提　要:文中基于水量、水热、水沙和水盐平衡理论和河流生态功能性划分理念,构建考虑了河流基本生态、自净、输沙和生态景观等功能的河流系统生态环境需水量理论体系。以境内河流监测站水文数据为基础,研究海河流域控制性河流的生态环境需水量,结果表明:该区域地表水资源量尚不能满足河流自净水量,河流生态修复年需水量86. 65 ×108m3 / a,城市景观河流生态环境年需水9. 0 ×10 8m3 / a,采取节水措施,减少污染物排放,加强雨水、洪水等非常规水资源开发和调配有望改善现状。

关键词:河流系统;生态需水量;健康状况;生态恢复;海河流域

中图分类号: p333　　　　　　文献标识码: a

河流系统具有输水、输沙、泄洪、自净、航运等多种功能,是众多生物栖居的场所,并具有观赏、娱乐景观作等多种功能。在相对原始状态时期,河流系统河道内水量充足,能满足河流系统生态功能。随着人类活动对水生态环境的负面影响加剧和社会发展用水量的增大,河道内保留水量逐渐减少,当水量小于保证河流生态系统稳定的"阈值"时,河流基本生态功能逐渐退化乃至消失,表明河流水资源开发超出水资源利用极限。为维持河流系统功能健康,在特定时间和空间须保证能满足河流系统诸项功能所需水量,方能达到河流各项功能协调、水资源得以持续利用之目标。

自20世纪70年代后期, tennant法[ 1 ]和taxas法[ 2 ]为代表的水文学方法、以湿周法[ 3 ] (wetted perime2termethod)和r2cross法[ 4 ]为代表的水力学法在国外河流生态研究相继应用, 90年代后期为数众多的学者参与了生态环境需水量的探讨,建立了针对环境脆弱、干旱问题严重地区不同研究目标的生态需水量模型,研究对象由河流延伸到湿地、湖泊、平原、林地、植被,研究范围由河流系统的带状范围延伸到面状区域,杨志峰等[ 5 ] 、宋进喜等[ 6 ] 、李丽娟等[ 7 ] 、粟晓玲等[ 8 ] 、王西琴等[ 9, 10 ]对生态环境需水量研究成果被引用较多,水文学法和功能设定法在国内应用广泛。目前,关于生态环境需水相关概念的界定、生态环境需水机理方面缺乏共识,理论多着重研究区域生态需水总量,单一河流不同地段多未考虑上下游用水量的连续性,应用功能设定法进行量化研究多未考虑水的多功能性,研究成果指导河流生态修复工程可操作性不强。文中从生态环境需水量理论发展历程,基于水量、水热、水沙和水盐平衡理论和河流生态功能性划分理念,构建考虑了河流基本生态、自净、输沙和生态景观等功能的河流系统生态环境需水量理论体系,对海河流域控制性河流进行研究,以期能为该地区主要河流生态修复工作提出明确的量化指标。

1 生态环境需水量的基本理论

1. 1 生态环境需水量研究的必要性

(1)人类在功利驱动下,追求经济利益,忽视生态系统的环境功能建设的状况在一定时期内成为了必然,水土流失、土地沙漠化、生物多样性减少、河流断流、水体污染、河湖萎缩以及河道淤积等生态问题,迫使人们对生态环境健康标准和需求进行探求。

(2)西北干旱半干旱区和黄河、海滦河流域是中国水资源缺乏的主要地域,针对特定区域的生态环境需水量的调研和计算,对供水管理具有现实意义。

(3)生态环境需水量研究可反映河流、林地、湿地、河口等特定区域的生态健康状况,可定性和定量反映保持其健康发展必需水量及年内分布,并据此确定区域水生态恢复管理策略,进而影响公众的思想及行为。

(4)工程措施和非工程措施相结合的策略,探求区域内部、区域间水资源在空间上、时间上的合理调配是现代水务管理面对的课题。生态环境需水量的研究成果可为区域性水资源合理配置决策提供良好的基础资料和决策依据。

1. 2 生态环境需水量研究的发展历程

汤奇成(1995年) [ 11 ]首先提出"生态用水"的概念;贾宝全( 1998 年) [ 12 ]提出了生态用水的粗略概念: "在干旱区对绿洲景观的生存与发展及环境质量维护与改善起支持作用的系统(或组分)所消耗的水分,称之为生态用水。"李丽娟等(2000年) [ 7 ]将其分河流基本生态环境、河流输沙排盐和湖泊洼地生态环境三部分,构建计算河流系统生态环境需水量的理论基础。概算了区域河流系统的生态环境需水量,将各个功用的水量单独考虑,忽略了各项功用水量的重叠性。杨志峰( 2003 年) [ 13 ]认为水文学法、bbm法(king利用地形结构估算河流生态环境需水量的方法, the building b lockmethodology ) 、功能设定法是适合当前我国河流生态环境需水量的研究。

研究者对生态环境需水量的概念理解有差异,有变化;生态需水是一个含义宽泛、定义尚未明确的新概念,随着生态用水领域研究的深入,其内涵、定义及用词将趋于明确。生态环境需水量可定义为:在特定时间和空间的条件下维持和保护河流系统的生态环境功能,诸如调节气候、调蓄洪水、维持河流不断流萎缩及水生生物生存、补给地下水、排盐、输沙、休闲娱乐等功能,并能改善生态环境质量所必需消耗和现存的一定水质要求下的适宜水量。

1. 3 生态需水量空间和时间优化配置原则

(1)从生态系统整体出发,根据河流不同和河段生态环境特点与功能,研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系,使推荐的河道流量能同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、调蓄洪水和景观维护等功能,以满足当前河流综合管理需求。

(2)将河流管理的生态功能需要与河流流量变化特征相联系;纵向的连接;洪泛平原的流量;维持河道的流量,包括最小的和最适宜的流量计算应考虑上游、中下游、湿地和河口的关系,需评估整个河流系统,包括源区、河道、河岸带、洪泛区、地下水、湿地和河口地区。

(3)需综合研究河流流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系,推荐的河道流量能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能。应考虑枯水位、正常水位、洪水位的差异。

(4)河流生态系统年内各月基流量随季节的不同而改变,生态基流量的计算同时具有明显的时间性,应考虑年内不同月份变化。

2 河流系统生态环境需水量模型

河流生态环境需水量是在特定时间和空间为满足特定服务目标的变量,是在特定水平下满足河流系统诸项功能所需水量的总称。一方面,河流生态环境需水量可以随时间和空间变化,表现出动态变化的特征;另一方面,河流生态环境需水量具有协调各项河流基本功能的内涵,在特定时空单元内最大限度满足河流主要功能的优先选择性。

河流生态环境用水应该按照功能性需求原则确定满足河流各项功能目标的具体需水;与河川径流、近海潮流的年内变化规律相对应,按照年内不同时段(如洪水期、汛期、非汛期、全年时段等) 河流生态环境用水研究;需按照分河段对河流生态环境需水量进行考察;不同的时段或河段,河流各项功能应有所侧重,按照主功能优先原则确保河流系统功能主要目标的实现。河流系统生态环境需水量功能划分(图1) 。

2. 1 河流基本生态环境需水量

生态环境需水量年内变化从功能协调性和开放性方面考虑恢复生态系统健康。以河口地区径流分布历史资料为依据,以生态环境需水量的分配符合自然规律为目的,在确定年度生态环境需水量总量的基础上,提出河流生态环境需水量年内变化的计算方法。

根据被评测河流历史水文资料,基于数理统计选择某研究地点人为干扰程度较小的水文、水量参数作为参考点,建立理想条件下环境特征及相应生物组成的经验模型。维持常年性河流基本生态环境功能不受破坏,要求年内各时段的河川径流量都能维持在一定的水平上,不出现河道萎缩、断流等生态功能破坏现象。以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的最小生态环境需水量的阈值。

式中:qdmin为河流的最小生态环境需水量的阈值;qdmax为河流的最大生态环境需水量的阈值; qij为水文系列中第i年第j个月的月均流量; n为统计年数。蒙大拿法( tennant, 1976)在美国通常用于研究优先度不高的河流流量推荐值,该方法为脱离了特定用途的