论河流生态环境需水_倪晋仁

水　　利　　学　　报

　2002年9月

文章编号:0559-9350(2002)09-0014-07

SHUILI　　XUEBAO

第9期

论河流生态环境需水

倪晋仁,崔树彬,李天宏,金玲

1

2

1

1

1.北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京　100871;

2.黄河水利委员会水资源保护研究所,郑州　450003)

摘要:回顾了生态环境需水量研究的进展,讨论了实现河流各项基本功能目标的河流生态环境用水分类、各类生态环境用水量的计算方法及其间关系。提出了河流生态环境用水量及其阈值确定的各项原则,包括功能性需求原则、分时段考虑原则、分河段考虑原则、主功能优先原则、效率最大化原则、后效最小化原则、多功能协调原则和全河段优化原则。

关键词:河流;生态环境需水量;功能;阈值;原则中图分类号:X143　　　　　　文献标识码:A

l　生态环境需水量的概念

什么是生态需水量,对此目前还没有一个公认的定义。生态需水量应该是特定区域内生态系统需水量的总称,包括生物体自身的需水量和生物体赖以生存的环境需水量,生态需水量实质上就是维持生态系统生物群落和栖息环境动态稳定所需的用水量。因此,生态需水量不但与生态系统中生物群体结构有关,而且还应与气候、土壤、地质和其它环境条件有关。只有在设定的生态环境标准下,生态需水量才具有明确的意义。什么是环境需水量,对此迄今也没有一个统一的认识。在美国,环境需水量系指服务于鱼类和野生动物、娱乐及其它具有美学价值目标的水资源需求被看作为满足水质改善、生态和谐与环境美化目标的水资源需求体的含义

[3]

[2]

[1]

。在中国,环境需水量

。环境需水量实质上就是为满足生

态系统的各种基本功能健康所需的用水。只有在明确目标功能的前提下,环境需水量才能够被赋予具

。

然而,就像离开环境讨论生态或撇开生态谈论环境一样,生态需水量与环境需水量很难隔裂开来探讨。事实上,不管怎样表述,己有关于生态需水量和环境需水量的研究多数都基于“水生态”和“水环境”两方面需水的考虑。在不具备分别探讨生态需水与环境需水的条件时,如果将生态需水量与环境需水量结合考虑,则会自然地提出“生态环境需水量”的概念。广义地讲,生态环境需水可以被认为是维持全球生物地理生态系统水分平衡所需的用水,包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡用水等

[4]

。狭义地讲,生态环境需水可以被视作为维护生态环境不再恶化并有所改善所需的水资源总量,

[2,4]

包括为保护和恢复内陆河流下游天然植被及生态环境的用水、水土保持及水保范围之外的林草植被建设用水、维持河流水沙平衡及湿地和水域等生态环境的基流、回补区域地下水的水量等方面

。广

义的生态环境需水概念对研究不同尺度的水资源系统和考虑各种系统功能及其相应的物质运动较为适用,而狭义的生态环境需水概念对水资源供需矛盾突出和生态环境相对脆弱的干旱、半干旱地区以及

收稿日期:2002-06-19

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G1999043603)

作者简介:倪晋仁(1962-),男,山西山阴人。教授,主要研究方向:河流泥沙,环境科学与工程。

—14—季节性干旱的半湿润区的系统分析相对适合。

面对不同的系统和不同的功能需求,生态环境需水量可以不同的形式出现。譬如,流域生态环境需水量、河流生态环境需水量、湿地生态环境需水量、河口海湾和三角洲生态环境需水量等。在这些系统中,根据人们关注的具体功能又可细分为水土保持需水量,航运、娱乐、渔类、景观、输沙需水

[5,6]

量,湿地生物体需水量、湿地环境需水量、调节气候需水量,满足咸度要求的入海流量等。由于满足不同功能的需水并不总是能够截然分开的,因此生态环境需水量的确定既需要按照系统功能分别考虑,又需要依据各功能之间的关系进行统一计算。生态环境需水量起码应该能够保证系统基本功能运转所需的物能平衡关系,这就意味着对应于任一功能的需水量都存在一个最小(或最大)的临界值(阈值)。一旦某阈值被超越,系统的某些物质平衡关系就会遭到破坏,系统的某些基本功能就会明显减弱,系统的健康就会受到损害并趋于恶化甚至衰亡。

2　河流水资源利用与生态环境用水

河流系统与人类活动的关系非常密切,世界各国都通过不同的法律和管理手段来保证对河流系统中水资源的合理开发和利用。在美国,拥有河流水资源管理权的46个州中就有11个州制定了明确的法规和条例,用以指导水资源的利用和河流生态环境的保护。在法国,通过1992年颁布的水法来保证水资源的统一管理和水环境保护,明确将河流最小生态需水放在了仅次于饮用水的优先地位

[9]

[7,8]

。在中国,利用工程措施调节和分配水资源是满足河流各种主要功能的重要途径

[10,11]

。在印度和

孟加拉国,多年来一直就恒河水量的合理分配进行协调。在捷克、斯洛伐克和匈牙利,关于合理利用多瑙河水资源的探索正在持续进行。在泰国和越南,围绕湄公河的分水问题也在不断地谈判。在非洲,由两个国家共有河流或湖泊的流域就有57个,因水资源利用协调不善而引发的矛盾屡见不鲜。在中东,水危机造成的冲突尤为典型。

河流系统是自然界最重要的生态系统之一。河流系统具有多种功能,通常受到关注的主要有输水、输沙、泄洪、防污、景观、航运、生态等功能。在不同的区域和不同的阶段,为了维持河流系统功能的健康和满足河流系统水资源开发利用的不同目的,必然会提出水资源利用的具体模式。然而,为了使河流水资源能够得到可持续的利用,必须考虑生态环境用水的需求,从而也就提出了河流生态环境需水量的概念。

河流生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量,它是能够在特定水平下满足河流系统诸项功能所需水量的总称。一方面,河流生态环境需水量可以随时间和空间变化,表现出动态变化的特征;另一方面,河流生态环境需水量具有协调各项河流基本功能的内涵,表现出在特定时空单元内最大限度地满足河流主要功能的优先选择性。河流生态环境需水量的动态配置必须有利于单位水资源的生态环境服务最大化。关于河流生态环境需水量的研究成果十分有限。1993年世界银行发布的水资源政策文件虽然明确了地下水可再生性维持的标准,即水资源开发利用总量决不能超过地下水补给量,但缺乏有关生态环境需水量的确定原则,也没有可再生水域的水生动、植物体系的生态环境标准

[21]

。1997年,联合国大会虽然通过了《国际水域非航海使用法条款》,但同样没有指出河

流生态环境需水量的考量方法。事实上,维持河流系统水资源可再生性的机理非常复杂。季节变化、区域位置、生物种类、水量分布、泥沙运移、水盐平衡、气候变化、人类活动以及价值观念等都影响着水资源配置的决策,以下仅就河流生态环境需水量的估算进行讨论。

3　河流生态环境用水的估算方法

河流生态环境用水大致可分为:河流水污染防治用水、河流生态用水、河流输沙用水、河口区生态环境用水以及河流景观与娱乐环境用水。3.1　河流水污染防治用水

[11,13～17]

　利用河流水体对污染物的稀释自净功能,可以保护河流水资源满

—15—足各种功能对水质的要求。这种为改善水质所需的水量与许多因素有关,应根据实际情况采用简化方法或结合水质模型计算确定。

估算河流水污染防治用水最简单的方法有美国的7Q10法和中国的10年最枯月平均流量法。前者采用90%保证率条件下的最枯连续7天平均流量水量作为河流水污染防治用水的最小设计值。后者在前者的基础上改进后重点用于计算污染物允许排放量。鉴于我国的经济发展水平相对落后、南北方水资源现状差别较大,所以在制订《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》(GB3839-83)时,规定一般河流采用近十年最枯月平均流量或百分之九十保证率最枯月平均流量。

河流水污染防治用水也可按照以水质目标为约束的方法估算,其基本原理是在考虑河段上游来流量污染物浓度、河段内污染物产生量、河段内污染物治理程度、河段内污废水资源化程度、河段内城市污废水产生总量和污染物削减综合状况的条件下,得出满足河段水质控制目标的相应水量。

已有关于河流水污染防治用水研究的缺陷在于:(1)没有充分考虑沿河段污染物种类的复杂性和污染物排放的不确定性影响;(2)没有考虑河流中泥沙对污染物行为的影响:(3)没有探讨极小流量和断流条件下河流水污染防治用水的变化特点。这就意味着对于一些沿途污染物排放管理不善、含沙量较高或断流现象突出的中国河流,现有研究成果都不一定适用。此外,河流水污染防治用水除满足水污染防治的功能目标外,同时也可作为满足其它功能需水中的部分用水。

[17～21]

3.2　河流生态用水　河流生态用水涉及各类生物体及其生境用水。通常,这些分门别类的用水本身很难确定,对于多数河流也都缺乏长期、系统和可靠的观测资料。与其它系统中的生物体不同的是,河流系统中的生物体本身就生活在水体中。注意到生物体用水研究不可能完全脱离生物栖息和生长环境的现实,在多数情况下针对河流生态用水量的确定都基于这样一个假设,即保护水生生物和植物指示物种所需的水量与保护整个河流生境所需的水量大致相同。这一假设在生态学中容易得到证明,与同样生境中的生物群落特征及结构应该相似的传统认识完全一致。当各类生物体用水的信息不易获得时,上述假设可以在一定程度上暂时回避河流生态用水计算时遇到的困难,而且具有相对充分的生态学理论与实践基础。

水资源开发利用程度的不断提高使得资源用水与生态用水的矛盾日渐突出。美国、法国、澳大利亚等国家都先后开展了许多关于鱼类生长繁殖与河流流量关系的研究,提出了河流最小生态(或生物)流量的概念和计算方法,如湿周法、R2CROSS法以及80年代初提出的河道内流量增加法等。

河道湿周法的主要依据是水力学研究中得到的基本认识。通常,湿周随着河流流量的增大而增加。然而,当湿周超过某临界值后,河流流量的巨幅增加也只能导致湿周的微小变化。注意到这一河流湿周临界值的特殊意义,我们只要保护好作为水生物栖息地的临界湿周区域,也就基本上满足非临界区域水生物栖息保护的最低需求。将河流临界湿周作为水生物栖息地质量指标估算相应河流生态需水量时,所得的流量会受到河道形状的影响。这种方法一般适用于宽浅河道。

R2CROSS法的主要依据同样是水力学中的基础知识,只是按照曼宁公式来确定流量时似乎更加可靠。河流生态需水的确定是基于这样的假设,即浅滩是最临界的河流栖息地类型,保护了浅滩栖息地也将基本保护了其它水生栖息地。对于一般的浅滩式河流栖息地,如果将河流平均深度、平均流速和湿周长度作为反映生物栖息地质量的水力学指标,且在浅滩类型栖息地能够使这些指标保持在相当满意的水平上,则也将足以维护生物体与水生生境健康。

河道内流量增加法主要指IFIM法。该法将大量水文与水化学实测数据与特定水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合,进行流量增加变化对栖息地影响的评价。主要评价指标包括河流中水流流速、最小水深、河床底质、水温、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等。河道内流量增加法并不直接给出特定的流量目标值,除非栖息地保护的标准能够被预先确定。利用河道内流量增加法可以有效地评估水资源开发对下游水生物栖息地的影响。

除上述方法外,还有一些超脱于特定用途的综合型计算方法,如Montana法等。这类方法属于非现场测定类型的标准设定方法,一般具有宏观的定性指导意义。通常,这类方法建议的河流生态用水会根据对生物物种和生境的有利程度给出类似于表1中的若干流量级别(或状态),流量大小也只具—16—[22,23]

有相对意义,在年内的不同阶段可以按照河流年平均流量或其它特征流量的百分比来表示。对于最小河流生态用水,有些国家干脆做出硬性规定。例如,法国规定最小河流生态用水流量不应小于多年平均流量的1/10,即使对多年平均流量大于80m s的河流,最低流量的下限也不得低于多年平均流量的l/20。

表1　河流生态用水等有关环境资源的河流流量状况标准

流量级别及其对生态的有利程度

最大最佳范围极好非常好好中或差差或最小极差

河流生态用水流量

占年平均流量的百分比(10～3月)

20060～10040302010100～10

河流生态用水流量

占年平均流量的百分比(4～9月)

20060～10060504030100～10

3

上述方法的优点是不需要进行专门的生态需水现场测量。对于设有水文站的河流,年平均流量可以从历史资料获得;对于没有水文站的河流,也可通过水文知识间接获得。这类方法可以在优先度不高的河段使用,或者作为其它方法的一种粗略检验。

值得指出的是,河流生态用水与河流水污染防治用水具有相当程度的重叠。总体看来,前者比后者对水量的要求较大,所以前者若能满足,则后者也会基本满足。考虑到有时将两种用水截然划分的必要性和可行性不是十分明显,而且河流生态用水自然不能忽略水质要素,所以在一些条件下可以将问题简化,并将河流生态用水与河流水污染防治用水综合考虑。

3.3　河流输沙用水　河流输沙用水是从中国河流特殊的生态系统考虑而提出的概念。鉴于中国北方的一些多沙河流普遍存在河道径流减少、断流现象增多和洪水威胁加剧的趋势,维持河道水沙平衡的重要性显得日益突出。

河流输沙用水是河流输沙功能的基本要求。河流输沙功能的衰竭将导致河道淤积的加剧和河流系统功能的丧失

[24]

。关于河流输沙用水的讨论,只有在确定的来水来沙状态和确定的输沙目标条件下

才有意义。河流输沙用水不仅随着年内水沙分配特点变化,而且还与河流中的含沙量变化密切相关。因此,研究不同阶段(如洪水期、汛期和非汛期)河流中各河段对应的输沙用水变化特点对于提高输沙效率和水资源利用率具有十分重要的意义。在汛期和洪水期的高含沙水流中,单位泥沙的输沙用水较小、河流输沙效率较高,从提高单位水资源服务的角度出发应该优先满足河流输沙功能的基本要求。这时,河流输沙用水有可能同时兼顾河流生态用水和河流水污染防治用水的要求。相反,在非汛期单位重量泥沙的输沙用水相对较大、河流输沙效率较低,这时应该优先考虑河流生态用水的要求来部分地兼顾河流输沙功能的要求。

河流输沙用水不仅直接影响泥沙输移过程,而且还会影响河床变化过程和河流中污染物的迁移转化过程。因此,在致力于满足输沙相对平衡的同时,还需要考虑水资源利用效率、河床形态优化、泄洪通畅以及其它河流功能的要求。由于生态环境需水量的研究历史较短且过去主要针对西方的少沙河流展开,所以关于河流输沙用水方面值得借鉴的研究成果很少,应该是今后重点的研究问题之一。3.4　河口区生态环境用水量　将河口区生态环境用水量单独列出的主要原因是由于河流在河口段具有许多特殊性。河口区往往是具有重要生态价值的栖息环境和饵料来源,因而其种群数量及生物多样性特征也非常典型。河口区生态环境需水量与径流和潮流双向作用的对比有很大关系。河口区生态环境用水需要同时满足水盐平衡、水热平衡、海岸线进退相对平衡和动植物生境动态平衡。相应地,河口区生态环境需水量的确定受制于径流量、潮流量、河口地形、河相来沙、海相来沙、温度、含盐量、生物量和生物多度等众多因素。河口区生态环境需水量的计算相当复杂,有时甚至连究竟采用什么指标进行计算都难以确定。最为理想的做法是采用营养位较低的饵料(或物种)作为指标,但是要

—17—系统地获得这类资料通常都非常困难,因此退而考虑采用影响生物体环境质量的指标(如温度、含盐量或其它环境指标)进行间接替代的方法十分流行。由于缺乏公认的河口区生态环境需水量确定方法或标准,所以要鉴别河口区生物种群质量、数量变化的原因非常困难。过度的海洋渔业捕捞、海洋水质污染、赤潮、河流水量减少、河水污染、泥沙含量变化都是可能的原因之一。尽管这样,人们仍然结合不同河流的具体情况对维持河口生态赖以生存的环境条件所需的生态环境需水量进行了估算。以黄河为例,国家水产总局在80年代中期对其河口渔业生态环境需水量的评估结果认为

3

[25]

,黄河河口

3

海域鱼虾生长需要黄河每年在4～6月份下泄入海水量60亿m,枯水年需要在4月份下泄20亿m。3.5　河流景观与娱乐环境用水　对于以观赏和娱乐为主要功能的河流水体来说,只要河水能够达到相应的水质标准,河流景观与娱乐环境用水就己经优先满足。对于观赏和娱乐作为部分功能的河流水体而言,由于河流景观与娱乐环境用水的水质要求并不太高,所以水量大小将成为主要指标,可以按照功能目标的要求进行计算。在一定条件下,这部分用水也可能在满足其它功能目标的同时自动满足。

随着河流系统生态环境功能重要性的增加,一些国家正在设法恢复遭到严重破坏的淡水生态和河流系统的自然和文化娱乐功能,河流景观与娱乐环境用水已成为水资源利用的重要组成部分

[17,26]

。在

水资源缺乏的发展中国家,如何从有限的水资源中合理地规划出一定比例的河流景观与娱乐环境用水,将是今后应该注意的研究领域。

4　河流生态环境用水及其阈值的确定原则

河流系统功能需要满足的程度应该由相应的标准来衡量,同时保护目标的实现必须通过一定的水量和水质来体现。河流生态环境需水量是为满足河流系统各项基本功能必需的用水量。河流生态环境用水量应该有一个范围,也应该存在满足各种功能的阈值,当河流系统中水量低于最小需水量或超过最大可能的容纳水量后,河流的某种生态环境功能就会受到影响。上述河流生态环境用水量的各个组成部分,可能在一定的水量范围内相互涵盖(即在一定水量范围内其它功能被同时部分地或全部地满足)。因此,河流生态环境用水量及其阈值需要在综合考虑河流各种功能的基础上确定。

满足单项功能的河流生态环境用水并不能表明其可以满足多种功能的要求。事实上,关于河流生态环境需水量确定标准问题从来都是有争议的。因此,我们的首要任务不是企图给出一个普遍适用的河流生态环境需水量或者阈值,而是从一般意义上归纳出河流生态环境用水及其阈值的确定原则。首先,河流生态环境用水应该按照功能性需求原则确定满足河流各项功能目标的具体用水(或需水)。其次,无论河川径流还是近海潮流都是一年四季不断变化的,因而河流生态环境用水及其阈值的计算必须按照分时段考虑原则对年内不同时段(如洪水期、汛期、非汛期、全年时段等)分别加以讨论。第三,河流生态环境需水量在不同河段也会有很大差别,因此需要按照分河段考虑原则进行考察。第四,在不同的时段或河段,河流各项功能的重要程度有所不同,应该按照主功能优先原则确保河流系统功能主要目标的实现。第五,在满足河流各项基本功能的同时,需要按照水资源利用效率最大化原则谋求增加单位水资源产生的生态环境服务。第六,在满足现状要求的同时,还应按照河道冲淤后效最小化原则限制因当前生态环境用水方式不当对后来的河流系统功能产生的负面影响。第七,河流系统所需满足的各种生命或生境用水具有不同的目标和水平,需要在单项功能目标分析的基础上按照多功能协调原则考虑各种组合的对应结果。第八,河流生态环境用水的确定不乏各方利益、价值观念和决策者水平的影响,实质上属于一个多目标分析与决策的问题,需要按照全河段优化原则进行多目标综合研究。

河流生态环境用水应该是由最小需水量和最大用水量两个阈值(即上限与下限)限定的一系列区间值,在阈值范围内河流生态环境用水量的大小基本上决定了河流系统功能所处的状态。河流生态环境的最小需水量可以由多种方法获得,但是通常比前述十年最枯月平均流量更小的机会不大。河流生态环境的最大用水量同样可以针对不同功能的要求确定,但是一般很少比研究河段所能抵御的洪水流—18—量更大。正确理解河流生态环境需水量和用水量对于河流功能的影响是实现面向生态的水资源开发和利用的基础,也是实现水资源优化配置的重要科学依据。参　考　文　献:

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(下转第26页)

—19—Numericalsimulationofoverflowinsteppedspillway

CHENQun,DAIGuang-qing,LIUHao-wu

1

1

1

(1.CollegeofWaterResourcesandHydropowerSichuanUniversity,Chengdu　610065,China;2.StateKeyHydraulicsLab.ofHighSpeedFlows,SichuanUniversity,Chengdu　610065,China)

Abstract:Thek-εturbulencemodelisappliedtosimulatethecomplicatedturbulentoverflowinthesurfaceofsteppedspillway.Thenon-structuregridisusedtotreattheirregularboundaryandthevolumeoffluidmethod(VOF)forwater-airtwo-phaseflowisintroducedintotheiterationofcalculation.The

curvilinearfreesurface,velocityandpressuredistributionsareobtained.Thecalculatedresultisingoodagreementwiththeexperimentaldata.

Keywords:steppedspillway;k-εturbulencemodel;numericalsimulation;freesurface

(上接第19页)

Onwaterdemandofriverecosystem

NIJin-ren

1,2

,CUIShu-bin,LITian-hong

31,2

,JINLing

1,2

(1.PekingUniversity,Beijing　100871,China;

2.KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciences,MinistryofEducation,Beijing　100871;

3.YellowRiverConservancyCommission,Zhengzhou　450003,China)

Abstract:Areviewoftherecentadvancementintheareaofwaterdemandofriverecosystemispresent-ed.Differentkindsofwaterdemandforecosystemareclassifiedaccordingtotheirbasicfunctionandtar-get.Methodsforcalculatingtheamountofvariouswaterdemandandtheirrelationshiparediscussed.Onthisbasis,principlesfordeterminingthereasonableamountofriverecosystemandcorrespondingthresh-oldareproposed.Itincludestheprinciplefordeterminingthefunctionofwaterdemand,dynamics,sub-section,harmonization,priority,maximizationofefficiency,minimizationofaftereffectandoptimizationforwholeriversection.Keywords:river;waterdemand;ecosystem;functions;threshold;principle

—26—