（环境科学专业论文）山东沂河李庄闸下泄生态环境流量的研究.pdf

t h es t u d yo fd i s c h a f l o wf or i ns y i h r g e de c o - e n v i r o n m e n t a l el i z h u a n gg a t e h a n d o n g p r o v i n c e a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rs o c i a l - e c o n o m i c ，h u m a nh a db e e n c o n t r o l i n g o fw a t e rr e s o u r c e s t h r o u g h a l a r g e n u m b e ro fw a t e r c o n s e r v a n c yr e g u l a t i o n ， w h i c hm a d et h eh a b i t a t f r a g m e n t a t i o n p h e n o m e n o n r e c o g n i z e d t h e i m p a c t o fh u m a na c t i v i t i e s o nr i v e r e c o s y s t e m s ，c h i n ab e g a nt ot a k et h ea p p r o p r i a t er i v e rr e c o v e r yb e h a v i o r a t t e n d a n tp r o b l e m si sh o wt oc a l c u l a t et h ee c o - e n v i r o n m e n t a lf l o ww i t h t h ep u r p o s et om e e tt h er i v e r se c o l o g i c a lf u n c t i o n s t h i sp a p e ra n a l y s i s e dt h ec o n c e p t ，m e a n i n g ，c a l c u l a t i o nm e t h o da n d s i g n i f i c a n c eo fd a m se c o - e n v i r o n m e n t a lf l o wb a s e do np r o g r e s so ft h e r e s e a r c h ，a n dc h o s et h et e n n a n tm e t h o di m p r o v e da f t e ri nc o n t r a s tt oa v a r i e t yo fe c o e n v i r o n m e n t a lf l o wm e t h o d s t h i sp a p e ra l s oa n a l y s i s e dt h e s t a t eo fe c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n to fy i h el iz h u a n gg a t ei n s h a n d o n g p r o v i n c e ，c a l c u l a t e dt h ee c o - e n v i r o n m e n t a lf l o wb yu s i n gt h ei m p r o v e d t e n n a n tm e t h o d ，a n dv e r i f i e di t s l e g i t i m a c ya n do p e r a b i l i t yw i t ht h e e v a l u a t i o na n da n a l y s i sb ym e t h o d sa n dr e s u l t s t h ep a p e rw a sn o to n l y i m p o r t a n tt o m a i n t a i nt h er i v e re c o e n v i r o n m e n t a l s a f e t y a n d s e c u r i t y y i h el iz h u a n gg a t ed o w n s t r e a m ，b u ta l s o p r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h e d e t e r m i n a t i o no fe c o - e n v i r o n m e n tf l o wf o rs i m i l a rr i v e r s ，i no r d e rt o a c h i e v ear e a s o n a b l eu s eo fw a t e rr e s o u r c e sa n dp r o m o t et h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h eb a s i n t h r o u g ht h er e s e a r c ha b o v e ，t h ec o n c l u s i o n sw a sa sf o l l o w i n g ： e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lf l o w si nd u a l i s t i cw a t e rc y c l eh a dt h e p r o p e r t yo f n a t u r e s o c i e t y ”i n c l u d i n gt h e “e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a l t w op a r t so ft h ec o n n o t a t i o no ff l o w ，w i t ht h ef e a t u r e so ft h r e s h o l dv a l u e ， s p a t i a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dq u a l i t yc o n s i s t e n c y t h i sp a p e ri m p r o v e dt h et e n n n a n tm e t h o da f t e ri nc o n t r a s tt oa v a r i e t yo fe c o e n v i r o n m e n t a lf l o wm e t h o d si nt h ec o n c e p t so fs e a s o n a l h y d r o l o g y a n ds e d i m e n tt r a n s p o r t i m p r o v e m e n t s t h e nd e t e r m i n e dt h e e c o e n v i r o n m e n t a lf l o wo fl i z h u a n gg a t ed i s c h a r g e d ( 9v e r i f i c a t e dt h ei m p r o v e dt e n n a n tm e t h o db yt h e e c o l o g i c a l h y d r a u l i cr a d i u sm e t h o da n dt e nd r i e s tm o n t h sf l o wm e t h o d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t t h er e s u l to ft h e i m p r o v e d m e t h o dc a nm e e tt h e e c o 。e n v i r o n m e n t g o a l si n c l u i n gr i v e r ss e d i m e n t t r a n s p o r t ，e c o l o g i c a l b r e e d i n go ff i s ha n dr i v e rw a t e rq u a l i t yd i l u t i o np u r i f i c a t i o n ( 9e v a l u a t e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ee c o e n v i r o n m e n t a lf l o wb y t h eb i n a r ye v a l u a t i o no fw a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t ym e t h o d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h ee c o - e n v i r o n m e n t a lf l o wc a nm e e tt h ee c o s y s t e m sa n d p u r i f i c a t i o ng o a l so fl iz h u a n gg a t ed o w n s t r e a mw h e t h e ri nq u a n t i t yo r q u a l i t y k e y w o r d s ：r i v e re c o e n v i r o n m e n t a lf l o w ：i m p r o v e dt e n n a n tm e t h o d ；t h e d i s c h a r g e de c o - e n v i r o n m e n t a lf l o wo fg a t e ；b i n a r ye v a l u a t i o no fw a t e r q u a n t i t ya n dq u a l i t y 致谢 经过一年多的辛勤努力，这本凝结着我心血和汗水的毕业论文 终于完稿了。在此，我首先要感谢我的导师熊鸿斌教授，在我研究 生阶段的学习期间，给与我无私的帮助和指导。熊老师渊博的知识、 严谨的态度、求实的作风和高尚的人格使我终身受益。熊老师严于 律己、宽以待人的师长风范给我留下了深刻的印象，他忘我工作的 精神永远是我学习的榜样。在研究生期间，我不仅学到了科研知识， 也学到了为人处世的道理。在论文完成之际，谨向熊老师表达我衷 心的感谢和崇高的敬意，并祝愿熊老师身体健康，工作顺利! 感谢资环学院的所有老师，他们的教导和鼓励使我在研究生学 习中汲取到更多的知识，充实了自己，更懂得做人的道理。 感谢金潇、吴恩丽、吴胜方等共同相处2 年半时间的09 级环 境研究生同学，是他们在2 年半的学习和生活中给与我很多的关怀 和帮助。 最后，衷心感谢我的父母及家人，正是在他们莫大的鼓励和支 持下，我才能顺利完成学业。谨以此论文献给他们，并衷心的祝愿 他们身体健康! 作者：王萍 2 012 年4 月22 日 插图清单 图1 1 技术路线图9 图2 1 生态环境流量示意图1 1 图2 2 二水循环示意图13 图2 3 湿周流量关系曲线15 图2 4 b b m 法流程图17 图3 1 临沂市地理位置图21 图3 2 沂河泗水系示意图22 图3 3 李庄闸工程影响范围河流概化示意图23 图4 一l 李庄闸断面流量频率3l 图4 2 沂河李庄闸断面输沙量与年径流量关系图34 图4 3 传统与改进t e n n a n t 法计算结果对比图35 图5 1 李庄闸河道断面图38 图5 2 各方法计算结果对比图39 图5 3 年内不同用水期下泄生态环境流量月保证率对比图43 插表清单 表1 1 生态环境流量方法优缺点比较7 表2 1 河流生态环境流量状况标准14 表2 2 r 2 c r o ss 法确定最小河道流量标准16 表3 1 采样断面水生生物指数2 4 表3 2 断面生态质量评价汇总2 5 表3 3 沂河主要断面2 0 08 2 0 0 9 年度水质状况统计结果表2 5 表4 1 郯城县年降水量计算成果表2 7 表4 2 与地貌目标相关的流量组成表2 8 表4 。3 河道生态系统需水要求28 表4 4 鱼类需求的最小空间参数表2 9 表4 5 水系重点河段分类30 表4 62 0 0 0 年一2 0 0 9 年沂河部分断面年径流量( 10 s m 3 年) 31 表4 72 0 0 0 2 0 0 9 年沂河李庄闸各月径流量( 10 4 m 3 ) 32 表4 82 0 0 0 2 0 0 9 年沂河李庄闸各年平均流量模数3 2 表4 9 典型年李庄闸各时段平均流量m 3 s 33 表4 10 河流基本生态需水流量状况标准33 表4 1 1 李庄闸时段生态环境流量m 3 s 33 表4 12 沂河临沂站实测含沙量与输沙量统计表3 4 表4 13 李庄闸下泄流量年内分配过程表35 表5 1 鱼类繁殖最小生态环境流量38 表5 2 河流净化需水量39 表5 3 水量水质二元评价参数表4 2 表5 4 沂河李庄闸下泄生态环境流量参数表4 2 表5 3 沂河李庄闸下泄生态环境流量评价结果4 3 第一章绪论 1 1研究背景 1 1 1 我国生态环境问题 我国国土和自然资源丰富，人口数目在世界范围内位居首位。 改革开放前期人们为了追求经济快速发展而大肆破坏自然环境，大 量排放工业有害物质，资源过度开发，垃圾污染等使我国生态破坏 严重，生态环境严重失衡。具体表现为： 水资源枯竭日益明显，水质污染日益恶化：我国水资源南北分 布不均，总体来说可用水资源短缺，干旱地区缺水现象越来越严重。 现有水资源浪费、污染现象严重，河流承载的排放污染物量与日俱 增，威胁人们的生存生活，严重影响了我国的生态可持续发展【1 。2 1 。 水土流失严重，土地荒漠化：我国水土流失调查报告显示我国 水土流失问题严峻，全国现水土流失面积达356 92 万平方公里。 水土流失造成土地资源紧缺，河床上升，容易引发洪水。全国现有 13 个省市和自治区受沙尘暴的影响和侵蚀，土地荒漠化的速度由 16 5o k m 2 a 扩大至24 6o k m 2 a ，造成土地资源紧缺化加剧。以上均 危及人民群众的安全，使经济蒙受巨大损失。 森林资源锐减，草地生态系统退化：国家林业局公布的数据表 明，我国人均林业用地面积占有量仅为世界人均水平的1 5 。目前 虽然我国森林覆盖率在增加，但主要表现为人工林总量增加，而生 态效益高的天然林整体仍呈下降的趋势。同时，我国草地严重退化， 每年草地退化速度为133 20o 万h m 2 ，危害生态系统安全。 1 1 2河流面临的生态环境问题 水资源是国家重要的自然资源，同时也制约着经济的发展。20 世纪开始，人类从河流的开发利用中得到的丰厚的利益回报：利用 水能发电，可以提供能源供给；利用水对农田的灌溉作用，可以引 水灌溉农作物使其大幅增产；河水为航运提供了便利，带动了经济 贸易的发展。在人类享受河流带来的巨大的利益的同时，河流水质 被严重污染，河水干枯，生态系统遭到破坏，多种水生生物灭绝等。 人类所得造成的失却在河流生态环境中表现出来，这些失反过来制 约人类进一步的得【3 1 。 我国现有水资源占世界水资源总量的8 ，人均水资源占有量 仅为世界平均水平的1 4 。预计20 30 年全国用水总量将达到80 00 亿立方米，接近可用水资源8000 90 00 亿立方米的极限，目前我国 有400 多个城市缺水，城市日缺水量16 00 万立方米，影响人们的 正常生活，水资源问题已经成为阻碍我国经济可持续发展的瓶颈。 我国水资源安全问题已经敲响了警钟，包括水质污染、河流功 能退化、水生生态系统破坏严重和部分水生生物灭绝等。水质污染 是我国最严重的河流水环境问题，我国大部分河流都遭受不同程度 的污染，这些污染来自工业、城市废污水、农业面源等污染源；河 流功能退化，缺水地区由于河道天然径流减少，而地区用水量随经 济发展和人v i 的增长迅速增加，造成部分河道断流、地下水位下降、 污染环境、生态系统遭到严重破坏、生物多样性面临严峻的挑战、 部分淡水水生生物已经或者濒临灭绝等危害。 1 1 3闸坝工程对河流的影响 随着社会经济的高速发展，人类对水资源的开发利用程度急剧 提高。人类通过水利工程对许多河流进行人为的水资源调控，同时 大规模的开发利用水资源；另一方面却使这些河流出现了生境破碎 的现象。其中，闸坝建设对河流河道产生了分隔作用，它将河流分 为上游和下游两个部分，不仅改变了河流的水力学特性，同时而且 也同时影响生物栖息与繁殖等过程河道内生物栖息和迁移”】。 闸坝工程使河流水流速度变慢，阻碍了上游水生生物向下游的 迁移；造成河道内泥沙淤积，影响下游水体对污染物的净化能力： 阻断水生生物的回游通道和迁徙路径，影响了河流生态系统的生物 多样性 6 - 7 】。 闸坝的径流调节功能主要考虑人类开发利用的需要，与河流自 身生态系统需求往往存在矛盾，不可避免地对河流生态系统造成伤 害；下泄生态环境流量的改变对河流下游的生态环境影响很大，会 导致河岸侵蚀和岸边生境改变，同时改变水生生物栖息地规模和形 态【8j 。因此，为了维护河流的基本生态功能和环境健康，合理优化 配置水资源，需要考虑生态环境流量，闸坝工程必须考虑下泄生态 环境流量。 认识到人与自然可持续发展的重要性后，人类开始采取相应的 河流恢复行动，以此维持生态系统的和谐，引导生态系统的良性演 进。随之而来的问题是面对河流的水资源短缺及时空分布不均等特 征，要维持河流生态系统健康、满足河段相应的生态功能，如何确 定所需的生态环境流量? 1 2选题意义 人类对水资源的开发和利用加剧了人类生存发展与生态用水 之间的矛盾，生态环境问题层出不穷。如何维持一个河流所必需的 生态环境流量，保障河流生态系统的健康，使河流水量和水质满足 生态系统和环境健康发展的需要，已经成为众多相关学科关注的问 题p j 。闸坝等水利工程对河流水环境和生态系统的影响也成为国内 外水文学和生态环境领域的研究热点。 研究闸坝下泄生态环境流量的意义是防止人类过度开发利用 水资源、挤占闸坝下游河流的生态空间，实现水资源的合理利用和 优化配置，维护河流环境健康和基本生态功能。该类研究对维护河 道的生态环境安全、保障河流用水等方面有重要的指导意义。所以， 无论是从理论基础还是从实际解决方法上对闸坝生态环境流量进 行研究和探讨，都会使生态环境流量得到发展。因此，有必要开展 这方面的研究。 沂河发源自沂源县鲁山南麓，自北向东南，流经临沂至江苏境 内入骆马湖，流域面积约1 7 万k m 2 。目前沂河流域的工业化与城 市化进入加速发展阶段，水资源与人类活动关系趋于紧张，沂河水 系受到的人为干扰较为严重：沂河下游的流域界限被各种河道整治 工程破坏，上游水土流失严重；人类活动将大量污水和废水排入河、 湖、水库，污染水体，加剧水资源的供需矛盾。研究沂河闸坝下泄 生态环境流量能够为流域水资源开发利用和水利工程建设等人类 活动提供科学依据。 本文来源于2o10 年合肥工业大学与山东临沂市沂沭河洪水东 调工程建设管理局合作的横向研究课题“沂河李庄闸下泄生态环境 流量研究报告”。本文在参阅国内外文献和搜集查阅相关资料的基 础上，分析了其概念、内涵、计算方法以及研究意义，在对比各种 生态环境流量计算方法优缺点的基础上选择t e n n a n t 法进行流量 计算，并对t e n n a n t 法提出了改进；对山东沂河李庄闸生态环境现 状进行分析，利用改进的t en n a n t 法计算生态环境流量，并进行方 法和结果的评价分析以验证其合理性和可操作性。本文对保障沂河 李庄闸下游和用水、维护河道的生态环境安全等方面具有重要的指 导意义，同时也为同类河流或闸坝下泄的生态环境流量确定提供参 考，促进流域的可持续发展。 1 3国内外研究进展及趋势 1 3 1相关概念研究进展 对于生态环境流量这一概念，国内外目前尚无统一认识，研究 学者大都根据研究目标及需要保护的功能提出相应定义。生态环境 流量也称“生态需水量”、“最小下泄流量”和“生态基本流量”等，每 种定义都有一定的背景和需求【l0 1 1 】。其中，“生态”和“环境”的含 义和本质是相同的，“生态”本身是表示一种环境状态的意思，一般 意义上的理解“生态”是“环境”的一部分，难以从范围和内涵上严格 界定。国外对环境流量的研究较早，对闸坝的生态环境流量研究主 要集中在闸坝对下游能量和物质运输通量的影响、河道结构形态的 变化、对某种关键指示生物种的影响等【1 2 。16 1 。国内学者关于闸坝 对下游河流生态系统的影响和对其生态环境流量的计算和系统分 析的研究甚少1 7 2 0 1 。 1 3 1 1国外研究进展 国外对生态环境流量的研究最早可追溯到19 世纪，当时为河 道制定最小需要保证的流量以满足航运排水功能。20 世纪40 年代， 美国为发展工业经济，过度开发利用水资源，大量修建水库，造成 水生态环境破坏，鱼类数目减少，引发美国资源管理部门对鱼类生 长繁殖与河流流量之问的关系的关注，为了保护河流生态系统不退 化，首先提出了“最小生态流量”的概念。 c o v i e h 等在研究河流生态问题时提出在进行水资源规划管理时，必 须考虑维持水资源和水生生态系统健康发展所需要的水量【2 。 f a l k e n m a r k 等在研究中提出“绿水”的概念，“绿水”除了为人类 生存发展提供所需要的水量，还应当考虑河流生态过程需要的水量【22 1 。 p o w e l l 等提出环境流量过程模拟应当基于河流历史月径流量与渔 获量的关系，包括洪水周期、频率、深度等组成成分，并采用t e x a s e s t u a r i n em a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ( t x e m p ) 法优化模型，确定了河道 环境流量【2 引。 s m a k h t i n 等选取河道多年月径流量资料建立河流流量过程，并参照 河流生态目标，确定径流基数，就环境流量进行了评价。 n i c h o l a s 等从环境管理的角度，提出采用经济补偿等措施来调节不 同部门的用水需求以满足河流自身的生态流量过程 2 4j 。 国外对闸坝的生态环境流量研究主要集中在水生生物与河道生 态环境流量关系，关于河道内的生态环境流量研究较为成熟。2 0 世纪 9 0 年代以后研究学者对生态环境流量的研究开始扩展到河道外生态需 水，如三角洲、河口、湖泊、湿地等 2 5 - 2 6j 。目前，国外对于河道外生 态系统的环境流量研究还未成熟，且生态环境流量研究的主要目的是 优化水资源配置合理利用水资源，忽略了河流生态系统的完整性。 1 3 1 2国内研究进展 国内关于河流生态环境流量的研究始于2 0 世纪7 0 年代，较多使 用的是“生态需水”、“环境流量”和“河流最小流量”等概念，开始了生态 环境流量的初步探讨。80 年代后期，由于水污染问题日益严峻，国务 院环境保护委员会提出：水资源规划的同时需要保证改善水质和维持 4 水生态系统所需的环境用水。9 0 年代起，一些省市提出水利工程的建 设运行要保证下泄环境流量。由此，生态环境流量逐渐成为水文生态 环境领域的研究热点【2 7 1 。 国内生态环境流量主要是从水量平衡和生态系统稳定的角度进行 研究，并已经取得了一些成果：汤奇成等在对塔里木盆地的水资源和 绿地问题进行分析时第一次提出生态环境用水的概念，使人们对水资 源和生态系统之间的关系有了重新的认识。王芳等探讨了生态需水的 概念，提出生态需水量是“用来恢复和维持生态系统结构稳定、保护河 流生态环境所消耗的水量”【28 。杨志峰等认为，生态环境需水应当从生 态和环境两方面考虑，生态方面的目的是“维持生态系统中生物组成水 分平衡”，环境方面的目的是“满足人类生存发展，改善水环境”，计算 过程中二者都应考虑1 2 9 1 。崔树斌等认为，生态需水量是一个工程学范 畴的概念，是“以保护生物群落稳定和维持栖息地生态环境为目的的需 水量”，与生态环境需水量是基本一致的，计算方法也相似【30 1 。宋进喜 等认为“生态需水实质是用以保证和改善河流生态功能的健康所必需的 水资源数量”1 3 。 研究学者通过对不同类型的生态系统进行研究，以生态系统的生 态环境流量需求为前提，对生态用水量的研究转变为生态环境流量研 究，研究对象也从河流扩展到其他生态系统，研究领域由水库、河流 扩展到流域尺度。 总体来说，国内在生态环境流量方面的研究进展较快。大多数研 究体现在宏观战略方面，研究尚未成熟，对生态环境流量如何进行实 施和管理仍处于探索阶段；对生态环境流量的概念、内涵并没有形成 统一的定义；对闸坝生态环境流量的研究较少，局限于定性分析1 32 1 。 1 3 2计算方法研究进展 河流生态环境流量可根据研究的出发点和研究领域的不同分为河 道内生和河道外生态环境流量两部分。其中河道内生态环境流量的研 究较多，需要考虑河流的生态、输沙、自净、航运和景观等功能【3 引。 1 3 2 1河道内生态环境流量的计算方法 查阅各类文献，总结出河道的生态环境流量的推导主要有以下几 种方法： 1 水文指标法 水文指标法是最简单的，也是典型的生态环境流量计算方法，主 要利用自然的月径流或日径流数据来制定环境流量推荐值。水文指标 法通常是用一个固定百分比的流量，或以查表的方式，用一系列百分 比的流量来表示推荐的生态环境流量值。认为不同的生态环境流量可 5 以把淡水渔业以及重要的生态特征或河流健康维持在不同的可接受的 水平上。例如平均流量的百分率或者天然流量频率曲线上的保证率， 代表方法有t e n n a n t 法、7 q 10 法等。 2 水力学法 19 8 6 年，l o a r 【3 4j 等提出了水力分级法，该方法利用一些简单的水 力学变量，如测量单一的、限制性的河道断面的湿周和最大水深，使 之代替限制生物区的栖息地因子。该法基于这样的假设：在不同的流 量条件下，选取典型的水力参数，确定水力参数( 如河宽、水流流速和 湿周等) 的阈值，然后通过该变量与流量的关系来确定该点对应的生态 环境流量；如果河流流量小于最小基本生态流量，将会导致栖息地生 态系统一定程度的退化。代表方法有湿周法、r 2 c r o s s 法等。 3 生境模拟法 19 9 8 年t h a r m e 在之前的研究基础上提出了生境模拟法。生境模拟 法利用综合的水文、水力学和生物响应数据来具体分析不同流量条件 下( 或不同水文情势下) 适合目标物种的河道内物理生境的数量和适 应性，以此来评估生态环境流量。典型的方法是用一个或多个水力学 数据来模拟物理生境中与流量相关的变化，在研究河段的多个横断面 收集深度、流速、基质构成和覆盖物等水力学变量，模拟适宜的栖息 地条件”弘”j 。结果通常以生物区的栖息地一一流量曲线来表示，以此 预测最适宜的流量。 。 生境模拟法基于水力学法，以指示生物为参照，可定量化，评价 方法的可信度较高。 4 综合法 综合法由t h a r m e 在19 9 6 年首次提出，目的是为了满足整个河流系 统的生态环境需要。它要求结合河流水文资料，研究河流生态系统、 输沙、景观等功能之间的关系，整合相关专家意见，使推荐的生态环 境流量能够满足河流的生态、输沙、景观、稀释净化等功能。综合法 的研究时间较长，需要包括水文学家、生态学家、地理学家等在内的 专家队伍，人力资源需要量大。 生态环境流量方法有缺点比较结果见表l l 。从目前国内外的应用 和研究的实际情况来看，水文学方法具有不可替代的优点，是河流基 本生态需水量研究的基本方法。水力学法目前作为一个理论基础讨论 的较多，实际应用则较少，主要为其他计算方法提供水力学依据。生 境模拟法考虑特定河道用水需求，该法适用于某些管理目标的地区， 但该法尚不成熟，流量与物种变化的关系不够明确，且对生物资料以 及人力物力投入的要求较高。综合法因其研究时间长、资源耗费大， 6 且需要大量的人力物力而不符合本文的实际情况。 表1 1 生态环境流量方法优缺点比较 1 3 2 2河道外生态环境流量的计算方法 国内外对河道外生态环境流量的计算包括植被生态环境流量的计 算和动物生态环境流量的计算。 1 植被生态需水：该法考虑不同的植被生态类型，根据耗水机理计 算植被的蒸散量。王芳等探寻了植被与地下水水位的关系，对西北地 区植被生态需水进行了估算【38 1 。刘燕华从景观学和水资源的角度分析 柴达木盆地植被生态需水的计算方法，并提出水资源优化配置和平衡 对策【39 i 。杨志峰等基于m o d i s 数据和气象数据，建立模型，用植被覆 盖指数和植被系数法分析海河流域植被生态需水量【4 州。王根绪等基于 不同植被蒸散发潜力估算模型，对黑河流域中下游地区植被生态需水 进行了评价1 4 。 2 动物生态需水：陆地动物的生态需水量是指动物繁衍生息所需要 的水量，由调查资料确定各种动物的生态需水额，再根据以下公式计 算： w f 2 e m i d i ( 1 1 ) 式中：w f 为动物生态需水量，n 为动物种类数；m i 为第i 种陆地动 物的数量；d i 为第i 种陆地动物生态需水额 4 2 】。 1 3 3研究趋势与展望 从生态环境流量的国内外研究现状来看，目前已有一定的进展， 但在理论和实践方面均尚未成熟。生态环境流量、生态需水以及环境 需水等概念界定仍不清晰，没有形成统一的概念及其内涵。且国内学 7 者关于闸坝对下游河流生态系统的影响和对其生态环境流量的计 算和系统分析的研究甚少；对生态环境流量研究的区域性突出，主要 集中于干旱半干旱地区，对其他流域生态环境流量研究偏少。 由于生态环境问题的危害当前不一定能迅速客观的反映出来，具 有一定的滞后性，因此对生态环境流量进行的研究不应当局限于目前 生态脆弱的地区，应该加大其他区域环境流量的研究范围。生态环境 流量的理想计算方法应该能够定性与定量相结合，系统的反映结果， 但目前这种方法不存在。因此，根据河流的区域生态环境特征，可以 将各种方法综合考虑，取长补短，同时引入和加强新技术、新方法在 生态环境流量计算方面的应用。 1 4论文研究内容及思路 1 4 1研究内容 ( 1 ) 查阅国内外文献，分析总结闸坝生态环境流量的研究现状及 趋势，对生态环境流量的国内外研究进展有较全面的认识，发现目前 总结研究中存在的问题；分析总结生态环境流量的定义、内涵，确定 闸坝生态环境流量的研究意义。 ( 2 ) 研究生态环境流量的理论基础，对比分析生态环境流量各计 算方法的优缺点，选取适合研究流域的生态环境流量计算方法。 ( 3 ) 分析研究区域的自然环境概况，对沂河李庄闸下泄河段进行 河道生态和水环境质量评价，根据结果确定李庄闸下泄生态环境流量 保护目标，按照选用的计算方法计算出李庄闸下泄生态环境流量。 ( 4 ) 对本文选取的计算方法所确定的李庄闸下泄生态环境流量， 从方法和结果二方面验证计算方法的可行性和计算结果的合理性。 ( 5 ) 总结全文，指出本文的结论、创新点和不足，并对生态环境 流量研究的未来进行展望。 1 4 2技术路线图 8 本文的技术路线图如下： 图l 一1 技术路线图 9 第二章生态环境流量的基础理论 2 1生态环境流量的概念及内涵 2 1 1生态环境流量的概念 在影响河流生态系统健康的诸多因素中，环境流量起着制约性的 作用，主要表现在以下两个方面：一是流量的改变对河流造成的物理 响应，主要影响河流生态系统的非生物组成部分；二是流量改变对河 流造成的生态系统响应，主要体现在生物群落的生长和变化上。 由于对生态、环境和生态环境概念的界定范围不同，研究学者分 别提出了生态需水、最小环境流量、生态环境流量等概念。到目前为 止，生态环境流量还没有形成一个统一的概念 4 3 - 4 4 。 2 0 0 0 年，在2l 世纪中国可持续发展水资源战略研究综合报告 中钱正英院士提出生态环境需水的定义，广义上是指维持全球生态系 统的水分平衡所需要的水量，狭义是指维护和改善河流生态环境所需 的水量，得到许多学者的认同”引。 “生态”和“环境”含义和本质是相同的，“生态”本身是表示一种环境 状态的意思，一般意义上的理解“生态”是“环境”的一部分，难以从范围 和内涵上严格界定。从本质上讲，生态环境流量主要是由生态系统的 自然属性决定的，影响因素包括生态系统的内部结构和外部环境以及 资源条件等，具有生态系统中水分和生物的双重特性。 本文认为，在二元水循环规律下，生态环境流量不仅仅考虑河流 为维持生态系统的稳定平衡所需的水量，还要考虑这些水量的质量保 证，即要求这些水体有满足要求的自净能力和水环境功能。生态环境 流量是指河流为了维持生态系统稳定、保障环境功能发挥所需要的流 量及过程，是水量和水质的统一体。水量充足可以维持河流生态系统 的稳定；水质达标可以保障水体发挥生态功能，包括维持河流自净能 力、生物栖居环境、河口生态系统，以及景观娱乐功能等 4 6 - 47 】。由此 可见，生态环境流量虽然是针对水资源提出的，但人类的过度开发活 动是问题产生的根源，因此生态环境流量具有“自然一一社会”二元属 性。 2 1 2生态环境流量的内涵 根据生态环境流量的定义和二元属性，本文认为其内涵应该包括 生态流量和环境流量两部分。生态流量是维持河流生态系统稳定平衡 所需要的水量；环境流量是指为了为满足河流的基本环境功能、保护 和改善人类水环境所需要的水量，它只有在明确了具体的生态环境目 标后才被赋予具体意义 4 8 - 4 9 】。 1 0 生态环境流量的内涵包括生态学和水文学两方面。它是一个流域 性的区问，并不是一个特定值，这个区问的下限是最小生态环境流量， 用以维系河流的基本生态环境功能。河流的水文过程就是生态环境流 量的大小、频率和变化过程，不同的流量过程有不同的生态与环境功 能。生态环境流量过程包括水量、水质、水质净化和营养物质输送等 过程，弱流量的持续减少会导致水流连通性下降，河流生境改变，营 养物质的运输、水生生物的迁徙、繁殖均受到影响，水生态系统功能 降低。若径流减少到甚至低于最小生态环境流量时，水文连接度丧失， 河流系统的生态格局将被改变。若流量继续减少直至断流，河流干枯， 生态系统被完全破坏，水生生物可能会灭绝。 2 1 3生态环境流量的特性 生态环境流量是从生态系统自身需求的角度出发的，具有以下特 性： 1 阈值性 特定区域的生态环境流量是l 妇最小生态环境流量和最大生态环境 流量所限定的区间，生态环境流量具有阈值性，这为流域管理提供了 可靠的生态依据。最小和适宜生态环境流量是保护目标不同的生态环 境流量1 5 ，生态环境流量分区如图2 1 所示。 其中，a 区的径流量小于最小生态环境流量，河流虽然处于不断流 流量，但水生生物会因为缺水而数量减少或者消失。b 区的径流量处于 最小与适宜生态环境流量之间，水生生物不至于消亡，若长期这种状 态，会影响f 常繁衍，损害水生生物的完整性；c 区的径流量要人二】：适 宜生态环境流量。此时河流处于生态安全状态，水生生物能j f 常生存 和生活。 图2 1 生态环境流 最示意图 宜生态环境流量 小生态环境流量 断流流量 2 时空性 生态环境流量具有明显的时空性分布特征：首先，它有明显的地 域性，不同地理位置、不同气候的流域所需的生态环境流量不同；其 次，不同时段所需要的生态环境流量是不同的，且在未来的某个特定 时间段，生态环境流量的外延和内涵都将有变化”。 3 质和量一致性 河流的水量和水质己成为制约水环境功能的双重因子。水量指标 需要满足河流的基础环境功能、输沙功能等河流生态系统的正常功能； 水质指标主要反映恢复水体天然自净能力的河流自净功能。因此，生 态环境流量的水量和水质这两方面的特性是同步且密切相关的。 2 2生态环境流量的理论基础 2 2 1生态学理论 生态学是一门研究生物与生物及环境的相互关系的学科。德国的 恩斯特海克尔于18 6 9 年提出生态学是“研究生物与其周围环境相互关 系的一门科学”。包括生物环境物种相互关系的生物环境和土壤、空气、 水和温度等非生物环境【52 1 。 英国学者t a n s l e y 最先提出生态系统概念，他认为“生态系统是包 含生物和环境的综合体，是生物与环境不断进行物质和能量循环流动 的统一整体”。近年来，生态学理论快速发展，生态学研究热点增多， 研究领域不断加大。而将生态学与环境学相结合，选用先进的技术和 方法来研究生态环境流量，已成为国内外学者重要的研究课题。 2 2 2可持续发展理论 可持续发展最初于19 7 2 年提出，是指“既满足当代人的需求，又不 损害后代人满足其需求的能力”1 5 引。19 9 2 年6 月，联合国召开的“环 境与发展”大会中通过了以可持续发展为理念的21 世纪议程等 文件。我国也将可持续发展战略纳入国民经济社会规划之中 5 4 】。 可持续发展的目标是世世代代持续的经济繁荣、社会公平和环 境优美，是经济、社会、环境“三位一体”的协调统一的发展，主要 包括社会、经济以及生态可持续发展，三要素相辅相成，缺一不可 【55 】 o 2 2 3二元水循环理论 水循环是指水在自然过程中的蒸发、下渗、汇流的反复循环过程。 水文循环是地球上最活跃的物质循环之一，是地球自然界中一系列物 理化学过程的循环基础【5 5 8 】。 一元水循环中，生态环境流量主要来自于降水过程，是生态系统 自身为了维持系统的结构和功能所需的水量；二元水循环中加入了人 工水循环，生态环境流量还得到社会排水的补充。二元水循环对全球 生态系统和人类社会生存有深刻的影响，同时二元水循环的水量大小 和水质也受到人类社会活动影响。二元水循环示意图如图2 2 所示。 一一 l 水汽运移 1 j 。撩及j 1 一 - i 用水卡乇水 jl 自社 1r 然会 降水 循循 环 蒸发排水 环 输水用水 j jl jlj r 径流区域水体取供水水汽运移 图2 - 2 二元水循环示意图 2 2 4河道内的水分运动 地表径流在汇入地表水体后与潜水进行交换，可满足河流生态系 统水量和水质各方面的要求，保障水生生态系统。 在河流洪水期时，流量的增加，水流速度的提高，使河道水生态 系统的水量交换、能量流动和物质循环得到加强，生物迁徙的通道连 通性加大，生存空间得到进一步扩展。而河流枯水期河流流量减少， 水位下降，水速减缓，主要靠潜水对地表径流的补给。 任意河段任意时段水量平衡为 p + r i = r o + e + o g i g + a w ( 2 1 ) 式中：p 为自然降水量，r i 为计算时段内自上游流入的水量，r o 为计算时段内自下游流出的水量，e 为该时段的蒸发量，o g 为该时段 地表补给地下水量，i g 为该时段地下水补给地表水量，a w 为计算时段 内河槽蓄水变化量。 公式( 2 1 ) 反映了地表水与地下水的补排关系，地表水与地下水 的补给调节对于河流生态系统而言十分重要。 2 2 5水资源配置理论 水资源优化配置是指在某一区域或者流域内，为满足可持续发展 目标和河流功能，对有限的水资源，采取有效措施将有限的水资源在 不同地区不同用水部门之间进行合理科学分配。我国的水资源优化配 置正在实践中不断得到完善和丰富。 水资源是维持社会经济发展和生态系统稳定的前提条件，水资源 优化配置是实现水资源合理开发利用的基础。传统的水资源配置存在 一系列的缺陷，只关注人类生产生活所需的水资源，忽略了生态环境 流量的必要性。目前水资源配置系统是水资源一一自然生态系统一一社 会经济组成的复合系统，同时具有多元性、整体性等特征。在进行水 资源合理配置分析的时候，不能脱离这一系统。 因此，只有全面考虑和合理处理水资源、经济社会和自然生态系 统之间的关系，才能实现水资源的合理配置 5 9 】。 2 3生态环境流量方法分析 2 3 1t e n n a n t 法 t e n n a n t 法，又称蒙大拿法，是19 7 6 年美国人t e n n a n t 在对美国1l 条河流的多种生境的调查基础上提出的，包含了一系列的生境、水力 数据，以河流生态需水占多年平均流量的百分数来设定河道内生态环 境流量，是目前国内外范围内使用最广泛的一种水文学方法，共设八 个级别。 t e n n a n t 法以水文资料为基础，提出取河流多年平均流量的 10 作为最小生态环境流量，20 作为适宜生态环境流量。生态环 境流量的计算公式如下： w = y 。l zq z l ( 2 2 ) 式中：w 为生态环境流量，qi 为第i 个月的多年平均流量， z i 为i 月的推荐基流百分比。 河道