（环境科学专业论文）河流生态环境需水量的理论研究及运用——以海河干流为例.pdf

河流生态环境需水量的理论铆究及运用咀海河十流为倒 下游的功能，相应求出各河段的最小生念环境需水量分别为5 2 7 7 1 07 m 3 、5 2 7 7 1 0 7 m 3 、9 7 6 8 1 0 7 m 3 。接着本文探讨了生态环境需水与水生念环境恢复之间 的关系，预测海河干流水生态环境恢复中，在p o = 9 0 保证率情况下，海河干流 基本生态环境需水量为2 5 7m 3 s ，海河干流最小生态环境需水量为5 9 0m 3 s ，海 河干流最大生态环境需水量为4 5 5 3 m 3 ，s 。基于海河干流目前的漕蓄量以及来水 情况，笔者认为海河干流水生态恢复的理想状态是达到1 0 2 7m 3 s 。 本文在结束语部分，就保障海河干流生态环境需水量和海河干流水生态恢复 提出一些参考建议。 关键词：海河：生态环境需水；海河开发；生态恢复； 河i j c 生态环境需水量的理论研究投运用以辫l i 干流为例 t h e o r ya n de n g i n e e r i n ga l p p l i c a t i o no n 、v a t e rd e m a n df o r e c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f ar i v e rs y s t e m a b s t r a c t a sad e v e l o p i n gc o l l n 廿y ，m ee c o e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ) ro fr i v e r si no u rn a t i o ni s n o tl l i 】d e rt 1 1 eo p t i m i z e ds t a _ t i l sd u et o l ev e g e t a t i o nd e s 打o y ，m a n m a d ep o l l u t i o n ，a n d s oo n r i v e ri so n eo fm ei m p o r t a n tc o n s t i t u t e so fe c o e n v i r o i l i n e m ，“j sn e c e s s a r yt o c o n s u m es o m ew a t c rf o rp r o t e c t i n gm ee c o - e n v i r o n m e n to fr i 、岵r ，s u c ha ss i ha n ds a n d t r a n s p o r t a t i o n ，p o l l u t i o nd i l u t i o na i l da q u a t i cc r e a t p r o t e c t i o n b 吖i r o 衄e n t a la i l d e c o l o g i c a lw a t e rr e q l l i r e m e n to fr i v e ri st h eq u a l l t i t ) ro fw a t e rw h i c hi sn e c e s s a r yf o r s a t i s 匆i n gt h eo b j c c to fe c o - e n “r o m e m 啪t e rc o n s u m p t i o nu n d e r t h es p e c m cz o n e a i l dg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n ，t h e 1 a y o u to fe n v i 砌 1 i n e m a l a n d e c o l o g i c a l w a t e r c o n s u m p t i o nc a no f r e rt h es c i e n d f i cb a s i sf o rp l a n n i n ga n dp m t e c t i n go fw a t e r r e s o u r c e so fr i v e rs y s t e m sa n dr c c o v e r i n go fe c o e n v i m 衄e n t h o w e v e r s of h r ，t h e r c a r en od e f 商t ea c c e p t e dd e f i n j t i o n ，u n i f b 衄c a l c u l a t i o nt h e o r y ，c r i t 甜o na 1 1 dm e t h o d s d i 伍；r e me x p e r t sa n dr e s e a r c h e r su s ed i 髓r e n tr e s e a r c h 印p m a c h e s t h ep h e n o m e n o n b r i l l g si n c o n v e n i e n c et ot h ep r a c t i c a lm a n a g e m e n ta n do p e r a t i o n i nt l l i sn l e s i s ，o n 血eb a s eo fm ec o r r e l 撕v ed o c u m e m s ，m eb a c k 铲o u n da 1 1 d s i g n i f j c a i l c e o fw a t e rd e m a l l df o r e c o l o g i c a le n v i r o m e mw e r ea i l a l y z e d ，m e e m e r g c n c ea n dp r o g r e s so f “啪e x p a t i a t e d ，a n dm ee 虹s t i n gp r o b l e m sa i l d d i 街c u l t i e si nm a td o m a i nw e r es w 皿a r i z e d u n d c r 也eg u i d e l i n eo fe c o l o g ys y s t e m a 1 1 ds u g t a i l l a b l ed e v e l o p m e n t ，丘o mt h ea s p e c to fr i v e re c o l o g i c a le n v i m n m e n t ，f o rt h e p u l p o s eo fr e a l i z i i 培m eh 锄o n yo fs o c i e t y n a t u r ea i l de c o n o m yb ys u s t a i n i n g 锄d h a m l o n i z i n gt h es y s t e mf h n c t i o no far i v e rs y s t e m ，an e ww a yt oc o m p u t e l e w a t e r q u 卸t i t yd e m a r l d e db ye c o l o g i c a le n v i m m e mi sb m u g h tf o m l n e x t ，t 1 1 ec o n c e p t 、a s r e v i e w e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n di n n u e n c i n gf k t o r sw e r ea i l a l y z e d ，m ec o n s t i t u t i o n a n dr e s e a r c hr a l l e ew e r ec 0 1 1 f i m e d b ya n a l y z i n gt h ec o u p l m gr e l a t i o n so fa 1 1m e s u b e n t r i e so f w a t e rd e m a n d ，t h et h e o r e t i cc o m p u t a t i o na l g o r i t l l mc a nb eo b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h ec o n 丘m a t i o no fw a t e rd e m 柚dq 咖t i 哆f o re c o l o g i c a l 3 翘浚生态琴麓需求量懿纛毫 硪宠茨运萎l 班海涮”卜滚为稠 e n v i m i 皿e n t ，t a p p r o a c h e sa r ed i s c u s s e d i ti ss t u d i e d 舶mf i v ed i m e n s i o n s ， i n c l u d i n gs p a t i a l “e m p o r a l 砒l d s t r u c t u r e d i f f b r e mc o m p u t a t i o na p p r o a c sa r e s u n 蚰越z e da l l di n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g 伽e i rm e o r i e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a b l er a n g e ， 疑珏疆 躲dp r e c i s i 雠露豫l ，i 弧i 燃稽娃挂c e d 幻w | o 强v 主s # 氇e 撙礤e l 幻蠡童氇en a l 毽f e c o n d i t i o na n di m p r o v et h ep f e c i s i o na n de v e n t u a 王l y 也ea s s o s s m e n ts y s t e mi sb u i n b yu s i n gt h e 仇1 1 1 ko fh a i l l er i v e r a sa 1 1 “鲥l p l o ，a n a l y z i n gr i v e rs y 8 t e m 最m c t i o n s ( e c o s y s t e mf h n c t i o n ，e n v i r o n m e n t 劬c t i o n ，r e s o u r c e sf h l c t i o n ) ，b a s e do n 氆er e e o v e r 主n gw 越e fs y s 把mo fh a 搬。溅五v e bw ec o l i e c lam a s so f 如擐a 酶蠛 姆d f o o g ya 珏do c o l o g y ，c o m b i 蜒矬g 诹e 鞭a i h ed e v e l o 辫l e n tp f o 筝搬n m 洫g ，w em a 酶 s l l r e 1 a tm ew a t e r q u i r e m e n to f也0t l w 血o fh a i h er i v o rs y s t e ma r em a d eo f 妊v e p a r t s ： t h eb a s i ce c o s y s t e me 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 ，e v a p o r a t i o n 、a t e r r e q u i r e m e n t ，d e c o n t a m i n a t i o w a 搬q 娃i r c m e 嫩，e a r f y i n gs 躺d sw a t e rf e q u i r e m e n ta n d l 锺d s e a p ew a 差e r 羚遴鞋i f e m e n 霹璋撑s 毽鹣o fc 痰e 珏l a 专i o 穗臻o w s 氇鲢采p 萨9 溉， 沁 t o t a le n 晡m n m o n t a la i l de c o l o 西c a lw a t e rr e q u i r e m e n to ft h e _ m l n ko fh a i h er i v 材i s a b o u t1 8 5 1 0 8m 3 ，a c c o u n t i n gf o r1 8 3 5 o fn o m a la n n u a lr l l l l o 趣1 9 9 0 2 0 0 0 ) a c c o r d i n gt om ep r o g r 姐m i n g 鼬戚i o no ft h et h f e ep a r t s ，、ef i g u r e o u tt h e e o e s p o n 歪珏g l e 黼 e n v i 舯e n 攮l 魏d 。e o l o g 主c 采 w 鑫主e r 掉q u i 删嘲s ： 5 2 7 7 l o i n 3 ，5 + 2 7 7 1 0 7 m 3 ，9 7 6 8 1 0 7 m 3 t h e w er e s 。a r c h也ef e l a t i o no f e n v i r o n i n c n t a la n de c o l o g i c a l 、v a t e rr e q “r e m e n ta n de c 0 8 y s t e mr e c o v e r i n 舀e s t i m a t e 协a ta tp o = _ 9 0 ，协eb a s i ce c o s y s t e me n v i r o r m l c n t a lw a t e rr c q u i r e m e n to fm et n m ki s 2 。5 7 矗扭，畦诧m i 嫩i s5 9 0m 专s ，l h em a x i m 戳i s4 5 5 3 矗旭a c c o r d 纽gt o 镪e e 躲n tw 采e f 辑s o n 羚et o t a l ，w e 幽i 撞受t h 贰氇ei d e 越s 至栩8 琢精嚣e e o s y 髓鼬f e c o v 蒯n g i sl o 2 7m 3 s i ns 1 1 i m n 艇ms o m es u g g e s t i o n sa n dm e a s l l r e so nw a t e rd e m 趾df o re c o l o 西c a l e n v i f o n m 铷瞳o fr i v c rb a s i na i l de c o s y s t e m r e c o v e n g i s p r o s p e c t e d k 够w 。砖s ：联鑫至融戳v e f ；e e 。l o 委g a 差黼鑫e 毪凇e n 捂1w 鑫俄糟錾i f e m e 嫩； h 掰h er i v ed e v e l o 蝉n g ；e c o s y s t 锄r e c o v e 矗n g 4 _ 1 1 流生态环境需水量的理论研究艘斌用以海洲十流为侧 括从承爨乎衡角度秘生态系统螽凄等都有不鼹疆发静遗震，特利欤生态系统整髂 洼惫菠滋发，舒嚣不弱类鍪系统遘牙嚣承爨诗黪，按照生态系统弱功蕤分类，包 捂黛态功麓、环境功麓的设定等，采臻熬计冀方法香壹接诗算法、阍接推求法等。 1 。3 河流生态环境需水量研究中存在问鼷翻困难的总结和分析 ：i 琏年柬，随着水资源需求的增加，环境保护意识的增强，河流水量配罱已经 引起人们韵重视。一般情况下，重点致力于在干翠季节为维护某一类特定物种栖 息地而保留定的水量。然而，维持最小流墩仅仅是为保护和修复流域水文系统 生辘。对滑流丽占，一年四季河道内的流量变化不定，年际之间也相差很大，河 流，圭物及激露各静生命系统静需承量究竟霭臻多少，以及菜条露漉求域其它方露 懿到豢关系等，对保密多少溪拳考戆滚足备耱强竣隧素黪霉求，往往是各有各豹 冤鳃，缀滚取得致。 1 3 。 概念不统一，定义不完善 该领域的研究多局限在全球政策和法律方面，有关生态环境需水的论文还基 本停留在介绍一些基本的概念或定义。不能正确反映河流系统生态环境需水的要 求，也难以考虑生态环境需水的水资源优化配粼。同时由于对生态环境需水等术 语概念的定义和理解上存在这样和那样的差辩，从而导致的研究方法和计算结果 的不尽耱瓣，给管理和操作带来了诸多不便。 。3 。2 戮究嚣素荤一，磷麦蔻闺不全覆 研究圈素单一，并没有将河流当 乍一个系统遴行综合研究，且多数停留在理 论阶段。从维系生念系统平衡角度，不同的流域生念环境需水量的组成依据地理 位鼹、水资源量和质、时空问分布等有所差别，稀要根据相互制约关系和需维持 的基本生念功能目标及耦合效应确定。 忽略了生态环境需水量是一个具有生态、环境和自然属性的概念，既必须反 映水生态系统的可持续性、水环境系统承受和恢爱能力，又必须反映水生态系统 能维持社会笈展的能力，应该综合考虑自然承体功能、承资源数量、质量积时空 分东懿缝及开发程溺深度、接污、社会发震摹秘技零水平、久娄谖识隶乎窝毒圭会文 竣逐步镣诸多因素确定生态环境嚣东量的大，l 、。 4 州流生态王1 ：境需水量的理论研究发运用以海河十流为倒 为目标，探讨河流最小生念环境需水量的概念、特征、组成成分和计算方法。最 后以海河流域的海河干流三岔口到大沽入海口河段为例进行实例研究，计算出在 p 0 - 9 0 保证率情况下，海河干流在生态环境需水量，并结合海河丌发规划，测 算出海河干流上中下三段的最小生态环境需水量。最后通过分析生态环境需水与 水生态环境恢复之间的关系，给出海河干流水生态恢复的水量推荐值。 1 _ 5 。2 研究内容 研究内容包括理论探讨、方法研究和实例计算三部分。 1 5 2 1 理论探讨 通过回顾我国流域的水环境问题，概述了河流生态环境需水量的产生背景和 意义；在收集整理国内外相关文献资料、掌握前沿的基础上，阐述了河流生态环 境需水量产生和进展；分析和总结了河流生念环境需水量研究进展中存在的问题 ： 和困难；在系统论思想和可持续发展思想的指导下，阐述了“尽最大限度维护和 协调河流系统所承担的系统功能，以流域这一有机整体中的人口、自然和经济三 者协调发展为目标，进行河流的最小生态环境需水量研究和计算”的思路。界定 河流最小生态环境需水量的概念，分析河流生态环境需水量的特征和影响因子， 确定其组成成分和研究范围，研究各需水分项的耦合关系，建立最小河流生态环 境需水总量的理论计算式。 1 5 2 2 方法研究 方法研究方面，收集整理国内外有关各需水分项求解的计算方法和模型，对 比分析其来源、特点、计算方法和适用范围，利用系统论思想研究并建立河流最 小生态环境需水量的计算公式。 1 4 2 3 实例计算 实例计算方面，以海河干流为研究对象，分析海河流域概况和海河干流系统 功能的现状，结合该海河开发各个河段的具体功能，确定海河干流生态环境需水 量的组成成分，选择并修正适宜各需水分项采用的计算方法和模型，给定该河段 的最小生态环境需水量，计算结果的现实意义就是指导海河丌发及海河生态环境 修复的水资源配置，综合分析海河干流的来水量与现状水量，给出海河干流生态 修复的水量的推荐值。 6 河流生态环境需水量的耻论埘了0 搜遂用以海 i 十流为例 住琢境及东环境掰需要豹承量。包括：维护天然稹被，承土骤护及东探范围之羚 憝拣攀禳放建设，保护末生生秘，改善舔零承震，瑟 遗下东，美谨嚣剥。行插 述弭渤墓翅蓬瞿嘤托。 萋；唧襄羹荔囊霪荔囊戆萋囊伊鐾萎萋 盆鹱垂莨哪朝削劐旬甄e 叭掺萝砂西型露靼j 薯i i ，l ；叫j 瑚薹邂 搿荆拼烈萄彬韶割彰妊黝简硝该观念拓宽 了河流生态环境需水量研究范围和深度。 国内有关河流生态需水量的计算研究虽然刚刚起步，但国内一些学者己从早 期的关注河道内生态需水扩展到关注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。一些水资源专家和学者对生态 环境需水的理论和计算方法进行了探讨；刘昌明【l2 】认为生态环境需水量的计算 研究应遵循四大平衡原则，即水热平衡、水盐平衡、水沙平衡、区域水量平衡和 供需平衡。李丽娟【l3 1 分析了河流系统生态环境需水量的组成和内涵，并针对海 滦河流域按基本生态需水、输沙排盐和湖泊沣地生态需水三个部分计算了河流生 态需水量；沈清林等对干旱区生态环境需水组成进行了详尽分析研究；左其亭等 1 1 4 噪用有限容积多箱模型方法对西北干旱地区湖泊生态系统水量进行了研究； 崔保山掣”】探讨了湿地生态环境需水量的内涵、组成和临界值，以水量平衡原 理为基础对计算的指标和理论模型进行研究。 我国关于生态环境需水量的研究主要集中在河流和陆地两个方面。河流生态 环境需水量的计算方法口9 】【3 01 主要有：l o 年最枯月平均流量法，即采用近1 0 年最 枯月平均流量或9 0 保证率河流最枯月平均流量作为河流环境用水；河流基本 生态环境需水量计算法，即以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流 的基本生态环境需水量；以水质目标为约束的生态环境需水量计算方法，它主要 计算污染水质稀释自净的需水量，作为满足环境质量目标约束的城市河段最小流 量；用于河流水面蒸发和渗漏需求的水量补充法、河流输沙水量计算法；环境功 能设定法；计算湖泊生态环境需水量的功能法，以及基于水量平衡原理计算湿地 生念环境需水量的计算及公式。陆地生态需水量，主要是指：“保护和恢复内陆 河流域下游的天然植被、生态环境、水土保持及水保范围之外的林草植被建设需 i l i 流生态王1 、境需水艇的理论研究艘运用以海河十流为倒 态环境功能的标准要求。 2 。2 本文孛生态嚣壤零零毽论醑究静悉路 河流系统1 2 霹 3 q 包括河流及葵褊近的遣，麸工程援本豹角篷卷，河流系统 可以定义为百年一遇的滋泛逸。天然河流系统是一个相对独立的水环境生态系 统。系统内的水量、水质和生物三者相互联系、相互制约，共同构成了河流生态 系统的主体。 2 2 1 河流系统所承担的生态、环境和资源功能 笔者认为，应根据河流的系缝功能规范生态环境需水量的研究内容。周嘲耀 态动爱、环凌功襞窝资源动戆，熬溺2 。l 添示。 瓣2 1 。瓣渡翳绫的功缝 河流系统的生态功能具体体现在河流系统中的水体、洪泛平原和湿地以及河 口地区，是水生、湿生生物理想的栖息地，具有很高的生物多样性，河水及葳泥 沙为它们提供了诱饵和营养物质，使它们能够繁衍生息，这些生物一方巍为人类 提供了丰富的营养物质，目时在隧解污染穆等方瑟也发挥羞 乍焉。生态系绞麓稳 定耪平簿是久类社会可持续发爨懿纂臻帮僳证。 0 河流生态环境需水量的理论研究披运用以海，- 口十流为例 一般系统论的创造始人贝塔朗菲把“系统”的概念定义为“相互作用要素的 综合体“现代科学的各种不同的学科，已逐渐形成相似的一般概念和一般观点。” 因此，笔者拟用系统论的突变性、整体性、层次性、开放性原理来研究在海河干 流生态恢复过程中生态环境需水量。 系统的突变是系统质变的一种基本形式，表明系统通过失稳从一种状态进入 另一种状态，系统的突变主要源于系统内部以及变化中的环境因素，我们一定要 采取措施，防止海河干流生态系统突变，所以必须确定最小生态环境需水量。 钱学森晚：“什么叫系统? 系统就是由许多部分所组成的整体，所以系统的概 念，就是要强调整体是由互相关联、互相制约的各个部分所组成的。”由此可知 整体不是各个部分的简单拼合，而是互相制约、互相关联的各个部分的有机联系。 在研究海河干流生态环境需水量的时候，必须结合整个天津市、整个海河流域， 所谓系统的层次性，是指由于组成系统的诸要素的种种差异，从而形成的 具有质的差异的系统等级。不同的层次具有不同的结构、不同的功能，相对区分 的不同层次之间又是互相联系、互相作用的。海河干流作为海河流域的一个重要 组成部分，我们不仅要结合海河流域、结合天津市来研究，更要对海河干流上中 下游三个河段进行研究。 系统的开放性原理指的是，系统具有不断地与外界环境进行物质、能量、信 息交换的性质和功能，系统论创始人之一拉兹洛曾经指出：“任何一个给定的孤 立系统，随着其内部储存的可用于其组成部分组织化的能量消耗尽，该系统就相 应地走向解体。”因此我们蜣系统向环境开放是系统得以向上发展的前提，也是 系统得以稳定存在的条件。在海河干流生态恢复过程中，充分利用系统开放性的 特点，跨区域配置水资源，可以利用“引黄济津”、“南水北调”的有利时机，解 决海河干流的水生念问题。 2 2 3 河流生态环境需水量理论 2 2 2 1 河流生态环境需水量新理论的形成 河流系统状况与其所在流域的人类、自然、经济的发展息息相关，河流系 统是一个包括人口、自然、经济三个要素相互作用，相互依赖，具有特定结构 和功能的独立生态经济系统。只有建立在人口、自然和经济三个协调发展的原 则上展开生态环境需水的研究，才能达到合理利用水资源，改变不合理的水资 w 流生态环境需水越瞬脞论研究及运用以海 町十流为倒 源利用现状，以达到维持生态持续稳定发展和经济的可持续发展以及缣簿积提 蠢久民生活承乎静基的，实域滚竣垒耋念经济懿良瞧雾垂骂。 河滚系统生态环境翥求鬣瓣内涵瘦该是：在一定貔时空范罄肉，滚足一定 承量、永质和永生生凌要求的静摄下，为维持整个流域的入翻、自然帮缀济三 者的协调均衡发展，河流必须鬻存和消耗的最小流量值。研究生态环境需水量 的正确思路应该是在人口、自然、经济等一系列相互渗透的矛盾统一体的约束 条件下，尽可能使河流的生态效髓、经济效益和社会效益得到协调充分的发挥。 通过学习和理解河流系统生绺环境需水的概念和特征，研究和学习网内外 专家和学者的科研成果，作者认为：河流系统生态环境需水量是一个具谢生态、 环境苇硅自然属性的概念，既反映了水生态系统的可持续性、东环境系绞承受髑 羧复戆力，又反浚了承玺态装绞缝戆专会发震豹憩力，萁鼗量袋楚麓悫鹣， 取决于塞蘩永俸功能、东炎滋数黧、溪薰帮嚣空努鸯将薤及开发捌羯深度、攥 污、社会发展和技术承平、人类认识水平、社会文明进步等诸多邈索。 2 2 2 2 河流生态环境需水量的缀成 根据河流生态环境需水量的特征( 如2 1 2 章节) ，针对设计河流以时段、河 段组成进行划分。根据河流生悫环境需水量的时问特性，划分为丰水期和槠水期 生态环境需水量；空间上进行三维划分：本文基于河流的生态、环境和社会属性， 依据河流所承担的系统功能分析所存的需水分项。觅图2 2 。 嚣滚系统生态耀壤需承 河道外需水 经 济 1 农 田 作 物 需 承 干 璺 年 补 充 塘 堰 需 承 河道内需水 水 耐 蒸 发 需 承 基 杰 生 态 环 境 篱 承 景 观 生 态 需 水 稀 释 自 净 需 水 水 _ 十 保 持 需 求 可 流 输 沙 需 水 i u 流生态习、境需水量的理论研究披运用以海* 十流为侧 2 2 2 3 河流最小生态环境需水量的计算表达式 河流系统作为一个统一的功能实体，二项功能之间并非割裂丌来，而是有着 相辅相成的关系。上述各需水分项之间的关系错综复杂，且有不同的时间空间上 的水量水质需求，总需水量并不是上述各项分量的简单加和，要根据它们之间的 耦合关系来分析确定。存在以下关系： 河流生态环境需水量= 河道内生态环境需水量+ 河道外生态环境需水量( 2 1 ) 河道内生态环境需水量= m a x 基本生态环境需水量十输沙需水十自净需水，景 观需水 十( 蒸发一降水) ( 2 2 ) 河道外生态环境需水量= 人畜需水+ 农林灌溉+ 工业取水一支沟汇水( 2 3 ) 通过以上公式可以计算河流最小的生态环境需水总量。 各需水分项的计算原理及方法在第三章将作详细介绍。 以上计算方法适应于一般河流。河流系统生态环境需水量的组成要根据地区 的特征、河流的特点，河流的主导功能来确定。河流的各项生态环境功能在不同 的时段和河段有着不同的优先程度。当各项功能不能同时满足，而某项功能又明 显占据主导地位的条件下，可以优先考虑河流的主导功能，并且依此来确定相应 的最小需水量。对任何河流而言，河流系统的生态功能具有优先性。 当河流生态环境需水总量得不到满足时，必须调整河流的资源功能和环境功 能以维持河流正常的生态功能。而对于其他的需水要求的优先性和特殊性，必须 根据当地的实际情况予以考虑。如以排沙为主要功能目标的河流，排沙需水要求 为首要考虑因素；以景观娱乐为主的河流，以景观娱乐标准估算需水。而对于海 河干流而占，水质水量都需要考虑。 4 l t 流生态王；f ：境需水量的理论研究艘运用虬海= l i f 干流为例 第三章河流生态环境需水量的方法研究 3 1 河流生态环境需水量的组成和计算方法 3 1 1 河流基本生态环境需水量算 河流基本的生态环境需水量主要用以维持水生生物的正常生长，以及满足部 分的排盐、入渗补给、污染自净等方面的要求。是为维持河流正常的生态功能所 必须蓄存的基本用水量，具有优先满足性，即只有在这部分需水满足的前提下， 才能考虑其他用水要求。 对于常年性河流而言，维持河流的基本生态环境功能不受破坏，就是要求年 内各时段的河川径流量都能维持在一定的水平上，不出现诸如断流等明显导致河 流生态功能破坏的现象。栖息地需水的研究对象集中在水体本身，与水体有直接 联系的“水生态”和“水环境”的用水量。 据t h 锄e 【3 5 在2 0 0 3 年总结，全球有4 4 个不同国家进行河流栖息地需水计 算，所用估计方法达2 0 7 种之多。这些方法可以分为4 类：历史流量法，水力定 额法、栖息地定额法和整体法。本文对这些方法作了简单的归纳，如表3 1 所示。 求解河流系统基本生态环境需水量的四类方法分别具有各自的代表性方法。 其中，历史流量法中较为常用的方法是m o n t a n a 法、7 q l o 法；水力定额法中较 为常用的是湿周法和r 2 c r o s s 法；栖息地定额法中代表性方法为i f i m 法；整 体法中b b m 法为代表性方法。下文对这些方法作概括性介绍。 3 1 1 1m o n t a n a 法 ( 1 )m o n t a n a 【3 叼【3 7 】【3 8 】口9 1 方法来由 m o m a n am e m o d 中文翻译为蒙大拿法，是由田纳特( t e n n a n t d l ) 1 9 7 6 年 提出来的。在1 9 6 4 至1 9 7 4 年间，田纳特等人对美国l l 条河流进行了详细的野 外研究，得出蒙大拿法( m o n t a i l a m e t h o d ) 。他们研究了在不同地区、不同河流、 不同断面、不同流量状态下，物理的、化学的和生物的信息对冷水和暖水鱼的影 响。f 形内特等利用观测得到的数据建立了河宽、平均深度、流速等栖息地参数与 年平均流量的关系( 如图3 1 所示) ，得出以下规律：这些参数在流量从零到年平 均天然径流量的1 0 的范围内变化比其他任何流量范围内的变化都要快。所以 t e l l i l a l l t 推断：河道年平均天然流量的1 0 足保持绝大多数水生物短时间生存所 i i f 流生态环境需水量的理论研究及运用以海w 十流为例 必需的瞬时最低流量。 m o m a n a 法对栖息地质量的描述如表3 2 所示。 4 心 3 j i 舟 蛰5 霎2 _ o 秘 熟。 譬。5 0 0 辘 婚 鞯一 。e 篓 帕薹 辩霹 托毪 船。 蠢 5 8 囊 0 4 0赫1 2 0i 鳓2 棼零鞠瀛萎躺焉壹 图3 ，l 溺漉潺蠹、平均水瀑、 平均流遮与年平均流豢之羁的荚系 ( 2 ) 特点 表3 。2m 伽蝴a 法推荐的纂流标准 浚量值牺 基流标准 息蝰的窆 t 年警均天然漉薰西舒数) 挂描运 一般用末期惫粪产卵骞幼朝 l o 3 ) 月垂9 舄) 鬣太2 0 02 0 0 鼹链流曩 6 6 1 0 06 0 1 0 f 极好 4 06 0 菲篙好 3 85 0 好 2 蛰4 l 两婕退化 1 0 3 0 麓或最，、 1 静j o 柽整 1 0( 1 0 蒙大拿法是依据观测资料而建立起来的流量和栖息地质量之问的经验方法。 只需要历史流量资料，使用简单、方便，容易将计算结果和水资源规划相结合， 具有宏观的指导意义，可以在生态资料缺乏的地区使用。该法不需要现场测量。 在有水文站点的河流，年平均流量的估算可以从历史资料获得；在没有水文站点 的河流，可通过可以接受的水文技术来获得。但由于对河流的实际情况作了过分 简化的处理，没有直接考虑生物的需水和生物问的相互影响，通常用于优先度不 高的河段，或者作为其他方法的，一种检验。在美国，该法通常作为在优先度不 高的河段研究河流流量推荐值使用，或者作为其他方法的一种检验h 1 】f 4 2 】。 运用过程中需注意的是，m o n 切n a 法中的年平均流量为多年平均天然流量。 因此需要对流域水资源的开发情况进行分析。为了获得天然流量，需要将实测资 料进行还原计算【4 3 1 。蒙大拿法作为一种经验方法，在非北美地区运用前需作适 用性分析和检验。在具体计算中应依据具体特定水域的生物栖息地质量标准和季 节对m o m a i l a 法进行修正。 3 1 1 27 q 1 0 法 ( 1 ) 美困的7 q l o 法h 4 。5 2 1 和中国的7 q l o 法 多个国家采用7 q l o 法作为废水处理厂制定排污荷载的参考基准。美国环保 局把7 q - o 定义为“最近十年里连续最枯七天的平均流量值，或者说，采用9 0 * g 流生态环境需水量的理论础 ，0 搜运用以海女4 十流为倒 保证率下连续最枯七天的平均水量”。当制定点源排污可承受荷载量或总计最大 r 平均荷载方案时，要用到7 q l o 法。该法求出的统计流量值常作为河流水污染 防治用水的最小设计值。该法在七十年代传入我国，主要用于计算污染物允许排 放量。由于该标准要求比较高，鉴于我国的经济发展水平比较落后、南北方水资 源情况差别较大的情况，我国在制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法 ( g b 3 8 3 9 8 3 ) 中规定：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【5 3 】。 ( 2 ) 7 q l o 法的计算方法 7 q l o 的计算原理是：根据各年连续7 日最低径流流量( 一年一值) 绘制理论频 率关系分布曲线，以频率为第十个百分点的对应流量值作为7 q l 。o 一般采用的 理论频率分布曲线有两种，一种是正态分布，另种为p e a r s o n i 分布。 p e a r s o n i i i 型分布是水文中应用最为广泛的一种分布形式。在国内往往用于 洪峰流量的模拟。国外研究表明 5 4 【5 5 】：采用p e a r s o n _ i i i 型分布拟合枯期低流 量序列，通过在累积频率曲线上点绘该径流序列的经验频率分布进行对比验证， 经验频率值和累积频率曲线亦相当接近。 p e a r s o n i i i 型分布概率密度函数可以表示为 一生篇等 ， 通过下式可求出相应的形状参数p 、尺度参数t 和位置参数8 ： 声= 阱五= 华舻一鲁b ：， 式中，“为样本均值；s 为标准偏差；c s 为偏态系数。因为p 、丫、为均 值小样本标准差s 、和偏态系数c s 的函数，y ( p ) 为p 的函数，而根据给定年 径流量样本序列可以求出均值l l 、样本标准差s 、和偏态系数c s 。假定总共有n 年年径流量资料 q1 ， q2 ，q3 ，q n 。以流量序列为研究样本，s 和c s 由下列公式求出： = 专黔s；e = 南喜( 竿丁 为了实际应用砘a r s o n i i i 型分布，必须求得累积p e a r s o n i i i 频率曲线。通过 河流生态环境需水量的理论研究及运用以海河千流为倒 物在水塘和水道的水生环境。平均水深是过水断面面积与河流水面宽度的比值。 湿周长是水流与过水断面接触线的长度，满湿周指河流中水位与两岸植被平齐状 态下对应的总湿周长，湿周率指湿周长与满湿周的比值。所有河流的平均流速推 荐采用! 英尺每秒的常数，根据三个水力参数可以推求适宜浅滩式河流栖息地冷 鱼类生存的最小生态流量。起初河流流量推荐值是按年控制的。后来，生物学家 又研究根据鱼的生物学需要和河流的季节性变化分季节制订相应的标准。 ( 2 ) r 2 c r 0 s s 法的计算步骤 a选择在特枯期的某一时间，沿研究河段选择具有表征性的代表断面， 测绘过流断面并实测流速。 b 测量水力坡度 c 生态数据的收集：选择代表性物种的目的是用来表征自然环境的存在。 一般把鱼类和无脊椎类动物当作选择对象。 d利用流速面积法，根据实测断面流速和水道断面面积推求流量，公式： 日一 9 = 孽。= 4 一 扣t e利用曼宁公式反求低水位糙率值。天然河流的水力坡度j 实测可得，对 应的过流面积a 和湿周长x 可以通过天然河道过流断面测绘图上读取，q 由上 一步求得，根据公式( 3 1 2 ) 可以反求n ，公式为： 1 胛= 二一57 3 一27 3 ，。7 2 q f利用公式( 3 1 2 ) ，推求低水位情况下一组水位流量相关数据，确定低水 位流量关系。 g设置一组低水位值，根据过流断面地形图和对应水位流量关系曲线， 试算对应水位下的水面宽、湿周、湿周率、水深值。这些参数是r 2 c r o s s 法所 涉及的水力参数。绘制水面宽流量关系、湿周流量关系、湿周率流 量关系、水深流量关系和流速流量折线图。 h根据上一步的结果选取符合修f 的r 2 c r o s s 法参数标准的一组数 据，由此确定栖息地最小流量推荐值。 ( 3 ) r 2 c r o s s 的特点及适应范围 * 口流生态环境需水量的理论留究致运用一以海河十流为例 河床底质、水温、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等。i f 讧法根据这些指标， 模拟流速变化与生物栖息地类型的关系，通过水力数据和生物学信息的结合，确 定适合于一定流量的主要水生生物及其栖息地类型。 该法结果比较复杂，实施需要大量人力和物力，不适合快速使用。 3 1 1 6 b b m 法 b b m 【6 5 】是b u i l d i n gb l o c km e m o d 的简称，中文译为建立分区法【6 7 】。b b m 法的目的是确定河流、湿地、湖泊的水质和水量标准，保证它们确定保持在一个 预定的状态，这种预定状态包括4 种水平( a d ) 。a 是接近自然状态，d 是接近 人工状态。该法主要是根据专家意见，定义河流流量状态的组成成分，利用这些 成分确定河流的基本特性，这些组成包括干旱年基本流量、正常年基本流量、干 旱年高流量、f 常年高流量等。生态学家和地理学家对河流流速、水深和宽度提 出要求，水文学家根据水文数据尽可能进行功能分析，以保证河流推荐流量可以 得到满足，并且符合河流实际情况。 b b m 法的核心是将河流生态需水量分为基础流量、底质维持流量和维持生 态所需的洪水流量。b b m 法的研究成果提供枯水期和洪水期的基础流量。实施 以b b m 为代表的整体法( 表3 1 有详细介绍) 的关键要素是要有实测的天然时间系 列流量数据( 以同为步长】、跨学科的专家组现场调查、公众参与。 虽然b b m 法能提供较合理准确的结果，但是需要水文学家、水力学家、地 质学家、生物学家和生态学家的通力合作，要综合考虑各个专家的意见，计算的 生态需水量的过程相当复杂，且课题研究的时间和经费有限，更主要的是数据难 以获得，在我国的推广应用受到了一定限制。 3 1 1 7 小结 由于这些方法都建立在一定的假设条件之上，所以在选择具体的计算方法估 算设计流域的河流系统生态需水量时受到很大的制约。这些制约因素包括：设计 河流假设条件得到满足的可能性；从原始河流得出的公式运用到具体某一河流的 可移用程度；对数据和专家的要求；合理的检测和验证方法；方法的易或难操作 性分析。国外的方法应用到我国季节性干旱的半湿润地区有一定的局限性，原因 是不仅我国河流的径流量年内分配不均匀性较国外河流大得多；另外，国外河流 生物栖息地与径流的关系研究较之我国更为深入，有些己比较成熟，水生生物物 舞尝单霉 删，田 搿域舞豁嫂莰拣 罡警掣罪暑 嚣翟坦 r 犁曾馨如螽 翁囊重 删 酃囊删嘏餐 蠢塑墓 k照毒煺栋秸 薷上釜舀商 罐薹 攫瑙 琳g ，寸l 礤蜊槎酶嘏最 聪酶囊瓣。霉 惶盆嚣霹鞘 割毯攫黎雕r 避罨 降趟求挚荽 趟椒酶蠕1 ： 妪职单帷庭蜷 焱翠球舞皿 翅鼎瑕耋滞剐 暖疆誉墨啦懿 ! 翱粹i 馨潍溪艘凶鬻莰 立主r耀穴 狸舞嚣崩祭r 旺 露窖善， 量硬臀蓦 撼 p ( 4 2 ) = o ep( 4 - 3 ) ( 4 2 ) 、( 4 。3 ) 式中，箨名为水西蒸发蓊水黧( 1 0 8 0 ) ；4 为各月平均承蘧瑟积 暖孙露为各胄平均蒸发量( m m ) ；p 为各嚣乎穗簿承美国m ) 。 筵中：尘= 丑 ( 4 4 ) 式中，b 为平均水面宽( m ) ；三为河长( m ) 。 此公式是建立在假设河道水面面积为矩形的基础上，实际上，由于河道的不 规则和蒸发能力随环境条件而变化，因为海河千流全陈7 2 k m ，市区段河宽一般 为1 0 0 m ；东丽区段河床，一般在1 5 0 至2 0 0 m 左右；塘沽段平均宽2 5 0 m ，局部 河段有4 0 0 m 宽，所以这里分三段计算。 计簿结果：a = l o o 1 9 + 1 8 0