通过考虑中国北方典型小流域的水质目标来确定生态流量

《Journal of Contaminant Hydrology》：Determination of ecological flow via considering water quality targets for a typical small basin of northern China

该研究通过SWAT模型模拟半干旱区大黑河上游自然径流，结合水文方法确定生态基流，并基于溶质质量守恒定律计算自净需水量，揭示在干旱半干旱区生态流量需同时满足水量与水质需求。结果表明SWAT模型性能良好，径流呈下降趋势并存在突变，生态基流为0.17m3/s，但2022-2023年自净需水量超过基流。需要综合水量基础与自净能力确定生态流量。

　　在半干旱的中国北方地区，大黑河上游面临着季节性断流和长期水质退化的问题。这些问题不仅影响了流域内的水生态系统，也对水资源的可持续利用构成了挑战。为了实现流域内水量与水质的综合管理，确定一个既能满足基本水需求又能实现水质目标的生态流量显得尤为重要。然而，目前的研究往往在计算生态流量时忽略了水质目标所需的自净水量需求，特别是在缺乏实测数据的区域，这一问题尤为突出。

因此，本研究构建了一个SWAT模型，用于模拟长期的自然径流，同时采用水文方法来确定生态基流，并基于溶质质量守恒定律计算满足水质标准所需的自净水量需求。通过将自净水量需求纳入生态流量的计算体系，本研究提出了一种适用于无实测数据区域的生态流量评估方法。研究结果表明，SWAT模型在模型校准和验证过程中达到了较高的精度，其R2值和NSE值均超过了0.5，PBIAS值低于25%，RSR值低于0.7，说明该模型在模拟自然径流方面具有良好的表现。此外，Wofoxia地区的径流在1975年至2023年间呈现下降趋势，并在2005年发生突变。通过水文方法计算出的生态基流平均值为0.17立方米/秒。而2022年和2023年7月的自净水量需求超过了生态基流，表明在特定时期内，仅满足生态基流是不足以保障水质目标的。

生态流量的定义是指必须维持在河流、湖泊等水生态系统中的水量，以确保其结构和功能的完整性，同时满足特定的水质要求。近年来，由于全球气候变暖导致的蒸散发增加，河流的径流显著减少，特别是在对气候变化更为敏感的干旱和半干旱地区，这一趋势使得满足河流生态系统的生态流量需求变得更加困难。此外，人类活动如农业化肥使用和生活污水排放，也导致了河流中污染物浓度的上升，进一步加剧了水质的退化。例如，一项针对中国多个省份农业源氮磷排放的研究显示，每增加1吨/平方公里的氮磷排放，就有2.88%和3.56%的水体被划分为五类及以下水质等级。在渭河盆地的研究中，农村和城市生活污水以及畜牧业和家禽养殖是河流总氮负荷的主要来源，分别贡献了29.4%、26.4%和17.6%的比例。此外，低流量状态会降低河流的自净能力，从而导致更严重的水污染。因此，对于水资源短缺且水质条件较差的河流，实施水量与水质的综合管理显得尤为必要。

目前，生态流量的计算方法主要包括水文方法、水力方法、栖息地模拟方法以及整体分析方法。其中，水文方法因其不依赖复杂的现场数据且计算效率较高，被广泛用于生态流量的估算。然而，对于缺乏径流数据的区域，仅依靠水文方法可能无法准确反映生态流量的真实需求。因此，有必要采用水文模型对径流进行模拟，从而为生态流量的确定提供科学依据。SWAT模型是一种基于物理原理的分布式水文模型，已被广泛应用于模拟不同气候和土地利用情景下的流域径流。在本研究中，我们利用SWAT模型对大黑河上游的径流进行了模拟，并结合水文方法对河流生态系统的基流需求进行了初步计算，从而为生态流量的确定提供了科学基础。

传统的生态流量计算方法往往忽略了满足水质目标所需的额外水量。即使径流能够满足基本的生态需求，也可能无法确保污染物浓度符合相应的标准。一些研究通过建立水体与污染物浓度之间的关系模型，计算出满足水质目标所需的水量。例如，Zhao等人通过将鱼类的耐受性与水质标准联系起来，使用一维水动力模型计算出满足水生生物群落需求的流量。Cheng等人则基于能够维持河流几何形态、满足生物多样性需求以及符合水质标准的生态流速，确定了Baoji地区渭河段的生态流量。此外，一些研究还结合优化算法与水量-水质耦合模型，以获得更加全面的水体管理方案。例如，Masoumi等人通过将CE-QUAL-W2水动力模型与MOPSO优化算法耦合，开发了一种新的模拟-优化框架，用于河流水库系统的管理，展示了在伊朗Karkheh流域中通过可持续性指数实现的更优水量-水质管理方案。然而，当前的研究往往仅基于特定目标计算生态流量，而忽略了研究区域实际的水质状况和水量可得性。

本研究提出了一种综合方法，用于确定在生态基流保障和水质目标双重约束下的生态流量，为流域内的综合水资源管理提供了科学依据。在本研究中，构建了一个SWAT模型，用于模拟大黑河上游的径流。通过水文方法计算出的生态基流，以及基于溶质质量守恒定律计算出的满足水质标准所需的自净水量需求，为生态流量的确定提供了新的视角。研究结果表明，通过将生态基流需求与自净水量需求相结合，可以更准确地确定区域的生态流量，从而实现对水资源的科学管理。

大黑河流域位于半干旱区与干旱区的交界处，水资源可得性较低。在上游产水区域，径流经常低于最低水需求，导致河流的稀释能力下降，污染物在河道中累积过多。因此，根据区域的水资源短缺和污染状况来确定生态流量，有助于实现水量与水质的综合管理。本研究中，通过SWAT模型对大黑河上游的径流进行了模拟，并采用水文方法计算出生态基流，同时利用溶质质量守恒定律确定了满足水质标准所需的自净水量需求。研究结果表明，基于生态基流需求和自净水量需求的动态方法，可以更准确地确定每月的生态流量，为流域内的综合水资源管理提供了科学基础。

在本研究中，我们采用了SWAT模型对大黑河上游的径流进行了模拟。该模型的基本数据被输入到ArcGIS中进行建模。具体来说，DEM数据被输入到ArcGIS中，用于将流域划分为27个子流域，并结合多期土地利用数据和土壤数据，以定义流域的水文响应单元。土地利用图包括1980年、1990年、1995年、2000年、2010年、2015年和2020年的数据，分别用于模拟1975–1985年、1986–1992年、1993–1997年、1998–2007年、2008–2012年、2013–2017年和2018–2022年的径流。通过这种方式，我们能够较为准确地模拟出不同时间段内的径流变化，为生态流量的计算提供了可靠的数据支持。

研究结果还表明，大黑河下游的水质状况优于上游。2022年的水质监测数据显示，上游的Wofoxia段水质为五类，而下游的Qixiaying段水质为二类。与Wofoxia段相比，Qixiaying段上游有两条额外的支流——Tabei河和Guaijaopu河汇入主干道。支流的汇入可能改变河流原有的微生物环境，从而改善水质。此外，支流的流入还可能增加河流的稀释能力，降低污染物的浓度。因此，支流的存在对下游水质的改善起到了积极作用。

本研究的结论表明，通过将生态基流保障与水质目标相结合，可以更科学地确定生态流量，为流域内的综合水资源管理提供理论支持。SWAT模型在模拟大黑河上游径流方面表现良好，能够较为准确地反映自然径流的变化趋势。通过水文方法计算出的生态基流为河流生态系统的维持提供了基础保障，而基于溶质质量守恒定律计算出的自净水量需求则为满足水质标准提供了补充依据。本研究提出的动态方法，能够根据生态基流需求和自净水量需求的变化，调整每月的生态流量，从而实现对水资源的科学管理。

此外，本研究强调了在生态流量计算中，必须综合考虑基本的生态水需求和自净水需求，特别是在水资源短缺和污染严重的区域。通过将自净水需求纳入生态流量的计算体系，可以更全面地评估河流的生态需求，避免因忽略自净能力而造成的水质恶化。同时，这种综合方法也为未来水资源管理提供了新的思路，即在满足生态功能的基础上，兼顾水质目标，实现可持续的水资源利用。

在实际应用中，生态流量的确定不仅需要考虑自然因素，还应充分考虑人为活动的影响。例如，农业活动、工业排放和城市生活污水等都可能对河流的水质产生显著影响。因此，生态流量的计算应结合多种因素，包括气候变化、土地利用变化以及人类活动的影响，以确保生态流量的科学性和实用性。此外，生态流量的确定还应考虑不同季节的径流变化，以及不同时间段内的水质波动，从而实现对生态流量的动态调整。

本研究的成果对于中国北方半干旱地区的水资源管理具有重要意义。通过建立SWAT模型，结合水文方法和溶质质量守恒定律，我们能够较为准确地模拟出大黑河上游的径流变化，并计算出满足水质目标所需的生态流量。这种方法不仅适用于大黑河流域，也可推广到其他类似流域，为水资源管理提供科学依据。此外，本研究还揭示了支流对水质改善的重要作用，这为未来流域规划和生态保护提供了新的思路。

在实际操作中，生态流量的确定需要依赖于精确的水文数据和模型模拟结果。然而，在缺乏实测数据的区域，模型模拟成为不可或缺的工具。因此，本研究提出了一种适用于无实测数据区域的生态流量计算方法，即通过构建SWAT模型对径流进行模拟，并结合水文方法和溶质质量守恒定律计算生态流量。这种方法能够克服传统方法在数据获取方面的局限性，为生态流量的确定提供更加科学和合理的依据。

此外，本研究还强调了在生态流量计算中，需要综合考虑生态基流和自净水需求的双重因素。这不仅有助于提高生态流量计算的准确性，还能够在一定程度上缓解水资源短缺和污染问题。通过将生态基流和自净水需求结合起来，可以更全面地评估河流的生态需求，为水资源管理提供更加科学的指导。同时，这种方法也为未来水资源管理提供了新的思路，即在满足生态功能的基础上，兼顾水质目标，实现可持续的水资源利用。

总之，本研究通过构建SWAT模型，结合水文方法和溶质质量守恒定律，提出了一种新的生态流量计算方法，为水资源的综合管理提供了科学依据。这种方法不仅适用于大黑河流域，也可推广到其他类似流域，为水资源管理提供新的思路和方法。通过将生态基流和自净水需求结合起来，可以更准确地评估河流的生态需求，为水资源的可持续利用提供支持。此外，本研究还揭示了支流对水质改善的重要作用，这为未来流域规划和生态保护提供了新的视角。