河流流量變化的生態(tài)效應(yīng)及水資源管理策略

羅　昊,周雪欣,黃　亮

(珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,廣東 廣州 510611)

河流流量變化的生態(tài)效應(yīng)及水資源管理策略

羅昊,周雪欣,黃亮

(珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,廣東 廣州 510611)

摘要：分析了河流生態(tài)系統(tǒng)中流量變化的生態(tài)效應(yīng)，應(yīng)用基于RVA的生態(tài)流量估算方法，計算了綏江干流各月的生態(tài)流量，發(fā)現(xiàn)枯水月份流量變化更易引發(fā)生態(tài)風(fēng)險。據(jù)此以水文連接度的概念，描述了河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的衰退與恢復(fù)過程，并提出了基于河流流量變化的水資源管理策略。

關(guān)鍵詞：流量變化；生態(tài)效應(yīng)；水資源管理策略；河流保護(hù)

河流生態(tài)系統(tǒng)是重要的水生態(tài)系統(tǒng)類型，其支撐著人類社會的發(fā)展，并具有水源供給功能、調(diào)節(jié)功能和美學(xué)功能，水文情勢是決定河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要因素。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國河流生態(tài)系統(tǒng)已出現(xiàn)退化惡化的局面，國家“十二五”規(guī)劃已將河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)及修復(fù)列為重要的規(guī)劃目標(biāo)。為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康，亟需探索有效的修復(fù)方法和管理策略。

1河流生態(tài)系統(tǒng)

河流生態(tài)系統(tǒng)屬流水生態(tài)系統(tǒng)的一種，是對河流水體及其伴生的生態(tài)系統(tǒng)的總稱。其作為陸地和海洋間聯(lián)系的紐帶，在生物圈的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要作用[1]。據(jù)此設(shè)定河流生態(tài)系統(tǒng)研究的主要生境因子和研究尺度。

1.1生境因子

河流生態(tài)系統(tǒng)的主要生境因子包括水文情勢、流態(tài)、河流地貌和水質(zhì)[2]。水文情勢包括流量及其變化過程，是與河流生物過程和群落結(jié)構(gòu)相關(guān)的重要因素。流態(tài)為河流的水力條件，其對水生生物過程有較大影響，由流速、水溫、水壓、水深及水力坡降等因素共同表達(dá)。河流地貌是河流景觀格局的重要組成部分，其成分的空間配置具有重要意義。水質(zhì)不屬于河流的自然生境要素，但日益嚴(yán)重的水體污染對生態(tài)系統(tǒng)已構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)惡化，亟需優(yōu)先治理。上述生境要素的作用是綜合的并具有相關(guān)性與反饋關(guān)系，表明河流生態(tài)系統(tǒng)具備整體性和自發(fā)性的特點。而生境要素變化的穩(wěn)定性、波動性和變異性，也使河流生態(tài)系統(tǒng)具有對環(huán)境的適應(yīng)性和自調(diào)節(jié)能力。

1.2研究尺度

景觀生態(tài)學(xué)中的“尺度”既可指人類研究某種生態(tài)現(xiàn)象時采用的時間和空間單位，又可指某類生態(tài)過程在時間和空間上的涉及范圍與發(fā)生頻率[3]，尺度選取旨在使兩者更加符合。人類活動影響下的氣候、地貌、土地利用方式等變化尺度為數(shù)年至數(shù)十年，即為其對河流生態(tài)系統(tǒng)影響研究的時間尺度。流域包含著完整的生態(tài)結(jié)構(gòu)，由于地理、地質(zhì)、氣候等條件的相似，使流域內(nèi)具有相似的水文和生態(tài)特征，故可選取其為水文循環(huán)對河流生態(tài)系統(tǒng)影響研究的空間尺度。

2生態(tài)流量的內(nèi)涵與概算

2.1河流生態(tài)流量

河流生態(tài)流量是指維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其服務(wù)功能所需的徑流流量，不僅包括在維持水體基本形態(tài)的前提下保持河流基本的生物完整性的水分需求，也包括生態(tài)需水在枯水期、平水期及洪峰流量時的消長規(guī)律[4]。由于水文情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在驅(qū)動力，河流依靠自然水流的漲落變化滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的生境條件，而徑流變化是體現(xiàn)水文情勢的重要整體性特征，故可通過研究河流流量變化確定河流生態(tài)流量。

2.2計算方法

當(dāng)前河道生態(tài)徑流研究方法眾多，但多傾向于通過水文極值、河道水力特征和物種需求開展研究。本文選用一種基于河流生態(tài)水文指標(biāo)體系(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)和變異性范圍法(Range of Variability Approach, RVA)的河流生態(tài)流量計算方法，研究河流整體水文情勢變化影響下的河流生態(tài)流量。

2.2.1河流生態(tài)水文指標(biāo)體系(IHA)

Richter等[5, 6]于1996年創(chuàng)立了一套用于評估河流生態(tài)水文變化的水文指標(biāo)體系，其依據(jù)系列長度大于20年的多年河流逐日水文資料，從流量大小、極值、時間、頻率、延時和變化率等方面制定了33個具有關(guān)鍵生態(tài)意義的水文參數(shù)(表1)。IHA指標(biāo)體系具有易采集、多參數(shù)和生態(tài)表征性強的特點，適用于評價水文系統(tǒng)變化程度及對生態(tài)的影響。

表1　IHA指標(biāo)參數(shù)及其生態(tài)影響

注：*源自Indicators of Hydrologic Alteration Version 7 User’s Manual[7], Page:7-8。

2.2.2變異性范圍法(RVA)

RVA方法建立在IHA指標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置IHA各指標(biāo)的受影響程度，評估在人類活動作用下的河流整體水文變化，提供與流量相關(guān)的綜合生態(tài)統(tǒng)計特征，以識別水文變化對生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)作用[6]。在已有眾多研究成果中[8, 9]，通常設(shè)定IHA指標(biāo)發(fā)生幾率為75%和25%的值為各指標(biāo)參數(shù)的上下限(RVA閾值)，這符合Connell等提出的中度干擾假說(Intermediate Disturbance Hypothesis, IDH)。RVA閾值描述了流量過程的可變范圍，即天然生態(tài)系統(tǒng)所能承受的變化區(qū)間[10]，這為河流生態(tài)流量的估計提供了參考價值。

2.2.3生態(tài)流量估算方法

為維持河流健康生態(tài)系統(tǒng)，正常的水文特征值的變動范圍應(yīng)不超過河流的天然可變范圍，即水文參數(shù)均值變化應(yīng)在RVA上下閾值之間。舒暢等[11]據(jù)此提出了基于RVA方法的生態(tài)流量估算方法：

(1)

該方法得出的生態(tài)流量指為維持河流健康生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)保持的河道基本流量。

2.3綏江干流生態(tài)流量計算結(jié)果

應(yīng)用基于RVA的生態(tài)流量估算方法，選取IHA指標(biāo)體系中12個月均流量指標(biāo)，代入綏江下游干流石狗站1960—2012年的逐日天然徑流量數(shù)據(jù)，計算其IHA指標(biāo)參數(shù)、RVA閾值及生態(tài)流量，數(shù)值結(jié)果如表2，并據(jù)此繪制綏江干流逐月生態(tài)流量曲線圖(圖1)，統(tǒng)計各年份發(fā)生河道平均流量小于生態(tài)流量的事件(表3)。

表2　綏江石狗站IHA指標(biāo)參數(shù)及生態(tài)流量計算結(jié)果

表3　1960—1988年各月發(fā)生流量變化引發(fā)的生態(tài)退化事件統(tǒng)計

由圖1可見，綏江下游干流的各月生態(tài)流量均小于河道平均流量及其RVA下限，表明綏江河流整體生態(tài)功能良好，得出的生態(tài)流量是在不同月份保持河流生態(tài)穩(wěn)定所需的基本流量。生態(tài)流量的變動幅度小于河流流量的自然變化，在汛期(4—9月)，生態(tài)流量相對較大且呈較明顯的波動變化，表明由于洪水在調(diào)整河道形態(tài)及能流物流傳輸方面發(fā)揮重要作用，保持河流生態(tài)健康的水量需求也隨之變化，但此時河流水量充沛，故發(fā)生河流生態(tài)系統(tǒng)退化的風(fēng)險較??；反之枯水月份河流可支配流量較小，流量變化更易引發(fā)生態(tài)退化。

此外，根據(jù)表3中的河流生態(tài)風(fēng)險事件統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合綏江石狗站的流量突變分析[12]，可知在歷史年代中，河流枯水月份較豐水月份發(fā)生了更多次數(shù)的河流生態(tài)退化事件。其中，無論流量突變增加或突變減少的年份，枯水期均有生態(tài)退化風(fēng)險，尤其在河流流量突變減少顯著、流量變化穩(wěn)定性較強的1963和1984年發(fā)生頻繁，共有6個月份出現(xiàn)同期最小流量。而豐水期發(fā)生生態(tài)退化事件的頻率較小，僅部分河流流量突變減少的年份有引發(fā)生態(tài)退化的風(fēng)險?？偟膩碚f，河流流量顯著突變減少的行為及其較強穩(wěn)定性更易引發(fā)河流生態(tài)系統(tǒng)退化。

2.4流量變化的生態(tài)效應(yīng)

河流流量是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要控制因子，其既影響河道物質(zhì)能量運動和環(huán)境景觀的形成，也作用于流域動植物的生命過程，流量的起伏變化對維持生態(tài)系統(tǒng)健康及其服務(wù)功能具有重要意義。河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能包括支撐功能、供給功能、調(diào)節(jié)功能和美學(xué)功能(表4)，周期性的汛期高流量對維護(hù)河道形態(tài)與水資源供給，維持各類水生態(tài)系統(tǒng)間的連通性等有重要作用，中低流量對保持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與生物完整性等至關(guān)重要。

表4　河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)類型和功能[13]

水文連接度是指水循環(huán)各要素內(nèi)部和要素間物質(zhì)、能量和生物體以水體為媒介遷移、傳遞的能力，可以用來描述生態(tài)系統(tǒng)的水文條件[14]。河川徑流的突變引起水文連接度的改變，進(jìn)而影響水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，生態(tài)流量作為反映該變化過程的標(biāo)志性指標(biāo)，具有明確的水文與生態(tài)內(nèi)涵。

長期的流量突變減少行為常導(dǎo)致水文連接度和水環(huán)境承載力下降，影響水生生物的遷移、繁殖和水體的養(yǎng)分循環(huán)，導(dǎo)致河流生境改變，部分生物的生長繁殖受到抑制。當(dāng)河流流量小于生態(tài)流量時，河流的生物完整性遭到破壞，引起生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的變化和流域生物量的驟減，服務(wù)功能衰弱，直至水文連接度消失，河流物理結(jié)構(gòu)改變，河道斷流，生物基本滅絕。持續(xù)性的流量突變增加可使上述情況得以緩解和恢復(fù)，河道結(jié)構(gòu)逐漸正常，水流連通性增強。當(dāng)河流流量增加至生態(tài)流量時，水文連接度趨于正常，但河流生態(tài)系統(tǒng)的生物量和物種較少，服務(wù)功能偏低，在長期的發(fā)育之后，將形成新的脆弱的河流生態(tài)系統(tǒng)。

3水資源管理策略

(1)鑒于河流水文突變特征的重要意義，在流域管理中，應(yīng)通過長時期水文序列的突變檢測，總結(jié)流域河流的水文變異行為與特征，歸納各類水文要素的突變特性，并據(jù)此推測其變化趨勢和程度范圍。如針對不同的流量突變趨勢及穩(wěn)定狀態(tài)，合理調(diào)配流域水量，采取適當(dāng)?shù)臑?zāi)害預(yù)防和水資源保護(hù)措施。

(2)氣候變化和人類活動影響下的河流水體有更加復(fù)雜的水文變化規(guī)律，在處理由河流流量變化引起的洪澇、干旱災(zāi)害及河流生態(tài)系統(tǒng)破壞等事件中，應(yīng)根據(jù)河流流量突變特性，從影響流量突變的氣候、下墊面和人類活動等因素入手，削減和控制由流量突變帶來的負(fù)面效應(yīng)。

(3)在水資源開發(fā)利用及水利水電工程建設(shè)中，對河流流量的削峰和水量均化應(yīng)適時適度，注重流量變化引發(fā)的河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變。在保證不產(chǎn)生較大規(guī)模洪澇災(zāi)害的前提下，適當(dāng)保留河流流量的高峰變化，杜絕河流流量出現(xiàn)長期處于生態(tài)流量以下的情景，使生態(tài)流量成為水資源開發(fā)利用的底線，努力提高水資源利用效率。

(4)水文變化具有較長的時間尺度，應(yīng)注重對水文規(guī)律的把握和基礎(chǔ)理論的研究，并依據(jù)其制定河流的污染控制、生態(tài)修復(fù)、功能區(qū)劃、健康評估和流域可持續(xù)發(fā)展等戰(zhàn)略，開發(fā)如河流生態(tài)修復(fù)、水庫生態(tài)調(diào)度和人工濕地等相關(guān)的工程技術(shù)。而河流水質(zhì)污染是人類不合理利用水資源的突出體現(xiàn)，為改善河流生態(tài)環(huán)境，亟需優(yōu)先治理。

(5)在制定水資源管理策略時，應(yīng)以社會公平為主要原則，時刻遵守人與自然和諧共處的理念，走可持續(xù)發(fā)展的道路，并使發(fā)展具有人文目標(biāo)、資源目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)。以政府投入為主體，采取更加積極的導(dǎo)向措施，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化調(diào)配，建立現(xiàn)代化和人性化的水資源管理模式，使決策融于公眾的長遠(yuǎn)利益之中。

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Study on Ecological Effect of Flow Variation and Water Environment Management Strategy

LUO Hao, ZHOU Xue-xin, HUANG Liang

(Pearl River Institute of Water Resources Protection and Research, Guangzhou Guangdong 510611, China)

Abstract：The Range of Variability Approach (RVA) method was used to calculate the ecological flow of Suijiang River. The ecological effects caused by stream flow variations were analyzed as well. The results indicated that the stream flow variations in dry season were more likely to cause ecological risks. According to these features, the recession and recovery processes of structure and function of river ecosystems were described in the basis of the concept of the hydrological connectivity. The water resources management strategies based on the stream flow variations were put forward.

Key words：stream flow variations; ecological effects; water resources management strategies; river protection

收稿日期：2015-12-08

作者簡介：羅昊(1989-)，遼寧省遼陽市人，碩士，工程師，從事水資源保護(hù)及環(huán)境規(guī)劃與評價工作。

中圖分類號：X24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)04-0012-05