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口 陈敏建
在我国，水资源已经成为生态系统健康和经济发展的限制性因素，水生态系统退化和人类对水生态系统服务功能需求不断增加构成的矛盾，使社会安全、经济安全、生态安全和水资源安全受到威胁。因此，如何解决这种矛盾，合理地安排水资源在社会经济和生态环境中的比例，维护生态环境的相对稳定，是流域规划和管理中需要解决的根本性问题，同时也是实现社会一经济一生态复合系统可持续发展的关键性问题。 二、生态需水计算的理论与方法创新 建立生态用水分析机制的核心问题，是确定生态用水衡量标准。 根据流域水循环生态效应，从机理分析人手，提出最小生态需水是研究水文学特征与河流形态学特征的关系，适宜生态需水是研究水文学特征与水生生物学特征的关系的创新理论和方法。 在技术方法处理方面，提出平均河流概念，以此为基础，将河流的水文学特征、形态学特征、水生生物学特征三类因子进行无量纲化处理，准确地反映理论定义和机理联系，使理论推导与实际操作衔接。实现研究过程简便、操作规范，研究成果定量客观、便于推广。 对于最小生态需水或最小生态流量来说，经过无量纲的处理后的计算方法，可以方便地分析多沙河流和复杂断面，并且可以很方便地将众多的河流信息进行综合分析，消除了个人偏好等主观因素的影响。 三、区域生态需水模型 根据流域水循环生态效应，从机理分析人手，研究生态用水成因，研究生态系统演变过程中的水分作用，建立生态需水分析计算机理模型。针对不同区域生态系统与水资源利用的特点，根据生态系统与水的演变关系，建立不同类型的生态需水计算模型。 西北内陆河干旱区生态类型 针对西北内陆干旱区水文循环与生态特点，以绿洲为核心的平原生态系统取决于河川径流分布与运动。为此，建立描述水与生态演变关系的内陆河生态圈层结构理论，并开发相应计算模型。 半湿润半干旱区生态类型 北方广大半干旱半湿润地区，水资源开发利用强度大，面临地下水超采、平原河流断流、河口萎缩、湿地干涸等一系列生态问题。研究以地表、地下径流相互作用与转化关系为核心的河川径流运动机理描述，在此基础上，建立半干旱半湿润地区生态需水理论与相应的计算模型。 湿润地区生态类型 对于南方湿润地区大江大河，低水径流下水体生态系统的临界变化问题不显著。湿润地区河流，枯水期径流不足，水资源开发利用对生态系统的影响，从水量角度和生物学角度看，不足以威胁到水生生物生存与繁衍。但对供水水质、航运等影响明显。因此，南方湿润地区江河生态流量应该从水生态系统服务功能出发，考虑社会经济用水对河流生态功能的需求。以生态系统服务功能最大化，寻求河流生态服务功能指标与水流特性依存关系，建立生态流量计算模型。 湿地水文生态结构与需水计算模型 分析湿地水循环原理，研究不同给水条件下湿地生物多样性的变化，从机理上揭示湿地水循环规律与生态演替关系，建立湿地水文生态结构与需水计算模型。针对水土资源开发利用引起的湿地消退问题，研究水土资源开发利用引起的湿地消退效应：包括围垦消退效应、引水消退效应和两种因素导致的复合效应。我国南方湿润地区湿地消退主要是围垦效应，北方半湿润半干旱的华北平原湿地消失主要是引水效应，而松花江流域湿地消退是两种兼有的复合效应。 四、松辽流域生态需水研究成果 根据水资源规划和管理的需求，针对松辽流域与水资源开发利用相关的生态环境问题，建立生态环境用水分析评价技术体系，其核心是确定生态需水。通过对松辽流域现状存在的与水有关的生态问题进行全面评价，明确生态需水类型；以机理分析为基础，分析计算生态需水特征值，作为生态用水衡量标准；以生态用水衡量标准为基础，建立松辽流域生态环境用水分析评价技术体系，成为多参数生态环境用水分析技术平台，解决水资源规划与管理中各种生态环境需水分析问题，为水资源管理提供生态环境保护阈值。 松辽流域水一生态环境相互作用总体分析评价 松辽流域水土资源开发利用引发的生态环境问题与其水资源分布“北丰南歉、东多西寡”的格局完全吻合。大、小兴安岭与长白山为主要水源地，需克服森林资源危机，加强水源涵养能力；西辽河及呼伦贝尔草原等西部地区宜牧不宜农；松嫩及三江平原加强湿地保护，调整水土资源开发布局，在控制耕地总量的同时，提高水利化程度，发展灌溉面积；辽河中下游应加强水资源的高效合理利用，降低单位用水量，加强污水处理。辽河流域属半湿润半干旱区，河道生态需水，及其与地下水联系的整体生态需水是研究的重点；松花江为北方湿润地区，河流生物资源保护与湿地水文生态结构保护需水至关重要。 辽河流域生态需水 根据绘制的无量纲的流量一河道规模关系图，确定辽河流域各主要控制断面的最小生态需水量。按鱼类生境条件，建立流量一流速关系，以鱼类繁殖临界水流条件确定适宜生态流量。从支撑河道生态流量(河岸调节作用)、兼顾补排、避免盐碱化三个方面，确定西辽河生态地下水位。 研究表明，随着流域面积的增大，相对生态流量在减少，即上游的流量百分率高于下游。并且，上游生态流量能维持更大的河流规模。相对而言，适宜生态流量变化较最小生态流量平缓。依据计算分析结果和地区分布规律，可以形成相应的生态流量推求经验模式。 最小生态流量自上而下，由东西辽河8%-10%，递减为辽河干流5%-9%，维持河道规模从40%～70%，递减为40%以下。适宜生态流量上游西辽河19%～23%，下游干流25%左右，比对应最小生态流量高11%～19%，下游的差距高于上游。 松花江适宜生态流量 大规模系统研究松花江流域生态需水，采用鱼类生境法和鱼类生物量两种途径，综合分析松花江流域河流适宜生态需水量。两种方法确定的松花江适宜生态流量，仅相差1～3个百分点。无量纲的相对生态流量沿程递减，上游的生态流量百分比均大于下游地区，符合水流演变规律。 松花江干、支流，适宜生态流量为25%-28%，维持生物量52%以上。第二松花江支流适宜生态流量比为28%-31%，维持生物量约51%-58%。嫩江干流适宜生态流量比为19%-24%，支流为28%-31%，维持生物量约58%。生物量法在山区河流失效。嫩江干流的适宜生态流量比小于支流，符合较大河的适宜生态流量比小于较小河流的规律。 湿地水文生态结构与需水 用全新的观点和理念研究向海与扎龙湿地水文生态结构，研究提出湿地中心区、适宜活动区，既是计算分级生态需水的依据，更对湿地管理提供生态安全阈值。依据湿地水文生态结构，计算生态需水。 根据湿地生态环境缺水的程度，进行不同级别的预警。当湿地的水量减小到最小生态需水量的临界值(水面小于中心区面积)时，生态系统的安全已经降至最低，如果水量继续长时间减小，湿地生态系统则面临着不可恢复的灾难。此时可称作“红色预警”，需要采取调水措施，以保证湿地生态安全。当湿地的水量维持在适宜生态需水量(活动区生物多样性获得保障)时，生态系统是相对安全的。适宜的湿地活动区可以看成为湿地“黄色预警”。 根据计算分析，向海库区湿地中心区面积为24km2，下游湿地中心区面积26km2，对应最小生态水位162.5m；扎龙湿地中心区面积340km2，对应最小生态水位141.5m。 研究发现，近几年每次向湿地补水都是发生在湿地水面面积小于本次研究所提出的湿地中心区的情景。说明这是客观存在，本次研究提出的两类湿地生态面积，以及相应的生态需水量，基本合理。上述参数或可作为湿地生态安全预警，当湿地水面面积小于湿地中心区时，应采取果断措施，及时对湿地进行生态补水，以避免湿地生态系统的恶性退化。 松辽流域生态用水分析机制平台的建立，为我国流域规划和管理中生态用水合理分配提供了范例，对水行政主管部门、流域机构的管理工作都具有重要的指导意义和实用价值。 ■ (作者为水利部南京水利科学研究院水文水资源研究所所长) |