黃河干流生態(tài)與環(huán)境需水量研究綜述
【摘要】 本研究在收集分析國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)環(huán)境需水研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上, 緊密結(jié)合黃河水環(huán)境和水生態(tài)特點(diǎn), 界定了黃河生態(tài)環(huán)境需水量的內(nèi)涵和組成。對(duì)寧蒙(下河沿—頭道拐) 、龍三(龍門—三門峽)和下游3個(gè)重要河段的河道生態(tài)需水量、環(huán)境需水量計(jì)算方法及生態(tài)需水量、環(huán)境需水量耦合等問題進(jìn)行了研究, 提出了黃河干流10個(gè)重要水文斷面的適宜生態(tài)環(huán)境水量和最小生態(tài)環(huán)境水量。
【關(guān)鍵詞】生態(tài)需水量; 環(huán)境需水量; 水質(zhì)目標(biāo); 河道濕地; 耦合研究; 黃河
黃河是中華民族的母親河, 是我國西北、華北地區(qū)最大的供水水源, 代寫論文 以其占全國河川徑流2%的有限水資源, 承擔(dān)著本流域和下游占全國15%耕地面積引黃灌溉、12%人口及50多座大中城市的供水任務(wù)。
近20年來, 隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展, 黃河水資源的過度開發(fā)以及日益增加的污染排放量, 致使流域水資源的供需矛盾和水污染問題愈加突出, 也導(dǎo)致了諸如河道頻繁斷流、河槽萎縮、水質(zhì)惡化、魚類產(chǎn)卵場退化、河口濕地面積萎縮等一系列問題, 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)整體呈惡化趨勢。
1 黃河生態(tài)環(huán)境需水量概念及內(nèi)涵
國外對(duì)生態(tài)環(huán)境需水的研究始于20 世紀(jì)40 年代, 主要側(cè)重于河道內(nèi)流量的研究, 這期間有很多定量研究的方法( Tennant, 7Q10法, 河道濕周法, IF-IM法, R-CROSS法等等) 。在我國, 更多的是對(duì)流域生態(tài)需水和區(qū)域生態(tài)需水的研究, 特別是對(duì)西北內(nèi)陸河生態(tài)需水和黃淮海流域生態(tài)需水的研究。盡管目前國內(nèi)外有關(guān)“生態(tài)環(huán)境需水量”方面研究很多, 但對(duì)其概念界定尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí), 研究者多根據(jù)其研究目標(biāo)及其要保護(hù)的主要功能提出相應(yīng)的定義[ 1 - 3 ] 。
基于對(duì)黃河生態(tài)系統(tǒng)、水文水資源特性、水資源開發(fā)利用程度及水環(huán)境狀況的認(rèn)識(shí), 本文認(rèn)為黃河生態(tài)環(huán)境需水量概念為: 生態(tài)需水量是指為維持黃河水生生物特別是魚類的正常生存繁殖, 滿足河道濕地、河口濕地生態(tài)系統(tǒng)基本功能和維持一定規(guī)模的水量。環(huán)境需水量是指為改善黃河水體水質(zhì), 基本滿足其環(huán)境功能所需要的水量, 環(huán)境需水量實(shí)質(zhì)上有著滿足水量和水質(zhì)的雙重概念。其內(nèi)涵主要包括以下幾個(gè)方面:一是保護(hù)河道內(nèi)水生生物正常生存繁殖的水量; 二是維持河流水體功能水質(zhì)的水量; 三是滿足河道濕地基本功能的水量; 四是維持河口一定規(guī)模濕地的水量;五是有利于河口水生生物生存及河口生態(tài)修復(fù)的水量。
黃河適宜生態(tài)環(huán)境水量是指維系黃河生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的較佳水量, 此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)較理想, 能夠發(fā)揮較好的生態(tài)環(huán)境功能。在此狀態(tài)下, 黃河系統(tǒng)的恢復(fù)目標(biāo)為: 一是黃河水質(zhì)滿足水功能目標(biāo)要求, 水環(huán)境質(zhì)量有明顯改善; 二是黃河主要保護(hù)物種魚類能夠獲得一定的生存空間, 遭到破壞的魚類產(chǎn)卵場得到逐步恢復(fù); 三是河道濕地和河口濕地生物多樣性、生態(tài)完整性能夠得到維持, 發(fā)揮濕地應(yīng)有的生態(tài)環(huán)境功能。
最小生態(tài)環(huán)境水量是指維持系統(tǒng)生存所需的最低水量或底限閾值, 若低于該水量, 系統(tǒng)會(huì)發(fā)生退化。代寫畢業(yè)論文 對(duì)于黃河下游河道來說, 最小生態(tài)環(huán)境水量也是為了防止河道水體斷流并發(fā)生功能性裂變, 維持河道水流循環(huán)的最小流量。
2 理論及方法
2.1 生態(tài)需水量
根據(jù)黃河生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境的特點(diǎn), 一方面由于黃河缺乏長期的水生生物的調(diào)查及其生長習(xí)性的觀測數(shù)據(jù), 缺乏相應(yīng)典型河段主要保護(hù)物種生理需水的基礎(chǔ)研究支持, 另一方面考慮黃河水生生物并不豐富的實(shí)際, 因此, 現(xiàn)階段很難做到完全生態(tài)學(xué)意義上的定量研究。足夠流動(dòng)的水體是構(gòu)成河流生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ), 從水量及其相關(guān)因子考慮, 目前國內(nèi)外有很多學(xué)者利用歷史流量法和水力學(xué)參數(shù)法來計(jì)算研究河流生態(tài)環(huán)境需水量。這種保持河流一定流態(tài)的流量可認(rèn)為是維持河流生命的基本水量。因此研究利用歷史流量法(Tennant 法和90%保證率設(shè)定法)計(jì)算河道基流,在環(huán)境水量研究的基礎(chǔ)上, 考慮河口生態(tài)修復(fù)需水,結(jié)合水力學(xué)參數(shù)法, 對(duì)該流量級(jí)下的水文要素(如水深、流速、濕周等) 能否滿足黃河魚類的生存空間進(jìn)行判別, 以體現(xiàn)保護(hù)魚類生存繁衍和維持生境的生態(tài)水量需求。
（1）Tennant 法: 脫離特定用途的生態(tài)環(huán)境用水量計(jì)算方法, 也叫Tennant法或Montana法, 是非現(xiàn)場確定河流生態(tài)環(huán)境需水的典型方法。該方法以河流水生態(tài)健康情況下的多年平均流量觀測值為基準(zhǔn), 將保護(hù)水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量劃分為若干個(gè)等級(jí),推薦的標(biāo)準(zhǔn)值是以河流健康狀況下多年平均流量值的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)。Tennant法生態(tài)環(huán)境水量計(jì)算的核心問題是必須給出一個(gè)預(yù)先確定的年平均流量。本研究采用黃河尚屬“天然”或尚未大規(guī)模開發(fā)利用和徑流調(diào)節(jié)情況的徑流量, 即黃河干流第一個(gè)大型水庫尚未建成運(yùn)用, 河流水生態(tài)、水環(huán)境尚屬于健康狀態(tài)的20世紀(jì)50年代(1952～1959年)平均徑流量為流量基準(zhǔn)。
研究將黃河生態(tài)環(huán)境用水的季節(jié)分為4 ～6 月、7～10月、11～3月三個(gè)時(shí)段[ 5 ] , 各時(shí)段的生態(tài)環(huán)境水量低限標(biāo)準(zhǔn)以河流水生態(tài)、水環(huán)境尚屬于健康狀態(tài)的20世紀(jì)50年代平均流量為基準(zhǔn), 計(jì)算平均流量的不同百分比流量。并認(rèn)為, 各水期流量平均值的100%～60%為最佳范圍, 60% ～40%為較好狀態(tài),40%～30%為尚好狀態(tài), 30% ～20%為尚可狀態(tài),20%～10%為較差狀態(tài), 10%和5%為可忍受的最小流量和極端最小流量。對(duì)于每個(gè)河段生態(tài)流量的取值, 根據(jù)河段生態(tài)環(huán)境功能的重要性進(jìn)行判定。根據(jù)黃河水生態(tài)與水環(huán)境的功能類型和特點(diǎn), 將生態(tài)環(huán)境功能分為4個(gè)不同重要程度級(jí)別: ①魚類產(chǎn)卵場、棲息地, 重要程度, Ⅰ級(jí); 4～6月生態(tài)環(huán)境需水量保持在最佳狀態(tài), 其他季節(jié)保持在較好狀態(tài)。②國家級(jí)或省級(jí)重點(diǎn)觀光旅游區(qū), 重要程度, Ⅱ級(jí); 4～6 月生態(tài)環(huán)境水量保持在較好狀態(tài), 其他季節(jié)保持在尚好狀態(tài)。③沒有劃定為觀光旅游區(qū)的大中城市河段和國家一級(jí)交通干線與黃河相交河段, 重要程度, Ⅲ級(jí);4～6月生態(tài)環(huán)境需水量保持在尚好狀態(tài), 其他季節(jié)保持在尚可狀態(tài)。④沒有特定要求的河段, 應(yīng)達(dá)到魚類能夠暢通洄游和整條黃河(下游)不斷流的基本流量, 重要程度, Ⅳ級(jí); 一般情況下應(yīng)不低于同期基準(zhǔn)流量的10%, 極端情況下不低于5%。
(2) 90%保證率最枯月流量法: 90%保證率最枯月流量法, 是7Q10 法的延伸。7Q10 法是指采用90%保證率最枯連續(xù)7 d的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值, 該方法傳入我國后主要用于計(jì)算污染物允許排放量。本研究采用1970～2000年31年實(shí)測水文系列, 計(jì)算90%保證率最枯月流量, 該系列基本涵蓋了黃河20世紀(jì)70年代以來的豐、平、枯水期, 具有較好的代表性。
2.2 環(huán)境需水量
根據(jù)黃河水污染特征和水流狀況, 選擇CODCr和氨氮作為主要污染控制因子, 采用一維水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算。河流納污水平和水質(zhì)目標(biāo)是計(jì)算環(huán)境水量的兩個(gè)重要輸入條件, 水質(zhì)目標(biāo)采用黃河干流水功能區(qū)劃目標(biāo), 河段納污水平按現(xiàn)狀納污水平、目標(biāo)控制水平和污染可控水平三種情景設(shè)定。計(jì)算模型如下
Q = ΣqiCi exp ( - kxi /8614u) – ΣqiCs/Cs – C0 exp ( - kx /8614u)(1)
式中, Q為計(jì)算河段上斷面需下泄流量(即所求環(huán)境水量) (m3 / s) ; qi 為旁側(cè)入流量(m3 / s) ; C0 為計(jì)算河段上斷面污染物濃度(mg/L) ; Cs 為計(jì)算河段下斷面污染物濃度(mg/L ) ; Ci 為旁側(cè)入流污染物濃度(mg/L) ; k為污染物綜合降解系數(shù)(1 /d) ; u為平均流速(m / s) ; x為計(jì)算單元長度( km) ; xi 為旁側(cè)入流i距下斷面距離( km) 。
3 環(huán)境水量計(jì)算結(jié)果及分析
現(xiàn)狀納污水平下環(huán)境水量即指研究河段在現(xiàn)狀納污狀況下, 稀釋污染物使河段水質(zhì)滿足功能要求的水量。研究統(tǒng)計(jì)分析了2003年入黃排污口和入黃支流污染物實(shí)測入黃量, 代寫職稱論文 個(gè)別支流根據(jù)多年監(jiān)測資料進(jìn)行調(diào)整。
目標(biāo)控制水平是國家環(huán)保政策能完全落實(shí)的一種理想狀態(tài), 即指研究河段所納污染源達(dá)標(biāo)排放, 入黃支流滿足入黃水質(zhì)要求, 在這種理想狀態(tài)下, 稀釋入黃污染物使河段水質(zhì)滿足功能要求的水量。
所謂污染可控水平, 即考慮在現(xiàn)有的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染治理水平下, 全部實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放難度極大,河流水功能區(qū)水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要比較長的時(shí)間。因而需對(duì)污染可控水平進(jìn)行研究, 意在找到流域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和水域水環(huán)境承載能力的結(jié)合點(diǎn), 即對(duì)研究河段污染源的可控制性進(jìn)行研究, 也就是說要根據(jù)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、國家宏觀政策及相關(guān)規(guī)劃等,設(shè)定一些原則, 最后要達(dá)到的目的就是給出研究河段一些支流及排污口的控制指標(biāo), 從而確定河段納污水平。采用數(shù)學(xué)模型對(duì)上述三種納污水平下所需環(huán)境水量進(jìn)行計(jì)算。并考慮河流水體的連續(xù)性及枯水徑流保證機(jī)率, 給出黃河干流重要水文站點(diǎn)環(huán)境水量要求。具體見表1。
通過上述環(huán)境水量的研究, 可以得出以下結(jié)論:
(1)現(xiàn)狀納污水平下, 黃河干流所需環(huán)境流量很大,在目前水資源條件下很難實(shí)現(xiàn), 其水質(zhì)達(dá)標(biāo)不可能得到保證。(2)要實(shí)現(xiàn)黃河干流水體功能目標(biāo), 入黃支流必須滿足入黃水質(zhì)目標(biāo)要求, 入黃排污口必須滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)。(3)污染可控水平下, 龍門以上河段所需流量基本可以得到保證, 但龍門以下河段在枯水時(shí)段難以得到保證。
4 生態(tài)水量和環(huán)境水量的耦合研究
黃河的水生態(tài)和水環(huán)境功能, 各種生態(tài)功能如棲息地功能、景觀功能等, 和環(huán)境功能之間存在著交叉和重復(fù), 各種功能所需水量可以兼顧, 需對(duì)滿足多種功能需求的不同量級(jí)的水量進(jìn)行耦合。考慮黃河生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)及黃河水資源的調(diào)控性, 生態(tài)水量和環(huán)境水量耦合的原則如下。( 1 )全河段綜合考慮: 重要水文斷面流量整合時(shí), 要考慮上下斷面之間流量的匹配性、水流演進(jìn)等多種因素, 經(jīng)綜合優(yōu)化后給出。( 2)不考慮河段取水及水量損失: 黃河干流取水口眾多且分布復(fù)雜, 本研究關(guān)注的是生態(tài)基流, 對(duì)河段內(nèi)取水以及因蒸發(fā)、滲漏等水量損失未予考慮。( 3)水質(zhì)保證優(yōu)先: 水質(zhì)改善是河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的首要目標(biāo), 只有良好水質(zhì)保證的水資源才能滿足河流其他的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)功能。在考慮水質(zhì)問題時(shí), 適宜水量主要依據(jù)污染可控水平下環(huán)境水量, 而最小水量主要考慮目標(biāo)控制下環(huán)境水量。( 4)水資源可調(diào)控性: 黃河干流已建和規(guī)劃修建的大型水利樞紐較多, 徑流可控性強(qiáng), 在水量耦合時(shí)不但考慮水流的上下傳遞, 同時(shí)考慮大型水利樞紐的調(diào)節(jié)控制。( 5 )河口生態(tài)保護(hù)優(yōu)先: 黃河下游生態(tài)水量的給出, 優(yōu)先考慮河口近海生態(tài)、三角洲濕地生態(tài)和魚類洄游等需求。
根據(jù)上述耦合原則, 考慮河口近海魚類、河口三角洲濕地需要, 同時(shí)滿足各河段的水生態(tài)和水環(huán)境功能需求, 給出黃河干流10個(gè)重要水文站斷面的推薦水量, 生態(tài)環(huán)境水量耦合結(jié)果見表2。
5 小 結(jié)
(1)有關(guān)稀釋污染的環(huán)境水量研究是本次研究的重點(diǎn), 也是我國北方河流面臨的現(xiàn)實(shí)問題。研究根據(jù)黃河水污染特征和水流狀況, 選擇CODCr和氨氮作為主要污染控制因子, 采用一維水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算, 研究方法帶有一定的探索性。本研究推薦的生態(tài)環(huán)境水量, 是在關(guān)注研究河段生態(tài)問題的同時(shí), 著重解決水質(zhì)保證問題, 只有水體質(zhì)量變好了, 黃河生態(tài)系統(tǒng)才可以逐漸得以恢復(fù)。
(2) 在當(dāng)前黃河流域粗放式經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下, 水資源的過度開發(fā)利用和污染超負(fù)荷排放, 是導(dǎo)致黃河生態(tài)危機(jī)的主要因素, 黃河面臨的一些生態(tài)問題無不由此而引發(fā)。研究中生態(tài)水量沒有和黃河主要保護(hù)物種的生態(tài)機(jī)理緊密聯(lián)系,代寫留學(xué)生論文 這是本研究的一個(gè)缺陷, 但這也和黃河特殊的河情以及我國發(fā)展進(jìn)程有關(guān)。在以后的研究中, 隨著相關(guān)資料的豐富和積累, 必將加強(qiáng)這方面的機(jī)理研究。
(3)河流的各種生態(tài)功能如棲息地功能、景觀功能等, 和環(huán)境功能之間存在著交叉和重復(fù), 滿足各種功能的水量耦合是本研究的難點(diǎn)。研究優(yōu)先考慮河口近海魚類、河口三角洲濕地生態(tài)需水, 提出了基于全河段綜合考慮、水質(zhì)保證優(yōu)先、黃河水資源的可調(diào)控性等水量耦合原則, 特別在水資源可調(diào)控性以及水生態(tài)與水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)耦合方面, 既符合黃河實(shí)際, 又具有水量調(diào)度的可操作性。
(4)黃河生態(tài)問題突出, 究其原因主要是水量貧乏、水資源的過度開發(fā)利用以及污染排放所致。要使黃河河道內(nèi)保持一定的生態(tài)環(huán)境水量, 必須有一定的工程措施和非工程措施, 如實(shí)施調(diào)水工程補(bǔ)充黃河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境水量, 提高水資源的利用效率, 加強(qiáng)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和污染控制, 注重流域生態(tài)建設(shè)等措施來支撐和保證。
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