基于河流天然径流变化特征的河道生态需水计算

基于河流天然径流变化特征的河道生态需水计算

1多种方法的发展人类对水的需求与河流生态系统的健康需求之间的平衡已成为21世纪河流管理的主要挑战。保护河流径流过程及其变化特征,科学、合理地确定河流生态需水量是保护河流及其生态系统的根本性措施,也是河流水资源优化配置的重要依据。据Thame2003年的总结,全球已有44个国家进行了河流生态需水研究,所用方法超过200种,大致分为4类:以历史水文数据为基础的水文学法(Tennant法、Texas法等)、基于河道断面水力参数的水力学法(湿周法、R2CROSS法等)、基于生境适宜性分析的栖息地模拟法(IFIM法等)以及基于河流系统整体性理论的综合法(BBM法等)。我国河流生态需水研究相对较晚,但发展速度很快,特别是20世纪中后期以来,我国学者对生态需水的相关概念进行了激烈的讨论和辨识。在引入国外河道生态需水计算方法的同时,针对河道稀释自净需水、输沙需水、景观娱乐需水以及珍稀物种适宜栖息地需水等积极探索适合我国国情的河流生态需水量计算方法。然而,由于河流生态需水的复杂性,至今为止还没有形成统一的计算原则与方法,生态需水量确定方法仍在不断地发展更新。从方法的发展来看,水文学法较早提出,至今已经得到了较为充分的发展。由于我国目前有关河流水生生态研究资料积累的还较少,而水文学法不需要水生生物的具体生境资料,因而成为较多应用中推荐采用的生态需水量确定方法之一。国内学者也提出了一些新的水文学法,如改进的7Q10法、河流基本生态环境需水量法、月(年)保证率法以及逐月最小生态径流计算法和逐月频率计算法等。这些方法主要是根据简单的水文指标对河流径流量进行设定,例如多年平均径流量的百分率或者天然径流量频率曲线上的保证率。水文指标及其标准的设定具有较大程度的经验性和主观性,往往忽视了河流生态水文过程及其对径流年内需求的差异。鉴于此,本文立足于河流生态系统与径流过程的响应关系,针对河流生态水文过程对径流的年内动态需求,提出了一种同时考虑河流天然径流年内变化特征和维持河流基本生态环境功能所需径流条件的生态需水年内展布计算法。2生态水年尺度的制定2.1相关概念的定义(1)河流的生态需求(2)河流的基本上生态都需要水2.2河流水文特性指标的年度动态自然条件下,河流水文过程具有周期性变化规律,并伴随着相应的生态系统响应与特定的生态作用。同时,河流水生生物的完整生命史过程及群落结构特征已完全适应了河流的水文过程,生态系统处于一种自我调节和自我控制的健康生命环境中。由此可知,河流天然最小月均径流能够满足河流基本生态环境功能、水生生物生存及群落结构对水量的基本需求,生态系统没有遭到严重的不可恢复的破坏。然而,由各月最小月均径流量构成的年内过程并不能很好地反映出河流的水文特征。河流多年月均径流过程则能够更好地反映出河流历史径流的总体过程及其变化特征,如幅度、时间、持续时间以及变化率等(见图1)。因此,本文基于河流生态水文过程对径流的年内动态需求,根据长时间序列的天然月均径流资料,选取多年年均径流量与年内各月最小月均径流量的年均值(简称为最小年均径流量)这两个典型的水文特征变量进行确定与量化关键水文指标——同期均值比,并以多年月均径流过程为基准进行河道基本生态需水量的年内过程计算,即生态需水年内展布计算法。该方法的计算步骤如下:(1)根据水文断面长时间序列的天然月均径流资料,分别计算多年年均径流量-Q和最小年均径流量Q-min,计算公式分别如下:式中:q-i为第i个月的多年月均径流量,(m3/s);qmin(i)为第i个月的多年最小月均径流量,(m3/s);qij为第j年第i个月的月均径流量,(m3/s);n为统计年数。(2)利用多年年均径流量Q-和最小年均径流量Q-min计算同期均值比η,即:(3)结合多年月均径流量的年内过程,计算各月的河道基本生态需水量Qi,即:-2.3全年平均径流生态需水年内展布计算法基于河流天然径流过程,选取多年年均径流量与最小年均径流量这两个水文特征变量进行同期均值比的计算,弥补了传统水文学法以多年平均径流量的特定百分率或者天然径流量频率曲线上的特定保证率作为水文指标的经验性与主观性,同期均值比更具有区域的代表性和普遍的适用性。该方法的另一个优点在于以多年月均径流过程为基准进行河道基本生态需水量的年内过程计算,使计算结果能够反映出河流天然径流的丰枯变化特征。但是,该方法适用于有连续径流过程的大中型河流,而不适用于强季节性河流。因为强季节性河流的径流过程可能会发生断流现象使得该方法出现较大误差。3典型水文断面的分析以淮河干流为例,采用长台关、息县、王家坝、淮滨、鲁台子和吴家渡等6个典型水文断面1956—2000年的天然月均径流资料,对生态需水年内展布计算法估算河道生态需水量的计算过程进行实例分析。淮河干流主要水文断面基本特征如表1所示。3.1计算过程3.1.1确定各水文断面的最小均径流q-表面活性剂根据前文所述的计算步骤,首先利用式(1)与式(2)确定各水文断面的最小年均径流量Q-min与多年年均径流量Q-;其次运用式(3)计算出各水文断面的同期均值比η,计算结果如表2所示。3.1.2根据生态需求和年披露过程的计算3.2讨论与分析3.2.1般用水期与tennan法评价标准的对比Tennant法是依据观测资料而建立起来的径流量和栖息地质量之间的经验关系。在实际应用中,需要结合河流的地理位置、气候条件以及生态保护目标等对Tennant法划分的分期与标准在本地区的适用性进行检验。本文根据淮河主要经济鱼类四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)的产卵育幼期这一重要生命阶段,将Tennant法的鱼类产卵育幼期修正为4—8月,一般用水期为9月至翌年3月。修正后的Tennant法评价标准如表4所示。将淮河干流各水文断面的基本生态需水量计算结果与修正后的Tennant法评价标准进行对比分析,如表5所示。结合上述表3可知,在一般用水期(9月到翌年3月),各水文断面生态需水量占多年年均径流量的4.4%~8.7%。根据Tennant法对各径流量标准的描述,此时的河道径流量条件仍保留一定的河宽、水深和流速,可以满足鱼类洄游、生存和旅游、景观的一般要求,是保持绝大数水生生物短时间生存所必需的瞬时最低径流量。在鱼类产卵育幼期(4—8月),各水文断面生态需水量占多年年均径流量的14.5%~23.8%,处于Tennant法评价标准的差至中等(10%~30%)之间。此时的径流条件将使河槽宽度、水深及流速处于基本令人满意的状态,是保持水生生物栖息和产卵、育幼等生态功能的最小瞬时径流量。由于Tennant法设定的分期与计算标准考虑了淮河干流当地的水生生物生活习性及气候特点,符合当地河流生态环境的实际条件。因此,根据本文所提出的生态需水年内展布计算法计算得到的基本生态需水量能够满足河流生态功能目标对径流的实际需求。3.2.2生态径流的年度动态由图2可知,淮河干流各水文断面的最小月均径流量年内过程普遍在10月份出现最小值。其中,长台关断面发生于1957年,息县断面、淮滨断面和王家坝断面均发生于1966年,而鲁台子断面和吴家渡断面则发生于1978年。根据淮河流域历史水文事件,1966年与1978年均是淮河流域近年来的大旱年。因此,最小月均径流量年内过程容易受到年际年内极端水文事件的影响,不能满足河流生态水文过程对河道径流的年内动态需求。本文提出的生态径流年内展布计算法在量化同期均值比时取最小月均径流量的年均值进行计算,减弱了极端水文事件的影响。同时,以多年天然月均径流量的年内过程为基准进行河道基本生态需水量的年内过程计算,能够较好地体现天然径流的年内丰枯变化过程。4计算最小孔径推荐值(1)本文提出的生态需水年内展布计算法是一种计算河道基本生态需水的水文学法。该方法基于河流天然径流的特征变量——多年年均径流量与最小年均径流量来确定与量化同期均值比,并结合多年月均径流过程进行河道基本生态需水量的年内展布计算。(2)利用生态需水年内展布计算法对淮河干流主要水文断面的基本生态需水量年内过程进行了估算。结果表明,一般用水期(9月到翌年3月)以多年年均径流量的4.4%~8.7%作为断面保持绝大数水生生物短时间生存所必需的最小径流量推荐值;鱼类产卵育幼期(4—8月)以多年年均径流量的14.5%~23.8%作为断面保持水生生物栖息和产卵、育幼等生态功能的最小径流量推荐值。(3)通过与Tennant法、最小月均径流量年内过程的对比,表明计算结果在修正Tennant法的评价标准中所对应的河道状态与河道基本生态需水概念界定的生态功能目标相一致,并较好地体现了河流天然径流的年内丰枯变化过程,能够满足河流生态功能对径流的实际需求。因此,本文建立的生态径流年内展布计算法是较为合理的,符合河流生态水文过程对径流的年内动态需求。在不同的区域和不同的阶段,为了维持河流生态系统健康和满足水资源开发利用的不同目的,必然会提出水资源利用的具体模式。然而,为了使河流水资源能够得到可持续的利用,必须考虑河流生态系统对水资源的需求,从而提出了河流生态需水的概念。河流生态需水是在特定时间和空间条件下,为满足河流生态系统诸项功能所需水量的总称。一方面,河流生态需水受到河流生态水文过程的制约,表现出随时间和空间变化的动态特征;另一方面,河流生态需水具有协调各项河流基本功能的内涵,表现出在特定时空单元内最大限度地满足河流主要功能的优先选择性。因此,河流生态需水在确定其合理阈值的同时,还需要能够体现出天然径流的变化特征(见图1),从而满足河流不同区段在不同时段的特定生态功能目标。河流生态需水的目标及其优先顺序一般设定为:①保证河道不断流;②为水生生物提供最小生存空间;③为水生生物产卵、洄游等提供适宜的生境条件。(3)河道生态需水的水目标计算生态需水具有阈值性,即针对不同的目标应设定不同的需水水平。本文以维持现有河道生态系统不再恶化、保障河道天然关键物种不消亡,从而保证河道生态系统基本功能不严重退化为目标进行生态需水计算,并将该生态需水水平称为河道基本生态需水。结合河流生态需水目标的划定,河道基本生态需水的生态功能目标为:在一般时期须满足目标①和②;在水生生物繁殖、发育等关键生命阶段须满足其产卵、洄游对生境条件的最低需求。不同河流,甚至相同河流的不同河段,由于气候、下垫面、人类活动影响程度以及水生生物在不同生命阶段对河道径流需求的差异