黄河河口生态需水研究进展与展望

黄河河口生态需水包括河流生态需水、湿地生态需水和近海生态需水。系统梳理了近20年来黄河河口生态需水目标、需水类别和需水量计算结果;结合黄河河口演变特点,提出生态需水研究的重点和主要方向。河流生态需水以满足重要渔业物种生境为主,重点研究指示物种对天然径流量节律的响应特征,量化水文-生态响应关系,在某种程度上恢复自然水文情势的生态功能。湿地生态需水应深入研究植被、土壤、水体的水盐平衡和蒸散发规律,从植被和鸟类生态位的合理设计以及生物多样性维持出发构建生态系统结构,确定湿地合理规模。近海生态需水应研究入海冲淡水对渔业物种低盐产卵育幼场的塑造和维持机制,以及重要渔业物种习性、适宜营养盐水平与磷酸盐输送扩散机制。小浪底水库运用以来,利津断面径流量满足已有生态需水径流量各项研究成果要求的年份比例为37%～58%,春季经流过程经常缺乏流量脉冲。初步分析以湿地、河道鱼类和近海鱼类为主要目标的全年生态需水量为86亿m~3,径流过程需要阶段性场次洪水。建议对小浪底水库调度方案进行多年优化调整,兼顾春季流量脉冲的塑造,在更大程度上满足河口生态需求。     

基于黄河鲤栖息地水文-生态响应关系的黄河下游生态流量研究

本研究采用野外生物监测、栖息地同步观测和实验室控制实验等技术手段,应用生物学、鱼类生态学、生态水力学、水文学等多学科理论,基于河流栖息地模拟法,研究了黄河下游指示物种黄河鲤生态学特性及其栖息生境与流速、水深、水温等水文水环境因子之间的关系,将径流条件与目标物种不同生长阶段生物学信息相结合,建立了代表物种繁殖期、越冬期栖息地适宜度指数,构建了黄河下游重点河段河流栖息地模型,建立了指示物种栖息地状况与河川径流条件定量响应关系,提出黄河下游花园口和利津断面繁殖期最小生态流量为300 m³/s和100 m³/s、适宜生态流量为600~700 m³/s和190~250 m³/s。该研究在水生生物习性及其与河川径流响应关系方面实现突破,解决了黄河生态需水研究中关键技术问题。     

黄河河口生态保护目标及其生态需水研究

在分析黄河口生态系统组成与各生态单元生态功能的基础上,综合考虑河口地区生态现状及黄河水资源支撑能力等因素,界定了黄河河口生态保护目标,分析了重要保护目标河口淡水湿地的合理保护规模,针对不同的保护对象,采用不同的方法对生态需水进行了计算,耦合不同生态单元（对象）的生态流量得出利津断面不同时段最小、适宜生态流量。结果表明,黄河河口利津断面最小生态流量11月。翌年4月为75m^3／s,适宜生态流量为120m^3／s,5—6月最小应为150m^3／s,适宜生态流量为400m^3／s。     

黄河河口生态需水分析

黄河入海水量及其流量变化过程对保障其河口三角洲生态健康具有十分重要的作用。本文分析了黄河三角洲生态系统的结构、组成及其功能,认为该生态系统关键期为5—9月。分析了黄河渔洼以下三角洲生态系统中的陆域湿地、河流湿地以及近海水域等重要生态单元生境修复与黄河径流条件的关系,重点分析了鸟类生境、河道内鱼类生境和近海水生生物繁衍生境的生态需水,提出了它们对黄河入海水量及其流量过程的要求。在统筹考虑黄河天然径流条件、自然功能用水和社会功能用水的平衡、黄河水资源配置条件等因素后,进一步提出现阶段黄河向其三角洲生态系统提供的生态用水控制指标：5—6月繁殖关键期的适宜水量约22亿m3,相应的利津断面流量应不低于150m3/s,最好能达到250m3/s;7—10月应保障洪水量级不低于3500m3/s、平水期流量不低于200～300m3/s;11月—次年4月流量应不低于75m3/s,最好能达到120m3/s。     

城市水系河流断面生态需水量研究

将石家庄市河流生态需水分为最小和适宜生态需水,其中最小生态需水可以作为近期规划年的生态需水量,适宜生态需水可以作为远期规划水平年的生态需水量;采用Tennant法进行分析表明,滹沱河黄壁庄水库站、滹沱河北中山站、沙河新乐站、磁河横山岭水库站、槐河马村水文站年最小生态需水量分别为1. 83亿、1. 56亿、0. 06亿、0. 14亿、0. 16亿m~3,适宜生态需水量分别为5. 49亿、4. 69亿、0. 57亿、0. 41亿、0. 48亿m~3;再与Tennant评价标准比较可得,研究所计算的生态流量结果能够满足河流生态目标的需求,与天然河流年内丰枯变化状态相吻合,计算结果较为合理。     

黄河河口鱼类春季生态需水

黄河河口鱼类春季生态需水主要满足河道淡水鱼类栖息地及产卵场、河道洄游鱼类上溯通道和近海洄游鱼类低盐产卵场需求。综合考虑鱼类生活习性,径流传播以及与近海淡咸水混合时间和小浪底水库运行以来月均流量特征,鱼类需水应重点关注3—5月。依据河道淡水鱼类和洄游鱼类的生活习性,从洄游通道的全程连续性出发,需要的低流量为240 m~3/s。结合自然时期流量脉冲特征,每年需要一次4月中旬持续8 d的峰值为890 m~3/s的流量脉冲;在此条件下,春季入海径流量为21.6亿m~3,已满足近海洄游鱼类低盐产卵环境要求的21亿m~3冲淡水量。小浪底水库运行以来,平均春季径流量已达到21亿m~3。通过优化年内或年际调度模式,满足鱼类春季生态需水具有很大可行性。     

随机流量历时曲线及其在生态流量计算中的应用

河流生态流量是生态水文研究的重要部分,其相关理论和计算方法一直是当前国内外学者研究的热点。尝试基于随机流量历时曲线计算河流系统的生态流量,给出了维持河流生态系统健康各等级流量的历时或频率,并进而估算生态需水,为流域水资源的合理配置提供参考。以松花江干流8个断面为例,研究结果表明,在随机流量历时曲线上基于Q97,10估算得到的最小生态需水量与7Q10法所得到的需水量数值接近且相关性好,而基于保证率P=75%的随机流量历时曲线可求得河道的适宜生态需水量。研究区内嫩江流域大赉断面以上河段最小生态需水量、适宜生态需水量分别为4.6亿m3和99.1亿m3,约占总水资源量的2.6%和56.2%;松花江下游佳木斯控制断面以上河道最小生态需水量、适宜生态需水量分别为79.1亿m3和388.9亿m3,约占总水资源量的13.4%和65.7%。     

黄河河口生态需水初步研究

黄河入海水量及其流量过程对保障其河口三角洲生态健康具有十分重要的作用。本文分析了黄河三角洲生态系统的结构、组成和功能演替特点，认为该区生态关键期为5～9月；分别分析了黄河渔洼以下三角洲生态系统中的陆域湿地、河流湿地和近海湿地等重要生态单元生境修复与黄河河川径流条件的关系，提出了它们对黄河入海水量及其流量过程的要求；统筹考虑黄河天然径流条件、自然功能用水和社会功能用水的平衡、黄河水资源配置条件等因素，提出了现阶段黄河可向其三角洲生态系统提供的生态用水控制指标，其中，5～6月繁殖关键期的适宜水量约22亿m3、利津断面流量宜大于250m3/s，7～9月应保障量级不低于2500 m3/s的漫滩洪水、平水期流量不低于200～300 m3/s，11～4月流量应不低于75m3/s、并争取达120 m3/s左右。     

黄河干流生态流量赤字及其成因

为准确核算和评估黄河生态流量,以黄河干流吉迈、唐乃亥、贵德、兰州、石嘴山、龙门、花园口和利津为研究对象,运用6种水文学方法分析生态流量过程,评估1956-2013年各断面生态流量赤字及其成因。研究表明:生态流量核算对方法选择较为敏感,其中Q90_Q50法的计算结果远高于其他5种方法;黄河干流8个断面的生态流量为(47±9)、(273±59)、(273±53)、(456±103)、(433±94)、(473±124)、(639±172)和(727±160)m~3/s,占天然径流量的36%～43%,其中5-11月占全年生态流量的70%～77%;在过去近60年,1985-2003年是黄河干流存在生态流量赤字最为严重的时期,吉迈、唐乃亥、贵德和兰州断面的生态流量赤字主要发生在枯水期,而石嘴山、龙门和花园口断面主要发生在丰水期,利津断面集中在上半年;人类耗水是造成生态流量赤字的最重要的原因,其次为气候变化。未来要加强用不同方法全面评估黄河干流、支流的生态流量,推动"精准"节水,完善水量调度方案,最大程度地减少生态流量赤字风险。     

疏勒河流域生态需水量研究

采用Tennant法、近10 a最枯月实测径流量法、90%保证率法、月年保证率法分别计算了疏勒河流域的生态基流;对敏感生态需水(包括河流湿地生态需水、湖泊生态需水、重要水生生物生态需水),采用流域典型区进行计算。疏勒河流域生态需水即为其生态基流与敏感生态需水之和。在对上述方法进行比较、分析的基础上,得出的90%的保证率法即为疏勒河流域生态基流比较合适的计算方法。计算结果表明:该河流域生态基流的所需水量为河流90%保证率下的最枯月平均流量的23%,河流的湿地生态需水量为6.40亿m~3,湖泊生态需水量为0.14亿m~3,重要水生生物的生态需水量为0.23亿m~3。在此基础上,通过计算得出疏勒河流域的生态需水量为6.77亿m~3。据此确定了疏勒河流域水生态红线和生态特征流量值,可为最严格水资源管理及水生态红线管理提供参考依据。     

水文变异下淮河长吻鮠生境变化与适宜流量组合推荐

以淮河干流鱼类长吻鮠为保护目标,建立长吻鮠分时期生态需求与流量之间的概念性模型。对FLOWS法进行改进,加入水文变异前后长吻鮠生态环境对比分析,根据分析结果推荐一组适于长吻鮠生长繁殖的流量组合。结果表明,在环境流量成分的对比分析中,变异前的高脉冲流量历时长、发生时间合适,变异后发生洪水的频率增高,变异前的流量更适于长吻鮠的生长繁殖;在相关水力参数满足程度的对比分析中,在长吻鮠生长繁殖的各个时期,变异前的流量条件均优于变异后。选取变异前的平水年1970年的流量作为基础,推荐适宜流量组合,即产卵期的流量为545~1 212m~3/s,幼鱼索饵期应大于1 750 m~3/s,越冬期应大于等于74 m~3/s。该研究可为保护淮河珍稀物种,为淮河生态调度提供依据。     

广西澄碧河水库下游河道年生态需水量的计算对比研究

针对河道生态需水量的计算问题,以广西澄碧河水库下游河道为例,分别采用了3种不同的水文学计算方法进行了概算,并对传统Tennant法和月保证率法进行了适当改进。针对传统Tennant法的不足,对用水期进行了重新划分,同时引入修正系数对流量百分比进行了重新修正,使其更适用于河道的现实情况;此外对月保证率法的部分缺点也进行了两方面的改进,使其计算结果更加合理可靠。计算结果表明:3种方法均适用于该河道的生态需水量计算,在平水年(P=50%)情况下,利用改进的Tennant法和改进的月保证率法计算得到的河道适宜需水量分别为4.99×10~8m~3、3.80×10~8m~3。利用径流年内展布法得到的计算结果为3.17×10~8m~3,较以上两种方法偏小,但尚属合理范围之内,仍具有一定的推广使用意义。     

基于生态补水的缺水河流生态修复研究

为研究河流生态修复所需的补水量和补水关键期,以永定河官厅山峡段为例,采用环境需水量和生态需水量两种方法,计算不同阶段河流生态修复所需的生态水量。结果表明:水文变异后,永定河生态严重退化,实施生态补水迫在眉睫;现状1. 7×10~8m~3补水水量具有一定的积极作用,但不能满足河流正常需水;未来3个典型年(75%、90%和95%)最低的生态补水量为4. 88×10~8、6. 11×10~8和6. 37×10~8m~3,同时推荐3-6月份为生态补水关键期。通过对生态补水量和补水时机的研究,为永定河生态修复提供一定的理论依据。     

Critical Environmental Flows to Support Integrated Ecological Objectives for the Yellow River Estuary,China

The volume of inflowing water needed to meet multiple demands in the Yellow River Estuary of China was examined and quantified. Pressure on available environmental flows comes from varied ecological objectives, including maintenance of freshwater habitat for hundreds of plant and animal species, salinity balance, sediment transport and general equilibrium of the hydrologic cycle. Temporal fluctuations of flow input and output were considered and the amount of water needed for both consumptive and non-consumptive uses was evaluated. The rule of summation was used to calculate consumptive water requirements and the rule of compatibility (i.e., maximum principle) was adapted to estimate the non-consumptive ones. It was determined that the minimum, medium and high levels of annual environmental flows are 134.22 × 10⁸, 162.73 × 10⁸ and 274.9 × 10⁸ m³, respectively, in the Yellow River Estuary, which represent 23.7, 28.7 and 48.5% of the natural river discharge. Water requirements differ across months. The months of May through June, August and October were identified as the most critical periods for maintaining the environmental flows. The basic purpose of water entering the system is to compensate for water losses due to evaporation and to maintain an acceptable level of salinity in the estuary. Sediment transport into and through the estuary area are likely to be directly impacted by variations in river discharge. Improved efficiency in the sediment transport regime of the Yellow River could potentially reduce environmental flow requirements of the estuary, thus freeing water resources for other beneficial uses.     

淮河流域环境流变化及其对洪泽湖鱼类栖息地的生态影响

为分析淮河流域环境流要素的变化趋势及其对洪泽湖鱼类栖息地的生态影响,以淮河中下游河段为研究区,采用IHA法,将蚌埠水文站1950—2015年径流序列划分为2002年蚌埠闸扩建前后两个时期,采用5种流量事件筛选出32种环境流评价指标,分析了水文变异条件下5种环境事件的生态效应;以鳜鱼为洪泽湖指示鱼类,综合考虑栖息地限制因子,运用PHABSIM模型得到栖息地加权可利用面积-流量曲线,计算了鳜鱼产卵期的生态流量。结果表明:淮河中下游环境流组成趋于单一化,大洪水事件减少,枯水流量增大,高脉冲流量持续时间缩短,出现次数增加,对下游生态环境不利;洪泽湖鳜鱼4—6月产卵期的最小生态流量为300 m~3/s,适宜生态流量为550 m~3/s;需合理调控环境流,增加鱼类补充和物质循环,并采取湖泊生态修复等措施,维持洪泽湖的生态平衡。     

Ecological Water Requirement (EWR) Analysis of High Mountain and Steep Gorge (HMSG) River—Application to Upper Lancang–Mekong River

As “corridor” in the south–north and “barrier” in the west–east direction, Lancang River, the upstream of Lancang–Mekong River, has an obvious spatial–temporal characteristic and unique regional attributes. Recently, the hydropower development of the mainstream along Lancang River has disturbed the regional ecosystem to have unstable factors, and threatened the ecosystem health. This paper used the couple model of Grading Coefficient of ecological water requirement (GCEWR) and the ecological runoff (ER) to simulate the ecological water requirement (EWR) of Lancang River, in a broad sense, this method belongs to hydrology–ecology methodology. In the GCEWR–ER, We adopted ecological characteristic indexes (ECI) and hydrological characteristic variables (e.g. variance index) to calculate the GCEWR, and used three methods to calculate the basic variable (e.g. ER) of EWR: the first method directly used annual average runoff as ER; the second method was used frequency method and took year as basic time unit, and the third method took season (e.g. flood season, non-flood season) as the basic time unit to evaluate ER. Finally, in order to demonstrate applicability of this developed methodology, this paper adopted GCEWR–ER method to calculate the EWR of Lancang River in the Longitudinal Range-Gorge Region. By the systematic analysis of the results, we could get the minimum, satisfying and optimal EWR for the Lancang River, which were 142.53 × 10⁸, 286.46 × 10⁸ and 385.96 × 10⁸ m³. The three EWR respectively occupied 25.10%, 50.46% and 67.98% of the average measured run-off (567.75 × 10⁸ m³) of the Lancang River, and respectively occupied 18.63%, 37.45% and 50.45% of the natural run-off (765 × 10⁸ m³) of the Lancang River.     

Approach for Estimating Available Consumable Water for Human Activities in a River Basin

Water is vital for economic development and environmental sustainability in arid and semi-arid basins. Management of water resource requires good understanding of available water for human consumption. Evapotranspiration (ET) is an important component of the hydrological cycle and represents the amount of water lost to the atmosphere in a basin. This study proposes a new approach to estimate available consumable water for human activities (ACW) in a basin based on precipitation, natural ET, and uncontrollable outflow, thus capping water use for human consumption in a basin. The ACW is illustrated for the Hai Basin in North China, where the average ACW from 2001 to 2012 for the entire basin is estimated at 31.97?×?10⁹m³ yr.^?1, varying between 18.61?×?10⁹m³yr^?1 in 2002 and 42.60?×?10⁹m³yr^?1 in 2003. A water balance analysis for the basin indicates that the aquifer water depletion in Hai Basin for 2001–2012 is 5.23?×?10⁹m³yr^?1. Compared to existing water resources assessment, ACW provides an easier approach to water management planning as no hydrological data are required, only data on precipitation and ET, supported by landcover data.     

基于干旱河道生态修复的岳城水库生态调度

根据干旱风沙河道生态修复目标,结合水库的防洪、兴利、生态调度,建立了多目标水库生态调度模型,研究漳河岳城水库的生态调度。结果表明:枯水年岳城水库向下游河道生态供水0.277×10~8m~3,平水年岳城水库向下游河道生态供水0.327×10~8m~3,丰水年可以满足下游生态需水量2.66×10~8m~3。