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试论生态环境需水量
关键字:需水量 生态环境 类型 特征 评价方法   时间: 2003-05-13  点击率: 67792
  摘 要: 在强调生态环境需水研究必要性和迫切性的基础上,对相关概念进行了辨析和研究。从生态系统类型和空间尺度两方面,分析了生态环境需水量分类方法和各自的特点。对生态环境需水的基本特征值进行了探讨。水量的保证、水质的保证和时间保证是生态环境需水最敏感的问题。从评价过程和研究学科两方面评述了生态环境需水量的研究方法,前者包括快速评价法和综合评价法,后者包括生态学方法和水文学方法。同时,对生态环境需水的配置问题进行了初步探讨,对未来的研究和管理做了展望。

试论生态环境需水量(许新宜 杨志峰)

摘 要 在强调生态环境需水研究必要性和迫切性的基础上,对相关概念进行了辨析和研究。从生态系统类型和空间尺度两方面,分析了生态环境需水量分类方法和各自的特点。对生态环境需水的基本特征值进行了探讨。水量的保证、水质的保证和时间保证是生态环境需水最敏感的问题。从评价过程和研究学科两方面评述了生态环境需水量的研究方法,前者包括快速评价法和综合评价法,后者包括生态学方法和水文学方法。同时,对生态环境需水的配置问题进行了初步探讨,对未来的研究和管理做了展望。
关键词 需水量 生态环境 类型 特征 评价方法

一、概念问题

1.概念辨析

在目前相关的管理和研究领域,由于缺乏统一的认识,出现了生态需水、生态耗水、生态用水、生态配水、环境需水和环境流量等诸多概念,这些概念常被混用或相互替代,使研究和计算结果不尽相同,给管理和操作带来了许多不便。为进一步理解和认识生态环境需水问题,在这里有必要对其进行简单辨析。

(1)生态需水

生态需水是生态系统达到某种生态水平或者维持某种生态系统平衡所需要的水量,或是发挥期望的生态功能所需要的水量,水量配置是合理的、可持续的。对于一个特定生态系统,其生态需水有一个阈值范围,具有上限值和下限值,超过上下限值都会导致生态系统的退化和破坏。

(2)生态用水

生态用水是某种生态水平下所使用和发生的水量,常常是由于自然原因,如降雨、洪水等造成水的储存或汇集,也可能是由于人为原因,如截流、引水、筑坝等形成的相关系统。这些水量未必是合理和可持续的,多数是被动接受的水量。

(3)生态耗水

生态耗水主要强调了生态系统特别是生物(植物、动物、微生物)生存消耗掉的水量,如蒸散量,需要通过水循环或径流等途径及时补给,体现了周期性和重复补给的特点。生态耗水是生态用水的重要组成部分,一般是小于或等于生态用水量。

(4)环境需水

有些研究者未把生态需水和环境需水进行区别,常统称为生态环境需水或生态需水或环境需水。实际上,尽管生态需水与环境需水两者之间存在着交叉和重合的部分,但从概念上来讲是两个不同的概念,应该区别对待。生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生物多样性方面,环境需水则主要体现在环境改善方面。

(5)生态系统需水

生态系统需水是保持生态系统生态价值在一个低风险水平上所需水量。可通过应用科学的方法和技术、或通过应用基于多年对当地湿地的观测得到理解和计算。生态系统需水更注重和强调生态需水,但同时也包括了环境需水。在一般情况下,将生态系统需水等同于生态环境需水。

(6)生态系统配水

生态系统配水是生态系统需水量或生态环境需水量的一部分,由于受人为控制,是可以被满足的水量。也就是说,给系统的水量可以通过协商来解决。由于水分配(分流、储存或消耗性利用)常常没有达到完全的生态系统需水量(用相关方法估算的)而引起生态系统出现明显的退化。

(7)环境流量

环境流量是指维持栖息地(包括渠道几何形状和底土层)所必需的水量,该流量触发动物产卵和迁徙到先前无人定居的栖息地,使演替和生物多样性依赖的过程能够得到保证,在各类系统中保持理想的营养级结构。环境流量可以由一系列范围的流量特征所组成,包括长期的平均流量、流量的变化性,如低流量和不规则洪水事件等。实际上,环境流量就是所说的生态环境需水量或生态系统需水量,侧重的系统多为河流系统,即河流连续体,包括了与河流相连的湖泊和湿地系统。

2.概念的统一认识

根据以上分析可以认为,生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量。主要包括了维护天然植被所需要的水量,水土保持及水保范围之外的林草植被建设所需要的水量,保护水生生物所需要的水量。环境需水则是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量。主要包括改善用水水质所需要的水量,对于河流,应保证枯水期的最小流量,对于湖泊,主要是加强受污染水体的水量交换,提高水体自净能力,以达到湖泊功能要求和水质标准;协调生态环境,为维持水沙平衡、水盐平衡及维护河口地区生态环境,需要保持一定的下泄水量或入海水量;回补地下水,为遏制超采地下水所引起的地质环境问题,需要一定的回灌用水;美化环境与休闲旅游需水,主要指城市净化、绿化及公园湖泊等用水,游泳、划船、垂钓等休闲、旅游用水等。

二、生态环境需水量分类

1.按照生态系统类型

生态系统类型不同,由于结构和功能的差异,对水量和水质的要求不尽相同。根据人为影响程度的大小,可以将生态系统分为自然系统和人工系统,尽管原始状态下的自然系统已很少,但准自然系统也按自然系统来分析。河道、湖泊、沼泽湿地、河口三角洲湿地、滨海湿地、地下水补给湿地、泛洪平原湿地、林地与草原均归为自然系统,城市河湖、水库、池塘和虾池认为是人工系统。这样分类的目的是基于人对水量的要求和在不同领域功能和价值的差异来考虑的。

(1)自然生态系统需水

尽管人类的活动几乎影响了所有生态系统,但在许多方面,大河及其相连的湿地、湖泊、河口三角洲以及大面积林草地等仍表现出许多自然性特征,自然力作用仍然起着关键作用。这些生态系统维持着丰富的生物多样性物种,具有重要的生态、社会和经济价值。其本身在一定时间、一定空间保证适宜的水量和水位,并得到相应的管理,对于恢复、调整受损生态系统,实现流域或区域生态可持续性具有重要的现实意义。

(2)人工生态系统需水

人工生态系统体现了人为控制特点,包括城市河湖、水库、池塘在内。人为的作用决定了其规模、大小,其需水量的大小也由此而决定。人工系统常常体现了配水特点,即根据供水能力的大小来决定需水量,特别是城市化后发展起来的湖泊和河流,需要根据供水能力实现其需水配置。而上中游的水库则更多地体现了自然性和人为性的双重特点,常常根据径流量的大小,然后依据其功能和坝的规模决定其需水量。

2.按照空间尺度

(1)景观生态环境需水

景观是由相互作用的嵌块体以及廊道组成,以类似的形式重复出现在基质中,具有高度的空间异质性。景观生态环境需水强调了嵌块体和廊道的需水,非常注重空间结构的研究。常常提到的景观娱乐需水是该领域研究的实际体现,如在河道、湖泊中的划船、游泳等需水,林地中的休闲、娱乐等需水。景观生态环境需水经常作为生态系统生态环境需水研究的一部分,不单独列出。实际上,以GIS为技术支撑、景观生态学为理论基础进行生态环境需水量的研究可能会成为该领域研究的一个非常好的切入点。

(2)区域生态环境需水

区域生态环境需水主要针对水资源敏感地区进行,特别是干旱、半干旱及半湿润地区,这些地区水资源自然条件薄弱,存在着长时间、大范围、深程度的资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水,加剧了城市与农村、工业与农业、经济与生态之间的用水竞争。特别是靠挤占生态用水来维持社会经济的高速发展,已导致了生态环境的恶化。由于区域中水系常常并不完整,特别是区域中的河段需水研究,需要结合其上下游的具体需求而协作研究。尽管理论是这样,但在实践中,常选择片段进行研究,在某种程度上减少了可信度。

(3)流域生态环境需水

流域是完整的生态单元,对于系统研究生态环境需水量非常理想,便于发展整体分析方法。从全流域的角度??可以研究不同环境梯度下生态环境需水的差异??揭示梯度与生态环境需水的函数关系??特别是上、中、下游生态环境需水的时空变化规律。在整体分析各流域生态环境需水的基础上,还可以比较各流域间生态环境需水在量和质上的差异和共性。

三、生态环境需水量特征

1.时间保证

对于不同类型的生态系统,其季节和年际变化不尽相同。对于河道而言,一定时间段内既要有低流量的保证,又要有洪峰流量来保证冲沙入海,同时可以在较短的时间内出现区域性断流。对于湖泊而言,在一定时间段内,特别是植物生长季节、动物繁殖季节需要特别的关注。在决定任何流量(如低流量)或水位时的一个重要问题是计算的周期,如果低流量是建立在统计计算整个年的基础上,将忽略河流流量的自然季节变化。对于每周百分比流量的计算可以更好地反映自然变化,但是如果这种流量形成了需水量计算的基础,则可能会给管理者的实际操作带来困难。因此,建立在每月流量的基础上来测定低流量或最低水位应该是研究需水量可取的办法。

2.量质保证

生态系统需水中量的保证包括低流量、冲沙水量、特殊目标水量和保持预留存在水位等几个方面。自然低流量或断流周期在胁迫生态系统中起着重要作用,当胁迫和更大的压力导致有害影响时,生态系统是非常敏感的,特别要求低流量尽可能被保持接近于自然水位。低流量阈值的选择已经有许多方法,可以用保证率法进行计算。冲沙水量是随着暴雨事件而来的,对于保持水生生态系统和渠道结构是非常必要的。因而一定频率的洪水事件对于维持渠道结构和依赖的生态过程也是必要的。特殊目标水量是指水量供给特殊生态系统的需求。如湿地的淹没等,有助于保持湿地及其生物多样性的健康发展。特别是对于需要季节性积水或湿润的湿地及其动植物,特殊目标水量具有重要意义。数量保证的核心是解决好保证率问题。

水质需求也是供给水生有机物适宜栖息地的基础,供有机物在整个生活阶段哺育和繁殖。代表每一个营养级的有机物常常首先在实验室中得到测试,然后来决定他们对不同水质浓度的忍耐力,不同的浓度可能影响其生长、哺育和发展。安全的水质级别将对各种食物链营养级提供足够的保护。水质和水量在大部分区域是紧密相连的。尽管生态系统需水量常常集中在水量方面,但水质要素绝对不应被忽略,包括溶解氧、TN、TP、浑浊度、盐度等在内,不同的生态系统根据功能的差异对这些要素的阈值要求各不相同。特别是当水从上游水坝中被释放来满足下游生态系统需求的时候,水质问题变得更加重要。可能严重地影响着动物的产卵、迁徙和繁殖活动。

3.阈值特征

“临界”一词原属物理学概念,表示某物体在外界干预达到一定限度时,物体形态或结构因不能继续承受干预而发生质变。因此,称处于干预极限的物体为达到“临界状态”,而称干预极限为物体的“临界条件”。生态系统由于长期受外界干预,特别是受人类经济活动的过度干预,其环境条件的变化在积累到一定程度时,也会发生系统组成、系统结构和系统功能的突变。因而称导致生态系统突变的条件为系统突变的临界条件,而称临近突变的生态系统处于生态临界。实际上,根据生物龛理论,由于生态系统本身具有一定的自我调节和自我缓冲性,处于“临界状态”或“生态临界”的生态系统都具有一定的“生态阈限”,即只有扰动超越了其上限或下限,生态系统才不能自控而产生恶变或崩溃。

以湿地进行分析。水是湿地形成、发育、发展的先决条件和关键因子,是生态系统最重要的特征之一。无论是季节性的,还是长期的积水或湿润,在一定时期内,湿地区地表水分的总收入应等于或大于总支出。这样,可保证区域的湿润、过湿或积水,以达到湿地系统稳定性的立地条件。一般地,某一湿地区域水分的收入有三个来源,即降水、地表径流及地下水上升,支出有蒸发,地表径流及下渗。以上均指自然状态下的沼泽区或其他低湿地区。如果有人为的作用,如挖渠以疏干沼泽,河流改道后原有河道变干,围湖造田等,这些表现均属极端现象。因此,往往是人类活动的短期效益意识而使湿地生态系统水供应受阻而最终退化。水分的供应维系着许多珍奇物种和濒危物种,沼泽落干引起特定物种丧失并不总是降低水位的直接后果,还可能是环境变化的综合作用。落干可能伴随着底土层矿质化增加,导致粗质土壤植被的发育。水浸程度的变化也可能改变其他自然控制从而影响物种的生长。

因此,生态环境需水量的临界阈值是一个非常复杂的问题,需要从水的年际变化来研究和判定其阈值。根据系统来水量的差异,丰水年、平水年和枯水年会导致湿地不同的生态特征,特别是湿地边界的明显变化,因而以不同的年份作为评价基础,生态环境需水量的计算结果会明显不同,需要应用整体分析方法,要兼顾到时空耦合与尺度耦合。

四、方法学问题

生态环境需水量研究的方法已经很多。从学科而言,有水文学方法、生态学方法。水文学方法一般是首先对系统进行描述,然后研究系统水量的恢复,并假定生物是适应于前扰动的水量并且水量的恢复将使系统变为健康的生态系统。其目标是尽可能将系统水量恢复到前扰动状态。前扰动的水状况包括了水量、持续时间、淹没频率等。目前,水文学方法研究主要关注在最小流量和水位的保持。水文学方法的有利方面包括低成本、不考虑生物的细节信息,不利方面是缺乏对目前生态价值的直接关注。水文扰动已经使植被发生了不可改变的结果,历史记载的水量可能不太相关于现存的生物。生物的变化也可能是由于其他要素的变化,而这些要素并不直接相关于水文扰动,例如放牧、气候变化等。

生态学方法包括现存或期望生物对水量的需求和分配。也包括对历史水量数据的检验,但不同于水文学方法,主要是基于生态管理的目标。生态学方法的有利方面是直接针对目前系统的生态价值和现存问题,如水禽对水的利用状况,濒危物种或种群的现状,侵入物种的表现等。不利方面是缺乏物种需求信息,另外,现有的相关数据不能满足需水量计算的需要。

从整体来看,目前国内外应用较多的研究方法主要有河道内流量增量法(IFIM),这是一种应用最广泛的方法。它由一套分析工具和计算机模型组成,用来评价河道内流量的变化对渠道结构、水质、温度和所选物种适宜的栖息地的影响。物理栖息地模拟模型(PHABSIM)法,是相关于河道内变量(深度、流速、底质和盖度)变化以及特殊物种栖息地及它们的生活阶段的一套计算机模型。Tennant法是一种更多地依赖于统计的方法,建立在历史流量记录的基础上并将平均每年自然流量的简单百分比作为基流,更适宜于季节性为基础的需求。流量持续时间曲线分析法,是利用流量持续时间曲线的特殊百分点提供逐月最小流量。栖息地排水法是给目标鱼类物种及其栖息地繁殖和保持需求提供一个特殊的推荐值。水利额定法则是运用一个或多个水利参数,如最大深度和流速,来预测适宜河道内栖息地量的变化。此外还有基于水文学参数的7Q10法、基于水力学参数的R2CROSS法、湿周法,以及BBM法(建立分区法)等研究方法。这些方法对于解决较小型河道生态环境需水较为实用,但对于大河而言,需要有更多的实践和参数变换。同时,这些方法不太适宜于湖泊、沼泽湿地等。因此,需要开展更广泛的方法学研究。

五、生态环境需水的调控

为实现水资源可持续利用战略,满足生态环境需水量,需要对水资源进行合理配置和调控。配置分区域间和区域内两个层次:区域间配置的任务是通过跨流域调水工程进行较大范围内的水量调配,以改善水资源分布不均,缓解流域或区域水资源不足的矛盾;区域内的配置则以流域为基础,充分发挥当地水资源的作用,进一步加强节约用水,提高水的利用效率,保证生态环境需水量。

1.高效用水,回归挤占的生态环境用水

制定区域各行业用水和节水规划,将用水指标分配到各区域和各行业,严格监督管理。要制定节水技术标准,在技术上强制实行节水措施,鼓励发展节水产业。

引入新方法和新技术,采取有力措施,保证在中远期目标实现全区节水灌溉,工业企业采用节水型新工艺。在农业灌溉规划中,减少水浇地面积,扩大林果面积和牧草地面积,增加喷灌和微灌面积,提高灌溉水的有效利用系数。工业节水可分为直接节水、间接节水和替代节水,提高工业用水重复利用率,合理调整工业结构,改进生产设备,提高生产工艺。

2.充分挖掘当地水资源潜力,保证生态系统足够的水资源量

雨水资源化。一般而言,雨水资源化有两种途径:一是雨水的自然资源化过程,其含义是雨水通过入渗进入土壤,增加土壤水库储水量,直接供给植物生长;二是雨水的人为资源化过程,主要是经过人为干预,使雨水变为雨水资源。利用集雨工程和蓄滞洪区截流和滞纳一部分雨洪水,既可以增加湿地面积,又可以在干旱缺水季节,调节径流量和改善生态环境。

污水回用。目前,大部分废污水未经处理排放,而且大部分用于农业灌溉。即使一些经过处理的废污水也未得到较好的利用,随着水污染防治力度的加强,污水处理设施将大幅度增加,污水处理率也将不断提高。用水重复率的提高,将为湿地生态环境需水提供空间,同时也将改善湿地生态环境。

3.跨流域调水,保证重要系统生态环境需水

南水北调解决的既是经济问题,也是政治、社会、生态和环境问题。它的功效就在于:可以对流域经济社会长期可持续发展提供可靠的水资源保障,可以稳定流域农业生产水平,可以控制和恢复地下水位、保护和维持生态环境功能、防止岸线侵蚀和海水入侵等。南水北调是构筑我国黄淮海流域乃至整个北方地区经济社会可持续发展的水资源保障体系的有效途径,是全面建设小康社会重要的基础设施。工程在给城市供水的同时,由于大量地表水体进入流域以及人为的调控,将会使流域水循环过程发生较大变化,从而改善与之相关联的水生态环境。

六、未来工作的展望

生态环境需水问题无论对管理部门、还是对研究部门而言,都是一个全新的领域,有许多理论和方法问题需要进一步探讨和深入研究,同时在实践中得到充分验证。不但要从计算方法上,而且还要从评价指标体系上、需水阈值上进行系统化研究,为管理决策提供具有操作性的方案和准则。在这里,需要特别强调的未来工作是生态环境需水标准制定问题、法律法规问题和信息数据库问题。

1.生态环境需水标准的制定

随着对生态环境需水认识的不断提高,迫切需要有一套完整和系统的需水标准以便于管理和操作。根据不同类型生态系统的基本特征和功能要求,动植物区系生态环境历史变化和生态环境潜在价值,首先需要确定出生态环境恢复的方案和目标。根据不同恢复方案和目标,制定相应的需水量标准,同时,根据流域或区域水资源的具体状况,对所制定的标准进行校核,使其成为符合实际便于操作的标准体系。需要指出的是,由于地表水、地下水、土壤水等水资源情势的变化改变了生物赖以生存的环境,导致生物的种群数量、群落结构乃至生态系统发生变化,生态环境需水也随之改变。因此,要研究流域或区域大规模开发前后生态环境变化的具体情况和原因,从生态环境现状出发,制定不同恢复方案的生态环境需水量标准。

2.生态环境需水法律法规

目前,有关水资源方面的法律、法规文件很多,但涉及生态环境需水及其合理分配的内容并不多,使生态水、生活水和生产水发生了矛盾,产生冲突。没有了法律法规赋予的生态环境水权,野生动植物、生物栖息地、景观建设得不到有力保障,致使生物多样性受损、生态环境遭受破坏。因此,给野生动植物及其生存环境足够的水量,使其法制化和规范化,是当务之急。

3.建立生态环境需水管理数据库

该数据库一方面要包括水文水资源系列数据,还要有生态系统类型及其相关特征的数据。以流域或区域为单元,进行相关数据的收集和整理,将水资源数据资料进行充分积累。无论是地表水还是地下水,供水量需要得到精确测定。地表水监测数据要包括在主要河段设置的水文站数据,并充分估计流域间水的输移。河流入库和水库容量的计算也要包含在内。同时用水状况的中央数据库与供水数据库同时建设,并建立水质数据库。生态系统类型及其生物资源中央数据库也同时需要建立,确保各类生态系统与水资源相对应。

(作者许新宜为水利部南水北调规划设计管理局副局长,杨志峰为北京师范大学环境科学研究所教授)

《中国水利》2003-3A刊

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