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Study on multi-objective ecological flow integrating fish habitat and navigation in rivers
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摘要:
维持河流生态流量是保障水生态系统健康的基本要求，鱼类是水生态系统生物群落中的顶级物种。基于水生态调查，以生境模拟法为基础探究山东省小清河干流的生态流量。利用相对重要性指数选取不同季节的鱼类指示物种，结合生境调查和相关文献绘制鱼类生境适宜性曲线，利用生境模拟法求解黄台桥、岔河和石村水文站3个生态流量控制断面满足鱼类生境适宜性要求的生态流量；通过计算生态流量保证率对水文学方法和生境模拟法计算的生态流量进行比选，并结合小清河航运要求，确定小清河干流满足鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的多目标生态流量。通过与3个控制断面长系列实测月平均流量比较求得多目标生态流量年平均保证率分别为98.21%、83.77%和80.13%，而岔河水文站6月份、石村水文站4、5月份保证率明显低于平均水平，需予以重点关注。
Abstract:Maintaining river ecological flow is a fundamental requirement for ensuring the health of aquatic ecosystems, with fish being the apex species within these ecosystems. Based on ecological surveys, this study explores the ecological flow of the main channel of the Xiaoqing River in Shandong Province using a habitat simulation method. First, relative importance indices were used to select fish indicator species for different seasons. Habitat suitability curves for fish species were then drawn based on habitat surveys and relevant literature. The habitat simulation method was employed to determine the ecological flows required to meet the habitat suitability needs at three ecological flow control sections: Huangtai Bridge, Chahe, and Shicun hydrological stations. Subsequently, by calculating ecological flow guarantee rates, a comparison was made between the ecological flows obtained through hydrological methods and the habitat simulation method. In combination with navigation requirements of the Xiaoqing River, a multi-objective ecological flow was determined, balancing fish habitat suitability, hydrological rhythm, and navigation needs. A comparison with long-term observed monthly average flows at the three control sections yielded annual average guarantee rates of 98.21%, 83.77%, and 80.13%. However, the guarantee rates for June at the Chahe station and for April and May at the Shicun station were significantly below average, warranting special attention.
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Keywords:
- Xiaoqing River /
- ecological flow /
- habitat simulation method /
- hydrological methods /
- navigation
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河流生态系统是地球生态系统必不可少的组成部分，健康的河流生态系统不仅有利于维护自然生态平衡和生物多样性，也关乎人类的生存和发展[1]。近年来，受气候变化和人类活动的影响，河流水量短缺、水质污染等问题日益凸显，水生生物栖息地及生物多样性遭到破坏[2]，河流生态系统健康受到严重威胁[3]，水资源开发利用与生态保护之间的矛盾日益加剧，严重制约了经济社会的可持续发展[4]。小清河是山东省鲁中地区的重要河流，兼具防洪、航运、灌溉等功能，开发利用程度较高，对区域经济发展有着明显的带动作用[5]，但流域水文情势也受人类活动的显著影响[6-7]。因此，研究小清河的生态流量对河流生态系统恢复及区域经济社会可持续发展具有重要意义。
不同河流的生态系统结构和功能有所不同，同一条河流的生态需求在不同河段或季节也会发生变化，水资源条件和开发利用需求亦有差异[8]。因此，在制定生态流量时应考虑地域性与时效性。目前，相对成熟的生态流量计算方法有四类：水文学方法、水力学方法、生境模拟法和整体分析法[9-10]。水文学方法以径流资料为基础，简单易行，应用广泛，但通常缺乏生态有效性[11-12]；水力学方法通过河道断面的水力参数确定满足河道生态功能所需的流量，考虑了河床形状和生物栖息地需求[13]，但通常不适用于河床形状不稳定的河流，无法体现河流季节性变化，近几年来应用较少；整体分析法从生态系统整体出发，涉及水文、地质、生态、社会经济等多学科[14]，计算精度高，但所需资料繁琐，计算过程复杂，推广应用存在困难。
生境模拟法通过量化生物栖息地和流量之间的关系确定适宜水生生物生存的流量，直观可靠，且更能体现河流生态系统的需求。鱼类是水生态系统生物群落中的顶级物种，故本研究根据小清河干流水文站分布，选取黄台桥、岔河和石村水文站断面作为生态流量控制断面，利用生境模拟法探究考虑不同季节鱼类生境适宜性的生态流量，并与水文学方法进行对比，结合实测径流条件下两类方法的生态流量保证率及航运要求，求解小清河干流满足鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的生态流量。
1. 材料与方法
小清河为山东省中部渤海水系河流，干流源起济南市泉群，沿途依次流经滨州市、淄博市、东营市和潍坊市，于寿光市羊口镇注入渤海，全长237 km。小清河流域面积10 336 km2，属暖温带大陆性气候，四季分明，水文气象要素年内变化较大，1956—2021年多年平均降水量为642.2 mm，主要集中于汛期6—9月，约占全年的73.4 %；多年平均蒸发量1 289.9 mm，平均气温13 ℃。根据河流水系特征，将小清河分为上、中和下游，由源头至魏桥水文站为上游，魏桥水文站至石村水文站为中游，石村水文站至河口为下游（图1）。
本研究水文数据包括：黄台桥水文站1956—2019年逐月天然径流量数据，2009—2014年逐日实测水位、流量数据；岔河水文站1956—2019年逐月天然径流量数据，2013—2019年逐日实测水位、流量数据；石村水文站1956—1998、2010—2013年逐日实测流量数据。河道地形数据为基于2022年小清河干流实测大断面成果图，对照天地图进行断面测点经纬度和高程提取，断面间距1 km，弯道处进行加密处理，通过ArcGIS对提取出的测点进行坐标转换以获取投影坐标。以相对重要性指数（Index of Relative Importance，记为IRI）来选取鱼类指示物种，相关计算式如式（1）所示[15]。
$$ I_{\text{RI}}=(N+B)F $$ (1) 式中：IRI为相对重要性指数；N为个体数量指标值；B为生物量指标值；F为出现频率。
结合已有调查[16]，根据式（1）计算春、夏、秋三季鱼类的相对重要性指数，见表1。
表 1 小清河鱼类物种相对重要性指数Table 1. Relative importance index of fish species in the Xiaoqing River鱼种 相对重要性指数 鱼种 相对重要性指数 春 夏 秋 春 夏 秋 棒花鱼 25.46 339.62 4.40 麦穗鱼 118.90 227.53 696.90 乌鳢 33.73 30.66 13.76 䱗 177.21 36.19 185.95 青鳉 42.08 35.39 284.29 大鳞副泥鳅 208.53 0 274.61 子陵栉鰕虎鱼 54.09 0 3.30 红鳍鲌 213.03 32.14 63.56 彩鰟鮍 64.40 292.70 365.05 泥鳅 1 079.68 719.54 1 585.96 黄鳝 68.35 0 6.88 鲫 8 157.08 8 859.50 7 360.57 鲤 116.62 217.79 0 生境模拟法以生态水力学为基础，通过量化物种栖息地和流量之间的关系确定适合水生生物生存的流量，其中河道内流量增加法（instream flow incremental methodology, IFIM）通过水动力学模型模拟不同流量条件下河道内水动力因子分布，并根据目标物种对生境因子的适宜性计算栖息地加权可利用面积（weighted usable area, 记为AWU），从而量化流量和AWU之间的关系来确定生态流量[17]，具体可通过PHABSIM和River2D等模型实现[18]。目前，生境模拟法大多选取鱼类作为目标物种[19-20]，这是由于鱼类是水生态系统生物群落中的顶级物种，类群多样，种间关系复杂，对维持食物网结构与功能稳定及水生态系统平衡具有重要作用[21]。
本研究采用River2D模型实现生境模拟法求解生态流量，该模型为平均水深二维水动力模型和鱼类栖息地模型，以二维圣维南方程组为水力模拟基本原理[22]，见式（2）~（4）。
质量守恒方程：
$$ \frac{{\partial H}}{{\partial t}} + \frac{{\partial {q_x}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {q_y}}}{{\partial y}} = 0 $$ (2) 动量守恒方程：
$$ \frac{{\partial {q_x}}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {U{q_x}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {V{q_x}} \right) + \frac{g}{2}\frac{\partial }{{\partial x}}{H^2} = gH\left( {{S_{0x}} - {S_{fx}}} \right) + \frac{1}{\rho }\left[ {\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {H{\tau _{xx}}} \right)} \right] + \frac{1}{\rho }\left[ {\frac{\partial }{{\partial y}}\left( {H{\tau _{xy}}} \right)} \right] $$ (3) $$ \frac{{\partial {q_y}}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {U{q_y}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {V{q_y}} \right) + \frac{g}{2}\frac{\partial }{{\partial x}}{H^2} = gH\left( {{S_{0y}} - {S_{fy}}} \right) + \frac{1}{\rho }\left[ {\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {H{\tau _{yx}}} \right)} \right] + \frac{1}{\rho }\left[ {\frac{\partial }{{\partial y}}\left( {H{\tau _{yy}}} \right)} \right] $$ (4) 式中：H为水深；qx、qy分别是x和y轴方向的单宽流量；t为时间；U、V分别为沿x和y轴方向的水流速度；g为重力加速度；ρ为水的密度；S0x、S0y分别为沿x和y轴方向的河床坡降；Sfx、Sfy为河床摩擦阻力；τxx、τxy、τyx、τyy为水平方向剪切应力张量的分量。
根据目标鱼种对不同生境因子的偏好性，通过River2D模型计算不同网格节点及关联区域上对应的流速、水深和河道指数的综合适宜性指数（Combined Suitability Index，ICS）。本文采用应用较广的乘积法[23]计算ICS。对不同生境因子的适宜性值进行组合加权得AWU。
乘积法：
$$ I_{\text{CS,}i}=V_iD_iC_i $$ (5) $$ A_{\text{WU}}=\sum\limits_{i=1}^nI_{\text{CS,}i}A_i $$ (6) 式中：ICS,i为第i个计算单元的综合适宜性指数；Vi、Di、Ci分别为第i个计算单元的流速、水深、河道指数适宜性值；AWU为加权可利用面积；Ai为第i个计算单元的面积；n为单元数量。由于缺少鱼类对河道底质和覆盖物的适宜性资料，本研究将Ci的适宜性值默认为1，即仅考虑水深和流速的影响。
2. 基于生境模拟法的生态流量计算
2.1 河段划分及模型构建
利用River2D模型对不同流量工况下河道栖息地环境进行模拟，故需要确定相应研究河段。小清河干流上的水文站仅有黄台桥站、岔河站与石村站具有长系列径流数据，分别作为上、中、下游代表水文站和生态流量控制断面。由此，依次选取黄台桥水文站至柴庄闸、岔河水文站至博兴水文站、石村水文站至王道闸等3个河段为研究对象，求解3个生态流量控制断面的生态流量。主要步骤如下：
（1）网格化地形 采用三角形网格对3个研究河段进行网格剖分，网格边长设置为30 m，黄台桥水文站至柴庄闸河段共生成节点18 264个，网格34 817个，网格质量指数均大于0.20（可接受范围为[0.15， 0.50]）；岔河水文站至博兴水文站河段共生成节点20 066个，网格35 627个，网格质量指数均大于0.20；石村水文站至王道闸河段共生成节点18 725个，网格35 627个，网格质量指数为0.20。限于篇幅，仅展示黄台桥水文站至柴庄闸河段插值河道地形，如图2所示。
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图 2 黄台桥水文站至柴庄闸河段地形Figure 2. Topography of the river section from Huangtai Bridge hydrological station to Chaizhuang sluice（2）边界条件 River2D 模型的边界条件包括入流断面流量和出流断面水位。3个河段分别采用入流断面水文站实测流量数据作为入流边界条件，由于缺乏研究河段内支流河道地形及水文数据，故根据水文比拟法得到相应入流条件下的出流断面流量以考虑区间入流的影响，再由出流断面水位流量关系得到出流断面水位。
（3）参数设置 River2D模型采用有效粗糙高度Ks代替曼宁系数n。相比于n，Ks考虑了水深对河床阻力的影响，两者关系如式（7）所示：
$$ n = \frac{{{R^{1/6}}}}{{2.5\sqrt g \ln \left( {{{12R}}/{{{K_{\text{s}}}}}} \right)}} $$ (7) 式中：R为水力半径。
小清河干流河道经过整修衬砌，多为矩形断面或梯形断面，河道糙率n取0.026。根据n的取值及河道地形，计算得到3个河段的Ks分别为0.08~0.23、0.17~0.49及0.05~0.23。
（4）模型验证 对比出流断面水位实测值与模拟值以验证模拟效果。3个出流断面实测水位数据分别依据对应的入流断面黄台桥水文站（2015年）、岔河水文站（2015年）、石村水文站（2013年）实测月平均流量经水文比拟法和水位流量关系推求。3个河段出流断面水位对比如图3所示。
由图3可见，3个研究河段出口断面水位模拟值与实测值吻合度较高，为了更客观地反映二者的吻合程度，采用纳什效率系数和均方根误差作为验证指标。柴庄闸水位的纳什效率系数和均方根误差分别为0.90和0.01 m，博兴水文站分别为0.99和0.02 m，王道闸分别为0.95和0.25 m。可见模型整体模拟效果良好，结果可靠。这表明所建立的小清河干流3个研究河段的水动力学模型结构和参数合理，可用于构建鱼类栖息地模型进行生态流量的研究。
2.2 鱼类的适宜性曲线
小清河水量和生态需求存在明显的季节差异，因此本研究根据生境调查结果，不同季节选取不同的鱼类指示物种。由表1可见，春夏秋三季中鲫的IRI均超过1 000，因此将鲫作为优势种。根据IRI值，春季选取泥鳅作为指示物种，根据季节差异性原则，夏季和秋季则应排除泥鳅，分别选择棒花鱼和麦穗鱼作为指示物种。根据生境调查并综合已有研究成果[24]，构建鱼类指示物种的生境适宜性曲线如图4（注：鲫与麦穗鱼流速适宜性曲线重合）。
2.3 生态流量的计算
River2D模型采用IFIM量化上游入流量Q和河道内AWU之间的关系，因此，需要设置不同的流量工况进行水动力学模拟。为涵盖非汛期和汛期流量条件，本研究设置流量工况范围为2~24 m3/s，间隔2 m3/s，另包括0.5和1.0 m3/s两个小流量工况。
因模拟工况较多，本文只展示0.5和1.0 m3/s的2个小流量工况和6、12、18、24 m3/s的4个等间隔流量工况下的水深模拟结果，见图5。图5(a)水深范围为0~6 m，随流量的增加，水面宽度有所增加，最大水深由4 m增加至5 m以上；图5(b)颜色变化较明显，水深范围0~10 m，最大水深由6 m增加至9 m以上；图5(c)亦有明显颜色变化，水深范围0~6 m，最大水深4~6 m。
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图 5 不同河段水动力模拟结果Figure 5. Hydrodynamic simulation results for different river sections根据不同流量工况下鱼类栖息地模拟结果，绘制出3个河段的Q-AWU曲线见图6（鲫和麦穗鱼AWU绘制在次坐标轴上）。
由图6（a）可知，4种目标鱼类的Q-AWU曲线均呈现明显的先升后降趋势，这说明并不是流量越大越有利于鱼类生存。根据各曲线峰值，优势种鲫、泥鳅、棒花鱼和麦穗鱼的最适宜生态流量分别为6、2、4和2 m3/s。冬季水资源紧张，采用优势种鲫的最适生态流量6 m3/s不合适，会造成较大的用水压力，且冬季鱼类除需要一定的水深满足越冬需求外，其他生存需求相对较低，因此建议采用春秋季生态流量2 m3/s作为冬季生态流量。
由图6（b）可知，4种目标鱼类的Q-AWU曲线波动较为明显，均呈现多个峰值。鲫鱼、泥鳅、麦穗鱼最大值均出现在第1个波峰，棒花鱼曲线最大值则出现在第2个波峰。根据各曲线峰值，优势种鲫、泥鳅、棒花鱼和麦穗鱼的最适宜生态流量分别为2、2、12和2 m3/s。冬季仍以满足鱼类越冬需求为主，采用春秋季生态流量2 m3/s作为冬季生态流量，也最适于优势种鲫的生存。
由图6（c）可知，4种目标鱼类的Q-AWU曲线均呈现为单峰形式，且峰值对应的流量较大，这与该河段的河宽有较大关系。根据各曲线峰值，优势种鲫、泥鳅、棒花鱼和麦穗鱼的最适宜生态流量分别为18、18、14和18 m3/s。冬季以满足鱼类越冬需求为主，采用14 m3/s作为冬季生态流量。综上，黄台桥、岔河、石村水文站断面生态流量计算结果见表2。
表 2 生境模拟法生态流量计算结果Table 2. Ecological flow calculation results using the habitat simulation method季节 目标鱼种 不同站点断面生态流量/(m3/s) 季节 目标鱼种 不同站点断面生态流量/(m3/s) 黄台桥 岔河 石村 黄台桥 岔河 石村 春季（3—5月） 泥鳅 2 2 18 秋季（9—11月） 麦穗鱼 2 2 18 夏季（6—8月） 棒花鱼 4 12 14 冬季（12—次年2月） 无 2 2 14 注：优势种鲫在黄台桥、岔河、石村的生态流量分别为6、2、18 m3/s。 3. 多目标生态流量确定
3.1 水文学方法计算生态流量
采用Tennant法、NGPRP法、Texas法、最小月平均实测径流法和90%保证率最枯日平均流量法等5种水文学方法求解3个控制断面的生态流量，后两者采用日尺度实测流量序列，前三者采用月尺度天然流量序列，石村水文站缺少天然月尺度流量数据，故采用日尺度实测数据推算。杨裕恒等[25]发现小清河干流自1997年经过治理后，人类活动对河道内径流量的影响显著增强。但石村水文站日尺度实测流量序列集中在1956—1998年，受人类活动影响较小，可看作天然径流条件。3个断面生态流量结果见图7。
由图7可知，不同水文学方法计算结果差异明显，采用月尺度天然流量序列计算的生态流量远小于采用日尺度实测流量序列的计算结果。小清河是季节性河道，自然状态下径流量丰枯悬殊，但常年受到泉水、城市中水和农业灌溉尾水补给[26]；为保持水质，小清河沿线几处大型水库也要保持一定的生态流量，因此导致了上述差异现象。在具有大量泉水补给的上游黄台桥站，差异最为明显。
大量研究已经表明，河流流量的变异性是维持其生态系统健康和生物多样性的核心[27]。为筛选出适合小清河干流的水文学生态流量计算方法，对5种计算结果与2006—2016年天然月平均流量进行相关性分析，结果见表3。横向比较，Tennant法、Texas法、NGPRP法计算结果与月平均流量均在0.01水平上显著相关，且相关程度依次减小，而其余两种方法相关性较差；纵向比较，从上游黄台桥水文站至下游石村水文站，日尺度实测流量序列计算出的生态流量结果与月平均流量的相关性越来越高，在一定程度上说明小清河干流从上游至下游，人类活动对流量的影响逐渐降低，流量对自然水文情势的影响逐渐增强。
表 3 水文学方法生态流量计算成果与2006—2016年月平均流量相关性分析Table 3. Correlation analysis between ecological flow calculation results from hydrological methods and monthly average flows (2006–2016)断面 5种水文学方法下的生态流量与多年月平均流量相关系数 Tennant NGPRP Texas 最小月平均 90%最枯日 黄台桥水文站 0.990** 0.810** 0.970** 0.015 0.656* 岔河水文站 0.981** 0.929** 0.978** 0.654* 0.698* 石村水文站 0.992** 0.724** 0.980** 0.802* 0.792* 注：**在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关。 基于以上分析，重点考虑与天然月平均流量相关性较强Tennant法和Texas法。3个控制断面中，Tennant法计算结果均较Texas法计算结果偏大，根据站点的天然月平均流量数据，黄台桥水文站平均流量较小，岔河和石村水文站的平均流量均较大，故黄台桥站的生态流量采用Texas法计算结果，岔河和石村水文站生态流量采用Tennant法计算结果。3个断面水文学方法计算生态流量计算结果见表4。
表 4 水文学方法生态流量计算结果Table 4. Ecological flow calculation results based on hydrological methods断面 采用水文学法计算的不同月份下生态流量/(m3/s) 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 黄台桥水文站 0.13 0.14 0.16 0.14 0.34 0.73 1.85 2.88 1.46 0.42 0.24 0.10 岔河水文站 3.15 2.79 2.33 1.86 2.72 3.37 10.94 14.48 9.50 5.62 4.24 3.69 石村水文站 5.65 5.13 3.91 2.77 3.19 3.34 14.07 19.08 13.81 7.96 7.14 6.28 3.2 保证率分析及多目标生态流量的确定
小清河作为贯穿山东省中部工业走廊的内河水运大通道，已于2023年6月底实现全线通航，在考虑生态流量的同时，更要保证满足通航需求。根据山东省水利厅关于《山东省小清河水量调度方案（试行）》的通知，小清河干流通航控制断面及通航下泄水量分别为：五龙堂桥843万m3/月，金家堰枢纽1 789万m3/月，博兴水文站1 009万m3/月、石村水文站1 266万m3/月。受资料限制，本研究选取的生态流量断面与上述通航控制断面有所不同，故通过比拟和换算得到黄台桥、岔河、石村水文站3个生态流量断面的通航下泄流量分别为0.52、6.90、4.88 m3/s。同时，对水文学方法和生境模拟法计算结果进行保证率分析，以对两种方法进行比选。实测径流条件下黄台桥、岔河、石村水文站生态流量保证率见图8。
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图 8 实测径流条件下生态流量保证率Figure 8. Ecological flow guarantee rate under measured runoff conditions由图8可知，实测径流条件下，对于黄台桥断面，水文学方法所得各月生态流量保证率均可达100%，生境模拟法的生态流量保证率除6、7、8月份外也均可达到100%，考虑到黄台桥断面水量较为丰富，建议采用生境模拟法计算结果。对于岔河水文站断面，除6月份外，两种方法生态流量保证率相差小于20%，因此仍建议采用生境模拟法计算结果。石村水文站断面生境模拟法所得生态流量明显偏高，导致除7、8月份外，明显低于水文学方法生态流量保证率。石村水文站至王道闸河段位于小清河下游，河宽较大，丰富的流量更有利于满足鱼类栖息地需求，但也会造成沿岸较高的用水压力，因此建议7、8月份采用生境模拟法计算结果，其余月份则采用水文学方法计算结果。
小清河作为山东省内河航运“黄金水道”，通航下泄流量需予以重点保证，因此将通航下泄流量作为下限流量；在鱼类生境适宜性生态流量高于通航流量、水量匮乏时，则通过水文学方法计算结果和通航流量比选，确定多目标生态流量；在水量较为丰富时，则以满足鱼类生境适宜性的流量作为多目标生态流量。基于这一思路，求得小清河干流兼顾生境适宜性、水文节律性及通航需求的多目标生态流量，见表5，并求得3个断面生态流量年平均保证率分别为98.21%、83.77%、80.13%。但计算发现，岔河水文站6月份生态流量保证率仅有34.21%，石村水文站4、5月份生态流量保证率不足70%，明显低于平均水平，建议通过加强流域内水资源调度以及引黄灌溉尾水补给、南水北调补水等提高这一时期的生态流量保证率。
表 5 小清河干流多目标生态流量计算结果Table 5. Multi-objective ecological flow calculation results for the main channel of the Xiaoqing River断面 不同月份下小清河干流多目标生态流量/(m3/s) 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 黄台桥 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 岔河 6.90 6.90 6.90 6.90 6.90 12.00 12.00 12.00 6.90 6.90 6.90 6.90 石村 5.65 5.13 4.88 4.88 4.88 4.88 14.00 14.00 13.81 7.96 7.14 6.28 4. 结 语
本文采用生境模拟法求解了满足小清河干流鱼类生境适宜性的流量，并通过与水文学方法和通航流量需求进行对比分析，得到了兼顾鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的生态流量。主要结论如下：
（1）采用生境模拟法计算小清河干流满足鱼类生境适宜性的生态流量，精确量化了小清河干流不同河段和季节的生态流量需求。
（2）将各断面水文学方法计算结果与2006—2016年天然月平均流量进行相关性分析，检验了5种方法的合理性，结合各断面水资源条件，确定黄台桥水文站的生态流量采用Texas法计算结果，岔河和石村水文站生态流量采用Tennant法计算结果。
（3）根据小清河干流通航要求，结合生态流量保证率分析，得到满足鱼类生境适宜性、水文节律性和航运要求的生态流量，从实际出发，全面考量了小清河的生态流量需求，更有利于生态与经济协调发展。
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图 2 黄台桥水文站至柴庄闸河段地形
Figure 2. Topography of the river section from Huangtai Bridge hydrological station to Chaizhuang sluice
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图 5 不同河段水动力模拟结果
Figure 5. Hydrodynamic simulation results for different river sections
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图 8 实测径流条件下生态流量保证率
Figure 8. Ecological flow guarantee rate under measured runoff conditions
表 1 小清河鱼类物种相对重要性指数
Table 1 Relative importance index of fish species in the Xiaoqing River
鱼种 相对重要性指数 鱼种 相对重要性指数 春 夏 秋 春 夏 秋 棒花鱼 25.46 339.62 4.40 麦穗鱼 118.90 227.53 696.90 乌鳢 33.73 30.66 13.76 䱗 177.21 36.19 185.95 青鳉 42.08 35.39 284.29 大鳞副泥鳅 208.53 0 274.61 子陵栉鰕虎鱼 54.09 0 3.30 红鳍鲌 213.03 32.14 63.56 彩鰟鮍 64.40 292.70 365.05 泥鳅 1 079.68 719.54 1 585.96 黄鳝 68.35 0 6.88 鲫 8 157.08 8 859.50 7 360.57 鲤 116.62 217.79 0 
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表 2 生境模拟法生态流量计算结果
Table 2 Ecological flow calculation results using the habitat simulation method
季节 目标鱼种 不同站点断面生态流量/(m3/s) 季节 目标鱼种 不同站点断面生态流量/(m3/s) 黄台桥 岔河 石村 黄台桥 岔河 石村 春季（3—5月） 泥鳅 2 2 18 秋季（9—11月） 麦穗鱼 2 2 18 夏季（6—8月） 棒花鱼 4 12 14 冬季（12—次年2月） 无 2 2 14 注：优势种鲫在黄台桥、岔河、石村的生态流量分别为6、2、18 m3/s。
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表 3 水文学方法生态流量计算成果与2006—2016年月平均流量相关性分析
Table 3 Correlation analysis between ecological flow calculation results from hydrological methods and monthly average flows (2006–2016)
断面 5种水文学方法下的生态流量与多年月平均流量相关系数 Tennant NGPRP Texas 最小月平均 90%最枯日 黄台桥水文站 0.990** 0.810** 0.970** 0.015 0.656* 岔河水文站 0.981** 0.929** 0.978** 0.654* 0.698* 石村水文站 0.992** 0.724** 0.980** 0.802* 0.792* 注：**在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关。
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表 4 水文学方法生态流量计算结果
Table 4 Ecological flow calculation results based on hydrological methods
断面 采用水文学法计算的不同月份下生态流量/(m3/s) 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 黄台桥水文站 0.13 0.14 0.16 0.14 0.34 0.73 1.85 2.88 1.46 0.42 0.24 0.10 岔河水文站 3.15 2.79 2.33 1.86 2.72 3.37 10.94 14.48 9.50 5.62 4.24 3.69 石村水文站 5.65 5.13 3.91 2.77 3.19 3.34 14.07 19.08 13.81 7.96 7.14 6.28
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表 5 小清河干流多目标生态流量计算结果
Table 5 Multi-objective ecological flow calculation results for the main channel of the Xiaoqing River
断面 不同月份下小清河干流多目标生态流量/(m3/s) 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 黄台桥 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 岔河 6.90 6.90 6.90 6.90 6.90 12.00 12.00 12.00 6.90 6.90 6.90 6.90 石村 5.65 5.13 4.88 4.88 4.88 4.88 14.00 14.00 13.81 7.96 7.14 6.28
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[1] 徐宗学, 武玮, 于松延. 生态基流研究: 进展与挑战[J]. 水力发电学报,2016,35(4):1-11. (XU Zongxue, WU Wei, YU Songyan. Ecological baseflow: progress and challenge[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(4): 1-11. (in Chinese) XU Zongxue, WU Wei, YU Songyan. Ecological baseflow: progress and challenge[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(4): 1-11. （in Chinese）
[2] 俞雷, 张陆陈, 骆少泽, 等. 不同生态流量需求下雅砻江中下游梯级电站联合优化调度[J]. 水利水运工程学报,2024(1):68-76. (YU Lei, ZHANG Luchen, LUO Shaoze, et al. Optimizing the operation of interconnected cascade hydropower plants along the middle and lower stretches of the Yalong River to meet varying ecological flow demands[J]. Hydro-Science and Engineering, 2024(1): 68-76. (in Chinese) YU Lei, ZHANG Luchen, LUO Shaoze, et al. Optimizing the operation of interconnected cascade hydropower plants along the middle and lower stretches of the Yalong River to meet varying ecological flow demands[J]. Hydro-Science and Engineering, 2024(1): 68-76. （in Chinese）
[3] 张丽, 陈婕汝, 万东辉, 等. 小水电影响下的南方山区河流适宜生态流量[J]. 水电能源科学,2023,41(4):65-68, 64. (ZHANG Li, CHEN Jieru, WAN Donghui, et al. Suitable river ecological flow in southern mountainous areas under influence of small hydropower[J]. Water Resources and Power, 2023, 41(4): 65-68, 64. (in Chinese) ZHANG Li, CHEN Jieru, WAN Donghui, et al. Suitable river ecological flow in southern mountainous areas under influence of small hydropower[J]. Water Resources and Power, 2023, 41(4): 65-68, 64. （in Chinese）
[4] MONICO V, SOLERA A, BERGILLOS R J, et al. Effects of environmental flows on hydrological alteration and reliability of water demands[J]. The Science of the Total Environment, 2022, 810: 151630. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.151630
[5] 张远, 赵长森, 杨胜天, 等. 耦合多物种生态流速的生态需水计算方法[J]. 北京师范大学学报(自然科学版),2017,53(3):337-343. (ZHANG Yuan, ZHAO Changsen, YANG Shengtian, et al. A method to calculate ecological flow base by coupling multi-species flow velocity requirement[J]. Journal of Beijing Normal University (Natural Science), 2017, 53(3): 337-343. (in Chinese) ZHANG Yuan, ZHAO Changsen, YANG Shengtian, et al. A method to calculate ecological flow base by coupling multi-species flow velocity requirement[J]. Journal of Beijing Normal University (Natural Science), 2017, 53(3): 337-343. （in Chinese）
[6] 赵彦军, 徐宗学, 赵刚, 等. 城市化对济南小清河流域产汇流的影响研究[J]. 水力发电学报,2019,38(10):35-46. (ZHAO Yanjun, XU Zongxue, ZHAO Gang, et al. Impact of urbanization on regional rainfall-runoff processes in Xiaoqing River Basin, Ji’nan[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2019, 38(10): 35-46. (in Chinese) ZHAO Yanjun, XU Zongxue, ZHAO Gang, et al. Impact of urbanization on regional rainfall-runoff processes in Xiaoqing River Basin, Ji’nan[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2019, 38(10): 35-46. （in Chinese）
[7] 钱秀红, 程森, 韩笑宇, 等. 小清河干流近60年径流变化归因分析[J]. 水电能源科学,2024,42(2):5-8. (QIAN Xiuhong, CHENG Sen, HAN Xiaoyu, et al. Attribution identification of runoff change in Xiaoqing River Basin based on Budyko hypothesis[J]. Water Resources and Power, 2024, 42(2): 5-8. (in Chinese) QIAN Xiuhong, CHENG Sen, HAN Xiaoyu, et al. Attribution identification of runoff change in Xiaoqing River Basin based on Budyko hypothesis[J]. Water Resources and Power, 2024, 42(2): 5-8. （in Chinese）
[8] 徐宗学, 李鹏, 侯昕玥. 河道生态基流理论基础与计算方法研究[J]. 人民黄河,2019,41(10):119-127. (XU Zongxue, LI Peng, HOU Xinyue. Theoretical basis and estimation method for ecological base-flow[J]. Yellow River, 2019, 41(10): 119-127. (in Chinese) XU Zongxue, LI Peng, HOU Xinyue. Theoretical basis and estimation method for ecological base-flow[J]. Yellow River, 2019, 41(10): 119-127. （in Chinese）
[9] 李强, 王俏俏, 陈红丽, 等. 生态流量方法应用现状研究[J]. 生态学报,2024,44(1):36-46. (LI Qiang, WANG Qiaoqiao, CHEN Hongli, et al. Progress and perspectives on ecological flow assessment methods in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2024, 44(1): 36-46. (in Chinese) LI Qiang, WANG Qiaoqiao, CHEN Hongli, et al. Progress and perspectives on ecological flow assessment methods in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2024, 44(1): 36-46. （in Chinese）
[10] AKTER A, TANIM A H. A modeling approach to establish environmental flow threshold in ungauged semidiurnal tidal river[J]. Journal of Hydrology, 2018, 558: 442-459. doi: 10.1016/j.jhydrol.2018.01.061
[11] KURIQI A, PINHEIRO A N, SORDO-WARD A, et al. Water-energy-ecosystem nexus: balancing competing interests at a run-of-river hydropower plant coupling a hydrologic-ecohydraulic approach[J]. Energy Conversion and Management, 2020, 223: 113267. doi: 10.1016/j.enconman.2020.113267
[12] 杨培思, 王丽, 莫康乐, 等. 考虑鱼类生态需水过程的漓江并联水库群生态调度[J]. 水利水运工程学报,2022(5):138-147. (YANG Peisi, WANG Li, MO Kangle, et al. Ecological operation of Lijiang parallel reservoirs considering ecological flow requirement of fish[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(5): 138-147. (in Chinese) YANG Peisi, WANG Li, MO Kangle, et al. Ecological operation of Lijiang parallel reservoirs considering ecological flow requirement of fish[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(5): 138-147. （in Chinese）
[13] 吴朱昊. R2CROSS方法在南方中小型河道生态流量计算中的适用性和优化讨论[J]. 中国农村水利水电,2021(4):113-119. (WU Zhuhao. Applicability and optimization of R-2CROSS method in ecological flow calculation of small-and-medium sized rivers in South China[J]. China Rural Water and Hydropower, 2021(4): 113-119. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2284.2021.04.019 WU Zhuhao. Applicability and optimization of R-2CROSS method in ecological flow calculation of small-and-medium sized rivers in South China[J]. China Rural Water and Hydropower, 2021(4): 113-119. （in Chinese） doi: 10.3969/j.issn.1007-2284.2021.04.019
[14] IBÁÑEZ C, CAIOLA N, BELMAR O. Environmental flows in the lower Ebro River and delta: current status and guidelines for a holistic approach[J]. Water, 2020, 12(10): 2670.
[15] 朱鑫华, 唐启升. 渤海鱼类群落优势种结构及其种间更替[J]. 海洋科学集刊,2002(44):159-168. (ZHU Xinhua, TANG Qisheng. Structuring dominant components within fish community in Bohai Sea system[J]. Studia Marian Sinica, 2002(44): 159-168. (in Chinese) ZHU Xinhua, TANG Qisheng. Structuring dominant components within fish community in Bohai Sea system[J]. Studia Marian Sinica, 2002(44): 159-168. （in Chinese）
[16] 山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心, 山东省水利科学研究院, 济南大学. 小清河流域综合治理与幸福河建设关键技术研究与应用[R]. 济南: 山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心, 山东省水利科学研究院, 济南大学, 2023. (Shandong Water Conservancy Management and Service Center of Haihe-Huaihe-Xiaoqing River Basin, Water Resources Research Institute of Shandong Province, University of Jinan. Research and application of key technologies for comprehensive management of Xiaoqing River Basin and construction of Happy River[R]. Ji’nan: Shandong Water Conservancy Management and Service Center of Haihe-Huaihe-Xiaoqing River Basin, Water Resources Research Institute of Shandong Province, University of Jinan, 2023. (in Chinese) Shandong Water Conservancy Management and Service Center of Haihe-Huaihe-Xiaoqing River Basin, Water Resources Research Institute of Shandong Province, University of Jinan. Research and application of key technologies for comprehensive management of Xiaoqing River Basin and construction of Happy River[R]. Ji’nan: Shandong Water Conservancy Management and Service Center of Haihe-Huaihe-Xiaoqing River Basin, Water Resources Research Institute of Shandong Province, University of Jinan, 2023. （in Chinese）
[17] 王瑞玲, 黄锦辉, 葛雷, 等. 基于黄河鲤栖息地水文-生态响应关系的黄河下游生态流量研究[J]. 水利学报,2020,51(9):1175-1187. (WANG Ruiling, HUANG Jinhui, GE Lei, et al. Study of ecological flow based on the relationship between cyprinusy carpio habitat hydrological and ecological response in the lower Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(9): 1175-1187. (in Chinese) WANG Ruiling, HUANG Jinhui, GE Lei, et al. Study of ecological flow based on the relationship between cyprinusy carpio habitat hydrological and ecological response in the lower Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(9): 1175-1187. （in Chinese）
[18] 彭文启, 刘晓波, 王雨春, 等. 流域水环境与生态学研究回顾与展望[J]. 水利学报,2018,49(9):1055-1067. (PENG Wenqi, LIU Xiaobo, WANG Yuchun, et al. Review and prospect of progress in water environment and water ecology research[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(9): 1055-1067. (in Chinese) PENG Wenqi, LIU Xiaobo, WANG Yuchun, et al. Review and prospect of progress in water environment and water ecology research[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(9): 1055-1067. （in Chinese）
[19] RAMLER D, KECKEIS H. Effects of large-river restoration measures on ecological fish guilds and focal species of conservation in a large European River (Danube, Austria)[J]. The Science of the Total Environment, 2019, 686: 1076-1089. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.05.373
[20] 赵晨旭, 宋策, 曹永祥, 等. 汉江桥闸工程下游河段典型鱼种栖息地模拟研究[J]. 水资源与水工程学报,2021,32(3):151-157. (ZHAO Chenxu, SONG Ce, CAO Yongxiang, et al. Simulation of typical fish habitats in the downstream reach of Hanjiang River bridge sluice project[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2021, 32(3): 151-157. (in Chinese) ZHAO Chenxu, SONG Ce, CAO Yongxiang, et al. Simulation of typical fish habitats in the downstream reach of Hanjiang River bridge sluice project[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2021, 32(3): 151-157. （in Chinese）
[21] 张陵, 郭文献, 李泉龙. 长江流域珍稀特有物种中华鲟生态保护措施[J]. 华北水利水电大学学报(自然科学版),2022,43(1):96-102. (ZHANG Ling, GUO Wenxian, LI Quanlong. Ecological protection measures of Chinese sturgeon, a rare and endemic species in the Yangtze River Basin[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power (Natural Science Edition), 2022, 43(1): 96-102.(in Chinese) ZHANG Ling, GUO Wenxian, LI Quanlong. Ecological protection measures of Chinese sturgeon, a rare and endemic species in the Yangtze River Basin[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power (Natural Science Edition), 2022, 43(1): 96-102.（in Chinese）
[22] STEFFLER P, BLACKBURN J. Two-dimensional depth averaged model of river hydrodynamics and fish habitat[J]. River2D user’s manual[M]. Edmonton: University of Alberta, 2002.
[23] 孙嘉宁, 张土乔, ZHU D Z. , 等. 白鹤滩水库回水支流的鱼类栖息地模拟评估[J]. 水利水电技术,2013,44(10):17-22. (SUN Jianing, ZHANG Tuqiao, ZHU D Z, et al. Simulative evaluation of fish habitat of backwater tributary of Baihetan Reservoir[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2013, 44(10): 17-22. (in Chinese) SUN Jianing, ZHANG Tuqiao, ZHU D Z, et al. Simulative evaluation of fish habitat of backwater tributary of Baihetan Reservoir[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2013, 44(10): 17-22. （in Chinese）
[24] 侯昕玥. 生境模拟法在河道生态流量估算中的应用: 以小清河济南段为例[D]. 大连: 大连海洋大学, 2019. (HOU Xinyue. Application of habitat simulation method in river channel envionmental flow estimation[D]. Dalian: Dalian Ocean University, 2019. (in Chinese) HOU Xinyue. Application of habitat simulation method in river channel envionmental flow estimation[D]. Dalian: Dalian Ocean University, 2019. （in Chinese）
[25] 杨裕恒, 曹升乐, 刘阳, 等. 基于改进Tennant法的小清河生态基流计算[J]. 水资源与水工程学报,2016,27(5):97-101. (YANG Yuheng, CAO Shengle, LIU Yang, et al. Calculation of ecological base flow in Xiaoqing River based on improved Tennant method[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2016, 27(5): 97-101. (in Chinese) YANG Yuheng, CAO Shengle, LIU Yang, et al. Calculation of ecological base flow in Xiaoqing River based on improved Tennant method[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2016, 27(5): 97-101. （in Chinese）
[26] 侯昕玥, 徐宗学, 殷旭旺, 等. 小清河济南段生态基流估算研究[J]. 中国农村水利水电,2018(8):127-131, 135. (HOU Xinyue, XU Zongxue, YIN Xuwang, et al. An estimation of ecological base flow in the Jinan section of the Xiaoqing River Basin[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(8): 127-131, 135. (in Chinese) HOU Xinyue, XU Zongxue, YIN Xuwang, et al. An estimation of ecological base flow in the Jinan section of the Xiaoqing River Basin[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(8): 127-131, 135. （in Chinese）
[27] 彭文启. 生态流量五个关键问题辨析[J]. 中国水利,2020(15):20-25. (PENG Wenqi. The identification of five key issues of ecological flow[J]. China Water Resources, 2020(15): 20-25. (in Chinese) PENG Wenqi. The identification of five key issues of ecological flow[J]. China Water Resources, 2020(15): 20-25. （in Chinese）
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