太湖河湖水系連通需求評價(jià)初探*

徐 慧，雷一帆，范穎驊，呂多智

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

我國河湖水系連通的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，就連通的目標(biāo)來看，目前正經(jīng)歷著從滿足水資源調(diào)配、防洪抗旱到修復(fù)和改善水生態(tài)環(huán)境的提升.針對我國當(dāng)前面臨的一系列水資源問題和挑戰(zhàn)，水利部提出了河湖水系連通戰(zhàn)略.隨后，一些學(xué)者分別對水系連通的定義、特征、構(gòu)成要素、研究框架、理論以及面臨的問題與挑戰(zhàn)等進(jìn)行了探討[1-3].根據(jù)水系連通戰(zhàn)略目標(biāo)，河湖水系連通的重點(diǎn)任務(wù)是通過必要的水工程，建立水體之間的水力聯(lián)系，提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力，改善河湖生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)抵御水旱災(zāi)害能力，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、人水和諧[1].同時(shí)，水系連通的負(fù)面影響也受到了關(guān)注，如夏軍等提出了河湖連通對生態(tài)環(huán)境帶來的5方面的負(fù)面影響[4];對三峽工程全面竣工正常運(yùn)行后的預(yù)評估認(rèn)為，三峽工程對河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能存在防洪、發(fā)電、旅游、減少有害氣體排放等6 項(xiàng)正面影響和庫區(qū)污染、泥沙淤積、水庫淹沒、對生物的影響和對河流生態(tài)系統(tǒng)的占據(jù)5 項(xiàng)負(fù)面影響[5].盡管水系連通工程存在一定的負(fù)面影響，但在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的形勢下，仍需要進(jìn)一步發(fā)揮水系連通對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐作用和改善人水關(guān)系的紐帶作用.

太湖流域是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，水系連通實(shí)踐由來已久.該流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市化、工業(yè)化水平高，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對防洪安全、供水安全和生態(tài)安全的要求越來越高.實(shí)施河湖水系連通對于提高流域及區(qū)域水資源配置能力、防洪排澇能力、修復(fù)水生態(tài)、改善水環(huán)境都具有重要意義.自然形成的江河湖水系經(jīng)過長期的水利建設(shè)與管理已經(jīng)演變成“自然-人工”復(fù)合水系，水系連通格局不斷被改造，水系功能也發(fā)生了從傳統(tǒng)的供水、防洪、除澇、抗旱、航運(yùn)到當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境、人水和諧乃至水文化等人水格局關(guān)系的轉(zhuǎn)變，這種演變反映了不同時(shí)期不同區(qū)域?qū)λ倒δ芗斑B通的不同需求，使得水系連通實(shí)踐表現(xiàn)出時(shí)空演變的特征.水系連通需求是河網(wǎng)地區(qū)水系連通的關(guān)鍵問題之一[6]，而目前關(guān)于水系連通需求分析的研究成果還不多見.本文在分析探討水系連通工程、水系連通需求以及水生態(tài)服務(wù)功能三者相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合河湖水系連通的戰(zhàn)略目標(biāo)和實(shí)踐的要求，歸納了水系連通需求的內(nèi)涵，參照水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價(jià)方法，建立了水系連通需求評價(jià)的方法體系，并以太湖為典型區(qū)，評價(jià)了太湖水系的連通需求，為太湖水系連通實(shí)踐提供理論參考.

1 水系連通需求評價(jià)方法

根據(jù)水系連通戰(zhàn)略目標(biāo)，水系連通需求是指人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源供給、防洪排澇、改善生態(tài)環(huán)境等方面的需求及對河湖水系健康的維護(hù).無論是自然水系還是自然-人工復(fù)合水系都具有一定的功能，這種功能來源于水系所固有的發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)學(xué)特性.水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指水生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，分為提供產(chǎn)品、調(diào)節(jié)功能、文化功能和生命支持功能4 大類[7].水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能同時(shí)考慮了生態(tài)系統(tǒng)對自然與人類兩方面的作用，有社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能和自然生態(tài)服務(wù)功能之分[8].水系連通工程的建設(shè)也大多是圍繞這兩大類功能進(jìn)行的.因此，水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是水系連通需求的基礎(chǔ)，水系連通需求本質(zhì)上是不同利益主體對水生態(tài)服務(wù)功能的需求，其驅(qū)動(dòng)力為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對自然水系的保護(hù)意識(shí)的不斷提高，水系連通需求本身具有時(shí)空演變特征.水系連通工程是實(shí)現(xiàn)連通需求的重要途徑和措施.人類通過建設(shè)各種水系連通工程促使水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生變化，滿足各方面的需要.水利發(fā)展的歷程就是人類通過各種水利工程改變水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)水平的過程.水系連通需求、連通工程和水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相互關(guān)系見圖1.

圖1 水系連通需求、水系連通工程和水生態(tài)服務(wù)功能相互關(guān)系Fig.1 Relationship between water interconnection demand，project and water services

水系連通水平的發(fā)展程度受自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的約束，也受水系連通需求的調(diào)節(jié).隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水系連通工程的技術(shù)水平得到了前所未有的提高，人類對自然水系的改造和調(diào)控能力隨之大幅度提升.在技術(shù)、資金條件允許的情況下，水系連通水平提高到什么程度取決于水系連通需求的大小，水系連通需求的大小又取決于人類及自然對水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能需求的大小，例如對水資源的時(shí)空調(diào)配需求與能力.

目前水生態(tài)服務(wù)功能的評價(jià)方法相對比較成熟.鑒于水系連通需求與水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的密切關(guān)系，采用水生態(tài)服務(wù)功能的評價(jià)方法對水系連通需求進(jìn)行評價(jià).水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(jià)方法主要有物質(zhì)量法、價(jià)值量法和當(dāng)量法[9-10].物質(zhì)量法和價(jià)值量法從生態(tài)系統(tǒng)所能提供給人類的生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行度量，物質(zhì)量評價(jià)方法能夠反映出生態(tài)系統(tǒng)所提供的不同服務(wù)功能，但各種服務(wù)功能之間難以統(tǒng)一成一個(gè)綜合指標(biāo)，而價(jià)值量評價(jià)方法側(cè)重反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體稀缺性，進(jìn)而反映人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支付意愿，其結(jié)果存在主觀性.水當(dāng)量法是將人類對水生態(tài)系統(tǒng)的各類服務(wù)功能的占用折算成一個(gè)具有生態(tài)學(xué)意義的水量指標(biāo)，指在現(xiàn)有技術(shù)水平下，特定人口規(guī)模生存和發(fā)展所需要的水資源供應(yīng)、水環(huán)境凈化、水生境維持、水安全調(diào)蓄以及水文化景觀等功能的水的體積.其特點(diǎn)是把各種功能統(tǒng)一到水的體積上來，具有統(tǒng)一的量綱，使其可定量評價(jià)，并具有可比性.綜合考慮物質(zhì)量、價(jià)值量和水當(dāng)量法等評價(jià)方法的特點(diǎn)，本文采用當(dāng)量法評價(jià)水系連通需求的大小.

基于水當(dāng)量法的水系連通需求的計(jì)算公式為:

式中，ELt為t 時(shí)刻的水系連通需求(m3)，Eit為t 時(shí)刻i 類水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能需求(m3)，Ei0為水系現(xiàn)狀連通條件下提供的i 類生態(tài)服務(wù)功能(m3).Ei0表示當(dāng)t=0 時(shí)，即現(xiàn)狀水平年的需求，否則，表示未來某一t 時(shí)刻的需求.

2 太湖水系連通需求評價(jià)

太湖流域北依長江，太湖居中，江河湖相連，水系溝通，依存關(guān)系密切.隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快，太湖流域水生態(tài)環(huán)境問題日益突出.目前，太湖流域十一項(xiàng)綜合治理骨干工程已全面建成，初步形成北向長江引排、東出黃浦江供排、南排杭州灣并且利用太湖調(diào)蓄的防洪與水資源調(diào)控工程體系，同時(shí)也為提高流域和區(qū)域水資源承載能力、通過水利工程調(diào)控改善流域水生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造了工程條件.太湖是大型淺水湖泊，環(huán)太湖出入河流有228 條，其中太湖北部直湖港以東至南部吳溇港以東河道以出湖為主，主要有望虞河、太浦河和胥江等;直湖港以西至吳溇港以西以入湖為主，主要入湖河道有長兜港、長興港、太滆運(yùn)河、漕橋河、燒香港、太浦港等.太湖位于流域中心，是重要的淡水資源，是周邊大中城市重要的供水水源地.此外，太湖還具有防洪排澇、改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)以及旅游等功能.根據(jù)太湖所承擔(dān)的主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)功能，太湖水系連通需求主要從水資源調(diào)配、洪水調(diào)蓄、改善水環(huán)境、提供水生生物棲息地等方面進(jìn)行評價(jià).

2.1 水資源調(diào)配需求

根據(jù)流域相關(guān)規(guī)劃，在強(qiáng)化節(jié)約、有效保護(hù)的基礎(chǔ)上合理開源，進(jìn)一步擴(kuò)大引江能力，充分利用太湖調(diào)蓄能力，提高太湖向下游及周邊地區(qū)供水能力，形成以太湖、望虞河、太浦河及新孟河為重點(diǎn)，流域、區(qū)域和城市3 個(gè)層次相協(xié)調(diào)的配置格局，增強(qiáng)江河湖水系連通.現(xiàn)狀工況下，基準(zhǔn)年出湖和入湖水量多年平均值分別為8.2×109和8.7×109m3;2030年，出湖和入湖水量均進(jìn)一步增加，多年平均值分別為1.04×1010m3和1.17×108m3.因此，為滿足太湖及其下游地區(qū)的供水需求，多年平均出入湖水量分別需增加22×108m3和30×108m3，另有約8×108m3的生產(chǎn)、生活取用水.增加的水資源調(diào)配需求通過規(guī)劃骨干河湖水系連通工程，增加環(huán)太湖河道的出入湖水量，促進(jìn)水體流動(dòng)，增強(qiáng)太湖的供水服務(wù)功能.

2.2 調(diào)蓄水需求

太湖是流域防洪的重要調(diào)蓄湖泊，太湖洪水的安全蓄泄是流域防洪安全的關(guān)鍵.經(jīng)過多年水利基本建設(shè)，太湖流域已初步形成以治太骨干工程為主體的流域防洪工程體系，防洪除澇能力得到較大提高.但隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，太湖面臨著更高的防洪排澇安全連通需求，根據(jù)太湖流域防洪規(guī)劃，以水體調(diào)蓄或輸水能力的變化值表示對太湖調(diào)蓄洪水的需求.91年型洪水降雨相對集中在上游地區(qū)，下游雨量相對較小，現(xiàn)狀工況太湖洪水調(diào)蓄水量占總水量的60%;規(guī)劃方案太湖洪水調(diào)蓄水量占總水量的45%.99年型洪水降雨集中在下游，洪水下泄難度較大，現(xiàn)狀工況太湖洪水蓄量占總水量的87%，太湖調(diào)蓄任務(wù)繁重;規(guī)劃方案太湖洪水調(diào)蓄水量占總水量的72%.在不同雨型、規(guī)劃條件下，太湖調(diào)蓄洪水量比現(xiàn)狀工況條件下減少了7.2×108～10.7×108m3/a，減幅達(dá)15% ～27%.可以看出，與現(xiàn)狀工況相比，規(guī)劃方案減小了太湖調(diào)蓄洪水的壓力，而下泄能力需要有較大幅度的提高，才能減輕太湖調(diào)蓄洪水壓力.下泄能力增加主要通過水系連通工程增加洪水的外排能力，減少造峰期太湖的蓄洪水量來實(shí)現(xiàn)，即太湖調(diào)蓄洪水量的減少需要通過水系連通工程來增加洪水的輸出.

2.3 水環(huán)境凈化需求

以太湖水功能區(qū)確定的水質(zhì)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算將水體凈化到目標(biāo)水質(zhì)所需的水量作為水環(huán)境凈化需水量.總磷和總氮是防治湖泊富營養(yǎng)化的主要控制指標(biāo)，其中總磷雖然是關(guān)鍵性控制指標(biāo)，但由于河流與湖泊的總磷執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，計(jì)算時(shí)選擇將水體總氮指標(biāo)稀釋至目標(biāo)水質(zhì)所需的水量.水環(huán)境凈化需水量包括兩個(gè)部分:一是廢污水凈化需水量，即把進(jìn)入水體的廢污水凈化到目標(biāo)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需消耗的水量.二是湖泊水體的凈化需水.如果水體本身水質(zhì)劣于目標(biāo)水質(zhì)，則凈化需水量為將水體凈化到目標(biāo)水質(zhì)所需的水量;如果水體水質(zhì)好于或達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)，則該項(xiàng)需水量為零.

2.3.1 入湖水體凈化需水量 根據(jù)文獻(xiàn)中太湖總氮的出入湖通量數(shù)據(jù)(表1)，得到2000年以來總氮在太湖的年滯留量為1.27×104～3.31×104t，平均為2.28×104t.以長江水質(zhì)最好時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，即Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，長江總氮為0.2 mg/L，將太湖滯留的總氮凈化至湖庫Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算可得凈化需水量為1.59×1010～4.14×1010m3/a，平均 2.85×1010m3/a(表 1).

表1 總氮出入太湖通量歷史變化及凈化需水量Tab.1 Historical changes in TN pollutant flux es of Lake Taihu and purification water demand

2.3.2 太湖水體凈化需求 根據(jù)“2008年太湖健康狀況報(bào)告”①水利部太湖流域管理局，江蘇省水利廳，浙江省水利廳，上海市水務(wù)局.2008年太湖健康狀況報(bào)告.，2005、2006、2007 和2008年太湖總氮年均值分別為2.49、2.85、2.35 和2.42 mg/L.連續(xù)4年的平均值為2.47 mg/L，與Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相比，超標(biāo)1.47倍.太湖多年平均蓄水量按4.43×109m3計(jì)，若長江總氮按0.2 mg/L(Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))計(jì)，則將太湖水體凈化至Ⅲ類水，需要引調(diào)水8.14×109m3.

2.4 水生境維持需求

維持湖泊水生生物棲息地的需水量采用最低生態(tài)水位對應(yīng)的水量表示.在資料缺乏的條件下，確定最低生態(tài)水位的方法有天然水位資料統(tǒng)計(jì)法、湖泊形態(tài)分析法和生物空間最小需求法[14].天然水位資料統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)水位資料，取不同頻率水文年日均、旬均或月均最低水位.湖泊形態(tài)分析法根據(jù)實(shí)測湖泊水位(H)和湖泊面積(F)資料，建立湖泊水位和dF/dH 的關(guān)系線.在此關(guān)系線上，dF/dH 最大值相應(yīng)水位為最低生態(tài)水位.生物空間最小需求法用湖泊各類生物對生存空間的需求來確定最低生態(tài)水位.采用生物空間最小需求法計(jì)算生境需水的需求時(shí)一般考慮魚類需水，即根據(jù)魚類需求的最小水深加上湖底高程求得最低生態(tài)水位.根據(jù)《太湖魚類志》[15]，太湖魚類對水深的最低要求一般為1.5 ～2.0 m.為維持太湖魚類生境，取其中間值作為最小水深，即為1.75 m，再根據(jù)太湖湖底平均高程(約1.0 m)得到維持生境最低水位為2.75 m.另據(jù)太湖系列水位、水資源量分析表明，太湖旬平均水位不低于2.65 m 時(shí)(該水位接近太湖實(shí)測水位(1964-2000年)平水年最低旬平均水位)，可滿足城鎮(zhèn)供水、農(nóng)田灌溉、航運(yùn)、漁業(yè)等方面的要求，而2.75 m 的水位亦與此要求相符.根據(jù)太湖水位-庫容數(shù)據(jù)[16]，建立水位-庫容關(guān)系式，計(jì)算得到 2.75 m 時(shí)的湖泊蓄水量為3.58×109m3.

3 結(jié)果與討論

太湖連通需求評價(jià)結(jié)果表明:至2030年，太湖的水資源調(diào)配需求為3.0×109m3/a(隨水平年的變化而變化);太湖調(diào)蓄洪水需求減少7.2×108～10.7×108m3/a;入湖水環(huán)境凈化需求為2.85×1010m3/a;湖水凈化需水8.14×109m3;維持魚類生存需水3.58×109m3(表2).在各類連通需求中，凈化入湖廢污水所需水量最大，其次是湖水凈化需水，再次是維持生境需水，最后為水資源調(diào)配需水.而為了減輕太湖防洪壓力，太湖調(diào)蓄洪水的需求減少.從該評價(jià)結(jié)果可以看出，未來需要建立水系連通工程增加出入湖水量，增加水體流動(dòng)，提高太湖對周邊城市供水安全穩(wěn)定的保障能力，同時(shí)增加湖泊環(huán)境容量，改善湖泊水環(huán)境，并保障湖泊生境最低需水量，并在完善通江渠道、恢復(fù)江湖關(guān)系、理順河湖水系的基礎(chǔ)上，增加太湖的外排能力.

表2 太湖水系連通各生態(tài)服務(wù)功能需水水量計(jì)算結(jié)果匯總Tab.2 Total water demand of Lake Taihu interconnection with surrounding water system

與太湖水系連通的實(shí)踐水平及發(fā)展?jié)摿ο啾容^，在所評價(jià)的連通需求中，水資源調(diào)配、調(diào)蓄洪水和維持生境的需求與太湖當(dāng)前及未來一段時(shí)期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的水系連通能力相符合，而水環(huán)境凈化需求與太湖水系的現(xiàn)狀連通水平相差很大，在未來一段時(shí)間內(nèi)亦難以全部實(shí)現(xiàn).因?yàn)樘嗄昶骄牒繛?0.94×108m3，出湖水量為88.97×108m3.即使考慮“引江濟(jì)太”以來，平均每年增加10×108m3的入湖水量，總?cè)牒靠蛇_(dá)到90×108m3，而2.85×1010m3/a 的水環(huán)境凈化需水仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太湖水系連通的最大能力.即使能夠?qū)崿F(xiàn)該引水需求，還會(huì)產(chǎn)生增加湖泊外排壓力等其它水問題.造成這種現(xiàn)象的原因在于，水當(dāng)量法評價(jià)結(jié)果是基于現(xiàn)狀與規(guī)劃目標(biāo)相比較而得出的，表達(dá)了水系連通需求所需要的總水量，需要根據(jù)不同需求制定不同的連通策略.就水環(huán)境凈化而言，改善水環(huán)境、維護(hù)水生態(tài)的根本途徑在于減少污染物入湖、清淤疏浚、利用水生生物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)等方面.不同的需求以及同一種需求可以有多種連通途徑，如何利用水環(huán)境凈化需求評價(jià)結(jié)果來確定各種連通途徑的比例需要進(jìn)一步研究.

由于水生態(tài)服務(wù)功能之間具有相容性，水文化、水景觀游憩功能所占用的水量與水資源供給、水環(huán)境凈化、水生境維持、水安全調(diào)蓄這4 方面所占用水量相容[17]，國家重點(diǎn)風(fēng)景游覽區(qū)及與人體非直接接觸的景觀娛樂水體執(zhí)行地表水Ⅳ類(GB/T 3838-2002)標(biāo)準(zhǔn)，太湖水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類，滿足景觀娛樂水質(zhì)要求，故景觀娛樂及文化功能的需求水量不再重復(fù)計(jì)算.

限于資料等原因，計(jì)算時(shí)未考慮因引水而改善了水動(dòng)力條件后增加的水體自凈能力，可能使結(jié)果偏高，但總體上湖泊水域流動(dòng)性差，水體更新周期長，自凈能力較弱，基本可忽略不計(jì).

4 結(jié)論

水系連通需求隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人們對人水關(guān)系認(rèn)識(shí)的發(fā)展而變化，它最終通過各種水系連通工程來實(shí)現(xiàn)，是水系連通實(shí)踐的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力.水系連通需求的基礎(chǔ)在于水系本身所固有的能提供各種水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基本特征.運(yùn)用水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的水當(dāng)量方法可以定量評價(jià)水系連通需求的大小，該方法評價(jià)結(jié)果顯示的是水系連通的總需求.對太湖水系連通需求評價(jià)表明，水資源調(diào)配、調(diào)蓄洪水和維持生境與太湖水系連通工程的能力和水平相適應(yīng)，而水環(huán)境凈化需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出太湖水系連通的能力.需要進(jìn)一步研究改善太湖水環(huán)境的各種措施，并確定通過水系連通工程(引調(diào)水)改善水環(huán)境在滿足水環(huán)境凈化需求中的適當(dāng)比例.

水系連通需求的定量評價(jià)可為水系連通工程的類型、功能、設(shè)計(jì)規(guī)模和調(diào)度管理提供技術(shù)依據(jù).由于水利工程的運(yùn)行效果受自然水文條件和管理水平的影響，連通后的水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能往往不能完全達(dá)到預(yù)期需求，出現(xiàn)了水系連通需求不能得到完全滿足的情況，需要進(jìn)一步論證并調(diào)整連通需求，確定連通工程規(guī)模.水系連通需求的實(shí)現(xiàn)受連通能力的制約，而連通能力的大小又受自然、經(jīng)濟(jì)、科技水平等因素的影響，需要綜合考慮后才能確定.

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