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淮河流域系统开展生态需水研究的现状与趋势分析

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热度105票 浏览26次 时间:2015年5月09日 15:38

4a1b%A^3tV1lu0作者:水艳 李丽华 喻光晔水利新闻6o#Lq"{#?#md

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淮河流域地处我国的南北气候过渡带,流域面积27 万m2。干流以北地区天然基流缺乏,时空分布不均;流域内支流众多,分布有大量湖泊、洼地,是河湖并存的典型流域水生态系统。目前,淮河流域大部分区域水生态系统存在无节制的过度开发,水生态系统健康存在着不同程度的问题。研究流域生态需水问题已经成为维系河湖生态系统健康运行的关键工作。

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#SoW f Zyt0结合国内外生态需水研究的发展过程,本文在总结淮河流域系统研究流域生态需水现状的基础上,提出近期淮河流域生态需水急需研究的热点和趋势,以期为进一步的生态需水合理配置提供参考。

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一、国内外生态需水研究的发展过程水利新闻'c5Km(^2y;lK \

#}0d {P?!\(f9rB g0生态需水量是指为了最大程度地改善天然生态系统和维持生态系统的完整性,并且保证天然生境的生物多样性时所需的水量。该概念是Gleick在1996 年提出的,但是关于生态需水的研究从20 世纪40 年代就开始了。目前,美国、南非、澳大利亚、日本等国对生态需水的研究已经较为成熟,而我国对于生态需水研究起步较晚。

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C(c n)`2l {)~.LE9{01.国外研究

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国外生态需水研究始于20 世纪40 年代,70 多年的研究大致经历了三个阶段。

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$| p)g-QzGS0(1)相关概念提出。20 世纪40 年代,美国渔业与野生动物保护协会围绕鱼类生长繁殖与河流流量关系进行了研究,并首先提出了“In-stream Flow Requirement”的概念——避免河流生态系统退化的河流最小生态流量。这一时期还没有明确形成河流生态需水的概念,但一些关于流量补偿的规定开始制定并实施。水利新闻 I/Ts ~GI(dG)f?

KQW9V0u s$Rj ?W2F8a0(2)生态流量定量研究。20 世纪五六十年代,出现了关于河流生态流量的定量研究和基于过程的研究。一些早期工作建立了流量和流速、鲜鱼、大型无脊椎动物、大型水生植物的联系。在此期间,河流生态学家将注意力集中在能量流、碳通量和大型无脊椎动物生活史方面。随后,国外学者对印度和孟加拉的布拉马普特拉河流域(1960 年)、巴基斯坦的印度河流域(1968 年)和埃及尼罗河工程(1972年)进行了重新评价和规划。20 世纪70~80 年代,美国、澳大利亚、南非、法国和加拿大等国家针对河流生态系统,比较系统地开展了关于鱼类生长繁殖、产量与河流流量关系的研究,提出了一些计算和评价方法,取得了初步性研究成果。水利新闻 q4J)\)o"HV%S\qo

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(3)生态系统整体分析。90 年代以后,通过水资源和生态环境的相关性研究,生态需水量研究正式成为全球关注的焦点问题之一,河流生态需水概念被明确提出。研究对象也由过去仅关心的物种(如鱼类和无脊椎动物等)及河道物理形态的研究,扩展到维持河道流量的研究,包括最小流量和最适宜流量,而且还考虑了河流生态系统的整体性,其研究方向也不再局限于河流生态系统,已扩展到了河流外生态系统。此时,陆续出现了一些新的研究方法,如BBM 法、整体分析法以及基于河道流量与水生物生境关系的模型模拟法等。

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8h!x`D/{/QY0国内关于河流生态需水的研究始于20 世纪70 年代,主要集中在河流最小流量的确定。

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20 世纪80 年代,针对河流断流、水污染严重等问题,国务院环境保护委员会在《关于防治水污染技术政策的规定》中指出:在水资源规划时,要保证为改善水质所需的环境用水,其研究主要集中在宏观战略方面,对如何实施、管理仍处于探索阶段。这一时期,针对中国北方流域出现的水资源短缺现象,学者们在探讨生态需水概念的同时,对河流、植被、湿地、湖泊等生态系统的生态需水量展开了大量研究,并相继提出一些理论。刘昌明根据流域水资源开发利用与生态需水的关系,提出了生态水利的“四大平衡”原理(水热平衡、水盐平衡、水沙平衡、水量平衡),并探讨了“三生”用水(生活、生产与生态)之间的共享性。水利新闻b2NN e*j"t

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20 世纪90 年代,由于西北内陆地区生态环境恶化,生态问题突出,首先开始了对西北干旱、半干旱区生态需水研究。国家“九五”科技攻关项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护”对干旱区生态需水进行了系统研究,提出了针对干旱区特点的生态需水计算方法,并于2003 年出版了该项目的系列专著,从此揭开了我国生态需水研究的序幕。之后,黄淮海平原区河道断流、河道淤积、地下水大面积超采、河流入海口淤积、海水入侵、河流污染等问题引起了人们的关注,开始了黄淮海平原地区河流湖泊生态需水的研究。水利新闻hR j? G,]s:]

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21 世纪以来,国内河流生态需水研究不断成熟,国家科技攻关项目“中国分区域生态用水标准研究”构建了生态用水标准基数分析体系,提出了北方半湿润半干旱地区四大流域生态需水特征值以及不同发展阶段的生态用水控制指标。基于遥感和地理信息系统技术,结合水资源计算理论和植被生态理论研究了区域生态需水量。水利部重点项目“北方地区最小生态环境需水量研究”对黄淮海平原水生态系统恢复需要的生态用水进行了研究。在南水北调水资源配置、水利与国民经济协调发展等项目,以及新的全国水资源规划中,都将生态需水作为供需平衡必须考虑的内容。杨志峰等对生态需水进行了较为系统的分析,从概念界定等理论出发,探讨了各种生态系统生态需水计算和等级划分方法,并且以黄淮海地区为研究案例,出版了我国第一部生态需水专著。水库的建设和运行过程中更多的强调了生态调度的重要性,如乔晔等详细介绍了三峡水库生态调度实践及存在的不足;郜国明等针对当前小浪底水库运行引起的生态环境问题,提出小浪底水库生态调度的内涵、目标和措施。同时,一些学者在生态需水量模型方面也进行了深入研究,如刘静玲等构建了河流生态流量计算模型,李凤清等建立了我国第一个基于长系列野外现场实测数据的水生生物栖息地适合度模型。水利新闻&W$` uf2Un*y

*]%q&H;r$A~b-Wb9n0二、淮河流域系统研究流域生态需水的现状

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淮河流域系统研究生态需水的成果主要包括《淮河流域综合规划》《淮河流域生态用水调度研究报告》《淮河流域水资源保护规划》等,这些研究成果采用不同的计算方法对淮河流域河道重要控制断面的生态需水进行计算。水利新闻(Tn U:Y&Lzk]

eiw@!^,V2k0从淮河流域水资源配置的角度出发,《淮河流域综合规划》提出了水资源与生态保护控制指标,即淮河流域重要河流和湖泊最小生态流量或水位,范围包括淮河干流、涡河、沂沭河、洪泽湖、南四湖的10 个断面和湖泊。该研究成果计算生态需水采用的方法是水文学法中的Tennant 法。

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《淮河流域水资源保护规划》在《淮河流域综合规划》的工作基础上,选取20 个重要水文控制断面、重要大中型水利枢纽控制断面作为河流生态基流控制断面,涉及14 条河流,涵盖了淮河干流及其主要支流,采用水文学法进行生态基流的计算,淮河干流和淮河以南地区水量相对丰沛,非汛期按多年平均流量的6%,汛期按多年平均流量的12%;其他地区考虑水资源比较短缺,非汛期按多年平均流量的3%,汛期按多年平均流量的10%。水利新闻w0Te.yti_0S

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《淮河流域生态用水调度研究报告》结合淮河流域的水量、水质及水生态现状,提出了“淮河法”来计算河道的最小生态需水量。首先根据河流的天然来水量将河道分级,不同的河道级别得出不同的生态流量标准值,然后从生物保护目标要求、水力学要求、水质要求等多方面进行校核,以确保生态需水量的合理性。该研究成果计算了流域27 个控制断面的最小生态需水量。

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三、淮河流域生态需水进一步研究的热点和趋势

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Q!q#MP4D/_;f0结合国内外生态需水的研究进展以及淮河流域系统研究生态需水的现状,总结近期和未来淮河流域生态需水的研究重点有以下几个方面:水利新闻s {;K ~0Vr

z5s&n*_n5x,h3[01.充分考虑生态流量确定的动态性和耦合性

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5`y_x_\*J{0河流生态流量不是一个定值,而是一个随着季节、时段、河段的不同而发生变化的动态值,同时也与生态环境保护的目标密切相关。目前的生态需水量多侧重于单项研究,而且在区域需水总量计算中,各项简单相加减并不能解决交叉重复水量问题。因此,今后在对植物和动物水分需求机理深入了解的基础上,应研究生态系统受水分胁迫最大的时段和在这一时段生态系统对水分需求的特性;同时,应把流域生态系统作为一个有机整体,研究水在各生态系统的循环状况、循环机理,建立生态需水量耦合模型,合理地定量分析流域生态需水量以增加生态需水计算的实用价值。另外,还应该明确研究的时间尺度和空间尺度,加强水量和水质的耦合研究。水利新闻9K q bh3?~cHP$_

4k9Q|:K D{02.建立生态需水评价指标体系水利新闻o a1n(R6D!C

D-byBa,Om f0目前,各地开展河流生态需水研究时,由于缺乏可参考的评估标准,需水量的确定往往偏重计算方法的讨论与完善,多以Tennant 法推荐的流量百分比作为评价标准,难以反映实际情况,不能准确检验计算结果的合理性。因此,急需进行大量的野外试验,建立符合淮河流域生态系统可持续发展的生态需水评估标准,即建立生态需水与生物多样性、生境多样性和生态系统健康状况相关联的指标体系。水利新闻t/t)x\s?d

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3.深入多方法耦合及3S 等新技术在生态需水量化中的应用

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国内现有生态环境需水量化方法均存在不同程度的缺陷,尚未形成统一和成熟的适宜我国生态环境建设的量化方法。因此,可以考虑将各种方法进行合理的耦合,取长补短。如有学者提出水文—水力耦合方法。另外,对于新技术(如人工智能、3S 技术等)的应用较少,今后应根据淮河流域社会经济发展状况、生态环境状况和水资源的自然、社会属性,循着可持续发展方向,进一步加强GIS 和遥感技术在测量与计算生态环境需水量相关数据方面的应用,研究适合于不同对象、时段及要求的生态环境需水量化方法。

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WR"_2P3O ?04. 生态需水量与经济需水的合理配置研究

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5E*s%[XU%TqmG0研究生态需水的目的是维持生态系统的良性循环,而在水资源短缺的条件下,生态需水往往被经济需水挤占,因此在可持续的水资源系统中如何实现生态需水与经济需水的协调,满足单位产值的水资源消耗最小,生态服务最大,是今后研究的重点。

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