前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的減水河段生態需水量，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
河道是大自然的主動脈和大血管，不僅具有行洪排澇、供水灌溉、交通航運、水能發電等社會服務功能，而且具有棲息地、輸送、源匯、水分涵養、水體凈化、生物多樣性保護、景觀等多種生態環境服務功能。然而，水利水電工程的開發建設，在帶來經濟效益和社會效益的同時，也在一定程度上改變了河道原有的水文情勢，容易對下游河道產生水質惡化、棲息地安全性脅迫等水生態環境問題，對河道生態環境服務功能的實現產生了不利影響。為了維持河道生態系統的動態平衡，首先應滿足其對水量的合理需求，尤其要滿足最小生態需水量的需求。如何既要滿足水利水電工程的用水需求，確保工程正常運行，促進經濟社會的又好又快發展，又能滿足水利水電工程下游河道尤其是減水河段的最小生態用水需求，確保河道生態系統的動態穩定不受破壞性影響，是一個亟需解決的新課題。進行最小生態需水量的計算，不僅是建設項目水資源論證當中的重要一環，更是解決上述新課題的技術基礎與關鍵。本文在已有研究的基礎上，從生態水文學的角度，討論了引水式電站減水河段最小生態需水的概念及其計算方法。 1國內外研究進展概述 1.1國外研究進展概述 20世紀70年代以前，國際上還沒有形成明確的河道生態需水量概念，英美等國開始在法律中設定水庫下泄的最小流量，以滿足河流下流地區航運、公共健康以及漁業對水量，水質的需求[1,2]。但到80年代，伴隨著人們對河道生態系統及其生命健康的認識與理解，河道生態需水量也逐漸得以重視與關注，并成為討論和研究的熱點問題之一。1989年，Gore建議在河流規定最小流量，并指出生物群落的最小流量需求僅是管理決策的一部分[3]。1998年，Gleick明確提出了基本生態需水量(BasicEc-ologicalWaterRequirement)的概念，即需要提供一定質量和數量的水供給天然生境，以求最小程度地改變天然生態系統，并保護物種多樣性和生態完整性，認為生態需水量在一定的時間和空間下是可以變動的值[4]。2002年，David等認為，如果濕地（湖泊）水量低于某一個量時，將會導致其生態系統結構的破壞及功能的喪失。為了最大程度地實現濕地的生態價值，必須滿足它本身所需要的水量[5]。在生態環境需水及用水研究方法上，1976年，White為產卵、飼養和魚道定義了微生態環境指標，利用這些指標和水力模型一起預測流量變化對漁業的影響[6]。1976年，Tennant提出了Tennant法，該方法是目前國內外通用的一種確定河道內推薦流量的方法，其河流流量推薦值以預先確定的年平均流量的百分數為基礎[7]。1982年，Bovee提出的最小流量增量法（IFIM）是預測最小保護流量的一個方法[8]。1982年，Boner提出了7Q10法，即采用90%保證率最枯連續7d的平均水量作為設計值[9]。除此之外，還有基于水文學參數的Q95th、ABF、BasicFlow、Taxas等，基于水力學參數的濕周法、Singh、R2Cross等，生物/水力數據收集與分析方法（如Basque法、HQI法和RCHARC法等）、棲息地職業判斷法（如整體分析法、分區建快法BBM和專家小組評價法等）以及FRC等生物響應模擬模型法等研究方法。從國外研究進展來看，對水利工程下游河道尤其是引水式水電站減水河道最小生態需水量的研究并不很多。 1.2國內研究進展概述 對于生態環境需水、用水等方面的研究，我國起步較晚，對生態環境需水、用水的概念、內涵與外延等沒有統一的定義，對其計算方法的研究也并不深入和完善，多以定性分析和宏觀定量相結合的方法為主。1999年中國工程院開展了“中國可持續發展水資源戰略研究”項目,其中專題之一“中國生態環境建設與水資源保護利用”就我國生態環境用水進行了較為深入的研究，界定了生態環境用水的概念、范疇及分類，估算了我國生態環境用水總量約800～1000億m3(包括地下水的超采量50～80億m3)。這一研究成果對我國宏觀水資源規劃和合理配置具有十分重要的指導意義，推動了生態環境用水研究的進程，國內諸多學者也相繼發表了有關文獻與著作[10]。21世紀以來，我國河道生態需水量研究理論趨于成熟，同時涌現出了許多適合我國實際情況的研究方法。同時，隨著人們逐漸認識水利水電工程對下游河道生態系統產生的不利影響，專家和學者們開始從不同的視角、不同的對象進行了研究，并取得了一定成果[11-19]。目前，有關這方面的研究，在概念界定、計算方法等理論體系上還有很大的拓展空間和豐富內容。 2最小生態需水量內涵 河道最小生態需水是一個很復雜的概念，不僅包括河道本身生態系統生理方面的要素，還包括復雜的人類價值及生物的、物理的、倫理的、藝術的、哲學的和經濟學的觀點。從上述國內外研究進展來看，由于研究的出發點和研究的對象等不盡相同，各學者對河道最小生態需水量的理解和表述也有所差異。河道是陸地和海洋聯系的紐帶，在生物圈的物質循環中起著重要作用。它具有縱向成帶現象，其生物多具有適應急流生境的特殊形態結構、相互制約關系復雜、自凈能力強、受干擾后恢復速度快等特點。但引水式水電站建成后，人為地減少了河道水量，減水河段的長期水量減小使河道生態系統內各種生物逐漸適應生境而生存。因此，減水河道的最小生態需水與天然河道也有所區別。 根據生態學上的耐受性定律[20,21]：每一種環境因子都有一個生態上的適應范圍大小，稱之為生態幅。即有一個最低和最高點，兩者之間的幅度為耐性限度。因此，作為減水河段主要生態因子之一的水量，應在一個合理的范圍之內，即有一個最高、最適和最低3個基點。其上限是減水河段最大生態需水量，超過此值，一方面，河道將水漫堤岸，可能發生洪澇災害，嚴重威脅周邊地區生命財產安全；另一方面，河道在最大水量運行期間在一定程度上因植物根系缺氧、窒息、爛根等而影響它們的生長發育。下限是減水河道最小生態需水量，低于此值，植物根系部分的土壤含水層就會被疏干，植物會因吸收不到水量而干涸死亡，在一定程度上影響了水生生物棲息地，不利于水生生物的生存和繁衍后代，同時河道生態系統結構與功能也將會受到一定程度的損害。 #p#分頁標題#e#
本文基于上述概念，將引水式電站減水河段最小生態需水量定義為：引水式電站減水河段在電站引水的特定情況下，為維持河道生態系統棲息地、輸送、水體凈化等多種生態環境服務功能正常發揮以及河道生態系統結構的穩定所必須的、一定質量的最小水量。從概念表述上可看出，引水式電站減水河段最小生態需水量具有以下三個方面的內涵：①河道用水量一旦小于最小生態需水量，河道生態系統的自然生命將會受到影響；②最小生態需水量主要滿足河道本身生態系統的結構穩定以及生態環境服務功能正常發揮兩個方面的需求，并未包括行洪排澇、供水灌溉、交通航運、水能發電等社會服務功能方面的用水需求；③最小生態需水量并不是河道生態系統最佳用水量，只是河道生態需水的下限值，簡言之，是河道生態系統用水不能再少的需水量。根據引水式電站減水河段最小生態需水量的界定以及生態水文學水分平衡原理角度來分析，其最小生態需水量可用如下函數來表示：(1)式中，Wmin為時段內的引水式電站減水河段最小生態需水量（m3）；Vp為時段內引水式電站減水河段水面上的降水量（m3）；Vrs為時段內進入引水式電站減水河段的地表徑流量（m3）；Vrq為時段內進入引水式電站減水河段的地下徑流量（m3）；ΔV為時段前引水式電站減水河段蓄水量（m3）；V'rs為時段內流出引水式電站減水河段的地表徑流量（m3）；V'rq為時段內流出引水式電站減水河段的地下徑流量（m3）；q為時段內引水式電站的用水量（m3）；ξ為修正常數（m3）。（1）式表明了為維持引水式電站減水河段生態系統的動態平衡所必須遵循的水分平衡原理，為探求引水式電站減水河段最小生態需水量計算方法提供了理論支持。 3最小生態需水量的計算方法 從目前國內外有關研究來看，河道最小生態需水量計算方法一般分為兩類：一類是水文學方法。該方法主要考慮最小水量的保持，即是對河道擾動后水量的恢復，但缺乏對目前生態價值的直接關注。另一類是生態學方法。該方法主要考慮河道水生生物對最小水量的需求和分配，是針對生態管理的目標而提出的，但缺乏水文情勢的變化對河道生態系統影響的體現。本文從生態水文學和最大化原理角度出發，結合水文學和生態學這兩種計算方法及理念，通盤考慮生態系統結構與功能及水文情勢變化的影響，同時，根據引水式電站減水河段生態系統棲息地、輸送、水體凈化等生態環境服務功能以及上述公式（1）所表達的水分平衡原理，在減水河段生態功能需水要求上兼容、用途上共用的條件下，提出引水式電站減水河段最小生態需水量生態系統功能最大分析法。計算公式為：(2)式中，Wmin為時段內的引水式電站減水河段最小生態需水量（m3）；W1為時段內引水式電站減水河段維持水生生物棲息地的最小生態需水量（m3）；W2為時段內引水式電站減水河段維持水沙平衡的最小生態需水量（m3）；W3為時段內引水式電站減水河段維持稀釋自凈能力的最小生態需水量（m3）。利用公式（2）計算引水式電站減水河段最小生態需水量，需要有一定系列的水文資料和生態資料。對于無資料的河段，可參證鄰近河段資料進行推算，也可以通過野外實地調查獲取。 3.1維持水生生物棲息地的最小生態需水量計算 棲息地是植物和動物(包括人類)能夠正常的生活、生長、覓食、繁殖以及進行生命循環周期中其它的重要組成部分的區域。棲息地為生物和生物群落提供生命所必需的一些要素，比如空間、食物、水源以及庇護所等[22]。河道是生物圈上重要的水域流水生態系統，是河道內各種生物生存的基礎。水是河道生態系統組成中重要的因子之一，水量無論在時間尺度上還是在空間尺度上的改變都會不同程度地影響河道生態系統棲息地功能的發揮。要確保水生生物棲息地不受破壞，至少需要有一個水量觸及的臨界區域?；诖耍岢隽艘诫娬緶p水河段最小生態需水量斷面流量法，計算公式為：(3)式中，W1為時段內引水式電站減水河段維持水生生物棲息地的最小生態需水量（m3）；k為權重；A為引水式電站減水河段典型斷面面積（m2）；U為引水式電站減水河段多年平均流量（m/s）；T為時間（s）。公式（3）中，關鍵是權重k的計算：一是要通過調查，探尋引水式電站減水河段主要水生生物的種類與分布；二是根據水生生物的生物學需要和河流的季節性變化分季節制訂相應標準。 3.2維持水沙平衡的最小生態需水量計算 隨著森林的砍伐、植被的破壞，水土流失日漸突出，給生態環境產生了不利影響。河道是泥沙的通道，然而，河道水多，沖刷能力加強，對河道生態系統的結構穩定造成了壓力。河道水少，不能將大量泥沙輸送入海，導致河床淤積，水位抬高，河道的排泄能力下降，并成為生物多樣性受損的主要根源。為了維持沖刷與侵蝕的動態平衡，就必須在河道內保持有一定的水量，將這部分水量稱為輸沙平衡需水量[10]。水流含沙量因流域產沙量的多少、流量的大小、河流的形態及其他水沙動力條件的不同而有所不同。因而，輸沙平衡需水量的計算方法也有所不同。一般來講，引水式電站減水河段水流含沙量并不很大，并因時間尺度的不同而不同，汛期較大，非汛期較小。因此，維持引水式電站減水河段水沙平衡的最小生態需水量以汛期用于輸沙的水量作為基數，計算公式為：(4)式中，W2為時段內引水式電站減水河段維持水沙平衡的最小生態需水量（m3）；Su為多年汛期平均輸沙量（kg）；S*為水流挾沙力（kg/m3）。水流挾沙力是河流動力學中一個很重要的概念。如若上游來沙量過多，而當地水流的挾沙能力有限時，水流無力帶走全部泥沙，勢必卸下一部分于河床之中，這就表現為河床的淤積。相反，如若上游來沙量過少，而當地水流的挾沙能力卓有富余，且河床又有大量的可沖性沙源時，則水流將會本能性地從河床上沖起一部分泥沙，以滿足自身挾沙之不足。其計算公式為[23]：(5)式中，S*為水流挾沙力（kg/m3）；U為斷面平均流速（m/s）；R為水力半徑（m）；w為泥沙沉速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；k,m為待定系數和指數，由減水河段實測資料確定。 3.3維持稀釋自凈能力的最小生態需水量計算 河道受到一定程度的污染后，通過自身物理、生物和化學的作用可以逐漸恢復到原來的水質。它分為河道的物理自凈作用和生物自凈作用。無論是哪種河道自凈作用，都需要一定的水量得到滿足的情況下才能進行。當然，不同的河道，稀釋自凈能力有所差異，需要的水量也有所不同。對于引水式電站減水河段來說，其最小生態需水量主要根據減水河段水體水質目標和水功能進行計算確定。對于減水河段為飲用水源保護區，維持稀釋自凈能力的最小生態需水量采用二維數值模型進行計算，計算公式為[24]：(6)其中：式中：W為水體納污能力；Cs為水質目標濃度值（mg/l）；C(x,y)為縱向距離為x，橫向距離為y的斷面污染物濃度（mg／l）；Q為初始斷面的入流流量（m/s）；C0為初始斷面的污染物濃度（mg／l）；m為污染物入河速率（g／s）；v為設計流量下計算河道的平均流速（g／s）；y為計算點到岸邊的橫向距離（m）；K為污染物綜合衰減系數（l／d）；x為沿河段的縱向離（m）；h為設計流量下計算河道的平均水深（m）；Ey為污染物的橫向擴散系數（m2/s）。對于減水河段為飲用水源保護區以外的水功能區時，對減水河段水體水質要求不是很高，可采用標準流量設定法進行計算確定，計算公式為：(7)式中，W3為時段內引水式電站減水河段維持稀釋自凈能力的最小生態需水量（m3）；Qmin為第i年減水河段最小月平均徑流量（m3/s）；T為時間（s）；k為權重。#p#分頁標題#e# 4結論 （1）本文從生態水文學理論出發，探討了引水式電站減水河段最小生態需水量的內涵，并提出了相應的計算方法。（2）引水式電站減水河段最小生態需水量是生態學、水文學研究的一個新領域，包括基本概念在內的許多方面尚不成熟。（3）目前，在水電站開發建設環境影響評價中，較多的考慮水電站下游河道的生態需水，減水河段最小生態需水量也應是環境影響評價中的重要一部分。（4）在利用本文提出的最小生態需水量計算方法時，還應綜合考慮經濟效益與環境效益的協調，確保在保護環境的同時，最大程度地提高經濟效益。本文只是從生態學角度進行了探討，在具體研究方法上也存在著需要改進的地方。下一階段，將在本文研究的基礎上，進行實例驗證。