水资源配置中的生态环境用水问题浅析

1水资源配置中的生态环境用水问题浅析国家电力公司华东勘测设计研究院傅菁菁张祖生摘要：根据目前国内外生态环境用水的研究情况，对解决水资源配置中的生态环境用水问题提出了几点思路，并综述了各项生态环境用水量的计算方法。关键词：生态环境用水计算方法生态环境是人类生存发展的基本自然条件，水对维持人类赖以生存的生态环境起着决定性作用，而长期以来，人类在水资源的开发利用中，只重视解决生产、生活用水的需求，对水资源保护利用与生态环境的相互依存关系缺乏认识，忽视生态环境用水，从而导致了一系列的生态环境问题。海河流域曾是水域、湿地广泛分布的地区，生态环境状况良好，而目前其水资源开发利用率已达80％以上，严重超出世界公认的30％开发利用率上限，已造成流域内的许多河流断流、湖泊湿地干涸以及地面沉降。新疆塔里木河及甘肃、内蒙古黑河下游，河水断流、湖泊干涸、湿地消失、林草植被大面积死亡；黄河下游河段长时间枯水、断流、黄河三角洲湿地退化、地下水位下降等，无一不是由于生态环境水量减少引起的。美国中央河谷工程和加利福尼亚州水道工程都是以萨克拉门托河为取水水源，调水量较大，造成海湾水质恶化，影响海湾水生生物，海水倒灌使旧金山湾地区的土地盐渍化，给生态环境带来了较大不利影响[1]。科罗拉多河的地表水，绝大部分用于灌溉美国7个州的含盐土地，每年引水量约为95亿m3，致使河水含盐量不断增加，被浇灌的土地盐碱化[1]。因此，近年来，有许多研究者强力疾呼我国所面临的水资源问题，向全社会提出，“在水资源配置中，要从不重视生态环境用水，转变为在保证生态环境用水的前提下，合理规划和保障经济社会的用水”[16]。“应该在水资源总量中专门划出一部分作为生态环境用水，另一部分为国民经济各部门的用水，包括工、农业及城市生活用水等”[17]。1.生态环境用水的基本概念目前，对生态环境用水的概念尚无统一的定义。生态用水量应该是特定区域2内生态系统用水量的总称，包括生物体自身的用水量和生物体赖以生存的环境用水量，其实质就是维持生态系统生物群落及其栖息环境动态稳定所需的用水量。在美国，环境用水量系指服务于鱼类和野生动物、娱乐及其它具有美学价值目标的水资源需求；在中国，环境用水量被看作为满足水质改善、生态和谐与环境美化目标的水资源需求，其实质就是为满足生态系统的各种基本功能健康所需的用水[2]。然而，生态用水与环境用水是很难割裂开来探讨的，目前关于生态用水和环境用水的研究多数都是综合了生态用水和环境用水两个方面来考虑的。钱正英等认为：“从广义上讲，维持全球生物地理生态系统水分平衡所需要的水，包括水热平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡等所需要的水都是生态环境用水”，“狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”，其狭义概念的实质是生态环境建设用水[3]。2.研究生态环境用水的目的和意义水是生命之源，万物之本。陆地水文过程与生态环境变化相互作用、相互影响。生态环境质量直接关系到区域水文状况与水文环境的好坏，而区域水文情势则对生态平衡起到重要的调节作用。长期以来，在水资源开发利用中往往没有考虑生态环境保护和改善的水资源分配问题，致使一些地区的生态环境出现退化，表现出类似上述的各类自然生态问题。为根治这些生态环境问题，实现我国经济社会可持续发展，国务院制定并发布了《全国生态环境建设规划》。随着我国生态环境建设的开展，生态环境用水问题将越来越突出，研究我国生态环境用水，对于实现我国水资源区域间、部门间的合理配置和可持续发展利用具有十分重要的意义。中国工程院2001年出版的重大咨询项目研究成果《中国可持续发展水资源战略研究总报告》中明确指出：必须以水资源的可持续利用支持我国经济社会的可持续发展，建议从8个方面实行战略性转变。其中的一个重要的战略性转变就是“要从不重视生态环境用水转变为保证生态环境用水的水资源配置战略。”要求在水资源配置中，为实现《全国生态环境建设规划》服务，即为保护与改善全国生态环境服务。因此，生态环境用水的研究成果要求回答某一流域在水资源的配置中，包括那些与生态环境保护与改善有关的项目，以及每个项目的具体用水量[4]。33.生态环境用水的计算方法3.1计算时需考虑的几个指标[6]1.河流流量指标河流的流量是水生态系统优劣的基本指标，一般情况下，河道内应保证60％的水质达标水量，流量减少会直接影响其生态功能。人类为维持生活、生产和生态的河道外用水，一般不应超过河流径流量的40％。2.湖泊的面积与水量城市河湖水体是体现城市生机的重要因素，城市水体面积的比率直接关系到城市空气的湿度和温度，是城市生态的重要指标。采用河湖占城区面积比来反映城市水生态状况。3.湿地指标湿地是河湖与陆地的过渡带，有多种生态功能，具有补给地下水的重要功能。湿地总面积大小，体现了其发挥调节气候等能力的大小；湿地面积比率反映了湿地影响的大小。以湿地面积、湿地水体面积和湿地比率作为衡量湿地状况的指标。4.地下水指标地下水位直接反映了地下水储量，如果地下水位很低，不仅不能补给地表水，而且湿地和河流就很难蓄住水，地表植被也难以生长。抽取地下水后，地下水位应不低于保持原植被的水平，更不能造成地面沉降。5.入海水量河口地区是咸淡水交替的地方，许多生物在此繁衍生息，具有很高的生态地位，入海水量的大小决定了河口地区的生态质量。入海水量应达到衡量径流量的10％，内陆河流域输入尾闾的水量也应达到河流径流量的10％～15％。6.水质指标水质状况决定了水体发挥什么样的功能和发挥功能的大小，污水危害生物的生存，降低水的生态功能。水体水质是反映水体好坏的定量体现；COD是水污染的主要污染物，是实现“总量控制”的重要指标；污水处理率反映了污水治理的程度，决定着进入水体污染物的总量。流域排污总量，应在河流径流量的1/40以内，以达到自然稀释，超标的一定要达标排放。7.调水在有条件的情况下，原则上可向自然水生态不平衡的、人类生存环境附着的4生态系统，即水资源总量折合地表径流深小于150mm的地区调水；此外可向水资源总量减去居民最低耗水量后，折合地表径流深小于150mm的人口密集区调水。8.植被和动物群落植被覆盖率反映了绿化美化的程度，影响着其涵养水源、调节气候和防止水土流失的能力；动物群落是反映生态系统蜕变与否的重要标志。因此在生态环境用水中也必须考虑到动植物生态系统的用水。3.2计算方法[2、4、5、6、10、11、12、14]1.河流生态环境用水河流系统是自然界最重要的生态系统之一，河流生态环境用水量的动态配置必须有利于单位水资源的生态环境服务最大化。目前河流生态环境用水量的分类及其估算方法主要有以下几种。（1）河流水污染防治用水量估算河流水污染防治用水最简单的方法有美国的7Q10法和中国的10年最枯月平均流量法。前者采用90％保证率条件下的最枯连续7天平均水量作为河流水污染防治用水的最小设计值。我国的《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839—83），规定一般河流采用近十年最枯月平均流量或90％保证率最枯月平均流量，重点用于计算污染物允许排放量。河流水污染防治用水也可按照以水质目标为约束的方法估算，其基本原理是在考虑河段上游来中污染物浓度、河段内污染物产生量、河段内污染物治理程度、河段内污废水资源化程度、河段内城市污废水产生总量和污染物削减等综合状况的条件下，得出满足河段水质控制目标的相应水量。目前还有一种观点，认为河流水质保护应从控制污染源入手，而不能依靠增加水污染防治生态用水来实现，因此该观点认为生态环境用水中应不计河流水污染防治用水。（2）河流生态用水量河流生态用水涉及各类生物体及其生境用水。该方法是基于这样一个假设，即保护水生生物和植物指示物种所需的水量与保护整个河流生境所需的水量大致相同。上述假设可以在一定程度上暂时回避河流生态用水计算时遇到的困难，而且具有相对充分的生态学理论与实践基础。目前较为典型的计算方法有湿周5法、R2CROSS法以及80年代初提出的河道内流量增加法等。河道湿周法的主要依据是水力学研究中得到的基本认识。该方法的假设为：即保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。这种方法需要确定湿周与流量之间的关系，一般适用于宽浅河道。R2CROSS法的主要依据也是水力学中的基础知识，只是按照曼宁公式来确定流量。该法适用于一般浅滩式的河流栖息地类型。其假设为：浅滩是最临界的河流栖息地类型，保护了浅滩栖息地也将基本保护了其它水生栖息地。河道内流量增加法（主要指IFIM法）将大量水文与水化学实测数据与特定水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合，进行流量增加变化对栖息地影响的评价。河道内流量增加法并不直接给出特定的流量目标值，其可以有效地评估水资源开发对下游水生物栖息地的影响。除上述方法外，还有一些超脱于特定用途的综合型计算方法，如Montana法等。这类方法属于非现场测定类型的标准设定方法，一般具有宏观的定性指导意义。该方法不需要现场测量，在年内的不同阶段可以按照河流年平均流量或其它特征流量的百分比来表示。上述方法可以在优先度不高的河段使用，或者作为其它方法的一种粗略检验。（3）河流输沙用水鉴于中国北方的一些多沙河流普遍存在河道径流减少、断流现象增多和洪水威胁加剧的趋势，维持河道水沙平衡的重要性显得日益突出。河流的水沙冲淤平衡与否，与流域的土地利用、水资源开发利用、生态植被保护建设、水土流失治理以及河道整治与开发等人工要素密切相关，任何一个要素的变化，都会带来新的水沙平衡或不平衡。目前关于河流输沙用水方面值得借鉴的研究成果很少，应该是今后重点的研究问题之一。（4）河口区生态环境用水量河口是一个相对独立的水环境生态系统，其种群数量及生物多样性特征非常典型。河口区生态环境用水量与径流和潮流双向作用的对比有很大关系。河口区生态环境用水需要同时满足水盐平衡、水热平衡、海岸线进退相对平衡和动植物生境动态平衡。相应地，河口区生态环境用水量的确定受制于径流量、潮流量、河口地形、河相来沙、海相来沙、温度、含盐量、生物量和生物多样性等众多因6素。河口区生态环境用水量的计算相当复杂，较为理想的做法是采用营养位较低的饵料（或物种）作为指标，但是要系统地获得这类资料通常都非常困难，因此退而考虑采用影响生物体环境质量的指标（如温度、含盐量或其它环境指标等）进行间接替代的方法用得较多。利用河口出流水量与河口海域生物量和生物多样性关系模型计算生态环境用水量是不现实的。（5）河流景观与娱乐环境用水对于以观赏和娱乐为主要功能的河流水体来说，只要河水能够达到相应的水质标准，河流景观与娱乐环境用水就已经优先满足。由于河流景观与娱乐环境用水的水质要求并不太高，所以水量大小将成为主要指标，可以按照功能目标的要求进行计算。在我国，景观与娱乐环境用水往往采用人均水面面积指标估算。（6）吴氏算法[6]这是由水利部水资源司司长吴季松创立的新算法。其基本概念是对于一个划定边界的河流水生态系统，其生态环境用水要保证以下几个方面：①保证入海水量（对入海河流而言）或散失水量（对内陆河流而言），不少于河流流量的10％～15％。10％的入海水量是保证河口生态系统的最低生态水量，而10％～15％的散失水量是保证内陆河不逐渐缩短和尾闾生态系统的最低生态水量。②对河流的调水，调出本流域的水量不能超过河流流量的20％，对河流的退水型用水总量一般不能超过河流流量的40％；对河流的总用水量（包括非退水和退水用水量）不超过河流流量的60％。③第一、第二、第三产业和居民生活污废水如达标排放（退水）可为生态用水。在上述基础上就有公式：])()()([15.0)(iQiQiQSiQitsE式中QE(i)——维系生态系统所需水量，即生态水量，m3；Qs(i)——河流入海水量（应大于河流水量的10％；或为内陆河尾闾散失水量，应大于河流水量的10％～15％），m3；Qt(i)——调出流域的河流水量（应小于河流水量的20％），m3；7Qi(i)——用水后非退水量（应不超过30％），m3；S——被分析的生态系统的