湿地生态需水(2011-1)

1、北京师范大学环境学院 湿地生态需水Ecological Water Requirementsfor Wetlands一、基本认识一、基本认识Water left in or released into a river system, often for managing some aspect of its conditions Endangered species protection Healthy ecosystem Sediment transport Commercial fisheries yield Freshwater inflows to bays and estuaries

2、 Waste assimilationEcological water definitionFlows to sustain or restore the ecological functions (goods and services) of a river Fish and wildlife: habitat, migration, reproduction, biodiversity Recreation Navigation Hydropower Waste assimilation Water supply Food supply Flood and drought mitigati

3、on Nutrient delivery Coastal salinity regulationEcological water requirements生态用水生态耗水生态需水环境需水环境流量生态系统需水生态系统配水生态环境需水生态需水是达到某种生态水平或者维持某种生态系统平衡所需要的水量，或是发挥期望的生态功能所需要的水量，水量配置是合理可持续的。生态用水是某种生态水平下和某种生态系统平衡下所使用的水量，未必是合理和可持续的水量。生态用水可能多于生态需水，也可能少于生态需水。 生态耗水主要强调了生态系统特别是生物（植物、动物、微生物）生存消耗掉的水量，如蒸散量，需要通过水循环或径流等途径及

4、时补给，体现了周期性和重复补给的特点。而生态用水则主要体现在现状环境条件下生态系统被动接受的水量，应该大于或等于生态耗水量。 生态需水与环境需水两者之间存在着交叉和重合的部分，但从概念上来讲是两个不同的概念，应该区别对待。生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生物多样性方面，环境需水则主要体现在环境维持与改善方面。生态耗水=生态需水生态环境需水=环境流量=生态系统需水生态系统配水=生态系统需水环境需水环境流量Question: manage ecological water for?water allocation20th century21st centurywhat is this s

5、ustainable boundary?Ecosystem support allocation(Postel and Richter, 2003)空间差异性时间差异性等级阈值性需水兼容性量质统一性植被蒸散植被蒸散植被蒸散水面蒸发水面蒸发下渗河道基流换水需水土壤含水制造有机物需水湖泊湿地存在需水降雨生态需水组成结构生态需水组成结构湿地存在水基本特征生态环境系统不能脱离一定的区域范围而存在，具有显著的区域空间性。而水资源的分布又具有立体空间性，水资源在立体空间上拥有不同的存在形式，例如大气水、地表水、土壤水和地下水。空间性生态系统随着时间而发展、演替；从长时间来看有生态系统的进化；中时间来看有生

6、态系统的演替；短时间来看有年度、季度和昼夜变化，不同时间段具有不同的水需求；生态环境需水的时间性还表现为水资源循环系统的时间变化性。 时间性阈值性对于任一生态系统，其生态环境需水都存在一个上下限，如果可供利用的水资源过少，那么将不能满足生物基本生长或存活的需要，生态系统将退化或死亡；如果可供利用的水资源过多，也必将影响生态系统的健康；在最小和最大临界范围内是生态系统健康的保障，研究生态系统需水量也多在此范围内进行界定. 生态环境系统一方面是由不同的生态系统类型组成；另一方面生态系统本身具有不同的组成结构和功能特性，水则是其中重要的限制因子；因此生态环境需水量各类型之间是相互联系、相互制约的，在

7、计算和评价各类型时，需要考虑他们之间的相互兼容性。 兼容性一般而言，生态环境水包括了用于生态环境维持、建设和改善的各类型地表水、地下水和土壤水；从降水资源概念出发，生态环境水包括的内容更广一些，除上述提到的类型水外还包括了蒸散发等。 多样性湿地植物需水量湿地植物的蒸腾耗水、棵间水面或土壤的蒸发耗水、植物含水湿地土壤需水量土壤持水量湿地动物需水量动物生态习性、生理活动需水量野生生物栖息地需水量野生动物栖息、繁衍、迁徙等，维持生物多样性需水量生态地质过程需水量湿地自身发育持续发展需水量调节河川径流需水量同时包括均化洪水需水量补水需水量补给地下水或向其他湿地补水防止盐水入侵需水量控制地表盐化、避免海

8、水从地下侵入防止岸线侵蚀需水量防止河岸、湖岸和海岸侵蚀净化污染物需水量吸收、固定、转化和降低有毒物、污染物和悬浮物调节气候需水量诱发降水、提高湿度、调节气温休闲/旅游需水量休闲娱乐、旅游摄影等20世纪40年代美国鱼类和野生动物保护协会最早提出了河道内流量，1971年出台正式的河道内流量法规。20世纪60年代以来，美国、英国、澳大利亚等国家相继开展了鱼类洄游繁殖和产量与河流流量关系的研究，并提出最小可接受流量（MAFs）的概念。20世纪90年代，以人类需求为中心的水资源管理观念发生改变, 生态需水研究已经成为了关注热点。目前，美国有46个州已应用了河道内流量管理技术，其中11个州是以法规、条例形

9、式加以规定。1990年代，我国北方地区日益严峻的水资源、水环境与水生态问题，迫使生态需水开始成为研究的热点。 二、关键问题及方法二、关键问题及方法河道生态环境需水已形成一套较完善的方法1河道内流量增量法（IFIM）Instream Flow Increamental Methodology2蒙大拿法Montana Mathod 或 Tennant Method3流量变化曲线分析法（FDCA）Flow Duration Curve Analysis4栖息地-流量法（HDM）Habitat-Discharge Methods5整体生态系统分析法（HEA）（Holistic Ecosystem Ap

10、proach）6分区法（BBM）Building Block Methods 对其它生态系统需水量的研究不如上述完善，但对这些生态系统的水分配已经体现在许多国家的水资源规划中。二、关键问题及方法二、关键问题及方法60多年的研究历史多条河道内或河流系统70多个国家和地区提出了200多种方法没有1个方法具有普适性发达国家比较先进发展中国家已进入角色二、关键问题及方法二、关键问题及方法生态需水研究的最关键问题方法学的选择不确定性 + 遇到诸多问题二、关键问题及方法二、关键问题及方法河流的开发与生物多样性保护的矛盾水电大坝建设与河流生态整合性的矛盾河流自身用水和其他用户用水需求的矛盾流量的变率、幅度、

11、频率、持续时间决定着持续的生物多样性和生态整合性二、关键问题及方法二、关键问题及方法服务服务过程结构结构功能功能系统结构水文过程河道的生态需水生态效应水温水质、系统类型等组分结构水电工程区域生态系统二、关键问题及方法二、关键问题及方法世界大约60的河流由于水文过程改变而片断化。调查的106个主要流域中46的至少有1个大坝。而在亚洲，50的流域中不止1个大坝。调查的北美、欧洲和前苏联国家和地区，139条最大的河流中，77流量受制于改变的河流。全球227条大河中，37受到强烈影响，23受到中等程度影响，其余的40基本没有受到影响。二、关键问题及方法二、关键问题及方法目前国外的方法_集中在以河流为主

12、线的生态需水研究二、关键问题及方法二、关键问题及方法方 法 描 述 7Q10法 10 年 间 连 续7 天 低 流 量 的 平 均 值 ， 主 要 用 来 研 究 废 水 稀 释 的设 置 标 准 ， 不 适 合 河 道 内 流 量 保 护 ， 因 为 低 估 了 最 小 生 态 流 量 Q95 th 考 虑 季 节 性 和 持 续 时 间 Tennant法 平 均 每 年 流 量 的 百 分 比 作 为 各 种 生 态 功 能 的 利 用 ABF 8月 流 量 的 中 值 ， 或 者 产 卵 月 期 间 每 月 流 量 最 低 值 的 中 值 NGPRP (Q90th) 将 旱 年 、 正

13、常 年 、 湿 润 年 分 组 ， 考 虑 正 常 年90% 时 间 的 低 流 量 Hoppe 基 于 流 量 持 续 曲 线 ， 将 每 日 的 流 量 值 给 鲑 鱼 的 生 活 阶 段 的 各 类功 能 Taxas 每 月 流 量 中 值 的 各 种 百 分 比 Basic Flow 特 征 基 本 流 量 分 配 给 河 流 类 型 R V A 水 文 变 化 范 围 指 标 ， 包 括 重 复 监 测 和 标 准 参 照 水文学方法二、关键问题及方法二、关键问题及方法TennantTennant法法 Tennant法是非现场测定类型的标准设定法。河流流量推荐值以预先确定的年平均流量

14、的百分数为基础。该法不需要现场测量。在有水文站点的河流，年平均流量的估算可以从历史资料获得。在没有水文站点的河流，可通过可以接受的水文技术来获得。 流量描述推荐的基流（103月）（平均流量百分比%）推荐的基流（49月）（平均流量百分比%）最大200200最佳范围6010060100极好4060非常好3050好2040中或差1030差或最小1010极差010010Tennant法是为保护美国中西部健康的河流环境所需要的最小流量而提出的一种方法。平均流量的不同百分率定义了不同目标种生命阶段的功能，如10是最小流量，而30是适宜流量。 方法 描述 湿周法 在湿周图和排水量图中辨识突变点， 被水道形状

15、所影响， 不直接考虑深度、流速和季节。 Singh 区域化方法，在流域尺度上估算水力参数 R2Cross 利用野外数据对浅滩的水位和深度进行模拟，相似与PHABSIM，产卵栖息地也需要考虑 水力学方法二、关键问题及方法二、关键问题及方法河道湿周法河道湿周法 依据:保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护；该方法利用湿周作为栖息地的质量指标来估算期望的河道内流量值。该法需要确定湿周与流量之间的关系；这种关系可从多个河道断面的几何尺寸-流量关系实测数据经验推求;或从单一河道断面的一组几何尺寸-流量数据中计算得出;湿周法河道内流量推荐值是依据湿周流量关系图中影响点的

16、位置而确定。R2CROSSR2CROSS法法该方法适用于一般浅滩式的河流栖息地类型。该种方法的河流流量推荐值是基于这样的假设，即浅滩是最临界的河流栖息地类型，而保护浅滩栖息地也将保护其他的水生栖息地，如水塘和水道。确定了平均深度、平均流速以及湿周长百分数作为鱼类栖息地指数，平均深度与湿周长百分数标准分别是河流顶宽和河床总长与湿周长之比的函数。河流顶宽（ft）平均水深（ft）湿周率（%）平均流速（ft/s）1200.2501.021400.20.4501.041600.40.650601.0611000.61.0701.0Basque法属原创性方法，该方法考虑了未受污染的上游地区无脊椎动物多样性

17、的保护问题，对受污染的下游地区采用了水力方法 。这种生物方法的理论基础是河流连续统理论，也就是河流上中游的物种多样性随着流量的增加而增加原理。 方法 描述 Basque 运用水力方法于低地河段以及高地的无脊椎动物和流量的关系数据， 一个相对连贯的系统应用给一个相对狭窄的河流生态型范围 HQI 回归模型，用来预测生物量，区域或生态型的特殊性 RCHARC 河流种群栖息地评价和恢复概念框架， 结合供选方案的参照区比较栖息地水力学 生物水力分析方法方法 描述 IFIM 结合生态需求与水资源规划过程 PHABSIM II 自然栖息地模拟系统，自然微生境模拟模型 RHABSIM 河流栖息地模拟，PHAB

18、SIM 商业版 FRC 鱼类控制曲线法，PHABSIM的演变，运用自然栖息地时间系列发展最小、平均、理想的河道内栖息地流量 RHYHABSIM 河流水力与栖息地模拟模型 RSS 河流系统模拟器用于微生境计算 EVHA 微生境栖息地评价模型 HABIOSIM 微生境栖息地模型 CASIMIR 计算机辅助模拟模型为河道内流量调整服务， 基于河段的模拟模型，发展于水电影响评价 AGIRE 法国电力部门发展的GIS系统，集合水信息系统的时空数据，包括鱼类繁殖栖息地质量 栖息地模拟方法二、关键问题及方法二、关键问题及方法河道内流量增加法（河道内流量增加法（IFIM） IFIM(Instream Flow

19、 Incremental Methodology)法是应用比较广泛的计算生态环境需水量的方法。IFIM根据现场数据如水深、河流基质类型、流速等，采用PHABSIM(physical Habitat Simulation)模型模拟流速变化和栖息地类型的关系，通过水力学数据和生物学信息的结合，决定适合于一定流量的主要的水生生物及栖息地。Orth 和Maughan 认为由于IFIM法所需要的定量化的生物资料的缺乏，使这种方法的应用受到一定的限制。King 和Tharme 指出，传统的IFIM法将其重点放在一些河流生物物种的保护，而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统，由此计算出

20、的推荐的流量范围值，并不符合整个河流的管理要求。CASIMIR法法 CASIMIR(Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements in diverted stream)法，基于现场数据流量在空间和时间上的变化，建立水力学模型、流量变化、被选定的生物类型之间的关系，估算主要水生生物的数量、规模，并可模拟水电站的经济损失。 方法 描述 分 区 建 块 法BBM 将流量分为低流量、特殊目标流量、洪水流量，评价整个河流生态系统 整体分析法 评价完整的河流系统，河道，河缘区，泛洪平原，地下水，湿地和河口 专家小组评价法 多学

21、科组的野外调研来决定特殊流量 整体分析方法趋势发展？二、关键问题及方法二、关键问题及方法二、关键问题及方法二、关键问题及方法决定方法选择的因素空间尺度的差异（国家、地区、流域、区域）评价的时间（时间段、点，时间周期）数据的获取（数据系列性，获取的难易）技术能力（遥感信息，处理能力、监测技术）资金（技术投入，科研投入，人力投入）二、关键问题及方法二、关键问题及方法快速评价法 快速评价法大多数是基于河流或渠道流量（如单位时间的水量）间的经验关系以及相联系的水生态系统的结构和功能而建立的。 蒙大拿法（Montana Method，或Tennant methods） 持续流量曲线分析法（Flow du

22、ration curve analysis） 综合法 生态学家按照栖息地的范围、分布和特点提供了推荐值，以维持和保护特定的生态功能和关键物种，然后在水文学家的帮助下，决定提供给这些栖息地必要的量级、频率和流量的持续时间。 建立分区法（BBM） 专家小组评价法（EPAM） 河道内流量增量法（IFIM） 物理栖息地模拟模型（PHABSIM） 栖息地排水法（HDM） 水文学方法首先包括对生态系统的描述，然后是历史前扰动水量的恢复。并假定生物是适应于前扰动的水量并且水量的恢复将使系统变为健康的生态系统。目前，水文学方法研究需水主要关注在最小流量的保持。水文学方法的有利方面包括低成本、不考虑生物的细节信

23、息。不利方面是缺乏对目前生态价值的直接关注。生态学方法，包括现存或期望生物对水量的需求和分配。也包括对历史水量数据的检验，但不同于水文学方法，主要是基于生态管理的目标。生态学方法的有利方面是直接针对目前系统的生态价值和现存问题，如水禽利用水状况，濒危物种或种群的现状，侵入物种的表现等等。不利方面是缺乏物种需求信息，另外，现有的相关数据不能满足需水量计算的需要。 湿地生态需水研究针对河流、湖沼及河口等不同类型河流湿地:水体流动特性，要求流速、流量等目标；湖沼湿地:为生物相对稳定的大面积栖息地，要求水面面积、水深等目标； 河口:淡盐水混合特性，要求盐度、泥沙、营养物平衡目标；城市河湖:人为因素影响

24、显著，要求水深、景观目标。研究已取得一定的成果二、关键问题及方法二、关键问题及方法机理配置调度模型横向水文梯度纵向水文过程垂向水文过程个体与生境水质与水量整合地下水内部需水配置三生用水配置系统网络配置水利工程调度需水短缺风险虚拟水战略为什么需水?需要多少水?保障多少水?如何保障水?纵向横向湿地生态需水蒸散发规律水域与植被格局密度约束关键阈值确定水位波动最小水位水位波动范围阈值确定地下水位深水位深阈值地下水位下限河道流量栖息地变化水文情势关键阈值淡水沼泽芦苇盐化草甸芦苇将芦苇的适宜生态水位（地下水位深）由(-0.3m,0.5m)进行了拓展(-2.0m,0.5m)柽柳向陆向海外边界的柽柳、翅碱蓬竞

25、争与胁迫制约着芦苇翅碱蓬芦苇湿地保护边界根据土壤水盐平衡及对芦苇蒸腾耗水的影响，地下水埋深在-1.0-1.5m之间达水量平衡，而盐分在地下水埋深-2 -3.0m时基本平衡。l低水位深高盐土壤l深水位深高盐土壤l深水位深低盐土壤l水淹低盐土壤不同样区的水位深和土壤盐度不同样区柽柳的生态特征l土壤水盐与地下水对柽柳的影响柽柳植被高度、茎粗随地下水位的下降急剧减少，并有很强的相关关系；随着土壤盐分的升高，柽柳个体各指标受抑制作用明显；当地下水位埋深（水位）在-1.5m 0、盐度在10-60 g/kg时，是柽柳生长的生态阈值。株高茎粗 冠幅 水位深 盐度 地下水位深在0 -1.5m易形成芦苇和柽柳的混

26、生区l土壤水盐与地下水对柽柳的影响翅碱蓬对水位深的最适值为-0.40m，最适生态阈值区间为(-0.70m,-0.20m) 。 l翅碱蓬的响应阈值地下水位深在-0.70m -0.20m) 易形成翅碱蓬和柽柳的混生区垂向水位波动也是生态需水动力过程的关键01000200030004000500001000200030004000500060001234B1:500010m210m2DACFGHI 明 水 面Uncoverd water surfaceE 图 例legend-1.25-1.17-1.09-1.01-0.93-0.85-0.77-0.69-0.61-0.53-0.45-0.37-0.2

27、9-0.21-0.13-0.050.030.110.1901000200030004000500001000200030004000500060001234B1:500010m210m2DACFGHI 明 水 面Uncoverd water surfaceE 图 例legend-1.1-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.601000200030004000500001000200030004000500060001234B1:500010m210m2DACFGHI-0.9-0.78-0.66-0.54-0.42-0.3

28、-0.18-0.060.020.540.660.780.91.021.141.26 明 水 面Uncoverd water surfaceE 图 例legendl浅水芦苇区芦苇对水深的适应春季夏季秋季不同季节盖度/高度最适水深盖度高度不同季节水深梯度下芦苇群落的生态适应不同季节水深梯度下芦苇群落的生态适应l旱地芦苇区芦苇对水深的适应春季夏季秋季不同季节盖度/高度最适水深盖度高度119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755-0.4-0.6水 深 (m)图例119.021

29、19.025119.03119.035119.04SU-137.7337.73537.7437.74537.7537.755-0.4-0.6119.02119.025119.03119.035119.04SU-237.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04SU-337.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04SU-437.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025

30、119.03119.035119.04SU-537.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04SU-637.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04SU-737.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04SU-837.7337.73537.7437.74537.7537.755水深()m图例119.02119.025119.03119.035119.

31、04FA-WI-137.7337.73537.7437.74537.7537.755-0.4-0.6119.02119.025119.03119.035119.04FA-WI-237.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025 119.03119.035119.04FA-WI-337.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04FA-WI-437.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.

32、035119.04FA-WI-537.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025 119.03119.035119.04FA-WI-637.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04FA-WI-737.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.04FA-WI-837.7337.73537.7437.74537.7537.755水深( )m图例春季夏季秋-冬季119.02119.025119.0

33、3119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755非芦苇生长区芦苇生长区SP-1119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SP-2SP-3119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SP-4119.02119.025119.03119.035119.0

34、437.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SP-5SP-6119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SP-7119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SP-8119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.7453

35、7.7537.755浅水芦苇旱地芦苇裸地明水面图例SU-1119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SU-2119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SU-3SU-4119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.75

36、5SU-5119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SU-6119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SU-7119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755SU-8119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755浅水芦苇旱地芦苇裸地明水面图例浅水芦苇旱地芦苇

37、裸地明水面FA-WI-1119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-2119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-3119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-4119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-5

38、119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-6119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-7119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755FA-WI-8119.02119.025119.03119.035119.0437.7337.73537.7437.74537.7537.755图例春季夏季秋-冬季1nIIi ii

39、1WWWst 00 01 1()() nmi iini iiS SP PAP PAP PE01/ln(/)ni ii ii ii iiHAAAA1nipiBAd/ wPSSi=n, j=mijjtiji=1, j=1EWRsS B H研究区总面积模拟水位j下生境i的面积百分比模拟水位j下生境i的平均水深功能整合性计算l沼泽湿地系统栖息地-水位响应的生态需水l沼泽湿地系统栖息地-水位响应的生态需水基于芦苇盖度、高度响应的偏好水深范围内面积百分比w研究区春、夏、秋-冬季适宜生态补水量水位模拟及适宜生态需水计算调（泄）水量春季夏季秋-冬季2y3.998416.939 0.9548xR2y4.810421.239 0.9866xR2y4.640520.288 0.9788xR春季：夏季：秋-冬季：W储：对白洋淀50年水位时间序列进行小波多尺度变换分析，对水文状况进行了分类。序列分析与干湿季划分1954-1963(阶段A),1973-1980(B), 1990-1997(C)为正实数，水位达到较大值，为白洋淀的丰水期;1951-1953(阶段A)，1964-1972(B)，