2024, Vol. 44 
2. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018;
3. 山东省水文中心, 山东 济南 250000;
4. 山东农业大学勘察设计研究院, 山东 泰安 271018;
5. 山东农业大学 资源与环境学院, 山东 泰安 271018
2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China;
3. Hydrological Center of Shandong Province, Jinan, Shandong 250000;
4. Shan Dong Agriculture University Survey and Design Institute, Taian, Shandong 271018, China;
5. Faculty of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China
河流生态需水是维持河流生态环境的最基本需水量，也是维持河流自然环境与社会环境均衡所需要的基本水量，在生态系统中发挥至关重要的作用。近年来，全球气候的变化和人类活动的加剧造成了水资源不合理开发利用，进而出现河流水资源短缺、水污染严重，生态需水量无法得到保障等问题，直接影响河流生态系统的正常运转，破坏了生物多样性，甚至导致生态系统的崩溃[1-3]。2021年水利部明确指出，新阶段水利工作的主题旨在推动高质量发展，其中，复苏河湖生态环境是推动高质量发展的6条路径之一。河流生态需水研究引起了广泛关注[4-6]，水文变异条件下的河流生态需水量的确定是目前亟待解决的问题，对水资源的可持续利用和河湖生态环境的复苏具有重要的现实意义。随着学者对河流生态需水量计算方法的深入研究和不断完善，目前河流生态需水量的计算方法已超过200种，传统方法从类型上主要划分为水文学法(Tennant法、Texa法、7Q10法、NGPRP法、基本流量法等)、水力学法(湿周法、R2CROSS法)、栖息地法(IFIM法、Basque法、CASIMIR法)和综合法(BBM法、整体评价法)等[7]。传统方法在计算生态水量方面得到了广泛运用，如贾小俊[8]采用Tennant法计算了塔里木河的生态需水量，张叶等[9]采用湿周法中的斜率法，计算了济南西南部山区创新谷内中小型河流的生态流量，提出宽深比相对较小、横断面为抛物线形的河道断面使用湿周法计算生态流量时应用效果较好。皇甫欣予[10]采用Tennant法、Qp法、频率曲线法、年内展布法、月流量变动法计算曹娥江的生态流量，推荐月流量变动法作为适宜生态流量的计算方法。传统方法在国内外河流的应用效果较好，但目前河流生态需水量的计算方法缺乏对河流水文情势整体的考虑[11]。近年来，受到气候变化和人类活动的影响，许多河流径流序列发生了不同程度的变化，其一致性往往难以保证，使得一些生态需水量的计算方法不再直接适用[12]。马晓超[13]发现在RVA算法说明中，当河流水文情势未受到影响时，河流的流量均值应在RVA目标值差值的50%左右变动，提出了基于RVA法的生态需水估算方法，并且将该方法结果与其他河流典型断面已有研究成果进行对比后，发现RVA法与Tennant法计算结果在渭河流域上基本一致性。赖敬明[14]采用基于RVA法的生态需水计算方法计算了金沙江支流云龙水库的生态需水量，认为该方法计算过程简便，计算结果可靠，适用于水文变异较大的河流生态需水研究。本研究拟采用该方法进行济南南部山区北大沙河和玉符河河流生态需水量的计算。
济南南部山区位于山东省济南市南部，是济南市重要的水源涵养区，泉群“补给区”，城市的“绿肺”，天然生态屏障，其对保证泉群正常喷涌，维护生态系统稳定和平衡有重要作用[15]。济南南部山区包括两大流域，分别为北大沙河与玉符河，为黄河下游的重要支流。1976—2003年，济南市泉群停喷现象严重，趵突泉最长连续停喷926 d，济南南部山区河流径流锐减。随着城镇规模的扩张、工农业发展迅速、灌溉需水量和城市供水量激增、地下水过度开采等一系列问题的出现，造成水资源短缺，河流水文变异程度进一步加剧[16-17]。目前，对于济南南部山区的生态保护及修复方面研究较多，而关于河流生态需水的研究较少[15]。为此，本研究侧重于采用RVA法对水文变异程度较大的济南南部山区河流进行生态需水研究，以期为流域水资源综合管理提供理论依据。
1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况济南南部山区(36°21′—36°40′N，116°54′—117°17′E)位于山东省中部，为泰山余脉[18]，是济南城市生态系统中极其重要的组成部分，承担着重要的生态屏障作用。南部山区位于暖温带半湿润地区，在自然气候上属于典型的大陆性季风气候。济南南部山区包括两大流域，分别为北大沙河流域与玉符河流域。北大沙河起源于济南市区武家庄乡，属黄河下游右岸支流，位于长清区东面，全长54.3 km，多年平均年径流量为7.60×107 m3，流域面积584 km2。玉符河发源于济南南部泰山北麓的长城岭，最后注入黄河，全长85.4 km，流域面积751.3 km2，属于黄河下游右岸支流。北大沙河和玉符河同属以汛期降雨为主要补给的季节性河流[19-20]。
1.2 数据来源研究基于1979—2021年北大沙河崮山水文站(36°29′N, 116°52′E)，玉符河卧虎山水文站(36°30′N, 116°58′E) 逐日实测径流量数据。数据来源于《黄河流域水文年鉴》。
2 研究方法 2.1 水文变异特征研究方法(IHA-RVA法)为评估水文情势变化，Richter提出了水文改变指标(Indicators of hydrologic alteration, IHA)法，该体系包含33个指标[21-22]。依据各指标对生态系统的影响，将指标分为5组。指标及其对应的生态系统影响详见表 1。
变异范围法(range of variability approach, RVA)是在IHA法基础上发展的，常用来定量评估河流水文改变度的一种方法[22-24]。
| $A_i=\left|\frac{e_i-e_o}{e_o}\right| \times 100 \% \quad\left(e_o=\gamma e_t\right)$ | (1) |
式中：Ai为指标变化度; ei表示第i个指标在变异后年份落在RVA阈值内的年数; e0表示第i个指标在变异后预期落入RVA阈值内的年数; γ为受影响前生态指标落于生态目标阈值内的比例, 本文取值为50%; et为变异后的序列总年数[25]。
突变后总水文改变程度A0为：
| $A_0=\sqrt{\left(\frac{1}{33} \sum\limits_{i=1}^{33} A_i^2\right)}$ | (2) |
式中：33表示IHA法中的33个指标, 为定性反映生态水文指标变化程度, 规定: 当0%≤|Ai|＜33%时为低度改变, 当33%≤|Ai|＜67%时为中等改变, 当67%≤|Ai|≤100%时为高度改变。
2.2 基于RVA法的河流生态需水研究基于RVA法的生态需水计算方法主要思路是通过规定流量指标的RVA阈值来计算河流的生态流量，通常认为，将IHA各指标发生位次的75%，25%的值作为RVA阈值，在河流水文情势未受到影响时，维持河流生态系统健康发展的河流流量是RVA阈值差值的50%。基于RVA法的生态流量计算公式为[13]：
| $E_i=50 \% \times\left(\mathrm{RVA}_{i 75 \%}-\mathrm{RVA}_{i 25 \%}\right)$ | (3) |
式中：Ei表示第i月的生态环境流量(m3/s); RVAi75%表示第i月的RVA阈值上限, 即该月逐日径流量发生概率为75%的值(m3/s); RVAi25%表示第i月的RVA阈值下限, 即该月逐日径流量发生概率为25%的值(m3/s)。在确定生态流量后, 经换算即可得到生态需水。
2.3 生态需水满足度计算方法生态需水满足度是指某一时期某一河流流域径流可满足其生态需水的日数与该时期总日数之比。计算公式为[13]：
| $\alpha_{i j}=\frac{D_{i j}}{D}=\frac{\sum \operatorname{sgn}\left(Q_{i j k}-Q_j\right)}{D}$ | (4) |
式中：αij表示第i年第j月的生态需水满足度; Dij指第i年第j月生态需水的满足天数; D指第i年第j月的总天数。
| $\operatorname{sgn}\left(Q_{i j k}-Q_j\right)= \begin{cases}1 & \left(Q_{i j k}>Q_j\right) \\ 0 & \left(Q_{i j k}<Q_j\right)\end{cases}$ | (5) |
式中：Qijk指第i年第j月第k日的河流流量(m3/s); Qj表示第i年第j月的河流生态流量(m3/s)。
3 结果与分析 3.1 济南南部山区河流水文变异特征研究 3.1.1 水文序列突变性分析对1979—2021年北大沙河和玉符河实测年径流量进行突变性分析，结果详见表 2。综合分析由4种方法计算的突变年份，确定突变年份为1996年。
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表 2 崮山、卧虎山水文站年均流量突变检验结果 Table 2 Results of abrupt annual discharge at Gushan and Wohushan stations |
突变前为1979—1996年，突变后为1997—2021年，采用IHA-RVA法，分析北大沙河与玉符河径流量突变前后的指标变化情况，结果详见表 3—4。
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表 3 崮山水文站的33个生态水文指标统计结果 Table 3 Statistical results of 33 ecological and hydrological indicators of Gushan station |
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表 4 卧虎山水文站的33个生态水文指标 Table 4 33 ecological and hydrological indexes of Wohushan station |
(1) 北大沙河水文变异特征。突变后水文指标整体上发生较大改变(表 3)，其中，8个指标为高度改变，17个指标为中度改变，8个指标为低度改变。年最大值出现时间指标无明显变化，原因是该指标主要表征流域降水的年内分布，短时间内不会变化。①第1组指标(月均流量变化)。突变前后年内流量中值的变化情况如图 1所示，突变前时期的流量整体上大于突变后时期的流量，表明在突变后，受到人类活动影响，北大沙河水文情势发生变化，径流量急剧减少[26]。第1组的12项指标中，6和8月份的流量中值属于低度改变，4，5，7，9，10和11月份的流量中值属于中度改变，1，2，3和12月份的流量中值属于高度改变。②第2组指标(年极值流量变化)。由表 3可知，第2组的12个指标中，零流量天数指标变化最大，突变前平均值为73 d，突变后平均值为285 d。流量极值的整体改变度为69.75%，为中度改变，一定程度上影响了济南南部山区北大沙河流域生态系统的稳定性。③第3组指标(年极端值出现时间变化)：由表 3和图 2所示，极端流量出现时间较突变前趋于稳定，但趋势不明显。年最大径流的发生时间发生了一些变化，平均发生在15.5 d以后，年最大径流发生在较小的范围内，变化程度为-40%，属于中等变化；年平均最小径流的发生有156 d的延迟，其变化程度为-100%，变化程度最高。④第4组指标(年高低流量脉冲频次及历时)：其中，低脉冲持续时间指标较突变前增加119 d，改变度-85.60%，属高度改变。突变之后，低脉冲次数逐渐增多。⑤第5组指标(变化次数及逆转率)：该组指标中上升率为低度改变，下降率为高度改变，河道流量波动幅度增强，会对河流和河岸带生物产生较大影响。水流刺激会促使水生生物产卵，脉冲期会给水生植物提供足够的水分，而较弱的脉冲期会为水体强烈的水流提供能量。逆转次数为中度改变。变化次数及逆转率综合改变度为74%，为高度改变。这表明济南南部山区北大沙河流域流量改变程度较高，生态系统处于不稳定的状态。
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图 1 崮山水文站各月中值径流量 Figure 1 Monthly median runoff of Gushan station |
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图 2 崮山水文站年最小值出现时间和年最大值出现时间过程 Figure 2 Process of occurrence time of annual minimum value and annual maximum value in Gushan station |
(2) 玉符河水文变异特征。玉符河水文变异特征如表 4所示。玉符河径流突变后，4个生态水文指标为高度改变，7个生态水文指标为中度改变，22个生态水文指标为低度改变(表 4)。
突变后的各月流量均值相较突变前有增加趋势，零流量天数指标变化程度较小，平均值由突变前的92 d变化为突变后的60 d。年最大值、最小值出现时间并无明显变化。①第1组指标(月均流量变化)。突变前后年内径流中值的变化情况如图 3所示，各月流量中值整体上呈现上升趋势，并且突变后的各月径流值均大于突变前。第1组包含的12个指标内，1，2，7，10，11和12月份的月均径流变化中值属于低度改变，3，4，5月份的月均径流变化中值属于中度改变，6，8，9月份的月均径流变化中值达到了高度改变。②第2组指标(年极值流量变化)。由表 4所示，该组的12个指标中，30 d最大值为中度改变，90 d最大值为高度改变，其余指标均为低度改变。基流指数水文改变度为低度改变，研究结果显示，玉符河地下水互馈关系基本保持稳定。流量极值综合改变度为高改变度，表明济南南部山区玉符河极端流量事件为不稳定状态，影响济南南部山区生态系统的稳定性，突变后玉符河90 d最小值为0.281 m3/s，北大沙河90 d最小值为零，且北大沙河和玉符河1，3，7和30 d最小值在突变前后都为零，说明北大沙河和玉符河在突变后出现严重断流现象，不利于河岸生态补水。③第3组指标(年极端值出现时间变化)：由表 4和图 4所示，年最大值出现时间有一定的波动性，其出现时间有一定的延迟，平均滞后12 d，水文改变度为-40%，为中等改变；年最小流量出现时间提前了2.5 d，水文改变度为-52.00%，为中度改变。极端值出现时间综合改变度为中度改变，会对水生生物的栖息地产生影响。④第4组指标(年高低流量脉冲频次及历时)。在该组指标中，高脉冲历时比突变前增加1d，改变度为2.86%，属于低度改变，但低脉冲历时比突变前增加119 d，改变度为-85.60%，属于高度改变。低脉冲次数在突变后呈增加趋势，且较为明显。⑤第5组指标(变化次数及逆转率)。由表 4所示，上升率属于低度改变，下降率属于高度改变，逆转次数为中度改变。水流的振幅、频度增加，从而对水生生物及河岸地带的生物、景观产生很大的影响。
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图 3 卧虎山水文站各月中值径流量 Figure 3 Monthly median runoff of hydrology station in Wohushan station |
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图 4 卧虎山水文站年最小值出现时间和年最大值出现时间过程 Figure 4 Process of occurrence time of annual minimum value and annual maximum value in Wohushan station |
(3) 整体水文改变度。采用加权平均法，分别计算北大沙河和玉符河各指标组水文改变度及整体水文改变度，计算结果详见表 5。北大沙河各组指标的水文改变度均为高度改变；玉符河第1组和第2组指标水文改变度为高度改变，第3组和第5组指标水文改变度为中度改变，第4组指标水文改变度为低度改变。水文变异后，月平均径流量和年极端径流量发生显著变化。北大沙河和玉符河第4组指标水文改变度差异较大，分别为71.65%和11.25%，主要原因是北大沙河和玉符河的低脉冲历时变化差异较大。玉符河低脉冲历时改变程度为0，这是由于玉符河低脉冲次数为0，即低脉冲历时较突变前没有变化。北大沙河的低脉冲历时的改变度为-85.60%，为高度改变，突变前该指标值基本处于RVA阈值内，而突变后大部分年份都超过RVA阈值上限，表明突变后北大沙河径流不稳定。由整体水文改变度的计算结果可知，北大沙河及玉符河在受人类影响前后的整体水文改变度为72.75%和69.42%，均属高度改变，其中北大沙河的1，2，3和12月均流量中值，零流量天数，年最小值出现时间，低脉冲历时和下降率8个指标属于高度改变，且突变前零流量天数为73 d，突变后零流量天数为285 d；玉符河的6，8和9月均流量中值和90 d最大值属于高度改变，说明北大沙河受人类活动的影响更为明显。
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表 5 各水文站整体水文改变度 Table 5 Overall hydrologic change degree of each hydrologic station |
河流流量的显著变化会影响水生生物的栖息地环境，无法充分保证植物的土壤水分和陆生动物的供水；若年极端流量变化较大，则会影响湖泊、池塘、泛滥平原中植物群落的分布，从而对水生生态系统产生不利影响。
在济南南部山区生态水文特征分析的基础上，采用基于RVA法的生态需水量方法计算北大沙河和玉符河流域生态需水量。结果详见表 6。由表 6可以看出，北大沙河和玉符河流域的生态流量分别为5.57 m3/s和6.87 m3/s，生态需水量分别为1.47×106 m3和1.81×106 m3。
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表 6 济南南部山区RVA法生态需水 Table 6 Ecological water demand by RVA method in southern mountain area of Jinan City |
基于RVA法的生态流量的计算结果，对北大沙河和玉符河1979—1989，1990—2000，2001—2011，2012—2021年4个时期的各月生态需水满足度进行分析，结果如图 5所示。
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图 5 北大沙河(崮山水文站)、玉符河(卧虎山水文站)各月生态需水满足度 Figure 5 Monthly ecological water supply satisfaction index for Beidasha River (Gushan station) and Yufu River (Wohuhan station) |
由图 5可知，北大沙河月生态需水满足度平均值为32.35%。1979—1989年期间，北大沙河生态需水满足度较高，仅有7月份满足度低于50%；1990—2011年，生态需水满足度整体较小，仅在汛期能够满足50%保证率；2012—2021年，各月均无法保证50%的生态需水满足度。玉符河月生态需水满足度平均为60.42%。1979—1989年月生态需水满足度平均为47.42%，1990—2000年月生态需水满足度平均为63.75%，2001—2011年月生态需水满足度平均为71.33%，2012—2021年月生态需水满足度平均为59.12%。但存在反复波动，各个时期的生态需水满足度趋势不一致，1979—1989年和2012—2021年的大致呈现上升—下降—上升的趋势，1990—2011年的大致呈现下降—上升—下降的趋势。1979—1989年和2012年之后的生态需水满足度低于50%。
4 讨论 4.1 济南南部山区生态需水计算方法比较根据1979—2021年北大沙河、玉符河43 a实测径流量资料，采用最枯月平均流量法研究北大沙河和玉符河生态流量，结果详见表 7，两河流生态流量分别为0.38和6.91 m3/s，生态需水量分别为9.85×104 m3和1.791×106 m3。该方法每个月份的生态需水量相同，无法反映季节变化；在人类影响比较剧烈的流域使用该方法时，结果可靠性偏低[27]；玉符河的生态流量数值约为北大沙河的18倍，与实际情况不符。因此，该方法不适用于济南南部山区的生态需水研究。基于RVA法的生态需水计算方法从整体角度对河流的水文情势展开分析和研究，评估在人类活动等因素的影响下河流所需的生态需水量，更适合济南南部山区生态水文状况。
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表 7 最枯月平均流量法的生态流量及生态需水量 Table 7 Ecological discharge and ecological water demand using average discharge method in driest month |
根据济南南部山区的水文变异特征，北大沙河和玉符河的径流量突变年份为1996年。主要原因为1995年起，济南南部山区城镇规模扩张，这一现象增加了人类的水资源需求，使地区非透水面积增加，地表径流减少。1995—2003年，济南南部山区土地利用主要变化是由其他地类向建筑用地转化。转化来源主要是耕地，转化面积为10.4 km2，其次是林地，转化面积为4.9 km2[28]。此外，20世纪90年代以来黄河下游遭遇了数百年一遇干旱灾害，造成河流断流[29]。人类活动的加剧与气候条件的变化导致河流水文变异程度的加剧。
北大沙河地表水主要用于灌溉、工业和生活用水供给，建国后在北大沙河修建了一系列水利工程，包括东风水库〔大(2)型水库〕、石店水库(中型水库)、武家庄水库(中型水库)等。截至2022年，北大沙河上游段(张夏大桥以上)建有中型水库1座(石店水库)、小(1)型水库7座、小(2)型水库14座、塘坝105座，总拦蓄库容为3.30×107 m3。水库建设与拦蓄使得下游的水文过程受到影响[20]。据济南市第七次全国人口普查公报，北大沙河的人口密度较高，约为500人/km2，玉符河的人口密度相对较低，约为300人/km2；从城乡人口比例上，北大沙河城乡比例约为6∶4，玉符河城乡比例约为4∶6。中国水资源公报显示，2021年中国城市用水量约为2.80×1011 m3，而农村用水量约为6.00×1010 m3。城市用水量是农村用水量的4.7倍，导致北大沙河的取用水量大于玉符河。济南市政府在1994—2000年，对北大沙河进行了大规模的河道改造，截弯取直河道约20 km，缩短河道长度约10 km，加固堤坝约30 km，提高了防洪能力。但河道改造在带来了防洪能力提高等益处的同时，河流的自然流向发生改变，水流补给受到影响。由于以上原因，在高强度的人类活动影响下，导致北大沙河突变后第一组、第二组参数及RVA法下限出现大量零值，表明突变后10月至次年7月流量中值，90 d流量的最小值为零及25%位次下径流量的值也为零，与玉符河相比，断流情况更加严重。
4.3 济南南部山区生态需水保障措施2001—2011年北大沙河生态需水满足度最低，仅汛期(7—9月)生态需水满足度大于50%，该时期北大沙河的水文情势极为严峻，无法满足生态需水的要求。2010年以来，山东省政府和济南市政府提出了严格控制城市用地向南部山区扩张发展，合理开发保护自然资源的相关政策，批准建立南部山区生态功能保护区，构建自然与城市和谐发展格局[30]。2012—2021年，北大沙河的生态需水满足度明显提高，但各月生态需水满足度仅有9月能够达到50%，生态需水满足度状况远低于1990年前。与北大沙河相比，玉符河生态需水满足度较高。玉符河汛期生态需水满足度较非汛期低，主要原因是，济南南部山区夏季一般种植玉米，玉米需水量最大的时期通常是在抽雄期和灌浆期(7—9月)，且8月份玉米需水量远高于7和9月[31]。因此，济南南部山区居民在7—9月对河流的引水量会显著提高，导致河流流量无法满足河流生态需水的要求。整体上，济南南部山区北大沙河和玉符河生态需水满足度整体偏低，生态环境受到威胁和损害。应加强对河流生态需水的保障。基于前文分析结果，作者认为在保持济南南部山区河流径流不超过RVA阈值的前提下，还应采取一系列水资源调控措施，以保障济南南部山区河流生态系统的健康。具体建议措施为：①实现流域水量与生态需水统一调度。济南南部山区是黄河下游重要的生态保护区，生态和经济地位突出，为保障区域生态需水。一方面强化各种节水的基础设施建设；另一方面可以加强生态功能区的管理力度，水量调度计划加入生态水量指标，开展河流流域生态调度；其次，建立健全水量调度管理运行机制，做好预警、监管和评估等工作，结合流域现有的水利工程，例如卧虎山水库等，协调各方需水量，遵循“四水四定”原则[32]。②加强基础设施建设，提升水资源利用效率。济南南部山区北大沙河和玉符河流域以耕地为主，其面积占40%左右[33]，“十三五”计划完成，济南市农田灌溉水有效利用系数约为0.654 3，节水潜力巨大。济南南部山区作为黄河下游生态保护和高质量发展的重要战略区，一方面可以加强区域高标准农田建设，引进先进的农田节水设施，提升农田灌溉水利用效率；另一方面要加强节水和污水处理工程的实施，形成全民节水和保护水资源的共识，达到新型节水型社会的标准，实现人与自然的和谐共处。为区域水资源可持续利用和生态系统良性运转提供依据。
5 结论(1) 北大沙河和玉符河的径流变异点为1996年；总体上，北大沙河和玉符河的水文改变度分别为72.75%和69.42%，生态水文变异属于高度改变，从整体来看，月平均径流量和年最大径流量这两组参数受人为因素的影响较为显著，如大量的水库、塘坝和引水工程建设，另外，与玉符河相比，北大沙河受人类活动的影响较大
(2) 北大沙河和玉符河的年生态需水量分别为1.47×106 m3和1.81×106 m3。总体上，北大沙河月生态需水满足度平均为32.35%；玉符河月生态需水满足度平均为60.42%。虽然雨季降水增多，但是由于引水量增加和人类活动的加剧，导致区域河流生态环境需水满足度较低。总体上，济南南部山区的生态需水满足度整体偏低，应加强对河流生态环境需水的保障。
(3) 应从河流生态调度、提升水资源利用效率等方面着手，提升济南南部山区河流生态需水满足度，为区域水资源综合管理和生态保护提供理论依据，助力黄河流域生态保护和高质量发展。
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