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黄河口最小生态环境需水量研究综述

[日期:2005-02-14] 来源:中国水资讯网:《人民黄河》  作者:朱玉伟 拾兵 黄勇 焦志洋 [字体: ]
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关于黄河口水资源问题,50多年来,专家和学者已经做了很多研究,但对于黄河口最小生态需水量的研究仍然存在很多问题。如:生态需水量的含义存在不统一现象,要保障河口地区有一个良好的生态环境到底需要多少淡水资源,没有一套切实可行的水资源可持续开发的可靠模型,等等。

1 生态环境需水量的概念

目前,与生态需水有关的概念和定义很多,如“生态需水”、“生态用水”、“生态环境耗水”等。但多数人认为:生态需水量可以理解为维系一定生态系统功能所不能被占用的最小水资源需求量,包括天然生态和人工生态,其确定的基础是对自然变化和人类活动影响下的流域水循环规律的认识与模拟。

中国可持续发展水资源战略研究综合报告及各专题报告认为:广义的生态环境用水是指“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水”,包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等[1,2];狭义的生态环境用水是指“维持生态环境不再恶化并逐渐改善所需消耗的水资源总量”[3~6]。迄今为止,生态环境需水仍没有形成一个系统、科学的理论体系和公认的定义。

综合现阶段的研究成果,对生态环境需水量的理解可概括为:

(1)流域或区域内的天然水体为维持特定的生态环境功能所必须蓄存和消耗的最小水量。(2)以生态环境现状作为评价生态用水的起点,满足一定生态环境标准和规划目标条件下的区域或流域生态系统所需要的最小水量。

(3)流域或区域内不同时空条件下,人类活动造成水环境量和质的改变未破坏人与自然的和谐关系,水体的资源和水环境功能保持良好条件下,需要保持的水资源量极限值。

(4)维系一定生态系统功能所不能占用的最小水资源需求量。所谓最小生态用水量,是在生态环境不再退化条件下生态系统所需水量,它是一个下限值。对于生态退化区,可通过对历史背景数据进行调查,采用水量平衡原理来计算。对于生态环境良好区,可以采用生态实验法求取。

笔者认为,对于黄河口的最低生态需水量同样可以参考以上的4条内容来理解和应用。

 

2 研究的尺度与范围

有关生态环境需水尺度观念,国外最新研究从四维动态系统(纵向、横向、垂向和时间域)进行描述,即从河流源头、上游、下游直到入海口,垂直河岸的横向及垂向水量,物质交换,与地下水联系等,随时间延伸产生河道形态影响等研究,该观念拓宽了生态化环境需水研究的范围和深度;国内一些学者已从早期关注河道内生态需水扩展到与之关系密切的河岸植被生态系统、洪泛平原、湿地、湖泊、地下水体等陆地淡水生态系统。

对于黄河河口海陆交汇地区的最小生态需水量的研究,较一般河流流域需水量的确定更为复杂。河道生态和河道外生态以及附近Ⅱ类海域的生态环境需要统筹考虑,各种要素以及人类活动的影响也要得到一定程度的重视。

 

3 评价方法的学科分类

生态环境需水量研究的方法已经有很多。从学科而言,有水文学方法和生态学方法。

3.1 水文学方法

水文学方法一般首先对系统进行描述,然后研究系统水量的恢复,并假定生物是适应于前扰动的水量并且水量的恢复将使系统变为健康的生态系统。其目标是尽可能将系统水量恢复到前扰动状态。前扰动的水状况包括水量、持续时间、淹没频率等。目前,水文学方法研究主要关注最小流量和最低水位的保持。水文学方法的研究成本较低,且不必考虑生物的细节信息,但是缺乏对目前生态价值的直接关注。

3.2 生态学方法

生态学方法包括现存或期望生物对水量的需求和分配。也包括对历史水量数据的检验,主要是基于生态管理的目标。生态学方法的优势是直接针对目前系统的生态价值和现存问题,如水禽对水的利用状况、濒危物种或种群的现状、侵入物种的表现等进行研究,但不利的方面是缺乏物种需求信息,现有的相关数据不能满足需水量计算的需要。

 

4 生态需水量的计算方法

4.1 国际上广泛应用的方法

国外河流生态环境需水的研究内容可概括为:河道流量与鱼类栖息环境关系的研究;河道流量、水生生物与DO(溶解氧)三者之间的关系研究;水生生物指示物与流量之间的关系研究;生态环境水量的优化分配的研究;环境生态用水与经济用水的关系研究等。目前,国外计算河流生态需水量的方法较多,大体可分为三类:一是传统的流量计算方法(标准流量法);二是基于水力学基础的水力学法;三是基于生物学基础的栖息地法。

4.1.1 标准流量法

标准流量法包括两种方法:

(1)7Q10法。该法考虑了水质因素, 采用90%保证率、连续7天最枯的平均水量作为河流的最小流量设计值。

(2)Tennant法。这是美国目前用来确定河道生态环境用水量的一种方法,河道流量推荐值以预先确定的年平均流量的百分数为基础。该法通常作为在优先度不高的河段研究河道流量推荐值时使用,或作为其他方法的一种检验。该法在美国16个州使用,主要针对干旱河流系统。

4.1.2 水力学法

(1)R2CROSS法。在计算河道流量推荐值时,由河流几何形态决定的水深、河宽、流速等因素必须加以考虑。这包含两个标准:一是湿周,二是保持一定比例栖息地类型所需要的河流宽度、平均水深以及平均流速等。R2CROSS法以曼宁公式为基础,由于必须对河流的断面进行实地调查,才能确定有关的参数,所以这种方法较标准流量法难以应用。该法在美国6个州使用。

(2)湿周法。该法的依据基于以下假设:既保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周,又将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。利用湿周作为栖息地的质量指标来估算河道内的流量值,通过在临界的栖息地区域(通常大部分是浅滩)现场搜集河道的几何尺寸和流量数据,并以临界的栖息地类型作为河流其余部分的栖息地指标。因此,河道的形状会影响分析结果。该法在美国6个州使用, 适用于湿润河网区。

4.1.3 栖息地法

(1)河道内流量增加法(IFIM)。20世纪80年代由美国渔业和野生动物保护组织开发研制的用于河流规划、保护和管理等的决策支持系统。IFIM根据现场数据,如水深、河流基质类型、流速等,采用PHABSIM模型模拟流速变化和栖息地类型的关系,通过水力学数据和生物学信息的结合,决定适合于一定流量的主要的水生生物及栖息地。该方法更多地用于评价水资源开发建设项目对下游水生栖息地的影响等。

 (2)CASIMIR法。基于流量在空间和时间上的变化,采用FST建立水力学模型、流量变化、被选定的生物类型之间的关系,估算主要水生生物的数量、规模,并可模拟水电站的经济损失。

此外,较新的研究成果有BBM方法等。

上述估算流量的方法在数据要求、选择流量所采用的方法、生态方面的假设以及对河流水力学方面的影响,都有一定的区别。标准流量法是通过按比例缩小河流的宽度、深度和流速,从而得到一个平均流量,主要用来计算一个流量的估计值;水力学方法集中在保留河道具有足够的水量,保持河流的基本形态;栖息地法的特点是说明栖息地如何随着河流水量的变化而变化,虽然提供了一种非常灵活的估计河流流量的方法,但不容易被应用。上述这些方法对于解决较小型河道生态环境需水量时较为实用,但对于大河而言,需要有更多的实践和参数变换。同时,这些方法不太适宜于湖泊、沼泽、湿地等,因此仍需要开展更广泛的方法学研究。

4.2 国内研究动态

国内对河流生态需水研究刚刚起步,关注干旱地区生态用水和水质条件变化对河流水体生态影响的较多,迄今还没有明确一致的意见和公认的计算方法。对其计算方法的研究也不够深入、完善,基本停留在定性分析和宏观定量分析的层面。其研究大致可分为3个阶段:

(1)20世纪70年代末开始研究探讨河流最小流量问题。主要集中在河流最小流量确定方法的研究方面。

(2)80年代,针对水污染日益严重的问题,国务院环境保护委员会在《关于防治水污染技术政策的规定》中指出:在水资源规划时,要保证为改善水质所需的环境用水。主要集中在宏观战略方面的研究,对如何实施、如何管理尚处于探索阶段。

(3)90年代以来,针对黄河断流,水污染严重等问题,水利部提出在水资源配置中应考虑生态环境用水,如在全国水功能区划中考虑了生态与环境用水问题[7,8]。刘昌明提出了我国21世纪水资源供需的“生态水利”问题。与此同时,与生态、环境需水相关的研究也逐渐展开。一般采用的方法有10年最枯月平均流量法,即采用近10年最枯月平均流量或90%保证率河流最枯月平均流量作为河流环境用水,最初用于水利工程建设的环境影响评价。另外,还有以水质目标为约束的生态环境需水量计算方法,主要计算污染水质得以稀释自净的需水量,将其作为满足环境质量目标约束的城市河段最小流量。

 

5 结 论

未来生态需水量研究将是综合多学科的研究,涉及到的学科有水文及水资源学、水力学、水环境学、生态学、卫星遥感、GIS和计算机科学等。微观上从生态系统的水生生物、陆生植物等水分需求机理研究入手,进行主要(类型的)生态的耗水规律和阈值研究;宏观上关注尺度效应和耦合效应研究[9],即在空间尺度和时间尺度上对陆地-河流-大海的完整生态水循环系统采用水量、水质和生态耦合模型系统进行生态环境需水规律研究。在水利工程和排污等人类活动因素影响下,完成对不同时空分布、不同生态和环境保护目标下的各单项生态环境需水耦合效应的模拟分析和预测,其结果是有效地恢复和保护生态系统,为生态系统水资源调控模式研究提供依据。

参考文献:

[1]沈国舫,王礼先.中国生态环境建设与水资源保护利用[M].北京:中国水利电力出版社,2001.

[2]刘昌明.中国21世纪水供需分析:生态水利研究[J].中国水利,1999,(10).

[3]王西琴,刘昌明,杨志峰.河道最小环境需水量确定方法及其应用研究[J].环境科学学报,2001,21(5).

[4]李丽娟,郑红星.海滦河流域河流生态系统环境需水量计算[J].地理学报,2000,55(4).

[5]郑冬燕,夏军,黄友波.生态需水量估算问题的初步探讨[J].水电能源科学,2002,20(3).

[6]王好芳,董增川,左仲国.开发度——评价水资源可持续开发的新模型[J].水电能源科学.2002,20(3).

[7]刘昌明.水与可持续发展[J].地理教育,2002,(4).

[8]严登华,何岩,邓伟,等.东辽河流域河流生态系统生态需水研究[J].水土保持通报,2001,15(1).

[9]左其亭,夏军.陆面水量-水质-生态耦合系统模型研究[J].水利学报,2002,(2).

 

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