划”提出的海河流域漳卫新河5亿m3及徒骇马颊河5亿m3的生态需水目标一致。另外，这也与孙涛等[10]计算的漳卫新河河口生态需水最小4.96亿m3，最优8.15亿m3相近。

6 结论

目前漳卫新河河口近岸海域生态环境状况不容乐观，水资源极其紧缺，水环境问题突出。由于上游闸坝的控制，漳卫新河河口近岸海域入海水量明显减少，入海过程发生改变。本文研究表明，现状来水方案下河口主要受潮汐控制，鱼类盐度适宜范围面积较小，生态环境较为脆弱，而在历史来水条件下，河口生态环境明显较好，淡水影响面积增加。根据河口入海水量与盐度适宜范围面积的相关关系确定漳卫新河口最小生态流量为10m3/s，而最适生态流量为160m3/s。整个研究海区最小生态需水量为9.4亿m3，最适生态需水量为15.2亿m3。

致谢：本论文得到了太原理工大学郝瑞霞老师的指导与帮助，在此表示感谢！

[1]Wolanski E.Estuarine ecohydrology[M].Elsevier，Amsterdam，2007：157.

[2]Lindeboom H.The coastal zone：an ecosystem under pressure[C]//Field J G，Hempel G，Summerhayes C P.（Eds.）Oceans 2020：Science，Trends，and the Challenge of Sustainability.Island Press，Washington，2002：49-84.

[3]Serafy J E，Lindeman K C，Hopkins T E，et al.Effects of freshwater canal discharge on fish assemblages in a subtropical bay：field and laboratory observations[J].Marine Ecology Progress Series.1997，160：161-172.

[4]詹海刚.珠江口及邻近水域鱼类群落结构的研究[J].南海研究与开发，1996，4：13-19.

[5]Hydro Qual，Inc.A Primer for ECOMSED version 1.3[M].（Computer program manual）.HydroQual，Inc.，Mahwah，NJ.2002.

[6]堵盘军，胡克林，孔亚珍，丁平兴.ECOMSED模式在杭州湾海域流场模拟中的应用[J].海洋学报，2007，29（1）：7-16.

[7]郑建平.基于盐度控制的入海河口及附近海域淡水生态需水研究[D].南京：河海大学.2008.

[8]傅小城.环渤海河口近岸海域生态需水研究-以漳卫新河河口为例[D].北京：中国水利水电科学研究院，2011.

[9]李奎刚，陈剑飞，卢光民，王志辉.漳卫新河辛集闸出现百年一遇特大洪水应急措施及宏观建议[J].城市建设，2010，6：402-403.

[10]孙涛，杨志峰，刘静玲.海河流域典型河口生态环境需水量[J].生态学报，2004，24（12）：2707-2715.