【摘要】　本研究在收集分析國內外有關生態(tài)環(huán)境需水研究進展的基礎上, 緊密結合黃河水環(huán)境和水生態(tài)特點, 界定了黃河生態(tài)環(huán)境需水量的內涵和組成。對寧蒙(下河沿—頭道拐) 、龍三(龍門—三門峽)和下游3個重要河段的河道生態(tài)需水量、環(huán)境需水量計算方法及生態(tài)需水量、環(huán)境需水量耦合等問題進行了研究, 提出了黃河干流10個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。
【關鍵詞】生態(tài)需水量; 環(huán)境需水量; 水質目標; 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。
近20年來, 隨著流域經(jīng)濟社會的快速發(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, 也導致了諸如河道頻繁斷流、河槽萎縮、水質惡化、魚類產卵場退化、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)境需水量概念及內涵
國外對生態(tài)環(huán)境需水的研究始于20 世紀40 年代, 主要側重于河道內流量的研究, 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, 更多的是對流域生態(tài)需水和區(qū)域生態(tài)需水的研究, 特別是對西北內陸河生態(tài)需水和黃淮海流域生態(tài)需水的研究。盡管目前國內外有關“生態(tài)環(huán)境需水量”方面研究很多, 但對其概念界定尚無統(tǒng)一的認識, 研究者多根據(jù)其研究目標及其要保護的主要功能提出相應的定義[ 1 - 3 ] 。
基于對黃河生態(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)境狀況的認識, 本文認為黃河生態(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, 基本滿足其環(huán)境功能所需要的水量, 環(huán)境需水量實質上有著滿足水量和水質的雙重概念。其內涵主要包括以下幾個方面:一是保護河道內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)的恢復目標為: 一是黃河水質滿足水功能目標要求, 水環(huán)境質量有明顯改善; 二是黃河主要保護物種魚類能夠獲得一定的生存空間, 遭到破壞的魚類產卵場得到逐步恢復; 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)會發(fā)生退化。代寫畢業(yè)論文 對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, 一方面由于黃河缺乏長期的水生生物的調查及其生長習性的觀測數(shù)據(jù), 缺乏相應典型河段主要保護物種生理需水的基礎研究支持, 另一方面考慮黃河水生生物并不豐富的實際, 因此, 現(xiàn)階段很難做到完全生態(tài)學意義上的定量研究。足夠流動的水體是構成河流生態(tài)系統(tǒng)的基礎, 從水量及其相關因子考慮, 目前國內外有很多學者利用歷史流量法和水力學參數(shù)法來計算研究河流生態(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%保證率設定法)計算河道基流,在環(huán)境水量研究的基礎上, 考慮河口生態(tài)修復需水,結合水力學參數(shù)法, 對該流量級下的水文要素(如水深、流速、濕周等) 能否滿足黃河魚類的生存空間進行判別, 以體現(xiàn)保護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, 將保護水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量劃分為若干個等級,推薦的標準值是以河流健康狀況下多年平均流量值的百分數(shù)為基礎。Tennant法生態(tài)環(huán)境水量計算的核心問題是必須給出一個預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)利用和徑流調節(jié)情況的徑流量, 即黃河干流第一個大型水庫尚未建成運用, 河流水生態(tài)、水環(huán)境尚屬于健康狀態(tài)的20世紀50年代(1952～1959年)平均徑流量為流量基準。
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月三個時段[ 5 ] , 各時段的生態(tài)環(huán)境水量低限標準以河流水生態(tài)、水環(huán)境尚屬于健康狀態(tài)的20世紀50年代平均流量為基準, 計算平均流量的不同百分比流量。并認為, 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。對于每個河段生態(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, 將生態(tài)環(huán)境功能分為4個不同重要程度級別: ①魚類產卵場、棲息地, 重要程度, Ⅰ級; 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國家級或省級重點觀光旅游區(qū), 重要程度, Ⅱ級; 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交通干線與黃河相交河段, 重要程度, Ⅲ級;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, 應達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; 一般情況下應不低于同期基準流量的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計值, 該方法傳入我國后主要用于計算污染物允許排放量。本研究采用1970～2000年31年實測水文系列, 計算90%保證率最枯月流量, 該系列基本涵蓋了黃河20世紀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, 采用一維水質模型進行計算。河流納污水平和水質目標是計算環(huán)境水量的兩個重要輸入條件, 水質目標采用黃河干流水功能區(qū)劃目標, 河段納污水平按現(xiàn)狀納污水平、目標控制水平和污染可控水平三種情景設定。計算模型如下
Q = ΣqiCi exp ( - kxi /8614u) – ΣqiCs/Cs – C0 exp ( - kx /8614u)(1)
式中, Q為計算河段上斷面需下泄流量(即所求環(huán)境水量) (m3 / s) ; qi 為旁側入流量(m3 / s) ; C0 為計算河段上斷面污染物濃度(mg/L) ; Cs 為計算河段下斷面污染物濃度(mg/L ) ; Ci 為旁側入流污染物濃度(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為計算單元長度( km) ; xi 為旁側入流i距下斷面距離( km) 。

3 　環(huán)境水量計算結果及分析
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滿足功能要求的水量。研究統(tǒng)計分析了2003年入黃排污口和入黃支流污染物實測入黃量, 代寫職稱論文 個別支流根據(jù)多年監(jiān)測資料進行調整。
目標控制水平是國家環(huán)保政策能完全落實的一種理想狀態(tài), 即指研究河段所納污染源達標排放, 入黃支流滿足入黃水質要求, 在這種理想狀態(tài)下, 稀釋入黃污染物使河段水質滿足功能要求的水量。
所謂污染可控水平, 即考慮在現(xiàn)有的社會經(jīng)濟發(fā)展、污染治理水平下, 全部實現(xiàn)達標排放難度極大,河流水功能區(qū)水質規(guī)劃目標的實現(xiàn)需要比較長的時間。因而需對污染可控水平進行研究, 意在找到流域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和水域水環(huán)境承載能力的結合點, 即對研究河段污染源的可控制性進行研究, 也就是說要根據(jù)流域社會經(jīng)濟發(fā)展水平、國家宏觀政策及相關規(guī)劃等,設定一些原則, 最后要達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, 從而確定河段納污水平。采用數(shù)學模型對上述三種納污水平下所需環(huán)境水量進行計算。并考慮河流水體的連續(xù)性及枯水徑流保證機率, 給出黃河干流重要水文站點環(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現(xiàn), 其水質達標不可能得到保證。(2)要實現(xiàn)黃河干流水體功能目標, 入黃支流必須滿足入黃水質目標要求, 入黃排污口必須滿足國家排放標準。(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, 各種功能所需水量可以兼顧, 需對滿足多種功能需求的不同量級的水量進行耦合?？紤]黃河生態(tài)系統(tǒng)特點及黃河水資源的調控性, 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, 要考慮上下斷面之間流量的匹配性、水流演進等多種因素, 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雜, 本研究關注的是生態(tài)基流, 對河段內取水以及因蒸發(fā)、滲漏等水量損失未予考慮。( 3)水質保證優(yōu)先: 水質改善是河流生態(tài)系統(tǒng)恢復的首要目標, 只有良好水質保證的水資源才能滿足河流其他的生態(tài)功能和經(jīng)濟功能。在考慮水質問題時, 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控制下環(huán)境水量。( 4)水資源可調控性: 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, 在水量耦合時不但考慮水流的上下傳遞, 同時考慮大型水利樞紐的調節(jié)控制。( 5 )河口生態(tài)保護優(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個重要水文站斷面的推薦水量, 生態(tài)環(huán)境水量耦合結果見表2。
5 　小　結
(1)有關稀釋污染的環(huán)境水量研究是本次研究的重點, 也是我國北方河流面臨的現(xiàn)實問題。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, 采用一維水質模型進行計算, 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, 是在關注研究河段生態(tài)問題的同時, 著重解決水質保證問題, 只有水體質量變好了, 黃河生態(tài)系統(tǒng)才可以逐漸得以恢復。
(2) 在當前黃河流域粗放式經(jīng)濟發(fā)展模式下, 水資源的過度開發(fā)利用和污染超負荷排放, 是導致黃河生態(tài)危機的主要因素, 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物種的生態(tài)機理緊密聯(lián)系,代寫留學生論文 這是本研究的一個缺陷, 但這也和黃河特殊的河情以及我國發(fā)展進程有關。在以后的研究中, 隨著相關資料的豐富和積累, 必將加強這方面的機理研究。
(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, 滿足各種功能的水量耦合是本研究的難點。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、水質保證優(yōu)先、黃河水資源的可調控性等水量耦合原則, 特別在水資源可調控性以及水生態(tài)與水環(huán)境保護目標耦合方面, 既符合黃河實際, 又具有水量調度的可操作性。
(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, 如實施調水工程補充黃河河道內生態(tài)環(huán)境水量, 提高水資源的利用效率, 加強區(qū)域產業(yè)結構優(yōu)化調整和污染控制, 注重流域生態(tài)建設等措施來支撐和保證。
參考文獻:
[1]王浩, 陳敏建, 秦大庸, 等.西北地區(qū)水資源合理配置和承載能力研究[M ].鄭州: 黃河水利出版社, 2003.
[2]湯奇成.綠洲的發(fā)展與水資源的合理利用[J].干旱區(qū)資源和環(huán)境, 1995, 9 (3) : 107-112.
[3]楊志峰, 崔保山, 等.生態(tài)環(huán)境需水量理論方法與實踐[M ].北京: 科學出版社, 2003.
[4]楊嚴鷗.黃河水系魚類分布的模糊聚類分析[J] .湖北農學院學報, 1999, 19 (2) : 161-163.
[5]崔樹彬, 宋世霞.黃河三門峽以下水環(huán)境保護研究[R] .黃河流域水資源保護局, 2002.
[6]侯傳河, 張新海, 等.黃河流域生態(tài)用水及控制性指標研究[R].中國水利水電科學院, 黃河水利委員會勘測規(guī)劃設計院,2003.