河流生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法淺析

張 云

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局 南通 226000）

河流生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法淺析

張 云

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局 南通 226000）

1 引言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素之一，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，城市生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重的破壞，而人類對(duì)水資源的需求量日益增長。人類不合理的開發(fā)利用水資源所造成的水環(huán)境污染、水土流失、土地退化等問題，直接造成了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化，而水生態(tài)環(huán)境惡化又進(jìn)一步加劇了洪澇災(zāi)害和水資源短缺的問題。因此，在區(qū)域水資源的規(guī)劃與管理中，在有限的水資源總量基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的合理配置，維持合理的河流生態(tài)環(huán)境用水量是當(dāng)前水利工作面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。解決好河流生態(tài)環(huán)境問題對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)平衡至關(guān)重要。

2 生態(tài)環(huán)境需水概念

河流生態(tài)環(huán)境需水量是針對(duì)水資源開發(fā)利用中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及科學(xué)地進(jìn)行生境修復(fù)、改善等問題而提出的。我國對(duì)生態(tài)環(huán)境需水的概念、內(nèi)涵及外延的認(rèn)識(shí)也未統(tǒng)一，其計(jì)算方法的研究也不盡完善。

生態(tài)需水量是指維持生態(tài)系統(tǒng)中具有生命的生物物體水分平衡所需要的水量。環(huán)境需水量則是指為保護(hù)和改善人類居住環(huán)境及其水環(huán)境所需要的水量。主要包括：改善環(huán)境用水水質(zhì)所需要的水量。生態(tài)環(huán)境需水量是指一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的需水量，而并不單單是指生物體的需水量或耗水量或自然環(huán)境的需水量，亦即生物體所在環(huán)境與整體的需水量（包括含有生物體的自身耗水量），其水量有一個(gè)閾值范圍，具有上限值和下限值，超過上下限值都會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的退化和破壞。它不但與生態(tài)系統(tǒng)的生物群體結(jié)構(gòu)、生態(tài)區(qū)的氣候、土壤、地質(zhì)、水文條件等有關(guān)系，更重要的還與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)系。

為維護(hù)生態(tài)環(huán)境的天然結(jié)構(gòu)與功能，河流生態(tài)環(huán)境需水量包括：①河流系統(tǒng)中天然和人工植被耗水量，包括水源涵養(yǎng)林、水土保持措施及天然植被和綠洲防護(hù)林帶的耗水量；②維持水（濕）生生物棲息地所需的水量；③維持河口地區(qū)生態(tài)平衡所需的水量；④維持河流系統(tǒng)水沙平衡的輸沙入海水量；⑤維持河流系統(tǒng)水鹽平衡的入海水量；⑥保持河流系統(tǒng)一定的稀釋凈化能力的水量；⑦保持水體調(diào)節(jié)氣候、美化景觀等功能所損耗的蒸發(fā)量；⑧維持合理的地下水位所必需的入滲補(bǔ)給水量等。狹義地講，生態(tài)需水量是指為維持地表水體特定的生態(tài)環(huán)境功能，天然水體必須儲(chǔ)存和消耗的最小水量。

3 河流生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算簡介

3.1 河流生態(tài)環(huán)境需水的特征

3.1.1 時(shí)間性

河流生態(tài)環(huán)境需水的時(shí)間性主要表現(xiàn)在水資源循環(huán)利用系統(tǒng)的時(shí)間變化性，如河流徑流量表現(xiàn)為年際的波動(dòng)、季節(jié)的分配，需要從時(shí)間上合理分配生態(tài)環(huán)境需水，保證河流生態(tài)功能的充分選擇。

3.1.2 閾值特征

根據(jù)生物龕理論,生態(tài)系統(tǒng)本身具有一定的自我調(diào)節(jié)和自我緩沖性，處于“臨界狀態(tài)”或“生態(tài)臨界”的生態(tài)系統(tǒng)都具有一定的生態(tài)閾值，即只有擾動(dòng)超越了其上限或下限,生態(tài)系統(tǒng)才不能自控而產(chǎn)生惡變或崩潰。

3.2 遵循的原則

河流生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)遵循四大平衡原則。一是水熱（能）平衡，二是水鹽平衡，三是水沙平衡，四是水量供需平衡。

3.3 計(jì)算方法簡介

河流生態(tài)環(huán)境需水量就是指在特定時(shí)間和空間的條件下維持和保護(hù)河流系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境功能并改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量所需要的水量。河流生態(tài)的需水研究方法通常分為四類：一是傳統(tǒng)水文法，二是基于生物學(xué)基礎(chǔ)的棲息地法，三是基于水力學(xué)基礎(chǔ)的水力學(xué)法，四是整體分析法。

（1）傳統(tǒng)的水文法，主要是利用基于徑流方法的最小可接受流量來確定的。水文學(xué)方法的合理性在于，河流中生物種群的變化在較長的時(shí)期內(nèi)、較惡劣的生存逆境中才會(huì)體現(xiàn)出來，即對(duì)一定程度的干擾具有忍耐能力。水文指標(biāo)法是生態(tài)需水評(píng)價(jià)中最簡單、需要數(shù)據(jù)最少，并依據(jù)歷史水文數(shù)據(jù)確定需水量的方法。

①7Q10法。美國的7Q10法以流量歷時(shí)統(tǒng)計(jì)，指采用90%的保證率最枯連續(xù)7d的平均水量作為河流最小流量即標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)計(jì)值,并以該標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)計(jì)值作為河流生態(tài)需水量。該方法的標(biāo)準(zhǔn)要求較高，我國對(duì)其進(jìn)行了修改，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)制訂了《地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》(GB3839-83)，規(guī)定一般河流采用近10年或90%保證率代表年最枯月平均流量作為河道內(nèi)生態(tài)需水量。

②Tennant法。也稱Montana法。該方法是以預(yù)先確定的年平均流量的百分率為基礎(chǔ)，不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,年平均流量可以從河流上水文站的歷史監(jiān)測(cè)資料獲得；在沒有水文站點(diǎn)的河流,通過可以接受的水文技術(shù)獲得。公式為：W=Qi×Zi，式中，W 為河道生態(tài)環(huán)境需水量（m3），Qi為一年內(nèi)第i個(gè)月多年平均流量（m3），Zi為對(duì)應(yīng)第i月份的推薦基流百分比（%）。

Tennant法原理簡單，但百分?jǐn)?shù)的取值具有主觀任意性。在美國,該方法通常在優(yōu)先度不高的河段研究河流標(biāo)準(zhǔn)量推薦值，或作為其他方法的檢驗(yàn)。

（2）基于生物學(xué)基礎(chǔ)的棲息地法，是生態(tài)需水估算最復(fù)雜和最靈活的方法，包括增加（IFIM）法和CASIMIR法。

增加（IFIM）法是棲息地法最常用的，是應(yīng)用比較廣泛的計(jì)算環(huán)境需水量的方法，是基于假定生物有機(jī)體在流動(dòng)的河水中其分布受水力條件的控制，適用于一定流量的主要的水生生物及棲息地。

CASIMIR法是基于流量在空間和時(shí)間上的變化，采用FST建立水力模型、流量變化與被選定的生物類型之間的關(guān)系，估算主要水生生物的數(shù)量、規(guī)模，并可模擬水電站的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）基于水力學(xué)基礎(chǔ)的水力學(xué)法，包括R2CROSS法、濕周法等。

R2CROSS法是以曼寧公式為基礎(chǔ)，在一個(gè)河流斷面上用現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)對(duì)未觀測(cè)的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬。在計(jì)算河道流量推薦值時(shí)，由河道幾何形態(tài)決定的水深、河寬、流速等因素必須加以考慮，該方法用于淺灘式的河流棲息地類型河流生態(tài)需水量的測(cè)定。

濕周法是基于以保護(hù)好臨界區(qū)域的水生生物棲息地的濕周，對(duì)非臨界區(qū)域的棲息地提供足夠的保護(hù)的假定。通過建立濕周與流量的關(guān)系曲線，由曲線上的臨界點(diǎn)確定MEIFR，一般適合于在宏觀水資源管理中確定最小生態(tài)需水量，但只用于給定條件下適宜的生態(tài)需水量的粗略評(píng)價(jià)。

（4）整體分析法，主要指BBM法，將河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況分為6級(jí)，河道內(nèi)的流量劃分為4部分，以求算上述4部分的年均天然徑流量的百分率，可用于快速估算河流生態(tài)流量。

4 結(jié)論與展望

研究河流生態(tài)需水是開展生態(tài)環(huán)境建設(shè)的必然需要，是實(shí)現(xiàn)水資源合理配置和可持續(xù)利用中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。我國對(duì)河流生態(tài)環(huán)境需水量的研究較晚，目前尚處于起步階段，其理論和計(jì)算方法還不是很完善。在選定生態(tài)需水評(píng)估方法應(yīng)考慮河流類型、人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的價(jià)值觀、計(jì)算結(jié)果的精度、收集資料的費(fèi)用和困難程度等，根據(jù)不同的需求和適用范圍，選擇不同的河流生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法。

今后要進(jìn)一步加大河流生態(tài)環(huán)境需水的研究力度，建立完整的理論研究體系，注重新方法的使用，提高河流生態(tài)環(huán)境需水量分析的合理性與計(jì)算的準(zhǔn)確性，維持河流生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)