北京市通州区主要河流生态基流研究

Study on Ecological Base Flow of Major Rivers in Tongzhou District, Beijing

摘要: 针对北京市通州区缺乏生态基流的相关研究，本文以通州区主要河流为研究对象，基于MIKE11模型模拟2019年主要河流氨氮变化特征，并在5个国家级和市级考核监测断面采用水文学法和模型模拟分析城市河道生态基流。结果表明：北运河上游年均氨氮浓度为III类；凉水河、潮白河上段以及北运河中下游为IV类；凤港减河、港沟河及潮白河下段为V类。除王家摆、许各庄断面外，其余断面两种生态基流计算方法的结果较为接近。运潮减河入潮白河口生态基流推荐值为5.5 m³/s、北运河王家摆7.44 m³/s、凉水河许各庄8.83 m³/s、凤港减河小屯4.27 m³/s，港沟河后元化2.97 m³/s。各生态基流保障率均值为89%~100%，基本满足设计保障率要求。本研究对北京市通州区生态基流开展了尝试性的研究工作，为水环境管理提供技术支撑。

Abstract: In view of the lack of ecological base flow in Tongzhou District of Beijing, the main rivers in Tongzhou District were taken as the research object, and the changes of ammonia nitrogen in the main rivers in 2019 were simulated based on the MIKE11 model, while the ecological base flow of urban river was analyzed by hydrologic method at 5 national and municipal examination and monitoring sections. The results show that the annual average ammonia nitrogen concentration in the upper reaches of the Beiyun River was class III; the Liangshui River, the upper part of the Chaobai River, and the middle and lower reaches of the Beiyun River were class IV; the Fenggangjian River, the Ganggou River, and the lower part of the Chaobai River were class V. The calculation results of the two methods are close to each other except Wangjiabai and Xugezhuang. The recommended values of ecological base flow are as follows: 5.5 m³/s at Yunchaojian River, 7.44 m³/s at Wangjiabai, 8.83 m³/s at Xugezhuang, 4.27 m³/s at Xiaotun and 2.97 m³/s at Houyuanhua. The average guarantee rate of ecological base flow is 89%~100%, which basically meets the requirement of design guarantee rate. The ecological base flow studied in Tongzhou District of Beijing will provide technical support for water environment management.

1. 引言

河流生态系统与人类生存与发展密切相关，然而，随着经济社会的不断发展，高强度的人类活动导致部分河流出现断流、富营养化等问题，严重制约流域生态系统和人类社会的可持续发展[1]。生态基流是维持河流发挥正常功能所需要的流量，是河流生态系统健康与稳定的基本保障[2]。

因研究目的和对象不同，生态基流概念逐渐多元化。由研究初期的河流最小流量拓展为城市生态需水、湿地生态需水、环境需水等[3]。徐宗学等[4]认为水量和水质共同影响河流生态系统的稳定性，确定生态基流应当遵循水量水质耦合原则。生态基流计算方法主要有水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法[5]。水文学法基于历史流量资料估算河流生态基流，简单易用[6]。其中Tennant法因操作便捷，已经被广泛应用，可作为流域前期生态管理目标或其余方法的检验标准[7]。模型模拟属于整体分析法范畴，该方法综合考虑水量、水质及生态环境等条件，计算结果更贴合实际[8]。

通州区位于北京市东南部，具有重要的地理区位和战略意义。通州区河流研究主要集中于水质评价、水环境模拟、生态需水等领域[9] [10]，缺乏针对通州区主要河流生态基流分析的相关研究，本研究针对该区域进行一定的尝试。本文结合Tennant法和模型模拟，开展水量水质联合模拟分析，计算河道生态基流。力图为北京市通州区生态流量管理提供一定的支撑，具有重要的现实意义。

2. 研究区概况

通州区位于北纬39˚36'~40˚02'，东经116˚32'~116˚56'，面积906 km² [11]。通州区属于北温带半干旱半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量为546.8 mm。全区地处永定河、潮白河冲积平原，地势西北高东南低，平均海拔20 m。通州区主导产业为工业和建筑业等，中部有工业开发区，国家农业科技园分布于西南部。

通州多河汇聚，河流分属潮白河和北运河水系。潮白河水系由北向南流经北京市密云区、怀柔区，经宋庄入通州区，折向东南流入河北省，于天津市北塘入海[12]。潮白河水系在通州范围内主要河流有潮白河和运潮减河。北运河水系源自北京市昌平区，向南入通州至北关称北运河，自西北向东南贯穿通州区，流经河北省，于天津市红桥汇入海河[13]。北运河水系在通州范围内主要河流有北运河及其支流玉带河、凉水河、凤港减河和港沟河等。通州处于北京市水系下游，承接上游的雨水和污水，受到内源和外源等多重污染[14]。本文以通州区主要河流运潮减河、北运河、凉水河、凤港减河和港沟河等为研究对象，选择生态环境部和北京市生态环境局设置的5个国家级和市级监测考核断面(图1)，兼顾水质状况，开展水量水质联合模拟分析，计算河道生态基流。根据《2022北京市生态环境状况公报》，研究区主要污染物为氨氮。

图1. 研究区水系和高程图

3. 研究方法与数据

3.1. Tennant法

Tennant法以多年平均流量10%~30%作为生态基流[15]。由于5个国家级和市级监测考核断面水质自动监测站无断面流量数据，本文采用水文比拟法，根据集水面积和通县水文站1974~2016年逐月流量数据，计算5个断面多年平均流量，再结合Tennant法，计算各断面的生态基流。通过实地调研，结合河流管理目标，分别选取多年平均流量的30%和10%作为汛期(6~9月)及非汛期(1~5月，10~12月)的生态基流推荐值。结合Tennant法分析5个断面逐月生态基流，取月均生态基流作为各断面的生态基流。

3.2. 模型模拟

基于河道实测断面、河流水系、流域DEM等数据，结合实际调研情况，构建通州区主要河流MIKE模型。基于已有研究结果完善MIKE模型[11]。依据《通州区河道管理范围和保护范围划定图》，共概化主要河流或沟渠115条(图1)。对于规模较大河沟，在水系的源头以及末端设置断面，支流汇入处设置断面，中间的河段依据具体情况设置若干断面；对于规模较小的河沟，在源头、中段、末端取三个断面，共设置断面829个。河道纵坡取值范围0~0.00098，河床糙率M取值30~38 m^1/3/s，实测流量和水位分别为模型上边界及下边界。

模型水质模块选取氨氮为水质模拟指标，基于水动力模块建立，增加水质边界条件和水质参数文件设置。水质边界包括点源污染边界、非点源污染边界、再生水厂和污水处理厂边界。点源污染边界条件采用入河排污口数据，数据来源于实地调研及通州区生态环境局。非点源污染基于实际降雨数据、遥感资料反演和汇水情况采用EcoHAT模型[16]计算得到，由于已有明确入河位置，以点源污染形式添加至边界条件中。再生水厂和污水处理厂边界包括碧水再生水厂等。共设置了291个点源污染边界。水质模块参数参考通州区已有的水质模拟相关研究成果，经过试算分析，氨氮降解系数取0.12/d，河道扩散系数取2~15 m²/s [11]。

根据水文站实测水位流量和水质监测站氨氮浓度数据，率定和验证MIKE模型水动力学和水质模块。采用模型试错法，即调整模型上边界来水流量测算满足各断面氨氮水质目标的河流自净需水量，过水断面流量即为该断面的生态基流[17]。根据通州区水质现状达标和“十四五”达标目标，设置两种水质达标情景：1) 满足断面对应的功能分区水质目标；2) 满足各断面氨氮达到Ⅳ类，分别开展不同情景下，模型模拟分析和计算。

3.3. 生态基流保障率

生态基流保障率指河流径流能够保证其生态基流的程度，表征河流生态基流的盈亏状况，是生态环境需水与调水的依据[18]。考虑到通州区河流季节特征和变化趋势，从月尺度角度推求生态基流保障率，计算公式如下[19]：

$P_m=\frac{Y}{M}\times 100\%,Q_{a,k}>Q_j$

式中：$P_m$ 为第i月生态基流保障率(%)；$Q_{a,k}$ 为各年水文监测断面的第k月平均流量(m³/s)，a为年份，$k=1,2,\cdots ,12$ ；$Q_j$ 为第j月生态基流(m³/s)，$j=1,2,\cdots ,12$ ；Y为满足$Q_{a,k}>Q_j$ 的月数；M为时间序列长度。

4. 结果分析

4.1. 水文学法结果

Tennant法计算5个断面逐月生态基流量，取月均值作为基于水量角度的各监测断面生态基流值(表1)。

表1. 各监测断面生态基流

断面	Tennant法结果(m^3/s)
运潮减河入潮白河口	5.5
北运河王家摆	8.36
凤港减河小屯	7.03
港沟河后元化	3.31
凉水河许各庄	10.76

4.2. 模型模拟结果

率定和验证MIKE模型的水文数据(水位、流量等)为2010及2016年杨洼闸实测日数据。选取纳西效率系数NSE作为模拟结果误差评估指标[11]，选取2010年为率定期，2016年为验证期。模拟结果表明(图2)，率定期和验证期NSE分别为0.83和0.71，模型水动力模拟效果整体较好。

图2. MIKE模型水动力模块率定期和验证期结果

图3. MIKE模型水质模块率定期和验证期结果

选取2017~2018年为水质模型率定期，2019年为验证期。结果表明，杨洼闸率定和验证期NSE分别为0.71和0.65 (图3)，水质模拟效果较好。

通州区主要河道2019年氨氮模拟结果如图4所示：北运河上游年均氨氮浓度为III类；凉水河、潮白河上段(运潮减河汇入前)以及北运河中下游年均氨氮达到Ⅳ类；凤港减河、港沟河以及潮白河下段年均氨氮浓度为V类。运潮减河整体水质较差的原因可能为：多年河水来源有雨水直排、污水处理厂再生水排放等，来水水质不佳[20]。凤港减河马驹桥和于家务段存在部分村庄生活污水直排、污水处理设施运行效率低、部分河道管护不及时和农村小微水体管护不到位等情况，且于家务段水位低，水流流速缓，水体自净功能差。而漷县段区内污水管网建设相对比较完善，生活污水直排现象较少，加上凉水河大量补水，因此漷县段氨氮浓度相比马驹桥镇和于家务有所改善。

图4. 通州区主要河道氨氮模拟结果

图5. 各监测断面生态基流模拟结果

基于MIKE，在现状水质模拟基础上开展综合水量水质模拟的生态基流计算。由图5可知，运潮减河入潮白河口断面氨氮达到情景1所需生态基流为8.01 m³/s。北运河王家摆断面达到V类水质目标，流量为7.44 m³/s；达到Ⅳ类水质目标的生态基流为18.71 m³/s。当凉水河许各庄断面流量为8.83 m³/s，能达到情景1；需将流量增加至19.01 m³/s才能使该断面水质状况满足情景2。凤港减河小屯断面达到V类，此时断面流量为4.27 m³/s；为使其达到Ⅳ类需5.73 m³/s生态基流。港沟河后元化断面达到V类需生态基流为2.97 m³/s；达到Ⅳ类需生态基流为4.01 m³/s。

4.3. 两种方法结果对比分析

综合对比Tennant法和模型模拟法结果(图6)，除王家摆和许各庄断面外，其余断面两种方法计算结果较为接近。除运潮减河入潮白河口断面外，王家摆、小屯、后元化和许各庄断面模型模拟法情景1结果略小于Tennant法。除小屯断面外，满足各断面水质达到Ⅳ类的生态基流均高于水文学法结果，这间接反映了通州河流水环境仍存在提升的空间。

图6. 两种方法结果

Tennant法考虑了河流季节性变化，针对汛期和非汛期选取不同的流量百分比，以使结果更合理。模型模拟法结果除与汛期、非汛期有关外还与入河污染物条件等有关，模拟结果能够反映生态基流变化对概化后河道生态系统的影响。由于本研究重点关注通州河流水质问题，综合对比两种方法结果，王家摆、小屯、后元化及许各庄断面选择模型模拟法结果作为生态基流推荐值，最终确定各断面生态基流如下：运潮减河入潮白河口5.5 m³/s、北运河王家摆7.44 m³/s、凉水河许各庄8.83 m³/s、凤港减河小屯4.27 m³/s和港沟河后元化2.97 m³/s。

4.4. 生态基流保障率分析

整体来看，各断面生态基流保障率平均值为89%~100%，基本满足《河湖生态环境需水计算规范(SL/T 712-2021)》生态基流设计保障率90%要求(图7)。运潮减河入潮白河口断面3~11月基流保障率较高，最低值为33%，出现在12月。王家摆断面和许各庄断面全年生态基流保障率基本达到100%。凤港减河小屯生态基流保障率平均值为94%，港沟河为92%，两个断面冬春季(1~3月)生态基流保障率较其他月份低。

图7. 生态基流保障率结果

5. 结论与展望

北京市通州区缺乏生态基流的相关研究，本文以通州区主要河流为研究对象，基于MIKE11模型模拟2019年主要河流氨氮变化特征，并在5个国家级和市级考核监测断面，采用水文学法和模型模拟分析城市河道生态基流，填补了该区域生态基流研究空白。同时，也对北京市通州区水环境管理具有重要的现实意义。研究的主要结果如下：

1) 北运河上游年均氨氮浓度为Ⅲ类；凉水河、潮白河上段以及北运河中下游为Ⅳ类；凤港减河、港沟河以及潮白河下段为V类。

2) 传统水文学Tennant法计算的各断面生态基流分别为：运潮减河入潮白河口5.5 m³/s、北运河王家摆8.36 m³/s、凉水河许各庄10.76 m³/s、凤港减河小屯7.03 m³/s和港沟河后元化3.31 m³/s。

3) 在情景1下：模型模拟法计算得运潮减河入潮白河口生态基流为8.01 m³/s、北运河王家摆为7.44 m³/s、凉水河许各庄为8.83 m³/s、凤港减河小屯为4.27 m³/s、港沟河后元化为2.97 m³/s。在情景2下，北运河王家摆所需生态基流量为18.71 m³/s、凉水河许各庄为19.01 m³/s、凤港减河小屯为5.73 m³/s、港沟河后元化为4.01 m³/s。

4) 综合对比传统水文学及模型模拟法结果，确定各断面生态基流如下：运潮减河入潮白河口5.5 m³/s、北运河王家摆7.44 m³/s、凉水河许各庄8.83 m³/s、凤港减河小屯4.27 m³/s和港沟河后元化2.97 m³/s。

5) 各生态基流保障率平均值为89%~100%，基本满足《河湖生态环境需水计算规范(SL/T 712-2021)》生态基流设计保障率要求。

河流是一个复杂的生态系统，在分析生态基流时，本研究未充分考虑水生态本底条件、流域水利工程建设及优化运用、调度等影响因素。在全球气候变化的大背景下，降雨、温度等气象要素的改变可能会对河流水文过程、污染物迁移等产生影响，未来应在综合考虑相关气象要素的基础上，对现有结果进行修正。

基金项目

国家自然科学基金项目(51779006)。

NOTES

作者简介：罗霄雨(1999.03-)，浙江衢州人，硕士研究生，主要从事城市水文模拟研究，Email: [e-mail]

^*通讯作者Email: [e-mail]