生態(tài)放水研究成果

生態(tài)放水”國內(nèi)研究狀況一.干旱區(qū)內(nèi)陸河漫溢型生態(tài)用水調(diào)控的模擬分析—以塔里木河干流燦木里克生態(tài)區(qū)為例*(1)利用地理信息系統(tǒng)、洪水演進(jìn)、遙感方法,通過對塔里木河干流燦木里克漫溢型生態(tài)用水調(diào)控的分析,建立了生態(tài)放水漫溢模型,動(dòng)態(tài)模擬了生態(tài)放水的漫溢過程,分析了生態(tài)用水量與生態(tài)保護(hù)范圍、放水淹沒時(shí)間之間的定量關(guān)系,結(jié)果表明生態(tài)放水流量的大小和時(shí)間的長短對生態(tài)用水的效率影響很大,相同生態(tài)用水量按不同流量和時(shí)間供給其效果呈幾何指數(shù)關(guān)系,地形起伏度在生態(tài)用水中也起到關(guān)鍵性作用,生態(tài)用水的調(diào)控不能等同于簡單的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng),簡單的放水會(huì)造成很大的浪費(fèi),且達(dá)不到預(yù)期的生態(tài)效應(yīng).優(yōu)化放水可使生態(tài)用水的效率提高30%,這對于干旱缺水地區(qū)至關(guān)重要.(2)生態(tài)閘生態(tài)放水模擬塔里木河干流區(qū)屬山前平原型河流,加之氣候極度干旱,基本上不產(chǎn)流,區(qū)域內(nèi)水資源運(yùn)移過程主要是河水、地下水、土壤水及灌溉用水之間的轉(zhuǎn)化和地表的蒸發(fā)蒸散.模擬計(jì)算是由ARCVIWE的floodarea模型來實(shí)現(xiàn)，通過Manning-Strickier方程計(jì)算網(wǎng)格與其相鄰的8個(gè)網(wǎng)格之間的水量關(guān)系。模型的主要輸入?yún)?shù)項(xiàng)包括:流量和水位的時(shí)間序列、地形、水工建筑物位置及下墊面糙率等.研究方法流程(圖2).二.塔里木河干流生態(tài)閘洪水漫溢過程分布式水文模擬(1)通過建立生態(tài)閘洪水漫溢模型，了解生態(tài)放水后的淹沒過程，確定水量與淹沒時(shí)間、淹沒范圍的空間定量關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)閘科學(xué)調(diào)度，智能化運(yùn)行中的首要問題，也是進(jìn)行全流域水資源的統(tǒng)一調(diào)配，充分發(fā)揮生態(tài)閘、堰等水利工程最大效益的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外分布式水文模型用于揭示水文過程規(guī)律研究主要集中于流域尺度[3?7],而將其應(yīng)用于生態(tài)用水調(diào)控的研究也還處于起步階段，小尺度的(閘口位置10km2以內(nèi))洪水淹沒過程模擬及生態(tài)響應(yīng)評價(jià)也還未見有發(fā)表。本文選取塔里木河干流典型生態(tài)閘，通過定量模擬的手段模擬其供水方式及淹沒過程，可為閘門的調(diào)度和生態(tài)水的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)；有利于減少無效水量損耗，提高水資源的利用率，增加向下游的輸水量，恢復(fù)下游瀕臨滅絕的綠色走廊。RS和GIS技術(shù)與水文、水力學(xué)相結(jié)合，建立符合流域水資源利用特點(diǎn)的生態(tài)-水文模型，研究塔里木河特有的生態(tài)閘運(yùn)行機(jī)制及閘后水資源分配的規(guī)律，是解決塔里木河社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)用水矛盾，科學(xué)地配置水資源的有益嘗試。

上地利用數(shù)擁生態(tài)閘洪水漫世模擬IKTMIWIW聞閔國倔!w3穴護(hù)Emm國NEE兇何聞聞価上地利用數(shù)擁生態(tài)閘洪水漫世模擬IKTMIWIW聞閔國倔!w3穴護(hù)Emm國NEE兇何聞聞価!:s:5!ilMMfRilu-?l51SI氣象數(shù)據(jù)淹沒過程動(dòng)杰模擬洪水歷時(shí)、放水屋與淹沒面積定呈關(guān)系空間淹沒分析不同生念需水狀況下閘門調(diào)度方案圖1生態(tài)洪水漫溢模根建立與分析三．生態(tài)配水通過分析,本文認(rèn)為這種生態(tài)用水的配置研究主要包括制度配置、內(nèi)因性配置、優(yōu)化配置、協(xié)調(diào)配置和配置評價(jià)5個(gè)方面,其中前4個(gè)方面是生態(tài)配水的理論方法研究,配置評價(jià)是生態(tài)配水的效果分析。按照水資源配置的概念,制度配置也稱為機(jī)制配置,主要根據(jù)非科學(xué)技術(shù)手段對用水部門進(jìn)行配置。國際上所進(jìn)行的流域水資源配置行為,所依賴的內(nèi)在機(jī)制可分為以邊際成本價(jià)格進(jìn)行水資源配置(MCP)、以行政管理手段的公共(行政)水資源配置(PAWA)、以水市場(WA)運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行水資源配置和以用戶進(jìn)行水資源配置(UA)等4個(gè)方面［5］。而將生態(tài)系統(tǒng)作為配置的一個(gè)組成部分則主要是以行政手段和市場手段為主。Giannias和Lekakis［6］采用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法,對于水資源分配和沖突問題提出了政策性的考慮,希望通過政治途徑,例如談判分析來獲取水資源的合理分配和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù),保證生態(tài)配水。另一方面,針對水權(quán)問題，不同的國家也有不同的規(guī)定。Symphorian等〔7］在其文章中不僅通過耦合南非的BBM模型和Warlfex模型對津巴布韋的生態(tài)需水量進(jìn)行估算同時(shí)對于給生態(tài)環(huán)境水權(quán)分配的可能性進(jìn)行了論證,這也為生態(tài)配水的計(jì)算提供了依據(jù)。與之處于論證階段不同,在美國明尼蘇達(dá)州,生態(tài)配水是通過立法方式進(jìn)行的,按照用水部門用水權(quán)的優(yōu)先度的高低來配置。其中,居民生活用水和生態(tài)用水處于前兩位的用水優(yōu)先度,尤其是遇到干旱年份,應(yīng)該將這種分配權(quán)下放到地方政府,首先滿足生活用水和生態(tài)用水［8］。相比而言,對于發(fā)展中國家來說,這種通過優(yōu)先權(quán)的行政設(shè)定來保證生態(tài)用水并不適合,而且會(huì)因?yàn)樾碌挠盟块T得不到優(yōu)先權(quán)而受到公平性的質(zhì)疑,因此,非洲國家津巴布韋放棄了這種用水優(yōu)先權(quán)制度,而采用按比例分配(proportionalwaterallocation)通過供水能力和水權(quán)許可制度來保證包括生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的各部門的用水需求。這種方式由于簡單、可操作性強(qiáng),能夠保證公平在該國取得了成功的應(yīng)用［9］。同時(shí),實(shí)踐證明這種用水分配方式由于水權(quán)的一致性易于建立水市場［10］。因此,無論采用那種類型的行政管理手段,都是與各國政策和實(shí)際情況密切相關(guān)的。而在我國,雖然在某些規(guī)定中強(qiáng)盜了生態(tài)配水的重要性,但是對于生態(tài)配水的執(zhí)行性尚處于探索階段。另外一個(gè)方面,是建立水市場,實(shí)現(xiàn)水的使用權(quán)轉(zhuǎn)讓,實(shí)際上是政府適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)體制的一種水資源管理和配置所采用的經(jīng)濟(jì)手段,而在此基礎(chǔ)上,針對水資源的價(jià)值開展了不少的工作［11］。20世紀(jì)80年代,在美國、印度、墨西哥、中東和澳大利亞等就出現(xiàn)了一些水交易市場［12~15］。Mahan等［16］針對加拿大地表水資源配置依據(jù)水市場，對于不同年份的地表水資源分配效率進(jìn)行了分析。Ballestero等［17］通過多準(zhǔn)則決策中的CP(compromiseprogramming)方法來建立水市場,并對其敏感性進(jìn)行分析。但這些水市場并未單獨(dú)考慮生態(tài)水,都只是從經(jīng)濟(jì)角度對水資源的合理配置進(jìn)行分析。四．引大濟(jì)湟總干渠工程對大通河水生生態(tài)環(huán)境的影響及對策研究了青海省引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程建設(shè)對大通河干流中上游水生生態(tài)環(huán)境的影響及保護(hù)措施。現(xiàn)場捕獲魚類9種，采集浮游植物26種，浮游動(dòng)物10種，底棲動(dòng)物14種，水生維管束植物4種，重點(diǎn)分析了魚類種類組成、種群結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)保護(hù)種類以及繁殖習(xí)性等。分析工程建設(shè)造成的阻隔、水文情勢變化和生境變化等對魚類和其他水生生物的影響，提出生態(tài)放水、修建過魚道、人工增殖放流、加強(qiáng)監(jiān)測和回顧評價(jià)工作等措施，切實(shí)保護(hù)魚類資源和生態(tài)環(huán)境。為保證生態(tài)水量的下泄,除需設(shè)計(jì)合理的調(diào)水方案外,還需采取相應(yīng)的工程措施來強(qiáng)制保證。研究提出利用引水樞紐壩體現(xiàn)有設(shè)施建一座小型壩后式水電站,靠沖砂閘左側(cè)布置,利用引水樞紐形成的上下游水位落差和調(diào)水后剩余的流量以及下泄生態(tài)流量進(jìn)行發(fā)電,以選型為軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組基荷發(fā)電,結(jié)合魚道和泄洪沖沙閘下泄生態(tài)流量。在4月、11月,當(dāng)上游來水流量大于10m3/s時(shí)，由單臺(tái)機(jī)組發(fā)電的尾水下泄10m3/s的生態(tài)流量；當(dāng)來水流量小于10m3/s時(shí)，由生態(tài)電站或泄洪沖沙閘將來水全部下泄;在5)10月期間,由單臺(tái)機(jī)組發(fā)電的尾水下泄2011m3/s的生態(tài)流量，天然來水不足2011m3/s時(shí)，停止取水，將天然來水全部下泄。工程最初的設(shè)計(jì)方案未考慮生態(tài)放水工程措施，研究提出的上述生態(tài)水量保障措施被納入工程設(shè)計(jì)并在該工程建設(shè)中得以實(shí)施。五．干旱區(qū)水資源開發(fā)利用引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究目前國際上一般以40%作為流域水資源開發(fā)利用的警戒線，近年來中國工程院有關(guān)專家通過總結(jié)各方面的研究成果后認(rèn)為，西北內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水以各占50%為宜［58］，即流域至少需要50%的水資源留給生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，否則會(huì)造成流域生態(tài)系統(tǒng)退化。至于水資源開發(fā)利用到何種程度會(huì)造成流域生態(tài)系統(tǒng)不可恢復(fù)或最終崩潰，目前鮮有研究。而對于地表河流，人們也提出了生態(tài)流量占徑流量比例的概念，并提出了不同的計(jì)算方法［59］。其中，美國規(guī)定河道內(nèi)大多數(shù)水生生物在主要生長期優(yōu)良的棲息條件和多數(shù)娛樂用途所推薦的徑流量為P=50%頻率下的河道徑流量的60%,保持大多數(shù)水生動(dòng)物有良好的棲息條件和一般的娛樂活動(dòng)所推薦的基本徑流量為P=50%頻率下河道徑流量的30%~60%；而河道內(nèi)徑流為P=50%頻率下河道流量的10%(即90%為河道外耗水)，是保持大多數(shù)水生生物在全年生存所推薦的最低徑流量。國內(nèi)部分學(xué)者也提出了河流生態(tài)系統(tǒng)合理生態(tài)用水比例的概念，并根據(jù)最小生態(tài)需水、最佳生態(tài)需水、最大生態(tài)需水確定河流合理生態(tài)用水的閾值區(qū)間，在此區(qū)間之外，水資源開發(fā)利用都會(huì)對河流生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響［60］。而對于干旱區(qū)的湖泊和地下水，人們提出了合理生態(tài)水位的概念，并提出了不同的計(jì)算方法，還分析了低于最低生態(tài)水位和超過最大在對干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境之間相互關(guān)系與相互作用機(jī)理研究不斷加強(qiáng)的基礎(chǔ)上，人們不再滿足于僅對水資源開發(fā)利用引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行描述和統(tǒng)計(jì)分析，而是開始嘗試運(yùn)用各種方法來模擬水資源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的影響過程，并不同水資源開發(fā)利用模式或社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長方式下的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化趨勢進(jìn)行情景預(yù)測，以期為干旱區(qū)水資源可持續(xù)開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供優(yōu)化方案和科學(xué)決策依據(jù)。目前，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些重要進(jìn)展。例如，陳曦等利用地理信息系統(tǒng)、洪水演進(jìn)、遙感方法，通過對塔里木河干流燦木里克漫溢型生態(tài)用水調(diào)控的分析，建立了生態(tài)放水漫溢模型，動(dòng)態(tài)模擬了生態(tài)放水的漫溢過程，分析了生態(tài)用水量與生態(tài)保護(hù)范圍、放水淹沒時(shí)間之間的定量關(guān)系［70］；叢振濤等根據(jù)塔里木河下游3次應(yīng)急輸水的有關(guān)資料，從流量沿程損失率及水頭前進(jìn)速度出發(fā)，模擬了歷次輸水的流量沿程分布、輸水距離、輸水歷時(shí)及輸水水量，建立了塔里木河下游輸水半經(jīng)驗(yàn)半機(jī)理模型，提出了輸水距離長、生態(tài)保護(hù)效益好的輸水方案旳；Murray-Hudson等對氣候變化下博茨瓦納Okavango三角洲及其上游的水資源利用方案設(shè)定了不同的發(fā)展情景，并對不同情景下下游三角洲的水文與生態(tài)系統(tǒng)變化進(jìn)行了仿真模?［72］張華等應(yīng)用CLUE-S模型，以黑河中上游張掖市為例，分別模擬生態(tài)水位對干旱區(qū)植被、土壤等的不利影響［61,62］。水資源開發(fā)利用的合理閾值、水資源開發(fā)利用的最大極限、河流合理生態(tài)用水比例等的確定，最終都要涉及到生態(tài)環(huán)境需水的研究。只要計(jì)算出流域或區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需水，就可以根據(jù)流域或區(qū)域的水資源總量和已經(jīng)開發(fā)利用的水資源量，來準(zhǔn)確生態(tài)放水國外研究成果一．伏爾加河下游有利于生態(tài)的春季放水可行性研究下述辦法可以改進(jìn)放水方式:重新審查各有關(guān)部門配水的優(yōu)先次序;改進(jìn)河川徑流預(yù)報(bào)工作;利用整個(gè)梯級水庫的調(diào)節(jié)庫容和伏爾加三角洲分水建筑物改進(jìn)河川徑流的調(diào)控等。尤其需要指出的是,伏爾加河下游生態(tài)狀能否改善與梯級水庫群運(yùn)行方式有關(guān),首先是與水庫汛前消落操作方式有關(guān)。近10年來.許多科研設(shè)計(jì)單位開展了這方面的研究。里海漁業(yè)科研所提出的建議.可作為解決此問題的有代表性的一種辦法該建議所提出的有關(guān)多級水庫調(diào)度方式的計(jì)算方法,系以下伏爾加3個(gè)梯級水庫（古比雪夫、薩拉托夫、伏爾加格勒等水庫）的模擬平衡數(shù)學(xué)模型而建立的。按照這3座水庫現(xiàn)行運(yùn)行規(guī)程規(guī)定.根據(jù)每日給定的入庫（古比雪夫水庫）來水量,該計(jì)算方法可擬出能保證滿足漁業(yè)和農(nóng)業(yè)需要的3座水庫運(yùn)行方式。要增加漁業(yè)放水量,從而改善漁業(yè)狀況,有兩種可行的途徑:一是強(qiáng)行抬高薩拉托夫和伏爾加格勒兩座水庫的上游水位高程,以便蓄存部分冬季流量;二是限制古比雪夫水庫冬季消落在50m高程以內(nèi)。然而.這一模型最具誘惑力之處在于,它在運(yùn)作上有可能對春季放水方式進(jìn)行調(diào)控。梯級水庫調(diào)度方式的數(shù)學(xué)模擬,能提供一種確保多年向伏爾加格勒樞紐下游進(jìn)行春季放水的模式。其放水量、放水方式和放水期,應(yīng)與伏爾加一里海漁業(yè)的上述需求相適應(yīng)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在方法上的先決條件是：1?使用PK模型進(jìn)行計(jì)算.這一模型曾多次被用來解決與發(fā)揮伏爾加一卡馬梯級水庫功能有關(guān)的一系列科學(xué)問題和實(shí)際問題。我們認(rèn)為,它較之用于類比研究的平衡模型,有許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)是,該模型能保證水流動(dòng)態(tài)平衡有比較嚴(yán)格的計(jì)算要求，而這種計(jì)算可利用梯級樞紐站（斷面）間汛流到達(dá)時(shí)間（T）的求導(dǎo)值進(jìn)行。在春季,洪峰從雷賓斯克樞紐到達(dá)伏爾加格勒樞紐的時(shí)間（：）約需10天。此模型的算法是建立在被優(yōu)化的判據(jù)（最大發(fā)電量）之上的,從而可以在給定限值范圍內(nèi)能比較嚴(yán)格地估算出梯級的動(dòng)能指標(biāo)及在其他部門（指下游漁業(yè)）最優(yōu)放水方式下給發(fā)電帶來的損失。2.作為計(jì)算依據(jù)取用年列相當(dāng)長（15）。二．國外水庫生態(tài)調(diào)度發(fā)展?fàn)顩r為了有效地控制和減少由于水文情勢變化（包括水富營養(yǎng)化和有機(jī)污染等）所導(dǎo)致的大范圍生態(tài)系統(tǒng)的退化。國外大型水庫生態(tài)澗度措施有：以流域水利工程措施如何作用和影響流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)為主要研究內(nèi)容。早在20世紀(jì)40年代，隨著水庫的建設(shè)和水資源開發(fā)利用程度的提高，美國魚類和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)對河道內(nèi)水文情勢變化與魚類生長繁殖、產(chǎn)量等之間的關(guān)系進(jìn)行了許多研究，強(qiáng)調(diào)了河川釋流作為生態(tài)因子的重要性”。在20世紀(jì)70年代后，澳大利II、南非、法國和加拿大等國家針對河流生態(tài)系統(tǒng)，比較系統(tǒng)地開展了關(guān)丁魚類生K繁殖、產(chǎn)量與河流流量關(guān)系的研究，同時(shí)，有關(guān)生態(tài)對象的研究也開始從單純的魚類擴(kuò)展到其他水生生物類型”。1991?1996年，田納西河流域管理局(TvA)在其管理的20個(gè)水庫通過提高水庫泄流水量及水質(zhì)，對水庫調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。具體包括：通過適當(dāng)?shù)目谡{(diào)節(jié)、渦輪機(jī)脈動(dòng)運(yùn)行、設(shè)置小型機(jī)組、再調(diào)節(jié)堰等提高r游河道最小流量，通過渦輪機(jī)通風(fēng)、渦輪機(jī)摻氣、表面水泵、摻氧裝置、復(fù)氧堰等設(shè)施，提高了水庫下泄水流的溶解氧濃度，對改善下游水域生態(tài)環(huán)境起了重要作用。2004年5月，TVA董事會(huì)批準(zhǔn)了一項(xiàng)新的河流與水庫系統(tǒng)調(diào)度政策。這項(xiàng)政策將TVA的水庫調(diào)度的視點(diǎn)從水庫水位的升降調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移到運(yùn)用其所管理的水庫，米管理整個(gè)河流系統(tǒng)的生態(tài)需水量。自從Junk在1982年第