河口生態(tài)需水理論與計(jì)算研究進(jìn)展

彭 濤,陳曉宏,陳志和,趙長(zhǎng)森

(中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東廣州 510275)

河口生態(tài)需水理論與計(jì)算研究進(jìn)展

彭 濤,陳曉宏,陳志和,趙長(zhǎng)森

(中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東廣州 510275)

在辨識(shí)河口生態(tài)需水概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,認(rèn)為河口生態(tài)需水是在一定生態(tài)目標(biāo)下,維持河口相應(yīng)時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康所需要的水量?；仡檱?guó)內(nèi)外河口生態(tài)需水研究的總體情況,綜述近年來(lái)河口生態(tài)需水的主要計(jì)算方法,包括功能設(shè)定法、相關(guān)分析法及生態(tài)模型法等。在此基礎(chǔ)上,指出目前河口生態(tài)需水研究存在理論和計(jì)算方法還很不成熟,生態(tài)保護(hù)目標(biāo)不明確及交叉重復(fù)計(jì)算等問(wèn)題,今后應(yīng)加強(qiáng)河口生態(tài)需水機(jī)理的綜合研究,建立較為完整的理論框架和計(jì)算方法體系,為不同生態(tài)保護(hù)目標(biāo)下河口生態(tài)需水分析提供科學(xué)依據(jù)。

生態(tài)需水;河口;研究進(jìn)展;綜述

河口是指河流的尾閭地區(qū),是河流與受水體的結(jié)合地段。筆者討論的是受水體為海洋的入海河口,以下簡(jiǎn)稱河口。河口地區(qū)陸海物質(zhì)交匯、咸淡水混合、徑流和潮流相互作用,產(chǎn)生各種復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物過(guò)程,具有獨(dú)特的環(huán)境特征和重要的生態(tài)服務(wù)功能,在流域乃至全球生態(tài)平衡中占有重要作用,是人類最重要的生存環(huán)境之一。同時(shí),河口對(duì)流域自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)響應(yīng)最敏感[1],已成為相對(duì)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。近年來(lái),由于流域水資源的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā),如高壩建設(shè)、河道外用水劇增、跨流域調(diào)水及污染物大量排放等直接影響到河口及其鄰近海域,導(dǎo)致入海泥沙銳減、河口與濱海濕地萎縮、河口環(huán)境污染嚴(yán)重、鹽水入侵加劇、生物多樣性衰減等一系列河口生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題。因此,保證河口一定規(guī)模的生態(tài)用水需求,已成為流域水資源合理配置以及恢復(fù)河口生態(tài)系統(tǒng)健康亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前河口生態(tài)需水研究已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注,并取得了一些初步研究成果。筆者對(duì)近年來(lái)河口生態(tài)需水的研究進(jìn)展進(jìn)行分析和總結(jié),并提出當(dāng)前研究存在的主要問(wèn)題,對(duì)今后的研究趨勢(shì)進(jìn)行展望,以期對(duì)我國(guó)河口生態(tài)需水研究起到推動(dòng)作用。

1 河口生態(tài)需水概念及其內(nèi)涵

由于研究者不同的研究角度和研究目的,迄今為止對(duì)河口生態(tài)需水的概念沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。在國(guó)外沒(méi)有與河口生態(tài)需水相對(duì)應(yīng)的專門術(shù)語(yǔ),相關(guān)或相近的概念是淡水入流(freshwater inflow)。

在國(guó)內(nèi),對(duì)河口生態(tài)需水概念的定義也不盡一致。由于研究主體的差異以及研究者對(duì)河口生態(tài)需水內(nèi)涵理解的不同,已有研究中出現(xiàn)了入海需水量、河口生態(tài)環(huán)境需水及河口生態(tài)需水等一些概念。

入海需水量主要是滿足河口和近海地區(qū)生態(tài)環(huán)境需要、維持生態(tài)平衡所需要的水量[2]。

河口生態(tài)環(huán)境需水是河口生態(tài)需水和環(huán)境需水的總和,是同時(shí)滿足水鹽平衡、水熱平衡、海岸線進(jìn)退相對(duì)平衡和動(dòng)植物生境動(dòng)態(tài)平衡所需水量[3]。

河口生態(tài)需水是指維持河口生態(tài)系統(tǒng)中具有生命的生物體水分平衡所需要的水量,主要涉及生物多樣性保護(hù)和河口保護(hù)問(wèn)題,需要維持基流量和保持沖淤平衡的峰流量[4]。

入海需水量是從流域水循環(huán)角度出發(fā),維持河口及近海地區(qū)水分平衡所需要的一定規(guī)模下泄量;而河口生態(tài)環(huán)境需水及河口生態(tài)需水則是從河口生態(tài)系統(tǒng)健康角度出發(fā),維持或恢復(fù)正常生態(tài)與環(huán)境功能所需水量,它是生態(tài)系統(tǒng)本身固有的屬性,不同類型的河口生態(tài)系統(tǒng)都有各自相對(duì)穩(wěn)定的需水范圍。由于生態(tài)系統(tǒng)與其所在環(huán)境密切相關(guān),一些研究并未將河口生態(tài)環(huán)境需水與河口生態(tài)需水加以嚴(yán)格區(qū)分,即將河口生態(tài)環(huán)境需水簡(jiǎn)稱為河口生態(tài)需水。

通過(guò)以上分析可知,河口生態(tài)需水研究是在人類大量擠占生態(tài)用水、導(dǎo)致入海水量顯著減少及河口生態(tài)系統(tǒng)健康受損的情況下提出的。因此,河口生態(tài)需水可以定義為在一定生態(tài)目標(biāo)下,維持河口相應(yīng)時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康所需要的水量。這一概念適用于水資源狀況不同的河口,具有普遍意義。

2 研究概況

2.1 國(guó)外研究歷程及進(jìn)展

國(guó)外河口生態(tài)需水的研究主要集中在淡水入流對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)影響方面。近30年來(lái),美國(guó)、南非、英國(guó)及澳大利亞等國(guó)家通過(guò)大量的生態(tài)調(diào)查和模型研究,分別從不同方面探討了淡水入流對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)、因素的影響[5-9],并提出了許多淡水入流的評(píng)價(jià)方法。

20世紀(jì)六、七十年代,隨著水庫(kù)建設(shè)和水資源利用程度的提高,各國(guó)學(xué)者和資源管理部門開(kāi)始關(guān)注河口淡水入流問(wèn)題。Copeland[10]在《河流入海量減少對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)的影響》一書中指出,沒(méi)有淡水輸入,河口的等鹽線和物種組成將發(fā)生急劇變化。美國(guó)一些州就通過(guò)相關(guān)法規(guī),要求在水資源規(guī)劃中考慮河口的淡水入流需求,并規(guī)定了河口三角洲生態(tài)需水量閾值。20世紀(jì)八、九十年代,淡水入流評(píng)價(jià)發(fā)展很快,逐漸成為研究熱點(diǎn)。Browder等[11]首先提出了河口淡水入流需求評(píng)價(jià)的概念性框架,指出河口漁業(yè)產(chǎn)量與河口淡水入流量有密切關(guān)系。1981年在美國(guó)得克薩斯州舉行的河口淡水入流國(guó)家研討會(huì),提出應(yīng)對(duì)河口淡水入流問(wèn)題的可行解決辦法和方案。同年,美國(guó)魚類與野生動(dòng)物組織發(fā)起淡水輸入對(duì)河口影響的國(guó)際研討會(huì),使淡水入流問(wèn)題受到世界許多國(guó)家的關(guān)注[12]。隨后,在1987年成立了美國(guó)國(guó)家河口項(xiàng)目(National Estuary Program,NEP),主要目的就是識(shí)別、修復(fù)及保護(hù)美國(guó)重要河口。在南非,Jezewski等[13]首次評(píng)估了河口淡水入流需求,評(píng)估包括淹沒(méi)需求和蒸發(fā)需求兩個(gè)部分。此后,南非完整提出河口淡水入流的概念,并制定了河口淡水入流的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算步驟,但是沒(méi)有給出具體的評(píng)價(jià)方法[14]。進(jìn)入21世紀(jì)以后,淡水入流評(píng)價(jià)在世界上許多國(guó)家廣泛展開(kāi),理論框架和計(jì)算方法體系初步形成。2001年,美國(guó)佐治亞州自然資源委員會(huì)發(fā)表水問(wèn)題白皮書,提出河口入流的科學(xué)框架,主要包括淡水入流、河口條件和資源三個(gè)方面。Alber[15]提出一種河口淡水需求管理的概念性框架模型,分析了科學(xué)家、市民、政治家及管理者在河口淡水入流管理中的目標(biāo)。至此,美國(guó)全面調(diào)整對(duì)流域的開(kāi)發(fā)和管理目標(biāo),初步形成河口淡水入流評(píng)價(jià)的理論框架,并提出了一些淡水入流需求的計(jì)算方法[16-20]。在南非,Adams等[21]通過(guò)評(píng)價(jià)河口健康指數(shù)確定南非眾多河口的生態(tài)保護(hù)物種,提出有利于這些河口保護(hù)物種的適宜淡水入流量。在澳大利亞,有學(xué)者提出維持河口過(guò)程的河流環(huán)境流量評(píng)價(jià)方法,確定不使河口生態(tài)特征衰退的適宜環(huán)境流量[22]。英國(guó)嘗試開(kāi)發(fā)了基于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和河口流量模擬基礎(chǔ)上的多學(xué)科系統(tǒng)方法來(lái)確定河口淡水入流量。

總體來(lái)看,國(guó)外研究主要集中在淡水入流評(píng)價(jià)方面,多從水資源管理角度展開(kāi),側(cè)重于水資源的配置,較少?gòu)纳鷳B(tài)系統(tǒng)自身需水的角度來(lái)研究。

2.2 國(guó)內(nèi)研究歷程及進(jìn)展

針對(duì)我國(guó)一些河口生態(tài)嚴(yán)重退化的趨勢(shì),國(guó)內(nèi)對(duì)河口生態(tài)需水進(jìn)行了初步研究,但大多是在研究河流生態(tài)需水時(shí)對(duì)河口生態(tài)需水的定性描述,專門針對(duì)河口生態(tài)需水的研究并不多。我國(guó)河口生態(tài)需水的相關(guān)研究主要集中在黃河、海河和長(zhǎng)江等主要河口。

黃河一直是我國(guó)河口生態(tài)需水研究的熱點(diǎn)之一。20世紀(jì)80年代中期,國(guó)家水產(chǎn)總局黃河水產(chǎn)研究所對(duì)河口漁業(yè)生態(tài)需水的評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為,黃河河口海域魚蝦生長(zhǎng)需要黃河每年在4～6月下泄入海水量60億m3,枯水年需要在 4月下泄20億m3[23]。20世紀(jì)90年代以來(lái),黃河斷流進(jìn)一步加劇,導(dǎo)致黃河口生態(tài)問(wèn)題日趨嚴(yán)重,國(guó)內(nèi)學(xué)者在黃河斷流對(duì)河口生態(tài)環(huán)境影響方面開(kāi)展了許多研究[24-26]。進(jìn)入21世紀(jì)后,“維持黃河健康生命”的治河新理念應(yīng)運(yùn)而生,并將其作為治理黃河的終極目標(biāo)[27]。從此,黃河口生態(tài)需水研究更加受到重視。在國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目子專題“三門峽以下水環(huán)境保護(hù)研究”中分析認(rèn)為[28],考慮汛期輸沙用水的情況下,汛期河口最小生態(tài)環(huán)境需水量為150億m3、非汛期42億～58億m3。但該研究沒(méi)有建立河口生態(tài)系統(tǒng)與來(lái)水量的響應(yīng)關(guān)系,研究成果顯得粗略。以后,國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃重大項(xiàng)目子專題“黃河口淡水濕地生態(tài)需水研究”,綜合生態(tài)水文模型法和生態(tài)學(xué)法兩種方法計(jì)算成果,得出黃河口濕地生態(tài)需水量,考慮輸沙用水,濕地最小需水量為201.18億m3[29]。近年還有學(xué)者采用水文學(xué)、生態(tài)學(xué)及水力學(xué)方法分別計(jì)算了黃河口蒸散發(fā)需水、濕地需水、鹽度平衡需水及輸沙需水,最后根據(jù)一定原則整合得到黃河口最小生態(tài)需水為134.22億m3[30]。由于諸多學(xué)者不同的研究角度和研究手段,黃河口生態(tài)需水計(jì)算成果存在一定差異,但為黃河流域不同時(shí)期的水資源合理配置及黃河口生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供了重要依據(jù)。

海河流域是我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用程度最高的流域。長(zhǎng)期以來(lái)海河流域水資源開(kāi)發(fā)利用中生產(chǎn)、生活用水過(guò)度擠占生態(tài)用水,入海水量大幅減少,20世紀(jì)90年代與50年代比較,海河流域平均入海水量減少84%,致使河口生態(tài)系統(tǒng)遭到根本性破壞。近年來(lái),一些學(xué)者以恢復(fù)和維持河口生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo),提出河口水循環(huán)消耗、生物循環(huán)消耗、生物棲息地等不同類型需水及其計(jì)算方法,根據(jù)“兼容性”和“最大值”原則整合計(jì)算,得到海河流域典型河口生態(tài)需水量[31-32]。

20世紀(jì)90年代以來(lái),三峽工程和南水北調(diào)工程相繼啟動(dòng),在長(zhǎng)江口生態(tài)與環(huán)境發(fā)生顯著變異的背景下,大型水利工程建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江口生態(tài)環(huán)境的影響受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的高度關(guān)注,并開(kāi)展了大量相關(guān)研究[33-35],這為長(zhǎng)江口生態(tài)需水研究奠定了良好基礎(chǔ)。顧圣華[36]以維持長(zhǎng)江口水鹽平衡并兼顧水沙平衡為目標(biāo),分析了長(zhǎng)江口生態(tài)需水量。國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃重大項(xiàng)目子專題“濕潤(rùn)地區(qū)河流生態(tài)流量研究”開(kāi)展了長(zhǎng)江口生態(tài)流量的專題研究,采用水流、鹽度模型模擬上游不同流量時(shí)外海鹽水入侵的程度,得出防止咸水入侵所需的河口生態(tài)流量[37]。孫濤等[38]以長(zhǎng)江口牡蠣、螃蟹生長(zhǎng)關(guān)鍵期對(duì)鹽度的適應(yīng)范圍為控制條件,通過(guò)水流和鹽度模型推求保證它們生長(zhǎng)適宜鹽度的河口淡水入流量。

總的來(lái)說(shuō),我國(guó)河口生態(tài)需水研究起步較晚,但發(fā)展較快,已形成初步的理論和計(jì)算方法體系。然而,已有研究多從維持河口生態(tài)系統(tǒng)功能所需水量角度出發(fā),未能充分反映河口生態(tài)需水的核心機(jī)理,存在重復(fù)交叉計(jì)算問(wèn)題。

3 河口生態(tài)需水計(jì)算方法

由于河口生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜,觀測(cè)資料較為短缺,故河口生態(tài)需水,至今尚未有比較公認(rèn)的計(jì)算方法或標(biāo)準(zhǔn)。綜合分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,目前河口生態(tài)需水的計(jì)算方法主要有功能設(shè)定法、相關(guān)分析法及生態(tài)模型法等。

3.1 功能設(shè)定法

功能設(shè)定法是以河口生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo),維持河口生態(tài)系統(tǒng)正常功能所需的水量。一般來(lái)說(shuō),河口生態(tài)需水按照其功能可劃分為河口輸沙需水、鹽度平衡需水、濕地需水、航運(yùn)需水等。該方法首先分解計(jì)算河口各項(xiàng)功能所需水量,然后按一定原則整合得出河口生態(tài)需水總量。功能設(shè)定法在國(guó)內(nèi)已有一些研究實(shí)例[31-32,39-41]。以下簡(jiǎn)介幾項(xiàng)河口生態(tài)需水的計(jì)算方法。

3.1.1 河口輸沙需水量

河口輸沙需水量是針對(duì)我國(guó)河流特殊性而提出的,主要指維持河口沖淤平衡所需的水量。目前,河口輸沙需水計(jì)算方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法[41]、河相關(guān)系法及動(dòng)床數(shù)值模擬法[39-40]等。

經(jīng)驗(yàn)公式法是基于一定物理意義的簡(jiǎn)單估算法,大多是借鑒黃河下游輸沙需水的一些經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)基本的水流挾沙能力概念計(jì)算河口輸沙需水量,即

式中:Wt為河口輸沙需水量,m3;Qi為河口泥沙年淤積量,kg;Ci為水流挾沙能力,kg/m3。

一般采用斷面平均飽和含沙量表示。該法比較簡(jiǎn)單,但未能考慮輸沙需水量的季節(jié)變化要求。

河相關(guān)系法利用實(shí)測(cè)水沙和地形資料,根據(jù)落潮潮量、落潮含沙量及河床顆粒特征建立河口的河相關(guān)系[42],建立平衡斷面形態(tài)和水沙要素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,推求維持河口沖淤平衡所需水量。此方法計(jì)算簡(jiǎn)單,可推廣于資料較為缺乏的河口,但無(wú)法模擬河口沖淤平衡變化過(guò)程。動(dòng)床數(shù)值模擬法則根據(jù)河口地形條件,采用水沙數(shù)學(xué)模型模擬河口沖淤變化與徑流的響應(yīng)關(guān)系,由此計(jì)算維持河口沖淤平衡需水量。此法對(duì)短期沖淤變化的模擬能保持一定精度,但對(duì)長(zhǎng)序列計(jì)算存在誤差累計(jì)問(wèn)題。

3.1.2 河口鹽度平衡需水量

河口鹽度平衡需水量計(jì)算強(qiáng)調(diào)保持一定規(guī)模的淡水輸入,維持河口適宜的咸淡水比例,以實(shí)現(xiàn)河口地區(qū)水體鹽度平衡。主要計(jì)算方法有數(shù)值模擬法[37-38,43]和箱式模型法[31,41]等。

數(shù)值模擬法以鹽水入侵的數(shù)值模擬為基礎(chǔ),建立河口水流和鹽度數(shù)學(xué)模型,模擬上游不同來(lái)水時(shí)的河口鹽水入侵程度,以鹽度標(biāo)準(zhǔn)為衡量準(zhǔn)則,反推出防止鹽水入侵所需的河口生態(tài)流量。數(shù)值模擬法是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的計(jì)算方法,既可綜合考慮各種因素影響,也可分析單項(xiàng)因子的影響,但需要大量的實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證模型和率定參數(shù),這在很多河口難以實(shí)現(xiàn)。箱式模型法通過(guò)建立河口徑流與河口鹽度的相關(guān)關(guān)系,假定河口水體混合均勻,通過(guò)鹽度平衡方程推求一定河口鹽度目標(biāo)條件下的河口淡水輸入量。箱式模型法計(jì)算簡(jiǎn)便,但無(wú)法反映河口區(qū)咸淡水混合過(guò)程的復(fù)雜性,計(jì)算結(jié)果偏差較大。

3.1.3 河口濕地需水量

河口濕地需水量是指在一定生態(tài)目標(biāo)下為維持自身發(fā)展過(guò)程、保證基本生態(tài)功能發(fā)揮的多年平均需要補(bǔ)充的水量。河口濕地需水量計(jì)算方法大多采用水文學(xué)法和生態(tài)學(xué)法。一些學(xué)者以保持必要的濕地水面面積和水深為目標(biāo)計(jì)算河口濕地需水量[41],計(jì)算式為

式中:Wf為河口濕地需水量,m3;β為濕地水面面積占濕地面積的百分比,%;γ為濕地的水體置換頻率,次/a;Aw為濕地面積,m2;H為濕地平均水深,m。

單純采用傳統(tǒng)的水文學(xué)模型和生態(tài)學(xué)模型都會(huì)導(dǎo)致描述生態(tài)需水過(guò)程的失真,不能滿足對(duì)生態(tài)需水進(jìn)行科學(xué)調(diào)控的需要。在具體實(shí)踐中,如能將這兩種方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行河口濕地需水量研究是最理想的。連煜等[44]采用景觀生態(tài)學(xué)原理和方法,在水文學(xué)、生態(tài)學(xué)研究基礎(chǔ)上,在遙感和GIS技術(shù)的支持下,建立了基于生態(tài)水文學(xué)的黃河口濕地生態(tài)需水評(píng)價(jià)模型,計(jì)算得到河口濕地適宜生態(tài)需水量。

3.2 相關(guān)分析法

相關(guān)分析法主要通過(guò)分析河口不同生物種群數(shù)量、分布與環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系,利用生物對(duì)溫度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等環(huán)境指標(biāo)的適應(yīng)能力作為控制條件來(lái)計(jì)算河口生態(tài)需水量。相關(guān)分析法在國(guó)內(nèi)外已有一些應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者通過(guò)建立入海徑流與鹽度的相關(guān)關(guān)系,并以鹽度為控制標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算得到河口生態(tài)需水量[36,45]。Doering等[16]提出以沉水植物的鹽度適應(yīng)范圍來(lái)推求河口最小和最大的淡水需求量。Powell等[18]則通過(guò)對(duì)Texas河口歷年淡水入流量、鹽度和河口漁業(yè)產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析,推求得到維持河口鹽度平衡和穩(wěn)定漁業(yè)產(chǎn)量的最小淡水入海量。

3.3 生態(tài)模型法

生態(tài)模型法利用數(shù)學(xué)模型模擬生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量間的轉(zhuǎn)化過(guò)程,將水文學(xué)參數(shù)與系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入相聯(lián)系,通過(guò)恢復(fù)或維持生態(tài)系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)對(duì)水量及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的要求確定河口生態(tài)需水量。Mitsch等[46]利用生態(tài)模型建立水文學(xué)參數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)間的關(guān)系,通過(guò)模型反映不同輸入?yún)?shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,并利用模型分析河口濕地恢復(fù)中對(duì)磷的需求,確定恢復(fù)河口濕地所需輸入水量。Timchenko等[47]建立了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)初級(jí)生產(chǎn)及消耗平衡生態(tài)模型,以下泄流量相關(guān)的水體滯留時(shí)間為參數(shù),建立流量與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系,根據(jù)河口有機(jī)污染程度的不同,確定上游電站所需下泄的流量。

綜合比較上述計(jì)算方法,功能設(shè)定法概念清晰、理論性較強(qiáng),易于掌握,適合大多數(shù)河口生態(tài)需水計(jì)算,但是沒(méi)有將河口視為一個(gè)有機(jī)整體,存在重復(fù)計(jì)算的問(wèn)題。相關(guān)分析法簡(jiǎn)單且易于操作,數(shù)據(jù)容易滿足,但計(jì)算結(jié)果偏差較大,不過(guò)對(duì)于目前生物資料短缺的大多數(shù)河口來(lái)說(shuō),是一種有效的應(yīng)急方法。生態(tài)模型法理論依據(jù)充分,適用于不同的河口生態(tài)系統(tǒng),但所需生物資料難以獲取,而且計(jì)算比較復(fù)雜,目前尚不能被廣泛應(yīng)用。

4 存在問(wèn)題與展望

迄今為止,河口生態(tài)需水研究還剛起步,雖已取得一些研究成果,但還很不成熟,總的看來(lái),定性研究多于定量研究,對(duì)河口生態(tài)需水的機(jī)理研究較少,還存在許多需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

a.當(dāng)前河口生態(tài)需水的理論研究還很不成熟,概念及其內(nèi)涵存在著許多分歧,致使河口生態(tài)需水缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),成為深入研究河口生態(tài)需水的瓶頸。已有研究多為經(jīng)驗(yàn)性,系統(tǒng)分析明顯不足,未能科學(xué)地解決水分-生態(tài)的過(guò)程變化以及耦合作用機(jī)理。因此今后迫切需要加強(qiáng)河口生態(tài)需水機(jī)理及相關(guān)支持理論的綜合研究,形成一個(gè)較為明晰和完整的理論框架,為準(zhǔn)確計(jì)算河口生態(tài)需水量提供可靠的理論依據(jù)。

b.目前河口生態(tài)需水研究大多借鑒河道內(nèi)生態(tài)需水的計(jì)算方法,并不完全適用于河口生態(tài)需水的計(jì)算,實(shí)用性和可操作性較差。河口是一個(gè)咸、淡水高度混合的區(qū)域,在徑流、潮汐、波浪、地形等因素的影響作用下,其變化過(guò)程十分復(fù)雜。還有,世界上許多河口都建有攔潮閘,明顯改變了河口發(fā)育方向、潮流及生物生境?，F(xiàn)有河口生態(tài)需水的一些計(jì)算方法大多沒(méi)有充分考慮河口這些自身特點(diǎn)及其變化,出現(xiàn)生態(tài)需水過(guò)程失真的問(wèn)題。今后要加強(qiáng)不同類型河口生態(tài)需水規(guī)律研究,建立基于生態(tài)水文學(xué)的河口生態(tài)需水計(jì)算模型,形成一套比較成熟的計(jì)算方法體系。

c.只有在生態(tài)保護(hù)目標(biāo)設(shè)定的情況下,河口生態(tài)需水才有明確的意義。目前,在計(jì)算河口生態(tài)需水量時(shí),生態(tài)保護(hù)目標(biāo)及規(guī)模缺乏科學(xué)合理界定,很少考慮河流水資源承載能力及人類社會(huì)的現(xiàn)實(shí)要求,計(jì)算成果較難滿足生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和生態(tài)需水配置的迫切需求。今后應(yīng)根據(jù)區(qū)域水資源狀況、生態(tài)保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況,綜合考慮自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)多方的需求,合理確定生態(tài)保護(hù)目標(biāo),這是競(jìng)爭(zhēng)用水條件下河口生態(tài)需水核算的關(guān)鍵,也才更具有現(xiàn)實(shí)意義。

d.目前河口生態(tài)需水計(jì)算未將河口視為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的整體來(lái)考慮,如功能設(shè)定法中河口各項(xiàng)生態(tài)需水量之間的計(jì)算存在交叉重復(fù)。以后應(yīng)該從河口生態(tài)系統(tǒng)的整體性出發(fā),針對(duì)不同類型的河口生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究,研究水在河口生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)機(jī)理,建立河口生態(tài)需水耦合模型,避免重復(fù)計(jì)算,提高河口生態(tài)需水量計(jì)算成果的實(shí)用價(jià)值,為維持和改善河口生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

隨著我國(guó)日益突出和嚴(yán)峻的河口生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題,河口生態(tài)需水研究必將更加引起人們的重視和關(guān)注,也將會(huì)在流域規(guī)劃和管理決策中發(fā)揮更大作用。理論與實(shí)踐相結(jié)合、多學(xué)科交叉綜合研究將是今后河口生態(tài)需水研究的方向和發(fā)展趨勢(shì)。

[1]陳吉余,陳沈良.長(zhǎng)江口生態(tài)環(huán)境變化及對(duì)河口治理的意見(jiàn)[J].水利水電技術(shù),2003,34(1):19-25.

[2]楊志峰,崔保山,劉靜玲,等.生態(tài)環(huán)境需水理論、方法與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[3]倪晉仁,崔樹彬,李天宏,等.論河流生態(tài)環(huán)境需水[J].水利學(xué)報(bào),2002,33(9):14-19.

[4]唐克旺,王浩,王研.生態(tài)需水分類體系探討[J].水資源保護(hù),2003,19(5):5-8.

[5]BENSON N G.The freshwater inflow to estuaries issue[J].Fisheries,1981,6(5):8-10.

[6]JASSBY A D,KIMMERER W J,MONISMITH S G,et al.Isohaline position as a habitat indicator for estuarine populations[J].Ecological Applications,1995,5(1):272-289.

[7]ARDISSONA P L,BOUR GETB E.A study of the relationship between freshwater and runoff benthos abundance:a scaleoriented approach[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,1997,45:535-545.

[8]RAVENSCROFTA N O M,BEARDALLB C H.The importance of freshwater flows over estuarine mudflats for wintering waders andwildfowl[J].Biological Conservation,2003,113:89-97.

[9]GOBLER C J,CULLISON L A,KOCH F,et al.Influence of freshwater flow,ocean exchange,and seasonalcycles on phytoplankton nutrient dynamics in a temporarily open estuary[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2005,65:275-288.

[10]COPELAND B J.Effects of decreased river flow on estuarine ecology[J].Journal of Water Pollution Control Federation,1966,38:1831-1839.

[11]BR OWDER J A,MOORE D.A new approach to determining the quantitative relationship between fishery production andthe flow of fresh water to estuaries[C]//CROSS R,WILLIAMS D,eds.Proceedings of a National Symposium on Freshwater Inflow to Estuaries,Washington D C:1981:403-430.

[12]PAUL A M,MERRYL A,PETER D,et al.Freshwater inflow:science,policy,management[J].Estuaries,2002,25(6B):1243-1245.

[13]JEZEWSKI W A,ROBERTS C P R.Estuarine and lake freshwater requirements[R].Pretoria:Department of Water Affairs and Forestry South Africa,1986:12-16.

[14]SUSAN T L.Water resources protection policy implementation,resource directed measures for protection of water resources,estuarine ecosystems[R].Pretoria:Department of Water Affairs and Forestry South Africa,1999:5-10.

[15]ALBER M A.Conceptual model of estuarine freshwater inflow management[J].Estuaries,2002,25(6B):1246-1261.

[16]DOERING P H,CHAMBERLAIN R H,HAUNERT D E.Using submerged aquatic vegetation toestablish minimum and maximum freshwater inflows to the Caloosahatchee Estuary,Florida[J].Estuaries,2002,25(6B):1343-1354.

[17]KIMMERER W J.Physical,biological,and management responses to variable freshwater inflow into the San Francisco Estuary[J].Estuaries,2000,25:1275-1290.

[18]POWELL G L,MATSU MOTO J,BR OCK D A.Methods for determining minimum freshwater inflow needs of Texas Bays and estuaries[J].Estuaries,2002,25(6B):1262-1274.

[19]FLANNERY M S,PEEBLES E B,MONTGOMERY R T.A percent-of-flow approach for managing reductions of freshwater inflows from unimpounded rivers to Southwest Florida Estuaries[J].Estuaries,2002,25(6B):1318-1332.

[20]MATTSON R A.A resource-based framework for establishing freshwater inflow requirements for the Suwannee River Estuary[J].Estuaries 2002,25(6B):1333-1342.

[21]ADAMS J B,BATEG C,HARRISON T D,et al.A method to assess the freshwater inflow requirements of estuaries and applicationto the Mtata Estuary,South Africa[J].Estuaries,2002,25(6B):1382-1393.

[22]PEIRSON W L,BISHOP K,VAN S D,et al.Environmental water requirements to maintain estuarine processes[R].Environmental Flows Initiative Technical Report.Canberra:Commonwealth of Australia,2002,3.

[23]水利部黃河水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院.黃河水資源利用[R].鄭州:水利部黃河水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院,1986.

[24]田家怡,王民.黃河斷流對(duì)三角洲附近海域生態(tài)環(huán)境影響的研究[J].海洋環(huán)境科學(xué),1997,15(3):59-65.

[25]王麗紅.黃河斷流對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響研究[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,15(4):418-421.

[26]何宏謀,王煜,陳紅莉.黃河斷流對(duì)河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響[J].海岸工程,2000,19(4):41-46.

[27]李國(guó)英.黃河治理的終極目標(biāo)是“維持黃河健康生命”[J].人民黃河,2004,26(1):1-2.

[28]崔樹彬,宋世霞.三門峽以下水環(huán)境保護(hù)研究[R].鄭州:黃河流域水資源保護(hù)局,2002.

[29]連煜,朱歧武.黃河河口淡水濕地生態(tài)需水研究[R].鄭州:黃河流域水資源保護(hù)局,2005.

[30]SUN T,YANG Z F,CUI B S.Critical environmental flows to support integrated ecological objectives for the Yellow River Estuary,China[J].Water Resources Management,2008,22:973-989.

[31]孫濤,楊志峰,劉靜玲.海河流域典型河口生態(tài)環(huán)境需水量[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(12):2707-2715.

[32]崔拓.河口生態(tài)環(huán)境需水量研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2004.

[33]羅秉征,沈煥庭.三峽工程與河口生態(tài)環(huán)境[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

[34]陳吉余,陳沈良.南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江河口生態(tài)環(huán)境的影響[J].水資源保護(hù),2002(3):10-13.

[35]沈煥庭,茅志昌.東線南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口咸水入侵影響及對(duì)策研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2002,11(2):150-154.

[36]顧圣華.長(zhǎng)江口環(huán)境用水量計(jì)算方法探討[J].水文,2004,24(6):35-37.

[38]SUN T,YANG Z F,SHEN Z Y,et al.Environmental flows for the YangtzeEstuary based on salinityobjectives[J].Communications in NonlinearScience and Numerical Simulation,2009,14(3):959-971.

[39]韓曾萃,尤愛(ài)菊,徐有成,等.強(qiáng)潮河口環(huán)境和生態(tài)需水及其計(jì)算方法[J].水利學(xué)報(bào),2006,37(4):395-402.

[40]尤愛(ài)菊.強(qiáng)潮河口生態(tài)與環(huán)境需水及實(shí)現(xiàn)途徑研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[41]孫濤,楊志峰.河口生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(5):573-579.

[42]竇國(guó)仁.平原沖積河流及潮汐河口的河床形態(tài)[J].水利學(xué)報(bào),1964,(2):1-13.

[43]ZHAO R,YANG Z F,SUN T B,et al.Freshwater inflow requirementsfor the protection of the critical habitat and the drinking water sources in the Yangtze River Estuary,China[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2008,14(5):2507-2518.

[44]連煜,王新功,黃羽中,等.基于生態(tài)水文學(xué)的黃河口濕地生態(tài)需水評(píng)價(jià)[J].地理學(xué)報(bào),2008,63(5):451-461.

[45]鄭建平,王芳,華祖林,等.海河河口生態(tài)需水量研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,33(5):518-521.

[46]MITSCH W J,WANG N M.Large-scale coastal wetland restoration on the Laurentian Great Lakes:determining the potential for waterquality improvement[J].Ecological Engineering,2000,15(3-4):267-282.

[47]TIMCHENKO V,OKSIYUK O,GORE J A.Modelfor ecosystem state and water quality management in the Dnieper River Delta[J].Ecological Engineering,2000,16(1):119-125.

Advances in research on theory and calculation method of ecological water requirement in estuaries

PENG Tao,CHEN Xiao-hong,CHEN Zhi-he,ZHAO Chang-sen
(Research Center of Water Resources and Environment,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

Based on identification of the concept and implications of the ecological water requirement in an estuary,the definition of the ecological water requirement of an estuary is provided.The ecological water requirement of an estuary is the amount of water sufficient for maintaining healthy estuarine ecosystems with certain ecological targets.Current research advances on the ecological water requirement of an estuary are reviewed,and the calculation methods of recent years are summarized,including the functionmethod,correlation analysis method,and ecosystem model method.On the basis of these analyses,the main existing problems in this field are identified:the theory and calculation methods of the ecological water requirement in an estuary are immature,targets of ecological protection are indefinite,and there is an issue of repeated calculation.Further research on ecological water requirements in estuaries should be focused on a comprehensive understanding of mechanisms,the establishment of integrated theoretical frameworks and calculation method systems,and the provision of a scientific basis for designing the ecological water requirements of estuaries with different ecological protection targets.

ecological water requirement;estuary;research advance;comprehensive review

TV213.9

A

1004-6933(2010)02-0077-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2006BAB14B07);國(guó)家自然科學(xué)基金(50839005,50809078)

彭濤(1973—),男,土家族,湖南保靖人,博士研究生,研究方向?yàn)樗乃Y源及生態(tài)需水。E-mail:pengtao306@163.com

(收稿日期:2008-11-27 編輯:高渭文)