河道内生态环境需水量计算方法的研究现状及其改进探讨

第17卷第4期2006年　8月

水资源与水工程学报

Jo urnal o f Water Reso urces&Water Eng ineering

V o l.17No.4

A ug.,2006

　河道内生态环境需水量计算方法的

研究现状及其改进探讨

张代青,高军省

(郑州大学环境与水利学院,河南郑州450002)

摘　要:从河道内生态环境需水量的基本概念出发,提出河道内生态环境需水量的计算方法问题,认为尺度转换问题是河道内生态环境需水计算的基础;总结了目前国内外较为常用的河道内生态环境需水量的计算方法,同时对其进行了综合比较,指出了其优缺点;认为将国外和国内计算方法有机结合并进行合理改进,使之适合国内河道内生态环境需水计算,是今后国内河道内生态环境需水研究的方向之一。

关键词:生态环境需水量;计算方法;研究尺度;河道

中图分类号:X171.1 文献标识码:A 文章编号:1672-643X(2006)04-0068-06

Discuss on the research situation of estimating methods of

eco-environmental water requirements in river course and its modification

ZHANG Dai-qing,GAO Jun-sheng

(School of Env ir onment and W ater conser vancy,Zhengz hou University,Zhengz hou,H e'nan450002,China)

Abstract:Based on the basic co ncept of eco-environmental water r equirements in river cour se, the question on estimation metho ds has been pr esented.T he issue of scale transfo rmation w as co nsidered the base to estimate eco-environmental w ater requir em ents in river co urse.Then more general estimatio n methods of eco-environmental w ater requirements in r iv er cour se at ho me and abr oad w er e summ arized,the sy nthesis compar ison to them w as carried on,and the advantag es and disadvantag es of applying them to practice w ere pointed out.Finally,in o rder to estim ate eco-environmental water r equirements in river course in do mestic,it w as tho ug ht that co mbining do mestic estimation metho ds with foreign estimatio n methods and reasonable improvem ent w as one of research directions.

Key words:eco-environmental w ater requirements;estimation methods;research scale;river co urse

河流水体是流域地表水资源的主体,对农业、工业、生活以及生态环境用水起主导作用。因此,河道内生态环境需水,特别是河道内生态环境需水量的计算,是水资源领域研究的重点。如冯宝平和张展羽等[1]、王西琴和刘昌明等[2]对河道内生态环境需水量的计算问题都进行了重点阐述。但至今国内外能通用的计算方法却很少,尤其是用国外方法计算国内河流生态环境需水时,结果往往与实际不符,致使许多计算方法的应用受到很大限制。为吸收国外计算方法的优点、准确计算国内河流生态环境需水量、合理开发和综合利用河流水资源,笔者试图对国内外河道内生态环境需水量计算方法进行总结、比较、分析、改进和补充,以寻求符合国内实际的河道内生态环境需水量的计算方法,为较准确计算国内河流生态环境需水量提供一种新思路。

1　基本概念与研究尺度

1.1　基本概念

河道内生态环境需水量是美国渔业和野生动物保护组织最早提出的[3]。目前,虽然国内外已通用这

收稿日期:2006-02-10

基金项目:郑州大学引进人才科研项目资助

作者简介:张代青(1974-),男(汉族),湖南隆回人,硕士研究生,主要从事水文学及水资源研究。

个名词,但至今没有一个明确公认的定义。实际上,河道内生态环境研究范围应该包括河道及连通的水库、湖泊、沼泽和湿地等。笔者认为,给河道内生态环境需水量下定义,不能单单考虑水量,还要考虑需水量的水质及其成本价值,因为优化配置河道内生态环境需水量的目的,是利用、改善和保护生态环境,使其充分发挥可持续性的生态功能,更好地为人类全面发展服务。因此,建议河道内生态环境需水量可定义为:从生态环境的功能要求出发,为改善或维护生态环境不再恶化,对河道生态系统所要求的最小水量,并考虑在这一水量下生态系统能够容纳的最差水质,以及这一水量因用于生态环境需水而失去用在其它方面应该产生的效益。

1.2　研究尺度

水资源学是一门交叉学科,涉及水文学、生态学、环境学与河流动力学等多门学科,而各门学科都有自己的研究尺度。因此,尺度转换问题是生态需水计算的基础,是水资源综合评价的桥梁。为统一尺度,研究河道内生态环境需水计算方法,目前大多专家学者都考虑纵向(顺水流方向)、横向(垂直水流方向)、垂向(地表水与地下水上下交换方向)和时间域(考虑河道内生态环境需水量是一个时间变量)等四维尺度[3]。以下各类计算方法就是建立在以水文为基础的同一尺度上。

2　计算方法

2.1　国外计算方法

综合国外河道内生态环境需水量计算方法,主要有以下4类[1,2,4]:

2.1.1　历史流量法　该法是以历史流量资料为基础,根据不同设定标准按比例缩小河流的宽度、深度和流速,将计算得到的平均流量作为对应设定标准的流量估计值。主要方法有以下6种: 7Q10法[1]:以水文参数为基础,采用90%保证率最枯月连续7 d的平均水量作为河流最小流量设计值。 径流时段曲线分析法(Flow Duration Curve Analy sis)[1]:以水文分析为基础,采用逐月最小径流量的特殊百分比作为河流生态环境需水量。蒙大拿法(M on-tana M ethod):亦称Tennant[1]法。该法将生态环境和水文情势联系起来,在分析河流水力断面参数-历史流量百分比的相关性后,取预先确定的年天然径流量的特殊百分数作为河流生态环境需水量的推荐值。如取年平均流量的10%作为水生生物生长的最小流量,年平均流量的60%～100%作为水生生物生长的流量最佳范围等等。!Texas法[5]:该法是在T ennant法的基础上进一步考虑了水文季节变化因素,通过对各月的流量频率曲线进行计算后,取50 %保证率下的月流量的特定百分率作为最小流量。其特定百分率的设定以研究区典型植物以及鱼类的水量需求为依据。该法具有地域性,对流量变化主要受融雪影响的河流较适用。∀NGPRP(Northern Great Plains Resource Prog ram)法[6]:是将水文年按枯水年、平水年和丰水年分组,取平水年组90%保证率流量作为最小流量。其优点是考虑了枯水年、平水年和丰水年的差别,综合了气候状况以及可接受频率因素,但缺乏生物学依据。#基本流量法(Ba-sic Flow Metho d)[7]:是选取平均年的1,2,3,…,100天的最小流量系列,计算1和2、2和3、3和4,…,99和100点之间的流量变化情况,将相对流量变化最大处点的流量设定为河流所需基本流量。该法是根据河流流量变化状况确定所需流量,能反映出年平均流量相同的季节性河流和非季节性河流在生态环境需水量上的差别,计算简单,但缺乏生物学资料证明。

2.1.2　水力学法　该法以保留河流的足够水量和保持河道的基本形态为集中目标,主要方法有以下3种: 湿周法(Wetted Perimeter M ethod)法[1]:假设保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周,也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。它是利用湿周作为栖息地的质量指标来估算期望的河道内流量值。通过在临界的栖息地现场搜集渠道的几何尺寸和流量数据,并以临界的栖息地类型作为河流其余部分的栖息地指标,根据河流流量与湿周的关系,将河流临界湿周区域作为水生生物栖息地保护的最低要求。该法适用于湿润河网区,但河道的形状会影响该法的分析结果。 R2-Cr oss法[1]:假设浅滩是最临界的河流栖息地类型,而保护浅滩栖息地也将保护其他的水生生物栖息地。通过水域生态系统平衡分析,根据水生生物生产量和栖息地与水深、流速、河宽等的关系,由曼宁公式计算所需水量。该方法适用于一般浅滩式的河流栖息地类型。CASIM IR(Computer Aided Sim ulation Mo del for Instream Flow Requirem ents in Diverted Stream)法[8]:该方法是基于现场数据——流量在空间和时间上的变化,采用FST[9]建立水力学模型、流量变化与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,反推期望的流量。

2.1.3　栖息地法　栖息地法以提供一个适宜的物

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