1.3　国内外研究进展

1.3.1　河流生态环境需水研究动态

1.3.1.1　河流生态环境需水概念

河流生态环境需水的概念一直都是众说纷纭,并不是十分明晰,存在生态需水、环境需水、生态环境需水等相近的概念,国外对生态环境需水的研究多使用河流最小流量、最小可接受需水量、枯水流量等词语,也有使用基本生态需水、生态可接受流量范围、环境需水等术语的。国内有“用水”、“需水”和“耗水”三种提法:关于“用水”有“生态用水”、“环境用水”、“生态环境用水”等多种提法;关于“需水”有“生态需水”、“环境需水”、“生态环境需水”、“生态及环境需水”、“生态与环境需水”等多种提法;关于“耗水”的概念,国内认识比较一致,认为生态耗水是生态系统实际消耗的水量。“生态”在《中国大百科全书》中未列词条,但一般认为“生态”是与生物有关的各种相互关系的总和,强调的是“关系”。环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。《中国大百科全书》对环境的定义是:“围绕着人群的空间及其中可以直接、间接影响人类生活和发展的各种自然因素和社会因素的总体。”并指出:“按环境主体可分为以人作为主体的人类生存环境和以生物为主体(不把人以外的生物看成环境要素)的生物界生存环境”。环境总是相对于某中心事物而言,与某一中心事物相关的周围事物的集合就称为这一中心事物的环境。中心事物是环境最主要的属性,代表了环境服务的对象和重点,是环境的主体,与中心事物相关的周围事物就是环境客体,这些客体可以是物质的,也可以是非物质的。离开了主体或中心事物,环境就失去了明确的含义,也就无所谓环境。因此环境只具有相对的意义。或者说是一个相对的概念。“生态环境”的概念目前国内有五种不同的观点:①认为“生态”、“环境”是两个不同概念,“生态”与“环境”应根据各自的内涵分别使用。如果“生态”与“环境”均须提及,可称之为“生态与环境”。②认为“生态环境”的准确表达应当是“自然环境”。从严格的意义上说,应当用“环境与生态”,或归总为“环境”。③认为从逻辑含义上分析,“生态”包含生物、环境、(生物与环境之间的)关系三个要素。“环境”只是其中的一个要素,它是相对于主体而言的。“生态”一词根本不能用作“环境”的修饰语或限制词。④认为根据中国语言的特点,“生态环境”就是“生态和环境”或“生态或环境”。⑤认为“生态环境”是“由生态关系组成的环境”的简称,英文为“ecological environment”,其组词为偏正结构,生态是形容词,环境是名词。综上所述,笔者认为“生态”是侧重于有机系统的,而“环境”是侧重于无机系统的,是以“生态系统”为对象的“环境”,两者是共存关系的,是统一的,在本书中以河流健康为目标,而河流就是一个复杂的生态系统,包含有机和无机系统,所以使用“生态环境”一词。

1.3.1.2　河流生态环境需水分类

生态环境需水的分类由于自然生态系统的复杂性以及生态环境需水极大的不确定性,很难直接从整体上量化某个生态系统或某个区域的生态环境需水。为此,需要对其进行分解、简化,以便求解。一个基本的思路是将生态环境需水划分为一定的类别,各类别需水分别计算,然后综合而得整个区域或者整个生态系统的需水量。生态环境需水的分类是计算生态环境需水量的基础,根据研究对象、研究目的与研究方法的不同,生态环境需水可有不同的分类原则。贾宝全等针对干旱区将生态用水分为人工绿洲生态用水、荒漠河岸林生态用水、河谷林生态用水、低平地草甸生态用水、城市生态用水、河湖生态用水、荒漠植被生态用水七类。在研究河流生态环境需水时,目前常用的分类方法是根据功能来划分。河流系统具有输水、输沙、泄洪、自净、航运、景观和生态等功能。河流生态环境需水按功能可划分为河流水污染防治用水、河流生态用水、河流输沙用水、河口区生态环境用水以及河流景观与娱乐环境用水等。陈丽华等在计算北京市生态用水时将生态用水类型分为六类:山区森林植被建设用水、水土保持生态用水、平原造林绿化生态用水、城镇绿化生态用水、河流基流生态用水、河流输沙生态用水。王芳等根据生态环境需水的来源不同而将其划分为可控生态需水和不可控生态需水。许新宜等按照空间尺度分,可分为景观生态环境需水、流域生态环境需水和区域生态环境需水。张丽等认为生态环境需水从空间尺度上分为广义和狭义生态需水;根据用水功能分为生态需水和环境需水;根据生态需要和实际用水分为生态需水和生态用水;根据需水的来源或人类对水源的控制力分为可控和不可控生态需水;根据生态系统形成的原动力分为天然和人工生态需水;根据需水的空间位置分为河道内和河道外生态需水;根据生态系统的类型可分为水域和旱地生态需水。唐克旺等认为生态环境需水按空间的一级分类可分为河道内和河道外生态需水,若按尺度可分为宏观和微观生态需水。河道内生态需水又可分为水土保持需水、河道生态与环境需水、流域湿地保护需水、河口生态需水及地下水生态水位;河道外生态需水指城市生态环境需水、防护林体系需水、湿地补水等。综观上述研究对生态环境需水的分类情况可以看出,由于研究目的、研究对象与研究方法的不同,生态环境需水分类方法多种多样。总的说来,常用的分类方法主要是根据生态系统的类型以及生态环境用水的功能来划分。

1.3.1.3　河流生态环境需水研究方法

1.河道内需水

(1)河流生态基流。在国外河流生态基流计算方法主要包括:水文学方法、水力学方法、生境模拟法(栖息地偏爱法)和整体分析法(BBM法)4种。水文学方法有Tennant法(又称Montana法)、枯水频率法(又称7Q10法)、德克萨斯(Texas)法、水生物基流法(ABF法)、可变范围法(RAV法)等。Orth和Maughan认为由于IFIM法所需要的定量化的生物资料的缺乏,使这种方法的应用受到一定的限制。King和Tharme指出,传统的IFIM法将其重点放在一些河流生物物种的保护,而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统,由此计算出的推荐的流量范围值,并不符合整个河流的管理要求。CASIMIR(Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements in diverted stream)法,基于现场数据—流量在空间和时间上的变化,采用FST建立水力学模型、流量变化、被选定的生物类型之间的关系,估算主要水生生物的数量、规模,并可模拟水电站的经济损失。整体分析法(BBM法)主要是南非水务及林业部门研发的一种方法,其优点是对大小生态流量均考虑了月流量变化,但该方法主要是针对南部非洲环境开发的,计算过程比较复杂,应用于国内需根据当地实际情况进行改造。目前最适合于我国的计算方法是水文指标法,其中Tennant法应用最为广泛,王占兴在分析我国高寒地区水文气象特征的基础上,对Tennant法进行修正来确定高寒地区中小河流生态环境需水量,指出确定某河段特征流量不仅要根据特征流量下的湿周比率,同时平均流速、平均水深也要达到一定的下限。郭利丹等认为Tennant法在生态径流研究中起着重要作用,但是在生态径流评价中存在一定局限性,Tennant法的同期均值比相对年均值比合理,还利用逐月最小生态径流计算法、逐月频率计算法对Tennant法进行修正,在此基础上提出了我国北方中小型河流生态径流量计算的一些改进方法:改变连续历时时段计算法、逐月最小(大)生态径流计算法、确定河流生态径流量上界的参照法和逐月频率计算的综合法。门宝辉、刘昌明结合南水北调西线河道内生态需水量计算,对Tennant法计算标准进行了修正,采用实地调查的方法,发现南水北调一期工程调水区气温较低,引水河流中鱼类洄游及水生生物的活动期主要集中在7—8月,而且每年12月到次年3月河道均处于冰冻期,所以将Tennant法的用水期修正为7—8月,并应用于实例研究。黄强等为了弥补Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季节特性的不足,引入了环境比降和季节系数对Tennant法进行改进并应用于黄河下游三门峡至利津等站,结果表明改进后的Tennant法能够适应地形多变、流量季节性变化的河流,拓宽了Tennant法的适用范围。水力学方法代表性的是以曼宁公式为基础的R2CROSS法和湿周法,其中湿周法在国内研究比较多。李梅、黄强等提出了一种同时考虑河道本身参数(湿周、糙率、水力坡度)和维持某一生态功能所需河流流量的方法,避免了湿周法不能反映复式断面真实水位流量关系的缺点。郭文献等探讨了湿周法确定河道最小生态流量的计算步骤,采用斜率为1法和曲率最大法来确定湿周流量关系曲线上变化点所对应的最小生态流量,以长江中下游河道为例进行计算,结果表明曲率最大法确定准则计算结果合理,而采用斜率为1法确定准则计算结果偏大。史方方等针对汉江流域实际情况,选用改进湿周法对汉江上游3个水文断面的最小生态流量进行定量估算,与Tennant法相比较,表明采用曲率湿周法更加合理。宋兰兰等在改进湿周法的基础上研究了河流生态基流的概率分布,采用主成分分析和多元回归相结合的方法,为生态基流预测提供了思路。王庆国等在研究标准抛物线形河道断面计算河段的生态需水时发现原湿周法的不足,在分析原因后建议将拐点的斜率取为多年平均流量与相应湿周长比值的平方根,并以此进行计算,结果反映出河流特征的差异,其变化趋势符合对河流生态需水规律的一般性认识。生境模拟法(栖息地偏爱法)国内研究比较少,王西琴、张远、陈敏建等对其进行了总结。

(2)河流输沙需水。石伟、王光谦在研究黄河下游生态需水量时,从输沙水量的概念出发,给出了考虑河段淤积、引沙后的最小输沙水量计算式。常炳炎根据实测资料分析得到,平均流量为1750～3370m3/s,最大流量为3700～6600m3/s,一般均不漫滩,平均含沙量为72～121kg/m3,河道淤积比在20%左右的洪水为高效输沙水流。倪晋仁等指出河流输沙用水是从中国河流特殊的生态系统考虑而提出的,是保证河流输沙功能的基本要求,否则将导致河道淤积和河流系统功能丧失。

(3)河流污染防治需水。它主要包括自净需水和引水稀释用水两部分。自净需水是指在正常排污的情况下,为了使水质达到一定标准,维持正常水生生态条件,河道内必须保留的最小水量。引水稀释用水是指在过量排污的情况下,即使削减污染源,水体也难以在短时间内自行恢复正常,此时考虑从流域外调入水量来恢复河道内生态环境时的水量。本书不考虑引水稀释用水,主要考虑自净需水部分。

(4)水保及地下水生态水位需水。作为生态系统自身固有的特征,流域生态环境需水直接决定于流域内各类生态系统的组成及其状态。从影响生态环境需水大小的角度来考虑,各生态系统主要通过两个特征来影响生态环境需水:一是生态系统的类型,二是该生态系统所占的面积;从某种角度来看正是流域的土地利用、土地覆盖结构。也就是说,只要流域土地利用结构确定,则可以较为方便地计算出其生态环境需水量。生态地下水位应从三个方面定量分析:一是考虑补排平衡,要求适宜的埋深,水位不能过低;二是考虑防止盐碱化,水位不能过高;三是要维持和支撑河道生态用水。流域生态需水是一个复合指标:地表水生态需水特征值、生态地下水位,它们之间包含转化关系。半湿润半干旱区流域水资源大规模开发利用引发的河流生态问题的实质,由两个关键点形成:一是上游下泄量减少;二是平原区地下水超采导致地下水河岸调节作用散失。

(5)河流水面蒸发需水。水面蒸发是指流域内江河、湖泊、水库等水体的蒸发,大水体蒸发量的观测往往非常困难,很难得到实测资料,通过观测小面积水面蒸发并寻求出小面积水面蒸发与大水体水面蒸发之间的关系来间接推求大水体水面蒸发的方法即为蒸发器(皿)折算法。我国现行的水面蒸发资料是用种类不同规格的蒸发器测得的,主要蒸发器有苏联地埋式蒸发器、E601蒸发器、直径为80cm带套盆的蒸发器和直径为20cm蒸发皿,我国水文部门一般使用直径为80cm带套盆的蒸发器,北方结冰期有的改用直径为20cm蒸发器,E601型蒸发器资料较少,气象部门统一用直径为20cm蒸发器。

(6)河口生态环境需水。河口生态系统位于陆地淡水生态系统和海洋盐水生态系统交汇处,鉴于河口在流域生态系统中的特殊地位和河口生态环境退化的严重性,河口生态环境需水是必须要考虑的一部分内容。河口生态环境需水是指保持河口生态系统结构、功能健康及其可持续性所需要的淡水量。不同生态功能的河口生态环境需水主要表现为对径流水质、水量及相应的时空差异性的要求。

2.河道外需水

(1)城市生态景观需水。城市生态景观需水量是指为了维护城市生态环境质量不再下降或改善城市环境而人为补充的水量,是为了改善城市环境。主要包括风景观赏河道用水、公园湖泊用水以及城市绿化与园林建设用水。瞿伦强认为城市生态景观用水是指维持城市水生生态环境良性循环的用水,包含水质、水量、水面三个要素。

(2)流域湿地需水。流域湿地需水量主要考虑为维持流域内天然湖泊洼地特定的水、盐以及水生生态条件,湖泊洼地一年内消耗的水量。

(3)植被防护林体系需水。本部分主要包括天然植被和人工植被的生态需水,天然植被的生态需水主要依靠吸取土壤水和地下水来满足,可用潜水蒸发法来间接估算,干旱区天然植被的实际蒸散可近似地用潜水蒸发量来代替。