黃河干流與河口濕地生態需水研究進展

趙 芬, 龐愛萍,2, 李春暉,*, 鄭小康, 王 烜, 易雨君

1 北京師范大學環境學院, 水沙科學教育部重點實驗室,北京 100875 2 中共南京市委黨校公共管理教研部, 南京 210046 3 黃河勘測規劃設計研究院有限公司, 鄭州 450003

隨著人類對河流與濕地生態系統認識的不斷提高,以及人類活動(水利工程建設等)造成的生態問題日益嚴峻,為研究解決水污染和水生態系統惡化等問題,“生態需水”(Ecological Water Requirements/Ecological flow)的概念開始出現,并受到世界各國的廣泛關注[1-10],伴隨著一系列國際科學研究的推進,生態需水基礎理論不斷豐富,研究范圍不斷擴大[11]。生態需水內涵也從維持魚類棲息的生態需水逐步拓展到維持河流生態系統整體健康水平所必要的生態需水(流量或水位)等。黃河流域對我國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的意義,黃河流域不僅構成了我國重要的生態屏障,同時也是我國重要的經濟地帶。2019年9月,習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上的講話指出要堅持“生態優先、綠色發展”,立足于黃河全流域和生態系統的整體性“上下游、干支流、左右岸統籌謀劃”,“讓黃河成為造福人民的幸福河”[12]。由于氣候變化影響了黃河上游的來水量和下游的干旱狀況[13-14],同時由于社會經濟的快速發展,使得沿黃取用水量增加,在競爭性用水過程中形成了生態環境用水被工業或農業用水擠占的現象,導致黃河干流河道內水量不足以維持河道的健康水平；黃河河道內水量的減少,甚至斷流等現象的進一步加劇,使得黃河口濕地生態問題(如棲息地退化,魚類洄游通道受阻等情況)日趨嚴重[15-17]；黃河干流和河口生態需水問題突出。現階段,黃河生態調度站在流域和黃河供水區全局的角度,在之前以黃河下游為主的生態調度工作基礎上,充分考慮上、中、下游的差異,拓展到整個黃河干流及其重要支流,河道外的重要湖泊濕地和華北地下水超采區[18],協調生態功能和社會服務功能,使下泄水量滿足生產生活需求的同時也能滿足河道輸沙、污染物稀釋、河道及河口生態系統等的用水需求。因此,系統研究黃河干流和河口生態系統生態需水的內涵、目標及需水過程,對于維護黃河的生態系統健康,實現黃河水資源的合理調度配置,促進黃河水資源的可持續利用,具有重大理論意義和應用價值。

本研究對黃河干流及河口生態需水研究進展進行系統梳理,總結不同生態保護目標下的黃河干流和河口生態需水成果,從生態保護目標、不同時空尺度特異性以及生態需水成果的實際應用等角度深入剖析了當前黃河干流和河口生態需水核算中存在的不足,提出新形勢下黃河干流和河口生態需水的未來研究建議,為流域生態大保護和黃河流域高質量發展提供理論依據。

1 黃河干流和河口濕地生態系統保護目標

1.1 研究區域

黃河干流河道全長約5464 km,流域面積約79.5萬km2(圖1)。黃河全流域多年平均降水量約466 mm,呈現由東南向西北遞減的趨勢。黃河源頭至內蒙古托克托縣河口鎮為黃河上游,河道長約3472 km,流域面積約42.8萬km2。匯入上游的較大支流有43條,主要有湟水、洮河。河口鎮至鄭州桃花峪為黃河中游,河道長約1206 km,流域面積約為34.4萬km2,中游是黃河洪水和泥沙的主要來源區域,匯入中游的較大支流有30條,主要有清水河、汾河、渭河和沁河。河南鄭州桃花峪以下為黃河下游,河道長約786 km,流域面積約2.3萬km2,匯入下游的支流較少。

圖1 黃河流域主要站點圖

1.2 黃河干流和河口濕地生態系統保護目標

基于對黃河河流與河口濕地的生態系統特征、水文水資源特性及水環境狀況的認識[10,19-22],并綜合黃河干流和河口水產種質資源保護區及濕地自然保護區(圖2)的保護要求,可以認為黃河干流生態環境保護目標主要為水生生物(魚類為主)、河道濕地及河道水體功能,黃河河口濕地生態環境保護目標主要為濕地鳥類與魚類(主要是洄游魚類)、濕地植被、河口濕地及濕地水體功能等。由于黃河上、中、下游生境差異大,導致不同河段的生態保護目標不同(表1)。

圖2 黃河干流與河口水產種質資源保護區及自然保護區

表1 黃河干流和河口濕地重要生態保護對象與保護要求

黃河干流濕地和河口濕地是黃河重要的水生態保護系統,長期以來生態需水得不到完全保障。主要的生態需水問題包括：①人類過度地取用黃河水和干支流水庫的建設,改變了黃河的水文情勢,加之外源營養物質過量輸入,導致河流自凈功能削弱,河道水質惡化。②梯級水庫的開發和泥沙問題造成的流速降低、流量減少、水體溶氧量低,會造成魚類棲息地減少,從而導致魚類死亡,生物多樣性遭到破壞。③由于水量調節導致洪峰削平及水文峰效應,導致濕地棲息地面積減小、濕地植物分布高程上移。④入海徑流減少,導致河口濕地的鹽度增大,對魚類和鳥類棲息產生影響。

2 黃河干流和河口生態系統生態需水研究進展

生態需水研究始于美國對河流流量與魚類產量關系的研究,興起于20世紀70年代的大壩建設的高峰期[1-3,25],經歷了萌芽(20世紀70年代以前)、發展(20世紀70年代—80年代末)和成熟(20世紀90年代以后)3個階段[5-6,26-29]。國內有關研究的開展相對較晚,始于20世紀70年代針對水環境污染的河流最小流量確定方法的研究,興起于20世紀90年代的生態環境用水的研究,先后經歷了認識(20世紀70年代—90年代末)和研究(2000年以后)2個階段[10,30-36],在引進大量國外研究理論和方法的基礎上,改進并發展了一些具有針對性的研究方法[37-42]。由于生態系統和水資源利用狀況的差異,對生態需水內涵的認識也存在差異。劉昌明等對生態水文的主要術語的定性描述中指出生態需水是“在現狀和未來特定目標下,維系給定生態、環境功能所需的水量”[43]。目前,《水利部關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》水資管[2020]67號中明確了河湖生態流量的內涵：河湖生態流量是指為了維系河流、湖泊等水生態系統的結構和功能,需要保留在河湖內符合水質要求的流量(水量、水位)及其過程[44]。隨著對洪水災害、河道斷流、水體污染等問題的研究,河流生態需水研究得以普遍展開,前期研究主要側重于河道生態系統,主要集中在根據河道形態、特征魚類等對流量的需求確定最小及最適宜的流量[45]；近年來,開始考慮河流流量在縱向上的連通性以及河流生態系統的完整性,從流量要素變化的角度來分析河流生態系統的適應性,突破了河流生態系統類型的限制,逐步拓展到其它生態系統類型生態需水的綜合分析[30]。本研究認為,生態環境問題復雜多樣,還有研究內容、對象及目標的差異等造成了生態需水內涵的差異。目前達成的較一致的共識為,生態需水不僅應考慮時空以及保護目標等要素,還要考慮水量的動態變化過程。生態需水計算方法的研究和應用也取得了較大的進展,由于對生態需水內涵的認識存在差異,因此其計算方法并沒有統一的原則和標準。當前,國內外有關生態需水計算方法可歸納為水文學方法、水力學方法、棲息地模擬方法以及綜合評估方法等[1,25,27]。其中,基于歷史流量數據的水文學方法(Tennant法及其改進方法)的應用最廣泛；水力學法中基于曼寧公式的R2CROSS法應用較為廣泛；棲息地模擬方法中以生物學基礎為依據的流量增加法(IFIM)應用較為廣泛；整體法中以河流系統整體性理論為基礎的分析方法(南非的BBM方法和澳大利亞的整體評價法)最具代表。這些生態需水核算方法大多建立在一定假設的基礎上,研究對象大多選取特定的生物,側重最小生態流量的計算,生態需水的計算方法雖多,但還不成熟。

黃河大部分流經我國干旱與半干旱地區,由于人類活動過多擠占了生態用水,導致黃河干流和河口濕地生態系統退化現象,但由于黃河流域面積之大,上、中、下游以及河口生態需水存在較大差別。黃河干流上中游斷面主要關注生態系統保護為主的生態需水核算,主要包括河道的生態基流量(維持魚類棲息地的生態流量)以及水體自凈需水量等；下游主要以泥沙輸水量為主進行研究,主要包括維持河道輸沙沖淤的輸沙需水量(水量及脈沖過程)；河口生態系統生態需水主要以三角洲濕地(魚類和植被等)為主進行研究,主要包括維持河口三角洲生態的水量(連續性水量及水量過程)。

2.1 黃河干流生態需水研究進展

“九五”攻關專題——“三門峽以下非汛期水量調度系統關鍵問題研究”的子課題“黃河三門峽以下水環境保護研究”,全面分析并計算了三門峽以下的黃河環境和生態水量[46]。“黃河干流生態環境需水研究”項目,應用水文學方法,對黃河干流重要斷面生態流量和自凈需水進行了探索研究[47-48]。“十五”攻關項目——“中國分區域生態用水標準研究”的子課題“黃河流域生態用水及控制性指標研究”,對黃河下游花園口、高村、利津三個主要水文斷面的最小生態流量開展了相關研究[49]。馬廣慧等用逐月最小生態徑流量法和逐月頻率法計算了黃河干流的唐乃亥、頭道拐、花園口三個水文斷面的生態徑流量[50]。陳朋成通過建立黃河上游河段的生態需水量模型,分河段計算了不同水文頻率年的黃河河道內生態需水總量[51]。許拯民等通過建立寧蒙河段基本生態需水量和適宜生態需水量計算模型,核算了不同保證率下下河沿、青銅峽水文斷面的基本生態環境需水量[52]。劉曉燕則在對黃河整體生態環境進行大規模實地調查的基礎上,提出黃河干流各重要水文斷面的流量/水量控制標準,并針對不同水平年和保證率,區分討論生態低限流量和適宜流量,最終核算出利津斷面適宜生態水量為181億m3[53]。趙麥換等在《黃河流域水資源綜合規劃》初步成果的基礎上,計算了黃河干支流的生態需水量,研究發現利津斷面生態需水量為200—220億m3,河口鎮斷面(頭道拐)生態需水量為197億m3[54]。蔣曉輝等在對黃河干流水庫建造后生態系統的變化進行了調查和定量評估的基礎上,分析了黃河干流水生生物與來水來沙條件的響應關系,并采用棲息地模擬得出符合魚類生長需求的生態流量過程,確定花園口斷面4—6月的適宜脈沖流量為1700 m3/s,利津斷面4—6月的適宜脈沖流量為800 m3/s[55]。黃錦輝等在黃河干支流重要河段功能性不斷流指標研究中,考慮了河道內魚類產卵、棲息等需求,在河道魚類調研的基礎上進行模型模擬,模擬出滿足魚類需求生態流量[24]。尚文秀等綜合考慮河流生態完整性,研究得出黃河下游利津斷面年最小生態需水量119億m3,適宜生態需水量130—137億m3,并提出高流量脈沖過程[56]。劉曉燕等基于野外實地調查數據,建立了黃河利津段繁殖期黃河鯉適宜棲息地面積與流量的關系,研究得出利津河段在黃河鯉繁殖期的適宜流量應為250 m3/s[57]。這些研究成果有效地支撐了黃河流域水資源生態調度。

眾所周知,黃河泥沙含量較高,因此,與黃河下游生態環境需水量相關的研究始于對河流輸沙需水量的研究。“八五”攻關項目——“黃河流域水資源合理分配和優化調度研究”,首次將河道來水來沙、河道沖淤與輸沙水量聯系起來,分析了黃河下游河道汛期和非汛期的輸沙用水量。常炳炎等在研究黃河輸沙水量與來水含沙量關系的同時考慮到了河床淤積比,認為應將黃河利津斷面的輸沙水量保持在20 m3/t左右[58]。清華大學石偉和王光謙針對黃河下游的非汛期生態基流量和汛期輸沙需水量進行了計算,得到花園口斷面的生態需水量為160—220億m3,其中汛期輸沙水量為80—120億m3,非汛期基流需水量為80—100億m3[59]。北京大學倪晉仁等綜合研究了黃河下游河流最小生態需水量和三種代表性的來水來沙狀態下的輸沙水量進行了,得出下游河道的最小生態需水量應不低于250億m3[60]。楊志峰等綜合考慮黃河下游河道的基本生態環境需水量、輸沙需水量及入海水量,認為黃河下游河道的最小生態需水量為198.2億m3[61]。沈國舫等估算黃河下游總需水量共160億m3,其中,輸沙用水為100億m3,生態基流量與蒸發消耗為60億m3[62]。沈珍瑤等通過分析不同水平年及保證率下的生態需水差異,得出全年考慮輸沙的最小需水量約為63.2億m3[63]。而黃委會則認為下游的汛期輸沙水量大于150億m3,非汛期生態用水不低于50億m3,應保證黃河下游最低限額需水量210億m3(黃河下游河道的多年平均蒸發滲漏損失為10億m3)[64]。劉曉燕等綜合考慮下游河道輸沙和河口淡水濕地補水需要,認為汛期下游河道應保證流量3500 m3/s以上、洪量40—50億m3以上的輸沙需水[57]。

梳理黃河干流生態需水的相關研究成果(表2)可以看出,相比于國內其他河流,無論是理論上還是實踐上都是比較超前的。由于諸多不同的研究角度(對象/目標)和研究手段,生態需水成果存在一定差異。前期黃河干流的生態需水研究多集中于對生態需水“量”的探討,較少建立河流生態需水過程與徑流要素間的響應關系,生態需水計算大多缺乏生態合理性相關分析。后續研究在對黃河整體生態環境進行大規模實地調查的基礎上,綜合考慮了“量”的歷時、頻率等因素來研究生態需水量,使得后期計算的生態需水結果更具合理性,但研究范圍多限于黃河下游河段,涉及中、上游河段的研究較少。

表2 黃河干流重要斷面生態需水研究成果

2.2 黃河河口生態系統生態需水研究進展

黃河河口生態需水的相關研究在我國一直是熱點之一[65-67]。1980s國家水產總局黃河水產研究所認為,4—6月黃河河口需要保證下泄入海水量60億m3來滿足黃河河口在海域魚蝦生長需要,枯水年需要下泄20億m3入海水量[68]。1990s黃河口生態問題隨著黃河斷流的加劇而日趨嚴重,黃河口生態需水相關研究更加受到重視。

“九五”攻關項目子專題——“三門峽以下水環境保護研究”,汛期河口最小生態環境需水量為150億m3(考慮了輸沙用水)、非汛期則為42—58億m3[46]。“十五”攻關項目子專題——“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的計算成果,綜合分析得出黃河口濕地最小需水量為201.18億m3[69]。

中荷合作項目——“黃河三角洲濕地生態環境需水量研究”(2005—2009年)綜合水文、生態、景觀等方法,研究濕地的水文—生態過程響應關系、需水機理與規律,得出三角洲濕地的適宜生態需水量為3.5億m3[70-71]。拾兵等建立神經網絡模型計算了黃河近海與河口考慮輸沙的最小需水量為57.6億m3[72]。程曉明等利用濕地水文及水平衡模型計算得出黃河三角洲濕地生態環境需水量約為7.36億m3[73]。王新功等綜合考慮河口生態系統的功能及黃河水資源支撐能力,耦合不同生態單元(對象)的生態流量,得出河口利津斷面11月—次年4月的最小生態流量為75 m3/s,適宜生態流量為120 m3/s,5—6月最小生態流量為150 m3/s,適宜生態流量為400 m3/s[74]。劉曉燕等在綜合考慮了黃河天然徑流條件與黃河水資源配置條件等因素,并權衡了自然功能用水和社會功能用水,提出了黃河三角洲生態系統的生態用水控制指標[75]。還有學者采用水文學、生態學、水力學方法及生態權衡方法等方法核算了黃河口地區的蒸散發需水、鹽度平衡維持需水及輸沙需水量[76-79],根據一定原則綜合分析,得到黃河口以濕地、河道魚類和近海魚類為主要目標的全年生態需水量為86億m3[80]。梳理黃河河口生態環境需水的研究成果如表3所示。

表3 黃河口生態需水研究成果

綜上所述,可以看出由于諸多不同的研究角度(對象/目標)和研究手段,黃河口生態需水結果存在一定差異。前期黃河河口濕地生態系統生態需水研究多集中于對沖沙水量和入海水量的探討,而未考慮河口濕地生態系統與徑流要素(具體流量過程、歷時、頻率等)聯系和響應關系。后續研究在對黃河整體生態環境進行大規模實地調查的基礎上,針對黃河河口濕地生態環境的具體狀況和濕地生態恢復目標,對黃河河口濕地生態系統狀況進行分析,綜合考慮流量的歷時、頻率、變化率等因素來研究生態需水量。并結合黃河干流河道的實際水沙條件和取用水情況,將河口生態需水量應用到河口濕地生態補水(配水)等方案的研究中。

2.3 不同研究方法優缺點

本研究選取了黃河干流與河口地區生態需水相關研究采用的方法進行了對比分析,見表4。黃河干流和河口生態需水核算方法包括常用的Tennant法、90%保證率設定法、水量平衡法、生境模擬法等,常以水量或魚類生境作為關注核心要素。

表4 黃河干流與河口生態需水量主要計算方法比較

由于研究對象和保護目標的不同,采取的研究手段也不盡相同。采取Tennant法、90%保證率設定法、逐月頻率計算法等水文學方法進行最小生態需水量(生態基流)計算,方法簡單快速,但需要大量歷史數據,時空變異性和精度差。對于保護魚類生存繁衍和維持濕地生境等為目標生態需水研究,多采用水文—生態相結合的方法。生態水文模型法和生態學法能體現水文要素與濕地生態相關性,能體現研究對象的生態相關性,計算精度高,但要基于大量觀測數據,代價較大。棲息地模擬與流量恢復法結合能體現流量的歷時、頻率、變化率等因素對生物的影響等,使得方法的精確度更高。棲息地模擬與水文參照系統特征值相結合,能體現保護物種的生態需水過程,但不同年份河床形態變化大,棲息地模擬結果的適用性受到限制。綜上,生態需水研究已從過去采用歷史經驗值的傳統思路,發展到注重分析徑流-生態響應關系,同時充分考慮整體生境特點,研究方法愈趨綜合全面,但在實際應用中還應具體問題具體分析。

3 黃河干流和河口濕地生態系統生態需水研究存在的不足

3.1 維持生態系統完整和功能的生態需水研究不足

基于黃河的生態系統、水文特性、水資源開發利用程度及水環境狀況,認為黃河干流生態需水主要是為維持水生生物(主要是魚類)需求、河道濕地及河道水體功能。黃河河口濕地生態需水主要是為了維持濕地鳥類生境、近海水生生物繁衍生境和濕地規模等濕地功能的生態需水需求。

但黃河作為水資源短缺且水沙條件變化較大的河流,不同年份河床形態變化大。在計算生態需水量時,對河道外敏感生態系統重視不夠,更缺乏生態目標的定量化描述,生態需水計算大多缺乏生態合理性相關分析,無法準確判斷研究成果的實際應用價值。前期的黃河生態需水研究多集中于對生態需水“量”的探討,較少涉及對具體流量過程、歷時、頻率等河流水文情勢的分析,很少建立河流生態需水過程與徑流要素間的聯系和響應關系；大多采取水文學方法進行計算,基于歷史數據核算生態需水量的范圍,而未考慮不同生物的生命周期活動對水流過程的需求。后續研究在對黃河整體生態環境進行大規模實地調查的基礎上,針對黃河生態環境的實際狀況和生態保護目標,結合專家經驗并綜合考慮了“量”的歷時、頻率等因素來研究生態需水量,使得后期計算的生態需水結果更細化,更具合理性。

3.2 對黃河生態需水量時空特異性的認識不足

由于河流生態系統具有天然的異質性,水生態系統對水量水質的負反饋效應具有顯著的空間特異性,并且與局域水生態系統的結構密切相關,人為活動導致的河流水生態系統空間格局顯著變化。由于黃河干流上、中、下游生境差異大,不同河段的生態保護目標不同,水資源、水環境和水生態數據的獲取在時間尺度和空間尺度上的差異,同步整合不同時間和空間尺度的數據并開展全河段綜合性研究的需求十分迫切。尤其是水生態系統對水量和水質的影響通常具有時滯效應,長期的連續性水生態監測數據的缺失,往往難以正確認識和把握水生態系統的反饋效應機理。

目前,黃河生態需水研究范圍和連續性的水生態、魚類資源調查多限于黃河下游及河口地區,中、上游河段研究較少,全河段的研究更少,并且不同方法分類計算所得的生態需水量(生態流量)很難直接用于指導黃河流域水資源的生態調度和配置。

3.3 對黃河生態需水量結果的實際應用效果研究較少

有關黃河干流和河口的生態需水方面的研究已取得一定的成果,既界定了總的生態需水的閾值范圍,亦考慮到了不同水平年及不同保證率下的流量和過程。然而,河流生態水文過程與生態系統的響應關系尚未完全厘清,并且將生態需水成果應用到黃河水量生態調度實踐中效果相對較少,無法有效支撐黃河水量生態調度的實施。以黃河下游河道為例,由于黃河下游河道沖淤變化頻繁,目前黃河下游河道的生態需水(生態環境需水)主要是為滿足河道輸沙減淤目標,對下游河道的生態的影響效果仍缺乏定量評估。

4 結論及展望

黃河的生態問題由來已久,大量學者針對黃河生態需水開展了系統的研究,從水量平衡、棲息地生境、河道輸沙、植被需水等不同角度核算了黃河干流和河口最小和適宜生態需水量等,現階段對于黃河生態需水問題的認識已相對清晰,但仍需根據逐步積累的實測資料來分析黃河生態系統的現狀,在“生態優先、綠色發展”、“讓黃河成為造福人民的幸福河”的要求下,精準分析核算黃河干流和河口生態需水過程及生態需水量,并將計算成果與黃河水量生態調度結合起來,是維護黃河生態健康及實現黃河水量生態調度的前提,在實踐中予以論證生態需水的合理性。

(1)由于生態需水的概念在國內提出時間較晚,截至目前黃河全河的動態監測資料相對較少,導致水力學和生態學等模型的模擬精度受限。需要進一步改進一致的生態水文監測和預測系統,以便能夠建立一個全河的分類系統,建立生態水文模型,模擬流量/水量變化對河流/河口生態系統演變的驅動機制,闡明生態要素(植被、泥沙、魚類等)-生態流量/水量之間的響應關系曲線,考慮到各個水生生態系統對流量變化的敏感性[78-80],提高生態需水結果的生態合理性。

(2)生態需水的研究范圍多限于黃河下游及河口地區,中、上游河段研究較少,全河段的研究更少,分類計算的生態需水量很難用于指導黃河水資源的配置和保護,另外由于對生態需水的目標理解確定存在差異,在生態需水核算方面,還沒有形成具有普遍適用性的計算方法。在未來研究中需結合河流的空間結構特征、各河段的相互關系以及流域的水文特征,考慮變化環境下的生態需水過程與河流水文情勢等的響應關系,考慮到各個水生生態系統對流量變化的敏感性,克服各類生態系統生態需水間的重復計算,計算流域本身需要的生態需水量。建議針對黃河干流和河口生態特征和保護目標,形成規范的、統一物理機制的生態需水研究方法(如基于生態-水文響應關系并綜合其他保護目標的方法等)。

(3)黃河流域水資源供需矛盾突出,用水利益難協調,生態需水核算時還需考慮經濟、社會、環境“三贏”的權衡分析以及未來水沙條件變化等的不確定因素,尋求合理的能應用到實際水量配置方案中的生態需水量。