生态水文学(2).ppt

生态水文学 2 2010 10 18 2 8湿地生态水文 2 8 1湿地的定义 1 湿地的定义周期性充水而且正常水深很浅的干湿交错的区域 沼泽 地下水位接近地表且土壤长期湿润的区域 湿地是地球上广泛分布的陆地生态系统之一 由于其生态结构的复杂性和生态功能的多样化 它支承着独具特色的物种和较高的自然生产力 为人类生活和社会生产提供极为丰富的自然资源 对湿地价值的认识首先是从水禽栖息地开始的 由于其本身的脆弱性和人类干扰的强劲 其面积和生态功能都在下降 因而 湿地的保护引起普遍的关注 湿地便成为唯一有其国际性保护公约 ramsarconservation 的生态系统 湿地生产力很高 在维护生态平衡 蓄洪防旱 贮存淡水 调节气候 降解污染 抵卸风暴 保护生物多样性 提供人类食品 建材 生活和工农业用水及休闲旅游等生态 经济 社会文化的可持续发展具有重要意义 湿地公约 关于 湿地 的定义和湿地类型的分类系统 一 海洋 海岸湿地1 永久性浅海水域 多数情况下低潮时水位水于 m 包括海湾和海峡 2 海草层 包括潮下藻类 海草 热带海草植物生长区 3 珊瑚礁 珊瑚礁及其邻近水域 4 岩石性海岸 包括近海岩石性岛屿 海边峭壁 5 沙滩 砾石与卵石滩 包括滨海沙洲 海岬以及沙岛 沙丘及丘间沼泽 6 河口水域 河口水域和河口三角洲水域 7 滩涂 潮间带泥滩 沙滩和海岸其他咸水沼泽 8 盐沼 包括滨海盐沼 盐化草甸 9 潮间带森林湿地 包括红树林沼泽和海岸淡水沼泽森林 10 咸水 碱水泻湖 有通道与海水相连的咸水 碱水泻湖 11 海岸淡水湖 包括淡水三角洲泻湖 12 海滨岩溶洞穴水系 滨海岩溶洞穴 二 内陆湿地13 永久性内陆三角洲 内陆河流三角洲 14 永久性的河流 包括河流及其支流 溪流 瀑布 15 时令河 季节性 间歇性 定期性的河流 溪流 小河 16 湖泊 面积大于 hm永久性淡水湖 包括大的牛轭湖 17 时令湖 大于 hm的季节性 间歇性的淡水湖 包括漫滩湖泊 18 盐湖 永久性的咸水 半咸水 碱水湖 19 时令盐湖 季节性 间歇性的咸水 半咸水 碱水湖及其浅滩 20 内陆盐沼 永久性的咸水 半咸水 碱水沼泽与泡沼 21 实令碱 咸水盐沼 季节性 间歇性的咸水 半咸水 碱性沼泽 泡沼 22 永久性的淡水草本沼泽 泡沼 草本沼泽及面积小于 hm泡沼 无泥炭积累 大部分生长季节伴生浮水植物 23 泛滥地 季节性 间歇性洪泛地 湿草甸和面积小于 hm的泡沼 24 草本泥炭地 无林泥炭地 包括藓类泥炭地和草本泥炭地 25 高山湿地 包括高山草甸 融雪形成的暂时性水域 26 苔原湿地 包括高山苔原 溶雪形成的暂时性水域 27 灌丛湿地 灌丛沼泽 灌丛为主的淡水沼泽 无泥炭积累 28 淡水森林沼泽 包括淡水森林沼泽 季节泛滥森林沼泽 无泥炭积累的森林沼泽 29 森林泥炭地 泥炭森林沼泽 30 淡水泉及绿洲 31 地热湿地 温泉 32 内陆岩溶洞穴水系 地下溶洞水系 三 人工湿地 水产池塘 例如鱼 虾养殖池塘 水塘 包括农用池塘 储水池塘 一般面积小于 hm 灌溉地 包括灌溉渠系和稻田 农用泛洪湿地 季节性泛滥的农用地 包括集约管理或放牧的草地 盐田 晒盐池 采盐场等 蓄水区 水库 拦河坝 堤坝形成的一般大于 hm的储水区 采掘区 积水取土坑 采矿地 废水处理场所 圬水场 处理池 氧化池等 运河 排水渠 输水渠系 地下输水系统 人工管护的岩溶洞穴水系等 2 关于湿地定义的讨论 湿地公约 的定义 广义的定义 湿地公约 对湿地的定义是国际公认的 即 不问其为天然或人工 长久或暂时性的沼泽地 泥炭地或水域地带 静止或流动 淡水 半咸水 咸水体 包括低潮时水深不超过6米的水域 这个定义包括海岸地带地区的珊瑚滩和海草床 滩涂 红树林 河口 河流 淡水沼泽 沼泽森林 湖泊 盐沼及盐湖 狭义的定义通常把湿地视为生态交错带 是陆地和水域之间的过渡区域 由于土壤浸泡在水中 所以特征植物得以生长 e g ibpworshing ton 1976 cowardinet 1979 denny 1985 这个定义存在一个实际的问题 即 定义包括部分水体 大多数人认为具有挺水植物的地区不同于开阔水体 而后者不应包括在这个定义中 因此 在湖泊的情况下 生长有挺水植物的湖滨地区应被看作是湿地 相反 面积大的开阔水体却不属于湿地 由于滨岸地区和开阔水体是紧密联系的 所以就管理而言 用这种方法将二者分割开来 是会出现问题的 湿土 或水成土 的概念水对湿地土壤的发育有深刻的影响 湿地土壤通常称为湿土 或水成土 hydricsoil 美国水土保持局给湿土 水成土 下的定义是 在生长季足够长时间内 在不排水的条件下是饱和的 淹水的或成塘的 形成有利于水生植物生长和繁殖的无氧条件的土壤 对于湿地 有广义的和狭义的两种定义 水饱和或淹浅水 湿土和水生植被三者都具备的土地称湿地 这是狭义的定义 如美国1956年的定义 三者之中只要有一个条件具备的土地就是湿地 这是广义的定义 如美国1979年的定义 看来 狭义的湿地定义有些偏窄广义的湿地定义又嫌太宽 只要有周期性淹水和水成土的土地就可以称为湿地 三个条件都存在的湿地是沼泽 沼泽只是湿地的一种主要类型 没有土壤水饱和或土壤覆盖浅水层就不是湿地 没有土壤的岩岸 没有水成土的新水库 及非土壤基质的河滩都不在狭义湿地范畴之内 某些地方 如低洼地 暂时不存在水生植被 但存在有利于水生植物生长的湿土条件 也应属于湿地之列 2 8 2湿地的水文生态系统的特征 1 湿地生态系统的特殊性湿地是地球上一种重要的生态系统 它处于陆地生态系统 如森林和草地 与水生生态系统 如深水湖和海洋 之间 换言之 湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡带 ecotone 湿地结合了水生态和陆地生态系统的属性 但又不同于二者 2 湿地生态系统的多样性湿地的水文条件是湿地属性的决定性因子 湿地既不像陆生系统那样干 也不像水生系统那样有永久性深水层 而是经常处于土壤水分饱和或有浅水层覆盖 湿地与陆生系统的分界在土壤水分饱和范围的边缘 而与深水系统的交界一般定为水深2m约相当于挺水植物可以生长范围边界 湿地水的来源 如降水 地表径流 地下水 潮汐和河流泛滥 水深 水流方式 以及淹水的持续期和频率决定了湿地的生态系统的特征和多样性 干湿交替的水文条件造就了不同种类生物的周期性交替 同时造就了湿地生物对水文条件的耐受性 3 湿地生态系统的脆弱性湿地生态系统的稳定性很大程度上取决于其水文条件的稳定性 水文条件能直接改变湿地的物理化学性质 进而影响到物种组成和多样性 第一性生产力 有机物质的积累和营养循环 水文特征既导致独特的植物种群组成 又可限制或增加物种的多样性 静水湿地或连续深水湿地的生产力都很低 通常有高能量的水流 或有脉冲性水周期的湿地生产力最高 因湿地水文条件的不确定性 湿地生态系统具有很大的不稳定性和脆弱性 4 湿地生态系统的恢复功能湿地生态系统具有与陆地和水体都不相同的特殊性 主要表现在缺氧和多水 湿地生物对此种生境条件表现出极强的适应能力 其适应机制有的忍耐 有的是调节 由于湿地的水文状况 包括水文周期 水量 水化学性质等方面在不同类型的湿地中有不同的差异 因而其生物的适应性呈现明显的多样化 芦苇 湿地生态系统的一切生态过程都是以固定的水文条件为基础的 正是由于其系统结构对水文条件的依赖性 湿地生态系统才显得如此脆弱 以致于一旦失去水 其系统面貌便会发生根本性的转变 如果水文条件恢复 由于湿地生物具有极强的适应能力 系统就会基本恢复到原来的状态 虽然湿地生物 主要是植物 具有耐受性 但若超过耐受能力 则不可恢复 5 生物多样性和种群最为发育的生态系统交错带和一般的生态系统不同 是一个非均一的开放系统 存在着生物因素和非生物因素的梯度分布 和毗邻的陆地生态系统和水域生态系统比较 交错带的中的生物多样性 初级生产力 次级生产力 土壤中腐殖质的含量 有机物质的降解速率都比较高 交错带有充足的水分 营养元素 阳光 食物 非均一系统的环境提供了更好的繁殖 生长 和生存场所 在湿地中存在各种生物群落 陆生植物 动物 水生动物 植物 湿地动物 植物 鸟类 留鸟 候鸟 与湿地水文特性和生物特性有关 东北北大荒上世纪50年代 棒打狍子瓢舀鱼 野鸡飞进汤锅里 既反映了三江平原湿地生物的多样性 又反映了湿地生态系统的非常高的生产力 向海湿地1986年7月 我国政府把向海湿地定为国家级森林和野生动物类型自然保护区 向海湿地的芦苇沼泽 湖泊水域和沙丘榆林之中生存着各种鸟类297种凡是去过吉林向海的人 无不为大自然的天成之美和得天独厚的鸟类资源所叹服 国际鹤类基金会主席乔治 阿基博到向海考察后说 我到过世界上50多个国家的自然保护区 像向海这样完好的自然景观 原始的生态环境 多样的湿地生物 全球已不多了 向海不仅是中国的一块宝地 也是世界的一块宝地 湿地名称 吉林向海国家级自然保护区 列入 国际重要湿地名录 时间 1992年7月31日 地理坐标 44 55 45 09 122 05 122 31 地理位置 位于吉林省西部 距长春市西北部310 面积 105470 湿地类型 第 款 海拔高度 156 192 湿地描述 保护区内有 条水系 霍林河 额穆泰河和洮儿河 有付老文泡子等 个泡沼 泡沼之间是湿地和草甸 地理环境描述 本地区地貌为湖河相容冲积地貌类型 地势低洼平坦 河道极不明显 湿地中分布从多泡沼 土地盐渍比较普遍 范围在7 5 8 5 土壤为沙土 栗钙土和盐碱土 土层厚度为0 5 1 0 年平均气温4 9 年降水量400 450 年蒸发量在1890 无霜期为150天左右 生态描述 水生植被丰富 有许多种漂浮植物 浮水根植物 沉水植物和挺水植物 大量的藻类是鱼类丰富的食物 同时浮游生物和鱼类又是水禽良好的饵料 大面积的芦苇沼泽为栖息和繁殖在这里的水禽提供了隐蔽的场所 低洼地的草甸和草甸草原 分布有大量的草本植物 是当地居民放牧的地区 交错在湖泊和草甸之间是起伏的沙丘 在沙丘上长有天然的榆树林 11 著名的动物种群 通过调查记录到的鸟类有 多种 其中主要的有 丹顶鹤等 种鹤类 草鹭 白琵鹭类 鸿雁 灰雁 翘鼻麻鸭 罗纹鸭等雁鸭类和许多鹬和鸥类 另外还有蒙古兔 旱獭等兽类 12 著名的植物群落 沼泽地区 芦苇 水葱 苔草 莎草等 草原草甸 羊草 水生植物 由漂浮植物 沉水植物 挺水植物构成 沙丘地区 黄榆 家榆 杠柳 山杏等 2 8 2湿地水文要素 判别标准 水深 h t 2 0 有挺水植物群落生存 高山草甸植物群落 水文特征 淹没时间 淹没次数 间歇性的淹没h t w t t hg t 土壤含水量 a 湿土 地下水埋深hg 1 0m 地表地下水交换 蒸散发特征e ep 干旱指数r e ep 1 0 2 8 3湿地的水文特征 1 湿地的水文特征取决于湿地的类型海陆交错带湿地 水文要素的日周期 月周期和年周期性变化 河流和湖泊交错带 取决于河流和湖泊的水文过程和特征 沼泽 取决于沼泽的成因和地表水和地下水的补给条件 2 湿地水文条件不稳定和不确定性湿地是水陆交错带 水文条件变化剧烈 所有的水文要素都是易变和不稳定的 3 地表 地下水交换剧烈的区域地表和地下水双向交换 互为补充 4 水化学条件变化剧烈的区域随着水文条件的变化水化学条件会发生很大的变化 2 8 4湿地的分类 水文地理分类 湿地是内陆水体和陆地之间的过度带和交错带 可以分为以下几类 浅水湖泊湖周 包括水库 滩地水陆交错带沼泽及沼泽周围的交错带河岸边滩水陆交错带地下水和地表水交错带 地表地下水强烈交换地带 海洋和陆地间的水陆交错带人工湿地地 水稻种植区 天津有湿地245960公顷 大体可分为6种类型 1 近海与海岸滩涂湿地 面积58090公顷 2 河流湿地 总面积55130公顷 3 湖泊库区湿地面积50390公顷 4 沼泽和沼泽化草甸湿地 面积8180公顷 5 盐田湿地 面积38900公顷 6 水稻田湿地 面积35000公顷 2 8 5湿地水文生态系统功能 1 水文过渡带功能洪泛区湿地是水陆自然景观的重要组成部分和流域的水陆交错带 对河流与陆地之间的水文 水力学和生态联系起着过度作用 是典型的地表水水文过度带 洪泛区湿地拦蓄降水径流 滞蓄和调节河流洪水 削减洪峰 维持基流 补给土壤水和地下水 供给洪泛区生态系统需水 2 生态缓冲区功能洪泛区湿地对进入河道生态系统和渗入地下水含水层的污染物可以截留 阻滞和富聚 是河道走廊内地表与地下水之间的重要生态缓冲区 洪泛区湿地的过滤作用的效益与湿地中湿生和水生植物的生态特征 结构特征 湿地水文状况 湿地面积 微地貌 土壤等要素密切相关 3 保持物种的多样性功能湿地交错带的环境与均一的生态环境不一样 它为具有多种生态学特征的物种提供了栖息地 具有很高程度的生物多样性 系统在受扰动后能迅速恢复其演替过程 4 提供鱼类和鸟类繁育场所在湿地充水的条件下正是鱼类觅食产卵的季节 交错带中有丰富的饵食条件 岸滩水草是鱼类产卵孵化的场所 岸滩湿地发育的水体具有很高的生产力 湿地丰富的饵食资源为鸟类的生存和繁殖提供了良好的条件 东北湿地 东部沿海湿地 长江中下游湖泊湿地是鸟类重要的生存和繁殖区域 5 相邻生态系统的稳定功能湿地生态系统是陆地和水域生态系统的连接带 健康的湿地生态系统起着稳定两个相邻系统的作用 若湿地生态系统遭受破坏 相邻系统将失去稳定 6 净化水体 减少污染功能水陆交错带由于有很强的缓冲能力 对污染物质有储存 截留 吸收和转化作用 水陆交错带中丰富的生物资源尤其是高等植物根际微生物的旺盛活动 使其能吸收大量的营养物质 降解有机污染物 过滤有害的微生物和寄生虫 水陆交错带具有的物理 化学和生物的净化功能 其综合效应使进入水体的污染物减少 湿地对污水的净化作用是近年来重要的研究课题 7 湿地滞蓄洪水和调节径流的功能江河湖泊湿地具有巨大的滞蓄洪水和调节径流的功能 8 湿地的社会功能主要体现在资源 休闲旅游和环境演变信息等方面 由于其土地资源和自然资源的丰富 湿地成为许多地区农 牧 渔业和重要基地 为社会发展提供了最基础的条件 这也正是世界古代文明发祥地主要集中在大河流域的重要原因之一 也恰恰因为如此 自有人类文明开始 湿地地就受到人类活动的干扰而且逐渐加强 随着社会经济的发展和湿地面积的逐渐减少 许多湿地具有旖旎的风光和独特的动物类群 湿地的旅游价值也越来越显著 3 水利工程对生态水文要素的影响 3 1闸坝阻断工程对生态系统的影响 3 1 1河流连续体的破坏 1 地貌连续性的破坏闸坝使河流渐变的比降发生突然变化 破坏了地貌变化的连续性 河流被分为上下游两个地貌单元 由于水文水力学条件和物质输送条件的变化 上下游地貌将发生不同的改变 根据河流等级理论和序列不连续体概念分析可知 大坝工程导致河流在一定区域范围内河道水体的水文水力过程发生显著变化 这种变化改变了该段河流生态系统的能量转换输移 物质循环和空间结构等 进而影响了该区的生物的种群密度和结构 生物的多样性和生态景观格局 称这个区域为水利工程影响的水文水力过渡区 简称过渡区 水文水力过渡区的划分主要是依据工程对河流水动力要素参数强度程度的不同 即对水流流速大小的影响 根据过渡区参数强度 把过渡区划分为回水区 库区 坝区和消能区 惯性过渡区 上下游区为衔接区 水利工程对生态系统的影响 2 水文要素连续性的破坏h x t q x t t x t 等函数在坝址处不连续 3 水力学要素连续性破坏v x n x r x 水流流态发生急变 4 水质要素的连续性破坏水质条件cod x bod x ph x do x 及其他水质量要素的沿程变化的连续性均受到破坏 5 物质流 能量流的连续条件的破坏物质输送和生物交换的影响 生物回游通道被阻断 水流能量发生很大的改变 3 1 2对生态系统的分隔作用统一的有机联系的生态系统被分隔成不同的单元 各单元间的生物自由交换的条件受到影响 回游类水生动物的生存条件和繁殖条件受到破坏 各单元的生物种群结构将发生变化 照片一 闸口阻断洪湖和长江的联系 也切断了湖泊的生命线 照片二 围栏养殖削弱了水体自净能力 藻化现象日趋严重 见图中红绿部分 图片三 从空中俯瞰 示范区植被恢复良好 其他区域是过度养殖后留下的一片白水茫茫 对比鲜明 3 1 3不连续体间过渡带的水文水力学特征 水工水力学 过度带的水文水力学要素处于上下游不连续的急变过程 而过渡段的水文水力学条件与天然条件下的情况有根本的改变 由于水文水力学条件的改变而成为不连续体间的边界 3 2大型水库对河流生态系统的影响 3 2 1对上游的水文及生态条件的影响在正常的壅水条件下占水库长度90 的壅水带的作用很大 这一带湖泊和河流条件周期性交替 会引起冰情 温度 河床 含沙量及各种生物过程的改变 水库运行后 水库蓄水使其上游部分河段和相连的湖泊等水域的水位升高 水库运行期也是库区及库岸 水位升高区的重新平衡的过程 主要有四方面的影响 库区淤积和库岸浸蚀 蓄水对地质环境的影响 蓄水对周围地下水位的影响 蓄水对水生生物的影响 长江三峡水库蓄水后水位变化 1 库区淤积和库岸浸蚀水库蓄水后形成库盆 库区的淤积和库岸浸蚀 对库区水环境造成影响 并影响到水库的功能 大量的研究表明 水库淤积形成的主要来源为 从汇水流域进入水库的泥沙 由于库岸的改变 岛屿冲毁 库岸坡上不同的重力作用等产生的入库泥沙 由于水中悬移质沉降 淤积 成为库底沉积物 从而导致其重力固结 含水量减小 有机物质矿化 三峡水库蓄水及水面线变化 2003 2 对水库上游周围地区的影响水库运行后 在较长的时间里 逐渐形成工程与自然环境新的协调和平衡 水库发育过程中 除了库岸形成外 还对周围地区有其它过程和现象 如 淹没 浸没 地下水位上升及上升区岩层的物理力学性质变化等 水库沿岸地带形成新的工程地质条件 3 蓄水和水库的调度运用造成的消落带由于水库调度会造成水位的剧烈变化 在水库水域周围形成较大的消落带 由于水动力条件的变化 库岸地质条件不稳定 在水库淤积和库岸形成的过程中 消落带存在水土流失 植被破坏 生态环境恶化 水质的变坏等 消落带的水文条件急剧变化使消落带对生态系统造成很大的破坏 4 蓄水对周围地下水位的影响水库周围的地下水位升高会引起土地的浸没和沼泽化 当地下水位上升到距地面1 0 1 5m 干旱地区达到2 0 3 0m时 浸没就开始了 当潜水层达到耕作层时 造成土壤湿度过大 以至大多数包气带破坏 结果是使大片土地沼泽化 在森林和森林草原地区库岸沼泽化相对严重 在干旱气候条件下 土壤常会发生盐渍化 水库影响区域浸没带的形成 区域生态环境发生变化 生物物种 种群结构 生物量等都会随之改变 原有的生态结构被破坏 需经过较长的时间 才能达到新的平衡 水利工程对生态系统的影响 5 蓄水对水生生物的影响水库蓄水后 使部分陆地变成为水域 浅水变成了深水 流动的水变成相对静止的水 电站运行及汛期泄水等 都会对水生生物造成影响 动水生态系统的生物适应于河流的天然情况 它们不仅依赖于平均水流条件 而且依赖于天然河道的水文学 水力学及河流地貌特征 水库蓄水后 库区的水文水力学学条件的变化 影响了生存环境 营养条件 种群演退 形成不同于河流的生态系统 从生态学的观点来看水库是最复杂的水体 其生态系统和物种经受着水库水位和水量的急剧变化 流速和流量的快速改变 灌溉水库在干旱年分经常干涸 对生态系统和物种的生存繁殖非常不利 但总的来说 水库由于水体空间扩大 有利于水生动物的生长 水生生物量会超过河道 对水生动物的影响 水域由河道型变为湖泊型 使得水生动物的区系组成发生了变化 对鱼类的影响较大 主要有迫迁 即水库蓄水和泄水淹没和冲毁鱼类原有的产卵场地 改变产卵的水文条件 对洄游鱼类的阻隔 大坝切断了天然河道或江河与湖泊之间的通道 使鱼类觅食洄游和生殖洄游受阻 对鱼的伤害 鱼类经过溢洪道 水轮机等 因高压高速水流的冲击而受伤和死亡 例如 美国的哥伦比亚河和斯内克河 每年汛期大坝泄洪 因含氮气过饱和造成幼萨门鱼死亡 又如 美国缅因州的爱德华水电站 始建于1830年 坝长280m 主要功能为发电 但水坝妨碍了鲑鱼 条纹鲈鱼和其它6种鱼类洄游产卵繁殖 造成对水生生态的破坏 为此联邦政府下令强行拆除电站 对水生植物的影响 主要是对浮游植物和高等水生植物的影响 水库形成的头几年 对浮游植物区系组成 生物量 初级生产力等都产生影响 常因藻类的大量繁殖而加重水库的富营养化 影响水库的水质 对高等水生植物的直接影响主要是淹没 间接改变了水域的形态特性 土壤 水的营养性能 水位状况和原始种源 而影响了高等水生植物的生存和生长 对底栖生物的影响 主要是建库后水文条件 水温 水质和底质的变化对底栖生物组成及生物量的影响 3 2 2对下游水文过程和生态的影响 1 水位流量过程影响影响程度取决于水库的调节能力次洪水过程的影响 所有水库 年内分配的影响 季调节 年调节 多年调节 多年变化特征的影响 年调节 多年调节 断流 大部分北方河流水库造成河流断流 2 水力学条件的影响水文条件变化引起的水力学条件变化水利工程结构引起的水力学条件变化河流地貌条件变化引起的水力学条件变化 3 温度和泥沙的影响温度年内变化过程和特征的改变冰情条件的改变 北方河流 泥沙含量 透明度的改变 4 河流地貌的影响水力学条件变化对地貌的影响河流泥沙特征改变对河流地貌的影响 5 对生态系统的影响水文条件的改变引起生态系统的改变断流对下游河道生态系统造成毁灭性的破坏 汛期洪水消失或减少 枯季流量增加 夏季温度降低 冬季温度升高对生态系统和物种会造成严重的影响 河道断流造成的影响很大 主要是对森林植物 动物的栖息环境 断流段的小气候等生态环境的影响 这种影响往往是破坏性的和不可逆转的 下游湿地消失 水生动植物物灭绝 自然生态系统破坏 取而代之的是人工生态系统 向海湿地 水库 灌区 3 3跨流域调水和径流拦蓄利用对水文循环和生态的影响 3 3 1对水文循环的影响水文循环格局的改变全球 大河开发利用 入海径流量减少 区域 水的再分配 区域间的水量交换流域 流域陆面蒸发加强 调水改变原有的水循环格局 3 3 2对热量交换的影响 1 灌溉和非灌溉条件下土壤热容量 土壤温湿度 近地气温 湿度 土壤与大气间水热交换特征 2 跨纬度调水的不同调配水方案对辐射区域的热量交换及热量平衡的影响 3 3 3对区域水文特征的影响 1 大规模调水 径流拦蓄和利用对区域降雨径流关系 2 对大气水 地表水 土壤水 地下水变化特征的影响 3 对大气水 地表水 土壤水 地下水相互间交换的影响 4 对河流水文过程的影响 3 3 4对气候和生态系统的影响 1 水循环格局的改变将对气候产生影响跨纬度调水 径流拦蓄及利用对区域环境气候的影响 2 水文条件的改变将对生态系统产生影响对陆地生态 水生生态均会造成影响 3 4人类活动对湖泊和湿地的影响 3 4 1洪泛区湿地的景观和滞蓄洪功能的变化 1 围垦破坏了湖泊的自然风光洪泛区因与人类活动的密切相关而受到人类活动的强烈影响 越来越多的洪泛区被侵占和改变 天然洪泛区湿地景观丧失严重 2 滞蓄洪功能受到破坏筑堤建圩改变了湖区的地表形态 削弱了湖泊的调蓄功能 增加了湖区防洪排涝的负担和减少了对河流洪水的调蓄能力 例如长江中下游洪泛区湿地在围垦和水利工程阻隔江湖的叠加影响下 从20世纪50年代至今已经损失82 长江流域湖泊湿地对河川径流的调蓄功能大大降低 仅22个较大湖泊湿地的围垦就减小了洪泛区湿地567 108m3的蓄洪库容 洪泛区内由洪水带来的社会经济损失由20世纪50年代的2233元 hm2上升到80年代的11337元 hm2 洞庭湖面积变化表年份1896194919541958197119771983面积 km2 5400435039153141282027402691容量 108m3 293268210178174鄱阳湖面积变化表年份19541957196119671986最近量算 面积 km2 505049004330396032102944容量 亿m3 321314280259251 7 3 4 2洪泛区湿地的生物多样性减少 1 围垦破坏了湖泊的生态环境 影响了水产资源的自然增殖 也影响到水禽的栖息 繁衍 2 围垦使物种多样性指数下降伴随着洪泛区湿地景观的丧失 越来越多的生物物种因其生存空间丧失而成为濒危物种甚至灭绝 生物物种的繁殖能力和对生态位的争夺能力下降 种群数量和质量在减少和退化 洪泛湿地的生物多样性遭受严重损害 扎龙湿地向海湿地莫莫格湿地 3 4 3洪泛区湿地及所在区域生态环境退化洪泛区湿地生态环境系统结构和功能的维系与加强主要受制于河流与洪泛区的水文条件 由于水文水动力条件具有相对变化性和不稳定性 使得洪泛区湿地生态环境系统具有脆弱性 农业活动和城市化进程的加快 直接侵占大面积的洪泛区湿地 改变洪泛区湿地的下垫面构成 而修堤筑坝等水利工程控制措施则割裂洪泛区湿地与河流的空间联系 改变洪泛区湿地的水文情势和水循环方式 导致洪泛区湿地生态环境功能退化 围垦导致湖泊的消亡或水域面积的减少 从而影响该地区气候等环境因素的改变 主要人类生产活动及对洪泛区湿地生态环境的影响如表2 1所示 3 5水利工程建设的功过争论 3 5 1水利工程建设是国民经济发展的支柱产业如何保护水环境 减少水灾害 有效地利水资源 成为当今世界各国所面临的重要问题 水电工程建设的重要作用 为经济建设提供最清洁能源 为生活和经济 生态环境建设供水 防洪减灾功能 人造景观功能 三峡大坝形成的水库总容量达到393亿立方米 其中防洪库容有221亿 通过水库拦截上游的洪峰 使下游的平原和防洪标准从十年一遇提高到百年一遇 提高的水位 利用上下游的113米水位落差 可以发电 可以获得巨大的电能 三峡电站建设安装了26台水能发电机组 总装置达到1828万千瓦 每年可获得的清洁电能是847亿千瓦小时 相当于每年燃烧4千万吨标准煤的容量 有利于缓解全球气侯的变暖 同时也减少了二氧化碳 一氧化碳 二氧化硫 氮氧化合物等这些有害气体的排放 3 5 2反坝和拆坝由于大坝的阻隔作用造成的生态影响 反对建坝的呼声很高 在西方 反坝运动的历史很长 几乎同现代水利工程的建设同时产生 在美国尽管反坝呼声很高 但由于国家建设的需要 仍然修建了大量的水库 bearcampriver坝拆前 bearcampriver坝拆后 dettersmill坝拆前 dettersmill坝拆后 collinsville坝拆前 collinsville坝拆后 coho坝拆前 coho坝拆后 但自1980年开始 拆坝数量和被拆坝的高度都有所增加 1980年以来已拆除水坝350座 仅从1995年到2000年就拆除了140座 在过去的10年里 进行退役评价和被拆除大坝的数量一直在稳步增长 比如威斯康星州自1987年以来就有20座坝 大部分为非水电工程 退役 1996年3月19日 美国联邦能源管理委员会 ferc 发布了一项指令 批准密执安州的斯特隆那奇 stronach 坝的拆除计划 1997年 关于拆除缅因州的爱德华兹 edwards 坝的问题争论了数月 直到11月联邦能源管理委员会才出于对环境的考虑 决定拒绝为这座水电站换发许可证 并要求拆除大坝 这是该委员会第一次下令要业主自费拆除大坝 成了人们最为关注的事态 为便于大坝拆除 1998年5月的一项决定 将该坝的所有权转让给缅因市 1999年7月1日开始实施拆除 并于同年10月完成拆除工作 2001年美国计划在9个州拆除约60座坝 沙斯塔坝未被拆除 奥罗威尔坝未被拆除 4 生态水文分析与计算 4 1河流生态径流过程 4 1 1河流的水文过程及特征 1 次洪水水位 流量过程次洪水位 流量过程 起涨时间 最大洪峰流量 最高洪峰水位 最小流量 最低水位 次洪水总量 洪水持续时间 2 年水位 流量过程年水位 流量过程 年最大日平均流量 最高日平均水位 年最小日平均流量 年最低日平均水位 年径流总量 3 径流的年内分配月平均流量过程 月平均最大 月平均最小月径流量过程 4 不同统计时段的径流量最大15天 最大30天 最大60天 最大90天 最小15天 最小30天 最小60天 最小90天 洪水期 平水期 枯水期平均流量 5 不同水文要素的变化特征水文要素变化的周期性和随机性 年内分配特征 多年变化特征 多年变化的统计规律 均值 变差系数 保证率 4 1 2河流生态系统与水文特征的适应关系 1 河流的生态系统和物种的种群结构的形成和现状是河流历史水文特征造就的所有的物种都经受了历史上的水文条件而生存繁衍至今的 也可以说 今后发生历史上相似事件 不会对现在的生态系统造成不可恢复的破坏 2 水文要素和水文特征的改变将破坏现有生态系统的稳定性水文要素和河流水文特征的改变 将对原有生态系统产生影响 物种种群结构发生变化 年径流量 年内径流分配特征 周期性变化特征 最高最低水位流量 多年变化特征 3 河流径流过程及特征保护的重要性河流开发利用对水文过程和特征的影响将破坏河流生态系统的稳定性 物种的多样性 同时会影响生物的资源量 鱼类资源 植物资源 其他水产资源及水产养殖业 鱼苗 蟹苗 种质资源 河流断流将对河流及周围地区造成更为严重的生态环境和经济影响 河流水环境保护的内容 从水量 水质保护扩展到径流过程 水文特征的保护 生态径流问题的提出 4 1 3生态径流的定义 1 关于生态径流的讨论河流中水资源的利用导致河流水量减少和流量过程的改变 引起河流生态结构的变化 水体的空间 物理化学特征 能量特征的改变 将使河流生态系统遭受破坏 因此为了保护河流的生态 必须限制水资源量的利用 河流水资源可利用量 这个数值应当保证河流水生态系统的稳定性 即这部分水量被取用后 河流的生态系统不会遭受破坏 河流的水量是动态变化的q q x t h h x t 河流生态系统和物种在不同生育阶段对河流水文条件的需求不只是河流的水量 而是流量的大小及空间和时间分布和变化特征 对于特定的河段来说生态径流是一个满足生态系统和生物物种生活史需求的流量过程 河段流量变化特征qmin q0 qmax什么样的流量过程是生态系统所需求的 3 生态径流的定义生态径流的评价是要考虑生态系统和物种种群多方面需求的 是一个非常复杂的问题 涉及流量的大小及过程 水质 地貌等要素 天然条件下每年河径流过程都是变化的 应当说每一年的径流过程都是生态径流 河流的水文过程具有周期性变化规律 其量的大小是在一定的范围内随机变化的 河流中的所有生物的生命史过程及种群结构特征已完全适应了河流的水文特征 天然条件下随机变化的水文过程不会对河流的物种和种群结构产生根本性的影响 而影响的只是生物量及物种种群大小的变化 在天然状态下 可以说任何一种径流过程 丰水年 平水年和枯水年的径流过程及其交替变化的水文特征都具有相应的生态响应和特定的生态作用 河流生态系统处在一种自我调节和自我控制的健康生命环境中 正是这种变化确定了河流的生物的多样性和物种种群结构的特征 但是 对于河流来说 小概率的或是极端的水文现象对于河流的生态系统是不利的 如引起灾害的大洪水和最小的枯水 因而我们可以提出狭义的生态径流的定义 即可以认为 保证河流天然状态下生态系统稳定和健康的径流量过程称为生态径流过程 广义的生态径流的定义具有更复杂和广泛的含义 即生态径流不只是满足生态系统需求的水的径流量过程 同时应具有天然状态下该径流过程的温度 泥沙 水质 营养及空间特征 当这些特征发生变化时 在原有的径流量条件下 河流生态系统结构条件同样会发生变化 对生态系统造成不利的影响 为了保证河流的生态系统结构的稳定 生态系统所需的径流量过程也应发生变化 因而生态径流不是一个固定不变的过程 而且所涉及的物质有水 泥沙 溶质 生物及温度过程等 广义的生态径流的定义 河流具备维持生态系统稳定和生物种群良性发展所必需的物理 化学及地貌条件下的径流过程 4 1 4生态径流的分类 河流的天然径流过程是在一定的范围内随机变化 以狭义的生态径流过程的定义为基础 根据河流天然径流的变化特征及其生态系统响应的特点 可分为最小生态径流 最大生态径流 适宜生态径流等 1 最小生态径流最小生态径流 是满足河流生态系统稳定和健康条件所允许的最小的流量过程 而此过程所拥有的水量 可认为是河流的最小生态需水量 根据生物的繁殖和发育规律 最小生态径流过程是要保证水生生物在年的生命史周期中的最低生存条件 因此它的值应该是天然状态下水生生物所能容忍的干旱的极限 由于水生生物的生命史过程已经完全适应了河流水文过程的周期性变化 最小生态径流过程应同河道径流年内变化特征一样 是连续变化的 具有丰枯变化特征 在这种极限水文条件下 生态系统由于缺水所遭受的损害是可以恢复的 而在径流破坏期 河流中的流量过程小于河流在自然条件下的最小生态径流过程时 河流的水文条件超过了生态系统和一些物种的耐受能力 会导致物种消失 种群结构发生变化 生态系统可能遭受不可恢复的破坏 为了保持生态环境的健康 合理使用河流水资源 需要制定一个河流用水的极限允许开采量 这个数值应该保证取水断面以下水生态系统的稳定性 河流最小生态径流就是那部分留在河网中用于维持河流生态系统需求的的最小流量过程 或者说最小生态径流过程是指在受人类活动影响情况下 水体中为了保证水生生物存在所需要的极限水文过程 用于保障水生生物的生存条件 同时保持必须的水质和河流的地形要素 以及保持不同河流地貌的的生态环境 河流的最大允许取水量由自然径流量和最小生态径流量的差确定 最小生态径流只是生物对干旱情况所能忍受的一个极限 它有持续时间的限制 例如最小30天平均径流持续的最长时间是30天 如果持续时间更长就可能使生态系统遭到破坏 最小生态径流的计算只是给出了用水的最大限额 就是给出在极端干旱的情况下能够使用的最大水量 但并不是说除了最小生态径流以外的水量可以全部取用 最小生态径流评价应该考虑河流所处的气候带 它的水文状况 河流等级 考虑有一定的卫生 渔业和疗养标准的保护要求的河流的经济利用类型和利用程度 还要保证生物稳定性和河流的自净条件 如果在径流破坏期 河流中的流量小于河流在自然条件下的最小径流 河流的水文条件超过了生态系统和一些物种的耐受能力 生态系统可能遭受不可恢复的破坏 最小生态径流在一年中不是一个常量 根据生态群落的繁殖和发育规律 最小生态径流同河道水流年内变化特征一样 每个月是不同的 同时针对每一条河流的不同河段 由于其生态功能的不同 其生态上需求的最小径流值也是不一样的 2 最大生态径流河流满足河流生态系统稳定和健康条件所允许的最大流量过程 当河流流量超过此过程时 对河流生态系统结构将造成重大的影响 同样会导致某些物种消失造成不可恢复的生态灾害 在小概率洪水条件下 发生破坏性极大的洪水灾害 河流生态系统的空间结构会发生重大变化 3 适宜生态径流适宜生态径流 对于生态系统的稳定及保持物种多样性最为适合的径流过程 最小生态径流过程和最大生态径流过程对于生态系统来说是不利的水文条件 而对于河流生态系统和具体的物种和种群结构来说 对河流的水文过程的变化有不同的响应 而保持河流生态系统健康和生物物种种群结构稳定的径流过程是适宜的生态径流过程 因河流水文过程是随机变化的 适宜生态径流应具有明显的统计特征 并具有一个合适的变化范围 4 1 5生态径流过程的分析计算方法上世纪六七十年代以来 国外提出一些类似最小生态径流的概念 并给出了许多计算和评价方法 1 非现场类型标准设定法a 最小连续30天平均流量法对最小的连续30天平均流量系列进行频率计算 取80 保证率的值作为枯水期河流的最小生态径流 它的准确性取决于河流所在地的地理和社会经济条件 在丰水期为扩大留在河网中的水量 最小生态径流量增大 特别是在有水库的情况下 此时最小生态径流可以采取50 75 保证率的最小连续30天平均流量 逐年干化的河流的基本最小生态径流量可以采用多年平均 50 保证率 或枯季流量 日常流量 在内陆干旱地区必须考虑到存在河流径流的形成带 河流上游 和它的自然衰竭带 河流下游 分别确定它们的最小生态径流值 计算最小生态径流可以对没有考虑最小生态径流的水资源评价进行矫正 按年径流量计算的水资源量 考虑最小生态径流后平均会减少10 15 枯水期 考虑最小生态径流平均会使水资源量减少70 必须指出 上述标准普遍适用于水资源的动态评价 得出了在河流的各种水量阶段河网中人类所能使用的最大水量 尽管用最小生态径流来评价水资源可利用量不合理 但对于缺水地区来说 还可以保持一定的生态用水 b 美国的7q10法水质污染稀释自净需水量 即为改善水质需要的环境水量 对于河流就是最小环境流量 对于湖泊 水库 就是受污染水体的最小交换水量 7q10法采用90 保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值 7q10法70年代传入我国 主要用于计算污染物允许排放量 在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用 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 我国在 制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法 gb3839 83 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 c tennant法tennant法 即montana法 是非现场测定类型的标准设定法 一般具有宏观的定性指导意义 通常 这类方法建议的河流生态用水会根据对生物物种和生境的有利程度给出流量级别 这里流量大小只具有相对意义 以预先确定的年平均流量的百分数为基础的河流流量推荐值见表4 1 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 可通过可接受的水文技术来间接获得 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 2 栖息地保持类型标准设定法a r2cross法r2cross法以曼宁方程为基础 适用于一般浅滩式的河流栖息地类型 该种方法的河流流量推荐值是基于这样的假设 即浅滩是最临界的河流栖息地类型 而保护了浅滩栖息地也基本保护了其它的水生栖息地 如水塘和水道 对于一般的浅滩式河流栖息地 如果将河流平均深度 平均流速和湿周率 湿周长与河床总长之比 作为反映生物栖息地质量的水力学指标 所有河流的平均流速推荐采用0 3米 秒的常数 如能在浅滩类型栖息地保持这些参数在足够的水平 将足以维护冷水鱼类与水生无脊椎动物在水塘和水道的水生生境 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 见表2 b 河道湿周法该方法利用湿周 指水面以下河床的线性长度 见图1 作为栖息地的质量指标来估算期望的河道内流量值 通常 湿周随着河流流量的增大而增加 然而 当湿周超过某临界值后 漫滩后 河流流量的巨幅增加也只能导致湿周的微小变化 即河流湿周存在一个临界值 只要保护好了作为水生物栖息地的临界湿周区域 也就基本上满足非临界区域水生物栖息地保护的最低要求 通过在临界的栖息地区域 通常大部分是浅滩 现场搜集渠道的几何尺寸和流量数据 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 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 流量关系实测数据经验推求 或从单一河道断面的一组几何尺寸 流量数据中计算得出 湿周法河道内流量推荐值是依据湿周 流量关系图中转折点的位置而确定 见图2 该方法一般适用于宽浅河道 河道的形状影响该方法的分析结果 u型 v型 宽浅型 表4 2采用r2cross单断面法确定最小流量的标准 3 增量法河道内流量增加法主要指ifim法 该法把大量的水文水化学实测数据与特定的水生生物物种在不同生长阶段的生物学信息相结合 进行流量增加的变化对栖息地影响的评价 考虑的主要指标有河流水流流速 最小水深 河床底质 水温度 溶解氧 总碱度 浊度 透光度等 各种阈值 ifim法根据这些指标 采用phabsim模型模拟流速变化和栖息地类型的关系 通过水力数据和生物学信息的结合 决定适合于一定流量的主要水生生物及栖息地类型 河道内流量增量法并不直接给出特定的流量目标值 除非栖息地保护的标准能够被预先确定 利用河道内流量增加法可以有效地评估水资源开发对下游水生物栖息地的影响 水信息和生物信息的结合 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了一定的限制 传统的ifim法将其重点放在一些河流生物物种的保护上 而没有考虑诸如河流以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统 由此计算出的推荐的流量范围 并不符合整个河流的管理要求 目前 该法已经在美国 澳大利亚 新西兰 英国和南非等国家广泛应用 4 国内的最小生态径流计算方法a 环境功能设定法环境功能设定法根据河流的稀释自净功能 设定合理的河道最小生态径流 qv 首先将河流划分为i小段 将每一小段看作一个闭合的汇水区 计算每一小段的最小生态径流qvi i 1 2 n 对其求和得到的就是整条河流的最小生态径流 qvi必须同时满足下列方程 qvi qwi qvi qni p p p0 式中 河流稀释系数 qwi 第i段达标排放的污水总量 qni p 不同水文年 如平水年 枯水年等 设定保证率 如p0 90 p0 80 等 下第i段的河流流量 b 水质目标约束法依据环境水力学有关水质污染稀释自净需水量计算的基本思路 1992 1993年曾研究过以水环境质量目标为约束的城市河段最小流量测算方法 其公式如下 cs q1 q 1 k2 1 k q1c1 w 1 k1 1 k2 式中 cs 河段水质控制目标 mg l q1 河段上游流入的水量 m3 s c1 河段上游入水的污染物浓度 mg s w 河段内污染物产生量 g s k 污染物削减综合系数 k1 河段内污染物治理系数 k2 河段内污废水资源化系数 q 河段内城市污废水产生总量 m3 s k1 k2与社会经济发展 环境保护投资 污染源治理效益等有关的系数 河流的生态环境用水量减少 水中污染物的浓度就会上升 当污染物浓度达到最大极限允许浓度时 所需的生态环境用水即为河流的最小生态径流 c 水量补充法水量补充法认为河道环境需水量主要用于补充河水及浸润带蒸发和河道渗漏等损失 根据河长 水面面积及蒸发渗漏强度等计算年蒸发量和年渗漏量 这两项之和即为河道年补水量 为维持河流系统正常生态功能 当水面蒸发高于降水时 必须对流域地表水系统进行补水 这部分水量称为水面蒸发生态需水量 当降水量大于蒸发量时 不需要补水 就认为水面蒸发生态需水量为零 根据水面面积 降水量 水面蒸发量 可求得相应各月的水面蒸发生态需水量 其计算公式为 当e p时 we a e p 当e p时 we 0式中 we 水面蒸发生态需水量 a 各月平均水面面积 e 各月平均蒸发量 p 各月平均降水量 河流的最小生态需水量即等于水面蒸发生态需水量与渗漏量之和 d 假设法假定某一年为标准年 认为该年的水环境状况基本能够保持原有的自然景观 满足最低水循环要求以及河口冲淤平衡和基本维持河流生态系统平衡 则将这年的水量作为河道的生态环境需水量 首先对近几年的水量情况进行统计分析 计算河流年平均断流天数 其次对标准年 如20世纪5