基于RVA框架的河流适宜生态环境需水研究(官云飞 黄显峰 方国华 程...
河流具有自然和社会双重属性,与人类的起源、人类文明的发展有着密切联系。河流生态系统在维系区域水循环、能量平衡、气候变化和生态发展中具有极其重要的作用,同时也是人类最重要的生命支撑系统,提供了生产、生活和生态用水等功能[1]。
随着人口的剧烈增长和工业化、城市化的快速推进,河流得到了前所未有的大规模开发利用,甚至超过了其自身承载能力,再加上极端气候事件影响,导致许多河流面临水质污染、河道断流、湿地萎缩、生物多样性丧失等诸多严峻的水生态与环境问题。
于是在20世纪80年代,欧洲和北美掀起河流健康管理热潮。2002年,当国内专家学者引入河流健康概念时,就提出健康的河流生态系统必将成为河流管理的主要目标[2]。
生态环境功能健康是河流健康的重要组成部分,水是生态环境功能健康的基础和物质保障,生态环境需水特性和规律以及生态环境需水量计算方法等也是当前国内外研究的热点[3]。开展生态环境需水研究,有助于确定河流生态环境用水与河流生态环境功能健康之间的响应关系,对促进区域经济社会健康持续稳定发展,保障区域生态环境安全,构建河流健康生命,建设生态文明社会,具有重要意义和现实价值。
国外生态环境需水研究始于20世纪40年代,美国鱼类和野生动物保护协会为研究鱼类生长繁殖和产量与河流流量的对应关系,提出了河流最小生态流量的概念[4]。国内研究生态环境需水始于20世纪70年代末,但直到90年代才得到长足发展。
纵观国内外河流生态环境需水研究过程,大致都经历了从单一目标到多目标,从河道内需水到河道内、外需水,从单一河流到区域、流域,从一维静态分析到四维(纵向、横向、垂向和时间域)动态系统[5]分析的发展过程,从内容上看主要集中在三方面:①生态环境需水目标内涵;②生态环境需水计算方法;③基于生态环境用水需求的河流开发管理。
一般来说,不同河流的区域位置、水文要素、形态特征、沿岸生态系统、水沙特性等存在较大的差异,用水需求不同,造成了河流生态环境需水的复杂性,因此尽管河流生态环境需水研究已有几十年历史,但是研究的角度和侧重点不同,有关河流生态环境需水的目标内涵还没有统一的认识和标准。表1仅列出国内外一些专家学者的观点。
从以上观点可以看出,生态环境需水目标内涵争议主要集中在生态需水与环境需水的区别与联系问题。本文研究对象主要是河流生态系统,从河流健康角度出发,为实现河流生态环境功能健康,不仅要考虑生态需水,也要考虑环境需水,同时河道内生态需水与环境需水存在重复计算量,因此本文将生态需水和环境需水合并为生态环境需水,并认为生态环境需水是指为实现河流生态环境功能健康,保证河流生态环境持续稳定或修复改善所需要的一定数量和一定质量的水及变化过程。
它包括两个要素:水量及水量过程。
水量指为发挥河流生态环境功能所需水的数量,是载体、基础和物质保障;水量过程指不同时段河流生态环境需水的流量大小、持续时间、变化范围及频率等的变化过程,以便水利工程调度时能够模拟近自然的水文情势,尽可能减小水利工程对河流生境带来的一系列的影响、干扰和改变[12]。
20世纪70年代以来,各国研究人员对河流生态环境需水进行了大量研究,产生了许多计算和评价方法。2003年,Tharme做统计发现44个国家中有207种评估生态流量需求的方法[13],这些方法大致可分为4类:水文指标法(历史流量法)、水力学法、栖息地法(生境法)和整体分析法。
河流生态系统是一个拥有自然和社会双重属性的动态流水系统,其完整性很大程度上依赖于水流的天然动态变化特征,即河流水文情势[14]。目前,河道内生态环境需水的计算方法多数侧重于对某个水文极值或某类特定物种开展研究,缺少从整体河流水文情势上的分析[15],因此缺乏普遍适用性。
1996年Richter等人建立了一套评估河流生态水文变化程度的指标体系(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA),通过流量、时间、频率、历时和变化率五大类共32项指标来评估人类活动干扰前后河流水文的变化情况[16],并提出了基于IHA的变异性范围法(Range of Variability Approach,RAV)用于设定生态环境流量及进行河流管理的目标及步骤[17],为从整体上对河流水文情势进行分析奠定了基础。
过去对RVA的应用多局限于评估人类活动干扰前后对河流水文情势的影响程度,评估只涉及水量及水量过程指标,缺乏水质及水质过程指标;少数应用RVA方法进行生态环境需水计算的研究[15,18-20],没有考虑径流量发生频率及生态环境洪水脉冲流量,造成生态环境流量过程平缓,偏离近自然的水文情势,不利于河流生态环境功能健康。
以往研究表明,河流生态环境需水要满足最小生态环境流量及适当的生态环境洪水脉冲流量两个条件,以便于操作运行和管理,并建立河流生态径流管理的预警机制[12]。
因此,本文从河流健康角度出发,提出基于RVA框架的河流生态环境流量计算方法。
对河流生态环境需水进行研究计算是为了选择河流生态健康管理策略,包括水利工程运行调度方式、河流生态环境修复、控制河流开发利用、保护特定物种等。20世纪90年代,美国田纳西流域管理局(TVA)就以河道最小生态流量和溶解氧浓度为指标,对水库的调度运行方式进行调整,使水库在保证航运、发电、防洪等原有功能的同时,在水质改善、娱乐方面发挥了重要作用[21]。
2006年,长江干流水位创历史同期最低,上游川渝两省市发生特大干旱,长江委及时提出三峡水库于汛末开始蓄水的方案,通过合理调度,控制了宜昌站流量不小于8 000m3/s,保证了长江中下游地区生态环境用水需求。
同时三峡水库对人造洪峰改善下游四大家鱼产卵也进行了研究。
但目前大多数研究主要集中在水资源宏观配置中如何考虑生态环境需水[22],研究成果缺乏系统的生物资料验证,同时河流开发管理是一个长期动态演变的过程,涉及部门、学科较多,因此需加强部门间、学科间的交流,形成河流健康管理合力,促进河流适应性管理[23]。
IHA根据河流的日水文资料,构建了流量、时间、频率、历时和变化率五大类共32项具有生态意义的关键水文改变指标及其与生态系统的相应关系。本文在IHA基础上,结合前人研究[18,24]予以改进,构建生态环境需水指标体系(IEEWR),包括五大类共34项指标,见表2。
RVA法是在IHA基础上提出的一种满足河流生态环境需水的河流管理模式,它通过一定的规则或公式对每个水文指标给出一个能够满足河流生态需求的变动范围,作为河流管理的控制目标且该范围可以通过实际操作进行检验,并作调整[25]。本文认为IHA指标变动范围(控制目标)应在天然可变范围之内,据此可得到以河流径流量为表征的生态环境流量估算公式,见表3。
