丁 偉,蘭 林,苗令占,黃喻威,蘇永濤,邵寧子,侯 俊*
(1.合肥供水集團(tuán),安徽 合肥 230011;2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室,江蘇 南京 210029; 3.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)
環(huán)境流量(Environmental Flow)是指維持河流、湖泊、河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境健康的河道內(nèi)流量和水文過程,以及保持河流健康前提下和生態(tài)服務(wù)價(jià)值[1],符合一定水質(zhì)、水量和時(shí)空分布規(guī)律要求的河流水流體制(《布里斯班宣言》,2017)[2]。自環(huán)境流量發(fā)展以來,出現(xiàn)了多種相關(guān)概念和定義,例如生態(tài)基流[3]、河道內(nèi)流量[4]、生態(tài)用水[5-6]等,本文所指的環(huán)境流量是指維持河流自然功能和社會(huì)功能所需要的水量。目前,研究主要集中于河流生態(tài)系統(tǒng)中特定流量組分和生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的協(xié)調(diào)關(guān)系,旨在幫助河流恢復(fù)自然水文情勢(shì),逐漸恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)完整性[7]。目前,有關(guān)環(huán)境流量的計(jì)算方法主要分為以下幾類:水文法[8-9]、水力法[10]、棲息地模擬法[11-12]、整體法[13]。水文法和水力法具有指標(biāo)明確、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn),但難以確定環(huán)境流量與保護(hù)目標(biāo)的生態(tài)響應(yīng)關(guān)系;棲息地模擬法雖然能確定環(huán)境流量與保護(hù)目標(biāo)的關(guān)系,但其僅針對(duì)特定物種;整體法能較全面地考慮整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的用水需求,通過研究流量與水文、水力、生物等因素的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)合多種工具和方法計(jì)算出環(huán)境流量。整體法中具有代表性的方法包括以下幾種:BBM[14]、DRIFT法[15]、ELOHA法[16]、整體評(píng)價(jià)法[17]。近年來,BBM在南非、澳大利亞、英國(guó)等國(guó)家應(yīng)用廣泛,然而,在中國(guó)鮮有報(bào)道。因此,本文擬對(duì)BBM的概念內(nèi)涵、框架流程、應(yīng)用案例進(jìn)行詳細(xì)介紹,以期為其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用提供參考和借鑒。
結(jié)構(gòu)單元法英文名稱為“Building Block Methodology”,其中“Block”可理解為“塊”或“單元”,是由南非和澳大利亞聯(lián)合開發(fā)的用于評(píng)估環(huán)境流量的自下而上的整體法,主要關(guān)注各個(gè)目標(biāo)和過程的綜合實(shí)現(xiàn)[18]。首先對(duì)河流面臨的主要問題進(jìn)行分析,然后為不同的目標(biāo)確定不同的環(huán)境流量指標(biāo),最后將各部門的環(huán)境流量進(jìn)行綜合,構(gòu)建整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境流量。結(jié)構(gòu)單元法主要分為3個(gè)階段,即研討會(huì)前、研討會(huì)期間、研討會(huì)后[14],首先在研討會(huì)前各學(xué)科的專家通過一系列結(jié)構(gòu)化的活動(dòng)來收集最佳的可用資料;然后,在研討會(huì)上專家對(duì)這些資料進(jìn)行解釋、討論,就推薦的環(huán)境流量達(dá)成共識(shí);最后,形成推薦的流量方案并提供相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案[19]。
結(jié)構(gòu)單元法的核心思想就是依照科學(xué)基礎(chǔ)和實(shí)際需要將整個(gè)研究區(qū)域的研究對(duì)象和影響因素準(zhǔn)確劃分為一個(gè)個(gè)“塊”,然后探尋各個(gè)不同影響因素的“塊”與每一個(gè)研究對(duì)象之間的關(guān)系,最后對(duì)整個(gè)研究區(qū)域擬定一個(gè)合理的環(huán)境流量方案[18]。因此,想要更好地運(yùn)用該方法,就必須要準(zhǔn)確地理解“塊”的含義??梢詫⑦@些“塊”定義為對(duì)水質(zhì)和水量具有不同需求的各個(gè)單位,也可以定義為某一物種的不同生命階段或某一需水單位的不同水文時(shí)期,還可以是不同的影響因素。例如,挪威的Suldalsl?gen河在應(yīng)用BBM來設(shè)定環(huán)境流量時(shí),首先將一些主要關(guān)注的生物因素劃分為不同的“塊”[20],分別包括:鮭魚遷移期、鮭魚產(chǎn)卵期、幼魚上游期、成魚生長(zhǎng)期、產(chǎn)卵和養(yǎng)殖生境質(zhì)量、水生植物的組成和生物量等;接著,在考慮一些外在因素對(duì)每個(gè)研究對(duì)象的影響作用時(shí),又將不同的影響因素劃分為不同的“塊”,主要包括:氣候條件、水文條件、水質(zhì)條件、水力條件等;最后,探尋出各個(gè)不同影響因素的“塊”與每一個(gè)研究對(duì)象之間關(guān)系,在此基礎(chǔ)上根據(jù)這些關(guān)系擬定合適的環(huán)境流量方案。
研討會(huì)前的工作框架(圖1)主要分為3個(gè)部分:任命研究協(xié)調(diào)員、劃分研究區(qū)域、在每個(gè)站點(diǎn)收集相關(guān)資料。
根據(jù)衛(wèi)星圖和航拍視頻獲得的信息,按照Rowntree、Wadeson的基本方法[21]將河流劃分為不同類型的研究區(qū)域。在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行一系列工作時(shí),可按照以下規(guī)則進(jìn)行:①進(jìn)行生境完整性評(píng)估時(shí),可將視頻記錄中的信息與流域最新信息、水質(zhì)信息、河流生物群等信息相結(jié)合,運(yùn)用Kleynhans[22]關(guān)于棲息地完整性評(píng)級(jí)的方法進(jìn)行評(píng)級(jí);②結(jié)合航拍視頻信息、已有的地貌特征信息以及動(dòng)植物信息確定站點(diǎn),所選擇的站點(diǎn)應(yīng)具有高度代表性、易于訪問、便于后期監(jiān)測(cè)等特點(diǎn);③建議采用Nelson、Wright[23]提出的標(biāo)準(zhǔn)參與式技術(shù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行社會(huì)調(diào)查。首先通過訪問調(diào)查確定具有代表性的村莊,接著在已確定的村莊識(shí)別出所用河流資源的位置并確定資源用戶以及每種資源相對(duì)重要性的優(yōu)先級(jí)順序,最后可通過Veen圖確定資源與流量之間的關(guān)系(圖2);④通過考慮和推測(cè)一些河流特征,使用Kleynhans模型[24]評(píng)估河流或河段的生態(tài)重要性;⑤根據(jù)河段的生態(tài)重要性評(píng)估,專家之間進(jìn)行討論并聽取利益相關(guān)者給出的意見,最后各方就生態(tài)管理級(jí)別應(yīng)達(dá)成共識(shí)。Veen圖表示各資源與高流量之間的關(guān)系。圓形的大小表示資源的豐富度,直線距離表示資源對(duì)流量的依賴程度。
圖1 研討會(huì)前的工作流程框架
圖2 Veen圖
第三部分主要是在每個(gè)研究站點(diǎn)收集水文、水力、地貌特征、生物等資料,為研討會(huì)期間的討論提供理論依據(jù)。
a)水文學(xué)研究。收集研究站點(diǎn)觀測(cè)的水文資料,通過已有資料為每個(gè)站點(diǎn)建立合適的每日時(shí)間序列并生成有關(guān)河流特征的圖表,從而推斷出流量與水文特征的關(guān)系。
b)水力學(xué)研究。在已選擇的站點(diǎn)確定合適的橫截面,接著可使用速度面積法或稀釋技術(shù)測(cè)量橫截面的流量[25],并為每個(gè)橫截面建立階段流量關(guān)系,最后對(duì)收集到的橫截面和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或建模(可以使用Birkhead、James[26]描述的方法)以推導(dǎo)出水力參數(shù)和流量的關(guān)系。
c)地貌特征研究。對(duì)流域有關(guān)資料進(jìn)行審查,確定流域內(nèi)主要的沉積物來源,接著可采用Rowntree和Wadeson提出的方法[21](具體過程如下:利用GIS軟件獲取地形圖數(shù)據(jù),然后從地圖中識(shí)別河流的路線,并標(biāo)記所有輪廓交叉點(diǎn),然后將河道的長(zhǎng)度數(shù)字化,標(biāo)記每個(gè)輪廓與節(jié)點(diǎn)的交點(diǎn)。2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的河道長(zhǎng)度被指定為弧,利用軟件程序?qū)∵M(jìn)行數(shù)字化處理,包括每個(gè)弧、標(biāo)簽和長(zhǎng)度。然后利用這些數(shù)據(jù)以繪制出河段,最后根據(jù)河段特征劃分成不同研究區(qū)域。)或傳統(tǒng)的地圖分析方法來研究河道梯度,通過河道梯度來表征河道形態(tài)的變化,最后結(jié)合航拍照片和水文記錄資料評(píng)估河道的長(zhǎng)期變化,從而建立地貌特征與流量之間的關(guān)系。
d)河流的水質(zhì)研究。調(diào)查河流流量和水質(zhì)的關(guān)系以及水生生物群對(duì)水質(zhì)變化的耐受性。先收集相關(guān)資料,然后評(píng)估數(shù)據(jù)集的完整性、季節(jié)性趨勢(shì),并與預(yù)期的天然水質(zhì)進(jìn)行比較,表明水質(zhì)的變化狀況。接著,通過檢查每個(gè)變量在水文循環(huán)期間如何變化,從而推斷出流量與水質(zhì)變量之間的關(guān)系。
e)河流生態(tài)系統(tǒng)中的生物研究。①植物研究:收集每個(gè)區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)集(土壤特征、坡度、形狀等),尋找植被特征與棲息地特征之間的關(guān)系,進(jìn)而分析引起植被變化的主要原因,最后預(yù)測(cè)植被如何隨著水文情勢(shì)的變化而變化。②無脊椎動(dòng)物研究:先收集無脊椎動(dòng)物數(shù)據(jù),接著使用SASS4將無脊椎動(dòng)物識(shí)別為更詳細(xì)的分類級(jí)別[27]。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),描述無脊椎動(dòng)物的變化,從而推斷出無脊椎動(dòng)物與流量之間的關(guān)系。③魚類研究:收集魚類及其棲息地與流量相關(guān)的信息——記錄每只被捕獲魚類的物種、生命階段、棲息地以及覆蓋物的詳細(xì)信息。對(duì)魚類數(shù)據(jù)和相關(guān)生態(tài)條件數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,推斷出魚類各生命階段與流量之間的關(guān)系。
f)研究區(qū)域的地下水研究,收集所有可用的地下水資料(包括現(xiàn)有資料、報(bào)告和地圖),并實(shí)地調(diào)查地下水水文信息。
最后,將上述研究過程匯編成報(bào)告文件,以供后續(xù)研討會(huì)期間使用。
協(xié)調(diào)員在研討會(huì)之前制定研討會(huì)工作框架,該計(jì)劃主要向各位參與者介紹他們?cè)谘杏憰?huì)期間應(yīng)做什么,主要分為4個(gè)部分(圖3):現(xiàn)場(chǎng)訪問、資料分析和討論、設(shè)定環(huán)境流量需求、完成研討會(huì),其中設(shè)定環(huán)境流量需求為核心工作內(nèi)容。
圖3 研討會(huì)期間工作流程
河流生態(tài)系統(tǒng)在不同時(shí)期對(duì)環(huán)境流量的需求不同,主要為枯水期和豐水期推薦環(huán)境流量。對(duì)于枯水期,首先參考水文記錄,選擇具有最高和最低自然基流的2個(gè)月,再確定這2個(gè)月中每個(gè)月的推薦低流量值,接著由水文學(xué)家根據(jù)水文記錄,估算每個(gè)其他日歷月的低流量值。對(duì)于這2個(gè)已確定月的低流量值,每個(gè)專家都需要記錄流量應(yīng)滿足的水力條件以及需要這些條件的原因。最后,專家需要根據(jù)水文記錄來檢查每個(gè)月的低流量是否符合實(shí)際。對(duì)于豐水期,建議采用一些高流量——基于自然水位線的推薦洪水(小型、中型和大型洪水),這些高流量以瞬時(shí)峰值、持續(xù)時(shí)間、重現(xiàn)期來描述,最終水文學(xué)家通過其與自然水文情勢(shì)的比較,以確保高流量要求符合實(shí)際。最終確定的環(huán)境流量不僅要考慮專家意見,還要結(jié)合利益相關(guān)者對(duì)環(huán)境流量的需求,在整個(gè)研討會(huì)期間,要加大利益相關(guān)者的參與程度,以保證最終推薦的環(huán)境流量需求更符合實(shí)際情況。對(duì)于那些被認(rèn)為最重要的BBM站點(diǎn),可以采用IFR模型[28]對(duì)流量需求進(jìn)行校準(zhǔn),生成最終推薦的環(huán)流流量。
各學(xué)科專家(水文學(xué)、水力學(xué)、地貌形態(tài)學(xué)、生態(tài)學(xué)等)審閱研討會(huì)的報(bào)告,并選用合適的模型或方法來進(jìn)行校準(zhǔn),以生成一個(gè)具體的實(shí)施方案。接著,專家為建模人員提供環(huán)境流量需求結(jié)果,建模人員以此評(píng)估環(huán)境流量需求是否可滿足實(shí)際發(fā)展,若所建議的環(huán)境流量方案不可行,則需要建模人員和各專家通過改變各流量組件的大小、頻率、持續(xù)時(shí)間等來修改和編寫合適的方案。水資源管理者運(yùn)用合適的模型來解釋河流生態(tài)系統(tǒng)中的自然流量和各種用水,并確定合適供水量。
最后,各專家針對(duì)自己的研究?jī)?nèi)容制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)計(jì)劃。例如,對(duì)于河流截面水力學(xué)的監(jiān)測(cè)分為2個(gè)階段,首先建立基線條件,接著進(jìn)行監(jiān)測(cè)來了解基線條件的變化。對(duì)于河流地貌形態(tài)的監(jiān)測(cè)要依據(jù)不同的問題設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)頻率和方法,如需要了解推薦的流量是否達(dá)到與形態(tài)特征相關(guān)的要求,則需要在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置記錄器并連續(xù)監(jiān)測(cè)。
印度的Sri Ram Sagar水庫(kù)是一個(gè)應(yīng)用BBM來均衡水庫(kù)水量合理分配的案例,同時(shí)它也是印度第一個(gè)使用BBM的案例[29]。Sri Ram Sagar水庫(kù)上游流域面積為91 751 km2,水庫(kù)表面積453 km2,水庫(kù)通過3條運(yùn)河為39萬hm2的農(nóng)業(yè)用地提供灌溉作用,并為附近地區(qū)提供飲用水和水力發(fā)電。該地區(qū)的種植模式主要為需水農(nóng)作物,包括水稻、玉米和花生等。因受到氣候變化的影響,水庫(kù)的水在平水期和枯水期難以合理分配,因此,為了權(quán)衡各利益相關(guān)者的水量需求,選擇使用BBM來解決水分配問題。在該研究中,首先將研究對(duì)象分為以下幾個(gè)“塊”,主要包括:飲用水供應(yīng)、工業(yè)用水需求、灌溉、電力生產(chǎn);接著在已定義好的“塊”中又將不同影響因素分為各個(gè)“塊”,包括平水年、枯水年、豐水年、灌溉技術(shù)、植被種類、人口增長(zhǎng)、城市化程度等;最后探尋出不同影響因素的“塊”與每個(gè)研究對(duì)象“塊”之間的關(guān)系以及不同研究對(duì)象“塊”之間的水量需求關(guān)系,并依據(jù)此關(guān)系建立合理的流量修改方案。該實(shí)際應(yīng)用中BBM的流程框架見圖4。
圖4 Sri Ram Sagar水庫(kù)運(yùn)用BBM進(jìn)行流量分配的工作流程框架
研討會(huì)之前,首先依據(jù)實(shí)際需要確定研究區(qū)域——Sri Ram Sagar水庫(kù)及其下游區(qū)域。接著研討會(huì)組織者通過專家判斷和模型模擬來收集相應(yīng)的數(shù)據(jù),并根據(jù)實(shí)際情況篩選出Sri Ram Sagar水庫(kù)水分配過程中的利益相關(guān)者,涉及飲用水供應(yīng)、工業(yè)用水需求、灌溉、電力生產(chǎn)等方面。然后,各專家(包括水文專家、生態(tài)學(xué)專家、生物專家)進(jìn)行實(shí)地考察,不僅要評(píng)估所收集資料和所篩選的利益相關(guān)者是否合理,還要充分了解研究區(qū)域內(nèi)的基本情況,包括經(jīng)濟(jì)(經(jīng)濟(jì)收入情況)、社會(huì)(對(duì)水資源管理的策略以及關(guān)注度)、歷史信息(以前是如何應(yīng)對(duì)洪水和干旱)以及當(dāng)?shù)鼐用袢绾慰创磥須夂驐l件的影響等。
研討會(huì)期間,首先向各位參與者闡明本次研討會(huì)的目標(biāo)以及相應(yīng)的規(guī)則,該規(guī)則包括所有參與者均能自由表達(dá)自己對(duì)水的需求、所期望的目標(biāo)以及參與者應(yīng)能接受其他的表達(dá)需求;接著介紹研究區(qū)域的特征;最后,介紹BBM法的基本思想和工作流程。第一次全體會(huì)議之后,由來自各部門的參與者組成若干個(gè)小組,結(jié)合之前收集的資料討論水的需求(最佳流量需求和最小流量需求)。在討論過程中,應(yīng)考慮每個(gè)月對(duì)水的需求(包括豐水年、干旱年、平水年)以及這些需求中的一些不確定性。第一次小組討論結(jié)束后,召開第二次全體會(huì)議,會(huì)議期間主要介紹第一次小組討論的結(jié)果并評(píng)估結(jié)果的合理性和科學(xué)性。接著,進(jìn)行第二次小組討論,主要針對(duì)水庫(kù)的儲(chǔ)存量以及未來的用水情況。然后,召開第三次全體會(huì)議,對(duì)第二次小組討論結(jié)果進(jìn)行分析,并就前兩次的討論結(jié)果達(dá)成一致性,最后對(duì)整個(gè)研討會(huì)過程進(jìn)行總結(jié)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。
有關(guān)水庫(kù)儲(chǔ)水量與未來用水的討論結(jié)果見圖5。圖5顯示了Sri Ram Sagar水庫(kù)中在不同年份的不同需求條件下水儲(chǔ)存量變化情況。這些情況是基于水庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)和研討會(huì)工作提出的需求,用以說明研討會(huì)期間潛在的水分配問題,為研討會(huì)期間討論水分配策略和平衡水需求提供基礎(chǔ)。
a)正常年份
b)干旱年份
研討會(huì)之后,將所得結(jié)果生成報(bào)告,分發(fā)給各利益相關(guān)者并征求他們的意見,接著參考利益相關(guān)者的反饋意見來為管理者提供有效的管理政策。
Sri Ram Sagar水庫(kù)水分配結(jié)果見圖6。為了讓利益相關(guān)者能容易地根據(jù)實(shí)際情況提供用水需求的估計(jì),定義了十年內(nèi)灌溉、飲用水和水電的最佳流量需求和最低流量需求。其中,灌溉用水的需求分別考慮了所種植的植物以及地下水所提供的灌溉水比例等因素,最終設(shè)定每月最低需求為最佳需求量的80%,且由于灌溉技術(shù)以及管理手段的提升,未來灌溉用水需求會(huì)有所下降;飲用水的需求考慮了人口增長(zhǎng)、城市化程度以及管道損失等因素,按照人均消耗量進(jìn)行計(jì)算,最終推算出飲用水需求會(huì)逐年增加;鑒于最近幾年沒有新的水電計(jì)劃,所以水電用水需求按照原有最大發(fā)電量和最小發(fā)電量計(jì)算,基本沒有什么變化。
a)現(xiàn)在
b)將來
挪威為了改善Daleeleva河依賴于靜態(tài)水文情勢(shì)的機(jī)制,選擇使用BBM法來開發(fā)具有3個(gè)級(jí)別(低、中、高流量分別代表干旱、正常、豐水年份)的環(huán)境流量方案[20]。Daleelva河位于挪威西部地區(qū),流域面積為172 km2,河流系統(tǒng)中有多個(gè)水庫(kù)和4個(gè)發(fā)電廠。研究區(qū)域包括4個(gè)水電站,河流中主要的魚類物種為溯河而上的大西洋鮭魚和褐鱒。
首先收集了Daleeleva河的水溫、河流類型、水力以及水電站的信息,并將鮭魚的各個(gè)生命階段定義為每個(gè)“塊”,包括冬季流量、產(chǎn)卵、孵化、上游、幼魚成長(zhǎng)、幼魚向下游遷移、成魚向上游遷移和捕撈鮭魚等階段;接著,專家結(jié)合收集的信息以及有關(guān)文獻(xiàn)基于自然流量的標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)“塊”分配最大和最小流量值,分配結(jié)果見圖7。最后,結(jié)合利益相關(guān)者的利益制定出3種確定環(huán)境流量的方法。根據(jù)挪威水電公司通常每天對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行一次10 d的入流預(yù)測(cè),第一種選擇是根據(jù)這些預(yù)測(cè)值確定環(huán)境流量;第2種選擇是根據(jù)系統(tǒng)最近5~7 d所觀察到的平均流量來確定環(huán)境流量;第3種方法是在不受管制的支流中建立一個(gè)水位計(jì),然后用它來判斷是否正處于豐水期、平水期或枯水期,并據(jù)此確定環(huán)境流量。
a)干旱年
b)正常年
c)潮濕年
結(jié)構(gòu)單元法是一種全面的、系統(tǒng)的方法,該方法針對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)所有組成部分的健康問題(結(jié)構(gòu)和功能),通過對(duì)研究對(duì)象和影響因素建“塊”,并探尋“塊”之間關(guān)系,建立確定環(huán)境流量值的依據(jù),從而提升環(huán)境流量評(píng)估的系統(tǒng)性和科學(xué)性。目前,結(jié)構(gòu)單元法已在南非、澳大利亞、挪威以及英國(guó)等國(guó)家廣泛使用,可為中國(guó)更加全面、系統(tǒng)、科學(xué)地評(píng)估河流環(huán)境流量提供一種可行的方法。但是,結(jié)構(gòu)單元法仍然存在一些缺陷,需要在使用過程中不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改善。
a)缺乏生態(tài)系統(tǒng)的知識(shí),以至于無法為關(guān)鍵的生態(tài)階段分配流量值。
b)水文-生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)關(guān)系存在很多的未知性,即使知道水文-生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系,也難以劃分生態(tài)狀況的級(jí)別。因此,這會(huì)影響所推薦的環(huán)境流量值的準(zhǔn)確性。
c)河流的水文情勢(shì)處于不斷變化的狀態(tài),為一個(gè)動(dòng)態(tài)流量值確定管控制度是困難的。
d)研究成本高,耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),所需的資料復(fù)雜且難以收集。
e)利益相關(guān)者參與程度不高,以致該方法實(shí)際應(yīng)用效果不盡理想。