南流江环境流量核算

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河流从社会经济发展、环境保护和生态功能三个角度观摩，具有供水、发电、调蓄洪水和为湿地生物提供栖息地等重要功能。但正是由于河流在人类活动和社会经济发展及生态环境平衡中所具有的中心和综合作用，致使人们疯狂且不合理的开发利用河流，导致出现了诸如河道萎缩、干涸和鱼类死亡等诸多生态现象。其中河流流量是河流中最活跃的水文要素，在河道水生态系统中起着决定性的作用。河流流量不同空间制度的变化影响生物物种的分布和丰度的同时影响河道的形状和大小，进而影响影响了整个河流生态系统。河流流量变化最直接的变化反应在流速，水深和水面面积的变化。这些变化直接影响河流中水生栖息地和生物物种的改变。近年来愈来愈多的学者开始关注河流生态水量问题。目前，国内外开展了多种与河流生态水量相关的研究；其中，河流的环境流量作为一个研究重点。本文基于径流、水位及水生物种等资料，对北部湾经济区河流环境流量进行计算与分析，为维持北部湾经济区河流生态健康提供参考。 1环境流量 1．1环境流量概念 由于现阶段国内外对河流生态需水量研究颇多，对河流生态需水量的概念已达成比较一致的看法。河流生态需水量是指能够维持河流天然状态下生态系统稳定和健康的需水量。但是什么是环境流量？对此国内外还没有一个公认的定义。世界自然保护联盟采纳的环境流量定义为“在用水矛盾突出、且用水量可以进行调度的河流、湿地和沿海区域，为维持其正常生态系统及功能所拥有的水量”［1］。有学者认为环境流量是指河流满足自身生存和健康需要所必需的水流量［2］。本文认为河流环境流量是指在满足天然状态下河道内生态系统健康稳定的同时能够满足人类基本生存的河道流量。 1．2环境流量特征 环境流量作为一个流量值，其值是一个波动值。如图1所示，最小（大）环境流量是指当河道流量减少（增加）到河道内的主要生物物种所不能承受的河流流量而灭亡。适宜环境流量是指河道流量增加到河道内主要生物物种能正常生存时的河流流量。在讨论生态时总离不开环境，同样在研究环境时自然也离不开对生物和栖息地的研究，加之生态与环境在内涵上具有重叠性，二者很难割裂开来讨论。尽管生态流量与环境流量概念不尽完全相同，但是除非必要，否则二者不必加以区别。但在研究的主体或目标明确时，应作必要的考虑，或尊重传统的分法［3］。因此，计算河流生态需水量的方法也可用于河流环境流量的计算。 2国内外环境流量研究 2．1主要环境流量计算方法 依据目前国内外的应用研究进展，环境流量计算方法可分为四类：水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法［4］。四种方法的比较如表1所示。 2．2研究受试物种 河流环境流量是为了维持河道内主要生物物种的生态健康和整个河道生态系统的健康稳定，进而满足人类的需求的流量。此时，主要关注河道内的关键物种，如鱼类、大型无脊椎动物、藻类和大型水生植物等对水量和水质需求问题［3］。鱼类在河流生态系统中的占据重要位置。鱼类群落有食草性、杂食性和浮游生物实现等各种食性的鱼类组成。其群落结构的变化，能够全面和直接的反应河流水生态系统结构和水质的状况；并且鱼类的个体相对河流中其他物种均较大，容易鉴别，生命周期也较长，能够反应较长时间段河流水流量和水质的状况。因此，本文选用河流中的主要鱼类作为研究受试物种。 3研究区域介绍 3．1研究区域概况 北部湾经济区地处华南经济圈、西南经济圈与东盟经济圈的结合部，是中国大陆东、中、西三大地带交汇点，是未来广西乃至中国经济建设的重点地区。南流江是广西境内最大的独流入海河流，贯穿广西北部湾经济开发区———玉林、钦州、北海等市县。南流江发源于玉林市和北流市交界的大容山，流域面积为9700km2，干流总长278km，多年平均径流量为77．18亿m3。流域地处桂南低纬度地区，南临北部湾，汛期受海洋气候影响，高温多雨，多年平均降雨量在1400～1900mm之间，年内时空分布不均，主汛期4－9月份的降雨量约占全年降雨量的70％以上。近年来随着工农业经济的快速发展，引取南流江的水量在逐年增加，流域的生态环境必将受到不利影响。南流江流域环境流量的计算与分析，对于维持南流江的生态健康具有重要意义（见图2）。 3．2数据说明 河流环境流量计算涉及河流多年径流量、水位、宽度等众多河道水文水力信息，需选择具有较完整及较长年限的河流监测站点资料。南流江流域共有水文站8个、雨量站34个。其中，常乐站于20世纪50年代设站，位于东经109°25′、北纬21°50′，集水面积约6645km2，属于国家站网，测验和整编均按有关规定进行，资料可靠。至今已有水位、流量、降雨量和泥沙等40多年的观测资料，能较全面地反映南流江近年来径流变化情况。基于此，本文计算数据采用常乐站监测数据。 4环境流量计算 目前，国外学者对环境流量的计算还未形成统一的体系，且中国对国外的方法研究较少，多数是以水文数据和水质数据进行研究，偏重宏观尺度，很多计算方法存在局限性［13］。中国现阶段河流生态资料较缺乏，使得生境模拟法在河流环境流量计算中难以实施。整体分析法在中国应用不成熟，且计算耗时漫长，不能准确的计算出中国河流的环境流量。基于此，本文应用水文学法、水力学法和生态水深－流速法［14］计算南流江流域环境流量。 4．1水文学法 4．1．1Tennant法 #p#分页标题#e# Tennant法是依据大量历史观测资料，建立流量和栖息地质量之间的经验关系，二者的关系为表2。其中鱼类主要通过产卵的方式繁殖，因此在环境流量的计算过程中必须考虑主要鱼类产卵时对河流流量的要求。依据实际调查研究和表2，常乐站河道内的最小环境流量为：一般用水期（10月－次年3月）取多年平均月流量的10％，鱼类产卵育幼期（4－9月）取多年平均月流量的10％；常乐站河道内比较适宜的环境流量为：一般用水期（10月－次年3月）取多年平均月流量的20％，鱼类产卵育幼期（4－9月）取多年平均月流量的40％。计算结果见表3。根据表3中的计算结果，南流江流域环境流量为39．87～55．55m3／s。 4．1．2最小月平均流量法 最小月平均流量法采用河流最小月平均实测径流量的多年平均值，作为河道基本生态需水量。计算公式Wb＝Tn∑ni＝1minQij（1）式中：Wb为河流基本生态环境需水量，亿m3；T为换算系数，值为31．536×106s；Qij为第i年第j月实测的月平均流量，m3／s；n为统计年数。由式（1）及表4可得南流江流域环境流量为32．09m3／s。 4．1．37Q10法 中国在（GB3839－83）《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》中，对该方法进行了修改，规定：一般河流采用近10a最枯月平均流量或90％保证率最枯月平均流量（见图3）。由图3可知，南流江流域最小环境流量为18．1m3／s。 4．2水力学法－湿周法 湿周法是以河道湿周作为衡量河道栖息地质量的指标来估算河道内流量的最小值。该法的基本假设是湿周和水生生物栖息地的有效性有直接的联系，保证好一定水生生物栖息地的湿周，就能满足水生生物正常生存的要求。通过建立河道断面湿周－流量关系曲线图4，依据该曲线确定变化点的位置，进而计算河流环境流量。通过对南流江中下游常乐水文站2000－2005年实测大断面资料分析（图5），水文站断面地形基本稳定，局部发生轻微变动，且断面近似成梯形状。依据曼宁公式和谢才公式（假设河流为明渠恒定均匀流）及常乐站断面以梯形断面来近似表达，湿周与流量的关系可表达为：式中：Q为流量，m3／s；S为水面比降；P为湿周，m；n为糙率；b为河底宽度，m；m为边坡系数。依据式（2）分析，梯形断面的湿周与流量呈现出对数关系［15］。建立南流江常乐站湿周－流量关系曲线并经拟合计算，得出湿周－流量关系如图6所示。并依据Gippel［16］从数学上提出的变化的位置应该在曲线的最大曲率或斜率为1处。本文采用斜率为1计算变化点，得出南流江常乐站最小环境流量为5．16m3／s。 4．3生态水深－流速法 生态水深－流速法是通过生态水深、生态流速和由谢才公式及曼宁公式推导出的公式（2），来推断河流维持生态健康（鱼类）所需的流量。生态水深－流速法是水文学（流量、水深等资料）和水力学（曼宁公式等）两种方法的结合，更好的反应河流生态系统所需的环境流量。当河道为宽浅式河道（水深比河宽小很多）时，式中水力半径R可用平均水深代替［17］由图5可知，南流江常乐站河道属于宽浅式。依据广西水产研究所对广西江河内鱼类的研究调查，南流江淡水鱼类中，鲤形目是主要类群，占该水系淡水鱼类的71．62％，其适应流速的能力如表5所示。不同种类的鱼的喜爱流速不同，并且结合鱼类产卵对流速的要求，本文引用广西水产科技研究确定的鱼类及鱼类产卵所需的最低流速为0．3m3／s［18］，并依据建立的流速－流量关系曲线推算南流江的最小环境流量为25．75m3／s。 4．4结果分析 水文学法、水力学法和生态水深－流速法三种方法的思想方法和侧重点不相同。故三种方法计算出的南流江环境流量存在一定偏差，其产生偏差的原因也各不相同，如表6所示。由表6可知，水文学法中的Tennant法计算出的南流江最小环境流量39．87m3／s最大，占年平均流量的25．35％；水力学法中的湿周法得出的结果5．16m3／s则最小，占年平均流量的3．28％；生态水深－流速法计算结果25．75m3／s占年平均流量的16．37％。Tennant法计算出的环境流量过大，若实际应用于河流流量的控制对于经济的压力太大。湿周法所得结果不能完全满足河道内生态系统健康发展。生态水深－流速法结合了河道流量、水深和鱼类喜爱流量等水文和水力学的相关知识，并考虑了南流江中主要淡水鱼产卵所需流量等经济因素，其结果能很好地为南流江水资源的优化配置提供支撑。 5结论 本文从水文学、水力学和水文学＋水力学三方面，对北部湾经济区河流———南流江的环境流量进行初步计算。并对计算结果进行对比分析，认为水文学＋水力学法中生态水深－流速法计算结果25．75m3／s，因考虑了河道流量、水位、断面等河道自身因素和河道内主要鱼类生活习性（鱼类产卵）等生物因素，其结果能较好的反应南流江内生态系统健康稳定所需的河流流量。本文仅是对为维持南流江生态系统健康稳定所需流量进行了初步的研究，研究计算过程中由于资料数据等限制仅选用常乐站一个站点的相关数据，其结果可能存在一定偏差，在今后研究中尚取更多、分布均匀的站点，并加入河流中除鱼类外其他水生动植物影响因素以提高计算结果的精度。