（水文学及水资源专业论文）基于水文变化分析的漓江上游环境流量研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 河流环境流量是水资源配置与河流生态系统健康的重要基础，对于该方面的研究，国 外在理论和计算方法上都已经取得了一定的成果，研究方法上主要分为四种：水文学法、 水力学法、栖息地法及综合法。然而国内对于环境流量的研究尚处于起步阶段。 漓江是国内外著名旅游城市桂林的母亲河，尽管漓江流域降水丰富，但时空分布 不均，使漓江存在典型的水多、水少问题，直接对河流生态系统的生物多样性与完整性构 成了威胁。随着社会经济的不断发展与人民生活质量的日益提高，漓江生态环境质量的改 善已经成为当前国内共同关注的话题，2 0 0 5 年，漓江成为我国第一条水生态系统保护与修 复的试点河流。漓江环境流量的研究对漓江生态系统修复具有重要的参考价值 本文针对漓江上游青狮潭水库建成前以及青狮潭水库为漓江补水前、后三个时段，结 合青狮潭水库的运行，建立、评价了与生态相关的3 3 个水文变化指标，并在此基础上运用 范围变化法( r a n g eo fv a r i a b i l i t ya p p r o a c h ，r v a ) 得出了相应于3 3 个指标的环境流量 适宜范围。结果表明： ( 1 ) 青狮潭水库的建成，使桔水期( 9 月至次年2 月) 9 月和1 0 月的月平均流量有所 减少；汛期( 3 8 月) 除4 月的流量增加外，其它几个月均为减少。自1 9 8 7 年青狮潭水 库为漓江进行补水后，3 月、7 月、9 月、l o 月、1 1 月及1 2 月的月平均流量与建库前较为 接近，即青狮潭水库补水工程对漓江补水后，对由于修建该水库而引起的漓江上游水情变 化有一定的补偿作用。补水后的各水文指标相对于补水前的变化，从整体改变度来看，改 变度为低度；从单个指标来看，2 月平均流量、基流以及低流量脉冲次数等1 1 个水文指标， 改变度为中等，其它2 2 个指标的改变度为低。水文情态的变化会改变栖息地的分布，从而 影响水生生物群落的组织和结构。 ( 2 ) 通过对漓江上游在青狮潭水库建库前、后水情变化的全面分析，推导出接近于建 库前( 即未受影响条件下) 的日流量系列，来计算环境流量。文中确定的环境流量为适宜 环境流量范围，包括3 3 个指标的流量范围。该环境流量范围，从水情的流量、历时、出现 时间、频率及变化速率5 个基本特征进行分析，使计算结果具有合理性，有利于保护河流 生态系统完整性。 关键词：漓江；河流环境流量；河流生态系统；变化范围法( r v a ) ；水文变化指数 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lf l o wo fr i v e ri si m p o r t a n tf o u n d a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o n t h er e s e a r c ho f e n v i r o n m e n t a lf l o wh a sa l r e a d ya c h i e v e ds o m er e s u l t si nt h et h e o r ya n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do u to ft h e c o u n t r y t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fe n v i r o n m e n t a lf l o w b ed i v i d e di n t of o u rc a t e g o r y ：h y d r o l o g i c a l m e t h o d 、h y d r a u l i c sm e t h o d 、h a b i t a tm e t h o da n di n t e g r a t i o nm e t h o d b a tt h er e s e a r c ho nt h i sf i l e di su n d e r w a y i no u rc o u n t r y t h el i j i a n gr i v e ri st h em o t h e rr i v e ro fo u l i n qf a m o u st o u r i s tc i t ya th o m ea n da b r o a d d e s p i t e a b u n d a n tp r e c i p i m t i u ni nt h el i j i a n gr i v e rb a s i n , t h ed i s t r i b u t i o no fs p a c 七a n dt i m ei su n e v e n t h e s ef a c t o r s c 棚】s e t h e t y p i c a l f l o o da n d l o w f l o w p r o b l e m o f l i j i a n g r i v e r , w h i c h p o s e d t h e t h r e a t d i r e c t l y t o t h e e c o s y s t e m b i o d i v e r s i t ya n dt h ei n t e g r i t y a l o n gw i t ht h es o c i a le c o n o m yu n c e a s i n gd e v e l o p m e n ta n dt h el i v e so ft h e p e o p l eq u a l i t yd a i l ye n h a n c e m e n t , i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f 删i a n gr i v e rh a s b e 踟ea t o p i cc o m m o n c o n c e r n e da to u rc o u n t r y i n2 0 0 5 ，l i j i a n gh a sb e c o m et h ef i r s tp i l o tw a t e re c o s y s m m p r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o nr i v e ri nc h i n a r i v e re n v i r o n m e n t a l f l o ws t u d yo fl i j i a n gr i v e rh a si m p o r t a n t s c i e n t i f i cv a l u ef o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h el i j i a n gr i v e r sh y d r o l o g i c a la l t e r a t i o no f t h et h r e ep e r i o do f t i m e , t h a ti s , b e f o r e a n da f t e rt h eq i n g s h i t a n gr e s e r v o i rc o n s t r u c t i o na n da f t e rt h es u p p l i e df r o mq i n g s h i t a n gr e s e r v o i r b a s e do nt h e e v a l u a t i n gt h e3 3i n d i c a t o r so fh y d r o l o g i ca l t e r a t i o ne c o l o g i c a lc o r r e l a t i v e l y ，u s et h er a n g eo fv a r i a b i l i t y a p p r o a c h ( r v a ) t oc a l c u l a t et h ee n v i r o n m e n t a lf l o wr a n g ec o r r e s p o n dt ot h e3 3i n d i c a t o r s t h er e s u l ti n d i c a t e d t h a t ： ( 1 ) a f t e rt h ec o n s t r u c t i o no fq i n g s h i t a n gr e s e r v o i r , t h el i j i a n gr i v e rm e a f lm o n t h l yf l o wo fs e p t e m b e r a n do c t o b e rd u r i n gd r y a s o n ( f r o ms e p t e m b e rt ot h ef e b r u a r yi nt h en e x ty e a r ) w a si n c r e a s e d , t h el i j i a n g r i v e rm e a nm o n t h l yf l o wd u r i n gf l o o ds 目s o n ( f r o mm a r c ht oa u g u s t ) b e s i d e sa p r i lw a sd e c r e a s e d t h e l i j i a n gr i v e rm e , a nm o n t h l yf l o wo fm a r c h , j u l y ，s e p t e m b e r , o c t o b e r , n o v e m b e ra n dd e c e m b e ra f t e r q i n g s h i t a n gr e s e r v o i rs u p p l i e dw a t l - r e s o u r c ef r o m1 9 8 7w a sa p p r o x i m a t e dt ot h ev a l u eb e f o r et h er e s e r v o i r c o n s f f u c - f i o n t h eq i n g s h i m n gm p l a n i s h i n ge n g i n e e r i n gc 孤c o m p e n s a t , t h eh y d r o l o g i c a la l t e r a t i o no ft h e u p p e rr e a c h e so f l i j i a n gr i v e rc a u s e db yt h ec o n s t r u c t i o no f q i n g s h i t a n gr e s e r v o i ri ns u m ee x t e n t t h ew h o l e h y d r o l o g i c a la l t e n m td e g r e ei sl o w t h ea l t e r a n td e g r e eo f1 1h y d r o l o g i c a li n d i c a t o r s ( f o re x a m p l et h ef e b r u a r y m e a nm o n t h l yf l o w , b a s ef l o w , l o wp u l s ec o u n ta n de t c , ) i sm i d d l e ma l t e r a t i o no ft h eh y d r o l o g i c a lr e g i m e c a l lc h a n g et h ed i s t r i b a t i o no fa q u a t i ch a b i t a t s , a f f e c tt h es 仃u c n i r ea n dc o n s t r u c t i o no fa q u a t i cb i o l o g y c o m m u n i t y ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h eh y d r o l o g i c a la l t e r a t i o n i c t w e c nb e f o r ea n da f t e rt h eq i n g s h i t a n gr e s e r v o i r c o n s t r u c t i o n , g e tt h ed a i l yf l o wd a t aa p p r o x i m a t e dt h en a t i v es t z r e ( p r e - i m p a c t ) f o rc a l c u l a t et h ee n v i r o n m e n t a l f l o w t h ee n v i r o n m e n t a lf l o wr e s u l ti nt h i sa r t i c l ea s s o c i a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n i t u d e ，t i m i n g , f r e q u e n c y , d u r a t i o na n dm t eo f c h a n g e ；i n c l u d et h ef l o wr a n g eo f 3 3i n d i c a t o r sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lf l o wc o m p o n e n t s ， w h i c hc a n p r o t e c tt h er i v e re c o s y s t e mi n t e g r a t e k e yw o r d s ：l i j i a n gr i v e r ；, r i v e r i n ee n v i r o n m e n t a lf l o w ；r i v e r i n ee c o s y s t e m ；r a n g eo fv a r i a b i l i t y a p p r o a c h ；i n d i c a t o r so f h y d r o l o g i ca l t e r a t i o n 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在蒋亚萍副教授指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意 学位论文作者( 签字) ；鬟翌奎拴 签字日期：西! 工山 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：篡必 指导教师签字： 薅王聋 签字日期： 兰1 1 ：! ：! 1 3 桂林工学院硕士学位论文 1 1 研究的意义和目的 第1 章绪论 水文情势是河流、湖泊、水库等自然水体的各水文要素随时问的变化情况，包括水位 随时问的变化，一次洪水的流量过程、一年的流量过程、河川径流量的年内和年际问的变 化等。水文情势是控制河道生境条件、洪泛区及受河流影响的地下水区的主要因素，是构 造生物群多样性的个主要角色i “。维持天然的水文变化对于保护河道的天然生物群和河流 生态系统的完整性十分必要。由于水能开发和防洪抗旱的需要，河流被各种不同型式和规 模的挡水建筑截断，据有关专家统计，世晃上所有河流中修建的水坝超过8 0 0 ，0 0 0 座【2 j ，在 过去的5 0 年中，每天平均修建两座大坝( 高度1 5 m ) 1 3 】。世界上最大的河流中几乎有三 分之：已经由于修建水坝及河道分流而被分段，在美国周边国家的河流里，所有河流中仅 有不到2 的河流没有受到影响 4 1 。在我国，截至1 9 8 3 年，七大江河水系上已修建水库7 1 2 8 2 座，总库容达3 2 0 0 亿n ，约为全国多年平均径流量的1 1 8 ，对河流的干扰程度大大超过 了世界上同类自然条件的其他国家和地区 5 1 。这些水利设施的兴建一方面为人类社会经济发 展及生活品质改善带来积极的效益，另一方面却由于改变了河流的水文情势而对河流生态 系统造成不同程度的消积影响，如建坝隔断回游性鱼类的产卵通道，水库蓄水会淹没大片 的产卵区，造成原有河流上回游性鱼类数量的减少，破坏河流的生物多样性。 桂林市是一座具有两千多年历史的文化名城，以其独特的秀丽山水自然风光成为中外 驰名的风景旅游城市，享有“国际旅游明珠”之美誉漓江是桂林市生产、生活主要的取 水水源，也是桂林市旅游业的支柱但由于丰、枯水季节径流量相差悬殊，汛期洪水暴涨 暴落，暴雨洪水成为影响桂林市人民生命财产安全、社会经济发展与社会稳定的心腹之患； 枯水期水资源短缺，给桂林市城市用水、旅游条件和生态环境带来严重影响。漓江上游的 青狮潭水库修建于1 9 5 7 年，为保证枯水期桂林市的生产、生活用水及旅游通航，自1 9 8 7 年起为漓江进行旅游补水，出现了旅游用水与农业用水争水的局面，同时也改变了漓江的 水文情势。鉴于河流水情对河流生态系统起着决定性的作用，因此，以河流流量的天然变 化范围来确定合适的环境流量，对于保护河道的天然生物群和河流生态系统的完整性十分 必要 本文以青狮潭水库建库前以及该水库对漓江补水前、后的水文情势分析为基础，评价 漓江补水对漓江的水文效应，并以接近建库前( 即未受影响条件下) 的流量范围来确定漓 江的环境流量，有利于维持河道的水生生物多样性和保护生态系统功能。同时，本文的分 桂林工学院硕士学位论文 析也可以为漓江上游川江水库、小溶江水库及斧子口水库的建设对漓江产生的水文情势变 化及其生态影响分析提供参考。 1 。2 研究的进展 1 2 1 国外研究进展 国外对河流环境流量的研究，始于2 0 世纪4 0 年代。最初，美国渔业和野生动物保护 组织为避免河流生态系统退化而规定需保持河流最小的生态流量，就此提出了“生态环境 需水流量( w a t e rr e q u i r e df o re c o l o g ya n de n v i r o n m e n t ) ”的概念，并于1 9 7 1 年通过河道内 流量法来确定自然和景观河流的基本流量 6 - 7 1g1 9 7 8 年，美国又进行了第二次全国水资源评 价，此次评价不仅考虑河道外生态用水，而且从鱼和野生生物、游览、水力发电、航运等 对水资源的需求方面估算了河道最小生态流量，认为河道多年平均径流量的3 0 是为大多 数水生生物保持好的栖息条件所推荐的基本流量i s 。欧洲、澳大利亚和南非等国家也在2 0 世纪7 0 年代都开展了许多关于鱼类生长繁殖、产量与河流流量关系的研究，形成了许多计 算和评价方法1 9 。到2 0 世纪8 0 年代初期，河流保护的重点从认识上发生了重大转变，河流 的管理从以改善水质为重点，拓展到河流生态系统的恢复。这是一种战略性的转变，在河 道内流量计算方面形成了较为完善的计算方法，但那时并没有明确地提出环境流量需求的 概念。直到9 0 年代，水资源和生态环境的相关性研究，“环境流量”概念逐渐成为全球关 注的焦点【1 州”。h i l l ，p l a t s & b e s c h t a t 旺1 ( 1 9 9 1 ) 提出确定环境流量应该基于四种流量的考虑： 满足水生生物的基流；维持河道的满河道流量；淹没洪泛区的沿岸流；构造流域的流量( 重 现期2 5 年) 。该方法强调了生态系统是由一个大尺度的水文变化构造形成的，但没有提 及洪水和枯水的历时，也没有评价日流量和季流量变化在维持水生生物时的重要性早期 乃至现在的一些研究中，环境流量评价侧重予维持淡水鱼类的生境，其主要目标是确定一 个可以被河流单个或几个鱼种接受的最小流量，并假设这个保护的目标鱼种数量、生境和 食物资源的流量，能够维持河流生态系统健康l j 3 1 。近年来，r i c h t e r f ”l 等人认为河流情 势变化对河流生态系统具有显著影响，这是因为：第一，河道生态系统的其他许多非生物 因素随着径流特征的不同而不同，包括溶解氧浓度、水温、悬浮物及沉积物的大小、分布 及河床稳定性；第二，从大尺度来讲，河流流量尤其是洪水塑造了河床及洪泛区的地形地 貌；第三，相对于仅有较短时间系列的生态资料而言，河流的长系列日流量更能反映天然 变化及入类近期活动对河流的长期影响因此，根据河流流量的变化，建立反映水文交化 与河流生态系统相关关系的水文变化指标( i n d i c a t o r so f h y d r o l o g i ca l t e r a t i o n , i h a ) ，不仅 能反映短期河流生物调查难以反殃的生态系统质量演变，而且能一定程度地避免复杂的生 2 桂林工学院硕士学位论文 物因素调查过程。因此，运用基于水文变化指标的分析的变化范围法( r a n g eo fv a r i a h i l i t y a p p r o a c h 。r v a ) 能够确定河流环境流量的适宜范围。这种研究方法已经被国际自然保护组 织在多个国家推广使用。 经过多年的研究，在河流环境流量计算方法的研究方面取得了一定的成果。国际上对 于河流环境流量的计算方法一般分为以下四类： ( 1 ) 水文学法。该方法是利用河流过去的流量纪录来推算所需的生态流量如“蒙大 拿法”( t e n n a n 9 1 9 7 6 ) l l l l 是美国确定河道环境流量的一种方法，用该方法计算所得到的环 境流量通常作为推荐值使用，或作为其它方法的一种检验该方法的环境流量通常用日平 均流量或年平均流量来计算，认为年平均流量的1 0 为使大多数水生生物能够存活的最小 瞬时流量；年平均流量的3 0 可以维持良好的栖息地；6 0 1 0 0 的年平均流量提供极好的 栖息地；2 0 0 的年平均流量则为。冲刷流量”该方法最大的不足是没有考虑对河流生态 系统有重要影响的极值流量及该流量的发生时间。 。 变化范围法r v a ( r a n g eo f v a r i a b i l i t y a p p r o a c h ) 是一种能够反映河流流量可变性和生 态相关性的水文学法，在美国、加拿大和南非得到了广泛的应用，在大约3 0 个环境流量评 价项目中被采用。该方法在分析水文变化指标i h a 的基础上，计算未受影响条件下( 如建 水坝前) 时间序列中的流量范围作为环境流量范围。 ( 2 ) 水力学法。该方法是先建立流量与河流断面的水力特性( 如河宽、水深、流速、 湿周等) 间的关系，并以所建立的断面特性来决定河流的环境流量。水力学方法描述了河 道出流断面的不同水力几何学参数。常用的水力学方法有湿周法( w e r e dp e r i m e t e r m e t h o d ) 和r 2 一c r o s s 法。 ( 3 ) 栖息地法。该方法是水力学法的延伸，主要的差异在于河流生态流量的估算是以 满足某神特定生物的需求，如技术较为成熟并且广泛应用的河道内流量增量法( i n s t r e a m f l o wi n c r e m e n t a lm e t h o d o l o g y , i f i m ) ，该方法是由美国水生生物及野生动物服务机构提出 来的例，用河流横断面的水力学分析来评价与流量有关的基本栖息地条件( 如水深、流速 等) ，结合某些水生生物的要求，可以得到描述栖息地的优先曲线，从该曲线上，可以得到 不同流量强度下的可利用栖息地。传统的i f i m 法将其重点放在一些河流生物物种的傈护 上，但没有考虑诸如流域规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统，由此计算出的 环境流量值，并不符合整个流域的管理要求。河流群落栖息地评价与修复概念( r i v e r i n e c o m m u n i t yh a b i t a t a s s e s s m e n t & r e s t o r a t i o nc o n c u r , r c h a r c ) 是i f i m 的另一种变异方法 叫，己被应用于美国的密苏里河，该方法的主要贡献在于承认某一水深和流速在空间上的 分布随着河流形态的改交而改变。 ( 4 ) 综合法这种方法能克服栖息地法仅针对一、二种生物的缺点，强调河流是一个 桂林工学院硕士学位论文 综合生态系统。如a f t h _ i n g t o n 等f 2 2 1 在澳大利亚提出了一种“整体研究法( h o l i s t i c a p p r o a c h ) ” 来计算环境流量。该方法根据流量的四种流量类型( 枯水、主要丰水季节的第一次洪水、 一般洪水及特大洪水) 来确定环境流量，能在一定程度上反映河流流量在时间上的变化， 但不能提供不同流量类型的频率。 1 2 2 国内研究进展 在我国，对河流环境流量的研究还刚刚开始，类似于“环境流量”概念的提法在不同 研究成果中也有出现，但是目前使用较多的是“河道内生态环境需水( e c o l o g i c a la n d e n v i r o n m e n t a lw a t e rr e q u i r e m e n t so fr i v e rc o u r s e ) ”或“河道内最小环境需水( l o w e s t e n v i r o n m e n t a lw a t e rd e m a n d si nr i v e rc o u r s e ) ” 最初的生态需水研究始于2 0 世纪8 0 年代末，在对西北干旱地区的旱地植被生态需水研 究中，汤奇成首次明确提出了生态用水的概念 2 3 1 ，他认为必须在水资源总量中划分出一部 分作为生态用水。1 9 9 3 年由水利部正式将生态环境用水作为环境脆弱地区水资源规划中必 须予以保证的用水类型。2 0 世纪9 0 年代后，随着国际地球圈生物圈计划o o b p ) 和国家“九 五”科技攻关项目有关课题的开展，我国对环境需水的研究逐渐展开1 2 4 1 。李丽娟等( 2 0 0 0 ) 1 2 5 1 以海滦河为例研究了河道生态环境需水，认为河道生态环境需水量包括河流天然和人工 植被耗水量；维持水生生物栖息地、维持河口地区生态平衡、维持河流水沙平衡的输沙入 海、维持河流水盐平衡的需水量；保持河流稀释净化能力、美化景观、调节气候的需水量 以及地下水入渗补给量，文章综合计算了河流基本生态环境需水量、河流输沙排盐需水量 和湖泊洼地生态需水量。王西琴等( 2 0 0 1 ) 【2 6 l 从水污染问题出发，依据托马斯( t h o m a s ) 模 型，确定了以河流稀释和自净作为主要环境功能的河道最小环境需水量的计算方法，并以 黄河支流渭河为例，概算了4 个断面及其干流现状年及不同水文年的河道最小环境需水量， 并将其计算结果与t e n n a n t 法的结果进行了比较，分析了其计算方法的可行性。2 0 0 2 年，倪 晋仁等唧对黄河下游河流的最小生态环境需水量进行了初步的研究，并利用7 q l o 法、 t e n n a n t 法分别对黄河下游四个水文站断面的河流水污染防治需水量、河流生态需水量进行 了计算，最后结合河流输沙需水量得出黄河下游四个水文站断面的最小生态环境需水量。 林剑等嗍( 2 0 0 4 ) 从水质功能达标、保护水生生物栖息地、景观娱乐用水三个角度，计算 出市西河的各类生态环境水量，并取其所需临界流量中最大的一个作为市西河河流生态环 境需水量；同年，罗小兰等1 2 9 1 认为河流生态环境需水量包括三部分：河流基本生态环境需 水量、河流污染防治需水量以及河流蒸发和渗漏需水量，并提出由于南方河流系统与北方 河流系统的生态环境需水内涵不同，应加以区别，并以广西右江生态环境需水为例进行了 计算。2 0 0 5 年桑连海等刖人利用王西琴等所提出的方法对长江下游干流河道内最小环境需 4 桂林工学院硕士学位论文 水量进行了计算：阳书敏等( 2 0 0 5 ) 3 q ，在托马斯( t h o m a s ) 模型分析、演算的基础上，提出了 b o d d o 水质数学模型法来计算南方季节性缺水河流生态环境需水量，并以汉江中下游干 流为例进行了研究。任美庆等( 2 0 0 6 ) 采用t e n n a n t 法进行了湘江最小生态环境需水量的 初步研究；常福宣等嗍( 2 0 0 6 ) 选用t e n n a n t 法、9 0 保证率最小月平均流量法和湿周法3 种方法来计算嘉陵江的河道内生态与环境需水量。 2 0 0 6 年，王权1 3 4 1 在硕士论文中运用水力湿周法第一次研究了漓江的环境流量，给出了 最小环境流量适宜值。同年，张国芳、孙风等译作r d y s o n 等人的著作“f l o w - t h ee s s e n t i a l s o fe n v i r o n m e n t a lf l o w s ”鲫，即环境流量河流的生命一书，认为环境流量对于 河流的健康、经济发展及缓和水资源缺乏起到关键性的支持作用p 日，这将为“环境流量” 在国内的概念统一与深入研究起到推动作用。 1 3 本文的主要内容及研究思路 1 3 1 本文研究的主要内容 本文综合运用水文学及生态学等多门学科的理论和方法，在对漓江上游在青狮潭水库 补水前及补水后两个时间序列段的水情，相对于建库前水情的变化研究的基础上，得到接 近于青狮潭水库建库前的日流量数据，来进行漓江环境流量的计算。具体包括以下几个方 面的内容： ( 1 ) 环境流量与河流生态系统间的相关研究。分析环境流量的概念及其内涵，并讨论 河道生态系统的概念、组成、结构、特征及河道径流与生态系统间的关系； ( 2 ) 研究区的基本概况。包括研究区范围的确定、研究区的自然地理状况以及研究区 的水资源状态； ( 3 ) 分析漓江上游在青狮潭建库前、补水前及补水后三个时间序列段的水情相对变化， 及可能对漓江生态系统产生的影响。分析对比研究区在青狮潭水库补水前、后的水情相 对建库前的变化；用3 3 个水文变化指标( i h a ) 分析漓江上游在补水前、后的水情变化， 计算其水文改变度，以了解补水前、补水后的水文情势，同时分析了这些水文情势可能对 河流生态系统产生的影响，分析的结果为环境流量的确定提供依据，并且为修建其它水库 后可能对漓江的生态系统产生的影响评价提供参考； ( 4 ) 用r v a 法确定研究区的环境流量。在分析研究区水文情势变化的基本上，采用 r v a 法，用与建库前的水情相接近的补水前或补水后的日流量数据来计算研究区的环境流 量 5 桂林工学院硕士学位论文 1 3 2 本文的研究思路 本文的研究思路主要包括以下几个过程( 参见图1 1 ) ： 相关的理论 研究 收集相关的 数据、资料 水文情势 分析 分析方法 研究的目标 图1 1 环境流量分析流程图 6 桂林工学院硕士学位论文 第2 章河流环境流量及其r v a 研究方法 2 1 环境流量的概念 环境流量评价学科是一个正在发展中的涉及水文水力、生物、物理作用、地貌以及水 化学的科学。但是目前在国内外对于环境流量，它都没有统一的概念，亦缺乏明确的定义。 在中国水利酉科全书环境水利分册中0 7 1 ，认为环境流量是水利规划、设计、管理 中有关环境用水要求的指标。环境流量是根据用水对象的不同情况确定例如，改善河流 水质的流量，通常结合城市或区域水污染综合防治规划研究，通过不同治理方案的经济与 技术比较，综合考虑确定；维持鱼类正常产卵繁殖的流量，按不同时期不同鱼类对水深、 水温、流速和水位涨落变化的要求确定；美化环境酶流量，对于水库、湖泊，应维持必要 的水域面积，并保证水库坝下河道有一定的水深，以利于游览和通航；对于城市，则可根 据地区气候条件，满足苗木或新栽树木、草坪的用水以及河湖还清用水等。 根据澳大利亚的法案管理( a c tg o v e r n m e n t ) l “，河流的环境流量是指维持栖息地( 包 括河道几何形状和底土层) 所必需的水量，促使动物群落迁移到种群稀少的河段产卵，使生 物演替及多样性能够得到保证，并在河流系统中保持理想的营养级结构。该法案管理在2 0 0 6 年将环境流量概念简化 3 9 1 ，将环境流量定义为维持河道内水生生态系统的必需水量。 美国的环境流量委员会( 珏ei n s t r e a mf l o wc o u n c i l ，l f c ) 刚认为河流环境流量就是 河道中为了保护河流的生态健康而规定的年际及年内的流量。 e r i cs 。h e r s hi i l 认为河流环境流量的定义应该是满足以下几个方面的水量：( 1 ) 使 河流系统达到某种条件而预留或释放进入河道中的水量；( 2 ) 保护濒临灭绝的物种；( 3 ) 健康的生态系统；( 4 ) 输送沉积物；( 5 ) 经济鱼类的产量：( 6 ) 流入港弯及河口的淡水水 量；( 7 ) 河流自净 总结以上定义，河流环境流量即为维持河道内生态系统完整性必需的水量。理解这个 概念需要对河道生态系统的概念、结构及其生态功能有充分的认知。 2 2 河流生态系统 2 2 1 河流生态系统的概念 在一定范围内由生物群落中的一切有机体与其环境组成的具有一定功能的综合统一体 称为生态系统，是一个相互进行物质和能量交换的生物与非生物部分构成的相对稳定的系 7 桂林工学院硕士学位论文 统，它是生物与环境之间构成的一个功能整体，任何生态系统都是由两部分组成的，即生 物部分( 生物群落) 和非生物部分( 环境因素) 1 4 2 i 。 河流生态系统是指河道内淡水生态系统，也就是河道内以径流为介质的淡水生态系统。 河道生态系统的显著特征是以河流淡水作为生物的栖息环境它同样由生物和非生物环境 两部分组成：非生物环境概括为气候、河道径流与河床：气候条件包括温度、光照及其他 物理因素；河床包括河床土壤与河床形态。河流生态系统是气候、径流、河床及生物组成 的有机整体。这四部分在河流生态系统中发挥着各自的作用，相互之间又产生着影响 4 3 】 2 2 2 河流生态系统的结构 生态系统的结构是指构成生态系统的要素及其时、空分布和物质、能量循环转移的路 径陶。河流生态系统包括干流及各级支流、湖泊和水库等，呈网络状。 ( 1 ) 河流生态系统结构的空间特征 河流是一个完整的连续体，从空间上来看，河流系统具有三维特征，即纵向、横向、 垂直方向 纵向的结构指的是由于河流径流从上游至下游、从支流到千流的连续流动，形成了径 流在纵向上分布的连续性，即为河流的连通性，连通性是评判河流空间连续性的依据，高 度连通性的河流对物质和能量的循环流动以及动物和植物的运动等非常重要。 横向结构主要指的是河流横跨方向与洪泛平原之间的关系。在洪水期，河流洪水漫溢 出岸，淹没洪泛区平原。在枯水期，洪泛区平原的水量排入河流。这样形成了径流在横向 上的交换。这种横向交换形成的河岸植被，对调节水温、光线、渗漏、侵蚀和营养输送起 着重要作用，可以净化来自河岸的污染物。 垂向结构指的是河流径流和地下水发生着垂直方向的联系。在洪水期河水补给地下水， 枯水期地下水补给河水。这种交换不仅在丰水期减少了下游地区的洪水量，更重要的是在 枯水期增加了河流流量，使得河流水生物在枯水期能够正常生活。 ( 2 ) 河流生态系统结构的时间特征 这指的是河流生态系统结构随时间发生变化。在天然条件下，河流生态系统总是自动 向物种多样性、结构复杂化和功能完善化的方向演替，从而导致系统的结构和构成要素， 均随时间的推移而变化而表现出动态性。但同时由于河流生态系统结构和功能相对稳定， 物质与能量输入输出接近平衡，在外来干扰下，通过自调控，能恢复到初始的稳定状态， 使河流处于平衡状态嗍。 ( 3 ) 河流内的生物组成 河流内生物主要包括；藻类、浮游植物、浮游动物、大型水生植物、底栖动物和鱼类。 8 桂林工学院硕士学位论文 般情况下，鱼类是水生态系统中的顶级群落。受着环境因子的影响，鱼类会产生各种变 化，适应环境，鱼类种群的稳定是水生态系统稳定的标志m 1 。因此，在研究环境流量时， 鱼类可以作为水生态系统稳定的指示物。 2 2 3 河流生态系统的功能 根据河流生态系统的结构特征，河流的生态功能包括：栖息地功能、通道作用、过滤 作用、屏蔽作用、源汇功能等方面嗍。 ( i ) 栖息地功能。栖息地是植物和动物( 包括人类) 能够正常的生活、生长、觅食、 繁殖以及进行生命循环周期中其它的重要组成部分的区域。河流一般包括两种基本类型的 栖息地结构：内部栖息地和边缘栖息地。内部栖息地相对来说是更稳定的环境，生态系统 可能会在较长的时期仍然保持着相对稳定的状态。边缘栖息地处于高度变化的环境梯度之 中，比内部栖息地环境中有着更多样的物种构成和个体数量，相当于对其内部地区起到了 过滤器的作用。边缘地区也是维持着大量动物和植物群系变化多样性的地区。通过这两种 河流栖息地，水生生物进行生活、觅食、饮水、繁殖以及形成重要的生物群落。 ( 2 ) 通道作用。通道功能作用是指河流系统可以作为能量、物质和生物流动的通路。 河流既可以作为横向通道也可以作为纵向通道，生物和非生物物质向各个方向移动和运动。 水生动物产卵通道及迁移通道。使水生生物能到达产卵区，同时，对于迁徙性野生 动物和运动频繁的野生动物来说，河流既是栖息地同时又是通道。 物质输送通道。这表现在两个方面：第一方面，使有机物物质和营养成分从高处漫 滩流入低洼的漫滩而进入河流系统内的溪流，为河流内提供了营养物质输入；另一方面， 结构合理的河流会优化沉积物进入河流的时间和供应量，以达到改善沉积物输移的目的。 植物分布和植物在新的地区扎根生长的重要通道。流动的水体可以长距离的输移和 沉积植物种子；在洪水泛滥时期，一些成熟的植物可能也会连根拔起、重新移位，并且会 在新的地区重新沉积下来存活生长野生动物也会在整个河流系统内的各个部分通过摄食 植物种子或是携带植物种子而造成植物的重新分布。 以多种形式成为能量流动的通道。河流水流的重力势能不断的雕刻流域的形态。河 流可以充分的调节太阳光照的能量和热量。 ( 3 ) 过滤和屏障作用 河流屏障作用是阻止能量、物质和生物运动的发生，或是起到过滤器的作用，允许能 量、物质和生物选择性的通过。河流作为过滤器和屏障作用可以减少水体污染、最大程度 的减少沉积物转移，常提供一个与土地利用、植物群落以及一些运动很少的野生动物之间 的自然边界。 9 桂林工学院硕士学位论文 ( 4 ) 源汇作用 源作用是为其周围流域提供了生物、能量和物质。汇的作用不断的从周围流域中吸收 生物、能量和物质。河岸一般通常是作为“源”向河流中供给泥沙沉积物。当洪水在河岸 处沉积新的泥沙沉积物时它们又起到“汇”的作用。 2 3 环境流量的特征 根据河流生态系统的基本特征，要维持河流生态系统完整性，环境流量具有对问性、 空间性及阈值性。 2 3 1 时间性 河流环境流量的时间性通过径流过程来表现，体现在流量的确定性和流量的随机性 环境流量的确定性主要指的是周期性和趋势性。在天然条件下，径流的趋势是由于气 候的缓慢变化造成的由于气候变化缓慢，在几十年的时间尺度内，可以认为气候是不变 的。绝大多数河流径流以年为周期的持性非常明显。在一年之内，丰水期和枯木期交替出 现，周而复始。这种由于气候造成的周期性，是河流生态系统的重要特征。同样，环境流 量也具有周期性特征，即环境流量在一年之内呈现出丰水期需水量大而枯水期需水量小的 季节特征。 但是，径流过程除受确定性因素影响外，还受到径流形成和演变过程中众多因素的影 响，所有这些影响的无限复杂性和多样性，致使径流过程的变化不断出现各种各样的情况， 表现出随机性的变化特点。径流的年总量表现出显著的随机性，是随机变量。同样，环境 流量的年总量也是随机变量。 ( 2 ) 年内变化特征 径流的年内特征表现为年内径流分布的不均匀性和丰水与枯水出现时间的相对稳定 性。生物利用丰水与枯水的相对稳定性，来完成年内的生活周期。例如，对于美国的蒙大 拿州，鱼类在4 - - 6 月进行产卵，6 - - 9 月是幼鱼的生长期。1 0 月至次年3 月份则是成年鱼 的生活期。径流年内分布的改变，对生物的生活产生重要影响 o i 。 2 3 2 空间性 河流环境流量的空间性与河流生态系统一样，表现在纵向上、在垂向上和在横向上。 ( 1 ) 在纵向上。水流自上游到下游的流动过程中，携带着无机物质和有机物质，形成物 质的纵向分布的连续性由于上游河流坡度大、下游坡度小，形成水流速度在纵向上分布 的连续性。这种在纵向分布上的连续性加上气候条件在上下游相对稳定的分布给生物提供 l o 桂林工学院硕士学位论文 了生存环境，形成了生物在上下游有规律的分布。河流环境流量要满足河流生态系统纵向 上的连续性，必须具有纵向上的连续性。 ( 2 ) 在垂向上。由于河流径流和地下水间存在着垂直方向的联系，让河流径流与河水之 间可以互相补给。但如果大量开采地下水，或者破坏河床，造成地下水位低于河底高程， 从而使河水与地下水的相互补给的双向联系变为河水补给地下水的