水利水电建设中河流生态用水理论与方法研究

付鹏,陈凯麒,曹晓红,王光磊

(1.松辽水利委员会水文局,吉林长春 130021;2.环境保护部环境工程评估中心,北京 100012)

水利水电建设中河流生态用水理论与方法研究

Study on theory and methods of river’s ecologicalwater in water resources and hydropower

付鹏1,陈凯麒2,曹晓红2,王光磊1

(1.松辽水利委员会水文局,吉林长春 130021;2.环境保护部环境工程评估中心,北京 100012)

国内外研究表明,除了水质,生态用水也是维持生态系统健康发展的重要因素。因此,在水资源配置中保证一定量的生态用水是保护生态环境的重要措施。生态用水具有时空尺度和阈值范围,而人类大规模的水电开发则会造成其时空尺度的改变,甚至生态阈限难以被满足。统计数字表明,近5年来我国新建水电站下泄生态流量的不满足率达到57%。我国目前急需考虑的生态用水政策是:尽快建立河流最小生态流量的相关标准,制定河流生态用水配套法律法规;同时,通过跨流域调水等水段,加强生态环境需水的宏观调控。建议最小生态用水量不应小于工程所在河流控制断面多年平均流量的10%,当多年平均流量大于80m3/s时不小于5%;同时根据河流的不同生态环境功能,应积极开展多方法、多方案比选。

生态用水;水电水利建设;生态用水政策;标准;法律法规;跨流域调水

河湖淡水资源是人类主要的用水来源,同时维系着流域生态系统的平衡发展。过去的研究多关注于控制水质,往往忽略了水量对生态环境保护的重要作用。近年来,国内外研究表明,水量也是保持生态系统健康发展的重要因素之一。人类大规模的水电开发和无节制取水,大量侵占了维持生态和环境所需的水量,同样能够造成生态环境的破坏。

因此,要保护生态环境,避免水资源掠夺式开发,就必须在水资源配置中,保证生态环境在一定的时空范围内拥有符合质量和数量要求的水量。国家环保总局和国家发改委联合下发的《关于加强水电建设环境保护工作的通知》(环发[2005]13号)明确指出:“要根据用电、用水和生态环境等方面的要求,研究制定电站优化运行方式,最大限度地减轻对水环境的影响。对于引水式等水电开发方式,应避免电站运行造成局部河段脱水,落实泄水建筑物建设和运行,确保下泄一定的生态流量。”

1 生态用水概念

1.1 生态环境需水与生态用水

生态环境需水量是生态需水量与环境需水量的总和。生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量[1]。主要包括保护天然植被所需要的水量;水土保持所需要的水量;保护水生生物所需要的水量。环境需水则是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量。主要包括改善用水水质所需要的水量;维持水沙平衡、水盐平衡的水量;回补地下水的回灌用水;美化环境与休闲旅游的水量。

生态用水是某种生态水平下所使用和发生的水量总和。常常是由于自然原因,如降雨、洪水等造成水的储存或汇集,也可能是由于人为原因,如截流、引水、筑坝等形成的相关系统。这些水量未必是合理、可持续的,多数是被动接受的水量。从概念上讲,生态用水应满足生态环境需水量。

1.2 生态环境需水量的时空尺度和阈值范围

生态环境需水量具有动态性,其大小随时间和空间的变换而变化。同时又具有临界性,只有外界干扰超越了其“生态阈限”的上限或下限,才会导致生态平衡失调或生态系统崩溃[2]。

1.2.1 生态环境需水量的时间尺度

生态系统随着时间而进化、演替。因此,生态需水也具有时间性,不同时间具有不同的生态环境需水的内涵,现今的生态环境需水可能不是未来的生态环境需水。另外,生态环境需水的时间性还表现为水资源循环系统的时间变化性,河流系统表现为年际波动、季节的分配。例如河流的输沙排盐主要是利用汛期的洪水量,而对于河流基本的污染净化和水生态功能的维持,则要求全年各个时段都要有相应的水量保证。

1.2.2 生态环境需水量的空间尺度

生态环境需水量按照空间尺度可分为区域生态环境需水和流域生态环境需水。区域生态环境需水主要针对水资源敏感地区,特别是干旱、半干旱及半湿润地区,这些地区水资源自然条件薄弱,存在长时间、大范围、深程度的资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水。流域生态环境需水是从全流域的角度,研究上、中、下游生态环境需水的时空变化规律。在此基础上,可以比较各流域间生态环境需水在量和质上的差异和共性。

1.2.3 生态环境需水量的阈值范围

对于任意一个生态系统,其生态环境需水量都存在一个上、下限,如果可供利用的水资源量过少,那么将不能满足生物生存的需要,生态系统将退化或死亡。生态环境需水的阈值范围,与自然条件、经济发展水平和对生态环境重视程度有关,目前国内外专家对此提出了不少观点,但还没有定论。美国1978年的第二次全国水资源评价,以分区河流出流点的月流量状况为根据,估计了鱼和野生生物、水力发电、航运等河道内用水的标准:(1)河道内径流为多年平均值的60%,是为大多数水生生物生长期提供优良至极好的栖息条件的基本流量;(2)河道内径流为多年平均值的30%,是保持大多数水生生物有好的栖息条件的基本流量;(3)河道内径流为多年平均值的10%,是保持大多数水生生物短时间生存的最低瞬时径流量。

1.3 生态环境需水量的分类

按照生态系统类型可以将生态环境需水量分为自然和人工生态系统需水量;按照空间尺度,可分为区域和流域生态环境需水量;按空间位置可分为河道内和河道外生态环境需水量等等[3]。

2 水利水电建设的生态影响

2.1 生态影响分析

(1)对陆生生态的影响。主要表现为对河道两岸部分区域内植被的影响。水电站建设改变河流两岸水文情势的时空变化,尤其是引水式电站的开发,造成下游部分河段脱水或严重减水的情况。河水是河岸区域植被的主要补水来源,如果补给水量达不到植被需水的下限,将会造成植被物种的改变,由喜水植物向旱作植物转变。

(2)对水生生态的影响。大坝的建设影响河流的流量、流速、水深等,从而改变了原河道的生态环境,使部分鱼种可能迁徙到上游或其他适合其生存的溪流中,生存空间被不断压缩。鱼类生存空间大幅度减小,这对鱼类种群和数量影响较大,最终可能导致物种灭绝。支流河流作为生态用水的来源,也因小水电的开发而影响其流量、水深等,逐步失去补充干流生态用水的功能。

(3)对当地用水的影响。受季风气候影响,我国大多数河流年内、年际径流分布不均,丰、枯季节流量相差悬殊。对于部分引水式或混合式水电站,闸厂址间不同程度的减、脱水现象,将使原河段两岸居民的生活用水或灌溉用水需求受到影响。另外,引水式和混合式发电也可能引起河段两岸地下水位和井水位下降,对用水造成影响。

(4)对景观的影响。水电站的设计对于景观考虑不足,特别是引水式和混合式开发主要考虑发电效益,未考虑下泄生态景观流量,使下游河段水文情势发生较大的变化,甚至出现枯水期断流现象,河床底部乱石裸露,影响了河道与河谷自然景观的和谐。

2.2 管理现状分析

原国家环保总局环境工程评估中心统计了2002至2005年审查的9个引水式水电站和28个堤坝式水电站资料,对下泄生态流量分别采用Tennant法和法国规定方法进行估算,并与环评报告中提出的下泄生态流量进行对比分析。结果发现,虽然水利水电建设项目对下泄生态流量的重视程度日益增强,尤其对引水式电站的生态流量问题更为关注,但仍然存在着以下问题:

(1)水电站下泄生态流量缺乏统一的标准。水电站下游河道的生态用水流量没有统一的控制标准,导致电站设计中对其下游生态用水缺乏统一的要求。9个引水式水电站中有2个未提出下泄流量设计,有7个提出了下泄流量设计。其中有4个不满足生态流量的基本要求,不满足率接近57%。对于28个堤坝式水电站工程,由于有航运、供水等要求,除3个工程外,大部分工程的下泄流量可以满足生态用水需求,但部分项目仍缺乏具体的工程保障措施,并且未考虑电站调峰运行造成的日流量变化引起的负面影响。

(2)对下泄生态流量缺乏工程保证措施的设计和论证。在分析统计的37个水电站中,接近30%没有给出下泄流量的具体实现方式和保证措施,其余电站虽然提出了保证措施,但缺乏详细的论证和说明。同时,对水库初期蓄水时段造成的下游断流问题缺乏重视。如重庆乌江彭水水电站,初期蓄水期将出现9 d的断流时段,未就如何采取适当方式缓解给出具体设计。

3 生态用水政策研究

3.1 国外的生态环境用水法律、法规

生态用水标准得以执行的首要条件是相关法律的颁布。到目前为止,只有少数国家制定了生态用水相关的法律、法规。其中,澳大利亚和南非制定了较为详细的生态用水法规,美国对生态用水研究也较为充分。

3.1.1 澳大利亚

20世纪70年代初,澳大利亚开始关注大坝对河流造成的影响。当时认为,不能被利用而流到海里的水量是浪费的水量。20年后,澳大利亚实行了《生态可持续发展战略》,并由各级政府极力推动水资源管理改革。

为了给水资源管理机构提供实施改革措施的职责和权限,1996年政府推出了《为生态系统供水的国家原则》(以下简称原则)。其中,最基本的原则是河流和湿地是法定的用水个体,为其配置水资源是保证其生态可持续的重要因素[4]。主要步骤如下:(1)确定生态需水量;(2)为生态系统供水;(3)生态用水管理;(4)相关措施;(5)对生态用水的进一步研究;(6)公众参与。

3.1.2 南非

1989年,南非对河流系统的认识逐步深化,最近的法律将河流定义为一个广泛的生态系统。在1998年的水法中,生态用水被充分重视,并给出了严格的限制措施保证生态用水。水法限定了两个权利:(1)人获取水资源的权利;(2)保证生态系统持续发展所需要的一定数量和质量的水。这两部分水权被称为保留量和生态保留量[5]。

3.1.3 美国

美国的生态用水法在经历了“河流退化阶段”、“河流保护阶段”、“河道流量修复阶段”后,逐渐将河流的管理模式从“最小流量”发展到维持河流的天然发生时间、频率和历时[6]。Richter等人提出的生态用水管理框架得到了最为广泛的认同,在美国应用最为广泛,主要分为如下6个步骤:(1)估计生态需水;(2)分析人类活动的影响;(3)确定流量模式和生态系统潜在的冲突;(4)寻找解决方案;(5)通过管理方案试验解决非确定性问题;(6)设计并执行具有适应性的管理方案。

3.2 我国应考虑的生态用水政策

《环保法》、《环评法》等有关环保法规和其他《水法》、《渔业法》等有关资源法规均对水电水利建设项目水环境和水生生态保护提出了原则要求。为进一步规范水利水电开发中生态用水的管理与要求,尽快实现河流生态用水与经济用水的双赢,促进河流生态流量标准的制定,应考虑以下对策:

(1)制定河流生态用水配套法律、法规。制定、完善相关法规,将生态用水保障纳入法制轨道,构建生态用水的法律保障体系。这是引导社会和建设单位重视生态流量、预防和惩治侵占生态用水行为的必要手段。

(2)严格执行流域规划环评制度,充分重视生态流量规划。制定河流生态流量规划是保障生态用水的前提和保证,必须与其他相关规划协调。河流生态流量规划应由环境保护行政主管部门与河流主管部门联合制定,必须在水资源综合规划、专业规划及其他国民经济有关规划中占有一席之地,是流域规划环评的重要支持内容之一。

(3)立足长远,深入研究河流最小生态需水量的相关标准。我国地域广阔、河流众多,建立河流最小生态需水量的相关标准,要从计算方法、评价指标体系、需水阈值上进行系统化研究,为管理决策提供操作性强的方案和准则。

(4)尽快确定河流最小生态用水量的红线指标,开展多方法、多方案比选。目前,国内对最小生态用水量的概念、内涵及数量的理解尚不统一,没有形成系统、科学的理论体系和公认的定义,更缺乏统一的计算评价方法。2005年12月,原国家环境保护总局在“水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会”上,建议按下列指标控制:最小生态用水量不应小于工程所在河流控制断面多年平均流量的10%,当多年平均流量大于80m3/s时不小于5%;环境污染防治最小用水量,采用工程所在河流控制断面近10年最枯月平均流量方法或90%保证率流量方法,依据河流控制水文站长径流系列数据,计算河流污染防治最小用水量;河口生态环境用水量,采用控制咸潮上溯需要的最小流量作为河口生态环境用水量。

按照较好保持生态环境的基本功能需求,取以上生态流量中最大的一个,即可以同时满足其他最小用水量。在此基础上,能满足资料需求条件的水利水电工程可开展多方法、多方案的比选。

3.3 生态环境需水的调控

为实现水资源可持续利用战略,满足生态环境需水量,需要对水资源进行合理配置和调控。配置分区域间和区域内两个层次:区域间配置的任务是通过跨流域调水工程进行较大范围内的水量调配;区域内的配置则以流域为基础,保证生态环境需水量。主要措施有以下几点:

(1)高效用水,回归挤占的生态环境用水。制定区域各行业用水和节水规划,将用水指标分配到各区域和各行业;制定节水技术标准,在技术上强制实行节水措施;引入新方法和新技术,采取有力措施,保证在中远期目标实现全区节水灌溉,工业企业采用节水型新工艺。

(2)充分挖掘当地水资源潜力,保证生态系统足够的水资源量。雨水资源化:一是雨水的自然资源化过程,其含义是雨水通过入渗进入土壤,增加土壤水库储水量,直接供给植物生长;二是雨水的人为资源化过程,主要是经过人为干预,使雨水变为雨水资源。污水回用:目前大部分废污水未经处理排放,而且大部分用于农业灌溉。通过加强水污染防治力度,提高污水回用率,将为湿地生态环境需水提供空间,同时也将改善湿地生态环境。

(3)跨流域调水,保证重要系统生态环境需水。南水北调解决的既是经济问题,也是政治、社会、生态和环境问题。其功效有:为流域经济社会长期可持续发展提供可靠的水资源保障;稳定流域农业生产水平;控制和恢复地下水位;保护和维持生态环境功能;防止海岸线侵蚀和海水入侵等。南水北调将会使流域水循环过程发生较大变化,从而改善与之相关联的水生态环境。

4 生态用水的计算方法

4.1 河道内生态环境需水

河道内生态环境需水主要包括维持河流水生生物生存的生态需水量、水面蒸发损失需水量、防治河流水质污染的需水量、维持河流水沙平衡的需水量和维持河口水盐平衡的需水量等。

4.1.1 维持河流水生生物生存的生态需水量

代表方法主要有以下几类:水文学法;水力学法;水文—生物分析法;生境模拟法;综合法[7]。

Tennant法是水文学法的代表方法之一。该法在计算维持河流水生生物生存的需水量时认为,河道内径流为50%保证率时,河道流量的10%(即90%为河道外耗水)是大多数水生生物生存所需的最小水量。Tennant法不需要现场测量,常用于在优先度不高的河段研究河流流量推荐值,或作为其他方法的检验。需要注意的是,该法研究的对象大多为规模较小的河流,对于大江大河,其生态需水量应更小,但不低于多年平均流量的5%。

4.1.2 水面蒸发损失需水量

根据水面面积、降水量、水面蒸发量,可求得相应各月的蒸发生态需水量:

式中:WE水体净蒸发损失量,m3;A水体平均水面面积,m2;E水体蒸发量,m;P水体降雨量,m。

4.1.3 防治河流水质污染的需水量

目前主要有以下几种计算方法:美国的7Q10法和中国的10年最枯月平均流量法;水质目标法;水环境功能设定法[8]。

7Q10法采用90%保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小设计流量。该方法主要用于计算污染物允许排放量,并用于许多大型水利工程建设的环境影响评价。但是,对于大部分河流来说,7Q10流量小于10%年平均流量,因此,7Q10流量对于河流生态保护所起的作用是有限的。我国根据国内的实际情况对其进行了修改,在国家标准《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》(GB 3839-83)中规定:一般河流采用近10年或90%保证率最枯月平均流量作为河流环境用水。该方法最初用于水利工程建设的环境影响评价。

4.1.4 维持河流水沙平衡的需水量

在一定输沙总量要求下,可以认为输沙水量直接取决于水流含沙量的大小:

式中:Ws输沙需水量,m3;St为多年平均输沙量,t; Cmax为多年最大月平均含沙量,kg/m3;Cij为第i年第j月的月平均含沙量,kg/m3;n为统计年数。

4.1.5 维持河口水盐平衡的需水量

根据河口含盐度分布和水流循环特征,可将河口类型分为盐水锲型、峡湾型、缓混合型、强混合型四类。前两类用盐水入侵长度关于流量的表达式来计算最小流量;后两类用一维水量和水质模型来推求盐水入侵长度的表达式,再反推最小流量。

4.2 河道外生态环境需水量计算方法

河道外生态环境需水量主要包括植被蒸发蒸腾需水量、水土保持需水量和城市生态需水量等。

4.2.1 植被蒸发蒸腾需水量

河道外生态需水量主要以植物的需水量为主,主要表现为植被的蒸散发。计算方法主要有水量平衡法、面积定额法、基于遥感与GIS的方法等。

4.2.2 水土保持需水量

实施水土保持措施需要耗用水资源,减少下游河道的来水量,因此,应将其纳入河流生态环境需水量的计算中。计算方法有水文法和成因分析法。

4.2.3 城市生态需水量

主要是绿化植被的需水量,风景观赏河湖用水等。城市园林绿地用水量可通过城市规划绿地面积乘以其灌溉定额来确定。而城市河湖生态环境需水计算与前面的河流、湖泊的计算方法类似。

4.3 计算中应注意的问题

生态需水量计算要遵从宏观考虑,微观着手原则。计算中应明确河流主要生态环境功能,以确定生态环境需水量的组成;需开展多方法、多方案的比选;不同地区、不同规模河道内生态需水量差异较大,但最小流量不应小于河道控制断面多年平均流量的10%,当多年平均流量大于80m3/s时按5%取用;计算结果进行验证,讨论其合理性。

5 结语

水电水利开发对经济社会发展有促进作用,但其带来的负面影响不容忽视。为保护生态环境,避免水资源掠夺式开发,尽快建立河流最小生态流量的相关标准,制定河流生态用水配套法律法规已成为当务之急。构建生态用水的法律保障体系是实现河流生态用水与经济用水双赢的必经之路。

[1]Nienhuis P H.New Concepts for Sustainable Management of River Basins[M].Netherlands:Backuys Publishers,1998.

[2]倪晋仁,崔树彬,李天宏,等.论河流生态环境需水[J].水利学报,2002,(9):14-19.

[3]杨爱民,唐克旺,王 浩,等.生态用水的基本理论与计算方法[J].水利学报,2004,(12):1-8.

[4]杨志峰,崔保山,刘静玲,等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京:科学出版社,2003.

[5]桑德拉·颇斯戴尔,布赖恩·里奇特.武会先,王万战,宋学东译.河流生命——为人类和自然管理水[M].郑州:黄河水利出版社,2005.

[6]Book P J.River Conservation and Management[M].John W iley& SonsLtd,1992.

[7]杨志峰,张远.河道生态环境需水研究方法比较[J].水动力学研究与进展,2003,(5):294-301.

[8]王西琴,杨志峰,刘昌明.河道最小环境需水量确定方法及其应用研究Ⅱ[J].环境科学学报,2001,(9):548-552.

TV21

B

1674-8069(2010)05-001-05

2010-08-05;

2010-09-03

付鹏(1976-),男,吉林省吉林市人,工程师,博士,主要从事水资源管理工作。E-mail:pngfu@163.com

Abstract:Internal and international studies suggest that,besides water quality,eco logicalwater is another important facto r to sustain a well-balanced ecosystem.So certain eco logicalwater allocation in water resources is an i mportantm easure to protect ecological environm ent.Ecologicalwater has space-t ime scale and threshold,but its space-t im e scale w illbe changed,even its threshold can not be satisfied because of large-scale hydropower construct ion.Statistics show s that 57%of hydropower stations built in recent 5 years in china can’t satisfy the request of ecologicalwater.The policies China must take into account now are:establishing criterions and correlative law s ofm in im um eco logicalwater in a river,and strengthening macroscopically control of eco logical environm entwater,for example,south-to-north water divers ion.The paper proposes thatm in imum ecologicalwater should not be less than 10%ofm ulti-year average discharge at a control section of a river,but no t be less than 5%when multi-year average discharge is less than 80m3/s.At the sam e t im e,calculation methods of ecologicalwater should be compared according to diversified ecological funct ions of a river.

Key words:ecologicalwater;water resources and hydropower construction;ecologicalwater policies;criter ions; law s and rules;south-to-north water diversion