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河口生态环境需水量研究探讨

[日期:2013-07-09]
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摘要:随着需水量急剧增加,生活生产用水与生态环境用水的矛盾日益加剧。为保障河口地区社会经济的可持续发展和维护河口生态环境,对生态环境需水量进行估算和分析是具有前瞻性的。本文从浙江省河口的特点出发,提出生态环境需水量分四个组成分别计算,目的是防止流域水资源的开发利用对河口的防洪安全和水体功能造成不利影响。

关键字:浙江省  河口生态环境需水 防洪安全     


随着经济的快速发展,需水量急剧增加,生活、生产用水与生态、环境用水的矛盾日益加剧。河口处于流域的最下游端,其两岸集中了浙江省经济最发达的地区,但面临的水资源、水环境、水生态问题往往较上游严峻。事实上,以牺牲生态环境为代价的水资源过度开发和利用往往成为约束社会经济进一步发展的瓶颈,因此,为了保障河口地区社会经济的可持续发展和维护河口生态环境,在水资源开发尚有潜力的情况下,提出对生态环境需水进行估算和分析是非常必要的,也具有前瞻性的。其目的是保证在流域水资源进一步开发、利用后,对河口面貌不至于造成大的改变,以防危及河口的防洪安全和破坏水体功能(如航运、供水、纳污、水产养殖等)。

河流生态环境需水量的确定和预测是一个新兴的学科,对河流和海洋的汇合处河口而言,情况更为复杂,研究成果也很少。国外对河口生态需水的研究主要侧重于为保护河口生物群落,维持水盐平衡的淡水需水量计算,国内在这方面还停留在定性研究和宏观描述上。

 

1. 河口的价值及存在的问题

从经济和生物价值看,河口是地球上最重要的生态系统。这些海滨的群落交错区,生物产量非常高,可以和栽培密度最高的农场相媲美,主要有几个原因:

—— 丰富的营养

—— 海底、湿地、浮游植物栖息地之间营养物质的储存、滞留和有效循环

—— 微生物、藻类和植物,为生物生存提供了食物和空间

—— 强大的潮能量和物质循环

但人类活动正在威胁并破坏河口的生态系统,如点源和非点源污染造成的富营养化、耗氧、化学污染、生物群落的损坏等。建海堤、堤防、驳岸、挖沟、疏浚工程、对湿地造成破坏的围垦等,将对生物的栖息地产生不可逆转的改变。此外,在河口地区进行的跨流域调水对水质、盐度模式和生物资源的分布和丰富程度都有巨大的影响。

 

2. 河口生态环境需水的组成

在确定浙江省河口的生态环境需水量时,需要考虑的因素包括:(1)河口以海域来沙为主,呈现洪冲潮淤特性,径流是塑造河口的关键因素;(2)河口两岸是全省经济增长最快的区域,两岸对防洪安全要求很高;(3)河口段往往布置有重要城镇的取水口,对河口段江水的含氯度有控制要求;(4)河口是主要的排污通道,河口段的水质易受污染。从上述需求出发,为维护河口地区生态环境的天然结构和功能,河口的生态环境需水量应包括:

① 河口系统中天然和人工动植物、渔业用水,河口两岸地下水的入渗补给水量,以及滩地、潮间带水生生物栖息地所需的水量,合称为河口基本生态环境需水量。

② 维持河口流域来沙、海域来沙的平衡所必须的水量。对于河流主要是流域产沙输送入海,而对钱塘江及浙东诸河口以海域来沙为主,则应维持相当的径流以保证落潮时或丰水期能将涨潮上溯的泥沙冲向下游、外海,保持河口段河床的动态平衡。这是防洪、排涝、航运等的要求,也是生态环境的需要。

③ 维持河口系统及近海水域的水盐量平衡。在河口地区有不少取水口供城市人口、工业及农业用水,如无足够径流,随涨潮上溯的海水将使取水口盐度有一定的超标历时(杭州市90%供水靠钱塘江),长期取用河流淡水资源也会使河口及近海的水盐量失去平衡。

④ 维持河口水体一定的污染物稀释净化能力。因为除上游来水带来一定污染物外,河口地区也有大量城市、乡村的集中排污口及排涝闸排放污水,需要河口有一定水量保持其稀释扩散能力。

这些生态需水量是可以兼容而非叠加的,但时间上它们的要求有所不同。如生态环境基本用水及污水稀释扩散需水量全年各月均有需要;控制盐水入侵需水量主要在大潮枯水的7~10月按15天(1个潮汛)为周期进行水量平衡;而减少河口淤积则在10月至次年的3月需要一定水量下泄;4月至6月为梅汛期,需要一定水量冲刷已淤积的泥沙,如此维持全年的平衡。

 

3. 河口生态环境需水的定量计算方法

河口生态环境需水量计算方法主要有河相关系法、实测资料相关分析和数学模型计算。

河相关系用来预测生态环境需水不仅能保证一定的精度,而且对资料数量要求低,对资料较少的河口是十分实用的。

实测资料相关分析通过统计河口流量~河床容积之间的关系,然后根据此关系求得流量配置后河床容积的变化。这种方法简单、方便,缺点是需要大量的实测资料。

数学模型是根据普遍的动力、动量、质量守恒为基础的微分方程,在已知的初、边值条件下进行数值解。建立河口潮流动力和泥沙模型,可以用来分析径流变化对河口生态、环境的影响。但模型需要经过多次验证才能确定其可靠性,这需要大量详细的资料,这在有些河口不能得以很好的实现。

 

4.      钱塘江河口生态环境需水的确定

4.1 维持冲淤平衡需水量

流域引水后,由于入海径流量减少,河口将发生普遍淤积。钱塘江河口冲淤变幅大,平衡时段短,会出现两种淤积现象:一是长期引水会减少河口多年平衡断面,造成河口一定程度的萎缩;二是引水后短历时如枯季的淤积加剧,影响防洪安全。因此,为维持河口多年平均泄水能力和防止枯水季节淤积太大,需要从两个时间尺度上对引水提出控制条件:

1) 允许河口多年平衡断面减少20%,即洪水位平均抬高值不超过30cm左右。

2) 枯季最小容积不小于实测最小容积2.2亿方。(闸口~盐官7m以下河道容积)

根据以上计算条件,采用河相关系分析法、短历时数学模型预测、及实测资料相关分析法,计算得满足年内、年际防淤的生态需水要求为:

1)视河道的初始容积不同,一年内不同季节所需的减少河口淤积需水量:每年4~6月冲刷最小需水量为600~800m3/s,而7月~次年3月为减少河床淤积的最小需水量为150~280m3/s。

2)对全年而言,维持河道多年冲淤平衡的需水量为450~900m3/s,约为多年平均径流量的80%。

4.2 抗咸需水量

浙江省水利河口研究院对钱塘江咸水入侵的观测、研究、预报工作已连续进行了20余年,实践表明,取水口盐度主要与径流、潮差、下边界盐度、前期盐度位置有关。在上述影响因素不变的情况下,抗咸流量与取水口位置和取水流量大小密切相关。目前,杭州城区生活用水取水口在珊瑚沙,但随着需水量的增长,需要的抗咸流量将大幅上升,珊瑚沙水库若保持现有的规模(180万m3调节库容),将难以完全承担未来供水任务。

在取水口仍设在珊瑚沙水库且水库不扩大库容的情况下,不同水平年由于取水量不同需要的抗咸水量不同。计算表明,在现状引水流量为16m3/s时,珊瑚沙水库的超标运行时间为20小时(在外江含氯度>250mg/l的持续时间不超过20小时时,水库内均有淡水供应),则不同江道条件下,所需的抗咸水量为180~280m3/s。到2010水平年,生活取水量需要26m3/s,则珊瑚沙水库的超标运行时间下降为12小时,需要的抗咸水量为420m3/s。到2020水平年,生活取水量需要34.4m3/s,则珊瑚沙水库的超标运行时间下降为10小时,需要抗咸水量为480m3/s。

4.3 其它生态环境需水量

除维持冲淤平衡需水量和抗咸需水量外,还包括基本生态环境需水量和污染稀释需水量。河口基本生态环境需水量采用国际上对河流的研究成果,取多年平均径流量的10%,即为100m3/s。污染物稀释需水根据数学模型计算,全年不同季节需水量为150~200m3/s。上述两项用水基本包络在维持冲淤平衡需水量之内。

 

5.      小结

水资源时空分布的不均匀和水质污染使得可利用水资源量十分有限,随着对水资源需求的增长,流域上、下游,相邻地区之间、生活生产用水与生态环境需水之间的水资源矛盾日益突出。河口生态环境需水量研究的目的是保证在流域水资源进一步开发、利用后,对河口面貌不至于造成大的改变,以防危及河口的防洪安全和水体功能(如航运、供水、纳污、水产养殖等)。本专题根据钱塘江河口水资源的主要功能和河口演变特性,提出生态环境需水由四部分组成:河口基本生态环境需水量、维持河口冲淤平衡需水量、维持河口水盐平衡需水量和维持一定纳污能力的需水量。采用河相关系法、实测资料相关分析法和数学模型计算法,对钱塘江河口的生态环境需水量大小进行了粗步估算和分析。

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