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黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究

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黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究

生态环境2006,15510461051HTTP//WWWJEESCICOMECOLOGYANDENVIRONMENTEMAILEDITORJEESCICOM基金项目资源环境与地理信息系统北京市重点实验室开放基金项目;国家自然科学基金项目(40272105)作者简介王晓燕(1967-),女,教授,博士,主要从事水资源与水环境方面的研究工作。EMAILCNUWXYSOHUCOM收稿日期20060313黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究王晓燕1,张长春2,魏加华31首都师范大学资源环境与旅游学院,北京100037;2水利部国际经济技术合作交流中心,北京100053;3清华大学水利系,北京100084摘要全流域水量统一调度是缓解黄河断流,维护流域生态环境的重要举措。水量调度效果如何,河口生态环境变化状况是非常重要的衡量指标。文章提出了评价水量调度效果的河口生态环境对比指标,并尝试运用遥感技术、水文数据和调查资料,对比分析了水量调度前后河口三角洲生态环境变化情况。结果表明,黄河水量统一调度后,河口三角洲最小河道生态基流在非汛期基本得到满足,断流现象不再发生,径流入海率和输沙入海量有所增加,淡水湿地面积逐渐增多,物种多样性明显得到改善。这反映出黄河流域水量统一调度后,河口三角洲生态环境正逐步恢复。关键词水量调度;生态环境;遥感;黄河三角洲中图分类号P3331文献标识码A文章编号16722175(2006)05104606黄河对河口生态环境作用明显,黄河水能否满足河口生态基本用水需要,是实现河口生态稳定的基础条件。但20世纪80年代以来,进入河口地区的水量逐年减少19862001年间,距入海口100多KM的利津水文站年实测径流量仅120亿M3,只有多年均值的36,其中1997年利津实测径流量只有18亿M3,而且断流时间越来越长。黄河尾闾来水的减少,造成了三角洲大片淡水湿地长期处于干旱或半干旱状态,致使河口天然淡水湿地萎缩速度加快,典型生境遭到破坏,植被退化或演替中断,大量珍稀保护动物濒临灭绝、生物多样性的保护面临重大威胁。为缓解黄河断流,维护三角洲生态环境,1999年3月起,黄河流域正式实施水量统一调度。水量调度实施效果如何,河口生态环境状况是评价的重要方面。因此,建立河口生态环境评价指标,对河口生态环境进行评价很有必要12,立河口生态环境评价指标的研究正成为研究热点,如孙涛等2提出了河口生态系统健康指标和河口生态系统恢复评价指标;FERREIRA3考虑系统抗干扰能力、水质、沉积特性和营养动力学等方面建立了河口质量综合评价方法;ROY等4通过比较河口结构和功能的关系,对河口健康指标,如溶解氧、物种丰度和物种多样性等进行了研究,认为河口管理应当综合考虑人类活动的生物学和生态学影响。本文主要研究了与水量有关的指标河道最小生态需水量满足程度、断流时间率、径流入海量占年均河道径流量的比例、水质、湿地类型及其面积变化、生物多样性等,并比较分析了流域水量调度前后河口生态环境的变化状况。1河道最小生态需水量满足程度水量调度一方面要促进流域经济的发展,另一方面要解决黄河断流以及断流所引起的生态环境问题。水量统一调度后河口生态需水量是否得到满足是关系河口生态环境能否改善的很重要的方面。河道生态需水量的概念、内涵及计算方法等是研究的热点,目前有大量的研究成果58,在此不再详述。河道最小生态需水量满足程度指河道径流量满足河道最小生态需水量的程度,本文对黄河下游河道最小生态需水量按文献912的计算成果考虑,利津断面生态基流量大致在100M3/S左右,可按100M3/S统计分析利津断面水量统一调度前后河道最小生态需水量满足程度。表1为利津断面水量统一调度前后流量过程和全年水量。表2为按利津断面实测流量大于100M3/S、小于100M3/S和断流三种情况进行统计。流量大于100M3/S表明流量满足河道最小生态需水,小于100M3/S表明基本满足河道最小生态需量,断流表明生态环境受到严重威胁。表3为黄河流域1999年2003年主要水文站来水量。对比表1、表2和表3可看出,从2000年全流域水量统一调度以来,河口全年水量和流量过程发生了变化。在水量统一调度实施前,即使在来水相对较多的时段,如1998年、1999年上半年,黄河利津断面仍然发生了断流;水量统一调度后,即使在来水特别偏枯的时段,如20002002年,利津断面仍保证了最基本的流量,河道没有断流,基本达到河流最小生态流量要求,并且非汛期入海水量明显增加,这有利于河口生态环境的改善。王晓燕等黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究1047表1水量统一调度以来利津断面流量过程和汛期、非汛期及全年水量TABLE1THEDISCHARGEPROCESSINFLOODSEASONANDNONFLOODSEASONANDTHEWATERQUANTITYFORWHOLEYEARATLIJINSECTIONSINCEWATERREGULATION时间流量/M3S1径流量/亿M37月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月6月全年全年19981999869152766165812871811831812710357128336010731999200075222324745117911611513095267752237420556520002001177114103252425274358265240109745242036642001200211820960891454887946945357866370386962820022003929613552490532441310312380310370584118238200320044941518116421022006120614801183104666457454615362311表2河道最小生态需水量满足程度TABLE2THECONTENTEDDEGREEFORMINIMUMECOLOGICALFLUXINWATERCOURSE时间1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC19981021325532371013141772031912314206313158211421619994274246151015152164201092214177232294261912200013188211714264301301615151621910213030200131288231218265301615131829122982226520022472830130312468233130313031200331283130312641615229303130312004312831303130313130313031注A指流量小于100M3/S的天数,B指流量大于100M3/S的天数,C指断流天数。表3黄河流域主要来水站19992003年来水TABLE3THEDISCHARGEINTHEMAINHYDROLOGICALSTATIONOFYELLOWRIVERBASINDURING19992003时间水文站流量/M3S1径流量/亿M31月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年汛期1999唐乃亥15318422528436115302290136085511205532372418714992龙刘区间4574684433751514943225215619211469442062751刘兰区间4395023635938320338028620612270353440272645河龙区间901287816829281064014577671782624974华县26928814045519816050463990221277330038462323河津状头107963913116715472922223627022270646388黑石关358178291305565974261542272852741551004291武陟00000028312494369115783147142117合计4068024482000唐乃亥170157192386440981766743828671358170154407985龙刘区间48246459671069911789893415711969396629191423刘兰区间4249424252179386216617225427214972655238032244河龙区间9725618218010616190763110985918831086华县30937230243510713213817712340315663835542242河津状头8895307715144333282175390300131543315黑石关1241027847976681867011245936186816681360839武陟000000456256145336244849404318合计29906164522001唐乃亥83880211023835764340733651656226311197654833龙刘区间4714954344867381011271663962701328140412534刘兰区间48452419548450160920815725316479358432052072河龙区间39790415334215913221516250133270415华县5385883056274758594419212372239823926151576河津状头1041255368472529058934435920384605421黑石关406418309102973141227237175228284197739231武陟256432508000700357282786882108961300215合计23974133821048生态环境第15卷第5期(2006年9月)同时也可看出,在前4年的统一调度下,由于来水偏枯,进入利津断面的径流量年均只有4875亿M3,仅仅能满足河道不断流的最小生态需水量,距满足生态意义上的河口需水尚有一定差距,这说明在枯水年时,通过合理调度,可以保证河流不断流,但仅能维持生态环境现状,使生态环境不继续恶化。2003年后,进入利津断面的流量发生了较大变化,年径流量达2311亿M3,特别是非汛期河口来水量增幅非常大,这不仅满足了河口最小生态需水量,而且还基本满足了防止河道淤积所需的输沙需水量,这说明在来水量较丰的条件下,通过全流域的合理调度,基本可以满足河口生态环境的需水要求。2断流时间率断流时间率是断流时间占一年总时间的比例,它主要反映河口生态系统的开放性、功能协调性以及河口径流量的时间分配,即反映了生态系统与其他系统交流的能力。在年径流量相同条件下,河口断流时间相对较短时径流量分配相对合理,系统开放性强。若一年中断流时间比在10以内,则系统开放性较好,径流量时间分配合理,若断流时间比大于85,则系统开放性非常差,径流量时间分配极不合理。从黄河流域实行水量统一调度前后断流时间对比上看,1997年全年断流226D,断流时间率为62,1998年断流142D,断流时间率为40,1999年断流42D,断流时间率为12,水量统一调度后,下游河道就没有断流过。可见,水量统一调度实施前,河流系统开放性较差,径流时间分配不合理;水量统一调度后,径流时间分配合理,系统开放性较好,这显然对维持和改善河口生态环境极为有利。3径流量入海率及其输沙量径流量入海率是入海水量与河道径流量之比,它反映河口生态系统中水循环量的相对大小及河口生态系统生物栖息地的规模。该指标主要从生态系统的结构完整性和稳定性两方面评价系统状况。若径流量入海率在10以下,则表明河口生态系统的结构完整性和稳定性较差,若在70以上,表明其结构完整性和稳定性较好。径流量入海率的比较从调度前的1997年开始,以花园口断面的径流量代表河道年均径流量,利津断面的径流量代表入海水量,具体计算结果见表4。从表中可看出,统一调度之后径流量入海率逐步有所提高。2003年、2004年的径流量入海率达到了70以上,反映出河口生态系统的结构完整性和稳定性可以恢复到较好级别。入海水量的变化在河道输沙量方面会有比较明显的体现。图1为利津断面输沙量变化图,从图中可看出,1950年到2000年,输沙入海量总体呈续表3时间水文站流量/M3S1径流量/亿M31月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年汛期2002唐乃亥122138171243300782796400382335200126105265091龙刘区间54856650252717501869998777475283933642543834刘兰区间4749743365595520222118815577765252233231704河龙区间3217102532423725316988879213733201593华县26947739251512325010615687054746721426551074河津状头87107454321845247920733624515864642337黑石关21680889689932928441267417258235201760359武陟175108008651284116927351645153102047合计23872110412003唐乃亥896103148214372514790118014509701540211633龙刘区间27832845539890269311335633640540133213刘兰区间4214036154111412823639935820242523169河龙区间357010060508015028020030035012474华县3683692977827711831464201160110081937469河津状头1181335810711510027010713820714351272黑石关16313520414415823782311658745535433271武陟0693681162199172731762661456141合计4179533911表4水量统一调度前后入海水量之比TABLE4THERATIOOFWATERFLOWINGINTOTHESEABEFOREANDAFTERWATERREGULATION年代花园口/亿M3利津/亿M3入海量占年均河道径流量比例1997142618610131998217910610491999208568360332000165348590292001165546502820021956419021200327271926071200424081983082王晓燕等黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究1049减少趋势,到2000年以后,由于流域水量统一调度,入海水量逐步增加,结果输沙入海量呈增加趋势。表5为黄河下游河道统一调度前后的冲淤状况。从表中可看出,水量统一调度前,下游全河段均淤积,统一调度后,花园口高村河段一直处于冲刷状态,全下游从2003年之后处于冲刷状态。由于输送入海沙量的增加,自2002年后,黄河三角洲的湿地面积开始增长,特别是2004年陆地向大海推进了15KM,在黄河入海口处新增湿地超过667HM2,改善了河口湿地生态系统。4水质状况水质也是反映河口水生态环境状况的重要指标。水质较好,可提高浮游生物和水生生物的生物量。入海口的利津断面,水质主要变化于III类与IV类之间。表6(下页)为黄河利津断面2002年8月到2005年7月水质月变化情况。从表中可看出,自2002年到2005年利津断面水质有变好趋势,符合III类水质的月份增多,2005年17月中有4个月水质均符合III类标准,2004年有8个月水质符合III类标准,2003年有4个月水质符合III类标准。说明水量统一调度以来,河口水质达标的时间增多。当然,水质状况与点源污染的控制排放状况有关。水量调度合理,可以增加河流的自净能力。5湿地类型及其面积湿地类型及其面积也是系统稳定性和抗外界干扰能力的重要指标。如湿地范围的缩小,会使水生动物失去天然的栖息地、产卵场和索饵场;若湿地的原有结构发生改变,会使生物多样性严重丧失和水禽的栖息环境遭到破坏。总之,湿地类型和面积的不稳定变化不仅使得食物链来源被切断,而且由于生存环境的不断恶化(如海水入侵、土壤盐渍化、湿地消失等),会造成生态系统、生物种群和遗传多样性的丧失。因此湿地类型及其面积变化也是非常重要的河口生态环境评价指标。为分析水量调度工作对三角洲湿地的影响,本文利用遥感资料分析了90年代初期到2004年三角洲湿地类型及其面积变化情况。黄河自然断流始于1972年,其中进入90年代断流比较显著,10年中有9年断流。因此选择1992年的遥感影像代表出现显著断流前黄河三角洲湿地状况,1992年之后,连续断流直到1999年全流域开始实行水量统一调度,2000年至今黄河再也没有出现断流过。因此,选择2000年的影像代表断流结束时的湿地状况,2004年的影像代表水量统一调度以后三角洲湿地状况。05101520251950196019701980199020002010年份年输沙量(亿T)利津图1利津断面输沙量变化趋势FIG1VARITIONTRENDSFORTRANSPORTINGSEDIMENTATLIJINSECTION表5水量统一调度后下游河段冲淤量变化TABLE5VARIATIONOFSILTINGANDDISCHARGINGINTHELOWERYELLOWRIVERAFTERWATERREGULATION时间输沙量/亿T河道冲淤量/亿T花园口高村利津花园口高村高村利津花园口利津19973722070164165190635561998549412365137047184199947937919211872872000083511602220325093806132001065708401970183064304620021161230543007068706172003197275369078094172200420124212701041102806911050生态环境第15卷第5期(2006年9月)表7(下页)是依据1992年4月2日、2000年5月2日和2004年5月13日遥感影像图解译的东营市湿地面积变化状况。从表中可看出,三角洲湿地以天然湿地为主,并且在不同年代,即不同水沙条件下,湿地面积变化不同。2000年湿地总面积比1992年少,这说明由于90年代黄河断流比较严重,三角洲湿地处于萎缩状态,而且主要是天然湿地在萎缩,其中萎缩较明显的是滩地、河道湿地。其原因一方面是随着入海水量的减少,输沙入海沙量减少,如1997年入海沙量仅0164亿T,结果导致河口增长速度放慢,而与此同时,三角洲北部的渤海湾和东南部的莱州湾海岸却遭到了海水的侵蚀,从19922000年,黄河三角洲海岸线淤积337KM2,自然蚀退7456KM2,净蚀退4086KM2,除了黄河入海口地区继续淤积以外,三角洲其它岸段都有不同程度的侵蚀后退;另一方面,人类活动如养虾等对滩涂资源的利用也造成了滩涂湿地的减少,这两方面是天然湿地减少的重要原因。至于人工湿地,2000年与1992年相比,则增加了12262KM2,主要是水库和养虾池等的增加。水量统一调度后,三角洲天然湿地面积明显增加,到2004年基本恢复到1992年水平,2004年与1992年相比,虽然滩涂面积没有增加,但芦苇等天然湿地面积明显增加,这表明由于淡水的增加、黄河的不断流等对河口生态环境起到了较大的改善作用,同时,由于入海水量、沙量的增加,导致河口延伸,新增湿地面积与2000年相比增加了34KM2。人工湿地基本没有增长,与2000年相比,稍有增加,主要是修了几个水库。总之,从湿地类型分布及面积变化上看,由于水量统一调度,保证了河口最基本的生态需水量,湿地萎缩的趋势得到了遏制,到2004年时已恢复到1992年建立保护区时的状况,而且调水以来,河口新生了大片淡水湿地,这为林、灌、草木的生长、湿地生态环境的恢复、湿地植被的正向演替创造了较好的条件。6生物多样性生物多样性反映了生态系统的稳定性和河口生态系统生物循环状况。据统计,自上世纪70年代,尤其是90年代以来,黄河几乎年年断流,注入河口湿地的水量骤减,由此对黄河三角洲生态环境造成了巨大破坏黄河三角洲湿地萎缩近一半,鱼类减少40,鸟类减少30。1999年黄河水量统一调度以来,黄河实现了连续5年不断流,黄河水生生物的多样性得到了恢复。2003年,多年不见的鸟类重新出现,并由断流前的187种增加到269种;在2004年,保护区内芦苇的面积已增加到了4104HM2;野生珍稀生物比断流前增加了近一倍,达到了459种,比4年前增加近一倍;野生植物达393种;鸟类增加到了283种。从上面一系列数据可以看出,由于实行了水量统一调度,黄河三角洲河口地区生物多样性比断流前明显增加,生态系统稳定性得到增强,系统抗外界干扰的能力增大,生态环境得到明显改善。参考文献1RAPPORTDJONTHETRANSFORMATIONFROMHEALTHYTODEGRADEDAQUATICECOSYSTEMSJAQUATICECOSYSTEMHEALTHANDMANAGEMENT,1999,22971032孙涛,杨志峰河口生态系统恢复评价指标体系研究及其应用J中国环境科学2004,243381384SUNTAO,YANGZHIFENGSTUDIESONTHEEVALUATINGINDEXSYSTEMFOR表6黄河利津断面水质月变化状况TABLE6THEMONTHLYVARIATIONOFWATERQUALITYATLIJINSECTIONINTHEYELLOWRIVER年月流量/M3S1现状水质与上月比较规划水质超标项目200571560Ⅴ↓Ⅲ溶解氧、化学需氧量、石油类6186Ⅲ→Ⅲ5878Ⅲ↑Ⅲ4107Ⅳ→Ⅲ石油类3200Ⅳ↓Ⅲ氨氮2256Ⅲ→Ⅲ1318Ⅲ→Ⅲ200412212Ⅲ→Ⅲ11223Ⅲ→Ⅲ10182Ⅲ→Ⅲ9554Ⅲ↑Ⅲ81320Ⅳ→Ⅲ石油类72640Ⅳ↓Ⅲ石油类6698Ⅲ↑Ⅲ5484Ⅳ→Ⅲ石油类4156Ⅳ↓Ⅲ石油类3265Ⅲ→Ⅲ2356Ⅲ→Ⅲ1634Ⅲ↑Ⅲ2003121150Ⅳ↓Ⅲ化学需氧量、石油类112130Ⅱ↑Ⅲ102820Ⅲ→Ⅲ92770Ⅲ↑Ⅲ8212Ⅳ→Ⅲ石油类7631Ⅳ↓Ⅲ化学需氧量6382Ⅲ→Ⅲ5487Ⅲ↑Ⅲ4287Ⅴ↑Ⅲ总磷3292劣Ⅴ↓Ⅲ氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、总磷2290Ⅴ↑Ⅲ化学需氧量、氨氮、总磷1436劣Ⅴ→Ⅲ化学需氧量、氨氮200212703劣Ⅴ→Ⅲ化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷11587劣Ⅴ→Ⅲ化学需氧量、总磷10461劣Ⅴ↓Ⅲ化学需氧量、总磷9582Ⅳ→Ⅲ非离子氨、氟化物8514Ⅳ→Ⅲ非离子氨注↑表示水质比上月转好,→表示水质与上月持平,↓表示水质比上月转差。王晓燕等黄河水量统一调度实施前后河口三角洲生态环境变化研究1051ESTUARINEECOSYSTEMRESTORATIONANDITSAPPLICATIONCHINAENVIRONMENTALSCIENCE2004,2433813843FERREIRAJGDEVELOPMENTOFANESTUARINEQUALITYINDEXBASEDONKEYPHYSICALANDBIOGEOCHEMICALFEATURESJOCEANANDCOASTALMANAGEMENT,2000,431991224ROYPS,WILLIAMSRJ,JONESAR,ETALSTRUCTUREANDFUNCTIONOFSOUTHEASTAUSTRALIANESTUARIESJESTUARINE,COASTALANDSHELFSCIENCE,2001,5333513845SMAKHTINVULOWFLOWHYDROLOGYARE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