海河流域控制性河流生态环境需水量研究（涂向阳,吴天胜,王嵩）

提　要:文中基于水量、水热、水沙和水盐平衡理论和河流生态功能性划分理念,构建考虑了河流基本生态、自净、输沙和生态景观等功能的河流系统生态环境需水量理论体系。以境内河流监测站水文数据为基础,研究海河流域控制性河流的生态环境需水量,结果表明:该区域地表水资源量尚不能满足河流自净水量,河流生态修复年需水量86. 65 ×108m3 / a,城市景观河流生态环境年需水9. 0 ×10 8m3 / a,采取节水措施,减少污染物排放,加强雨水、洪水等非常规水资源开发和调配有望改善现状。

关键词:河流系统;生态需水量;健康状况;生态恢复;海河流域

中图分类号: P333　　　　　　文献标识码: A

河流系统具有输水、输沙、泄洪、自净、航运等多种功能,是众多生物栖居的场所,并具有观赏、娱乐景观作等多种功能。在相对原始状态时期,河流系统河道内水量充足,能满足河流系统生态功能。随着人类活动对水生态环境的负面影响加剧和社会发展用水量的增大,河道内保留水量逐渐减少,当水量小于保证河流生态系统稳定的"阈值"时,河流基本生态功能逐渐退化乃至消失,表明河流水资源开发超出水资源利用极限。为维持河流系统功能健康,在特定时间和空间须保证能满足河流系统诸项功能所需水量,方能达到河流各项功能协调、水资源得以持续利用之目标。

自20世纪70年代后期, Tennant法[ 1 ]和Taxas法[ 2 ]为代表的水文学方法、以湿周法[ 3 ] (wetted perime2termethod)和R2CROSS法[ 4 ]为代表的水力学法在国外河流生态研究相继应用, 90年代后期为数众多的学者参与了生态环境需水量的探讨,建立了针对环境脆弱、干旱问题严重地区不同研究目标的生态需水量模型,研究对象由河流延伸到湿地、湖泊、平原、林地、植被,研究范围由河流系统的带状范围延伸到面状区域,杨志峰等[ 5 ] 、宋进喜等[ 6 ] 、李丽娟等[ 7 ] 、粟晓玲等[ 8 ] 、王西琴等[ 9, 10 ]对生态环境需水量研究成果被引用较多,水文学法和功能设定法在国内应用广泛。目前,关于生态环境需水相关概念的界定、生态环境需水机理方面缺乏共识,理论多着重研究区域生态需水总量,单一河流不同地段多未考虑上下游用水量的连续性,应用功能设定法进行量化研究多未考虑水的多功能性,研究成果指导河流生态修复工程可操作性不强。文中从生态环境需水量理论发展历程,基于水量、水热、水沙和水盐平衡理论和河流生态功能性划分理念,构建考虑了河流基本生态、自净、输沙和生态景观等功能的河流系统生态环境需水量理论体系,对海河流域控制性河流进行研究,以期能为该地区主要河流生态修复工作提出明确的量化指标。

1 生态环境需水量的基本理论

1. 1 生态环境需水量研究的必要性

(1)人类在功利驱动下,追求经济利益,忽视生态系统的环境功能建设的状况在一定时期内成为了必然,水土流失、土地沙漠化、生物多样性减少、河流断流、水体污染、河湖萎缩以及河道淤积等生态问题,迫使人们对生态环境健康标准和需求进行探求。

(2)西北干旱半干旱区和黄河、海滦河流域是中国水资源缺乏的主要地域,针对特定区域的生态环境需水量的调研和计算,对供水管理具有现实意义。

(3)生态环境需水量研究可反映河流、林地、湿地、河口等特定区域的生态健康状况,可定性和定量反映保持其健康发展必需水量及年内分布,并据此确定区域水生态恢复管理策略,进而影响公众的思想及行为。

(4)工程措施和非工程措施相结合的策略,探求区域内部、区域间水资源在空间上、时间上的合理调配是现代水务管理面对的课题。生态环境需水量的研究成果可为区域性水资源合理配置决策提供良好的基础资料和决策依据。

1. 2 生态环境需水量研究的发展历程

汤奇成(1995年) [ 11 ]首先提出"生态用水"的概念;贾宝全( 1998 年) [ 12 ]提出了生态用水的粗略概念: "在干旱区对绿洲景观的生存与发展及环境质量维护与改善起支持作用的系统(或组分)所消耗的水分,称之为生态用水。"李丽娟等(2000年) [ 7 ]将其分河流基本生态环境、河流输沙排盐和湖泊洼地生态环境三部分,构建计算河流系统生态环境需水量的理论基础。概算了区域河流系统的生态环境需水量,将各个功用的水量单独考虑,忽略了各项功用水量的重叠性。杨志峰( 2003 年) [ 13 ]认为水文学法、BBM法(King利用地形结构估算河流生态环境需水量的方法, The Building B lockMethodology ) 、功能设定法是适合当前我国河流生态环境需水量的研究。

研究者对生态环境需水量的概念理解有差异,有变化;生态需水是一个含义宽泛、定义尚未明确的新概念,随着生态用水领域研究的深入,其内涵、定义及用词将趋于明确。生态环境需水量可定义为:在特定时间和空间的条件下维持和保护河流系统的生态环境功能,诸如调节气候、调蓄洪水、维持河流不断流萎缩及水生生物生存、补给地下水、排盐、输沙、休闲娱乐等功能,并能改善生态环境质量所必需消耗和现存的一定水质要求下的适宜水量。

1. 3 生态需水量空间和时间优化配置原则

(1)从生态系统整体出发,根据河流不同和河段生态环境特点与功能,研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系,使推荐的河道流量能同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、调蓄洪水和景观维护等功能,以满足当前河流综合管理需求。

(2)将河流管理的生态功能需要与河流流量变化特征相联系;纵向的连接;洪泛平原的流量;维持河道的流量,包括最小的和最适宜的流量计算应考虑上游、中下游、湿地和河口的关系,需评估整个河流系统,包括源区、河道、河岸带、洪泛区、地下水、湿地和河口地区。

(3)需综合研究河流流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系,推荐的河道流量能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能。应考虑枯水位、正常水位、洪水位的差异。

(4)河流生态系统年内各月基流量随季节的不同而改变,生态基流量的计算同时具有明显的时间性,应考虑年内不同月份变化。

2 河流系统生态环境需水量模型

河流生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量,是在特定水平下满足河流系统诸项功能所需水量的总称。一方面,河流生态环境需水量可以随时间和空间变化,表现出动态变化的特征;另一方面,河流生态环境需水量具有协调各项河流基本功能的内涵,在特定时空单元内最大限度满足河流主要功能的优先选择性。

河流生态环境用水应该按照功能性需求原则确定满足河流各项功能目标的具体需水;与河川径流、近海潮流的年内变化规律相对应,按照年内不同时段(如洪水期、汛期、非汛期、全年时段等) 河流生态环境用水研究;需按照分河段对河流生态环境需水量进行考察;不同的时段或河段,河流各项功能应有所侧重,按照主功能优先原则确保河流系统功能主要目标的实现。河流系统生态环境需水量功能划分(图1) 。

2. 1 河流基本生态环境需水量

生态环境需水量年内变化从功能协调性和开放性方面考虑恢复生态系统健康。以河口地区径流分布历史资料为依据,以生态环境需水量的分配符合自然规律为目的,在确定年度生态环境需水量总量的基础上,提出河流生态环境需水量年内变化的计算方法。

根据被评测河流历史水文资料,基于数理统计选择某研究地点人为干扰程度较小的水文、水量参数作为参考点,建立理想条件下环境特征及相应生物组成的经验模型。维持常年性河流基本生态环境功能不受破坏,要求年内各时段的河川径流量都能维持在一定的水平上,不出现河道萎缩、断流等生态功能破坏现象。以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的最小生态环境需水量的阈值。

式中:Qdmin为河流的最小生态环境需水量的阈值;Qdmax为河流的最大生态环境需水量的阈值; Qij为水文系列中第i年第j个月的月均流量; n为统计年数。蒙大拿法( Tennant, 1976)在美国通常用于研究优先度不高的河流流量推荐值,该方法为脱离了特定用途的综合型计算方法。河流流量推荐值以预先确定的年平均流量的百分率为基础,或依据日平均流量(Average day Flow)的固定比例来表示。该法不需要现场测量,历史水文资料站点可获得河流年平均流量;无水文站点的河流,通过可行的水文技术获得。

根据生态系统的结构特征将其分成不同的需水类别,每种类型和类别将生态环境需水量划分3个级别:最小需水量、适宜需水量和最大需水量。最小需水量是河流维持自身生态系统所需的最低水量,低于该水量,河流生态系统便会逐渐萎缩、退化甚至消失;适宜需水量是维持河流生态系统所需的合适水量,此时河流生态系统处于健康状态;最大需水量是河流生态系统可能承受的最大水量,超过该水量河流生态系统将面临局部破坏的风险。考虑了丰水年、平水年、枯水年在汛期和非汛期间的生态需水推荐标准(表1) 。

2. 2 河流自净需水量

河流自净需水量是指利用河流水体通过对污染物的自净功能来保护和改善河流水体水质,确保水体满足生态功能要求,天然河道中需要保持的最小水量。天然水体通过物理、化学和生物因素的共同作用,促使水体污染物质浓度的降低,这种天然水体具有特性称为水体自净。物理净化作用是指水体中的污染物通过稀释、扩散、沉淀和挥发作用,使污染物浓度降低;化学净化作用是指进入水中的污染物质与水体组分之间发生化学作用,主要有分解化合、氧化还原、酸碱反映、吸附与解吸等作用。

河流自净需水量Wd ( t, i)可用下式计算: 　Wd ( t, i) =λW ( t, i) (3)

式中:W ( t, i)为某时段某河段的污水排放量,λ为河流稀释系数,根据河流主要控制指标的污水排放标准与河流水环境标准确定。

2. 3 河流输沙需水量

水沙平衡主要是指河流中下游的冲淤平衡。在特定输沙总量条件下,输沙水量直接取决于水流含沙量的大小。河流汛期的输沙量占全年输沙量的80%以上,在日趋广泛应用的人工调水调沙的条件下,利用流量较大、含沙量较大的汛期进行输沙,将有利于对洪水资源的开发和利用;河道冲淤变化幅度是河道形态与水沙条件长期相互作用、相互适应的结果,河道的冲淤变化具有相对"稳定性"和"均衡性"。将河流输沙需水量定义为:河流某一河段或某一断面汛期输送多年平均输沙量所需水量。

式中:Ws 为河流汛期输沙需水量; St 为多年平均输沙量; CMax为多年最大月平均含沙量的均值; Cij为第i年第j月的月平均含沙量; n为统计年数。

2. 4 河流系统生态景观需水量

随着人们对城市亲水景观和亲水娱乐休闲需求的日益增加,城市河流、湿地等水边空间已成为城市现代化发展程度的重要标志,保证城市河湖用水量是生态环境用水中的一项重要内容。据城市河湖建设推算,为满足城市景观和娱乐休闲需要,城市河湖环境用水的下限为人均20m3。

3 海河流域控制性河流生态环境需水量计算

流域主要控制性河流(河段)地质条件、沿程水量、水功能等方面存在差异,河流(河段)环境需水设计断面应选择在行政区区界或有代表性的水质监测断面。以北三河河系为例,应用上述基本生态环境需水量计算方法,潮白河(苏庄站)生态环境需水量各个级别推荐值计算结果(表2) 。海河流域主要控制性河流基本生态环境需水量(平水年)计算结果(表3) 。

1998年,全流域废污水排放总量达55. 6 ×10 8m3 ,废污水中大部分未经处理排入河流和水库,造成地面水的严重污染。地表水的污染河长达75% ,有60%以上的站井达不到饮用水要求。海河流域的水污染主要是工矿企业排放的废水和城镇生活污水携带大量污染物进入河流造成的,其排污行业为化工、造纸、电力、食品、冶金等五个行业,废水排放量占全部工业废水的一半以上。主要污染物为生化学耗氧量(COD) 、挥发酚、氨氮等。从八十年代初起,海河流域的城镇废污水排放量不断增大。1980 - 2005年海河流域废污水统计(表4) 。

2004年全流域地表水资源量为137. 9 ×10 8m3 ,水资源总量为299. 8 ×10 8m3 ,占降水量的17. 4%。2004年全流域各类供水工程总供水量为368. 0 ×10 8m3 ,其中当地地表水占20. 6%,地下水占67. 1% ,引黄水占11. 5% ,其他水源占0. 8%。全流域总用水量为368. 0 ×10 8m3 ,其中农业用水占69. 6% ,工业用水占15. 4% ,生活用水占14. 3% ,生态环境用水占0. 7%。根据《海河流域水污染防治规划》要求,除饮用水源地外,海河流域大部分水体的水质功能要求为IV 类和V 类水。按照现行的《污水综合排放标准》(GB8978 - 88)的COD三级标准(500mg/ l) ,若仅按稀释作用考虑,要达到规划的水质最低功能标准(CODV类, 40mg/ l) ,需要约12倍的清水稀释。海河流域1998 - 2004年年平均废污水排放入河量为53. 28 ×10 8 t,考虑水体自净因素(污染物衰减率按30%计) ,稀释水量约需要144 ×10 8m3 ,甚至大于全流域地表水资源量,对于海河流域的水资源状况而言,尚不具备考虑用清洁水稀释来改善水质的条件。改善河流水质必须靠推广清洁生产技术、控制污染源、提高污水处理率来实现。其中污水排放量与劣V类河流百分数的线性回归方程为: y = - 0. 114 + 0. 012x,相关系数为R = 0. 848,具有显著相关性(图2) 。

河流非汛期输沙量一般占全年输沙量的20% ,在非汛期,河流基本生态环境需水量能满足河流输沙任务,海河流域主要控制性河流汛期输沙用水量计算结果(表5) 。

1998年以前流域内城市河湖环境用水量很小,勉强维持部分城市河流和公园湖泊水质,多数城市河道水质标准不高,部分甚至成为排污河。1999年以后,河湖环境建设得到重视,北京市区水系治理工程、天津市墙子河改造工程、石家庄市的"民心河"建设工程相继实施(表6) 。海河流域在技术、人才、资源、地理条件等经济发展优势,水需求增长过快, 1980 - 2005年,流域总人口从6000万增至1. 25 ×10 8 , GDP以10. 5%的速率增长,现状人均GDP高出全国平均水平的31% ,城镇人口以每年3. 5%的速率增长, 2004年城镇化率已达36% ,即城镇化人口为0. 45亿,总用水量从50年代的91. 0 ×10 8m3 ,增至现状的403 ×10 8m3。据上述城市河湖建设推算,为满足城市景观和娱乐休闲需要,城市河湖环境用水的下限为人均20m3 ,流域内城市景观河流、渠塘生态环境用水每年需9. 0 ×10 8m3。

河流生态环境需水量主要取决于河道和水体状况,汛期足够的输沙水量可控制河床不淤积或少淤积,达到河床稳定河道不抬高、不萎缩之目的;为维护水生物及栖息地环境稳定以及保证河道不断流需要一定水质标准的水量。鉴于海河流域河流水体污染现状,满足河流自净需水量尚不具备条件,海河流域控制性河流生态环境需水量的取值应为维持基本生态需水量、输沙需水量取其最大值与城市河流生态景观需水量求和。海河流域将现状生态修复到20世纪70年代平年水平需要的最小水量,其中未包括改善河道水质所需稀释水量。按照以上原则和方法,海河流域主要控制性河流系统生态修复需水量为86. 65 ×10 8m3 / a,城市景观河流、渠塘生态环境用水每年需9. 0 ×10 8m3 / a。表7为海河流域主要控制性河流生态环境需水量计算成果。

4 结语

(1)在水资源日益短缺的干旱半干旱地区,建立能满足水生生物、植被和河流基本功能并可推广性应用的河流生态环境需水量计算模型,是当前研究重点。模型的建立应依据河流历史发展背景和区域水资源状况的特点作有针对性的调整和改进。

(2)文中构建了考虑河流系统基本生态功能、自净功能、输沙功能和生态景观功能的河流生态环境需水量理论体系,依据海河流域重要河流水文测站实测数据,对其控制性河流的生态环境需水量计算,定量地求出基于水文条件年际变化、年内变化和基本生态环境适应性描述的生态环境需水量。结果表明海河流域河流系统生态环境需水量在一段时间内将很难得到满足,为提高河流系统的生态环境功能,保证河流系统内充足的生态环境需水量,采取全面节水措施,减少污染物排放,加强水资源的管理调配。参考文献

[ 1 ] A H Arthington, JM Zalucki. Comparative Evaluation of environmental flow assessment techniques: review ofmethods[ R ]. Land andWater Resources Research and Development Corporation, 1998, 68 - 69.

[ 2 ] Tennant D L. Instream flow regimens for fish, wildlife, recreation, and related environmental resources" , in Orsborn. J. F. , and Allman, C.H. ( eds) [ J ]. Proceedings of Symposium and Specility Conference on Instream FlowNeeds. American Fisheries Society. Bethesda, Maryland,1976, (18) : 800 - 812.

[ 3 ] Lamb B L. Quantifying instream flows: matching policy and technology. Instream Flow Protction in theWest[M ]. Island Press, Covelo, CA,1989, 23 - 29.

[ 4 ] MoselyM P. The effect of changing discharge on channelmorphology and instream uses and in a braide river, O - hau River[ J ]. New Zealand Water Resources Researches, 1982 , (18) : 800 - 812.

[ 5 ] 杨志峰,崔保山,刘静玲,等. 生态环境需水量理论、方法与实践[M ]. 北京:科学出版社, 2003.

[ 6 ] 宋进喜,李怀恩. 渭河生态环境需水量研究[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 2004.

[ 7 ] 李丽娟,郑红星. 海滦河流域河流系统生态环境需水量计算[ J ]. 地理学报, 2000, 55 (4) : 496 - 500.

[ 8 ] 粟晓玲,康绍忠. 生态需水的概念及其计算方法[ J ]. 水科学进展, 2003, 14 (6) : 740 - 744.

[ 9 ] 王西琴,刘昌明,杨志峰. 生态及环境需水量研究进展与前瞻[ J ]. 水科学进展, 2002, 13 (4) : 507 - 514.

[ 10 ] 王西琴,张远,刘昌明. 河道生态及环境需水理论探讨[ J ]. 自然资源学报, 2003, 18 (2) : 240 - 246.

[ 11 ] 汤奇成. 绿洲的发展与水资源的合理利用[ J ]. 干旱区资源与环境, 1995, 9 (3) : 107 - 111.

[ 12 ] 贾宝全,许英勤. 干旱区生态用水的概念和分类- 以新疆为例[ J ]. 干旱区地理, 1998, 21 (2) : 8 - 11.

[ 13 ] 杨志峰,张远. 河道生态环境需水量研究方法比较[ J ]. 水动力学研究与进展(A辑) , 2003, 18 (3) : 294 - 301.

作者简介: 涂向阳(1981 - ) ,安徽临泉人,博士,工程师。主要研究方向为河流、海岸水环境动力学。