河流生态径流理论及计算方法研究
2005 .10
夏自强 李琼芳 姜翠玲 陈启慧 陈竹青
1.河流生态系统结构
河流生态系统是一个结构非常复杂的系统,根据组成河流生态系统的基本条件及各要素的功能和作用可以分成四个结构.
1.空间结构
主要反映河流的水文地理,地貌,形态.如水系组成,河网,湖泊,沼泽,海洋河口及其连接方式;,河道地貌形态,如顺直河道,弯道,汊道,江心洲滩,岸滩湿地;河道纵横断面形态,如纵横断面形状,比降,河宽,水深.
2.物质结构
非生物物质:如水,泥沙,溶解质;
生物物质:如动物,植物,微生物,生物种群及群落.
3.能量结构
太阳辐射,水流的位能,动能,海洋潮汐能的转换变化及水体间热能交换.< br>4.水文过程和变化特征及其影响下的上述结构要素变化的统计特征
水文过程和水文要素的周期性变化和统计特征及其影响下的空间结构,物质结构,能量结构的变化机制和变化特征.
2.河流的水文过程及特征的生态学效应
2.1河流的水文过程及特征与生态系统的关系
河流的水文过程主要包括水位,流量过程,水温变化过程,溶质径流过程和固体径流的过程.在天然状态下,河流的水文过程及特征是流域的地理,地貌,地质,土壤,植被及气候变化特征等要素影响的结果,河流的水文特征主要包括具有涨落脉冲变化特征的次洪水过程,水文过程的年周期性变化特征,多年周期变化特征,年内和多年随机性变化特征.

⑴ 河流的水文情势和水文要素的变化特征在不同时间和空间尺度上决定了生物生命史过程中所需要的空间,物质,能量条件,影响了物种的分布,丰度以及水生动植物群落的组成和多样性.水位和流量过程的变化使生物物质和非生物物质的输送特征发生不断的变化,不断的改变河道,岔道,支流和三角洲,浅滩,激流,深潭和净水区域等多元化生态环境的水流条件和物质条件,河流生物种群已经适应了这种复杂多变的生境格局,生物多样性和生物量的变化与河流的水文特征和水文情势直接相关.
⑵由于地球的自转和公转引起的水文现象的日周期,年周期性变化,水体中所有生物的生命史过程已完全适应了这种变化特征.水生植物和水生动物的繁殖,生长发育,成熟过程与河流水文过程的年内变化是密切相关的.河流中的很多鱼类的回游及其产卵,孵化同水温,洪水的上涨过程及流量的大小有直接的关系,而滩地及河岸水陆交错带的植被同河水的洪水频率及洪水水位的高低相关.河流径流过程的变化是河流和湿地的植物,微生物,无脊椎动物和鱼类生命循环的主要驱动力.
⑶ 河流水文过程的年内和多年变化特征维持河流系统纵向和横向的连通性,控制着河流系统之间及同陆地,湖泊,海洋等相邻系统之间的物质交换,能量交换及生物交换,这种变化对于许多河流物种多样性及种群的生命力是非常必要的,纵向和横向的连通性的丧失会导致种群的隔离以及鱼类和其他生物的局部灭绝.
2.2 水文过程,水文特征的改变对河流生态系统影响
(1)在人类活动影响下,河流的水文过程和生态系统会产生的变化
由于污水排放使河流水质变坏,导致河流的水资源功能和生态功能遭受破坏,严重污染的河流会导致生物灭绝.
由于水资源的利用和调用导致河流径流量减少,部分河流断流,部分水生动物,植物失去基本的生存条件,生物多样性受到破坏.
由于水库的调节作用使河流天然洪水过程消失,水量的年内分配改变,水文过程的周期性变化特征减弱,水库大坝上下游的水文,水力学,温度及营养特征发生变化,将会使鱼类产卵时失去所需的水温,流速条件和鱼卵孵化过程中所需紊动条件,同时大坝和水闸阻隔了河流,河湖,河海之间渔类和其他生物的输送和回游通道,使一些生物生命史过程中需要的物质,能量和空间条件丧失,对生物的多样性及种群的结构有重大的影响.
(2)河流径流过程及特征保护的重要性
河流开发利用对水文过程和特征的改变将影响河流生态系统的稳定性,物种的多样性和种群结构发生变化,同时会影响生物的资源量.
鱼类资源,植物资源,其他水产资源及水产养殖业.(鱼苗,蟹苗,种质资源)
人类活动造成的河流断流将对河流及周围地区造成更为严重的生态环境和经济影响.
河流水环境保护的内容:
从水量,水质保护扩展到径流过程,水文特征的保护.
生态径流问题的提出.
3 生态径流讨论
3.1生态径流的定义
天然条件下随机变化的水文过程不会对河流的物种和种群结构产生根本性的影响,而影响的只是生物量及物种种群大小的变化.在天然状态下,可以说任何一种径流过程都是生态径流过程,丰水年,平水年和枯水年的径流过程及其交替变化的水文特征都具有相应的生态响应和特定的生态作用,河流生态系统处在一种自我调节和自我控制的健康生命环境中.正是这种变化确定了河流的生物的多样性和物种种群结构的特征.
但是,对于河流来说,小概率的或是极端的水文现象对于河流的生态系统是不利的,如引起灾害的大洪水和枯水.因而我们可以提出狭义的生态径流的定义,即可以认为,保证河流天然状态下生态系统稳定和健康的径流量过程称为生态径流过程.
广义的生态径流不只是满足生态系统需求的水的径流量过程,同时应具有天然状态下该径流过程的温度,泥沙,水质,营养特征.当这些特征在人类干扰下发生变化时,在原有的径流量条件下,河流生态系统结构条件同样会发生变化,对生态系统造成不利的影响.为了保证河流的生态系统结构的稳定,生态系统所需的径流量过程也应发生变化,因而生态径流不是一个固定不变的过程,而且所涉及的物质有水,泥沙,溶质,生物及温度过程等.
3.2 生态径流的分类
河流的天然径流过程是在一定的范围内随机变化,以狭义的生态径流过程的定义为基础,根据河流天然径流的变化特征及其生态系统响应的特点,可分为最小生态径流,最大生态径流,适宜生态径流等.
最小生态径流:是满足河流生态系统稳定和健康条件所允许的最小的流量过程.而此过程所拥有的水量,可认为是河流的最小生态需水量.
最小生态径流过程是要保证水生生物在年的生命史周期中的最低生存条件,因此它的值应该是天然状态下水生生物所能容忍的干旱的极限.最小生态径流过程应同河道径流年内变化特征一样,是连续变化的,具有丰枯变化特征.在这种极限水文条件下,生态系统由于缺水所遭受的损害是可以恢复的.
而在径流破坏期,河流中的流量过程小于河流在自然条件下的最小生态径流过程时,河流的水文条件超过了生态系统和一些物种的耐受能力,会导致物种消失,种群结构发生变化,生态系统可能遭受不可恢复的破坏.
最大生态径流:河流满足河流生态系统稳定和健康条件所允许的最大流量过程.在小概率洪水条件下,河流流量超过此过程时,发生破坏性极大的洪水灾害,河流生态系统的空间结构会发生重大变化.同样会导致某些物种消失造成不可恢复的生态灾害,
适宜生态径流:对于生态系统的稳定及保持物种多样性最为适合的径流过程.
最小生态径流过程和最大生态径流过程对于生态系统来说是不利的水文条件.而对于河流生态系统和具体的物种和种群结构来说,对河流的水文过程的变化有不同的响应,而保持河流生态系统健康和生物物种种群结构稳定的径流过程是适宜的生态径流过程.因河流水文过程是随机变化的,适宜生态径流应具有明显的统计特征,并具有一个合适的变化范围.
4. 河流生态径流过程计算方法
4.1生态径流过程的已有的计算方法
上世纪六七十年代以来,国外提出一些类似最小生态径流的概念,并给出了许多计算和评价方法.

(1)非现场类型标准设定法
a.最小连续30天平均流量法
对最小的连续30天平均流量系列进行频率计算,取80%保证率的值作为枯水期河流的最小生态径流,它的准确性取决于河流所在地的地理和社会经济条件.在丰水期为扩大留在河网中的水量,最小生态径流量增大,特别是在有水库的情况下,此时最小生态径流可以采取50%～75%保证率的最小连续30天平均流量.

b.美国的7Q10法
水质污染稀释自净需水量,即为改善水质需要的环境水量,对于河流就是最小环境流量,对于湖泊,水库,就是受污染水体的最小交换水量.7Q10法采用90%保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值. 7Q10法70年代传入我国,主要用于计算污染物允许排放量,在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用.


c.Tennant法
Tennant法(即Montana法)是非现场测定类型的标准设定法,一般具有宏观的定性指导意义.通常,这类方法建议的河流生态用水会根据对生物物种和生境的有利程度给出流量级别,这里流量大小只具有相对意义.以预先确定的年平均流量的百分数为基础的河流流量推荐值见表1.
该法不需要现场测量.在有水文站点的河流,年平均流量的估算可以从历史资料获得.在没有水文站点的河流,可通过可接受的水文技术来间接获得.在美国,该法通常作为在优先度不高的河段研究河流流量推荐值使用,或者作为其他方法的一种检验.
(2)栖息地保持类型标准设定法
a.R2CROSS法
R2CROSS法以曼宁方程为基础,适用于一般浅滩式的河流栖息地类型.该种方法的河流流量推荐值是基于这样的假设,即浅滩是最临界的河流栖息地类型,而保护了浅滩栖息地也基本保护了其它的水生栖息地.对于一般的浅滩式河流栖息地,如果将河流平均深度,平均流速和湿周率(湿周长与河床总长之比)作为反映生物栖息地质量的水力学指标,所有河流的平均流速推荐采用0.3米/秒的常数.

(3)增量法
河道内流量增加法主要指IFIM法.该法把大量的水文水化学实测数据与特定的水生生物物种在不同生长阶段的生物学信息相结合,进行流量增加的变化对栖息地影响的评价.考虑的主要指标有河流水流流速,最小水深,河床底质,水温度,溶解氧,总碱度,浊度,透光度等(各种阈值).IFIM法根据这些指标,采用PHABSIM模型模拟流速变化和栖息地类型的关系,通过水力数据和生物学信息的结合,决定适合于一定流量的主要水生生物及栖息地类型.

河道内流量增量法并不直接给出特定的流量目标值,除非栖息地保护的标准能够被预先确定.利用河道内流量增加法可以有效地评估水资源开发对下游水生物栖息地的影响.(水信息和生物信息的结合)

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了一定的限制.传统的IFIM法将其重点放在一些河流生物物种的保护上,而没有考虑诸如河流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,并不符合整个河流的管理要求.
4.2 建议的计算方法
(1)确定生态径流的准则
生态径流过程应保持天然条件下河流的水文特征;(洪水, 枯水,周期性变化)
生态径流不是一个常量,每个月生态径流量是不同的;
在生态径流条件下,河道水流应当保持适合水生生物生存和繁衍的空间,物质和能量条件.

(2)最小生态径流的确定方法
现在河流流量受人类的干预越来越大,所以为了排除人为因素的影响,计算生态径流时要使用河流还原后的天然径流.
在尽可能长的12个天然月径流系列中取最小值作为该月的最小生态径流量.以各月径流系列的最小值作为年的最小生态径流过程.
因为在天然情况下水生生物已经安全经历过这样的最小径流过程,并且生态系统没有遭到严重的不可恢复的破坏,就说明在天然条件下,现在的河流生态系统能够忍受这个最小径流量过程,水生生物及其种群结构在这个流量条件下所受到的损害是可以恢复的.(也可以用排除小概率事件的方法来确定最小生态径流)

对于生态系统更为脆弱的河流系统,建议采用连续最小30天,60天,90天,最大30天,60天,90天平均流量系列的最小值来建立最小生态径流过程.连续历时的长短视河流的大小,水文特征和生物的需求而定.
这种方法一方面体现了河流的水文特征,另一方面体现生态系统和生物物种对极端条件下的环境要素的耐受 时间.
(3)适宜生态径流的确定方法
对12个日历月的月平均流量系列进行统计分析,根据有利于生态系统的稳定和物种的生存繁衍的原则,确定枯水期,平水期,洪水期不同保证率条件下的月径流过程作为适宜生态径流过程.
保证率的大小可据月径流系列的统计特征,河流形态,生物物种对不同时期的环境要素的需求,不同的气候区域来确定.

(4)河流水资源可利用条件
河流水资源可开发利用程度不是以最小生态径流为临界值的,其开发利用的原则应为:丰水年时对径流的拦蓄利用不得使河流量小于适宜生态径流量;而在枯水年时,对河径流的拦蓄利用不得使河流量小于最小生态径流量.以保持河流生态系统的稳定性和可恢复性.
最小生态径流法计算伊洛河,干旱年份,伊洛河应保留的最小生态需水量为总水量30%,.(北方河流有较大的变差系数和极值比,最小生态径流没有洪水过程)
适宜生态径流法为应保留的生态水量为总水量的 60%.
5 长江中下游河段生态径流过程计算
5.1长江主要经济鱼类与水文特征关系分析
(1)鱼苗量的变化与涨水期水量的关系分析
长江的主要经济鱼类青鱼,草鱼,鲢鱼,鳙鱼是半洄游性鱼类,通常在4-7月分到长江的干流和一些支流繁殖,其产卵与水温,流量,流速及变化过程有直接的联系,在水文18℃-26℃之间,河流涨水并有足够的涨水历时的条件下,将促进鱼类的回游,性成熟和交配产卵.鱼苗产量与涨水期水量有着密切的关系(见图1).
从图中变化可以看出,鱼苗捕捞量的变化基本随水量的变化上下波动,1991～1994年,涨水期的水量呈下跌趋势,鱼苗量亦呈下降趋势,但从水温变化来看,1996年4月下旬水温即达到18.5℃,而1995年4月下旬水温为17.9℃,因此1996年比1995年进入繁殖期早.2000年长江夏秋季没有发水,"四大家鱼"苗产量更低.
(2) "四大家鱼"捕捞量的变化与年径流量的关系分析
年径流量的大小与年鱼产量密切相关,长江枯丰水年的变化,影响长江渔业资源也相应变动见(图2),从图中可以看出,渔业产量的变化总的来说一般随着年径流量的变化而上下波动,如1954年长江发生特大洪水,1954～1955年长江渔业产量达到历史高峰,长江七省市总的渔业产量达到42.72万t,而枯水年份鱼类资源亦随之下降,如1978年大通站的年径流量为6760亿m3,鱼产量仅有18.32万t.
5.2长江干流生态径流计算
(1)最小生态径流过程分析
以长江宜昌,汉口,大通50年的月平均流量系列为基础,取其每个月径流系列最小值作为年最小生态径流过程,计算得长江干流3个主要控制站的年最小生态径流过程(见表2)和各月最小生态需水量(见表3).宜昌站最小生态径流年平均流量是8240m3/s,年最小生态需水量是2601亿m3,占年多平均径流量的59.42%.汉口站的最小生态径流年平均流量是13200m3/s,年最小生态需水量是4180亿m3,占年平均径流量的58.31%.大通站的最小生态径流年平均流量是17100m3/s,年最小生态需水量是5404亿m3,占年平均径流量的59.64%.
表2 宜昌,汉口和大通三站最小生态径流过程计算表
站 名
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
年平均
宜昌站(m3/s)
3460
3150
3060
3720
6770
9620
20300
12100
13200
11700
6920
4480
8240
汉口站(m3/s)
5970
5320
5890
8270
15500
18500
29000
21300
16200
13800
11500
7040
13200
大通站(m3/s)
7220
6730
7980
12800
22600
27200
32800
25900
21600
16800
13200
8310
17100
表3 宜昌,汉口和大通三站最小生态需水量计算表
站 名
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
年总量
宜昌站(亿m3)
92.7
76.9
82.0
96.4
181
249
544
324
342
313
179
120
2601
汉口站(亿m3)
160
130
158
214
415
480
777
571
420
370
298
189
4180
大通站(亿m3)
193
164
214
332
649
705
879
694
560
450
342
223
5404
(2)适宜生态径流计算
使用逐月径流系列频率计算法计算干流的适宜生态径流过程(见表4).根据各站适宜生态径流过程可计算出其适宜生态需水量(见表5),宜昌站的适宜生态径流年平均流量是12500m3/s,年水量是3945.8亿m3,占年平均径流总量的90.14%.汉口站的适宜生态径流年平均流量是19900m3/s,年水量是6272亿m3,占年平均径流总量的87.91%.大通站的适宜生态径流年平均流量是25000m3/s,年水量是7892亿m3,占年平均径流量的87.19%.
表4 宜昌,汉口和大通三站适宜生态径流过程计算表
年份
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
年平均
宜昌站(m3/s)
3720
3310
3300
5420
9880
16000
29500
25800
21900
16300
9130
5000
12500
汉口站(m3/s)
6050
6070
9070
14200
21100
26900
42500
35600
28900
23300
15500
8300
19900
大通站(m3/s)
7480
7980
12600
21200
29100
35400
49200
41800
34200
29500
20300
10200
25000
表5 宜昌,汉口和大通三站适宜生态需水量计算表
年份
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
年总量
宜昌站(亿m3)
99.6
80.8
88.4
140
265
415
790
691
568
437
237
134
3945.8
汉口站(亿m3)
162
148
243
368
565
697
1138
954
749
624
402
222
6272
大通站(亿m3)
200
195
337
550
779
918
1318
1120
886
790
526
273
7892
(3)洪,枯水期的不同统计时段最小生态径流量计算
考虑河流中的生物和物种对洪水和枯水期水文条件的的需求,可采用连续最小30天,60天,90天,最大30天,60天,90天平均流量系列的最小值(表6)来建立不同时期的最小生态径流过程.这种方法一方面体现了河流生态系统最低需求的的水量特征,另一方面体现生态系统和生物物种对极端条件下的不利环境要素的耐受时间.
表6 长江中下游水文站不同统计时段最小生态径流计算表
站名
项 目
最小30天
最小60天
最小90天
最大30天
最大60天
最大90天
宜 昌
平均流量(m3/s)
2960
3080
3150
23000
19300
17500
水 量(亿m3)
76.7
160
245
596
1000
1360
占同期均值比(%)
65.9
63.1
61.6
81.1
80.2
76.8
汉 口
平均流量(m3/s)
5200
5530
6190
30800
28500
28200
水 量(亿m3)
135
287
481
798
1480
2190
占同期均值比(%)
72
69.1
67.7
65.3
66.6
70.1
大 通
平均流量(m3/s)
6720
7010
7800
36300
34000
32900
水 量(亿m3)
174
363
607
941
1760
2560
占同期均值比(%)
69.8
64.3
61.4
66.5
67.3
69.0
表6 长江中下游水文站不同统计时段最小生态径流计算表
5.3计算结果的合理性分析
逐月最小生态径流计算法算得的宜昌,汉口及大通三站10～3月的河流生态用水流量占年平均流量的分别为38.55%,36.61%和35.13%, 4～9月占年平均流量的分别为79.20% ,80.38%和84.24%,这种比例比现有的最小生态径流计算方法要高.其结果对于长江这样重要的河流是非常必要的.不同统计时段径流系列最小值方法则考虑了生物在不同时期对最小径流的耐受时间.
适宜生态径流过程是根据河流不同月份径流系列的统计特征来确定的,这种过程反映了河流径流过程的基本规律, 可以认为在这种径流条件下,生态系统不会受到水量的胁迫,不同河流适宜生态径流不同时期的保证率可根据生物和生态系统的需求来调整,使适宜生态径流的计算具有更大的合理性.宜昌,汉口及大通三站10～3月的河流生态用水流量占年平均流量的49.31%,50.53%和51.41%, 4～9月占年平均流量的131% ,125%和123%,这种方法算得的适宜生态径流,反映了长江在正常年份下的水文过程,在不同的季节均能保证很好的生态条件.
谢谢!