基于变异性范围法的河流生态需水量估算

基于变异性范围法的河流生态需水量估算

1河流生态需水计算河流生态所需水是协调生态保护和社会经济发展的核心，是反映生态保护和水资源开发的重要指标。经济发展应充分考虑生态环境中水和水资源的可持续利用。水资源的开发必须保持足够的生态需求。自1976年Montana等人提出基于水文学的Montana估算方法,众多学者通过研究,已初步建立河流生态需水的计算方法体系。当前河流生态需水估算的方法主要包括水文学,水力学、生境模拟法、环境功能设定法及整体法等,但根据目前的应用和实践可知,水文学方法精确度不高;水力学方法不能体现季节变化因素;生境模拟法要求投入相当多的时间、资金和专门技术;环境功能设定法很难避免将各功能需水综合出总的生态环境需水重复计算;整体法需要大量人力物力。从河流生态需水特征可以看出,其自身具有极大的不确定性,具有时空变化性、动态性和特定目标性。因此,河流生态需水的确定应分析河流整体水文情势,提供能反映河流系统、生态需水特征及流量相关的生态综合统计结果。基于此,本文以河流生态水文变化的指标体系(IHA)为基础,立足整体河流水文情势的流量谱系,采用能反映河道流量大小、频率、变化率、发生时间和持续性特征的变异性范围法(RVA)进行河流生态流量值估算,以期为水资源的可持续开发利用提供科学依据。2河流生态水文生态设计的研究进展河流水文过程与生态环境有着十分密切的关系,河流的流态变化可通过径流情势来体现,其中流量、频率、历时、发生时间和变化率这5个因素对生态影响起关键作用。河流流量的变化影响物种的持久性和共生性,高流量可输送悬移质,并为生物提供良好的栖息环境和恢复生物群落;流量频率的改变影响着河岸植被物种和群落,增加了外来物种的入侵几率;流量历时长短影响着生物物种的构成;特定流量出现的时间一般是水生生物进入新的生命周期信号;变化率则对河流生物物种和河岸植被影响显著。在建立生态水文指标体系方面,国内尚无成熟的方法,1996年,国外学者Richter等建立了一套评估生态水文变化过程的IHA方法(IndicatorsofHydrologicAlteration),指标共有5类,包括月平均流量指标、极限流量指标、频率、持续时间和变化速率等33个水文指标,见表1。IHA法依据河流的日水文资料(系列长度大于20年),评估河流生态水文变化的程度及其对生态系统的影响,计算具有生态意义的关键水文特征值。在确定IHA指标参数的基础上,大部分研究成果采用IHA各指标发生机率75%及25%的值作为变异性范围法的阈值,该阈值作为评估受人类活动影响的河流水文变化状态,提供河流系统与流量相关的生态综合统计特征,识别水文变化在维护生态系统,并为估算河道生态需水量提供依据。3河流生态需水计算IHA指标体系中33个水文参数是从河流径流情势提取相关因子,均与流量密切相关,其中各月平均流量指标对生态系统的影响涵盖了水生生物、植被土壤、陆地生物、食肉动物、水温、含氧量、光合作用等诸多因素。同时,生态需水与生态流量之间存在着密切的内在联系,生态流量是对生态需水的扩展和深化,生态需水可以通过生态流量关于时间的积分而获得。因此,本文变异性范围(RVA)法主要采用各月平均流量共计12个指标,对河流生态需水量进行分析研究。该方法建立在分析IHA指标体系中12个月平均流量指标的基础上,以各月平均流量相应频率的75%和25%的数值作为各个指标参数的上下限,估算河道生态需水量。正常的水文特征值的变动范围应不超过天然可变范围,只有这样才能维持河流健康生态系统,生态流量是为了维护河流生态系统所应保持的最低要求,为维持河流生态系统健康提供支持,因此,本文将各指标参数的上、下限阈值作为维持河流健康生态系统的基础,并结合各指标的多年平均流量值,采用下式估算生态流量Qecology=Q¯¯¯−(Qup−Qdown)(1)Qecology=Q¯-(Qup-Qdown)(1)式中,Qecology为流量生态值;Q¯¯¯Q¯为多年月平均流量;Qup为RVA的上限阈值;Qdown为RVA的下限阈值。同时,为反映河流流量可支配的程度,采用下式计算水量可支配系数α=(Qup−Qdown)/Q¯¯¯(2)α=(Qup-Qdown)/Q¯(2)式中,α∈[0,1)为可支配系数,其他符号意义同上。α值越大就意味着河流流量可调用程度越高,可支配的水量越大;若α=0,则意味着河流可调用水量为零,无水量可支配。RVA法以IHA法为基础计算河流生态需水,基本计算步骤如下:(1)根据IHA法,给出天然状况下河流各月平均流量的12个水文特征值。(2)通过频率计算各指标发生机率25%及75%的值,并设定12个指标参数的上、下限阈值。(3)根据12个水文特征值及其相应的上、下限阈值,按照式(1)估算河流的生态流量。(4)根据12个水文特征值及其相应的上、下限阈值,按照式(2)计算水量可支配系数。4实例分析4.1全省面积为97.2.3%山西省地处黄河和海河两大流域,黄河流域面积97138km2,占全省面积的62.2%,海河流域面积为59133km2,占全省面积的37.8%。除流经省界西南长达695km的黄河干流外,全省流域面积大于10000km2的较大河流有5条,分别是黄河流域的汾河、沁河,海河流域的桑干河、漳河、滹沱河。因此,本文以该区域较大的5条河流的生态敏感断面为对象,利用RVA法研究其生态需水量。4.2生态流量估算断面的确定根据研究区域情况,选取河流主要控制断面作为本次生态流量估算的敏感断面,分别选取汾河、桑干河、滹沱河、清漳河、浊漳河和沁河的生态流量估算断面为河津站、册田水库站、南庄站、石梁站、刘家庄站和润城站,相应估算断面均有水文站天然径流资料,资料系列为1956～2000年45年的逐日连续系列,由此得到各生态估算断面的IHA指标参数计算结果及RVA上、下阈值(见表2)。4.3年降水量、年框架、年度间水资源量根据IHA指标参数计算结果分析,各水文站高流量起始于6月,止于10月。汛期6月～9月,流量大且变化快,月均流量能满足水生生物栖息地需求、植被土壤湿度需求、食肉动物的迁徒需求以及河流输沙功能的需求;各站12月～翌年5月属于枯水期,生态流量主要用于维持河流的基本流量、自净等功能;河津、册田水库、南庄和石梁站在2月～4月(消冰期)仍有一个较大流量过程。研究区域内月平均流量分配差异,说明了径流的丰枯除受降水量影响和下垫面因素再分配的影响外,区域径流补给条件具有雨水补给型、雨水和泉水混合补给型、森林河流补给型、冰封结冰河流补给型等多种典型特征。根据表2的生态流量估算结果可以看出,研究区域各站各月生态流量均小于RVA下限,且变化幅度小于河流流量的自然变化。河津、册田水库、南庄、石梁、刘家庄和润城等各站汛期平均生态流量分别为8.33m3/s、4.94m3/s、2.34m3/s、1.91m3/s、0.72m3/s和1.85m3/s,均小于年平均值;除刘家庄站外,其它站12月～翌年5月枯水期的平均生态流量值均大于年平均值,分析其原因可能与2月～4月较大流量过程有关。根据表2的可支配系数计算结果和图1趋势图可以看出,清漳河刘家庄站、沁河润城站和浊漳河石梁站年平均可支配系数均超过0.80,分别为0.83、0.82和0.81;桑干河册田水库站、滹沱河南庄站和汾河河津站年平均可支配系数较小,分别为0.66、0.63和0.62。可支配系数月平均计算结果表明,刘家庄站、润城站和石梁站4月～10月的可支配系数可达到0.89、0.92和0.94,南庄站在6月～9月的可支配系数为0.92,册田水库站和河津站8月～9月的可支配系数为0.89和0.97,就月流量而言,各站在此期间水量较丰沛,显著高于其他时期,河流流量可调用程度也较高。以月平均径流量和可支配系数为基础,计算各站的可调用水量见图2,河津、册田水库、南庄、石梁、刘家庄和润城站年可调用水量分别为14.47亿m3、3.79亿m3、5.24亿m3、4.58亿m3、2.23亿m3和5.97亿m3,各站可调用水量主要集中在6～10月,可调用水量分别为9.35亿m3、2.41亿m3、3.97亿m3、3.54亿m3、1.74亿m3和4.44亿m3,分别占各站年可调用水量的64.6%、63.4%、75.7%、77.4%、78.1%和74.5%。本文河津站、册田水库站、南庄站、石梁站、刘家庄站和润城站生态流量计算结果分别占各站多年平均流量的29.0%、32.0%、28.9%、12.6%、10.2%和11.3%。河津站生态流量计算结果为18.66m3/s,该结果介于与文献推荐适宜生态流量值21.1～28.5m3/s和山西省水生态系统保护与修复规划计算结果11.69m3/s之间;册田水库站计算结果为5.64m3/s,与山西省水生态系统保护与修复规划的4.64m3/s相差不大。所以,采用本方法计算的结果在可接受范围之内。5年调水量目前河流生态环境需水计算方法很多,尚未形成公认的、统一的估算方法。本文以IHA指标体系,分析径流情势对河流生态系统的影响,利用RVA法研究区域河流生态环境需水量,可为维持河流健康生态系统提供支持,并得出如下结论。(1)研究区各站各月生态流量均小于RVA下限,且变化幅度小于河流流量的自然变化。各站汛期平均生态流量值均小于年平均值;除刘家庄站外,各站12月～翌年5月枯水期的平均生态流量值均大于年平均值。(2)可支配系数是反映河流流量可支配水量的有效指标。沁河润城站和浊漳河石梁站年平均可支配系数均超过0.80,桑干河册田水库站、滹沱河南庄站和汾河河津