黃河干流生態與環境需水量研究綜述

【摘要】　本研究在收集分析國內外有關生態環境需水研究進展的基礎上, 緊密結合黃河水環境和水生態特點, 界定了黃河生態環境需水量的內涵和組成。對寧蒙***下河沿—頭道拐*** 、龍三***龍門—三門峽***和下游3個重要河段的河道生態需水量、環境需水量計算方法及生態需水量、環境需水量耦合等問題進行了研究, 提出了黃河干流10個重要水文斷面的適宜生態環境水量和最小生態環境水量。
 
【關鍵詞】生態需水量; 環境需水量; 水質目標; 河道溼地; 耦合研究; 黃河
 
黃河是中華民族的母親河, 是我國西北、華北地區最大的供水水源, *** 以其佔全國河川徑流2%的有限水資源, 承擔著本流域和下游佔全國15%耕地面積引黃灌溉、12%人口及50多座大中城市的供水任務。

近20年來, 隨著流域經濟社會的快速發展, 黃河水資源的過度開發以及日益增加的汙染排放量, 致使流域水資源的供需矛盾和水汙染問題愈加突出, 也導致了諸如河道頻繁斷流、河槽萎縮、水質惡化、魚類產卵場退化、河口溼地面積萎縮等一系列問題, 黃河流域生態系統整體呈惡化趨勢。
1 　黃河生態環境需水量概念及內涵
國外對生態環境需水的研究始於20 世紀40 年代, 主要側重於河道內流量的研究, 這期間有很多定量研究的方法*** Tennant, 7Q10法, 河道溼周法, IF-IM法, R-CROSS法等等*** 。在我國, 更多的是對流域生態需水和區域生態需水的研究, 特別是對西北內陸河生態需水和黃淮海流域生態需水的研究。儘管目前國內外有關“生態環境需水量”方面研究很多, 但對其概念界定尚無統一的認識, 研究者多根據其研究目標及其要保護的主要功能提出相應的定義[ 1 - 3 ] 。
基於對黃河生態系統、水文水資源特性、水資源開發利用程度及水環境狀況的認識, 本文認為黃河生態環境需水量概念為: 生態需水量是指為維持黃河水生生物特別是魚類的正常生存繁殖, 滿足河道溼地、河口溼地生態系統基本功能和維持一定規模的水量。環境需水量是指為改善黃河水體水質, 基本滿足其環境功能所需要的水量, 環境需水量實質上有著滿足水量和水質的雙重概念。其內涵主要包括以下幾個方面:一是保護河道內水生生物正常生存繁殖的水量; 二是維持河流水體功能水質的水量; 三是滿足河道溼地基本功能的水量; 四是維持河口一定規模溼地的水量;五是有利於河口水生生物生存及河口生態修復的水量。
黃河適宜生態環境水量是指維繫黃河生態系統良性迴圈的較佳水量, 此時系統狀態較理想, 能夠發揮較好的生態環境功能。在此狀態下, 黃河系統的恢復目標為: 一是黃河水質滿足水功能目標要求, 水環境質量有明顯改善; 二是黃河主要保護物種魚類能夠獲得一定的生存空間, 遭到破壞的魚類產卵場得到逐步恢復; 三是河道溼地和河口溼地生物多樣性、生態完整效能夠得到維持, 發揮溼地應有的生態環境功能。
最小生態環境水量是指維持系統生存所需的最低水量或底限閾值, 若低於該水量, 系統會發生退化。*** 對於黃河下游河道來說, 最小生態環境水量也是為了防止河道水體斷流併發生功能性裂變, 維持河道水流迴圈的最小流量。
2 　理論及方法
2.1　生態需水量
根據黃河生態系統和水環境的特點, 一方面由於黃河缺乏長期的水生生物的調查及其生長習性的觀測資料, 缺乏相應典型河段主要保護物種生理需水的基礎研究支援, 另一方面考慮黃河水生生物並不豐富的實際, 因此, 現階段很難做到完全生態學意義上的定量研究。足夠流動的水體是構成河流生態系統的基礎, 從水量及其相關因子考慮, 目前國內外有很多學者利用歷史流量法和水力學引數法來計算研究河流生態環境需水量。這種保持河流一定流態的流量可認為是維持河流生命的基本水量。因此研究利用歷史流量法***Tennant 法和90%保證率設定法***計算河道基流,在環境水量研究的基礎上, 考慮河口生態修復需水,結合水力學引數法, 對該流量級下的水文要素***如水深、流速、溼周等*** 能否滿足黃河魚類的生存空間進行判別, 以體現保護魚類生存繁衍和維持生境的生態水量需求。
（1）Tennant 法: 脫離特定用途的生態環境用水量計算方法, 也叫Tennant法或Montana法, 是非現場確定河流生態環境需水的典型方法。該方法以河流水生態健康情況下的多年平均流量觀測值為基準, 將保護水生態和水環境的河流流量劃分為若干個等級,推薦的標準值是以河流健康狀況下多年平均流量值的百分數為基礎。Tennant法生態環境水量計算的核心問題是必須給出一個預先確定的年平均流量。本研究採用黃河尚屬“天然”或尚未大規模開發利用和徑流調節情況的徑流量, 即黃河干流第一個大型水庫尚未建成運用, 河流水生態、水環境尚屬於健康狀態的20世紀50年代***1952～1959年***平均徑流量為流量基準。
研究將黃河生態環境用水的季節分為4 ～6 月、7～10月、11～3月三個時段[ 5 ] , 各時段的生態環境水量低限標準以河流水生態、水環境尚屬於健康狀態的20世紀50年代平均流量為基準, 計算平均流量的不同百分比流量。並認為, 各水期流量平均值的100%～60%為最佳範圍, 60% ～40%為較好狀態,40%～30%為尚好狀態, 30% ～20%為尚可狀態,20%～10%為較差狀態, 10%和5%為可忍受的最小流量和極端最小流量。對於每個河段生態流量的取值, 根據河段生態環境功能的重要性進行判定。根據黃河水生態與水環境的功能型別和特點, 將生態環境功能分為4個不同重要程度級別: ①魚類產卵場、棲息地, 重要程度, Ⅰ級; 4～6月生態環境需水量保持在最佳狀態, 其他季節保持在較好狀態。②國家級或省級重點觀光旅遊區, 重要程度, Ⅱ級; 4～6 月生態環境水量保持在較好狀態, 其他季節保持在尚好狀態。③沒有劃定為觀光旅遊區的大中城市河段和國家一級交通幹線與黃河相交河段, 重要程度, Ⅲ級;4～6月生態環境需水量保持在尚好狀態, 其他季節保持在尚可狀態。④沒有特定要求的河段, 應達到魚類能夠暢通洄游和整條黃河***下游***不斷流的基本流量, 重要程度, Ⅳ級; 一般情況下應不低於同期基準流量的10%, 極端情況下不低於5%。
***2*** 90%保證率最枯月流量法: 90%保證率最枯月流量法, 是7Q10 法的延伸。7Q10 法是指採用90%保證率最枯連續7 d的平均水量作為河流最小流量設計值, 該方法傳入我國後主要用於計算汙染物允許排放量。本研究採用1970～2000年31年實測水文系列, 計算90%保證率最枯月流量, 該系列基本涵蓋了黃河20世紀70年代以來的豐、平、枯水期, 具有較好的代表性。
2.2　環境需水量
根據黃河水汙染特徵和水流狀況, 選擇CODCr和氨氮作為主要汙染控制因子, 採用一維水質模型進行計算。河流納汙水平和水質目標是計算環境水量的兩個重要輸入條件, 水質目標採用黃河干流水功能區劃目標, 河段納汙水平按現狀納汙水平、目標控制水平和汙染可控水平三種情景設定。計算模型如下
Q = ΣqiCi exp *** - kxi /8614u*** – ΣqiCs/Cs – C0 exp *** - kx /8614u******1***
式中, Q為計算河段上斷面需下洩流量***即所求環境水量*** ***m3 / s*** ; qi 為旁側入流量***m3 / s*** ; C0 為計算河段上斷面汙染物濃度***mg/L*** ; Cs 為計算河段下斷面汙染物濃度***mg/L *** ; Ci 為旁側入流汙染物濃度***mg/L*** ; k為汙染物綜合降解係數***1 /d*** ; u為平均流速***m / s*** ; x為計算單元長度*** km*** ; xi 為旁側入流i距下斷面距離*** km*** 。

3 　環境水量計算結果及分析
現狀納汙水平下環境水量即指研究河段在現狀納汙狀況下, 稀釋汙染物使河段水質滿足功能要求的水量。研究統計分析了2003年入黃排汙口和入黃支流汙染物實測入黃量, 代寫職稱論文 個別支流根據多年監測資料進行調整。
目標控制水平是國家環保政策能完全落實的一種理想狀態, 即指研究河段所納汙染源達標排放, 入黃支流滿足入黃水質要求, 在這種理想狀態下, 稀釋入黃汙染物使河段水質滿足功能要求的水量。
所謂汙染可控水平, 即考慮在現有的社會經濟發展、汙染治理水平下, 全部實現達標排放難度極大,河流水功能區水質規劃目標的實現需要比較長的時間。因而需對汙染可控水平進行研究, 意在找到流域經濟可持續發展和水域水環境承載能力的結合點, 即對研究河段汙染源的可控制性進行研究, 也就是說要根據流域社會經濟發展水平、國家巨集觀政策及相關規劃等,設定一些原則, 最後要達到的目的就是給出研究河段一些支流及排汙口的控制指標, 從而確定河段納汙水平。採用數學模型對上述三種納汙水平下所需環境水量進行計算。並考慮河流水體的連續性及枯水徑流保證機率, 給出黃河干流重要水文站點環境水量要求。具體見表1。
通過上述環境水量的研究, 可以得出以下結論:
***1***現狀納汙水平下, 黃河干流所需環境流量很大,在目前水資源條件下很難實現, 其水質達標不可能得到保證。***2***要實現黃河干流水體功能目標, 入黃支流必須滿足入黃水質目標要求, 入黃排汙口必須滿足國家排放標準。***3***汙染可控水平下, 龍門以上河段所需流量基本可以得到保證, 但龍門以下河段在枯水時段難以得到保證。
4 　生態水量和環境水量的耦合研究
黃河的水生態和水環境功能, 各種生態功能如棲息地功能、景觀功能等, 和環境功能之間存在著交叉和重複, 各種功能所需水量可以兼顧, 需對滿足多種功能需求的不同量級的水量進行耦合。考慮黃河生態系統特點及黃河水資源的調控性, 生態水量和環境水量耦合的原則如下。*** 1 ***全河段綜合考慮: 重要水文斷面流量整合時, 要考慮上下斷面之間流量的匹配性、水流演進等多種因素, 經綜合優化後給出。*** 2***不考慮河段取水及水量損失: 黃河干流取水口眾多且分佈複雜, 本研究關注的是生態基流, 對河段內取水以及因蒸發、滲漏等水量損失未予考慮。*** 3***水質保證優先: 水質改善是河流生態系統恢復的首要目標, 只有良好水質保證的水資源才能滿足河流其他的生態功能和經濟功能。在考慮水質問題時, 適宜水量主要依據汙染可控水平下環境水量, 而最小水量主要考慮目標控制下環境水量。*** 4***水資源可調控性: 黃河干流已建和規劃修建的大型水利樞紐較多, 徑流可控性強, 在水量耦合時不但考慮水流的上下傳遞, 同時考慮大型水利樞紐的調節控制。*** 5 ***河口生態保護優先: 黃河下游生態水量的給出, 優先考慮河口近海生態、三角洲溼地生態和魚類洄游等需求。
根據上述耦合原則, 考慮河口近海魚類、河口三角洲溼地需要, 同時滿足各河段的水生態和水環境功能需求, 給出黃河干流10個重要水文站斷面的推薦水量, 生態環境水量耦合結果見表2。
5 　小　結
***1***有關稀釋汙染的環境水量研究是本次研究的重點, 也是我國北方河流面臨的現實問題。研究根據黃河水汙染特徵和水流狀況, 選擇CODCr和氨氮作為主要汙染控制因子, 採用一維水質模型進行計算, 研究方法帶有一定的探索性。本研究推薦的生態環境水量, 是在關注研究河段生態問題的同時, 著重解決水質保證問題, 只有水體質量變好了, 黃河生態系統才可以逐漸得以恢復。
***2*** 在當前黃河流域粗放式經濟發展模式下, 水資源的過度開發利用和汙染超負荷排放, 是導致黃河生態危機的主要因素, 黃河面臨的一些生態問題無不由此而引發。研究中生態水量沒有和黃河主要保護物種的生態機理緊密聯絡,代寫留學生論文 這是本研究的一個缺陷, 但這也和黃河特殊的河情以及我國發展程序有關。在以後的研究中, 隨著相關資料的豐富和積累, 必將加強這方面的機理研究。
***3***河流的各種生態功能如棲息地功能、景觀功能等, 和環境功能之間存在著交叉和重複, 滿足各種功能的水量耦合是本研究的難點。研究優先考慮河口近海魚類、河口三角洲溼地生態需水, 提出了基於全河段綜合考慮、水質保證優先、黃河水資源的可調控性等水量耦合原則, 特別在水資源可調控性以及水生態與水環境保護目標耦合方面, 既符合黃河實際, 又具有水量排程的可操作性。
***4***黃河生態問題突出, 究其原因主要是水量貧乏、水資源的過度開發利用以及汙染排放所致。要使黃河河道內保持一定的生態環境水量, 必須有一定的工程措施和非工程措施, 如實施調水工程補充黃河河道內生態環境水量, 提高水資源的利用效率, 加強區域產業結構優化調整和汙染控制, 注重流域生態建設等措施來支撐和保證。
 
參考文獻:
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