九龍江流域生態(tài)環(huán)境需水量估算

九龍江流域生態(tài)環(huán)境需水量估算

1生態(tài)環(huán)境需水量估算方法研究研究該流域生態(tài)環(huán)境所需的水資源數(shù)量的重要性在于防止河流的過(guò)度開(kāi)發(fā)和水資源的生態(tài)空間，并促進(jìn)實(shí)現(xiàn)水資源的合理開(kāi)發(fā)、配置和利用。目前，對(duì)生態(tài)環(huán)境的需求研究沒(méi)有統(tǒng)一的概念，也沒(méi)有明確的定義。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)環(huán)境的需求分為兩部分：河流生態(tài)環(huán)境的需求量和河流外生態(tài)環(huán)境的需求量。國(guó)外對(duì)于河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的研究最早是關(guān)于河道枯水流量(low-flow)的研究,即“持續(xù)干旱的天氣下河流中水流流量”.后來(lái),考慮水質(zhì)、生態(tài)等因素,陸續(xù)出現(xiàn)了最小可接受流量(minimumacceptableflow)、最小河流需水量(minimuminstreamflowrequirements)、河流環(huán)境需水(environmentalinstreamflowrequirements)等概念.以上這些河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量概念雖然簡(jiǎn)單,但應(yīng)用卻最為廣泛,并且有了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法.這些方法主要是水文學(xué)基礎(chǔ)方法,即僅對(duì)歷史流量數(shù)據(jù)分析,很少或者不對(duì)流域進(jìn)行具體工作.例如Tennant法以平均年流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ),以滿足魚(yú)類和其他水生生物賴以生存為目的所必須的季節(jié)性流量來(lái)代表生態(tài)環(huán)境需水量.枯水頻率法(7Q10法)采用90%頻率枯水流量時(shí)期連續(xù)7d的平均水量作為預(yù)算值,該方法及其變種方法是目前計(jì)算最為簡(jiǎn)單的一種方法,國(guó)內(nèi)外研究中廣泛采用.除了以水文法進(jìn)行研究河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量外,國(guó)外許多學(xué)者逐漸將河流水文條件與生物生存環(huán)境的關(guān)系等方面的研究引入進(jìn)來(lái).比如研究河流流量與魚(yú)類棲息環(huán)境的關(guān)系,對(duì)河流沿岸植被生長(zhǎng)的影響,對(duì)生物多樣性的作用等等.另外很多研究是考慮各種水利工程引起的水力條件變化所造成的河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.這些研究對(duì)應(yīng)的方法有棲息地偏愛(ài)法、地形結(jié)構(gòu)法等.總體而言,水文學(xué)方法以外的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量研究方法雖然觀點(diǎn)新穎,但研究資料獲取難度大,沒(méi)有形成可以通用的指標(biāo)體系,難以在不同地區(qū)采用和借鑒.國(guó)內(nèi)對(duì)于生態(tài)環(huán)境需水量的研究起步較晚,系統(tǒng)研究河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的工作尚處于起步階段,對(duì)其概念、內(nèi)涵和外延等沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).目前有關(guān)生態(tài)環(huán)境需水量的前沿研究,大多停留在概念的提出或定性分析上,缺乏定量評(píng)價(jià)的理論模型與方法.楊志峰等人對(duì)各種河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水研究方法進(jìn)行了比較,并結(jié)合我國(guó)情況分析了其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景.李麗娟等人則認(rèn)為河道內(nèi)生態(tài)需水包括維持河流長(zhǎng)度、流域面積、輸沙排鹽以及保證河道內(nèi)生物群落不被破壞所需的最小水量.可以說(shuō),數(shù)據(jù)資料的搜集與合適計(jì)算方法的選擇,是進(jìn)行生態(tài)環(huán)境需水量研究的關(guān)鍵.有部分學(xué)者在不同地區(qū),根據(jù)對(duì)生態(tài)環(huán)境需水量概念的不同理解,采用不同的計(jì)算方法進(jìn)行了一些區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量定量估算與評(píng)價(jià)的嘗試,這些區(qū)域多集中在水資源缺乏的西北干旱半干旱區(qū)和黃河、海灤河流域.河道外生態(tài)環(huán)境需水量估算方法涉及生態(tài)、環(huán)境、水文、生物多學(xué)科領(lǐng)域.有具體概念認(rèn)為,河道外生態(tài)環(huán)境需水量是指為維持河道外各種天然生態(tài)系統(tǒng)的功能與狀態(tài)基本穩(wěn)定時(shí)所需的最小水量.河道外生態(tài)環(huán)境需水量針對(duì)天然植被和人工植被的生態(tài)需水研究較多.關(guān)于河道外生態(tài)環(huán)境需水量的概念一直有較大爭(zhēng)議,即人類活動(dòng)對(duì)水的需求是否應(yīng)該納入進(jìn)來(lái).事實(shí)上如果把人類活動(dòng)納入到流域的生態(tài)范疇中來(lái),河道外生態(tài)環(huán)境需水量研究就成為一個(gè)簡(jiǎn)單的水量平衡問(wèn)題,也就是一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入流域的降水量與流出流域的水量(包括地表和地下徑流)之差.有的學(xué)者又把河道外生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行細(xì)化,比如分為植被生態(tài)需水、湖泊濕地需水、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)需水、城市生態(tài)需水、地下水補(bǔ)償需水等等.如果分別對(duì)這些部分進(jìn)行估算,不但存在數(shù)據(jù)缺乏、計(jì)算方案難以選擇而造成的估算結(jié)果誤差較大的問(wèn)題,而且各部分內(nèi)容是否能夠考慮全面,是否重復(fù)計(jì)算都會(huì)帶來(lái)不可預(yù)期的問(wèn)題.可以說(shuō),河道外生態(tài)環(huán)境需水的研究可以從上述方面進(jìn)行微觀的研究,但如果從流域水資源與水環(huán)境管理角度出發(fā)進(jìn)行宏觀研究需要更為簡(jiǎn)單而且能夠降低誤差的估算方法.目前,國(guó)內(nèi)外一致認(rèn)為,應(yīng)以生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀作為評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境用水的起點(diǎn),而不是以天然生態(tài)環(huán)境為尺度進(jìn)行評(píng)價(jià).2材料和方法2.1流域自然概況九龍江發(fā)源于龍巖和漳州境內(nèi),流經(jīng)漳州平原由廈門(mén)港入海,流域總面積為1.47×104km2.流域水系由北溪和西溪構(gòu)成,北溪年均徑流量89×108m3,西溪年均徑流量37×108m3,流域多年平均降水量231.44×108m3.流域地貌上屬于山地與平原混合區(qū),氣候上屬于亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū).流域森林覆蓋度60%以上,植被種類繁多,主要是亞熱帶常綠闊葉林、針闊葉林和針葉林為主.北溪和西溪下游的浦南和鄭店水文站可分別代表兩條干流的典型流量.2.2微生物指標(biāo)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算內(nèi)容和方法較多,本文僅采用歷史徑流量水文數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,并沒(méi)有涉及生物多樣性、水力條件變化等因素的考慮.根據(jù)水文學(xué)基礎(chǔ)方法,僅對(duì)歷史流速及流量數(shù)據(jù)分析,很少或者不對(duì)流域進(jìn)行具體工作.最常用的是枯水頻率法(7Q10)法,采用90%頻率枯水流量時(shí)期連續(xù)7d的平均水量作為預(yù)算值.該方法屬于標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)定法,鑒于我國(guó)實(shí)際情況,一般采用近10年最枯月平均流量或90%頻率最枯月平均流量.該方法雖然是主要用于計(jì)算污染物允許排放量,但卻是河流自然生態(tài)用水的真實(shí)體現(xiàn),在其它數(shù)據(jù)缺失的情況下是快速簡(jiǎn)捷的計(jì)算方法.近10年最枯月平均流量法計(jì)算,是指以河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量,即指維持河流系統(tǒng)最基本的生態(tài)環(huán)境功能所需要的最小水量.計(jì)算公式為Wb=Tn∑i=1nQmin(1)Wb=Τn∑i=1nQmin(1)式中:Wb為河流基本生態(tài)環(huán)境需水量(×108m3/a);Qmin為第i年的實(shí)測(cè)最小月平均流量(m3/s);T為換算系數(shù),其值為31.536×10-2;n為統(tǒng)計(jì)年數(shù).對(duì)九龍江浦南和鄭點(diǎn)水文站1995~2004年共10年的逐日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,得到每年實(shí)測(cè)最小月均流量,如表1所示.將表1中數(shù)據(jù)代入式1進(jìn)行加和計(jì)算,可分別得到九龍江北溪和西溪的河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量為24.7×108和13.0×108m3/a.河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法也可以基于美國(guó)“第二次全國(guó)水資源評(píng)價(jià)”(TheSecondNationalWaterAssessment)中提出的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的評(píng)價(jià)指標(biāo):(1)頻率P=70%徑流量時(shí),可以保證大多數(shù)水生生物有基本的棲息條件;(2)頻率P=90%徑流量時(shí),只能提供大多數(shù)水生生物短時(shí)間內(nèi)的生存條件,若長(zhǎng)時(shí)間少于該流量則可能導(dǎo)致物種滅絕,生態(tài)環(huán)境的破壞.對(duì)九龍江浦南和鄭點(diǎn)水文站1995~2004年共10年的逐日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,得到其70%和90%頻率的徑流量,由此計(jì)算全年的生態(tài)環(huán)境需水量,見(jiàn)表2.2.3數(shù)據(jù)選擇對(duì)九龍江流域河道外生態(tài)環(huán)境需水量的估算是從純自然的生態(tài)角度出發(fā),把人類活動(dòng)排除在外,目的是對(duì)人類活動(dòng)需水與自然生態(tài)需水平衡進(jìn)行評(píng)價(jià)和做出建議.因此流域的水量平衡方程可寫(xiě)為P=R+Rg+Vp+D(2)上式中,P為流域時(shí)段降水量,R為流出流域的地表徑流量,Vp表示人類活動(dòng)需水量,Rg表示流出流域地下徑流量,D為河道外生態(tài)環(huán)境需水量.這時(shí)河道外生態(tài)環(huán)境需水量D將包括除人類活動(dòng)外流域的一切自然生態(tài)環(huán)境過(guò)程需水.計(jì)算數(shù)據(jù)選擇遵循兩個(gè)原則:一是選擇九龍江流域降雨量較少(頻率P=80%)年份的徑流及用水資料,可以保證河道外生態(tài)環(huán)境需水是在一種需水較少但能維持生態(tài)平衡的情況;二是選擇近年的情況進(jìn)行研究,保證以生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀作為評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境用水的起點(diǎn).由此選擇滿足上述原則的2003年九龍江流域的降水量與水資源利用數(shù)據(jù)進(jìn)行估算.2003年九龍江北溪和西溪的降水量P值分別為119.55×108和49.87×108m3,合計(jì)169.42×108m3.分別選擇北溪和西溪下游的浦南和鄭店水文站的地表徑流量數(shù)據(jù)代表R值,年徑流量分別為55.2×108和28.6×108m3,合計(jì)83.8×108m3.對(duì)于地下徑流量Rg值的選擇,根據(jù)流域降水補(bǔ)給地下徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下α=I/P(3)上式中,α為降水補(bǔ)給地下徑流系數(shù),I為地下徑流量,P為降水量.根據(jù)文獻(xiàn)資料記載,對(duì)于九龍江流域浦南與鄭店水文站,α分別為0.186和0.190.由此計(jì)算浦南和鄭店水文站的地下徑流量Rg分別為22.2×108和9.5×108m3.通過(guò)對(duì)流域內(nèi)8個(gè)縣市2003年的用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算人類活動(dòng)需水量Vp,見(jiàn)表3所示,根據(jù)上面的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果,按照公式(2)進(jìn)行九龍江流域河道外生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算,如表4所示.3%徑流頻率目前對(duì)生態(tài)環(huán)境需水量分類和計(jì)算方法的研究,還沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算方法體系,存在許多需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題.這包括研究區(qū)域差異帶來(lái)的研究方向和內(nèi)容的不同、缺乏成熟的計(jì)算方法體系、各類生態(tài)環(huán)境需水的計(jì)算重疊、GIS和遙感等新技術(shù)在測(cè)量和計(jì)算方面的應(yīng)用.根據(jù)7Q10方法,用近10年最枯月均流量計(jì)算的九龍江流域河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量合計(jì)為37.7×108m3/a.其中北溪河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量為24.7×108m3/a,占北溪多年平均徑流量的28%,西溪河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量為13.0×108m3/a,占西溪多年平均徑流量的35%.采用不同徑流頻率進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算:90%頻率最枯月平均流量下九龍江北溪河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為26.0×108m3/a,占北溪多年平均徑流量的29%,西溪河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為12.4×108m3/a,占西溪多年平均徑流量的34%.這與采用近10年最枯月均流量計(jì)算方法得到的結(jié)果幾乎相等.可見(jiàn)90%徑流頻率可以代表最枯流量用于河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算,但只能代表河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的最小值,如果不能保證這些需水量,可造成河道內(nèi)部分物種滅絕和生態(tài)環(huán)境的破壞,甚至是不可還原的;70%頻率最枯月平均流量下九龍江北溪河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為40.6×108m3/a,占北溪多年平均徑流量的46%,西溪河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為20.0×108m3/a,占西溪多年平均徑流量的54%.在這些河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的保證下,可以維持良好的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境,如果人類活動(dòng)侵占了這部分水量,可能會(huì)改變河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境,但這種改變是可以還原的.在降水量并不充足的條件下(頻率P=80%),九龍江流域河道外生態(tài)環(huán)境需水量約占降雨量的21%,這與有關(guān)學(xué)者在黃河流域的伊河采用同樣計(jì)算方法所得到的61%的比例差別較大.除去計(jì)算過(guò)程上的誤差,計(jì)算結(jié)果充分表明了我國(guó)南北地區(qū)的差異.九龍江流域處于我國(guó)南方亞熱帶地區(qū),降水量充沛,人類用水和河道外生態(tài)環(huán)境需水所占比例較小,一般不會(huì)因?yàn)槿彼畣?wèn)題造成生態(tài)環(huán)境的惡化.而黃河流域在我國(guó)北方,降水量不足,雖然植被密度相對(duì)較小,但河道外生態(tài)環(huán)境需水量所占比例很大,極有可能在干旱年份造成流域生態(tài)環(huán)境的退化.對(duì)九龍江流域河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的估算由于數(shù)據(jù)獲取的原因,只能是從歷史水文數(shù)據(jù)頻率的角度進(jìn)行,沒(méi)有考慮生物等其它因素.盡管這樣,采用70%徑流量頻率的估算值應(yīng)該是偏高的最小生態(tài)環(huán)境需水量,能滿足要求整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展的要求.在河道外生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算中,人類活動(dòng)需水還存在一部分重新回歸自然生態(tài)環(huán)境的狀況,例如農(nóng)業(yè)灌溉用水就有一部分滲漏的回歸水量,林牧漁產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)用水與自然生態(tài)過(guò)程也難以區(qū)分,本文中并未對(duì)此做深入探討.4河道外生態(tài)環(huán)境需水量(1)根據(jù)水文學(xué)方法計(jì)算的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量,可以僅以河流徑流量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,類似于經(jīng)驗(yàn)判斷.這種方法是目前應(yīng)用最為成熟