河道生态水需求及关键生物生态水力学分析

生态环境日趋恶化的严峻现实,使人类意识到在进行水资源优化配置的过程中需充分考虑生态系统对水的要求,也使生态系统对水需求的研究成为全球性关注的重要课题。

(1)生态需水量。生态需水量是指在特定时段、特定的生态保护、恢复或建设目标下,特定区域内(如河道、湿地等)生态系统维持动态平衡所需要的地表水和地下水资源总量。生态需水量的合理确定既反映了生态系统内在的水需求规律,同时也体现了生态系统的保护管理目标。

对一流域而言,生态需水量一般可以按空间划分为河道内生态需水量和河道外生态需水量两大部分。与水生态、水环境密切相关的河道生态需水量的研究已经有几十年的历史。综观以往研究可以看出,早期研究主要针对河道枯水流量,并以满足河流航运功能为主要目标;伴随河流污染问题的出现,中期研究开始注重最小可接受流量,强调除满足航运要求外还需满足水体自净功能需求;随着河流生态系统结构的破坏与功能不断退化,后期研究则将重点转向为恢复河流生态系统功能的生态可接受流量,并强调在水资源管理中需保障生态系统对水的需求,由此逐渐形成生态需水量的概念。

与研究历程相对应,对生态需水量的研究经历了简单估算-传统水力学计算-生物因子与非生物因子综合分析这样由简单到深入的过程,反映了人类对水生态系统结构与功能认识和研究的不断深化。

由于研究目标的不同、对研究结果精度要求的不同以及对资料可获取程度的不同等原因,上述不同阶段得到的生态需水量研究方法在目前的实际工程设计、规划与研究中均得到广泛应用。概括而言,这些较为通用的研究方法可以划分为三种类型:①传统的水文学估算方法;②基于水力学基础的水力学计算方法;③基于生物学基础的栖息地法。

常用传统的水文学估算方法主要有两种:①包括采用90%保证率最枯连续7天平均流量作为河道生态需水量的“7Q10法”;②以10%河道年平均流量某个百分比作为河流生态需水量的“Tennant法”。此类方法因为简单、所需资料少,在规划或优先度不高的河道中得到广泛应用。

基于水力学基础的水力学计算方法主要有两种:①利用湿周作为水生生物栖息地质量指标来估算河道生态需水量的“湿周法”;②根据维持一定比例栖息地对水深、河宽和流域的要求确定河道生态需水量的“R2CROSS法”。此类方法的运用要求对河流、湿地等进行实地调研。

基于生物学基础的栖息地法IFIM,是生态需水量研究得到广泛应用的一种方法。它通过建立水文、水质与水生生物栖息地类型的关系,计算模拟河道流量变化对栖息地的影响,并确定适合主要水生生物栖息地的生态需水量。此类方法通常用来评价水库等水资源开发工程对下游水生栖息地的影响。

自1982 年IFIM(The Instream Flow Incremental Methodology)理论提出之后,其核心评估模型PHABSIM(The Physical Habitat Simulation Model)在西方先进国家得以广泛应用。此后,有关水库下泄流量与鱼类生息环境之间关系的评估方法研究大量涌现。1996年,G.Mathias Kondolf等学者在系统研究了水库下泄流量改变对鱼类生息场的影响后,提出了生态流量的概念并建立了考虑生态流量要求的水库调度运行模型。此外,A.H.Arthington等科学家系统研究了流量导致生态灾变现象,并建立了生态流相关理论,形成了一整套完善的DRIFT(Downstream Response to Imposed Flow Transformation)研究方法和理论模型。(www.xing528.com)

综观国外发达国家的相关研究可以看到,目前国际上有关生态水需求方面的研究热点已从河流生态基流(最小生态需水量)的单一指标研究转向考虑满足生态需求的生态水过程(水位过程和流量过程)研究。

从发展趋势上看,维持河流生态需水量将成为21世纪生态环境保护对水利工程调度管理方式的一项基本要求。因此,兼顾重要水生生物对生态水过程需求的水库多目标优化调度,将成为我国水生态与水环境领域一个新的研究热点。

(2)关键水生生物的生态水力学特性。对水生生物进行有效保护,需要对水生生物的行为过程有深入的了解。随着全球对生态环境安全的日益重视,生态水力学作为研究水力学特性与水生生物行为之间关系的一门科学,近年来得到了迅速发展。

尽管对鱼道的研究远远早于生态水力学概念的提出,但鱼道可以归为生态水力学学科分支最早开展的一项研究内容。为了保护鲑鱼(salmon)和鳟鱼(trout)等有较高的经济价值的洄游性鱼类,长期以来国外发达国家在过坝鱼道方面开展了大量研究。研究内容包括过往鱼类的生活习性、鱼道结构、诱鱼设施等。大量研究表明,在洄游过程中,鱼类克服流速的能力受鱼的种类、大小及性别,水温,河床以及水中悬浮物质等因素影响。同时,水流紊动对鱼类游泳能力的影响与鱼体长度有关。在了解鱼类行为习性的基础上,目前国外较多地选择数值模拟并辅助物理模型方法研究改进鱼道结构型式以获得理想的流速和流态、吸引更多的鱼类通过鱼道。中、高水头大坝的过鱼设施是水电开发建设中洄游性鱼类保护的一个难点,目前世界上多采用鱼闸、机械升鱼、人工孵化场及产卵槽等措施,其中鱼闸面临的生态水力学问题主要是如何合理设计与供水、扩散、消能和排水相协调的闸下诱鱼流速和流态。

鱼类的产卵过程与产卵条件研究对于濒危及经济等重要鱼类保护具有极为重要的意义。A.H.Arthington等在研究185m 高的开特拉大坝下游大型食用淡水鱼(ptychocheilus lucius)的繁殖生态流量需求时发现,河道激流型鱼类对产卵的水文条件有严格的要求,而维持卵的正常孵化和幼鱼发育也要求特定的水温、水位、水流(洪峰流态、流速、变幅、持续时间、频次、含沙量)以及水中生物基质等。目前,人造洪峰研究目前受到越来越广泛的重视。

长江四大家鱼在我国淡水渔业中占有举足轻重的地位。国内有学者对长江四大家鱼的繁殖期、产卵场分布进行了大量的调查,并对产卵江段的河床形态特征、产卵时的水文状况(水温、水位、流速、流量)等进行了分析,发现四大家鱼适宜产卵的水温范围在18～22℃、且产卵一般只发生在涨水过程;此外,在三峡工程截流以来,发现四大家鱼幼鱼发生量显著下降,反映了目前三峡坝下江段的生态水力学条件尚未达到四大家鱼繁殖最佳生态要求。

葛洲坝截流后,国内有学者对葛洲坝下游重新形成的中华鲟产卵活动进行了连续23年的监测,发现该产卵场产卵的物理条件,包括卵石河床质、弯道河道和江底碛坝等与截流前位于长江上游四川境内的产卵场相似,同时水位、产卵场底部的流动形态、含沙量等对产卵活动产生明显影响。这些研究成果对于三峡工程建成后的运行调度具有指导意义。

另外,近年来国内有学者采用室内实验和数值模拟的手段对钉螺在水体中的运动规律进行了研究,发现较小的流速对钉螺生存不会构成威胁;流速较大时,由于钉螺对流速具有较强敏感性,钉螺会主动规避这种不利的生存环境;但是随着流速的增大,钉螺抵抗水流作用的能力减小,最后只能随水流运动。由于钉螺是血吸虫寄生的载体,这些研究成果对防治血吸虫病具有重要指导意义。