1.3　國內(nèi)外研究進展

1.3.1　河流生態(tài)環(huán)境需水研究動態(tài)

1.3.1.1　河流生態(tài)環(huán)境需水概念

河流生態(tài)環(huán)境需水的概念一直都是眾說紛紜,并不是十分明晰,存在生態(tài)需水、環(huán)境需水、生態(tài)環(huán)境需水等相近的概念,國外對生態(tài)環(huán)境需水的研究多使用河流最小流量、最小可接受需水量、枯水流量等詞語,也有使用基本生態(tài)需水、生態(tài)可接受流量范圍、環(huán)境需水等術(shù)語的。國內(nèi)有“用水”、“需水”和“耗水”三種提法:關(guān)于“用水”有“生態(tài)用水”、“環(huán)境用水”、“生態(tài)環(huán)境用水”等多種提法;關(guān)于“需水”有“生態(tài)需水”、“環(huán)境需水”、“生態(tài)環(huán)境需水”、“生態(tài)及環(huán)境需水”、“生態(tài)與環(huán)境需水”等多種提法;關(guān)于“耗水”的概念,國內(nèi)認識比較一致,認為生態(tài)耗水是生態(tài)系統(tǒng)實際消耗的水量。“生態(tài)”在《中國大百科全書》中未列詞條,但一般認為“生態(tài)”是與生物有關(guān)的各種相互關(guān)系的總和,強調(diào)的是“關(guān)系”。環(huán)境是指某一特定生物體或生物群體以外的空間,以及直接或間接影響該生物體或生物群體生存的一切事物的總和。《中國大百科全書》對環(huán)境的定義是:“圍繞著人群的空間及其中可以直接、間接影響人類生活和發(fā)展的各種自然因素和社會因素的總體。”并指出:“按環(huán)境主體可分為以人作為主體的人類生存環(huán)境和以生物為主體(不把人以外的生物看成環(huán)境要素)的生物界生存環(huán)境”。環(huán)境總是相對于某中心事物而言,與某一中心事物相關(guān)的周圍事物的集合就稱為這一中心事物的環(huán)境。中心事物是環(huán)境最主要的屬性,代表了環(huán)境服務(wù)的對象和重點,是環(huán)境的主體,與中心事物相關(guān)的周圍事物就是環(huán)境客體,這些客體可以是物質(zhì)的,也可以是非物質(zhì)的。離開了主體或中心事物,環(huán)境就失去了明確的含義,也就無所謂環(huán)境。因此環(huán)境只具有相對的意義。或者說是一個相對的概念。“生態(tài)環(huán)境”的概念目前國內(nèi)有五種不同的觀點:①認為“生態(tài)”、“環(huán)境”是兩個不同概念,“生態(tài)”與“環(huán)境”應(yīng)根據(jù)各自的內(nèi)涵分別使用。如果“生態(tài)”與“環(huán)境”均須提及,可稱之為“生態(tài)與環(huán)境”。②認為“生態(tài)環(huán)境”的準確表達應(yīng)當是“自然環(huán)境”。從嚴格的意義上說,應(yīng)當用“環(huán)境與生態(tài)”,或歸總為“環(huán)境”。③認為從邏輯含義上分析,“生態(tài)”包含生物、環(huán)境、(生物與環(huán)境之間的)關(guān)系三個要素。“環(huán)境”只是其中的一個要素,它是相對于主體而言的。“生態(tài)”一詞根本不能用作“環(huán)境”的修飾語或限制詞。④認為根據(jù)中國語言的特點,“生態(tài)環(huán)境”就是“生態(tài)和環(huán)境”或“生態(tài)或環(huán)境”。⑤認為“生態(tài)環(huán)境”是“由生態(tài)關(guān)系組成的環(huán)境”的簡稱,英文為“ecological environment”,其組詞為偏正結(jié)構(gòu),生態(tài)是形容詞,環(huán)境是名詞。綜上所述,筆者認為“生態(tài)”是側(cè)重于有機系統(tǒng)的,而“環(huán)境”是側(cè)重于無機系統(tǒng)的,是以“生態(tài)系統(tǒng)”為對象的“環(huán)境”,兩者是共存關(guān)系的,是統(tǒng)一的,在本書中以河流健康為目標,而河流就是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),包含有機和無機系統(tǒng),所以使用“生態(tài)環(huán)境”一詞。

1.3.1.2　河流生態(tài)環(huán)境需水分類

生態(tài)環(huán)境需水的分類由于自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及生態(tài)環(huán)境需水極大的不確定性,很難直接從整體上量化某個生態(tài)系統(tǒng)或某個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需水。為此,需要對其進行分解、簡化,以便求解。一個基本的思路是將生態(tài)環(huán)境需水劃分為一定的類別,各類別需水分別計算,然后綜合而得整個區(qū)域或者整個生態(tài)系統(tǒng)的需水量。生態(tài)環(huán)境需水的分類是計算生態(tài)環(huán)境需水量的基礎(chǔ),根據(jù)研究對象、研究目的與研究方法的不同,生態(tài)環(huán)境需水可有不同的分類原則。賈寶全等針對干旱區(qū)將生態(tài)用水分為人工綠洲生態(tài)用水、荒漠河岸林生態(tài)用水、河谷林生態(tài)用水、低平地草甸生態(tài)用水、城市生態(tài)用水、河湖生態(tài)用水、荒漠植被生態(tài)用水七類。在研究河流生態(tài)環(huán)境需水時,目前常用的分類方法是根據(jù)功能來劃分。河流系統(tǒng)具有輸水、輸沙、泄洪、自凈、航運、景觀和生態(tài)等功能。河流生態(tài)環(huán)境需水按功能可劃分為河流水污染防治用水、河流生態(tài)用水、河流輸沙用水、河口區(qū)生態(tài)環(huán)境用水以及河流景觀與娛樂環(huán)境用水等。陳麗華等在計算北京市生態(tài)用水時將生態(tài)用水類型分為六類:山區(qū)森林植被建設(shè)用水、水土保持生態(tài)用水、平原造林綠化生態(tài)用水、城鎮(zhèn)綠化生態(tài)用水、河流基流生態(tài)用水、河流輸沙生態(tài)用水。王芳等根據(jù)生態(tài)環(huán)境需水的來源不同而將其劃分為可控生態(tài)需水和不可控生態(tài)需水。許新宜等按照空間尺度分,可分為景觀生態(tài)環(huán)境需水、流域生態(tài)環(huán)境需水和區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水。張麗等認為生態(tài)環(huán)境需水從空間尺度上分為廣義和狹義生態(tài)需水;根據(jù)用水功能分為生態(tài)需水和環(huán)境需水;根據(jù)生態(tài)需要和實際用水分為生態(tài)需水和生態(tài)用水;根據(jù)需水的來源或人類對水源的控制力分為可控和不可控生態(tài)需水;根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)形成的原動力分為天然和人工生態(tài)需水;根據(jù)需水的空間位置分為河道內(nèi)和河道外生態(tài)需水;根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的類型可分為水域和旱地生態(tài)需水。唐克旺等認為生態(tài)環(huán)境需水按空間的一級分類可分為河道內(nèi)和河道外生態(tài)需水,若按尺度可分為宏觀和微觀生態(tài)需水。河道內(nèi)生態(tài)需水又可分為水土保持需水、河道生態(tài)與環(huán)境需水、流域濕地保護需水、河口生態(tài)需水及地下水生態(tài)水位;河道外生態(tài)需水指城市生態(tài)環(huán)境需水、防護林體系需水、濕地補水等。綜觀上述研究對生態(tài)環(huán)境需水的分類情況可以看出,由于研究目的、研究對象與研究方法的不同,生態(tài)環(huán)境需水分類方法多種多樣。總的說來,常用的分類方法主要是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的類型以及生態(tài)環(huán)境用水的功能來劃分。

1.3.1.3　河流生態(tài)環(huán)境需水研究方法

1.河道內(nèi)需水

(1)河流生態(tài)基流。在國外河流生態(tài)基流計算方法主要包括:水文學方法、水力學方法、生境模擬法(棲息地偏愛法)和整體分析法(BBM法)4種。水文學方法有Tennant法(又稱Montana法)、枯水頻率法(又稱7Q10法)、德克薩斯(Texas)法、水生物基流法(ABF法)、可變范圍法(RAV法)等。Orth和Maughan認為由于IFIM法所需要的定量化的生物資料的缺乏,使這種方法的應(yīng)用受到一定的限制。King和Tharme指出,傳統(tǒng)的IFIM法將其重點放在一些河流生物物種的保護,而沒有考慮諸如河流規(guī)劃以及包括河流兩岸在內(nèi)的整個河流生態(tài)系統(tǒng),由此計算出的推薦的流量范圍值,并不符合整個河流的管理要求。CASIMIR(Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements in diverted stream)法,基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)—流量在空間和時間上的變化,采用FST建立水力學模型、流量變化、被選定的生物類型之間的關(guān)系,估算主要水生生物的數(shù)量、規(guī)模,并可模擬水電站的經(jīng)濟損失。整體分析法(BBM法)主要是南非水務(wù)及林業(yè)部門研發(fā)的一種方法,其優(yōu)點是對大小生態(tài)流量均考慮了月流量變化,但該方法主要是針對南部非洲環(huán)境開發(fā)的,計算過程比較復(fù)雜,應(yīng)用于國內(nèi)需根據(jù)當?shù)貙嶋H情況進行改造。目前最適合于我國的計算方法是水文指標法,其中Tennant法應(yīng)用最為廣泛,王占興在分析我國高寒地區(qū)水文氣象特征的基礎(chǔ)上,對Tennant法進行修正來確定高寒地區(qū)中小河流生態(tài)環(huán)境需水量,指出確定某河段特征流量不僅要根據(jù)特征流量下的濕周比率,同時平均流速、平均水深也要達到一定的下限。郭利丹等認為Tennant法在生態(tài)徑流研究中起著重要作用,但是在生態(tài)徑流評價中存在一定局限性,Tennant法的同期均值比相對年均值比合理,還利用逐月最小生態(tài)徑流計算法、逐月頻率計算法對Tennant法進行修正,在此基礎(chǔ)上提出了我國北方中小型河流生態(tài)徑流量計算的一些改進方法:改變連續(xù)歷時時段計算法、逐月最小(大)生態(tài)徑流計算法、確定河流生態(tài)徑流量上界的參照法和逐月頻率計算的綜合法。門寶輝、劉昌明結(jié)合南水北調(diào)西線河道內(nèi)生態(tài)需水量計算,對Tennant法計算標準進行了修正,采用實地調(diào)查的方法,發(fā)現(xiàn)南水北調(diào)一期工程調(diào)水區(qū)氣溫較低,引水河流中魚類洄游及水生生物的活動期主要集中在7—8月,而且每年12月到次年3月河道均處于冰凍期,所以將Tennant法的用水期修正為7—8月,并應(yīng)用于實例研究。黃強等為了彌補Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季節(jié)特性的不足,引入了環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)對Tennant法進行改進并應(yīng)用于黃河下游三門峽至利津等站,結(jié)果表明改進后的Tennant法能夠適應(yīng)地形多變、流量季節(jié)性變化的河流,拓寬了Tennant法的適用范圍。水力學方法代表性的是以曼寧公式為基礎(chǔ)的R2CROSS法和濕周法,其中濕周法在國內(nèi)研究比較多。李梅、黃強等提出了一種同時考慮河道本身參數(shù)(濕周、糙率、水力坡度)和維持某一生態(tài)功能所需河流流量的方法,避免了濕周法不能反映復(fù)式斷面真實水位流量關(guān)系的缺點。郭文獻等探討了濕周法確定河道最小生態(tài)流量的計算步驟,采用斜率為1法和曲率最大法來確定濕周流量關(guān)系曲線上變化點所對應(yīng)的最小生態(tài)流量,以長江中下游河道為例進行計算,結(jié)果表明曲率最大法確定準則計算結(jié)果合理,而采用斜率為1法確定準則計算結(jié)果偏大。史方方等針對漢江流域?qū)嶋H情況,選用改進濕周法對漢江上游3個水文斷面的最小生態(tài)流量進行定量估算,與Tennant法相比較,表明采用曲率濕周法更加合理。宋蘭蘭等在改進濕周法的基礎(chǔ)上研究了河流生態(tài)基流的概率分布,采用主成分分析和多元回歸相結(jié)合的方法,為生態(tài)基流預(yù)測提供了思路。王慶國等在研究標準拋物線形河道斷面計算河段的生態(tài)需水時發(fā)現(xiàn)原濕周法的不足,在分析原因后建議將拐點的斜率取為多年平均流量與相應(yīng)濕周長比值的平方根,并以此進行計算,結(jié)果反映出河流特征的差異,其變化趨勢符合對河流生態(tài)需水規(guī)律的一般性認識。生境模擬法(棲息地偏愛法)國內(nèi)研究比較少,王西琴、張遠、陳敏建等對其進行了總結(jié)。

(2)河流輸沙需水。石偉、王光謙在研究黃河下游生態(tài)需水量時,從輸沙水量的概念出發(fā),給出了考慮河段淤積、引沙后的最小輸沙水量計算式。常炳炎根據(jù)實測資料分析得到,平均流量為1750～3370m3/s,最大流量為3700～6600m3/s,一般均不漫灘,平均含沙量為72～121kg/m3,河道淤積比在20%左右的洪水為高效輸沙水流。倪晉仁等指出河流輸沙用水是從中國河流特殊的生態(tài)系統(tǒng)考慮而提出的,是保證河流輸沙功能的基本要求,否則將導(dǎo)致河道淤積和河流系統(tǒng)功能喪失。

(3)河流污染防治需水。它主要包括自凈需水和引水稀釋用水兩部分。自凈需水是指在正常排污的情況下,為了使水質(zhì)達到一定標準,維持正常水生生態(tài)條件,河道內(nèi)必須保留的最小水量。引水稀釋用水是指在過量排污的情況下,即使削減污染源,水體也難以在短時間內(nèi)自行恢復(fù)正常,此時考慮從流域外調(diào)入水量來恢復(fù)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境時的水量。本書不考慮引水稀釋用水,主要考慮自凈需水部分。

(4)水保及地下水生態(tài)水位需水。作為生態(tài)系統(tǒng)自身固有的特征,流域生態(tài)環(huán)境需水直接決定于流域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)的組成及其狀態(tài)。從影響生態(tài)環(huán)境需水大小的角度來考慮,各生態(tài)系統(tǒng)主要通過兩個特征來影響生態(tài)環(huán)境需水:一是生態(tài)系統(tǒng)的類型,二是該生態(tài)系統(tǒng)所占的面積;從某種角度來看正是流域的土地利用、土地覆蓋結(jié)構(gòu)。也就是說,只要流域土地利用結(jié)構(gòu)確定,則可以較為方便地計算出其生態(tài)環(huán)境需水量。生態(tài)地下水位應(yīng)從三個方面定量分析:一是考慮補排平衡,要求適宜的埋深,水位不能過低;二是考慮防止鹽堿化,水位不能過高;三是要維持和支撐河道生態(tài)用水。流域生態(tài)需水是一個復(fù)合指標:地表水生態(tài)需水特征值、生態(tài)地下水位,它們之間包含轉(zhuǎn)化關(guān)系。半濕潤半干旱區(qū)流域水資源大規(guī)模開發(fā)利用引發(fā)的河流生態(tài)問題的實質(zhì),由兩個關(guān)鍵點形成:一是上游下泄量減少;二是平原區(qū)地下水超采導(dǎo)致地下水河岸調(diào)節(jié)作用散失。

(5)河流水面蒸發(fā)需水。水面蒸發(fā)是指流域內(nèi)江河、湖泊、水庫等水體的蒸發(fā),大水體蒸發(fā)量的觀測往往非常困難,很難得到實測資料,通過觀測小面積水面蒸發(fā)并尋求出小面積水面蒸發(fā)與大水體水面蒸發(fā)之間的關(guān)系來間接推求大水體水面蒸發(fā)的方法即為蒸發(fā)器(皿)折算法。我國現(xiàn)行的水面蒸發(fā)資料是用種類不同規(guī)格的蒸發(fā)器測得的,主要蒸發(fā)器有蘇聯(lián)地埋式蒸發(fā)器、E601蒸發(fā)器、直徑為80cm帶套盆的蒸發(fā)器和直徑為20cm蒸發(fā)皿,我國水文部門一般使用直徑為80cm帶套盆的蒸發(fā)器,北方結(jié)冰期有的改用直徑為20cm蒸發(fā)器,E601型蒸發(fā)器資料較少,氣象部門統(tǒng)一用直徑為20cm蒸發(fā)器。

(6)河口生態(tài)環(huán)境需水。河口生態(tài)系統(tǒng)位于陸地淡水生態(tài)系統(tǒng)和海洋鹽水生態(tài)系統(tǒng)交匯處,鑒于河口在流域生態(tài)系統(tǒng)中的特殊地位和河口生態(tài)環(huán)境退化的嚴重性,河口生態(tài)環(huán)境需水是必須要考慮的一部分內(nèi)容。河口生態(tài)環(huán)境需水是指保持河口生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能健康及其可持續(xù)性所需要的淡水量。不同生態(tài)功能的河口生態(tài)環(huán)境需水主要表現(xiàn)為對徑流水質(zhì)、水量及相應(yīng)的時空差異性的要求。

2.河道外需水

(1)城市生態(tài)景觀需水。城市生態(tài)景觀需水量是指為了維護城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不再下降或改善城市環(huán)境而人為補充的水量,是為了改善城市環(huán)境。主要包括風景觀賞河道用水、公園湖泊用水以及城市綠化與園林建設(shè)用水。瞿倫強認為城市生態(tài)景觀用水是指維持城市水生生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的用水,包含水質(zhì)、水量、水面三個要素。

(2)流域濕地需水。流域濕地需水量主要考慮為維持流域內(nèi)天然湖泊洼地特定的水、鹽以及水生生態(tài)條件,湖泊洼地一年內(nèi)消耗的水量。

(3)植被防護林體系需水。本部分主要包括天然植被和人工植被的生態(tài)需水,天然植被的生態(tài)需水主要依靠吸取土壤水和地下水來滿足,可用潛水蒸發(fā)法來間接估算,干旱區(qū)天然植被的實際蒸散可近似地用潛水蒸發(fā)量來代替。