河口生態需水理論與計算研究進展

彭 濤,陳曉宏,陳志和,趙長森

(中山大學水資源與環境研究中心,廣東廣州 510275)

河口生態需水理論與計算研究進展

彭 濤,陳曉宏,陳志和,趙長森

(中山大學水資源與環境研究中心,廣東廣州 510275)

在辨識河口生態需水概念和內涵的基礎上,認為河口生態需水是在一定生態目標下,維持河口相應時空范圍內生態系統健康所需要的水量。回顧國內外河口生態需水研究的總體情況,綜述近年來河口生態需水的主要計算方法,包括功能設定法、相關分析法及生態模型法等。在此基礎上,指出目前河口生態需水研究存在理論和計算方法還很不成熟,生態保護目標不明確及交叉重復計算等問題,今后應加強河口生態需水機理的綜合研究,建立較為完整的理論框架和計算方法體系,為不同生態保護目標下河口生態需水分析提供科學依據。

生態需水;河口;研究進展;綜述

河口是指河流的尾閭地區,是河流與受水體的結合地段。筆者討論的是受水體為海洋的入海河口,以下簡稱河口。河口地區陸海物質交匯、咸淡水混合、徑流和潮流相互作用,產生各種復雜的物理、化學及生物過程,具有獨特的環境特征和重要的生態服務功能,在流域乃至全球生態平衡中占有重要作用,是人類最重要的生存環境之一。同時,河口對流域自然環境變化和人類活動響應最敏感[1],已成為相對脆弱的生態系統。近年來,由于流域水資源的高強度開發,如高壩建設、河道外用水劇增、跨流域調水及污染物大量排放等直接影響到河口及其鄰近海域,導致入海泥沙銳減、河口與濱海濕地萎縮、河口環境污染嚴重、鹽水入侵加劇、生物多樣性衰減等一系列河口生態與環境問題。因此,保證河口一定規模的生態用水需求,已成為流域水資源合理配置以及恢復河口生態系統健康亟待解決的關鍵問題之一。目前河口生態需水研究已經引起國內外學者的高度關注,并取得了一些初步研究成果。筆者對近年來河口生態需水的研究進展進行分析和總結,并提出當前研究存在的主要問題,對今后的研究趨勢進行展望,以期對我國河口生態需水研究起到推動作用。

1 河口生態需水概念及其內涵

由于研究者不同的研究角度和研究目的,迄今為止對河口生態需水的概念沒有達成統一認識。在國外沒有與河口生態需水相對應的專門術語,相關或相近的概念是淡水入流(freshwater inflow)。

在國內,對河口生態需水概念的定義也不盡一致。由于研究主體的差異以及研究者對河口生態需水內涵理解的不同,已有研究中出現了入海需水量、河口生態環境需水及河口生態需水等一些概念。

入海需水量主要是滿足河口和近海地區生態環境需要、維持生態平衡所需要的水量[2]。

河口生態環境需水是河口生態需水和環境需水的總和,是同時滿足水鹽平衡、水熱平衡、海岸線進退相對平衡和動植物生境動態平衡所需水量[3]。

河口生態需水是指維持河口生態系統中具有生命的生物體水分平衡所需要的水量,主要涉及生物多樣性保護和河口保護問題,需要維持基流量和保持沖淤平衡的峰流量[4]。

入海需水量是從流域水循環角度出發,維持河口及近海地區水分平衡所需要的一定規模下泄量;而河口生態環境需水及河口生態需水則是從河口生態系統健康角度出發,維持或恢復正常生態與環境功能所需水量,它是生態系統本身固有的屬性,不同類型的河口生態系統都有各自相對穩定的需水范圍。由于生態系統與其所在環境密切相關,一些研究并未將河口生態環境需水與河口生態需水加以嚴格區分,即將河口生態環境需水簡稱為河口生態需水。

通過以上分析可知,河口生態需水研究是在人類大量擠占生態用水、導致入海水量顯著減少及河口生態系統健康受損的情況下提出的。因此,河口生態需水可以定義為在一定生態目標下,維持河口相應時空范圍內生態系統健康所需要的水量。這一概念適用于水資源狀況不同的河口,具有普遍意義。

2 研究概況

2.1 國外研究歷程及進展

國外河口生態需水的研究主要集中在淡水入流對河口生態系統影響方面。近30年來,美國、南非、英國及澳大利亞等國家通過大量的生態調查和模型研究,分別從不同方面探討了淡水入流對河口生態系統不同環節、因素的影響[5-9],并提出了許多淡水入流的評價方法。

20世紀六、七十年代,隨著水庫建設和水資源利用程度的提高,各國學者和資源管理部門開始關注河口淡水入流問題。Copeland[10]在《河流入海量減少對河口生態系統的影響》一書中指出,沒有淡水輸入,河口的等鹽線和物種組成將發生急劇變化。美國一些州就通過相關法規,要求在水資源規劃中考慮河口的淡水入流需求,并規定了河口三角洲生態需水量閾值。20世紀八、九十年代,淡水入流評價發展很快,逐漸成為研究熱點。Browder等[11]首先提出了河口淡水入流需求評價的概念性框架,指出河口漁業產量與河口淡水入流量有密切關系。1981年在美國得克薩斯州舉行的河口淡水入流國家研討會,提出應對河口淡水入流問題的可行解決辦法和方案。同年,美國魚類與野生動物組織發起淡水輸入對河口影響的國際研討會,使淡水入流問題受到世界許多國家的關注[12]。隨后,在1987年成立了美國國家河口項目(National Estuary Program,NEP),主要目的就是識別、修復及保護美國重要河口。在南非,Jezewski等[13]首次評估了河口淡水入流需求,評估包括淹沒需求和蒸發需求兩個部分。此后,南非完整提出河口淡水入流的概念,并制定了河口淡水入流的評價標準和計算步驟,但是沒有給出具體的評價方法[14]。進入21世紀以后,淡水入流評價在世界上許多國家廣泛展開,理論框架和計算方法體系初步形成。2001年,美國佐治亞州自然資源委員會發表水問題白皮書,提出河口入流的科學框架,主要包括淡水入流、河口條件和資源三個方面。Alber[15]提出一種河口淡水需求管理的概念性框架模型,分析了科學家、市民、政治家及管理者在河口淡水入流管理中的目標。至此,美國全面調整對流域的開發和管理目標,初步形成河口淡水入流評價的理論框架,并提出了一些淡水入流需求的計算方法[16-20]。在南非,Adams等[21]通過評價河口健康指數確定南非眾多河口的生態保護物種,提出有利于這些河口保護物種的適宜淡水入流量。在澳大利亞,有學者提出維持河口過程的河流環境流量評價方法,確定不使河口生態特征衰退的適宜環境流量[22]。英國嘗試開發了基于生態風險評價和河口流量模擬基礎上的多學科系統方法來確定河口淡水入流量。

總體來看,國外研究主要集中在淡水入流評價方面,多從水資源管理角度展開,側重于水資源的配置,較少從生態系統自身需水的角度來研究。

2.2 國內研究歷程及進展

針對我國一些河口生態嚴重退化的趨勢,國內對河口生態需水進行了初步研究,但大多是在研究河流生態需水時對河口生態需水的定性描述,專門針對河口生態需水的研究并不多。我國河口生態需水的相關研究主要集中在黃河、海河和長江等主要河口。

黃河一直是我國河口生態需水研究的熱點之一。20世紀80年代中期,國家水產總局黃河水產研究所對河口漁業生態需水的評價結果認為,黃河河口海域魚蝦生長需要黃河每年在4～6月下泄入海水量60億m3,枯水年需要在 4月下泄20億m3[23]。20世紀90年代以來,黃河斷流進一步加劇,導致黃河口生態問題日趨嚴重,國內學者在黃河斷流對河口生態環境影響方面開展了許多研究[24-26]。進入21世紀后,“維持黃河健康生命”的治河新理念應運而生,并將其作為治理黃河的終極目標[27]。從此,黃河口生態需水研究更加受到重視。在國家“九五”科技攻關項目子專題“三門峽以下水環境保護研究”中分析認為[28],考慮汛期輸沙用水的情況下,汛期河口最小生態環境需水量為150億m3、非汛期42億～58億m3。但該研究沒有建立河口生態系統與來水量的響應關系,研究成果顯得粗略。以后,國家“十五”科技攻關計劃重大項目子專題“黃河口淡水濕地生態需水研究”,綜合生態水文模型法和生態學法兩種方法計算成果,得出黃河口濕地生態需水量,考慮輸沙用水,濕地最小需水量為201.18億m3[29]。近年還有學者采用水文學、生態學及水力學方法分別計算了黃河口蒸散發需水、濕地需水、鹽度平衡需水及輸沙需水,最后根據一定原則整合得到黃河口最小生態需水為134.22億m3[30]。由于諸多學者不同的研究角度和研究手段,黃河口生態需水計算成果存在一定差異,但為黃河流域不同時期的水資源合理配置及黃河口生態系統恢復提供了重要依據。

海河流域是我國水資源開發利用程度最高的流域。長期以來海河流域水資源開發利用中生產、生活用水過度擠占生態用水,入海水量大幅減少,20世紀90年代與50年代比較,海河流域平均入海水量減少84%,致使河口生態系統遭到根本性破壞。近年來,一些學者以恢復和維持河口生態系統健康為目標,提出河口水循環消耗、生物循環消耗、生物棲息地等不同類型需水及其計算方法,根據“兼容性”和“最大值”原則整合計算,得到海河流域典型河口生態需水量[31-32]。

20世紀90年代以來,三峽工程和南水北調工程相繼啟動,在長江口生態與環境發生顯著變異的背景下,大型水利工程建設對長江口生態環境的影響受到國內學者的高度關注,并開展了大量相關研究[33-35],這為長江口生態需水研究奠定了良好基礎。顧圣華[36]以維持長江口水鹽平衡并兼顧水沙平衡為目標,分析了長江口生態需水量。國家“十五”科技攻關計劃重大項目子專題“濕潤地區河流生態流量研究”開展了長江口生態流量的專題研究,采用水流、鹽度模型模擬上游不同流量時外海鹽水入侵的程度,得出防止咸水入侵所需的河口生態流量[37]。孫濤等[38]以長江口牡蠣、螃蟹生長關鍵期對鹽度的適應范圍為控制條件,通過水流和鹽度模型推求保證它們生長適宜鹽度的河口淡水入流量。

總的來說,我國河口生態需水研究起步較晚,但發展較快,已形成初步的理論和計算方法體系。然而,已有研究多從維持河口生態系統功能所需水量角度出發,未能充分反映河口生態需水的核心機理,存在重復交叉計算問題。

3 河口生態需水計算方法

由于河口生態系統相當復雜,觀測資料較為短缺,故河口生態需水,至今尚未有比較公認的計算方法或標準。綜合分析國內外的研究現狀,目前河口生態需水的計算方法主要有功能設定法、相關分析法及生態模型法等。

3.1 功能設定法

功能設定法是以河口生態系統健康為目標,維持河口生態系統正常功能所需的水量。一般來說,河口生態需水按照其功能可劃分為河口輸沙需水、鹽度平衡需水、濕地需水、航運需水等。該方法首先分解計算河口各項功能所需水量,然后按一定原則整合得出河口生態需水總量。功能設定法在國內已有一些研究實例[31-32,39-41]。以下簡介幾項河口生態需水的計算方法。

3.1.1 河口輸沙需水量

河口輸沙需水量是針對我國河流特殊性而提出的,主要指維持河口沖淤平衡所需的水量。目前,河口輸沙需水計算方法包括經驗公式法[41]、河相關系法及動床數值模擬法[39-40]等。

經驗公式法是基于一定物理意義的簡單估算法,大多是借鑒黃河下游輸沙需水的一些經驗公式。根據基本的水流挾沙能力概念計算河口輸沙需水量,即

式中:Wt為河口輸沙需水量,m3;Qi為河口泥沙年淤積量,kg;Ci為水流挾沙能力,kg/m3。

一般采用斷面平均飽和含沙量表示。該法比較簡單,但未能考慮輸沙需水量的季節變化要求。

河相關系法利用實測水沙和地形資料,根據落潮潮量、落潮含沙量及河床顆粒特征建立河口的河相關系[42],建立平衡斷面形態和水沙要素的經驗關系,推求維持河口沖淤平衡所需水量。此方法計算簡單,可推廣于資料較為缺乏的河口,但無法模擬河口沖淤平衡變化過程。動床數值模擬法則根據河口地形條件,采用水沙數學模型模擬河口沖淤變化與徑流的響應關系,由此計算維持河口沖淤平衡需水量。此法對短期沖淤變化的模擬能保持一定精度,但對長序列計算存在誤差累計問題。

3.1.2 河口鹽度平衡需水量

河口鹽度平衡需水量計算強調保持一定規模的淡水輸入,維持河口適宜的咸淡水比例,以實現河口地區水體鹽度平衡。主要計算方法有數值模擬法[37-38,43]和箱式模型法[31,41]等。

數值模擬法以鹽水入侵的數值模擬為基礎,建立河口水流和鹽度數學模型,模擬上游不同來水時的河口鹽水入侵程度,以鹽度標準為衡量準則,反推出防止鹽水入侵所需的河口生態流量。數值模擬法是一種適應性較強的計算方法,既可綜合考慮各種因素影響,也可分析單項因子的影響,但需要大量的實測資料驗證模型和率定參數,這在很多河口難以實現。箱式模型法通過建立河口徑流與河口鹽度的相關關系,假定河口水體混合均勻,通過鹽度平衡方程推求一定河口鹽度目標條件下的河口淡水輸入量。箱式模型法計算簡便,但無法反映河口區咸淡水混合過程的復雜性,計算結果偏差較大。

3.1.3 河口濕地需水量

河口濕地需水量是指在一定生態目標下為維持自身發展過程、保證基本生態功能發揮的多年平均需要補充的水量。河口濕地需水量計算方法大多采用水文學法和生態學法。一些學者以保持必要的濕地水面面積和水深為目標計算河口濕地需水量[41],計算式為

式中:Wf為河口濕地需水量,m3;β為濕地水面面積占濕地面積的百分比,%;γ為濕地的水體置換頻率,次/a;Aw為濕地面積,m2;H為濕地平均水深,m。

單純采用傳統的水文學模型和生態學模型都會導致描述生態需水過程的失真,不能滿足對生態需水進行科學調控的需要。在具體實踐中,如能將這兩種方法結合起來進行河口濕地需水量研究是最理想的。連煜等[44]采用景觀生態學原理和方法,在水文學、生態學研究基礎上,在遙感和GIS技術的支持下,建立了基于生態水文學的黃河口濕地生態需水評價模型,計算得到河口濕地適宜生態需水量。

3.2 相關分析法

相關分析法主要通過分析河口不同生物種群數量、分布與環境質量指標的關系,利用生物對溫度、鹽度、營養物質等環境指標的適應能力作為控制條件來計算河口生態需水量。相關分析法在國內外已有一些應用。國內一些學者通過建立入海徑流與鹽度的相關關系,并以鹽度為控制標準,計算得到河口生態需水量[36,45]。Doering等[16]提出以沉水植物的鹽度適應范圍來推求河口最小和最大的淡水需求量。Powell等[18]則通過對Texas河口歷年淡水入流量、鹽度和河口漁業產量進行回歸分析,推求得到維持河口鹽度平衡和穩定漁業產量的最小淡水入海量。

3.3 生態模型法

生態模型法利用數學模型模擬生態系統物質和能量間的轉化過程,將水文學參數與系統營養物質輸入相聯系,通過恢復或維持生態系統功能協調對水量及營養物質的要求確定河口生態需水量。Mitsch等[46]利用生態模型建立水文學參數與生態系統物質循環間的關系,通過模型反映不同輸入參數對生態系統的影響,并利用模型分析河口濕地恢復中對磷的需求,確定恢復河口濕地所需輸入水量。Timchenko等[47]建立了營養物質初級生產及消耗平衡生態模型,以下泄流量相關的水體滯留時間為參數,建立流量與生態系統的關系,根據河口有機污染程度的不同,確定上游電站所需下泄的流量。

綜合比較上述計算方法,功能設定法概念清晰、理論性較強,易于掌握,適合大多數河口生態需水計算,但是沒有將河口視為一個有機整體,存在重復計算的問題。相關分析法簡單且易于操作,數據容易滿足,但計算結果偏差較大,不過對于目前生物資料短缺的大多數河口來說,是一種有效的應急方法。生態模型法理論依據充分,適用于不同的河口生態系統,但所需生物資料難以獲取,而且計算比較復雜,目前尚不能被廣泛應用。

4 存在問題與展望

迄今為止,河口生態需水研究還剛起步,雖已取得一些研究成果,但還很不成熟,總的看來,定性研究多于定量研究,對河口生態需水的機理研究較少,還存在許多需要進一步研究的問題。

a.當前河口生態需水的理論研究還很不成熟,概念及其內涵存在著許多分歧,致使河口生態需水缺乏統一的評價標準,成為深入研究河口生態需水的瓶頸。已有研究多為經驗性,系統分析明顯不足,未能科學地解決水分-生態的過程變化以及耦合作用機理。因此今后迫切需要加強河口生態需水機理及相關支持理論的綜合研究,形成一個較為明晰和完整的理論框架,為準確計算河口生態需水量提供可靠的理論依據。

b.目前河口生態需水研究大多借鑒河道內生態需水的計算方法,并不完全適用于河口生態需水的計算,實用性和可操作性較差。河口是一個咸、淡水高度混合的區域,在徑流、潮汐、波浪、地形等因素的影響作用下,其變化過程十分復雜。還有,世界上許多河口都建有攔潮閘,明顯改變了河口發育方向、潮流及生物生境。現有河口生態需水的一些計算方法大多沒有充分考慮河口這些自身特點及其變化,出現生態需水過程失真的問題。今后要加強不同類型河口生態需水規律研究,建立基于生態水文學的河口生態需水計算模型,形成一套比較成熟的計算方法體系。

c.只有在生態保護目標設定的情況下,河口生態需水才有明確的意義。目前,在計算河口生態需水量時,生態保護目標及規模缺乏科學合理界定,很少考慮河流水資源承載能力及人類社會的現實要求,計算成果較難滿足生態系統保護和生態需水配置的迫切需求。今后應根據區域水資源狀況、生態保護及經濟發展的情況,綜合考慮自然生態系統與社會經濟多方的需求,合理確定生態保護目標,這是競爭用水條件下河口生態需水核算的關鍵,也才更具有現實意義。

d.目前河口生態需水計算未將河口視為一個生態系統的整體來考慮,如功能設定法中河口各項生態需水量之間的計算存在交叉重復。以后應該從河口生態系統的整體性出發,針對不同類型的河口生態系統進行綜合研究,研究水在河口生態系統的循環機理,建立河口生態需水耦合模型,避免重復計算,提高河口生態需水量計算成果的實用價值,為維持和改善河口生態環境質量提供科學依據。

隨著我國日益突出和嚴峻的河口生態與環境問題,河口生態需水研究必將更加引起人們的重視和關注,也將會在流域規劃和管理決策中發揮更大作用。理論與實踐相結合、多學科交叉綜合研究將是今后河口生態需水研究的方向和發展趨勢。

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Advances in research on theory and calculation method of ecological water requirement in estuaries

PENG Tao,CHEN Xiao-hong,CHEN Zhi-he,ZHAO Chang-sen
(Research Center of Water Resources and Environment,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

Based on identification of the concept and implications of the ecological water requirement in an estuary,the definition of the ecological water requirement of an estuary is provided.The ecological water requirement of an estuary is the amount of water sufficient for maintaining healthy estuarine ecosystems with certain ecological targets.Current research advances on the ecological water requirement of an estuary are reviewed,and the calculation methods of recent years are summarized,including the functionmethod,correlation analysis method,and ecosystem model method.On the basis of these analyses,the main existing problems in this field are identified:the theory and calculation methods of the ecological water requirement in an estuary are immature,targets of ecological protection are indefinite,and there is an issue of repeated calculation.Further research on ecological water requirements in estuaries should be focused on a comprehensive understanding of mechanisms,the establishment of integrated theoretical frameworks and calculation method systems,and the provision of a scientific basis for designing the ecological water requirements of estuaries with different ecological protection targets.

ecological water requirement;estuary;research advance;comprehensive review

TV213.9

A

1004-6933(2010)02-0077-06

國家科技支撐計劃課題(2006BAB14B07);國家自然科學基金(50839005,50809078)

彭濤(1973—),男,土家族,湖南保靖人,博士研究生,研究方向為水文水資源及生態需水。E-mail:pengtao306@163.com

(收稿日期:2008-11-27 編輯:高渭文)