沈焕庭河口生态需水量计算

沈焕庭河口生态需水量计算

1河口生态需水量受海洋径流减少和河口打开的影响，河流进入大海的动态条件发生了变化。河口基本上受潮汐水流的控制，但海洋盆地的所有河口都存在严重的沉积物。入海淡水水量减少,加上日益严重的污染以及过度捕捞,河口区生态环境遭到根本性破坏。河口生态系统的生态环境恢复成为滨海地区社会经济与环境协调发展亟待解决的重大问题。生态环境用水的短缺是除开发利用外导致海河流域河口退化的最主要原因。河口生态需水是在一定生态目标下,维持河口相应时空范围内生态系统健康所需要的水量。保证河口一定规模的生态用水需求,已成为流域水资源合理配置以及恢复河口生态系统健康亟待解决的关键问题之一。生态需水量的计算结果可为维持河流生态系统健康、保护河流生态环境功能提供重要的决策支持。河口生态需水量的计算依赖于河口范围的准确界定,不同的河口界定方法下,河口范围可能差别很大。已有文献[2,6-7]进行过海河流域部分入海河口生态需水量的研究,但并未对所用河口定义、河口范围界定、土地利用等进行详细说明。本研究通过不同河口定义与界定方法比较,选择适合河口定义,界定永定新河、海河、独流减河的适宜河口范围,在此基础上进行河口生态需水量的计算,以期为河口生态修复提供科学依据。2学习方法2.1ritcard法对于河口的界定,常见的河口划分方法有萨莫依洛夫法、沈焕庭法,以及欧美广泛使用的Pritchard法。综合比较后,本研究参照参考文献报道的沈焕庭的河口定义方法,将上自潮流界,下迄河流泥沙扩散主边界作为河口区范围,其中潮流界至盐水入侵界为近口段,盐水入侵界至涨落潮流优势转换界为河口段,向下至河流泥沙扩散主边界为口外海滨段。2.1.1任河口的河口排海闸口在改变河流自然流态(仅在泄洪时段排海)的同时,也限制了海潮向河流的上溯,闸坝基本成了河、海的分界面,阻断了其间的物质交流。如1959年海河口建闸以后几乎全年关闭,感潮河段消失。河口理论上上边界应取在潮区界以上,因此,对这三条河流来说,入海控制闸可以看作是现状建闸河口的上界。但考虑到生态环境需水量的计算是要针对河口退化现状而进行的河口生态功能恢复所需水量,因此,本研究在计算河口生态需水量时,仍将未建闸时海潮上溯边界作为河口上界,分别取海河上游金刚桥、永定新河屈家店闸、独流减河上游西青区第六埠村作为河口上界。2.1.2河口关闭2.1.2.河流泥沙扩散主边界永定新河、海河、独流减河三河口均为淤泥质河口,此类河口都会形成拦门沙。塑造河口拦门沙的动力因素很复杂,有径流、潮流、盐水与淡水混合、沿岸流和风浪等,其中径流和潮流是主导因素。若径流动力大于潮流动力,沙脊会向外移;若径流动力小于潮流动力,沙脊会向内移。拦门沙滩顶较高,成为河口区域相邻水域的沉积界线及细颗粒泥沙在口外扩散的屏障,即径流泥沙扩散的主边界。依据沈焕庭的界定方法,河流泥沙扩散主边界可以看作是河口的下界。盐水楔是低盐径流河水与高盐海水的交互锋面,研究表明其位置基本上与拦门沙的滩顶所在位置相符。因此,本研究以早期的河口拦门沙位置作为河口的东西向下界。对于海河,其河口拦门沙1958年时位于闸下12.3km,1959年位于闸下10.0km以下。永定新河1971年时拦门沙浅滩约距屈家店闸74.3km(约为入海闸下12.3km),1995年则位于闸下8.5km。因此,本研究选择1958年海河建闸、1971年永定新河开挖时的河口拦门沙位置(均为入海控制闸下12.3km)作为相应河口的东西向下界。独流减河河口以滩地行洪为主,径流入海后急剧扩散。从全潮观测资料来看,距岸5km以外的测点,其含沙量极小为0.4~0.5kg/m3,而近岸3km以内,含沙量为1.5kg/m3,该泥沙浑浊带为潮流所控制,独流减河入海径流扩散范围难以逾越此混浊带。因此本研究以近岸5km作为独流减河河口东西边界。2.1.2.数值模型的建立对于大尺度河口海域,数学模型具有很大的优势。对于海河河口,参考张华庆等及谈广鸣等研究采用的河口海域二维计算正交曲线网格范围作为相应河口海域南北界线;对于永定新河河口,参考张华庆等、刘江川等等建立的永定新河水沙数学模型;对于独流减河,参照白玉川等的河口泥沙数学模型。2.1.3三个开口的当前范围为依据上述河口上、下界的确定,海河、永定新河、独流减河三河口的河口范围见图1,河口区土地利用类型见表1。2.2生态需水量河口生态需水量主要包括河口水循环需水量、河口生物种群需水量,以及河口生物栖息地需水量3部分,可划分为最小、适宜和理想生态需水量。由于河口生物种群需水量主要计算河口近海水生生物自身含水量,远小于其他3部分生态需水量,如海河流域滦河与漳卫新河的河口生态需水量仅为泥沙输运需水量的0.1%左右,本研究以河口水循环需水量与河口生物栖息地需水量之和作为河口生态需水量,计算方法详见文献。3结果3.1沿海河口的水循环应根据必要的水量计算3.1.1蒸发量与降水量河口湿地需水量首先要保证开阔水域部分的蒸发消耗淡水量式中,QE为蒸发需水量;E为蒸发量;P为降水量;A为河口水域面积。在天津所处的华北地区,蒸发量普遍大于降水量。以滨海河口地区1960~1970年、1979~1988年共21年间的蒸发、降雨量计算出来不同保证率下的蒸发消耗失水强度分别为:最小(85%保证率)446.13mm,适宜(50%保证率)862.50mm,最大(25%保证率)1437.50mm,表2给出了三河口蒸发消耗需水量的计算数据。3.1.2土壤类型及土壤条件湿地土壤需水量计算公式为式中,Qt为土壤需水量;a为田间持水量或饱和持水量百分比,根据研究区的土壤类型而定;γ为土壤密度;Ht为土壤厚度;At为湿地土壤面积。天津滨海新区入海口附近土质为(淤泥质)粘土、亚粘土,饱和持水率约为60%。取饱和持水的60%作为湿地适宜需水量,90%作为湿地土壤最大需水量的参考。研究区内土壤主要是褐土、草甸土、沼泽土、潮土,其土壤密度取值为1.39g/cm3,土层厚度取120cm。分别取持水量的30%、60%和90%计算3个滨海河口区的土壤最小需水量、适宜需水量和最大需水量。计算结果见表3。3.1.3蒸发量的潜在平均值海河流域年平均陆面蒸发量470mm,以该值作为计算植被蒸散发量的潜在平均值。分别按照潜在蒸发量的0.6、0.8和0.9的比例作为最小、适宜、理想的划分,植被蒸散发量计算,结果见表4。河口水循环需水量均为消耗性水量,计算结果如表5所列。3.2沿海河口的生物栖息地应考虑水量3.2.1河口外边界平均水位渤海湾近岸区域底部平缓,因此,这三个河口外边界水深较为一致,参照文献,河口外边界平均水深取8m。河口盐度保持需水量计算结果见表6。3.2.2河口泥沙输运需水量式中,Fs为泥沙冲淤需水量;Qi为泥沙年淤积量;Ci为河流泄流能力,可采用水流挟沙能力表示。参照文献,最大、适宜、最小输沙量选择30.0kg/m3、15.0kg/m3、3.0kg/m3。水流饱和含沙量大小与淤积泥沙特性密切相关,这三个河口淤泥性质参照海河口淤泥性质:饱和密度1.43~1.48g/cm3(1.45g/cm3),d50=0.003~0.0048。海河1958年建闸后,多年平均输沙量仅为建闸前的0.8%,来自浅海区滩地的泥沙造成了河口的淤积。从1958~1989年的32年间,闸下河道11km内淤积量累计达1862万m3,年均淤积58.2×104m3,质量折算为84.4×107kg。永定新河自1971年挖成后,由于每年泄量很小,河道长年被潮汐水流占据,造成严重淤积,至1984年底总淤积量达1487万m,年均淤积105.50×104m3,质量折算为153.0×107kg。独流减河自1967年修建工农兵防潮闸至1998年3月间,闸下2.0km范围内主槽累计淤积139.2万m3,年均淤积4.35×104m3,质量折算为6.3×107kg。表7给出了海河流域主要河口泥沙输运需水量。河口生物栖息地需水量为非消耗性水量,河口盐度保持需水量与泥沙输运需水量这两项间具有兼容性,因此滨海河口生物栖息地需水量计算以最大值为原则,计算结果见表8。3.3非消耗型水量基于以上计算的河口水循环需水量,以及河口生物栖息地需水量,对非消耗型水量进行兼容,取最大值,再加上消耗型水量,即得到海河流域典型河口生态环境需水量,见表9。4河口生态需水量根据天津市河流多年平均年入海水量统计,1956~1959年间,永定新河、海河、独流减河年平均入海径流量分别为16.90×108m3、65.40×108m3、36.60×108m3;2001~2008年间,永定新河、海河、独流减河年平均入海径流量仅分别为0.0619×108m3、1.679×108m3、0.219×108m3。对比本研究计算的最小河口生态需水量,2001~2008年间永定新河与独流减河的入海径流量远低于最小河口生态需水量,入海径流远不能满足目前河口生态所需;但海河干流年均入海径流量却达到适宜河口生态需水量的两倍左右。这是因为海河河口开发利用严重。根据本研究结果,海河河口海域面积理论值为55.79km2,但由于填海造陆开发,目前仅保留海域面积13.55km2。水域面积的减少,必然导致水域蒸发需水的减少,生态需水量测算数据亦大大减少。可见,随着河口开发利用强度的增大及河口海域不断被侵占,河口生态需水也将不断减少,直至河口消亡。对于永定新河与独流减河河口,生态需水量未见研究报道;但对于海河流域其他入海河口,已有不少文献进行过河口生态需水量的研究。与这些研究相比,本研究对海河口的生态需水量计算结果偏小。郑建平等通过建立入海径流与盐度(1965~1997年天津塘沽观测站入海盐度与入海水量)的回归关系,用20世纪80年代中期以前的多年平均盐度值作为盐度控制标准,计算得到该标准下的年入海径流21.6×108m3作为海河河口生态需水量,该水平相当于海河在20世纪70年代以前洪灾频发时的入海水量。由于河口范围界定是河口生态需水量计算的依据与前提,河口范围界定及土地利用类型可显著影响到河口生态需水量测算的大小。孙涛等在计算海河流域典型河口生态环境需水量时,给出了河口的土地利用类型及相应面积,但在给出这些数据并未给出测定依据。从1958~1989年的32年间,闸下河道11km内淤积量累计达1862万m3,年均淤积质量应折算为84.4×107kg,但孙涛等对海河河口泥沙输运需水量进行计算时采用的淤积量数据则为154.23×107kg,这也是其计算结果大于本研究的重要原因