淮河流域最小生态需水计算

淮河流域最小生态需水计算

1传统河流水生态流量计算方法生态需水是人类与水生态关系的核心，是生态水资源分配的关键。生态需水计算方法是确定生态所需水的关键。在我国的华北平原，由于河流旱季生态用水的显著减少，导致河流生态问题的主要因素之一。河流生态所占的经济效益很重要。国外河流生态需水计算方法大体上可以分为4类:(1)历史流量法,包括蒙大拿法、流量历时曲线法、产水常数法等;(2)水力定额法,包括湿周法、简化水尺分析法、R2CROSS法、WSP水力模拟法等;(3)栖息地定额法,包括河道内流量增加法(IFIM)、有效宽度(UW)法、加权有效宽度(WUW)法、偏好面积法等;(4)整体分析法,包括BBM法、澳大利亚的整体法等.历史流量法的优点是比较简单,容易操作,对于数据的要求不是很高,径流数据可以和决定河道内流量需求的生态数据相联系,容易在规划中使用.但由于对河流的实际情况作了过多的简化,没有直接考虑生物需求和生物间的相互影响,只能在优先度不高的河段使用,或者作为其他方法的一种粗略检验.与非现场类型的历史流量法相比,水力定额法包含了更多更为具体的河流信息.然而这类方法也忽视了水流流速的变化,未能考虑河流中具体的物种或物种各生命阶段对流量的需求.同时该类方法假设河道是稳定的、所选择的横截面能够确切的表征整个河道,而是实际上并非如此.栖息地定额法把大量的水文水化学现场数据与选定的水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合,评价流量变化对栖息地的影响.考虑的主要指标有水的流速、最小水深、底质情况、水温度、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等.由于栖息地定额法是定量的而且是基于生态原理的,在美国,认为它比其他评价方法更为可靠合理.然而,栖息地定额法往往很复杂,要求相当多的时间、金钱和专门技术,并且要求输入的生态信息是缺乏的.传统的栖息地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,由此计算出的生态流量结果,并不符合整个河流的管理要求.整体分析法建立在尽量维持河流水生态系统天然功能的原则之上,整个生态系统的需求,包括发源地、河道、河岸地带、洪积平原、地下水、湿地和河口都需要评价.国外河道最小生态需水计算方法很多.但是,由于生态系统的复杂性,没有一种被公认的通用的方法.多数计算方法为经验的和半经验的方法,因此,这些方法在我国未必使用.同时,由于我国生态资料缺乏,一些计算方法无法使用.因此,研究适合我国河流生态特性和资料条件的计算方法成为生态需水研究的重要问题.2研究区域和方法2.1地下水水资源量和利用率高,水资源利用率高,导致地下水资源量较低,存在生态问题.颍河属淮河流域,其大部分流域面积位于淮河以北平原区,暖温带半湿润季风气候区.区内多年平均降水量约为715mm,年平均水面蒸发量为900～1100mm.夏季雨量充沛,降水集中,汛期(6～9月)多年平均降水量占年降水量的55.7%.区内耕地多,人口密度大,人均水资源量约300m3/年,是全国平均值的1/7,水资源非常缺乏,供需矛盾突出,水资源利用率高.由于水资源利用率高,进入中下游河道枯季水量大幅减少.为抽取当地有限的河水,修建多处拦河闸,引用河流水源,导致下游河流干涸、断流,出现许多生态问题.2.2学习方法从两个方面研究河道最小生态需水:第一,研究河道水文和地形子系统的最小生态需水;第二,研究河道水文、地形和生物子系统最小生态需水.2.2.1水文与河流形态的分析2.2.1.枯季水体最小生态需水量模型河道内生态系统由水文、地形、生物、水质和连同性5部分组成,这5个部分在生态系统中有各自的作用,它们各自的功能和相互间的作用决定了河流的功能.在5个部分中,水文是主动的和起主导性作用的部分,正是有了水才称之为河流.水文循环的存在导致了河流的产生,水文循环的改变导致河流的改变.河道为河道内水文的存在提供了支撑和舞台,同时,又对水文产生着制约.河流中的生物适应着水流与河床形态.水流与河床构成的空间是生物赖以生存的栖息地,是生物生存的最基本的条件,因此,水文和地形构成了河流生态系统中最基础的部分.要维持河流自身的基本功能,必须使其维持在一定的水平.为此,从水文、地形及其相互作用方面,研究维持河道内生态系统自身基本功能不严重退化所需要的最小水量——枯季水体最小生态需水量.河道枯季水体最小生态需水定义:维持枯季河道内水文和地形子系统基本功能所需要的最小水量.在本文中,河道枯季水体最小生态需水简称为河道水体最小生态需水.在河道中流动的水和岩土发生作用,形成了各种各样的河床形态.河床是河川水流与其底部的土相互作用的产物.在相互作用的过程中,形成与这个过程相适应的河床形态.水流在此河床上的流动形成了水面宽度、水深、流速等水力条件.水面宽度、水深和流速是河流的重要特征,其中,水面宽度是河流更为重要的特征.河流重要特征的存在才使河流称之为河流.在自然河流中,水面宽与河流流量高度相关,往往是一一对应的.河流枯季的生态功能与河流水面宽度密切相连.如娱乐与生态旅游、美学方面、激励功能、教育功能、故土情等文化功能,均需要一定的水面宽度的保证.在枯季,河流中水生生物需要一定的水面宽,过小的水面宽度,将导致水生生物的繁衍和生长受到限制乃至死亡.因此,将水面宽度作为表达河流特征的指标.河流流量与水面宽的关系和河床横断面形态存在密切关系.河床中低水横断面形态可以分为U型、三角形、U型和三角形的复合型.(1)流量和水面宽关系线的概化冲积河流在直线河段上断面形状一般呈梯形,在弯道处则凹岸水深而凸岸水浅,断面不对称.愈到下游去,由于宽度增加的速度超过水深,断面接近长方形的程度有所加大.梯形、长方形横断面形态都可以概化为U型断面,见图1.使用实测流量和水面宽数据点绘流量和水面宽关系线,对该关系线进行概化,形成流量和水面宽关系概化图,见图2.从图2可知,流量和水面宽关系线有一个突变点.在突变点以下,每减少一个单位的流量,水面宽的损失量将比突变点以上显著增加,河流宽度特征和相应生态功能将严重损失.根据对淮河、海河等流域水文站断面流量和水面宽关系的分析,突变点相应的水面宽一般占多年平均天然流量相应水面宽的55%～75%.将突变点处相应流量作为河道水体最小生态需水,可以保留河流河宽55%～75%的特征,也即保留河流大部分特征.如果流量进一步减少,则每减少一个单位的流量,河宽减少量显著增加,是得不偿失的,因此,将流量和水面宽关系突变点相应流量作为最小生态流量.从河床横断面形态上看,突变点的位置在滩地的上边沿处,见图1.突变点在数学上的意义是以流量为自变量的水面宽和流量关系函数的一阶导数的最大值,也是二阶导数为零的地方,见图3.(2)u型和三角形混合截面此种断面也存在和U型断面类似的突变点,其原理和U型断面类似.(3)历史文站点因为三角形断面没有地形上的突变点,因此,本方法不适用于三角形断面.我国现在具有完善的水文站网络,大部分水文站有20世纪50年代至今的河床大断面、水位、流量、水面宽等历史资料,可以满足河床形态分析法的资料需求.2.2.1.水文站断面位置的选择本方法用水文站断面资料计算河道水体最小生态需水,存在水文站断面对河段其他横断面的代表性问题.水文站选择在河床顺直、稳定、水流集中、低水部分没有深坑和便于布设测验设施的河段,顺直长度一般应不少于洪水时主槽河宽的3～5倍.山区河流,在保证测验工作安全的前提下,尽可能选在急滩、石梁、卡口等控制断面的上游.测验河段要尽量避开变动回水、急剧冲淤变化、分流、斜流、严重漫滩等不利影响.水文站断面应该在其他河流的汇入口或潮汐作用的上游有足够远的距离,以避免测站受到其它河流或潮汐的各种变化的影响.从以上选择的条件看,水文断面设在河床顺直段,测验断面没有深坑的河段.其对河道顺直段河床形态具有代表性.河道可以分为顺直段和弯道段.河道大部分为顺直段.由于弯道处河床水深大于顺直段,在枯季时,对生物来说,弯道比直道更安全.因此,用河道顺直段求河道水体最小生态需水是安全的,水文站断面资料计算的最小生态需水能够代表河段的情况.2.2.1.3.水文和河床形态分析的计算顺序(1)水文站的选取及资料说明根据任务要求,选择合适的水文站.尽量在同一条河流的上下游选取多个水文站,以便进行系统的分析.水文站宜满足如下条件:研究站点要能基本控制待研究河流的水量;选取的水文站要具有需要的观测项目:水位、流量、大断面等;选取的水文站要具有足够长的观测资料.(2)了解水文站的发展历史水文站的断面位置、观测项目、水文站河段观测条件、水位高程基面等均可能随时间发生变化.因此,需要掌握水文站沿革史.(3)根据情况选择合适的计算时段由于河床是河川水流与其底部的土相互作用的产物.河川水流发生改变,则可能导致河床的改变.因此,需要分析水流变化情况,根据情况选择合适的计算时段.也可以选择若干个计算时段分别代表不同的情况,例如:人类干扰少的情况,水资源大规模开发后的情况,下游拦河闸修建后的情况等.(4)计算段选择需要在计算时段内选择计算断面.水文站每年一般有一次至两次实测大断面.选择的计算断面应为枯水期断面.(5)流量与水面宽关系有两种方法可以获得流量和水面宽关系突变点和相应生态流量:第一种方法,直接建立流量和水面宽关系,用该关系线确定突变点和相应生态流量;第二种方法是间接的方法,用实测大断面数据,建立该大断面水位和水面宽关系.用该关系线确定突变点.建立水位流量关系,用突变点水位查得相应流量即为相应生态流量.(6)最小生态需水用水文站断面资料,计算的各断面相应生态流量一般不同.产生差异的原因是因为河道横断面出现冲淤变化,影响流量与水面宽关系.为使各个生态流量均得到满足,取各个生态流量的最大值即为河道水体最小生态需水.2.2.1..2河道断面类型河床形态分析法适用于自由流动的具有U型断面、接近于U型断面及U型与三角形复合断面的河流.对受下游湖泊、海洋、人工建筑物等阻水影响的河道不适用.对低水部分为三角形的河床不适用.分汊河流问题较多.2.2.1.确定最小生态流量对低水部分没有水面宽和流量关系突变点的河床(一般为三角形河床),可以用相关分析法确定最小生态流量.由于河流是一个连续体,上下游存在着某种联系.因此,可以利用这种联系确定最小生态流量.根据同一条河流上下游已有最小生态流量百分比和多年平均天然流量资料,建立同一条河流上下游最小生态流量百分比和多年平均天然流量相关关系.用待计算断面的多年平均天然流量和上述相关关系,计算最小生态流量.当无法建立相关关系时,可以移用附近相似流域的最小生态流量百分率.然后,用此最小生态流量百分率和本站多年平均天然流量计算本站最小生态流量.2.2.1.资料与研究分析(1)可以获得历史资料.为生态需水研究进行野外生态观测,仅能获得观测期的资料,资料长度往往非常有限,并且不能获得观测期以前的资料.而水文站具有几十年的长系列历史资料,可以反映历史情况,克服了短期现场生态观测存在的随机性和测量误差.例如湿周法采用一到几个月内数次实测的流量和断面水力参数资料确定生态需水量,使得生态需水计算结果存在较大的随机性.(2)资料充分.我国河流具有完备的水文站网络,大部分水文站有1950年至今的长系列的观测资料,具有充分的生态需水研究资料.(3)资料可靠.河流水文站由国家水文监测部门设立,系统记录了水位、流量、流速、水深等水文特征参数,而且作为国家基础资料正式刊布,因此水文资料的可靠性有保障.(4)可以进行大规模研究.我国有完备的水文站网络,覆盖绝大部分国土,具备进行大规模生态需水研究的条件.而由于时间和经