地球科学进展

地球科学进展, 2020, 35(5): 513-522 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.021

生态水文学理论与实践

河流生态需水计算及空间满足率分析——以济南市为例

杨阳,1,2, 汪中华4, 王雪莲5, 赵长森,1,2,3, 张纯斌3, 潘天力3

1.北京师范大学 水科学研究院 地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875

2.北京师范 大学 水科学研究院 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875

3.北京师范大学 地理科学学部 遥感科学国家重点实验室，北京 100875

4.济南市水文局，山东 济南 250013

5.北京市水文总站，北京 100089

Calculation of Environment Flow and Analysis of Spatial Environment flow Satisfaction Rate: A Case Study of Ji'nan City

Yang Yang,1,2, Wang Zhonghua4, Wang Xuelian5, Zhao Changsen,1,2,3, Zhang Chunbin3, Pan Tianli3

1.College of Water Sciences，Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

2.Engineering Research Center of Ministry of Education on Groundwater Pollution Control and Remediation, College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

3.Beijing Key Laboratory for Remote Sensing of Environment and Digital Cities，School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

4.Ji'nan Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Ji'nan 250013，China

5.Beijing Hydrological Center，Beijing 100089，China

通讯作者: 赵长森（1977-），男，山东淄博人，副教授，主要从事生态水文、遥感水文研究. E-mail:zhaochangsen@bnu.edu.cn

收稿日期: 2019-12-23   修回日期: 2020-03-04   网络出版日期: 2020-06-03

基金资助: 国家自然科学基金项目“喀斯特生物多样性形成和维持的钙依赖机制及其应用基础”.  U1812401

Corresponding authors: Zhao Changsen (1977-), male, Zibo City, Shandong Province, Associate professor. Research areas include ecological hydrology and remote sensing hydrology. E-mail：zhaochangsen@bnu.edu.cn

Received: 2019-12-23   Revised: 2020-03-04   Online: 2020-06-03

作者简介 About authors

杨阳（1995-），男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事生态水文研究.E-mail:yangyoga@163.com

YangYang(1995-),male,HandanCity,HebeiProvince,Masterstudent.Researchareasincludeecologicalhydrology.E-mail：yangyoga@163.com

摘要

随着经济社会发展，用水量增大，导致河流生态需水常常得不到满足。生态需水作为河流生态系统的重要指标，对维持生态系统可持续具有关键作用。充分考虑河流生态系统的生物需求，采用食物网模型（Ecopath）识别了鱼类关键物种，在此基础上确定生态流速，结合无人机反演河段大断面，采用改进的生态水力半径法（AEHRA）计算生态需水，在生态需水计算结果的基础上采用River2D模型模拟河段流量，进而计算河段的生态需水满足率。计算结果表明汛期各河段生态需水基本能够得到满足，非汛期绝大多数河段生态需水不能得到满足，并且满足率极低，导致生态系统健康无法维持。因此，应加强非汛期的河流生态调度以满足河流生态需水。研究提出的计算河段生态需水的新方法可为水生态修复提供方法基础，研究结果可为济南市河流水生态修复与管理提供重要的科学依据。

关键词： 生态需水 ; 关键物种 ; 生态需水满足率 ; River2D

Abstract

With the socio-economic development, water demand has increased, resulting in river environment flow often not being met. As an important indicator of river ecosystem, environment flow plays a key role in maintaining the sustainability of the ecosystem. This study fully considered the biological needs of river ecosystems, used food web models (Ecopath) to identify key species of fish, determined the ecological flow velocity, combined the river sections, and used the Adapted Ecological Hydraulic Radius Method (AEHRA) to calculate the environment flow. Based on the calculation results of the environment flow, the River2D model was used to simulate the river flow, and the environment flow satisfaction rate of the river was calculated. The calculation results show that the environment flow of each river in the flood season can be satisfied, and the environment flow of most rivers in the non-flood season cannot be satisfied, and the satisfaction rate is extremely low, which causes the ecosystem health to be destroyed. Therefore, ecological regulation of rivers during non-flood seasons should be strengthened to meet river environment flow. The new method for calculating the environment flow of the river provided in this paper can provide a method for aquatic ecological restoration, and the research results can provide important scientific basis for the aquatic ecological restoration and management of rivers in Jinan.

Keywords： Environment flow ; Key species of fish ; Environment flow satisfaction rate ; River2D.

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本文引用格式

杨阳, 汪中华, 王雪莲, 赵长森, 张纯斌, 潘天力. 河流生态需水计算及空间满足率分析——以济南市为例. 地球科学进展[J], 2020, 35(5): 513-522 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.021

Yang Yang, Wang Zhonghua, Wang Xuelian, Zhao Changsen, Zhang Chunbin, Pan Tianli. Calculation of Environment Flow and Analysis of Spatial Environment flow Satisfaction Rate: A Case Study of Ji'nan City. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(5): 513-522 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.021

1 引 言

近年来，随着人类活动的加强，水质污染、水资源短缺、河流断流等现象频繁发生，导致河流生态系统遭到严重破坏[1,2]，造成了河道断流、河水枯竭、水土流失、水环境恶化及生物多样性丧失等严重后果[3]。河流生态系统是物质迁移、能量转换的重要桥梁，是流域生态系统健康保障的基础。然而，当前流域水生态破坏严重，水资源利用与开发不合理等问题导致河流生态基流常常得不到满足，这严重影响了河流生态健康[4]。生态需水是评价水资源是否合理开采、调度的重要指标，维护生态平衡的关键要素[5]，为保护水资源可持续利用与河流生态健康，亟待加强对生态需水的研究。

河道水力参数是计算生态需水及研究水生态健康状况的关键依据。通常，有些研究只考虑单一水力参数的影响，通过河流模型准确、有效地刻画出河道多种水力参数（水深、流速、流量）的综合影响，对研究河道空间水生态健康与生态修复有重要意义。目前国内外有很多河道水力模型，且有几十年的发展历史。按照不同的维度，河流模型主要分为一维和二维模型。

一维水力模型主要基于一维圣维南（St.Venant）方程模拟水力参数的局部变化，用于评价河流修复状况。常见的一维水力模型有PHABSIM（Physical Habitat Simulation Model）[6]和HECRAS（Hydrologic Engineering Center's River Analysis System）[7]。一维水力模型是国际上普遍认可的河流栖息地模型[8,9]。它们一般用于确定不同河段的洪水水位，只能用于具有代表性的区域或是水力糙度逐渐变化的区域，并且不能得到预想的解，只能局部评价河流结构和栖息地[10]。

相对于一维水力模型，二维水力模型能模拟复杂的构造物附近的水流，包括分叉流、汇聚流、紊流和低速死水区，提供较高的空间分辨率和较好的栖息地指标的评价，更加全面、准确地分析河道水力状况[10]。目前，该种模型被普遍应用，典型模型有CCHE2D（Center for Computational Hydroscience 2D model）、RMA-2（Resource Management Associates-2）、FESWMS-2DH（Finite Element Surface-Water Modeling System:Two-Dimensinal）和二维河流(River2D)模型。Nassar[11]利用CCHE2D模型对尼罗河河道水流进行模拟，并对模型参数进行了敏感性分析；Tonyes等[12]利用RMA-2模型作为管理的科学工具，研究澳大利亚北部地区海岸侵蚀。Kheireldin等[13]应用FESWMS-2DH模型解决埃及河道导航问题。

河流水动力学和鱼类生境的二维平均深度模型（River2D）是用于计算河道流速、水深及流量分布情况的一种模型，可通过改变河岸、河床等的粗糙度来对比分析不同护岸材料和结构形式对水流流速的影响[14]。英晓明等[15]利用River2D，建立了中华鲟产卵栖息地和流量之间的定量关系，并对枝桠沉床生态修复技术进行了优化设计。杨志峰等[16]利用River2D建立栖息地与流量变化的动态关系。相比其他二维水力模型，River2D可对水面高程和水深沿河道分布的单个单元进行计算，而且还可以模拟流量和流速的局部动态变化，提供较高的空间分辨率和良好的可视化环境，这就为模拟结果的分析提供了方便，在河流修复等研究中发挥重要作用[10]。

计算河道内生态需水的方法有很多，每种方法各有利弊。生态水力半径法集中了水文学与水力学方法的优点，同时还考虑了水生物的生命周期，是一种综合性、适用性的方法。河道地形是生态水力半径法的关键输入数据[17]。传统测量河道断面方法存在效率低、成本高、危险系数大等不足。随着低空遥感技术的发展，高效率、高精度、低成本等优势恰好弥补传统测量河道方法的不足，因此，可耦合低空遥感技术与生态水力半径法各自的优势，快速、有效地计算河道生态需水量[18]。然而，生态水力半径法是根据某一断面位置实测数据计算最小生态需水量及满足率，利用River2D可计算得到河段空间连续的实际水深及流量分布，进而得到河段最小生态需水流量及水深满足率。这不仅可为河道修复与管理提供科学依据，同时也提出了一种计算河段生态需水的新方法。

2 研究区和数据

2.1　研究区

济南（36.0°~37.5°N，116.2°~117.7°E）是中国水生态文明建设城市之一，位于泰山以北，穿过黄河[19]。济南地形可分为3个区——北部（靠近黄河区）、中部（平原区）和南部（丘陵山区），南部超过3 000 km2的山丘和中部5 000 km2的平原，最低海拔-30 m，最高海拔957 m，南北高差约1 000 m（图1）[20]。济南地形南高北低的特点，有利于地表和地下水流向城市地区，地下岩石属于可溶性石灰石，经多次构造运动和长期溶蚀后，形成了地下水储存和运输的地下管网，如溶洞、溶孔和地下河等[21]。

图1

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图1   济南市概况图

Fig.1   The overview of Ji'nan City


济南冬季寒冷干燥、夏季炎热湿润，属大陆性季风气候，平均年降水量约636 mm，降水集中分布在夏季。全年平均气温为14.3 ˚C，7月平均气温最高，气温分布在26.8~27.4 ˚C，1月平均气温最低，气温分布在1.4~3.2 ˚C[22,23]。

济南是中国典型的发展中城市，面积约8 227 km2，人口约870万（2019年）。近几十年来，随着工业与城市化的快速发展，水资源短缺现象频发。政府管理人员与利益相关者清醒地认识到济南河流生态系统修复工作的重要性。为了确保流域尺度上所有河流水生态修复工作的顺利实施，河流管理者急需一种快速、有效的评价方法，来计算出河流生态系统的生态需水量。为此，通过模糊聚类从济南市59个采样点中选择出6个典型控制点的河道断面进行分析（图1）。

2.2　数据获取

为了促进研究区水生态修复研究工作，59个常规监测点均匀分布在典型河道上（图1）。在这些监测站上，均获取到河道水文参数和鱼类群落。水文参数包括水深、流速及流量。其中，水深和河宽采用皮尺测量，流速采用电波流速仪（Stalker II SVR V1.0）自动测量与传统流速仪（No. LS25-1）人工测量方法结合，保证数据测量结果的准确性。流量通过流速与水深计算得到。

在鱼类群落捕获过程中，沿着河道上、下游500 m范围内，持续时间30 min。在可涉水的河道上，采用两人一组的方式，进行电击捕鱼[24]。在不可涉水的河道上，通过渔船下渔网（网口大小30 mm×40 mm）的方式来收集。所有鱼类个体被收集后，由专业人员进行鉴定，并记录名称、数量及重量等信息。之后，将现场鉴定出的鱼类被释放，没被鉴定出的鱼类被带回实验室由专家鉴定[25]。野外采集到鱼类物种如表1所列。

表1   济南2014—2016年10次野外采集的鱼类种类

Table 1  Species of fish collected in Ji'nan from 2014 to 2016

序号种名序号种名
1马口鱼30大鼻吻鮈
2鲫31鲮鱼
3麦穗鱼32虹鳟
4刺鳅33纹缟鰕虎鱼
5餐（音）34斑鳜
6黑鳍腺35棒花鮈
7短须颌须鮈36翘嘴红鲌
8泥鳅37梭鱼
9黄鳝38棒花鱼
10清徐胡鮈39彩鰟鮍
11中华鰟鮍40高体鳑鲏
12褐栉鰕虎鱼41子陵栉鰕虎鱼
13黄黝42红鳍鲌
14栉鰕虎鱼43乌鳢
15葛氏鲈塘鳢44圆尾斗鱼
16纵纹北鳅45点纹银鮈
17波氏栉鰕虎鱼46光唇蛇鮈
18黄颡鱼47凹尾拟鲿
19青鱼48翘嘴鲌
20草鱼49兴凯鱊
21大鳞副泥鳅50中华花鳅
22鲶51寡鳞飘鱼
23鲤52大银鱼
24稀有麦穗鱼53蛇鮈
25埃及胡子鲶54伍氏华鳊
26青鳉55圆尾拟鲿
27花鲈56鳙鱼
28赤眼鳟57白鲢
29鲢58细鳞斜颌鲴

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3 方 法

3.1　河流生态系统食物网模型（Ecopath）

关键物种的确定采用河流生态系统食物网模型（Ecopath）。Ecopath能够将营养影响和生物量作为可计算的物种特征，并预测生态系统特定的最小营养影响阈值和物种的最大生物量来确定关键物种。Libralato等[26]构建了威廉王子湾、泰国湾和北太平洋等代表3种不同海域类型的 Ecopath模型,并将各功能组混合影响效应值和Ecosim模拟的结果通过相关性分析进行了逐一对比,认为Ecopath模型筛选关键种方法具有很高的准确性,并且该关键度指数的计算具有通用性。该模型的基本方程如下：

dBi/dt=gi∑Qji-MOiBi-FiBi-eiBi-∑j=1nQji+Ii，

式中：dBi/dt表示i组在时间间隔dt内的生长速率，单位为生物量；gi是净增长效率(生产量/消费量);MOi和Fi分别为非捕食者的自然死亡率和渔获死亡率；ei为鱼类迁出率；Ii为迁入率，Qji为消费率[25]；Bi为生物量。

3.2　改进的生态水力半径法(AEHRA)

生态需水计算采用“改进的生态水力半径法(Adapted Ecological Hydraulic Radius Approach，AEHRA)”[18]。

(1)　采用AEHRA计算生态需水

AEHRA的核心是确定生态流速(VE)。在得到VE值后，利用AEHRA对河段的生态需水进行估算[28]：

QE=1nRE23AEJ12，RE=n32VE32J-34，

式中：QE是生态需水，单位是m3/s;RE代表VE对应的河道水力半径(横截面积与其湿周之比)，单位是m;AE代表VE对应的横截面面积，单位是m2;n代表糙率;J代表水力坡度。

(2)　满足率计算

为了计算满足率，我们基于AEHRA计算了最小生态需水（QE_min）并结合实测流量，构建了满足率评价模型[公式(3)]。若满足率大于或等于1，则说明不缺水，且满足率大于1时取值为1。

满足率=实测流量/最小生态需水。

3.3　River2D

River2D是2002年以来由加拿大Alberta大学研制开发的水力和鱼类栖息地模拟的应用软件(http://www.river2d.ualberta.ca/)[14]。利用该模型能详细研究河道空间的流速和深度分布，并确定流量与水生物可用栖息地的关系。在桥梁设计、河道整治、污染物迁移和鱼类栖息地评价等过程中，其具有很高的应用价值[29]。

River2D模型是垂向平均水深二维水动力学模型，软件内置的水力模型是基于二维平均水深守恒下的圣维南方程建立的。模型包括4个软件包：R2D-Bed、R2D-Ice、R2D-Mesh和River2D。R2D-Bed用于编辑河床地形，R2D-Ice用于编辑模拟冰盖中的冰盖区域，R2D-Mesh用于生成River2D计算需要的网格。这些软件包通常是按照顺序使用，即利用初始数据生成初始河床地形文件，然后利用R2D-Bed软件包进行编辑。R2D-Mesh软件包需要利用生成的河床地形文件进行数值离散化，再利用River2D软件包对河道水深和流速进行求解，并进行空间可视化分析[14]。

本研究模型输入的地形数据是利用UAV在河道枯水季节获取高精度数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM)数据，分辨率均能达到厘米级。模型的背景底图，是UAV获取的高精度正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）。通过查阅水文年鉴和数字高程模型确定济南市典型河道河床糙率n为0.03~0.05。

4 结果与讨论

4.1　关键物种筛选结果

在59个常规监测点中利用模糊聚类法筛选出了6个典型河段，在2014—2016年的8次采样中，利用Ecopath模型建立了48个模型，筛选出了鱼类关键物种（模型示例如图2所示）。得到6个典型河段的鱼类关键物种如下：

图2

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图2   食物网图示例

Fig.2   Food web structure diagram


（1）（J1）玉符河并渡口段：马口鱼、鲫、刺鳅、棒花鱼、中华花鳅、兴凯鱊、麦穗鱼、泥鳅、彩鰟鮍。

（2）（J11）北大沙河入黄河口：鲫、麦穗鱼、乌鳢、泥鳅、鲤、赤眼鳟。

（3）（J23）黄河泺口段：餐（音）、泥鳅、大鳞副泥鳅。

（4）（J24）黄台桥：鲫。

（5）（J39）土马河张公南临段：鲫、麦穗鱼、餐（音）、青鳉、伍氏华鳊、彩鰟鮍、中华鰟鮍、褐栉鰕虎鱼、乌鳢。

（6）（J48）巨野河大陈家村河段：鲫、麦穗鱼、棒花鱼、泥鳅、彩鰟鮍。

通过建立Ecopath模型筛选鱼类关键物种进而得到生态需水计算所需要的水深和流速数据，冯慧丽等[30]建立了2017年东太平洋生态系统的Ecopath模型，并且研究发现东太平洋生态系统的关键种是齿鲸，其种群数量变化对其他物种生物丰度变化乃至整个生态系统变化起重要作用；刘鸿雁等[31]对崂山湾人工鱼礁区生态系统结构和功能进行研究时也建立了Ecopath模型，筛选出许氏平鲉的关键指数和相对总影响值均较大,表明其可能在当前模拟的生态系统中扮演重要生态角色。张远等[32]在济南市小清河流域通过优势度模型方法筛选了关键鱼类，得到的结果与本文结果相符。以上结论表明本文所用方法以及得到的结果是可信的。

4.2　生态需水计算结果

根据关键物种筛选结果确定关键鱼类产卵流速需求（表2）。结合无人机野外航测和室内处理，反演得到典型河段的河流大断面，结合生态水力半径法计算生态需水，计算结果如表3所列。

表2   关键鱼类产卵需求

Table 2  Key fish spawning needs

关键物种

产卵时间

/月份

产卵类型产卵期水深需求/m

产卵期流速

需求/（m/s）

蛇鮈3~4浮性卵0.2~1.00.027~0.950
青鳉5~6浮性卵0~0.30.027~0.950
赤眼鳟5~7浮性卵1.5~2.00.027~0.950
乌鳢4~7浮性卵0.2~1.00.027~0.950
马口鱼6~8漂流性1.5~4.00.304~1.800
中华花鳅5~7漂流性0~0.50.304~1.800
鲫4~5粘性卵0.8~1.20.022~1.040
麦穗鱼4~6粘性卵0.3~0.40.001~1.500
泥鳅4~5粘性卵0.1~0.20.002~1.040
棒花鱼4~5粘性卵0.1~0.20.002~1.040
大鳞副泥鳅4~5粘性卵0.1~0.20.002~1.040
餐（音）5~7粘性卵0.5~100.001~1.500
伍氏华鳊4~5粘性卵0.2~1.00.022~1.040
兴凯鱊5~6粘性卵0.8~1.20.002~1.040
彩鰟鮍4~6粘性卵1.5~2.50.002~1.040
鲤4~5粘性卵0.8~1.20.022~1.040
中华鰟鮍4~6粘性卵1.5~2.50.022~1.040
褐栉鰕虎鱼4~5粘性卵0.1~0.30.002~1.040

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表3   典型控制点最小生态需水(QE_min)和最小生态水深(ZE_min)

Table 3  Minimum environment flows (QE_min) and minimum ecological water depth (ZE_min) at typical points

月份J1J11J23J24J39J48
QE_minZE_minQE_minZE_minQE_minZE_minQE_minZE_minQE_minZE_minQE_minZE_min
10.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
20.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
30.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
40.540.110.20.110.280.110.480.110.090.240.490.2
50.540.110.20.110.280.110.480.110.050.230.490.2
60.260.110.20.110.280.110.480.110.050.230.240.18
70.260.111.060.110.280.110.480.110.050.230.240.18
82.60.30.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
90.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
100.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
110.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18
120.260.110.10.110.280.110.480.110.050.230.240.18

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通过AEHRA法计算得到了济南市典型站点的生态需水，张远等[33]在济南市也通过AEHRA方法计算了小清河流域的生态需水，得到的非产卵期生态需水小于Tennant法“很好”对应的30%年均径流量;而产卵期生态需水接近Tennant法“最佳”对应的100%年均径流量。因此充分论证了AEHRA方法在济南市的适用性。赵然杭等[34]在弥河进行生态需水计算，得到的计算结果在一般用水期和鱼类产卵育幼期都能够满足维持河道基本生态功能的要求，这与本文采用AEHRA根据不同关键鱼类的产卵需求计算得到的结果相符。

4.3　河段空间连续最小生态需水满足率计算

根据监测断面监测得到的实际流量，采用River2D模型计算河段各断面的流量，进而计算河段的生态需水满足率，典型河段的生态需水满足率计算结果如下：

并渡口是卧虎山水库上游的主干河道，巨野河是受人类活动影响较大的河道，张工南临是济南北部平原的典型河道，北大沙河是黄河的支流，这些典型河道在2016年5月为非汛期，9月为汛期，选取这两个时段进行研究。采用生态水力半径法，计算得到各典型河道2016年5月的最小生态需水、9月的最小生态需水。通过River2D模型得到了河段空间连续的实际流量，进而利用公式(3)得到河道空间连续最小生态需水满足率。

（1）　非汛期典型河道空间连续最小生态需水满足率

并渡口2016年5月的最小生态需水为0.54 m3/s，图3a是并渡口非汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，显示河道空间连续最小生态需水最大满足率为18%，这段河段最小生态需水基本得不到满足，因此需定期在上游开闸坝放水，提高河段流量，满足最小生态需求，维持河段生态健康。

图3

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图3   各典型点河道空间连续最小生态需水满足率分布图

从上至下依次是并渡口、张工南临、巨野河、北大沙河，(a)、(c)、(e)和(g)为非汛期，（b）、（d）、（f）和（h）为汛期

Fig.3   Environment flows satisfaction rate of river channels at typical points

From top to bottom are Bingdukou, Zhanggongnanlin, Juyehe, and Beidashahe. (a),(c),(e),(g) are the non-flood season,

the （b）,（d）,（f）,（h） are the flood season


巨野河2016年5月的最小生态需水为0.49 m3/s，图3c是巨野河非汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，显示河道空间连续最小生态需水最大满足率只有31%，这段河段最小生态需水全部得不到满足。这是因为非汛期，降水很少，没有水源补给。

张工南临2016年5月的最小生态需水为0.05 m3/s，图3e是张工南临非汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，显示河道空间连续最小生态需水最大满足率可达到90%，这段河段最小生态需水量下游能得到部分满足，这是因为6月降水量逐渐增加，上游降水汇流到下游，形成流量。因此，下游最小生态需水满足率大于上游。

北大沙河2016年5月的最小生态需水为0.20 m3/s，图3g是北大沙河非汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，显示河道空间连续最小生态需水最大满足率只有0.05%，这段河段最小生态需水全部得不到满足，这是因为非汛期，降水很少，没有水源补给，水体不流动，这将影响河道水生物的的生长繁殖，因此可适当采用引水工程来补给河道流量，使水体循环流动。

（2）　汛期典型河道空间连续最小生态需水满足率

并渡口2016年9月的最小生态需水为0.26 m3/s，图3b是并渡口汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，由图3b可知汛期并渡口最小生态需水基本能满足，但有些位置受人类活动影响较大，仍然不能在汛期满足最小生态需水量。因此，有保证河道水生态可持续发展，就要降低人类活动的影响，恢复自然河道。

巨野河2016年9月的最小生态需水为0.24 m3/s，图3d是巨野河汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，由图3d可知汛期巨野河最小生态需水基本都能满足，流量比较大，这样利用河道水生物的生长繁殖，能保证河道水生态可持续发展。

张工南临2016年11月的最小生态需水为0.05 m3/s，图3f是张工南临汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，由图3f可知汛期张工南临河道最小生态需水大部分都能满足，下游的河道流量及最小生态需水满足率较大，这样利用河道水生物的生长繁殖，能保证河道水生态可持续发展。

北大沙河2016年9月的最小生态需水为0.09 m3/s，图3h是北大沙河汛期河道空间连续最小生态需水满足率分布图，由图3h可知汛期北大沙河最小生态需水基本都能满足，流量比较大，这样利用河道水生物的生长繁殖，能保证河道水生态可持续发展。

综上所述，张工南临位于北部农业平原区，河道的主要目的是灌溉农业，这就可能会忽略河道河流生态系统的健康状况。同时，在灌溉时段，要保证河道中的水量满足生态最小需求，而不能一味地灌溉抽水，破坏河流生态系统。因此，要保证生态系统的可持续发展，就要综合考虑河道总水量、灌溉量与生态需水量之间的关系。巨野河河段受人类活动影响较大，周围基本是居民地或农业区，河道水量多来自于降水。同时，居民生活污染物就近排放到河道，这必将导致河流生态系统受到严重破坏。因此，要维持该河段生态系统健康，不仅要考虑最小生态需水量的需求，还要考虑水质的影响。北大沙河是黄河济南段重要支流，在汛期与非汛期月份，最小生态水深基本都能得到满足。但是，非汛期最小生态需水量基本都不能得到满足，因此建议在非汛期流量较小的时段，可将下游黄河水引到北大沙河上游，来补充河道的流量，保证河道河流生态系统健康。同时，为保证河道的自然形态，建议管理者严禁破坏河道的活动行为。

通过River2D模型计算典型点所在河段的流量。王庆国等[35]在西南山区某水电站坝下河段使用River2D模型得到所研究河段的水深、流速等水力参数，然后与湿周法结合进行生态需水计算。表明了二维水力模拟能很好地反映出浅滩河段局部的水力特征，并且可以与生态需水的计算进行有效结合。这与本文使用River2D模型的效果相同。

5 结 论

本文基于2014—2016年的水生态采样数据，采用Ecopath河流生态系统食物网模型筛选了济南水生态关键物种，采用改进的生态水力半径法计算典型断面的生态需水，并采用River2D模型计算河段的空间连续生态需水满足率。得到的主要结论如下：

（1）筛选得到的典型河段关键物种：（J1）玉符河并渡口段关键物种为马口鱼、鲫、刺鳅、棒花鱼、中华花鳅、兴凯鱊、麦穗鱼、泥鳅、彩鰟鮍；（J11）北大沙河入黄河口：鲫、麦穗鱼、乌鳢、泥鳅、鲤、赤眼鳟；（J23）黄河泺口段：餐（音）、泥鳅、大鳞副泥鳅；（J24）黄台桥：鲫；（J39）土马河张公南临段：鲫、麦穗鱼、餐（音）、青鳉、伍氏华鳊、彩鰟鮍、中华鰟鮍、褐栉鰕虎鱼、乌鳢；（J48）巨野河大陈家村河段：鲫、麦穗鱼、棒花鱼、泥鳅、彩鰟鮍。

（2）采用改进的生态水力半径法计算得到的典型河段生态需水结果：（J1）玉符河并渡口段产卵期生态流量为0.54 m3/s，非产卵期生态流量为0.26 m3/s；（J11）北大沙河入黄河口产卵期生态流量为0.2 m3/s，非产卵期生态流量为0.1 m3/s；（J23）黄河泺口段产卵期生态流量为0.28 m3/s，非产卵期生态流量为0.28 m3/s；（J24）黄台桥产卵期生态流量为0.48 m3/s，非产卵期生态流量为0.48 m3/s；（J39）土马河张公南临段产卵期生态流量为0.09 m3/s，非产卵期生态流量为0.05 m3/s；（J48）巨野河大陈家村河段产卵期生态流量为0.49 m3/s，非产卵期生态流量为0.24 m3/s。

（3）根据River2D模型计算得到的河段空间连续生态需水满足率结果，汛期各河段生态需水基本能够得到满足，非汛期绝大多数河段生态需水不能得到满足，并且满足率极低，导致生态系统健康无法维持。应加强非汛期的河流生态调度以满足河流生态需水。

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