黄河河口区生态需水量及流量过程核算

易雨君，徐嘉欣，宋 劼，刘 奇

(1.北京师范大学水沙科学教育部重点实验室，北京 100875； 2.北京师范大学环境学院，北京 100875)

河口位于河流与海洋的交汇处，受潮流和径流共同作用，具有独特的生态结构与环境特征，生物多样性丰富，且对外界扰动响应敏感，生态系统相对脆弱。近年来，由于上游河流大坝建设、城市化进程等人类活动导致进入河口的水沙趋少，生物生境发生改变，生物多样性下降[1-2]，河口区域的生态需水问题越来越受到广泛关注。河口区域生态需水的概念及计算方法与河流、湖泊等其他水体存在明显差异，目前尚未形成统一的标准。概括来说，河口生态需水可分为广义和狭义两种，广义的河口生态需水是指维持河口生态系统平衡所需的水量，狭义的河口生态需水是指保证河口生态目标所需的淡水输入量[3]，且淡水输入量随着河口生态系统的发展呈现动态性变化[4]。在计算方法上，可将其概括为功能设定法、相关分析法以及数学模型法3类[5]，其中，功能设定法是依据不同的河口生态系统功能划分不同的需水目标，在分别进行计算后进行整合得到需水总量，目前在国内研究中应用最为广泛[6-8]；相关分析法将指示物种对盐度、温度等环境因子的适应能力作为控制条件进行相关分析，进而确定需水量，在国内已有一定的应用[9]；数学模型法通过建立数学模型，如神经网络模型[10-11]等，来模拟径流输入与生态系统状况改变之间的定量关系，进而得到需水量。

黄河口具有我国温带最为广阔完整的湿地生态系统，然而自1970年代起至1990年代，黄河断流问题频发，上游来水量的减少导致黄河口生态问题逐渐凸显[12]，到21世纪初关于黄河口生态需水的研究逐步受到关注，在计算上多采用功能设定法，将生态需水目标划分为河口湿地生态需水、河流生态需水、河口及近海生态需水三大类[13-15]。其中，湿地生态需水包括典型植被及鸟类需水、土壤需水、补给地下水需水等；河流生态需水包括典型鱼类需水、输沙需水等；河口及近海生态需水包括维持近海水域咸淡水平衡需水、近海生物生长发育所需的营养盐输入等需水。随着需水目标的细化，有学者增加了河流自净需水、防止海岸线侵蚀需水、农业生态需水[16-17]等需水目标。但由于黄河口作为集海水、咸淡水、淡水、潮滩湿地为一体的复杂系统[18]，其水文过程与生态系统间的关系较为复杂，在整合多目标需水时存在需水过程不清楚或不同目标需水重复计算等问题。因此，针对黄河口不同生态需水目标进行权衡，在适当时期给予流量脉冲，提供适宜的生态需水量及流量过程，对改善生境条件、维持生物多样性等具有重要意义。

黄河河口区主要包含河口三角洲湿地、入海口河段和近海区域3部分，黄河口生态系统处于动态平衡状态，不同区域的典型物种在各生命周期中对流量过程的需求不同。在三角洲湿地生态需水方面，因芦苇、翅碱蓬和柽柳是三角洲湿地的典型植被，分布广泛，也为鸟类提供食物来源及庇护所，因此，主要基于3种典型植被确定非消耗性需水需求，并考虑满足土壤、水面以及植被蒸散发的消耗性需水需求；在入海口及近海区域方面，因鲈鱼、鳗鲡、银鱼、魛鱼等是典型洄游鱼类[15]，产卵洄游期需满足流量脉冲及入海水量的需求，且盐度作为反映河口生态环境健康的最敏感因子之一，维持河口盐度平衡需水可通过鱼类对入海冲淡水的需求得以体现[19]，因此在该区域，主要考虑满足鱼类生存的非消耗性需水；同时，兼顾下游河道防洪减淤所需的水量。本文基于黄河口生态系统及保护目标特征，构建生境模拟模型及函数型线性回归模型得到生物群落与流量的响应关系，分析来沙系数与河道输沙的影响关系，通过多目标权衡确定最终的生态需水量及流量过程，以期为黄河口生态保护及生态补水提供理论支持。

1 研究区概况

黄河河口三角洲是以垦利渔洼为顶点，北起挑河口，南至宋春荣沟之间的扇形地带，面积约 2 800 km2，是河口自然湿地生态系统的典型代表。该区域地处咸淡水交互区域，受到海水顶托和入海河流的共同影响，是220多种植物和800多种动物的重要栖息地和物种多样性保护的天然基因库，同时也是鸟类迁徙的重要中转站、越冬地和繁殖地。保护区内国家一级保护鸟类有丹顶鹤、东方白鹳等12种，国家二级保护鸟类有灰鹤、大天鹅、鸳鸯等51种，并为鳗鲡、魛鱼等多种珍稀鱼类提供产卵场，具有重要的生态服务价值。

2 研究方法

2.1 黄河三角洲湿地生态需水计算方法

黄河三角洲湿地生态需水主要考虑湿地植被生长的非消耗性需水和蒸散发的消耗性需水。湿地植被需水主要考虑芦苇、翅碱蓬和柽柳3种典型植被对地下水埋深和浅层土壤盐度的耐受阈值，基于易雨君等[20-21]构建的耦合地下水动力水盐模拟模型与植被生长-扩散-种间竞争生态动力学模型，通过模拟不同流量条件下三角洲湿地土壤水盐条件时空变化，以及植被群落的生长、扩散及种间竞争过程，得到不同流量条件下植被群落的适宜生境面积和生物量，建立典型植被总适宜生境面积与流量间的关系。以获得3种植被总适宜生境面积的第一四分位数、最大值以及第三四分位数的流量作为最小、适宜、最大流量，进而得出黄河三角洲湿地的非消耗性需水量。

2.2 河口及近海鱼类需水计算方法

为量化河口及近海鱼类群落对入海水沙通量的响应关系，基于1981—2011年黄河口附近海域鱼类生物量序列，以及黄河利津水文站在相同时间范围内的逐日流量及输沙率序列，Yi等[22]建立了函数型线性回归模型，量化分析鱼类生物量与逐日水沙过程的响应关系：

(1)

式中：Yi为第i年的鱼类生物量；Xit为第i年第t天的流量或输沙率；βt为第t天对应的回归系数；εi为第i年的预测残差。

通过将多物种关联与整个水文系统结合，采用FLiRTI方法计算可解释的函数型回归系数[23]，得到鱼类生物量在不同的时间t所对应的回归系数βt，预测在不同生态调度方案下流量对鱼类生物量的累积效应：

(2)

式中：M为不同生态调度方案中鱼类生物量的累积效应；Qt为不同生态调度方案对应的逐日流量过程。

通过时间序列数据分析和对累积效应M的计算，得到单位流量或输沙率变化对鱼类生物量影响的程度，并识别水沙过程对鱼类群落影响的时间范围。基于该范围选取具有最大累积效应的流量过程作为鱼类的适宜流量脉冲，并综合考虑河口河道和海洋两大区域的鱼类需求，依据黄河水利科学研究院提出的低限和适宜生态流量方案，确定低限和适宜生态流量所对应的3—5月入海总水量要求。

2.3 基于多目标权衡的黄河口生态需水

河口生态需水包括消耗性需水和非消耗性需水，依据本研究所考虑的不同生态目标，将三角洲湿地生态需水、河口及近海鱼类需水和泥沙输送需水作为非消耗性需水，将土壤、水面以及植被蒸散发作为消耗性需水，多目标生态需水组成结构如图1所示。消耗性需水的计算采用加和性原则，而各项非消耗性需水相互兼容，在计算时则应采取最大性原则[24]：

(3)

式中:Wa为河口总生态需水量；Wi为各项消耗性需水；Wjn为各项非消耗性需水。

此外，最大生态需水应维持生态系统整体的动态平衡，通过影响河流造床输沙能力等进而影响河流生态系统的健康状况[25]，因此将泥沙输送需水纳入最大非消耗性生态需水的计算，通过计算满足三角洲湿地生态需水、河口及近海鱼类需水所得到的最大非消耗性流量和相应的来沙系数进行评估，判断现有最大非消耗性流量是否满足泥沙输送的需求，若满足，则不需要额外的水量补充。

图1 黄河口生态需水组成结构Fig.1 Composition structure of ecological waterdemand of Yellow River Estuary

3 结果与讨论

3.1 三角洲湿地生态需水量及流量过程

不同流量条件下各植被的生境面积结果如图2(a)(b)(c)所示，由于芦苇盐度耐受阈值最低，其生境面积与流量间存在较显著的单峰关系，在低于 50 m3/s 流量条件下，淡水补给不足将导致芦苇适宜栖息地明显缩减，在流量小于378.14 m3/s时，芦苇适宜生境面积随流量增长快速增大，当流量达到378.14 m3/s时，对应最大适宜生境面积，此后随着流量增大，河岸带区域淹没面积增大，地下水位升高，芦苇适宜生境面积逐渐下降。对于翅碱蓬而言，其盐度的耐受能力明显高于芦苇，且同时具有较强的耐盐性与耐淹水性，因此适宜生境面积与流量间的响应关系较弱且拟合情况较差，但适宜生境面积整体随流量增大而增大。柽柳由于耐淹性较差，洪水期地表淹没时可导致植株死亡，因此在流量逐渐增长的过程中，柽柳适宜生境面积保持稳定，但在流量大于1 200 m3/s时，其适宜生境面积明显降低。

植被总适宜生境与径流量间的关系如图2(d)所示，3种植被总面积与径流量的响应关系类似于芦苇，存在一个较明显的单峰，表明由于黄河流量增大导致的土壤孔隙水淡化和潮滩淹没等对于植被总适宜生境面积的影响不可忽视。在选取适宜流量时，以植被总适宜生境面积第一四分位数对应的63.24 m3/s作为最小流量，植被总适宜生境面积最大值对应的485.75 m3/s作为适宜流量，植被总适宜生境面积第三四分位数对应的1 030.23 m3/s作为最大流量。

(a) 芦苇

(b) 翅碱蓬

(c) 柽柳

(d) 3种植被图2 黄河利津站流量与三角洲湿地植被适宜生境面积的拟合曲线Fig.2 The fitting curve of the discharge of Lijinhydrographic section of the Yellow River and thesuitable habitat area of delta wetland vegetation

以上针对三角洲湿地非消耗性需水的研究表明，随着流量的增大，黄河三角洲湿地植被的总适宜生境面积快速增加，而当流量大于485.75 m3/s时，随着流量的增加将导致湿地植被总适宜生境面积的降低。因此，在每年植物生长的关键期间，维持485.75 m3/s的适宜流量最为合适。针对消耗性需水，根据Sun等[24]的研究，三角洲湿地植被、土壤及水面蒸发耗水量最小值、适宜值和最大值分别为21.1亿m3、23.35亿m3和24.33亿m3，对应耗水流量分别为66.91 m3/s、74.04 m3/s和77.15 m3/s。最终得到基于三角洲湿地需水和蒸散发耗水的最小、适宜及最大流量及需水量方案如表1所示。

表1 三角洲湿地生态需水方案Table 1 Ecological water demand schemes in delta wetland

3.2 河口及近海鱼类需水及流量过程

黄河口鱼类分为黄河口入海段鱼类和渤海近海海洋鱼类。河口河道鱼类繁殖发育对黄河入海口流量、流速、水深等均有一定要求，而海洋鱼类具有在低盐河口近岸产卵的特性，产卵场环境条件要求水深为1～10 m，盐度为1.8%～3.2%[26]，且适宜的春季入海淡水总量能够为海洋鱼类创造良好的低盐产卵环境，同时带来浮游植物必需的营养物质，因此应充分考虑鱼类在产卵洄游期对水深、流速和盐度等调控指标的需求。

针对流量脉冲，按2018年黄河下游的14种适宜生态调度方案[27](小浪底水库泄流峰值分别按照2 600 m3/s和3 000 m3/s控制，峰值持续时间分别为5 h、8 h、12 h、1 d、2 d、3 d、5 d)分别计算，得到利津站3月20日至4月1日的流量过程如图3所示。

(a) 泄流峰值为2 600 m3/s

(b) 泄流峰值为3 000 m3/s图3 不同小浪底泄流峰值调度方案对应的利津站流量过程Fig.3 Discharge process of Lijin hydrographic sectioncorresponding to different Xiaolangdi Reservoirdispatching schemes

考虑鱼类对水深、流速、盐度等调控指标的需求，通过对时间序列数据的分析以及累积效应M的计算，得到不同生态调度方案下鱼类生物量的累积效应。结果表明，当泄流峰值为2 600 m3/s时，累积效应范围为0.235～0.268，且先随峰值持续时间的增加而升高，当峰值持续时间为3 d时，达到最大值0.268，后随持续时间的增加而降低；当泄流峰值为3 000 m3/s时，累积效应的范围在0.239～0.261之间，随峰值持续时间的增加也呈现先升高后降低的趋势，在峰值持续时间为2 d时达到最大值0.261。因此，当泄流峰值为2 600 m3/s且峰值持续时间为 3 d 时，累积效应最大，为0.268，即该方案对应的利津站流量过程为河口及近海鱼类的最适流量方案。最终可确定泄流峰值为2 600 m3/s且持续时间为5 h为最小流量方案，泄流峰值为2 600 m3/s且持续时间为3 d为适宜流量方案，泄流峰值为3 000 m3/s且持续时间为5 d为最大流量对应方案，对应的利津站最小、适宜、最大流量过程如图4所示。

图4 3月20日至4月1日河口及近海区域应满足的最小、适宜及最大流量过程Fig.4 The minimum, suitable and maximum dischargeprocesses to be satisfied in the estuarine and offshoreareas from March 20 to April 1

针对入海水量的确定，在3—5月，应综合考虑河口河道鱼类和海洋鱼类要求，依据黄河水利科学研究院提出的低限流量和适宜流量两个生态调度方案[28](低限流量要求3月日均流量为 280 m3/s，4—5月日均流量为390 m3/s；适宜流量要求3月日均流量为350 m3/s，4—5月日均流量为560 m3/s)计算，3—5月低限和适宜流量对应的入海总水量分别为31亿m3和43亿m3，满足建议的32亿～46亿m3的入海水量需求。对于其他月份最小流量的确定，参考刘晓燕[29]的研究成果，确立最小生态流量为80 m3/s，适宜生态流量为120 m3/s。

综上，得到满足河口及近海鱼类流量如下：①1—2月和6—12月最小流量均为80 m3/s，适宜流量均为120 m3/s;②3月1—19日的最小、适宜流量分别为280 m3/s和350 m3/s，3月20日至4月1日的最小、适宜及最大流量如图4所示，因此，3月的平均最小、适宜和最大流量分别为178.9 m3/s、227.3 m3/s 和1 011.4 m3/s；③4—5月最小及适宜流量分别为390 m3/s和560 m3/s。最终，可确定河口及近海鱼类的最小及适宜生态需水量分别为49.95亿m3和71.89亿m3。

3.3 河道输沙需水

水少沙多、水沙关系不协调是黄河的主要矛盾，使黄河下游河段泥沙淤积，形成地上悬河。因此，为解决河口泥沙淤积等问题，需建立更为完善的黄河水沙调控体系，通过小浪底水库调度等对黄河下游的径流及泥沙过程进行有效调控，以此达到优化配置黄河水沙资源、减轻泥沙淤积的作用。据统计，在1950—1985年间，以利津站为代表的黄河年均入海输沙量为10.49亿t，而大型水利枢纽工程的修建以及黄河上游水土流失防治措施的落实使黄河沙多的问题得到较大幅度的控制，通过预测，未来入河泥沙含量约为3亿t、6亿t、8亿t 3种情况[30-32]，总体上黄河泥沙含量均呈现减少趋势。自小浪底水库建成并投入使用以来，利津站的年平均输沙量约为1.4亿t，较20世纪大幅减少，利津站作为黄河下游最后的监测站，其径流量和输沙量可作为计算黄河口入海的水量和沙量的依据。

一般认为最大生态需水应维持生态系统整体的动态平衡，通过影响河流造床输沙能力、水文连通性、河流生境等多方面来影响河流生态系统的健康状况[25]，因此将泥沙输送所需的水量纳入黄河三角洲最大生态需水的判断依据中。根据三角洲湿地生态需水的约束条件，可知年最大非消耗性流量为 1 030.23 m3/s，年最大非消耗性需水量为 324.89亿m3，同时由胡春宏等[33]的研究结果，为保证黄河下游河段达到输沙平衡，临界年均来沙系数应在0.012左右，据此推算，1 030.23 m3/s的年最大非消耗性流量全年能够输送3.9亿t泥沙，大于小浪底水库建成后利津站的年平均输沙量1.4亿t，故满足黄河口的输沙要求，目前暂不需要额外的水量补充。

3.4 基于多目标权衡的黄河口生态需水总量及流量过程

黄河口生态需水包括消耗性需水和非消耗性需水，应首先综合权衡三角洲湿地生态需水、河口及近海鱼类需水和泥沙输送3项非消耗性需水的流量过程及总水量需求，再与消耗性需水进行加和计算，得到最终的生态需水流量过程与总水量。

对于黄河口的非消耗性需水，应兼顾满足黄河三角洲湿地生态需水以及河口与近海鱼类需水的流量过程及需水总量。其中，3—5月为湿地植被发芽生长的关键期，4—6月为河口河道鱼类和近海鱼类产卵洄游的关键期，应同时满足两者的需求。在3月按照图4所示的流量过程进行调控，可提前补充河口淡水资源，为接下来鱼类的产卵及仔鱼孵化提供保障；在4—5月，若以维持关键植被生长所需的最小流量63.24 m3/s作为调控流量，则3—5月对应的最小需水总量为13.68亿m3，不能达到鱼类所需的32亿～46亿m3的入海水量，因此应以鱼类的需求为最低保证，在4—5月应达到的最小流量为 390 m3/s；同理，若在4—5月以维持关键植被生长所需的485.75 m3/s流量作为适宜流量，则适宜需水总量同样不能达到鱼类的入海水量要求，因此应以鱼类的需求为标准，在4—5月所需的适宜流量应达到560 m3/s。在其他月份中，为同时满足三角洲湿地和鱼类的水量需求，最小流量和适宜流量分别选取80 m3/s和485.75 m3/s，最大流量以适宜生境面积作为约束条件，确定为1 030.23 m3/s，且该流量可满足黄河口的基本输沙要求，不需要额外的水量补充。

黄河口的消耗性需水量中，补给土壤、水面以及植被蒸散发所需的最小、适宜、最大水量分别为21.1亿m3、23.35亿m3和24.33亿m3，最终将消耗性需水与非消耗性需水相加，可得到黄河口的最小、适宜、最大需水总量分别为71.05亿m3、181.51亿m3和349.85亿m3，如表2所示；相应的生态需水流量过程如表3所示。

表2 黄河口生态需水总量方案Table 2 Scheme of total ecological water demandin the Yellow River Estuary

表3 黄河口生态需水流量过程方案Table 3 Scheme of ecological discharge process in the Yellow River Estuary

于守兵等[19]将3.5亿m3的黄河引水水量作为湿地的最低需水量，并结合河道及近海鱼类的生态需求，得到黄河口全年生态需水量为86亿m3；蒋晓辉等[34]以鱼类产卵及仔稚鱼生长为目标，根据入海流量与盐度的相关关系确定河口及近海在4—10月关键时期的适宜生态需水量为156亿m3，分别与本研究确定的 71.05亿m3的最小需水量以及181.51亿m3的适宜需水量较为相近；李国英等[4]将防止海水入侵、维持生物生长环境、保持河口湿地合理水面面积与水深、水循环以及补给地下水作为需水目标，得到黄河口生态系统的需水量为78.21亿m3，略高于本研究得到的最小需水量；Sun等[24]以动植物淡水栖息地、盐度平衡、泥沙输送及水文循环作为目标，得到的最小、适宜、最大需水量分别为134.22亿m3、162.73亿m3和274.88亿m3。计算结果的差异性主要是因为需水目标的选取以及计算方式的不同，且本文得到的最小需水量低于已有研究，可能在于本研究是依时段对流量过程进行调控，考虑了植被的生长期以及鱼类产卵洄游的关键时期，在3月达到一定的流量过程，提前补充了河口的淡水资源，对水量的分配进行了优化。

4 结 论

保障黄河口生态需水对于维持其生态系统稳定性具有重要意义，本文考虑黄河三角洲湿地生态需水、河口及近海鱼类需水和河道输沙需水等需求，将其分为非消耗性需水和消耗性需水，开展了多目标权衡，明确了以下生态需水量及流量过程方案：考虑黄河口及近海鱼类洄游产卵和植被生长发芽的关键时期，在3月达到一定的流量过程，提前补充河口淡水资源，有利于为鱼类的产卵及仔鱼孵化提供保障，3月的平均最小、适宜、最大流量分别为178.9 m3/s、227.3 m3/s和1 011.4 m3/s；4—5月的最小、适宜和最大流量分别为456.91 m3/s、634.04 m3/s和 1 107.38 m3/s；其余月份的最小、适宜、最大流量分别为146.91 m3/s、559.79 m3/s和 1 107.38 m3/s，最终计算得到黄河口最小、适宜、最大总需水量分别为71.05亿m3、181.51亿m3、349.85亿m3。

本文以有效改善黄河三角洲湿地、河口及近海区域生物生境质量并满足河道输沙能力为目标，基于典型植被及鱼类对径流的响应关系构建了生境模拟模型与函数型线性回归模型，通过多目标权衡，提出了黄河河口区生态需水量及流量方案。