【摘要】 本研究在收集分析國內外有關生態環境需水研究進展的基礎上, 緊密結合黃河水環境和水生態特點, 界定了黃河生態環境需水量的內涵和組成。對寧蒙(下河沿—頭道拐) 、龍三(龍門—三門峽)和下游3個重要河段的河道生態需水量、環境需水量計算方法及生態需水量、環境需水量耦合等問題進行了研究, 提出了黃河干流10個重要水文斷面的適宜生態環境水量和最小生態環境水量。
【關鍵詞】生態需水量; 環境需水量; 水質目標; 河道溼地; 耦合研究; 黃河
黃河是中華民族的母親河, 是我國西北、華北地區最大的供水水源, 以其佔全國河川徑流2%的有限水資源, 承擔着本流域和下游佔全國15%耕地面積引黃灌溉、12%人口及50多座大中城市的供水任務。
近20年來, 隨着流域經濟社會的快速發展, 黃河水資源的過度開發以及日益增加的污染排放量, 致使流域水資源的供需矛盾和水污染問題愈加突出, 也導致了諸如河道頻繁斷流、河槽萎縮、水質惡化、魚類產卵場退化、河口溼地面積萎縮等一系列問題, 黃河流域生態系統整體呈惡化趨勢。
1 黃河生態環境需水量概念及內涵
國外對生態環境需水的研究始於20 世紀40 年代, 主要側重於河道內流量的研究, 這期間有很多定量研究的方法( Tennant, 7Q10法, 河道溼周法, IF-IM法, R-CROSS法等等) 。在我國, 更多的是對流域生態需水和區域生態需水的研究, 特別是對西北內陸河生態需水和黃淮海流域生態需水的研究。儘管目前國內外有關“生態環境需水量”方面研究很多, 但對其概念界定尚無統一的認識, 研究者多根據其研究目標及其要保護的主要功能提出相應的定義[ 1 - 3 ] 。
基於對黃河生態系統、水文水資源特性、水資源開發利用程度及水環境狀況的認識, 本文認爲黃河生態環境需水量概念爲: 生態需水量是指爲維持黃河水生生物特別是魚類的正常生存繁殖, 滿足河道溼地、河口溼地生態系統基本功能和維持一定規模的水量。環境需水量是指爲改善黃河水體水質, 基本滿足其環境功能所需要的水量, 環境需水量實質上有着滿足水量和水質的雙重概念。其內涵主要包括以下幾個方面:一是保護河道內水生生物正常生存繁殖的水量; 二是維持河流水體功能水質的水量; 三是滿足河道溼地基本功能的`水量; 四是維持河口一定規模溼地的水量;五是有利於河口水生生物生存及河口生態修復的水量。
黃河適宜生態環境水量是指維繫黃河生態系統良性循環的較佳水量, 此時系統狀態較理想, 能夠發揮較好的生態環境功能。在此狀態下, 黃河系統的恢復目標爲: 一是黃河水質滿足水功能目標要求, 水環境質量有明顯改善; 二是黃河主要保護物種魚類能夠獲得一定的生存空間, 遭到破壞的魚類產卵場得到逐步恢復; 三是河道溼地和河口溼地生物多樣性、生態完整性能夠得到維持, 發揮溼地應有的生態環境功能。
最小生態環境水量是指維持系統生存所需的最低水量或底限閾值, 若低於該水量, 系統會發生退化。 對於黃河下游河道來說, 最小生態環境水量也是爲了防止河道水體斷流併發生功能性裂變, 維持河道水流循環的最小流量。
2 理論及方法
2.1 生態需水量
根據黃河生態系統和水環境的特點, 一方面由於黃河缺乏長期的水生生物的調查及其生長習性的觀測數據, 缺乏相應典型河段主要保護物種生理需水的基礎研究支援, 另一方面考慮黃河水生生物並不豐富的實際, 因此, 現階段很難做到完全生態學意義上的定量研究。足夠流動的水體是構成河流生態系統的基礎, 從水量及其相關因子考慮, 目前國內外有很多學者利用歷史流量法和水力學參數法來計算研究河流生態環境需水量。這種保持河流一定流態的流量可認爲是維持河流生命的基本水量。因此研究利用歷史流量法(Tennant 法和90%保證率設定法)計算河道基流,在環境水量研究的基礎上, 考慮河口生態修復需水,結合水力學參數法, 對該流量級下的水文要素(如水深、流速、溼周等) 能否滿足黃河魚類的生存空間進行判別, 以體現保護魚類生存繁衍和維持生境的生態水量需求。
（1）Tennant 法: 脫離特定用途的生態環境用水量計算方法, 也叫Tennant法或Montana法, 是非現場確定河流生態環境需水的典型方法。該方法以河流水生態健康情況下的多年平均流量觀測值爲基準, 將保護水生態和水環境的河流流量劃分爲若干個等級,推薦的標準值是以河流健康狀況下多年平均流量值的百分數爲基礎。Tennant法生態環境水量計算的核心問題是必須給出一個預先確定的年平均流量。本研究採用黃河尚屬“天然”或尚未大規模開發利用和徑流調節情況的徑流量, 即黃河干流第一個大型水庫尚未建成運用, 河流水生態、水環境尚屬於健康狀態的20世紀50年代(1952～1959年)平均徑流量爲流量基準。
研究將黃河生態環境用水的季節分爲4 ～6 月、7～10月、11～3月三個時段[ 5 ] , 各時段的生態環境水量低限標準以河流水生態、水環境尚屬於健康狀態的20世紀50年代平均流量爲基準, 計算平均流量的不同百分比流量。並認爲, 各水期流量平均值的100%～60%爲最佳範圍, 60% ～40%爲較好狀態,40%～30%爲尚好狀態, 30% ～20%爲尚可狀態,20%～10%爲較差狀態, 10%和5%爲可忍受的最小流量和極端最小流量。對於每個河段生態流量的取值, 根據河段生態環境功能的重要性進行判定。根據黃河水生態與水環境的功能類型和特點, 將生態環境功能分爲4個不同重要程度級別: ①魚類產卵場、棲息地, 重要程度, Ⅰ級; 4～6月生態環境需水量保持在最佳狀態, 其他季節保持在較好狀態。②國家級或省級重點觀光旅遊區, 重要程度, Ⅱ級; 4～6 月生態環境水量保持在較好狀態, 其他季節保持在尚好狀態。③沒有劃定爲觀光旅遊區的大中城市河段和國家一級交通幹線與黃河相交河段, 重要程度, Ⅲ級;4～6月生態環境需水量保持在尚好狀態, 其他季節保持在尚可狀態。④沒有特定要求的河段, 應達到魚類能夠暢通洄游和整條黃河(下游)不斷流的基本流量, 重要程度, Ⅳ級; 一般情況下應不低於同期基準流量的10%, 極端情況下不低於5%。
(2) 90%保證率最枯月流量法: 90%保證率最枯月流量法, 是7Q10 法的延伸。7Q10 法是指採用90%保證率最枯連續7 d的平均水量作爲河流最小流量設計值, 該方法傳入我國後主要用於計算污染物允許排放量。本研究採用1970～2000年31年實測水文系列, 計算90%保證率最枯月流量, 該系列基本涵蓋了黃河20世紀70年代以來的豐、平、枯水期, 具有較好的代表性。