基于洪峰流量频率的生态水文指标体系研究

基于洪峰流量频率的生态水文指标体系研究

城市化最显著的特点是区域内不透水性表面面积的增加，直接导致地表径流的增加和地下水入渗的减少。地下水入渗的减少和下游河流的地表径流流量、频率、大小和持续时间的变化是河流生态退化的主要原因。城市化发展导致在天然状态下的植被向不透水性路面的转变过程中,植被覆盖减少,对污染物的消解及拦截作用降低,从而导致沉淀物和污染物增加;同时,城市化的发展改变了流域河网的形态,造成河流缩窄变短、湖泊河网衰退消亡,并最终引起河流生态的变化。由于水文机制改变而造成的河流水质恶化、生物栖息地退化和单一化及河道侵蚀等生态问题已经在世界研究范围内达成共识。生态水文效应是指流域或区域水文过程或水文情势变化对生态系统的影响,包括河道内和河道外的相关区域,是流域生态水文学的重要研究内容。通过建立生态水文指标体系,对城市化或水利工程的生态水文效应进行分析是目前的研究热点,对于指导河流的保护与生态修复实践具有重要意义。但目前所采用的生态水文指标体系多是基于河道生态监测数据,对于缺乏生态监测资料的区域及城市化进程的生态水文效应的分析具有一定的局限性。本文以位于美国堪萨斯州,LittleMillCreek流域的一个典型城市化地区为例,通过基于径流情势对河流生态的影响建立一系列简便可行的生态水文指标体系,并利用该指标体系研究城市化的区域生态水文效应,对实现城市水资源的可持续利用和促进生态环境保护有重要的理论和实践意义。1不透水性区域的需求预测研究区位于美国堪萨斯州LittleMillCreek流域,面积为0.36km2,平均坡度2%,区域不透水性系数为40%。选择该区域作为研究区的原因,一是该区是美国快速城市化的代表性城市,在过去几年内经历了显著的由非城市化向城市化过渡的过程,其快速发展已严重影响了下游的河道生态环境;二是该区域为LittleMillCreek流域滞留池基于SWMM(StormWaterManagementModel)水文效应分析报告中的一个独立的汇水子区域,因此,可以节省模型构建及参数校核的时间。研究选取1968~1977年降水资料进行模拟,该时段降水资料序列完整,降水量接近多年平均值(仅比多年平均值小1.65mm),可代表多年平均情况。在SWMM中,区域不同土地利用形式对径流的影响由透水性区域的可积水深度及曼宁系数来表示。因此,本文设定当不透水性系数为5%时,区域为天然状态,透水性区域的曼宁系数为0.60,可积水深度为0.76cm;当不透水性系数为30%时,区域开始进行有规划的发展,曼宁系数与可积水深度与现状水平下相当,其曼宁系数为0.10,可积水深度为0.51cm,并假设区域曼宁系数和可积水深度在不透水性系数5%至30%之间呈线性变化。模型中Horton入渗计算时,最大、最小入渗速率分别为11.43cm/h、0.51cm/h,消减系数为6.5。2径流情势与河道生态格局水文循环中最终汇入河道的地表径流与基流是影响河流径流最重要的因素,其总体特征表现为河流径流情势的改变。径流是河流生态的驱动力及生物组成的决定性因素,并通过改变栖息地的环境因子、形成自然扰动机制、扰动河流纵向和横向连通性,进而影响河流物种种群结构及河道生态系统的完整性。其中,径流的大小、频率、历时、发生时间和变化率,直接或间接地影响河道生态环境的完整性,控制着河道内、外的物质和能量交换,影响着水生生物群落间的相互作用,是形成和维持水域生态系统完整性与多样性的5个关键因素。基于河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面的重要性,许多学者开始寻求通过恢复河道天然状态下的径流情势来达到改善下游生态环境、维持河道系统完整性的目的。基于此,生态水文指标体系自1990年以来在国外便成为研究的热点,不同的学者通过计算分析不同水文指标和生态指标之间的关系,试图确定与生态最相关的水文指标。但是,径流情势的5个基本特征决定了其潜在生态相关的水文指标众多,而在实际应用中,如果将每一个水文指标与河道生态指标都进行关联度分析,从而确定最相关指标是非常困难的。除此之外,与某一河道生态指标相关的水文指标,有可能与另外河道的生态指标不相关。为了简化计算并能将其应用于实际工作,本文通过对最终汇入河道的地表径流的形态进行分析,以期得到简便可行的生态水文指标体系。2.1生态水文指标间接生态水文评价指标,是指与生态指标没有直接联系、而是通过径流形态反映其生态水文特征的指标体系。当径流在流量、频率等各方面与天然状态下的径流形态接近时,即可认为河流生态环境得到了恢复和维持。基于以上思想,本文利用径流历时曲线和洪峰流量频率超出曲线来综合反映径流在流量、频率、持续时间等方面的特征,并进而反映生态水文效应。(1)径流历时曲线径流的大小和持续时间是重要的生态水文指标,对应着不同的生态过程,因此,很多学者将径流的大小和持续时间作为重要的生态水文指标进行分析。目前常用的生态水文指标体系仅考虑了年或者月较大和较小径流,而忽略了其它中等大小径流以及洪水等。径流历时曲线反映了所有降水时段流量的大小以及在研究时段内大于或等于该时段流量的时间占区域有径流总时间的比例(简称超出时间比例)。径流历时曲线并不考虑某一个或者某几个单独的水文指标,而是考虑了包括由较大径流、较小径流以及洪水在内全部径流的大小及其持续时间,而不同大小及历时的径流在维系河道生态环境方面均具有不同的生态学功能。因此,径流历时曲线可用于对区域不同城市化程度的生态水文效应进行评价。(2)洪峰流量频率超出曲线洪峰流量及其发生频率是重要的生态水文指标,与河道生态系统的完整性和稳定性密切相关。目前在洪峰流量及频率方面所采用的生态水文指标研究主要是对年极端径流计算的,而河道生物群落对径流的响应主要是对大于某一阈值的流量发生的频率,而不仅仅是年极端径流。因此,本文采用基于偏序列的洪峰流量频率超出曲线作为反映洪峰流量和频率的生态水文指标。洪峰流量频率超出曲线反映了所有降水事件中某一洪峰流量和其所发生的频率之间的关系,其优点在于考虑了所有降水事件的洪峰流量,包括较大和较小洪峰流量,而不仅仅是年极端径流。因此,基于偏序列的洪峰流量频率曲线可作为一个生态水文评价指标,并用于对区域不同城市化程度下的生态水文效应进行评价。2.2生态学指标直接生态水文评价指标是通过分析水文指标和生态指标(如附着生物、大型无脊椎动物、藻类植物等)之间的关系,从而确定与生态最相关的水文指标。根据美国地质调查局(UnitedStatesGeologicalSurvey,USGS)所采集的大型无脊椎生物群落的样本信息,本文所采用的生态学指标主要包括:类群丰度,蜉蝣目、襀翅目和毛翅目的数目(#EPT,其中,蜉蝣目、襀翅目和毛翅目统称为EPT),EPT丰度,大型底栖无脊椎动物指标(MBI),Kansas生物指标(KBI)以及科阶元生物指标(FBI)。Pomeroy认为T0.5(区域径流超出天然状态下重现期为0.5年的降水所产生的洪峰流量的时间占区域有径流总时间的比例)是能预测生物多样性的水文指标。利用数理统计软件SAS计算各生态样本采集点的T0.5值并将其与各生态指标进行线性回归,结果表明:类群丰度、#EPT、EPT丰度、MBI、KBI和FBI与T0.5之间的线性相关系数分别为0.77、0.75、0.73、0.75、0.81和0.79,显著性水平为1%~4%。因此,可将T0.5作为一个生态水文指标,用以对多样性中的类群丰度、Kansas生物指标以及科阶元生物指标进行预测,并进一步对河道生物多样性进行预测。3城市化生态水保护3.1城市轨道交通径流时空分布由于径流历时曲线对所有的径流数据均进行统计,且大部分径流为零。为了突出非零径流的特征,本文采用偏数据系列,将径流历时曲线时段流量的阈值设为0.03m3/s,即当区域的时段流量小于该值时不计入统计。区域各不透水性系数下的径流历时曲线如图1所示。由图1可以看出,随着区域不透水性系数的增大,径流历时曲线的形状发生了明显的变化,并表现为时段流量幅度及超出某一瞬时径流的时间占区域有径流总时间的比例显著增大。为了直观反映不同城市化程度在整个模拟区间对区域径流在大小、持续时间以及频率的变化,以区域不透水性系数为40%的城市化程度为标准,将径流历时曲线按照其径流所占的时间比例分为4段,即当其时间比例区间分别为<0.1%、0.1%~1%、1%~10%以及10%~100%时用以代表区域不同瞬时径流量的大小,并利用每个区间内径流的总时间来表示不同城市化程度下区域所产生的径流在大小、持续时间以及频率方面的变化,其计算结果如表1所示。表1表明,洪水、较大径流、中等程度、较小径流的持续时间及径流总持续时间均随区域不透水性系数显著增加,从而使天然渠道有更多的时间处于更大的径流流量之下,而当径流量对渠道所产生的剪应力大于渠道的临界剪应力时,便能对渠道发生侵蚀作用。当区域不透水性系数为5%时,即区域处于天然状态时,其最大洪水流量小于1.385m3/s,且其持续时间仅为15h,而对于不透水性系数为40%时,其持续时间为193.25h,约是前者的13倍。一定持续时间的洪水主要用来维持水生生物和和河岸带物种的平衡,而城市化的发展使天然状态下较小的洪水演化为频繁发生、且持续时间变长的较大洪水,必然为水生和河岸物种平衡方面带来负效应。同样的,城市化进展通过影响较大径流及其持续时间和频率,进而在河道形状塑造,河道正常水质水平的恢复方面产生了负面影响;通过增大较小径流的历时和频率,改变了天然状态下维持水生生物适宜的水文、溶解氧以及水化学特征。从河道径流调控的角度出发,为使城市化发展后的河道生态环境得到修复,可通过径流调控措施,使得城市发展后的河道径流的径流历时曲线即径流大小和历时与天然状态下水平相当。3.2不透水性系数对城市洪峰流量大小及发生次数的影响图2为研究区各不透水性系数下的洪峰流量频率超出曲线。其中洪峰流量的阈值为0.03m3/s,即当某个降水事件所产生的洪峰流量小于0.03m3/s时,该降水事件不纳入统计范畴。由图2可以看出,随着不透水性系数的增大,降水序列所产生的洪峰流量越来越大,且超出某一洪峰流量的频率呈显著增大的趋势。为了更加直观地比较,以区域不透水性系数为40%时的洪峰流量频率曲线作为标准,将其分为3段,即将频率<1%、1%~10%以及10%~100%分别表示频率曲线所对应的较大的洪峰流量、中等程度的洪峰流量以及较小的洪峰流量,并计算不同不透水性系数时位于各区间洪峰流量发生的次数,进而反映城市化对洪峰流量大小及发生次数的影响,结果如表2所示。由表2可以看出,随着不透水性系数的增大,区域发生较大洪峰流量、中等洪峰流量以及较小洪峰流量的频率均显著增加,具体表现为其次数的增加。不同的洪峰流量过程对应不同的生态过程,如较大洪峰的流量过程通过与河漫滩和高地的连通,大量输送营养物质并塑造漫滩多样化形态,维系河道并为河岸生物提供食物;较小洪峰的流量过程则影响着河流生物能量的补充以及一些典型物种的生存。城市化使得洪峰流量在大小方面发生了显著的变化,从而破坏了生物生命循环流量稳定化,使得外来生物容易入侵,从而导致生物局部绝灭,威胁原有物种并改变种群组成。而河道流量的频繁变化增加了对河岸和河床的冲刷,使得敏感物种丧失,并减少通过河道进入漫滩的水和营养物质,从而导致植物、幼苗干化、植物种子扩散条件变差。河流生态系统的生物组成、结构和功能依赖于河流径流情势,而洪峰流量的大小和频率是形成和维持水域生态系统完整性与多样性的两个关键因素,区域城市化通过影响洪峰流量的大小和频率,进一步对河道生态系统产生了负面的影响。3.3不透水性系数t0.5的变化规律为了讨论不同区域径流划分阈值对T0.5的关系,本文计算并绘制了不同不透水性系数下,当阈值分别为0.03m3/s、0.06m3/s、0.11m3/s、0.17m3/s、0.23m3/s和0.28m3/s时的T0.5值的变化曲线,如图3所示。由图3可以看出,当阈值较小时,T0.5值受区域有径流总时间的影响较大,随不透水性系数的变化比较平缓;当阈值较大时,曲线前段接近水平线,而区域城市化发展的初始阶段,是径流变化最剧烈的阶段。因此,阈值较小或者较大时均不能反映区域径流的变化特征,合理的阈值取值区间应为0.11~0.23m3/s。在此区间内,T0.5的变化趋势呈现出先剧烈减小,而后减小幅度相对平缓的特征。根据T0.5与河道生物多样性指标之间的线性关系可以得知,随着T0.5的减小,其生物多样性逐渐减小,从而表明城市化对河道生物多样性起着负面的作用,并进一步恶化河道生态环境,且这种负面影响在城市