生态需水量的计算 - 图文

生态需水量的计算

从狭义来讲，生态需水量是指为维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须储存和消耗的最小水量。在实际计算中，生态环境需水量分为3部分：(ａ)河流基本生态环境需水量，是指维持河流系统最基本的生态环境功能所需要的最少水量；(ｂ)河流输沙排盐需水量，指为维持河流形态和盐分的动态平衡，在一定输沙、排盐要求下所需要的水量；(ｃ)湖泊洼地生态环境需水量，指为维持湖泊洼地的水体功能而消耗于蒸发的水量。

生态需水量一般指改善生态环境质量或维护环境质量所需的水量从广义上来讲，维持全球生物地球化学平衡诸如水热平衡、源汇库动态平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡所需的最低水分消耗都是生态需水。用于河流水质保护和鱼类回游等所需的最低水量也属生态需水的范畴。对于生态环境脆弱区，生态需水应当指维护生态环境不再进一步恶化并逐渐改善所需地表水和地下水资源总量。

河流生态需水研究是在河流系统中，需要考虑的生态需水问题有：防止河道断流、湖库萎缩所需要的河道基流量；维持江河水沙平衡的最小流动水量；防止海水入侵所需的河口最小流量；改善江河水环境质量的最小稀释净化水量；维持生态系统稳定所需的河流流量；维持地下水水位动态平衡的最小补给水量。

生态需水与环境需水并不是一个概念，下面给出了各种关于生态环境需水不同意义。

生态需水是生态系统达到某种生态水平或者维持,某种生态系统平衡所需要的水量，或是发挥期望的生态功能所需要的水量，水量配置是合理的、可持续的。

生态用水是某种生态水平下所使用和发挥的水量，常常是由于自然原因，如降雨、洪水等造成水的存储或汇集，也可能是由于人为原因，如截流、引水、筑坝等形成的相关系统。这些水量未必是合理的和可持续的，多数是被动接受的水量。

生态耗水主要强调了生态系统特别是生物（植物、动物、微生物）生存消耗掉的水量，如蒸发量，需要通过水循环或径流等途径及时补给，体现了周期性和重复补给的特点。生态耗水是生态用水的重要组成部分，一般是小于或等于生态用水量。

环境需水尽管与生态需水存在着交叉和重合的部分，但从概念上来讲是两个不同的概念，应该区别对待。生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生物多样性方面，环境需水则主要体现在环境改善方面。

关于生态需水的计算国内外都发展出许多不同的方法，国外的生态需水研究开展较早，而且能得到的水文，生物，河道形状方面的资料比较全所以关于生态需水的计算方法也叫成熟。现在就对于国内外的不同生态需水计算方法进行分析。

1国外生态需水量的计算：

国外河流生态需水计算方法可分为河道内及河口两类，研究主要集中在河道内。河道生态环境需水研究可分为3个阶段：（1）20世纪60年代之前属于为河道生态环境需水理论的萌芽阶段，主要针对满足河道的航运功能进行研究，缺乏成熟的理论和方法。（2）70年代至80年代末期，此阶段河道生态环境需水及其相关概念得到人们普遍认同，开始从不同的角度对其进行系统研究，最初是根据水文历史资料进行河流流量分析，提出了一些基于水文学分析的方法，例如Tennant，后来水力学家根据河道断面参数判断河流所需流量，形成了基于水力学分析的方法，例如科罗拉多州水利局(Colorado Water Conservation Board)专家提出的R2-Cross法。以上两种方法都是从河流水文和水利学角度出发，缺乏与生物学的结合，这使得河道生态环境需水研究缺乏生态学依据，影响了方法的可信性，于是专家将水力分析与生境评价相结合，提出了基于生境适宜评价和模拟的方法，例如IFIM/PHABSIM法。(3) 90 年代之后,随着河流连续统等思想的提出,河道生态环境需水理论开始完善,原有的研究方法不断得到改进,同时又出现了一些新的研究方法其中最为突出的是南非BBM 法和澳大利亚的整体研究法(Holistic Approach ) ,特点是注重对河流生态系统整体的考虑。此外,还出现了一些其它方法,例如从流量与生物的直接关系入手进行研究的方法,从满足河流稀释、自净环境功能出发的研究方法。

国外河道内生态需水计算方法大致可以分为4类：1.历史流量法；2.水力定额法；3.生境模拟法；4.整体分析法

1.1历史流量法

历史流量法是根据简单的水文指标对河流流量进行设定,例如平均流量的百分率或者天然流量频率曲线上的保证率，常用的方法有蒙大拿法、流量历时曲线法、7Q10 法、Texas 法、NGPRP法等方法。

蒙大拿法(Tennant 法)可能是最常用的历史流量法，其解决的是水生生物、河流景观及娱乐与河流流量之间适应关系的问题。它将年平均流量的百分比作为基流，更适宜于以季节性为基础的需求。它具有宏观的定性指导意义。在美国维吉尼亚地区的河流中证实：10%的年平均流量是退化的或贫瘠的栖息地条件；20%的年平均流量提供了保护水生生物栖息地的适当标准；在小河流中，定义30%的年平均流量接近最佳生物栖息地标准。该法具有简单快速的特点,较适合于确定大河流的流量,但缺点是没有考虑到流量的季节变化,没有区分干旱年、湿润年和标准年的差异,没有考虑河流形状。

流量历时曲线法利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，以某个保证率相应的流量作为河道内流量的需求。这种方法是建立在至少20ａ的日流量记录数据的基础之上，并且对每个月作一个推荐流量。流量历时曲线法保留了仅采用水文资料的简单性，而且因为所用资料全面，它可以更好地反映了径流年际、年内分布的不均匀性。因此，它比这个分类中的其他方法更精确，然而，还不能代表流域的全部情况。

7Q10 法采用90 % 保证率下最枯连续7 天的平均水量,作为满足污水稀释功能的河流所需流量,目的是维持河流水质标准,但其常常低估河流流量需求,造成河流生态功能要求不能得到满足。国内改进的7Q10 法是将近十年最枯月平均流量或百分之九十保证率最枯月平均流量作为最小流量,这样更能适合于国内河流的生态环境需水要求。

Texas 法进一步考虑了季节变化因素, 它将50 % 保证率下月流量的特定百分率作为最小流量。该法是根据各月的流量频率曲线进行计算,其中特定百分率是以研究区典型植物以及鱼类的水量需求设定的。由于在我国缺少关于水生生物的用水量确定资料，所以对于这个特定百分率目前还没有有效的办法来确定。由于Texas 河流都属于暖水性河流,所以该法更适合于流量变化主要受融雪影响的河流,其它类型河流应用Texas 法需要对标准做进一步研究。显然此法更适用于

西北内陆地区和东北地区，那边得河流多由冰川融水补给。

NGPRP 法是将年份分为干旱年、湿润年、标准年,取标准年组90 % 保证率流量作为最小流量。其优点是考虑了干旱年、湿润年和标准年的差别,将干旱年湿润年的资料的影响消除。该方法综合了气候状况以及可接受频率因素,但缺乏生物学依据，对于特定水生生物的用水量依然未涉及，显然，次于Texas 法。但是将不同年份分开考虑从这一点来说，其考虑的比其他方法全面。

1.2水力定额法

水力定额法根据河道水力参数(如宽度、深度、流速和湿周等) 确定河流所需流量,所需水力参数可以实测获得,也可以采用曼宁公式计算获得,代表方法有湿周法、R2-Cross 法等。

湿周法的假设是：能够保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。具体过程是首先根据现场调查资料绘制湿周—流量关系图,然后确定关系曲线中湿周随流量增加所表现出的增长变化点( breakpoint ) ,最后根据该变化点确定河流推荐流量。不同河流的湿周-流量增长变化点不同,有些在最大可利用湿周的80 %之处,有些所确定流量大约是平均流量的50 % ,以 Tennant 曾研究河流为例进行验证,发现平均流量的10 % 相当于最大湿周的50 % ,平均流量的30 %接近于最大湿周。现在通常是在曲线上找曲率最大的点作为变化点。该方法适用于宽浅型河流，河道的形状影响该方法的分析结果。

R2-Cross法具有和湿周法相同的假设。对于一般的浅滩式河流栖息地，如果将河流平均深度、平均流速和湿周长度作为反映生物栖息地质量的水力学指标，且在浅滩栖息地能够使这些指标保持在相当满意的水平上，那么也足以维护生物体和水生生态环境健康。该法确定最小生态需水量具有两个标准：一是湿周率，二是保持一定比例的河流宽度、平均水深以及平均流速等。R2-Cross法以曼宁公式为基础，根据一个河流断面的实测资料,确定相关参数,并将其代表整条河流。

与历史流量法相比，水力定额法包含了更多更为具体的河流信息，且只需要进行简单的现场测量，不需要详细的物种-生境关系数据，数据容易获得。然而

这类方法忽视了流量的季节变化，未能考虑河流中具体的物种或生命阶段的需求。同时，该类方法假定河道在时间尺度上是稳定的，并且所选择的横截面能够确切地表征整个河道的特征，而实际情况并非如此。

1.3栖息地定额法

栖息地定额法包括有效宽度(ＵＷ)法、加权有效宽度(ＷＵＷ)法、河道内流量增加法(IFIM/PHABSIM)等

其中IFIM/PHABSIM 应用最为广泛,这里以该法为例进行介绍。IFIM/ PHABSIM 法是利用水力模型预测水深、流速等水力参数,然后与生境适宜性标准相比较,计算适于指定水生物种的生境面积。其中IFIM是指河道内流量的研究部分,要考虑的因素有流量状态、河道结构、水温、水质和水面高度、流速、基质、河面覆盖前四个是从大生境方面考虑后四个是从微生境方面考虑。该方法中的PHABSIM 模型是IFIM中的微生境模拟和评价模型，它也是IFIM法的核心。 PHABSIM 模型首先将河道断面分隔成间隔为w 的n 个部分, 确定每个部分的平均垂直流速( vi) ,水位高程( hi) 、基质属性( si) 和河面覆盖类型( ci) 等。然后, 调查分析指示物种对这些参数的适宜要求,绘制环境参数的适宜性曲线,根据该曲线确定每个分隔部分的环境喜好度, 即水位喜好度( S h) 、流速喜好度( S v ) 、基质喜好度( Ss) 、河面覆盖喜好度( Sc) ,它们都被表示为0 ～ 1 之间的值。最后,根据公式(1) 计算每个断面、每个指示物种

的总生境适宜性, 将其称作权重可利用面积( WUA ) ,其中Ai作为宽度为w ,长度为两个相邻断面距离的每个单元的水平面积。

WUA??A i (Sh?Sv?Ss?Sc ) i

i?1n重复计算不同流量下的WUA ,绘制成WUA流量曲线,它能显示出流量变化对指示物种的某个生活期的影响,代表性曲线在低流量处具有一个最大值,其常作为水资源规划的依据而使用。该法是基于以下假设建立: ①水深、流速、基质和覆盖物是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素；②这些因素相互影响,共同确定河流微生境条件；③河床形状不随流量变化而改变； ④WUA 与物种数量之间存在一定比例关系。