淮河流域最小生態(tài)需水計(jì)算

淮河流域最小生態(tài)需水計(jì)算

1傳統(tǒng)河流水生態(tài)流量計(jì)算方法生態(tài)需水是人類與水生態(tài)關(guān)系的核心，是生態(tài)水資源分配的關(guān)鍵。生態(tài)需水計(jì)算方法是確定生態(tài)所需水的關(guān)鍵。在我國的華北平原，由于河流旱季生態(tài)用水的顯著減少，導(dǎo)致河流生態(tài)問題的主要因素之一。河流生態(tài)所占的經(jīng)濟(jì)效益很重要。國外河流生態(tài)需水計(jì)算方法大體上可以分為4類:(1)歷史流量法,包括蒙大拿法、流量歷時(shí)曲線法、產(chǎn)水常數(shù)法等;(2)水力定額法,包括濕周法、簡化水尺分析法、R2CROSS法、WSP水力模擬法等;(3)棲息地定額法,包括河道內(nèi)流量增加法(IFIM)、有效寬度(UW)法、加權(quán)有效寬度(WUW)法、偏好面積法等;(4)整體分析法,包括BBM法、澳大利亞的整體法等.歷史流量法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單,容易操作,對于數(shù)據(jù)的要求不是很高,徑流數(shù)據(jù)可以和決定河道內(nèi)流量需求的生態(tài)數(shù)據(jù)相聯(lián)系,容易在規(guī)劃中使用.但由于對河流的實(shí)際情況作了過多的簡化,沒有直接考慮生物需求和生物間的相互影響,只能在優(yōu)先度不高的河段使用,或者作為其他方法的一種粗略檢驗(yàn).與非現(xiàn)場類型的歷史流量法相比,水力定額法包含了更多更為具體的河流信息.然而這類方法也忽視了水流流速的變化,未能考慮河流中具體的物種或物種各生命階段對流量的需求.同時(shí)該類方法假設(shè)河道是穩(wěn)定的、所選擇的橫截面能夠確切的表征整個(gè)河道,而是實(shí)際上并非如此.棲息地定額法把大量的水文水化學(xué)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與選定的水生生物種在不同生長階段的生物學(xué)信息相結(jié)合,評價(jià)流量變化對棲息地的影響.考慮的主要指標(biāo)有水的流速、最小水深、底質(zhì)情況、水溫度、溶解氧、總堿度、濁度、透光度等.由于棲息地定額法是定量的而且是基于生態(tài)原理的,在美國,認(rèn)為它比其他評價(jià)方法更為可靠合理.然而,棲息地定額法往往很復(fù)雜,要求相當(dāng)多的時(shí)間、金錢和專門技術(shù),并且要求輸入的生態(tài)信息是缺乏的.傳統(tǒng)的棲息地法將其重點(diǎn)放在一些河流生物物種的保護(hù),而沒有考慮諸如河流規(guī)劃以及包括河流兩岸在內(nèi)的整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng),由此計(jì)算出的生態(tài)流量結(jié)果,并不符合整個(gè)河流的管理要求.整體分析法建立在盡量維持河流水生態(tài)系統(tǒng)天然功能的原則之上,整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的需求,包括發(fā)源地、河道、河岸地帶、洪積平原、地下水、濕地和河口都需要評價(jià).國外河道最小生態(tài)需水計(jì)算方法很多.但是,由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,沒有一種被公認(rèn)的通用的方法.多數(shù)計(jì)算方法為經(jīng)驗(yàn)的和半經(jīng)驗(yàn)的方法,因此,這些方法在我國未必使用.同時(shí),由于我國生態(tài)資料缺乏,一些計(jì)算方法無法使用.因此,研究適合我國河流生態(tài)特性和資料條件的計(jì)算方法成為生態(tài)需水研究的重要問題.2研究區(qū)域和方法2.1地下水水資源量和利用率高,水資源利用率高,導(dǎo)致地下水資源量較低,存在生態(tài)問題.潁河屬淮河流域,其大部分流域面積位于淮河以北平原區(qū),暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū).區(qū)內(nèi)多年平均降水量約為715mm,年平均水面蒸發(fā)量為900～1100mm.夏季雨量充沛,降水集中,汛期(6～9月)多年平均降水量占年降水量的55.7%.區(qū)內(nèi)耕地多,人口密度大,人均水資源量約300m3/年,是全國平均值的1/7,水資源非常缺乏,供需矛盾突出,水資源利用率高.由于水資源利用率高,進(jìn)入中下游河道枯季水量大幅減少.為抽取當(dāng)?shù)赜邢薜暮铀?修建多處攔河閘,引用河流水源,導(dǎo)致下游河流干涸、斷流,出現(xiàn)許多生態(tài)問題.2.2學(xué)習(xí)方法從兩個(gè)方面研究河道最小生態(tài)需水:第一,研究河道水文和地形子系統(tǒng)的最小生態(tài)需水;第二,研究河道水文、地形和生物子系統(tǒng)最小生態(tài)需水.2.2.1水文與河流形態(tài)的分析2.2.1.枯季水體最小生態(tài)需水量模型河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)由水文、地形、生物、水質(zhì)和連同性5部分組成,這5個(gè)部分在生態(tài)系統(tǒng)中有各自的作用,它們各自的功能和相互間的作用決定了河流的功能.在5個(gè)部分中,水文是主動(dòng)的和起主導(dǎo)性作用的部分,正是有了水才稱之為河流.水文循環(huán)的存在導(dǎo)致了河流的產(chǎn)生,水文循環(huán)的改變導(dǎo)致河流的改變.河道為河道內(nèi)水文的存在提供了支撐和舞臺(tái),同時(shí),又對水文產(chǎn)生著制約.河流中的生物適應(yīng)著水流與河床形態(tài).水流與河床構(gòu)成的空間是生物賴以生存的棲息地,是生物生存的最基本的條件,因此,水文和地形構(gòu)成了河流生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分.要維持河流自身的基本功能,必須使其維持在一定的水平.為此,從水文、地形及其相互作用方面,研究維持河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)自身基本功能不嚴(yán)重退化所需要的最小水量——枯季水體最小生態(tài)需水量.河道枯季水體最小生態(tài)需水定義:維持枯季河道內(nèi)水文和地形子系統(tǒng)基本功能所需要的最小水量.在本文中,河道枯季水體最小生態(tài)需水簡稱為河道水體最小生態(tài)需水.在河道中流動(dòng)的水和巖土發(fā)生作用,形成了各種各樣的河床形態(tài).河床是河川水流與其底部的土相互作用的產(chǎn)物.在相互作用的過程中,形成與這個(gè)過程相適應(yīng)的河床形態(tài).水流在此河床上的流動(dòng)形成了水面寬度、水深、流速等水力條件.水面寬度、水深和流速是河流的重要特征,其中,水面寬度是河流更為重要的特征.河流重要特征的存在才使河流稱之為河流.在自然河流中,水面寬與河流流量高度相關(guān),往往是一一對應(yīng)的.河流枯季的生態(tài)功能與河流水面寬度密切相連.如娛樂與生態(tài)旅游、美學(xué)方面、激勵(lì)功能、教育功能、故土情等文化功能,均需要一定的水面寬度的保證.在枯季,河流中水生生物需要一定的水面寬,過小的水面寬度,將導(dǎo)致水生生物的繁衍和生長受到限制乃至死亡.因此,將水面寬度作為表達(dá)河流特征的指標(biāo).河流流量與水面寬的關(guān)系和河床橫斷面形態(tài)存在密切關(guān)系.河床中低水橫斷面形態(tài)可以分為U型、三角形、U型和三角形的復(fù)合型.(1)流量和水面寬關(guān)系線的概化沖積河流在直線河段上斷面形狀一般呈梯形,在彎道處則凹岸水深而凸岸水淺,斷面不對稱.愈到下游去,由于寬度增加的速度超過水深,斷面接近長方形的程度有所加大.梯形、長方形橫斷面形態(tài)都可以概化為U型斷面,見圖1.使用實(shí)測流量和水面寬數(shù)據(jù)點(diǎn)繪流量和水面寬關(guān)系線,對該關(guān)系線進(jìn)行概化,形成流量和水面寬關(guān)系概化圖,見圖2.從圖2可知,流量和水面寬關(guān)系線有一個(gè)突變點(diǎn).在突變點(diǎn)以下,每減少一個(gè)單位的流量,水面寬的損失量將比突變點(diǎn)以上顯著增加,河流寬度特征和相應(yīng)生態(tài)功能將嚴(yán)重?fù)p失.根據(jù)對淮河、海河等流域水文站斷面流量和水面寬關(guān)系的分析,突變點(diǎn)相應(yīng)的水面寬一般占多年平均天然流量相應(yīng)水面寬的55%～75%.將突變點(diǎn)處相應(yīng)流量作為河道水體最小生態(tài)需水,可以保留河流河寬55%～75%的特征,也即保留河流大部分特征.如果流量進(jìn)一步減少,則每減少一個(gè)單位的流量,河寬減少量顯著增加,是得不償失的,因此,將流量和水面寬關(guān)系突變點(diǎn)相應(yīng)流量作為最小生態(tài)流量.從河床橫斷面形態(tài)上看,突變點(diǎn)的位置在灘地的上邊沿處,見圖1.突變點(diǎn)在數(shù)學(xué)上的意義是以流量為自變量的水面寬和流量關(guān)系函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的最大值,也是二階導(dǎo)數(shù)為零的地方,見圖3.(2)u型和三角形混合截面此種斷面也存在和U型斷面類似的突變點(diǎn),其原理和U型斷面類似.(3)歷史文站點(diǎn)因?yàn)槿切螖嗝鏇]有地形上的突變點(diǎn),因此,本方法不適用于三角形斷面.我國現(xiàn)在具有完善的水文站網(wǎng)絡(luò),大部分水文站有20世紀(jì)50年代至今的河床大斷面、水位、流量、水面寬等歷史資料,可以滿足河床形態(tài)分析法的資料需求.2.2.1.水文站斷面位置的選擇本方法用水文站斷面資料計(jì)算河道水體最小生態(tài)需水,存在水文站斷面對河段其他橫斷面的代表性問題.水文站選擇在河床順直、穩(wěn)定、水流集中、低水部分沒有深坑和便于布設(shè)測驗(yàn)設(shè)施的河段,順直長度一般應(yīng)不少于洪水時(shí)主槽河寬的3～5倍.山區(qū)河流,在保證測驗(yàn)工作安全的前提下,盡可能選在急灘、石梁、卡口等控制斷面的上游.測驗(yàn)河段要盡量避開變動(dòng)回水、急劇沖淤變化、分流、斜流、嚴(yán)重漫灘等不利影響.水文站斷面應(yīng)該在其他河流的匯入口或潮汐作用的上游有足夠遠(yuǎn)的距離,以避免測站受到其它河流或潮汐的各種變化的影響.從以上選擇的條件看,水文斷面設(shè)在河床順直段,測驗(yàn)斷面沒有深坑的河段.其對河道順直段河床形態(tài)具有代表性.河道可以分為順直段和彎道段.河道大部分為順直段.由于彎道處河床水深大于順直段,在枯季時(shí),對生物來說,彎道比直道更安全.因此,用河道順直段求河道水體最小生態(tài)需水是安全的,水文站斷面資料計(jì)算的最小生態(tài)需水能夠代表河段的情況.2.2.1.3.水文和河床形態(tài)分析的計(jì)算順序(1)水文站的選取及資料說明根據(jù)任務(wù)要求,選擇合適的水文站.盡量在同一條河流的上下游選取多個(gè)水文站,以便進(jìn)行系統(tǒng)的分析.水文站宜滿足如下條件:研究站點(diǎn)要能基本控制待研究河流的水量;選取的水文站要具有需要的觀測項(xiàng)目:水位、流量、大斷面等;選取的水文站要具有足夠長的觀測資料.(2)了解水文站的發(fā)展歷史水文站的斷面位置、觀測項(xiàng)目、水文站河段觀測條件、水位高程基面等均可能隨時(shí)間發(fā)生變化.因此,需要掌握水文站沿革史.(3)根據(jù)情況選擇合適的計(jì)算時(shí)段由于河床是河川水流與其底部的土相互作用的產(chǎn)物.河川水流發(fā)生改變,則可能導(dǎo)致河床的改變.因此,需要分析水流變化情況,根據(jù)情況選擇合適的計(jì)算時(shí)段.也可以選擇若干個(gè)計(jì)算時(shí)段分別代表不同的情況,例如:人類干擾少的情況,水資源大規(guī)模開發(fā)后的情況,下游攔河閘修建后的情況等.(4)計(jì)算段選擇需要在計(jì)算時(shí)段內(nèi)選擇計(jì)算斷面.水文站每年一般有一次至兩次實(shí)測大斷面.選擇的計(jì)算斷面應(yīng)為枯水期斷面.(5)流量與水面寬關(guān)系有兩種方法可以獲得流量和水面寬關(guān)系突變點(diǎn)和相應(yīng)生態(tài)流量:第一種方法,直接建立流量和水面寬關(guān)系,用該關(guān)系線確定突變點(diǎn)和相應(yīng)生態(tài)流量;第二種方法是間接的方法,用實(shí)測大斷面數(shù)據(jù),建立該大斷面水位和水面寬關(guān)系.用該關(guān)系線確定突變點(diǎn).建立水位流量關(guān)系,用突變點(diǎn)水位查得相應(yīng)流量即為相應(yīng)生態(tài)流量.(6)最小生態(tài)需水用水文站斷面資料,計(jì)算的各斷面相應(yīng)生態(tài)流量一般不同.產(chǎn)生差異的原因是因?yàn)楹拥罊M斷面出現(xiàn)沖淤變化,影響流量與水面寬關(guān)系.為使各個(gè)生態(tài)流量均得到滿足,取各個(gè)生態(tài)流量的最大值即為河道水體最小生態(tài)需水.2.2.1..2河道斷面類型河床形態(tài)分析法適用于自由流動(dòng)的具有U型斷面、接近于U型斷面及U型與三角形復(fù)合斷面的河流.對受下游湖泊、海洋、人工建筑物等阻水影響的河道不適用.對低水部分為三角形的河床不適用.分汊河流問題較多.2.2.1.確定最小生態(tài)流量對低水部分沒有水面寬和流量關(guān)系突變點(diǎn)的河床(一般為三角形河床),可以用相關(guān)分析法確定最小生態(tài)流量.由于河流是一個(gè)連續(xù)體,上下游存在著某種聯(lián)系.因此,可以利用這種聯(lián)系確定最小生態(tài)流量.根據(jù)同一條河流上下游已有最小生態(tài)流量百分比和多年平均天然流量資料,建立同一條河流上下游最小生態(tài)流量百分比和多年平均天然流量相關(guān)關(guān)系.用待計(jì)算斷面的多年平均天然流量和上述相關(guān)關(guān)系,計(jì)算最小生態(tài)流量.當(dāng)無法建立相關(guān)關(guān)系時(shí),可以移用附近相似流域的最小生態(tài)流量百分率.然后,用此最小生態(tài)流量百分率和本站多年平均天然流量計(jì)算本站最小生態(tài)流量.2.2.1.資料與研究分析(1)可以獲得歷史資料.為生態(tài)需水研究進(jìn)行野外生態(tài)觀測,僅能獲得觀測期的資料,資料長度往往非常有限,并且不能獲得觀測期以前的資料.而水文站具有幾十年的長系列歷史資料,可以反映歷史情況,克服了短期現(xiàn)場生態(tài)觀測存在的隨機(jī)性和測量誤差.例如濕周法采用一到幾個(gè)月內(nèi)數(shù)次實(shí)測的流量和斷面水力參數(shù)資料確定生態(tài)需水量,使得生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果存在較大的隨機(jī)性.(2)資料充分.我國河流具有完備的水文站網(wǎng)絡(luò),大部分水文站有1950年至今的長系列的觀測資料,具有充分的生態(tài)需水研究資料.(3)資料可靠.河流水文站由國家水文監(jiān)測部門設(shè)立,系統(tǒng)記錄了水位、流量、流速、水深等水文特征參數(shù),而且作為國家基礎(chǔ)資料正式刊布,因此水文資料的可靠性有保障.(4)可以進(jìn)行大規(guī)模研究.我國有完備的水文站網(wǎng)絡(luò),覆蓋絕大部分國土,具備進(jìn)行大規(guī)模生態(tài)需水研究的條件.而由于時(shí)間和經(jīng)