海河流域河流生态需水计算.docx
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海河流域河流生态需水计算
第三章海河流域河流生态需水计算
海河流域河流生态径流转变规律分析
3.1.1水文形式与河流生态径流的耦合
由于河道内流量的减少，致使泥沙淤积，引发河床形态转变，致使河道萎缩，河床举高，河口退后，并使得沿河的生态和经济受到严峻的负面影响。
河流缺水使得沿河的洼地、湿地、植被等严峻缺水，乃至生活用水都面临危机。
河流大体的生态需水能够维持河流最少的生存功能，为保护和修复河流的生态功能提供一些依据。
河流的天然形式是形成和维持水生和岸边生物赖以生存的河道内和泛洪平原栖息地条件的主要因素。
河流形式的五个关键组成部份，即各水文要素的量值、频率、发生时刻、历时和转变率，控制着河道内、外的物质和能量互换，也影响着水生生物群落间的彼此作用，同时一些水文现象发生时刻的规律性是许多水生生物和岸边生物生存的必要条件。
例如，洪水出现时刻和历时的转变，消除在自然状态下，洪水对鱼类的产卵和迁移的提示作用，或大大减少了鱼类进入繁衍区的机率。
某些岸边植物具有对较持久洪水的耐受性，和某些水生无脊椎动物和鱼类具有对较持久枯季流量的耐受性使得这些物种在适宜的生境中长期生存繁衍，避免了一些外来物种的侵袭。
因此，自然状态下河流的季节性转变能够有效的抑制那些产卵和孵化必需依赖于流量转变的外来物种的入侵。
河流流量的转变速度影响物种的持久性和共生性。
对于那些容易暴发洪水的河流，由于流量在短时刻内增加迅猛，使得那些缺乏适应能力的外来物种沿水流冲到下游地域。
人类对自然水文进程的改变扰乱河流系统中水流运动与沉积物运动的动态平衡，从而改变了决定水生及岸边生物栖息地类型的地貌特征。
目前针对河流生态的研究表明，鱼类及其他水生生物所需的栖息地特征是不可能仅通过维持河流最小流量得以实现的。
具有必然转变范围的流量是冲洗和养护砾石河床、从泛洪平原向河道内输递营养物质、为岸边湿地提供通道等的重要动力。
另外，仅仅将注意力集中在一种或几种物种的需水量特征方面，未能考虑到某些有利于整个生态系统的外在因素可能对某些物种的生存繁衍具有负面影响，而有利于某一物种生存繁衍的外在因素又可能制约着整个生态系统功能的发挥。
对自然转变系统的长期研究表明，有些物种在丰水年表现出旺盛的生命力，也有些物种在枯水年加倍活跃;同时，生态系统整体的生物多样性和生态系统功能的正常发挥正是得益于生物种群在数量上的交替性转变。
因此，从整体上审视河流生态系统，着眼于恢复活态进程和生物丰硕度的自然转变特征是河流生态系统管理与修复的重要环节。
河流需要具有自然流量状态才能维持河流生态系统的完整性及生物的多样性，此自然流量状态需包括年际间及年内完全的自然转变，河流的自然流量转变包括下列五种重要的特性，即量、延时、频率、时刻及转变率，此观念即称为变异范围法（RangeofVariabilityApproach,RVA）。
为量化为河川流量受水利设施影响的改变度，Richter等（1997）利用水文改变指标（IndicatorofHydrologicAltertion,IHA）的32个水文参数评估流量特性受水利工程影响之改变程度。
RvA（Rnage、arribaliiytApProahc）法以保护河流生态系统生物多样性和发挥河流自然生态功能为目标，对河流进行管理，将河流水文条件的转变特征与河流生态系统完整性相结合，全面分析了与河流生态健康紧密相关的河流形式的统计特征，并最终设定初步的为保护河流生态的河流管理目标。
将自然状况下的河流形式转化为河流的管理目标，是由于河流的径流特征在评价河流生态系统完整性随时刻发生转变的进程中起到了有效而准确的指示器作用。
主要表此刻:
）l河流生态系统中很多非生物因素是随着河流径流特征的转变而转变的，如溶解氧浓度、水温、不同尺寸固体悬浮物的散布、和河床的稳固性等。
2）在大尺度下，河道及泛洪平原的地貌形态是受河道流量的转变驱动的，尤其是较大流量的影响。
3）相对于仅有较短时刻系列的生态资料而言，具有较长时刻系列的流量资料能够更好的反映人类对河流生态系统的影响。
RVA法不同于其他水文学方式，它主要通过水文特征值的量值、频率、历时、发生时刻和转变率五个方面对河流径流特征进行分析。
RVA法需将具有相当长度的时刻序列划分为人类干扰前和人类干扰后两个阶段，分析水文变量的以上5个表现特征在人类干扰前后的转变特征。
因此，具有较长时刻序列的水文变量是RVA法的应用前提，这是为了加倍准确的反映河流在人类干扰前后的水文变量的散布特性。
3.1.2指数选取
选用最能反映河流生态系统生物多样性和发挥河流自然生态功能为目标的水文转变指数（IHA,IndicatorsofHydrologicAlteration），通过RVA（RangeVariabilityApproach）法分析人类干扰前后水文变量的散布特性，为河流生态管理提供依据。
水文转变指数的选取,分为流量大小幅度、时刻、频率、持续期和变更率等具有生态意义的五大类（见下表）。
表3-1水文转变指数表
IHA指标
水文参数（32个）
对生态系统的影响
月平均水量变化
各月平均流量
水生生物气息可能性
水滨植物供水可得性
水资源的可获性
野生生物饮水易获性
影响水温与溶解氧
年均极值变化
年均1日、3日、7日、30日、90日最小/最大流量
生物体竞争与忍耐的平衡
创造植物散布的条件
年最小7日流量/年均值流量
河渠地形塑造与栖息地物理条件培养
植物土壤含水紧张
野生生物脱水
水紧张持续期
植物群落分布
极端水文现象出现时间
年最大流量出现日期
对生物体压力的预测与规避
年最小流量出现日期
迁徙鱼产卵信号
脉冲流量的频率与历时
年出现高流量脉冲事件的次数
对植物产生土壤湿度压迫的频率
年出现低流量脉冲事件的次数
对植物产生厌氧压迫的频率和历时
年高流量脉冲事件历时
洪泛平原作为生物栖息地的有效性
年低流量脉冲事件历时
营养及有机物在河道和洪泛平原间的交换
流量变化的出现频率与变化率
日流量平均增长率
对植物产生的干旱压力
日流量平均降低率
营养物质在洪泛平原的截留
流量过程转折点的数量
此32个IHA对河川水域生态环境的影响各不相同，例如极端流量如洪水对河相的转变及栖地的形成有极大的影响，河道与洪水平原间营养源的互换则有赖高低流量的转变频率及延时，水域生物的生命周期与年极端流量发生的日期有紧密的关系等。
3.1.3RVA法评估水文指数改变度
RVA需先以详细的流量纪录来评估未受水利设施影响前之河川流量自然转变状态，Richter等（1996）建议以日流量纪录为基础，以未受水利设施影响前之流量自然转变状态为基准，评估受水利设施影响后之流量纪录，以了解受影响的改变程度。
而认定水文改变指标受影响的标准需以生态方面受影响的数据为依据，但如果缺乏此方面的资料，Richter等（1997）建议以各指标之平均值加减ㄧ标准误差、或各指标发生机率75%及25%之值（Richter等，1998）作为各个指标之上下限，称为RVA标的（RVAtargets）。
水利设施兴修后受影响流量纪录之IHA若落在RVA标的内的频率与水利设施兴修前的频率一样，则表示水利设施兴修及营运对河川的影响轻微，仍然保有自然的流量转变范围，但如果受影响之流量纪录落于RVA标的内的频率远大于或远小于水利设施兴修前的频率，则表示水利设施已经改变了原有河川的流量转变特性，此一改变将进一步对河川水域生态系统有严峻的负面影响。
RVA的评估步骤可分为下列四个步骤：
1.以水利设施兴修前未受干扰的日流量纪录计算32个IHA的年转变情形；
2.依据步骤1.所得未受水利设施兴修或营运影响的结果订定各个IHA的RVA标的，本文将以各个IHA发生机率75%及25%之值作为评估标的；
3.搜集或以仿真模式演算水利设施兴修后的日流量纪录之32个IHA的年转变情形；
4.以步骤2.所得之32个IHA的RVA标的评估步骤3.所得水利设施兴修后的情形，即可了解水利设施的兴修与营运对河川水文特性之影响程度。
为量化IHA受水利设施影响之改变程度，Richter等（1998）建议以水文改变度（degreeofhydrologicalteration）来评估，其概念如下：
（3-1）
其中Di为第i个IHA之水文改变度；Noi为第i个IHA之观测年数，指水利设施兴修后IHA仍落于RVA标的内之年数；Ne为预期年数，指水利设施兴修后IHA预期落于RVA标的内之年数，能够r×NT来评估，r为水利设施兴修前之IHA落于RVA标的内之比例，若以各IHA之75%及25%作为RVA标的，则r=50%，而NT为水利设施兴修后受影响流量纪录之总年数。
Richter等（1998）进一步建议若上式Di值介于0-33%间属于无或低度改变（littleornoalteration）；33-67%间属于中度改变（moderatealteration）；67-100%则属于高度改变（highalteration）。
由此量化的数值很容易判断表*所列32个IHA受水利设施兴修与营运影响的程度。
整体水文改变之评估：
上述32个IHA可能会有不同的水文改变度，即有不同个数之IHA别离属于高度、中度或低度改变，亦即不同的IHA对水利设施的反映并非一致，因此整合32个IHA的水文改变情形以一整体水文改变状况来代表是一种简化且易于表示水利设施对水域环境影响的方式，Shiau及Wu（2004b）曾建议以下列方式进行整体评估：
1.当32个IHA均为低度改变时则归类为整体低度改变（overalllowalteration）；
2.当至少有1个IHA属于中度改变，但无任何IHA属于高度改变时，则归类为整体中度改变（overallmoderatealteration）；
3.当至少有1个IHA属于高度改变时，则归类为整体高度改变（overallhighalteration）。
以此方式作为整体评估水利设施对河川水域生态环境的影响，不仅计算甚为简单且当即可看出是不是有IHA属于中度或高度改变。
但缺乏一代表整体改变的量化数值仍有以下的缺点，例如无法比较同属于整体低度、中度、或高度改变的二种不同情形的不同性，另亦无法利用优选模式以寻求最佳解，因此需要成立一整体量化的评估系统。
整体水文改变度：
Richter等（1998）曾以32个IHA的水文改变度之平均值来评估河川水域环境的整体改变情形，以此方式作为整体评估方式会因取平均值而看不出是不是有任何IHA属于中、高度水文改变，即少数属于高度或中度改变之IHA会因其它多数属于低度改变之IHA具有较低之水文改变度而取得较低的整体平均值。
萧及吴（2004）与Shiau及Wu（2005a）建议配合前述三种整体水文改变情形以权重平均的方式来量化评估整体的水文特性改变情形，称为整体水文改变度（overalldegreeofhydrologicalteration），以Do来表示，此法仍分为三种情形：
1.第一种情形为整体低度改变，即32个IHA都属于低度改变，亦即Di值均小于33%，则整体水文改变度，取32个IHA的Di值之平均值，如下式所示：
（3-2）
上式的Do值将会低于33%。
2.第二种情形为整体中度改变，即32个IHA中至少有一个IHA属于中度改变，而没有任何IHA属于高度改变，则采取下列的权重平均方式来计算：
（3-3）
其中Nm为属于中度改变的IHA个数。
依此式计算，Do的数值将会介于33%与67%之间。
3.第三种情形为整体高度改变，即32个IHA中至少有一个IHA属于高度改变，则采取下列的权重平均方式来计算：
（3-4）
其中Nh为属于高度改变的IHA个数。
此种情形Do值将高于67%。
以此方式来评估河川流量自然转变的整体改变情形有以下的长处：
（1）由整体水文改变度的数值大小即可明白是不是有IHA属于中度或高度改变；
（2）整体水文改变度的数值依整底高度、中度及低度改变仍然分为三阶段，且其分界与Richter等（1998）本来对水文改变度分界的建议值一致；（3）整合式量化的表示方式可利用于优选模式中以决定最佳策略。
因此本文亦将利用此法来评估受水利设施影响之河川整体水域环境之改变程度。
3.1.4海河流域水文指数改变度分析
指数分析
以滦河下游的滦县水文站和永定河支流桑干河上石匣里水文站为例进行分析。
按照水文站上游水利工程和河流演变趋势，选定1980年作为天然河流和受到干扰后的河流特性的分界点。
从图1干扰前后两个时期的月流量进程能够看出，滦县站涞水整体是减少的，由于水库等水利工程的调蓄作用受干扰后的流量进程趋于光滑，洪峰流量大幅度减小，由于受到干扰强烈，1980年后流量大体都落在RVA恢复目标之外。
图3-11受干扰前后滦县站月流量散布图
图3-2受干扰前后石匣里站月流量散布图
通过别离计算两站两个时段的水文系列特征值，得出水文恢复目标范围，具体结果见下表。
表3-2滦县站水文转变指数统计分析表
水文变化指数
设定流量变化范围
中值
低
高
干扰前
离散系数
干扰后
离散系数
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
1月
2月
3月
年最小1日平均流量
年最小连续3日平均流量
年最小连续7日平均流量
年最小连续30日平均流量
年最小连续90日平均流量
年最大1日平均流量
年最大连续3日平均流量
年最大连续7日平均流量
年最大连续30日平均流量
年最大连续90日平均流量
年最小连续7日流量/年均值流量
年最小流量出现日期
39
153
36
0
334
年最大流量出现日期
211
226
222
0
213
年流量减少脉冲次数
年流量减少脉冲历时
年流量增加脉冲次数
年流量增加脉冲历时
日流量平均增长率
日流量平均降低率
流量过程转折点数量
表3-3滦县站水文转变指数改变度统计表
中RVA范围
高RVA范围
低RVA范围
期望
实际
变化度
期望
实际
变化度
期望
实际
变化度
4月
7
5
6
1
6
14
5月
7
0
6
20
6
0
6月
7
2
6
18
6
0
7月
7
3
6
4
6
13
8月
7
2
6
3
6
15
9月
7
3
6
2
6
15
10月
8
1
5
2
6
17
11月
7
0
6
2
6
18
12月
7
2
6
0
6
18
1月
7
4
6
0
6
16
2月
7
1
6
0
6
19
3月
7
0
6
0
6
20
表3-4石匣里站水文转变指数统计分析表
水文变化指数
设定流量变化范围
中值
低
高
干扰前
离散系数
干扰后
离散系数
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
1月
2月
3月
年最小1日平均流量
年最小连续3日平均流量
年最小连续7日平均流量
年最小连续30日平均流量
年最小连续90日平均流量
年最大1日平均流量
年最大连续3日平均流量
年最大连续7日平均流量
年最大连续30日平均流量
年最大连续90日平均流量
年最小连续7日流量/年均值流量
年最小流量出现日期
187
184
0
0
0
年最大流量出现日期
215
190
0
0
0
年流量减少脉冲次数
年流量减少脉冲历时
年流量增加脉冲次数
年流量增加脉冲历时
日流量平均增长率
日流量平均降低率
流量过程转折点数量
表3-5滦县站水文转变指数改变度统计表
中RVA范围
高RVA范围
低RVA范围
期望
实际
变化度
期望
实际
变化度
期望
实际
变化度
4月
8
0
7
1
7
20
5月
8
6
7
1
7
14
6月
8
5
7
1
7
15
7月
8
3
7
1
7
17
8月
8
3
7
0
7
18
9月
8
0
7
1
6
20
10月
8
0
7
0
7
21
11月
8
2
7
0
7
19
12月
8
0
7
0
7
21
1月
8
0
7
0
7
21
2月
8
0
7
0
7
21
3月
8
0
7
0
7
21
从上面两个表能够看出两站的水文进程受影响明显，其中中、高流量范围的RVA改变度都是负值，说明受到干扰后径流被均化，而低流量范围的RVA改变度多为正值，说明径流在总水量减少后被均化，流量进程变的光滑。
水利工程如大型水库的修建等人工干扰同时也显著的改变了河流年内极端水文特征转变的范围和趋势。
年最小/最大1日平均流量、年最小/最大持续3、7、30、90日平均流量都转变明显，如下图的最小/最大1日平均流量，在水量明显减少的同时，年际间波动范围也明显减小，这是因为水利工程在汛期消减了洪峰流量和在非汛期下泄部份流量以保证下游河道流量。
由于年内极端水文现象的出现频率和发生历时往往是某些物种再生和发育的驱动因素，该因素的转变将影响水域生物群落的演替进程，并对河流生态系统产生长期的胁迫作用。
图3-3受干扰前后滦县站最小1日平均流量转变图
图3-4受干扰前后石匣里站最小1日平均流量转变图
图3-5受干扰前后滦县站最大1日平均流量转变图
图3-6受干扰前后石匣里站最大1日平均流量转变图
从图16-19能够发觉，年出现流量增加脉冲的平均历时和流量出现转变次数都明显减小，脉冲流量对泛洪平原的周期性淹没是增强河流生态系统横向持续性的重要因素，在枯水流量增加脉冲的平均历时的缩短减弱了泛洪平原为岸边植物、浮游生物及鱼类产卵提供栖息地的重要生态功能。
图3-7受干扰前后滦县站高流量脉冲的历时转变图
图3-8受干扰前后石匣里站高流量脉冲的历时转变图
图3-9受干扰前后滦县站流量进程转折点的数量转变图
图3-10受干扰前后石匣里站流量进程转折点的数量转变图
（3）环境流量指数
环境流量是将流量进程曲线划分为一系列与生态紧密相关的流量模式，即枯水流量、极枯水流量、高流量脉冲、一般洪水和特大洪水。
这5种流量模式包括了流量进程曲线中的所有流量进程，对于维持河流生态系统完整性是十分重要的。
这不单单体此刻枯水季节知足必然的水量，更重要的是必然规模的洪水，乃至极端枯水流量都发挥着重要的生态功能。
环境流量能够加倍直观的描画出河流形式的转变，其日间转变、季节间转变和年际间转变都会对水生动植物产生不同程度的影响。
归纳以上5种流量模式的相关统计特征，提取为28个环境流量指数，见表。
通过度析人类活动干扰前后这28个环境流量指数的转变情形，能够在必然程度上反映生态系统的受影响状况。
表3-6环境流量指数表
环境流量指数分类
水文参数
生态响应
月枯水流量
月枯水流量的中值
为水生生物提供充足的栖息地
维持河流适宜的水温、溶解氧浓度和水化学特征
维持泛洪平原的地下水位和土壤湿度
为陆生动物提供饮用水
为鱼类向食物区和产卵区提供通道
极枯水流量
年出现极枯水流量的次数
使泛洪平原的某些物种得到补充
年极枯水流量的平均历时（天）
清除水生和岸边生物群落的外来入侵物种
年极枯水流量的极小值
极小枯水流量的出现时间
高流量脉冲
年出现高流量脉冲的次数
塑造河道的物理特征，如浅滩和深塘
年极高流量脉冲的平均历时（天）
形成不同尺寸的河床沉积层颗粒，如沙石、砾石和卵石
年高流量
升级会员 