自然環(huán)境需水量探究范文

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我國(guó)是個(gè)干旱、半干旱國(guó)家，人均水資源占有量只有世界平均數(shù)的四分之一，尤其華北地區(qū)長(zhǎng)期嚴(yán)重干旱，人均水資源只占世界的七分之一。水資源問(wèn)題不僅關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展，更關(guān)系到可持續(xù)生存。前中共中央政治局常委、國(guó)務(wù)院副總理李嵐清2002年10月11日至13日在天津考察工作時(shí)強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前我國(guó)北方城市水資源短缺形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻。各級(jí)黨委和政府要充分認(rèn)識(shí)水資源的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性地位，堅(jiān)持開源節(jié)流治污并舉，建設(shè)節(jié)水型城市和節(jié)水型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

1國(guó)外研究動(dòng)態(tài)

早期的研究是關(guān)于河道枯水流量(Low-flow)的研究,這個(gè)時(shí)期主要是為了滿足河流的航運(yùn)功能對(duì)枯水流量進(jìn)行研究。隨后,由于河流污染問(wèn)題的出現(xiàn),開始對(duì)最小可接受流量(minimumaccepbrflows,MAFLs)進(jìn)行研究,其最小可接受流量除了滿足航運(yùn)功能外,還要滿足排水納污功能。隨著河流受人為因素影響和控制的加強(qiáng),河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞,生態(tài)可接受流量范圍(ecologyaccepbrflowregime,EAFR)的研究逐漸展開,其主要是為了恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)功能,為滿足不同的環(huán)境要求而進(jìn)行生態(tài)可接受流量范圍的研究。

目前,國(guó)際上對(duì)河流的生態(tài)環(huán)境需水量使用較為廣泛、通用的概念是枯水流量。近10年來(lái),為了促進(jìn)水文水資源研究,國(guó)際之間加強(qiáng)了合作,其中包括對(duì)河道枯水流量的研究,如FREND(FlowReg-imesfromExperimentalandNetData)行動(dòng)計(jì)劃,第一個(gè)行動(dòng)計(jì)劃由水文組織(instituteofHydrology(UK))倡導(dǎo),并為1985—1988年的國(guó)際水文計(jì)劃方案Ⅲ(UNESOInternationalHydrologicalProgramme-Ⅲ)做了部分工作。這個(gè)組織包括13個(gè)歐洲國(guó)家,主要是應(yīng)用國(guó)家水流量(水文)數(shù)據(jù)庫(kù)及不同的研究方法,預(yù)測(cè)河流的洪、枯水流量,分析和研究了歐洲西北部1350條河流的的枯水流量狀況。研究集中在應(yīng)用水力學(xué)參數(shù)研究枯水流量與流域河床組成特性之間的關(guān)系,以及研究不同頻率不同時(shí)段年均流量(mean)與最小流量(annualminima)和枯水流量(low-flow)之間的聯(lián)系等,第1個(gè)歐洲FREND行動(dòng)計(jì)劃采用了西歐國(guó)家網(wǎng)絡(luò)提供的精確的日流量和相應(yīng)的流域資料數(shù)據(jù)庫(kù)。隨后,FREND行動(dòng)計(jì)劃開始向橫向(包括東歐國(guó)家)和縱向(擴(kuò)大到大尺度問(wèn)題、方法問(wèn)題、枯水流量和洪水流量條件下流域土地利用的變化,水質(zhì)等問(wèn)題的研究)的研究方向發(fā)展,其研究的深度和廣度不斷擴(kuò)大。

目前,FREND組織很快擴(kuò)展到歐洲及世界其他許多地區(qū)和國(guó)家,如西非、中非、北非、地中海地區(qū)及中亞地區(qū),印度及南亞地區(qū)等,最近正在進(jìn)行的FREND行動(dòng)計(jì)劃將其研究成果概括在FREND報(bào)告中,最新成果有:北歐地區(qū)枯水流量和干旱研究;南非區(qū)域水資源和干旱評(píng)估方法研究;西非、中非地區(qū)雨量減少對(duì)枯水流量長(zhǎng)期影響研究;枯水流量時(shí)間系列與斷流分析;地域性生態(tài)水文學(xué)理論和水資源統(tǒng)一管理的論述等。總之,國(guó)際上在水資源領(lǐng)域的合作使得先進(jìn)的研究技術(shù)和手段應(yīng)用到更多的具有水文數(shù)據(jù)庫(kù)的國(guó)家和地區(qū),特別是在流域枯水流量的研究方面,顯得更為突出。

國(guó)外河流生態(tài)環(huán)境需水量的研究?jī)?nèi)容概括為:河道流量與魚類生息環(huán)境關(guān)系的研究;河道流量、水生生物與DO三者之間的關(guān)系的研究;水生生物指示物與流量之間的關(guān)系研究;水庫(kù)調(diào)度考慮生態(tài)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境水量的優(yōu)化分配的研究;生態(tài)環(huán)境用水與經(jīng)濟(jì)用水關(guān)系研究等。

國(guó)外較為通用的研究方法可分為3類:一是傳統(tǒng)的流量計(jì)算法(標(biāo)準(zhǔn)流量法);二是基于水力學(xué)基礎(chǔ)的水力學(xué)法;三是基于生物學(xué)基礎(chǔ)的棲息地法。

(1)標(biāo)準(zhǔn)流量法。一是7Q10法。采用90%保證率最枯連續(xù)7d的平均水量作為設(shè)計(jì)值。二是TENNANT法。是美國(guó)目前使用確定河道生態(tài)環(huán)境需水量的一種方法,河道流量推薦值以預(yù)先確定的年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)。該法通常在優(yōu)先度不高的河段研究中作為河道流量推薦值使用,或作為其他方法的一種檢驗(yàn)。

(2)水力學(xué)法。一是R2CROSS法。在計(jì)算河道流量推薦值時(shí),由河道幾何形態(tài)決定的水深、河寬、流速等因素必須加以考慮。有4項(xiàng)指標(biāo):濕周率、河流寬度、平均水深以及平均流速,具有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn),即枯水月、豐水月。

R2CROSS法以曼寧公式為基礎(chǔ),由于必須對(duì)河流的斷面進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,才能確定有關(guān)的參數(shù),因此這種方法比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法難以應(yīng)用。二是濕周法。該法的依據(jù)是基于以下假定:即保護(hù)好臨界區(qū)域的水生生物棲息地的濕周,也將對(duì)非臨界區(qū)域的棲息地提供足夠的保護(hù)。利用濕周(指水面以下河床橫斷面的線性長(zhǎng)度)作為棲息地的質(zhì)量指標(biāo)來(lái)估算河道內(nèi)流量值,通過(guò)在臨界的棲息地區(qū)域(通常大部分是淺灘)現(xiàn)場(chǎng)搜集河道的幾何尺寸、流量和數(shù)據(jù),并以臨界的棲息地類型作為河流的其余部分的棲息地指標(biāo)。河道的形狀影響分析結(jié)果。該法需要確定濕周與流量之間的關(guān)系。這種關(guān)系可從多個(gè)河道斷面的幾何尺寸—流量關(guān)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推求,或從單一河道斷面一組幾何尺寸—流量數(shù)據(jù)中計(jì)算得出。推薦值依據(jù)濕周—流量關(guān)系曲線中的變化點(diǎn)的位置來(lái)確定。

(3)棲息地法。一是IFIM(增加法)。IFIM(InstreamFlowIncrementalMethology)法是應(yīng)用比較廣泛的計(jì)算環(huán)境需水量的方法,IFIM根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如水深、河流基質(zhì)類型等,采用PHABSIM(physicalHabitatSimulation)模型模擬流速變化和棲息地類型的關(guān)系,通過(guò)水力學(xué)數(shù)據(jù)和生物學(xué)信息的結(jié)合,適合于一定流量的主要的水生生物及棲息地。Orth等認(rèn)為由于IFIM法所需要的定量化的生物資料的缺乏,使這種方法的應(yīng)用受到一定的限制。King等指出,傳統(tǒng)的IFIM法將其重點(diǎn)放在一些河流生物物種的保護(hù),而沒(méi)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)生態(tài)系統(tǒng),由此計(jì)算出的推薦流量范圍值并不符合整個(gè)河流的管理要求。二是CASIMIR法。CASIMIR(computerAidedSimulationModelforInstreamFlowRequirementsindivertedstream)法是基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)—流量在空間和時(shí)間上的變化,采用FST建立水力模型、流量變化、被選定的生物類型之間的關(guān)系,估算主要水生生物的數(shù)量、規(guī)模,并可模擬水電站的經(jīng)濟(jì)損失。

2國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

在我國(guó),系統(tǒng)研究生態(tài)需水量的工作尚處于起步階段,對(duì)生態(tài)環(huán)境需水的概念、內(nèi)涵與外延等沒(méi)有統(tǒng)一的定義,對(duì)其計(jì)算方法的研究也不夠深入、完善,基本停留在定性分析和宏觀定量分析階段。其研究大致可分為3個(gè)階段:一是20世紀(jì)70年代末開始探討河流最小流量問(wèn)題。主要集中在河流最小流量確定方法的研究。長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所的《環(huán)境用水初步探討》是其典型代表。二是20世紀(jì)80年代,針對(duì)水污染日益嚴(yán)重的問(wèn)題,國(guó)務(wù)院環(huán)境保護(hù)委員會(huì)《關(guān)于防治水污染技術(shù)政策的規(guī)定》指出:在水資源規(guī)劃時(shí),要保證改善水質(zhì)所需的環(huán)境用水。主要集中在宏觀戰(zhàn)略方面的研究,對(duì)如何實(shí)施、如何管理處于探索階段。三是20世紀(jì)90年代以來(lái),針對(duì)黃河斷流、水污染嚴(yán)重等問(wèn)題,水利部提出在水資源配置中應(yīng)考慮生態(tài)環(huán)境用水。如在全國(guó)水功能區(qū)劃中考慮了生態(tài)與環(huán)境用水問(wèn)題。劉昌明提出了我國(guó)21世紀(jì)水資源供需的“生態(tài)水利”問(wèn)題。與此同時(shí),與生態(tài)、環(huán)境需水相關(guān)的研究也逐漸展開。

主要的研究成果為:一是對(duì)非汛期最小流量、水土保持、沖沙水量等的河流系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水研究。如20世紀(jì)80年代趙業(yè)安、錢意穎總結(jié)了黃河三門峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游河道的影響規(guī)律,同時(shí)開展黃河上游大型水電工程對(duì)下游沖積河流影響的研究,采用實(shí)測(cè)資料分析的方法研究大型水庫(kù)對(duì)徑流泥沙的影響,對(duì)每年水庫(kù)蓄水與中游高含沙洪水遭遇情況進(jìn)行了深入研究,通過(guò)回歸分析建立了水庫(kù)調(diào)蓄與下游河道沖淤的相關(guān)關(guān)系。二是對(duì)恢復(fù)濕地、城市河湖用水及地下水回補(bǔ)等生態(tài)和生態(tài)環(huán)境需水量的研究。三是對(duì)西北干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量及河道環(huán)境的討論與宏觀定量研究。四是劉昌明根據(jù)水資源開發(fā)利用與生態(tài)用水量的關(guān)系,提出了“四大平衡”的原理,即水分能量平衡、水鹽平衡、水沙平衡與水量平衡(含水資源平衡),從而豐富了水資源合理開發(fā)利用的內(nèi)涵。五是錢正英等從保護(hù)和恢復(fù)內(nèi)陸河下游的天然植被及生態(tài)環(huán)境、水土保持和水保范圍之外的林草植被建設(shè)、維持河流水沙平衡及濕地水域等生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)流量、回補(bǔ)黃淮海平原及其他地方的超采地下水等方面,分析并估算了全國(guó)的生態(tài)用水。

截至目前,國(guó)內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水研究方法主要集中在陸地和河流2個(gè)方面,而陸地生態(tài)需水主要指“保護(hù)和恢復(fù)內(nèi)陸河流下游的天然植被及生態(tài)環(huán)境、水土保持及水保范圍之外的林草植被建設(shè)所需水量。其研究方法主要針對(duì)西北干旱地區(qū)進(jìn)行,綜合分析這些研究,不論是天然系統(tǒng)還是人工系統(tǒng),不論是林地還是草地,計(jì)算方法大多為“面積定額法”或“植株定額法”,計(jì)算方法為傳統(tǒng)的水平衡計(jì)算理論,因此計(jì)算方法比較成熟,一般不存在爭(zhēng)議。從大的方面看,河流生態(tài)環(huán)境需水量主要包括3個(gè)方面:河道基本生態(tài)、環(huán)境需水、輸沙需水量和入海量。與之對(duì)應(yīng)的研究方法主要集中在第1個(gè)研究方面,如:為達(dá)到水環(huán)境保護(hù)目標(biāo),滿足河流納污功能的環(huán)境功能設(shè)定法;為滿足河流基本生態(tài)功能,保證不斷流的河流基本生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算法、最枯月平均流量法及假設(shè)法;為滿足河流水量蒸發(fā)和滲漏要求的水量補(bǔ)充法等。輸沙需水量的計(jì)算方法雖然較多,但主要是針對(duì)黃河,且大多是從水力學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行研究,不便于操作和應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)水沙平衡需用的水量究竟如何計(jì)算,至今尚未見到令人滿意的計(jì)算方法或計(jì)算結(jié)果。入海水量的計(jì)算方法基本上是宏觀估算,沒(méi)有定量計(jì)算方法。