浅谈生态环境需水量的研究动态
发布时间：2015-07-07 11:25
摘要根据国内外不同学者对生态环境需水量的研究资料,归纳分析了国内和国外对生态环境需水量概念的认识和计算方法。
关键词生态环境需水量;计算;研究
1国外研究动态
早期的研究是关于河道枯水流量(low-flow)的研究[1-2],这个时期主要是为了满足河流的航运功能对枯水流量进行研究。随后,由于河流污染问题的出现,开始对最小可接受流量(minimum acceptable flows,mafls)进行研究[3],其最小可接受流量除了满足航运功能外,还要满足排水纳污功能。随着河流受人为因素影响和控制的加强,河流生态系统结构和功能遭到破坏,生态可接受流量范围(ecology acceptable flow regime,eafr)的研究逐渐展开[4],其主要是为了恢复河流生态系统功能,为满足不同的环境要求而进行生态可接受流量范围的研究。
目前,国际上对河流的生态环境需水量使用较为广泛、通用的概念是枯水流量。近10年来,为了促进水文水资源研究,国际之间加强了合作,其中包括对河道枯水流量的研究[5],如frend(flow reg-imes from experimental and net data)行动计划,第一个行动计划由水文组织(institute of hydrology(uk))倡导,并为1985—1988年的国际水文计划方案ⅲ(uneso international hydrological programme-ⅲ)做了部分工作[6]。这个组织包括13个欧洲国家,主要是应用国家水流量(水文)数据库及不同的研究方法,预测河流的洪、枯水流量,分析和研究了欧洲西北部1 350条河流的的枯水流量状况[7]。研究集中在应用水力学参数研究枯水流量与流域河床组成特性之间的关系,以及研究不同频率不同时段年均流量(mean)与最小流量(annual minima)和枯水流量(low-flow)之间的联系等,第1个欧洲frend行动计划采用了西欧国家网络提供的精确的日流量和相应的流域资料数据库。随后,frend行动计划开始向横向(包括东欧国家)和纵向(扩大到大尺度问题、方法问题、枯水流量和洪水流量条件下流域土地利用的变化,水质等问题的研究)的研究方向发展[8-9],其研究的深度和广度不断扩大。
目前,frend组织很快扩展到欧洲及世界其他许多地区和国家,如西非、中非、北非、地中海地区及中亚地区,印度及南亚地区等,最近正在进行的frend行动计划将其研究成果概括在frend报告中[10],最新成果有:北欧地区枯水流量和干旱研究;南非区域水资源和干旱评估方法研究;西非、中非地区雨量减少对枯水流量长期影响研究;枯水流量时间系列与断流分析;地域性生态水文学理论和水资源统一管理的论述等。总之,国际上在水资源领域的合作使得先进的研究技术和手段应用到更多的具有水文数据库的国家和地区,特别是在流域枯水流量的研究方面,显得更为突出。
国外河流生态环境需水量的研究内容概括为:河道流量与鱼类生息环境关系的研究;河道流量、水生生物与do三者之间的关系的研究;水生生物指示物与流量之间的关系研究;水库调度考虑生态环境、生态环境水量的优化分配的研究;生态环境用水与经济用水关系研究等[11-13]。
国外较为通用的研究方法可分为3类[14]:一是传统的流量计算法(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。
(1)标准流量法。一是7q10法[15]。采用90%保证率最枯连续7d的平均水量作为设计值。二是tennant法[16]。是美国目前使用确定河道生态环境需水量的一种方法,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。该法通常在优先度不高的河段研究中作为河道流量推荐值使用,或作为其他方法的一种检验。
(2)水力学法。一是r2cross法[17]。在计算河道流量推荐值时,由河道几何形态决定的水深、河宽、流速等因素必须加以考虑。有4项指标:湿周率、河流宽度、平均水深以及平均流速,具有2个标准,即枯水月、丰水月。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,因此这种方法比标准设定法难以应用。二是湿周法[18]。该法的依据是基于以下假定:即保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周,也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。利用湿周(指水面以下河床横断面的线性长度)作为栖息地的质量指标来估算河道内流量值,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、流量和数据,并以临界的栖息地类型作为河流的其余部分的栖息地指标。河道的形状影响分析结果。该法需要确定湿周与流量之间的关系。这种关系可从多个河道断面的几何尺寸—流量关系实测数据推求,或从单一河道断面一组几何尺寸—流量数据中计算得出。推荐值依据湿周—流量关系曲线中的变化点的位置来确定。
(3)栖息地法。一是ifim(增加法)[19]。ifim(instream flow incremental methology)法是应用比较广泛的计算环境需水量的方法[20],ifim根据现场数据如水深、河流基质类型等,采用phabsim(physical habitat simulation)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,适合于一定流量的主要的水生生物及栖息地。orth等[21]认为由于ifim法所需要的定量化的生物资料的缺乏,使这种方法的应用受到一定的限制。king等[22]指出,传统的ifim法将其重点放在一些河流生物物种的保护,而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个生态系统,由此计算出的推荐流量范围值并不符合整个河流的管理要求。二是casimir法[23]。casimir(computer aided simulation model for instream flow requirements in diverted stream)法是基于现场数据—流量在空间和时间上的变化,采用fst[24]建立水力模型、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。
2国内研究动态
在我国,系统研究生态需水量的工作尚处于起步阶段,对生态环境需水的概念、内涵与外延等没有统一的定义,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阶段。其研究大致可分为3个阶段:一是20世纪70年代末开始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。长江水资源保护科学研究所的《环境用水初步探讨》是其典型代表。二是20世纪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《关于防治水污染技术政策的规定》指出:在水资源规划时,要保证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、如何管理处于探索阶段。三是20世纪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。刘昌明[25]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。
主要的研究成果为:一是对非汛期最小流量、水土保持、冲沙水量等的河流系统的生态环境需水研究。如20世纪80年代赵业安、钱意颖总结了黄河三门峡水库运行对下游河道的影响规律,同时开展黄河上游大型水电工程对下游冲积河流影响的研究,采用实测资料分析的方法研究大型水库对径流泥沙的影响,对每年水库蓄水与中游高含沙洪水遭遇情况进行了深入研究,通过回归分析建立了水库调蓄与下游河道冲淤的相关关系[26-27]。二是对恢复湿地、城市河湖用水及地下水回补等生态和生态环境需水量的研究[28]。三是对西北干旱、半干旱地区生态环境需水量及河道环境的讨论与宏观定量研究[29-30]。四是刘昌明根据水资源开发利用与生态用水量的关系,提出了“四大平衡”的原理[25],即水分能量平衡、水盐平衡、水沙平衡与水量平衡(含水资源平衡),从而丰富了水资源合理开发利用的内涵。五是钱正英等[31]从保护和恢复内陆河下游的天然植被及生态环境、水土保持和水保范围之外的林草植被建设、维持河流水沙平衡及湿地水域等生态环境的基础流量、回补黄淮海平原及其他地方的超采地下水等方面,分析并估算了全国的生态用水。
截至目前,国内生态环境需水研究方法主要集中在陆地和河流2个方面,而陆地生态需水主要指“保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境、水土保持及水保范围之外的林草植被建设[31]所需水量。其研究方法主要针对西北干旱地区进行,综合分析这些研究,不论是天然系统还是人工系统,不论是林地还是草地,计算方法大多为“面积定额法”或“植株定额法”[32],计算方法为传统的水平衡计算理论,因此计算方法比较成熟,一般不存在争议。从大的方面看,河流生态环境需水量主要包括3个方面:河道基本生态、环境需水、输沙需水量和入海量。与之对应的研究方法主要集中在第1个研究方面,如:为达到水环境保护目标,满足河流纳污功能的环境功能设定法;为满足河流基本生态功能,保证不断流的河流基本生态环境需水量计算法、最枯月平均流量法及假设法;为满足河流水量蒸发和渗漏要求的水量补充法等。输沙需水量的计算方法虽然较多,但主要是针对黄河,且大多是从水力学的角度出发进行研究,不便于操作和应用。实现水沙平衡需用的水量究竟如何计算,至今尚未见到令人满意的计算方法或计算结果。入海水量的计算方法基本上是宏观估算,没有定量计算方法。
3参考文献
[1] armbruster j infiltration index useful in estimating low-flow characteristics of drainage basins[j].j res usgs,1976,4(5):533-538.
[2] mcmahon t a,arenas a s of computation of low stream flow [a]//paris in hydrology,1982(36):107.
[3] sheail j.‘historycal development of setting compensation flows’,in gustard[a]//cole a,marshall g d and bayliss b(eds).a study of com-pensation flows in the uk,reprot ute of hydrology,ix(1),1984.
[4] geoffrey e allocation to protect river ecosystem[j].regulated river:research & management,1996(12):353,365.
[5] smakhtin v flow hydrology:a review [j].journal of hydrological,2001(240):147-186.
[6] rend:flow regimes from experimental and network data[m].i:hydr-ological studies;ⅱ:hydrological data,wallingford,uk,1989.
[7] gustard a,gross flow regime s of northern and western europe[a]//friends in hydrology:iahs publication,1989(187):205-212.
[8] friend’al hydrology concepts and models for sustainable water resources management[a].iahs publication,1997:246,363.
[9] riend:flow regimes form international experimental and network data[r].third report:1994—1997,cemgaref,1997:432.
[10] 王西琴,张远,刘昌明.河道生态及环境需水理论探讨[j].自然资源学报,2003(18):240-246.
[11] martin p,andras vation concept for a river ecosystem impacted by flow abstraction in a large postmining area[j].landscape and planning,2000,51(2):165-176.
[12] dakova s,uzunov y,mandadjiev flow-the river’s ecosy-stem limiting factor[j].ecological engineering,2000,16(1):167-174.
[13] willian w.a proposed to coordination of water resources deve-lopment and environmental regulations[j].journal of the american water resou-rces association,1999,35(4):73-89.
[14] jowett i am flow method:a comparison of approach[j].regul-ation rivers:research and management,1997(13):115-127.
[15] boner m c,furland l al treatment and variable effluent quality based on assimilative capacity[j].journal water pollution control filed,1982(54):1408-1416.
关键词生态环境需水量;计算;研究
1国外研究动态
早期的研究是关于河道枯水流量(low-flow)的研究[1-2],这个时期主要是为了满足河流的航运功能对枯水流量进行研究。随后,由于河流污染问题的出现,开始对最小可接受流量(minimum acceptable flows,mafls)进行研究[3],其最小可接受流量除了满足航运功能外,还要满足排水纳污功能。随着河流受人为因素影响和控制的加强,河流生态系统结构和功能遭到破坏,生态可接受流量范围(ecology acceptable flow regime,eafr)的研究逐渐展开[4],其主要是为了恢复河流生态系统功能,为满足不同的环境要求而进行生态可接受流量范围的研究。
目前,国际上对河流的生态环境需水量使用较为广泛、通用的概念是枯水流量。近10年来,为了促进水文水资源研究,国际之间加强了合作,其中包括对河道枯水流量的研究[5],如frend(flow reg-imes from experimental and net data)行动计划,第一个行动计划由水文组织(institute of hydrology(uk))倡导,并为1985—1988年的国际水文计划方案ⅲ(uneso international hydrological programme-ⅲ)做了部分工作[6]。这个组织包括13个欧洲国家,主要是应用国家水流量(水文)数据库及不同的研究方法,预测河流的洪、枯水流量,分析和研究了欧洲西北部1 350条河流的的枯水流量状况[7]。研究集中在应用水力学参数研究枯水流量与流域河床组成特性之间的关系,以及研究不同频率不同时段年均流量(mean)与最小流量(annual minima)和枯水流量(low-flow)之间的联系等,第1个欧洲frend行动计划采用了西欧国家网络提供的精确的日流量和相应的流域资料数据库。随后,frend行动计划开始向横向(包括东欧国家)和纵向(扩大到大尺度问题、方法问题、枯水流量和洪水流量条件下流域土地利用的变化,水质等问题的研究)的研究方向发展[8-9],其研究的深度和广度不断扩大。
目前,frend组织很快扩展到欧洲及世界其他许多地区和国家,如西非、中非、北非、地中海地区及中亚地区,印度及南亚地区等,最近正在进行的frend行动计划将其研究成果概括在frend报告中[10],最新成果有:北欧地区枯水流量和干旱研究;南非区域水资源和干旱评估方法研究;西非、中非地区雨量减少对枯水流量长期影响研究;枯水流量时间系列与断流分析;地域性生态水文学理论和水资源统一管理的论述等。总之,国际上在水资源领域的合作使得先进的研究技术和手段应用到更多的具有水文数据库的国家和地区,特别是在流域枯水流量的研究方面,显得更为突出。
国外河流生态环境需水量的研究内容概括为:河道流量与鱼类生息环境关系的研究;河道流量、水生生物与do三者之间的关系的研究;水生生物指示物与流量之间的关系研究;水库调度考虑生态环境、生态环境水量的优化分配的研究;生态环境用水与经济用水关系研究等[11-13]。
国外较为通用的研究方法可分为3类[14]:一是传统的流量计算法(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。
(1)标准流量法。一是7q10法[15]。采用90%保证率最枯连续7d的平均水量作为设计值。二是tennant法[16]。是美国目前使用确定河道生态环境需水量的一种方法,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。该法通常在优先度不高的河段研究中作为河道流量推荐值使用,或作为其他方法的一种检验。
(2)水力学法。一是r2cross法[17]。在计算河道流量推荐值时,由河道几何形态决定的水深、河宽、流速等因素必须加以考虑。有4项指标:湿周率、河流宽度、平均水深以及平均流速,具有2个标准,即枯水月、丰水月。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,因此这种方法比标准设定法难以应用。二是湿周法[18]。该法的依据是基于以下假定:即保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周,也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。利用湿周(指水面以下河床横断面的线性长度)作为栖息地的质量指标来估算河道内流量值,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、流量和数据,并以临界的栖息地类型作为河流的其余部分的栖息地指标。河道的形状影响分析结果。该法需要确定湿周与流量之间的关系。这种关系可从多个河道断面的几何尺寸—流量关系实测数据推求,或从单一河道断面一组几何尺寸—流量数据中计算得出。推荐值依据湿周—流量关系曲线中的变化点的位置来确定。
(3)栖息地法。一是ifim(增加法)[19]。ifim(instream flow incremental methology)法是应用比较广泛的计算环境需水量的方法[20],ifim根据现场数据如水深、河流基质类型等,采用phabsim(physical habitat simulation)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,适合于一定流量的主要的水生生物及栖息地。orth等[21]认为由于ifim法所需要的定量化的生物资料的缺乏,使这种方法的应用受到一定的限制。king等[22]指出,传统的ifim法将其重点放在一些河流生物物种的保护,而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个生态系统,由此计算出的推荐流量范围值并不符合整个河流的管理要求。二是casimir法[23]。casimir(computer aided simulation model for instream flow requirements in diverted stream)法是基于现场数据—流量在空间和时间上的变化,采用fst[24]建立水力模型、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。
在我国,系统研究生态需水量的工作尚处于起步阶段,对生态环境需水的概念、内涵与外延等没有统一的定义,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阶段。其研究大致可分为3个阶段:一是20世纪70年代末开始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。长江水资源保护科学研究所的《环境用水初步探讨》是其典型代表。二是20世纪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《关于防治水污染技术政策的规定》指出:在水资源规划时,要保证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、如何管理处于探索阶段。三是20世纪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。刘昌明[25]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。
主要的研究成果为:一是对非汛期最小流量、水土保持、冲沙水量等的河流系统的生态环境需水研究。如20世纪80年代赵业安、钱意颖总结了黄河三门峡水库运行对下游河道的影响规律,同时开展黄河上游大型水电工程对下游冲积河流影响的研究,采用实测资料分析的方法研究大型水库对径流泥沙的影响,对每年水库蓄水与中游高含沙洪水遭遇情况进行了深入研究,通过回归分析建立了水库调蓄与下游河道冲淤的相关关系[26-27]。二是对恢复湿地、城市河湖用水及地下水回补等生态和生态环境需水量的研究[28]。三是对西北干旱、半干旱地区生态环境需水量及河道环境的讨论与宏观定量研究[29-30]。四是刘昌明根据水资源开发利用与生态用水量的关系,提出了“四大平衡”的原理[25],即水分能量平衡、水盐平衡、水沙平衡与水量平衡(含水资源平衡),从而丰富了水资源合理开发利用的内涵。五是钱正英等[31]从保护和恢复内陆河下游的天然植被及生态环境、水土保持和水保范围之外的林草植被建设、维持河流水沙平衡及湿地水域等生态环境的基础流量、回补黄淮海平原及其他地方的超采地下水等方面,分析并估算了全国的生态用水。
截至目前,国内生态环境需水研究方法主要集中在陆地和河流2个方面,而陆地生态需水主要指“保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境、水土保持及水保范围之外的林草植被建设[31]所需水量。其研究方法主要针对西北干旱地区进行,综合分析这些研究,不论是天然系统还是人工系统,不论是林地还是草地,计算方法大多为“面积定额法”或“植株定额法”[32],计算方法为传统的水平衡计算理论,因此计算方法比较成熟,一般不存在争议。从大的方面看,河流生态环境需水量主要包括3个方面:河道基本生态、环境需水、输沙需水量和入海量。与之对应的研究方法主要集中在第1个研究方面,如:为达到水环境保护目标,满足河流纳污功能的环境功能设定法;为满足河流基本生态功能,保证不断流的河流基本生态环境需水量计算法、最枯月平均流量法及假设法;为满足河流水量蒸发和渗漏要求的水量补充法等。输沙需水量的计算方法虽然较多,但主要是针对黄河,且大多是从水力学的角度出发进行研究,不便于操作和应用。实现水沙平衡需用的水量究竟如何计算,至今尚未见到令人满意的计算方法或计算结果。入海水量的计算方法基本上是宏观估算,没有定量计算方法。
3参考文献
[1] armbruster j infiltration index useful in estimating low-flow characteristics of drainage basins[j].j res usgs,1976,4(5):533-538.
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[5] smakhtin v flow hydrology:a review [j].journal of hydrological,2001(240):147-186.
[6] rend:flow regimes from experimental and network data[m].i:hydr-ological studies;ⅱ:hydrological data,wallingford,uk,1989.
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[8] friend’al hydrology concepts and models for sustainable water resources management[a].iahs publication,1997:246,363.
[9] riend:flow regimes form international experimental and network data[r].third report:1994—1997,cemgaref,1997:432.
[10] 王西琴,张远,刘昌明.河道生态及环境需水理论探讨[j].自然资源学报,2003(18):240-246.
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[15] boner m c,furland l al treatment and variable effluent quality based on assimilative capacity[j].journal water pollution control filed,1982(54):1408-1416.
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