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黄河环境流研究
发布人:系统管理员 发布时间:2012-10-22 审核人:

获奖类型:大禹水利科学技术一等奖

项目名称:黄河环境流研究

任务来源:“十一五”国家科技支撑计划项目、水利部重点项目

课题编号:2006BAB06B08、XDS2004-03

课题起止时间:2004年6月15日-2008年12月31日

完成单位:黄河水利科学研究院、黄河水资源保护科学研究所、黄河水利委员会、

华北水利水电学院

主要完成人:刘晓燕 李小平 张原锋 张建军 申冠卿 侯素珍 黄锦辉

王卫红 可素娟 常晓辉 张学成 王道席 曲少军 王新功

张建中

1、立项背景

早在1987年,国务院就颁布了“黄河可供水量分配方案”,该方案是黄河水资源管理和调度的基本依据;2006年,之后颁布的黄河水量调度条例进一步明确了分水方案的落实措施。不过,该方案并没说明各重要断面在不同时段应该保障的流量过程以及与之相应的黄河健康状况。1999年以来,经艰苦努力,黄河实现了连续十一年未断流的巨大成绩,但与此同时,不少人对各断面的流量控制标准提出质疑,认为在此小流量条件下的黄河几乎丧失了自然功能。在此背景下,受国家“十一五”科技支撑计划和水利部水利科技创新计划的资助,启动了黄河环境流研究。

环境流(Evironmental Flows)概念出现在20世纪下半期的西方国家,其初衷在于为无限扩张的人类用水设置一个界限,以逐渐恢复河流的自然功能。不过,人们迄今对Evironmental Flows的内涵、名称和计算方法并未统一,提出的计算方法主要集中在水生生物(主要是鱼类)和湿地生态需水方面。

在黄河,由于不仅面临人类活动开发利用水资源对自然生态系统造成的压力,而且还面临主槽萎缩等压力,故人们赋予其环境流的内涵更宽泛,如生态需水、水质需水和输沙需水等,其名称也多种多样。不过,所提出成果多集中在下游,且对成果相应的黄河健康状况缺乏清晰描述。

2、详细科学技术内容

项目针对黄河河情特点,深入论证了现阶段黄河河道、水质和水生态健康的评价指标及其适宜标准,分别论证其对河川径流条件的要求,耦合提出维持黄河良好自然功能的用水需求,经综合考虑黄河社会功能用水需求后,提出了黄河干流典型断面的流量/水量控制标准,作为现阶段黄河各断面环境流指标。

(1)关于河流环境流的内涵

本研究认为,河流健康的标志是其自然功能和社会功能基本均衡发挥情况下其自然功能的表现状态,包括通畅稳定的河道、良好的水质和可持续的河流生态系统,从而使河流表现出良好的自然功能,包括水沙输送、能量传递、河床塑造、自净和生态等功能。

河流水系中连续而适量的河川径流是维护河流健康的关键环节,该河川径流即为河流的环境流,它是指在维持河流自然功能和社会功能基本均衡发挥的前提下,能够将河流的河床、水质和生态维持在良好状态所需要的河川径流条件,包括环境流量、环境水量、环境水位、环境水温和径流连续性等相关内容。因此,要确定一条河流或一个河段的环境流,首先要确定河流健康的指标及其量化标准,之后需要分别建立各健康指标与河川径流条件的响应关系并给出满足健康要求的径流量值;接下来,要对各项自然功能需水进行耦合分析,并分析河流的社会功能需水及其对自然功能用水的约束作用,经综合平衡和生产应用修正后即可提出该河流的环境流。

(2)关于河道健康对径流条件的要求

确定现阶段河道健康的指标及其量化标准是前提。经研究,本成果选择“平滩流量”作为综合反映河槽断面形态和大小的指标,通过分析高效输沙和防洪安全对河槽的要求、未来水沙形势及其对河槽的要求,认为下游平滩流量的标准宜为“4000~5000m3/s”,其中小浪底水库拦沙期结束前应达到“4000m3/s左右;宁蒙河段平滩流量标准宜为“2000~2500m3/s”,其中西线南水北调工程生效前应达到“2000m3/s左右”。选择滩槽高差作为反映滩地形态和滩槽关系的指标,其适宜标准和低限标准分别为“大于1m”和“大于0m”,2030年前的目标宜按“滩槽高差大于0m”掌握。

对下游河段,径流条件对高村以下河段减淤尤为重要;有利于减轻河槽淤积的非漫滩洪水流量应至少达2500 m3/s以上,并力争达到3500 m3/s以上,且场次洪水历时不少于7~10天;应努力保障6000m3/s以上大漫滩洪水发生频率达到5~6年一次;平水期花园口流量应尽可能控制在“下游引水流量Q+利津断面环境流量Qe+花园口以下自然损耗量Q”以内。假定高含沙洪水发生几率和状况与60~90年代相似,在下游来沙量6.5亿t和8亿t情况下,维持河槽基本不萎缩(平滩流量4000m3/s左右)所需要的汛期水量分别约在185~200亿m3和210~230亿m3;由于下游为冲积性河段,故即使下游来沙很少,也必须保障110~120亿m3的汛期水量。

对内蒙古巴彦高勒~头道拐河段,有利于减轻河槽淤积的洪水流量应至少达1500 m3/s以上,并力争达到2000 m3/s以上。在孔兑无较大洪水入黄情况下,维持河槽基本不萎缩(平滩流量2000m3/s左右)所需要的汛期水量约90亿m3;若孔兑发生较大洪水,所需汛期水量可能达150亿m3以上。

(3)关于水质保护对径流条件的要求

研究认为,黄河水质的适宜标准应是“兰州以下河段水体质量总体上应达到Ⅲ类水标准、兰州以上维持Ⅱ类水现状”,低限标准为“局部河段短时段允许Ⅴ类”。现阶段水质恢复目标是“平水年全面实现Ⅲ类”和“枯水年基本不出现劣Ⅴ类水”。

在2005年黄河流域点源污染物及其分布状况、流域所有污染源均达标排放的前提下,分析了黄河水文特点和典型污染物的降解规律,利用一维水质模型,提出了黄河兰州以下各重要断面实现水质目标所需要的流量及其时空分布。

(4)关于水生态健康对径流条件的要求

通过分析黄河的河流生态系统特点、组成和现状,并充分考虑生态健康指标及其标准的易接受性和可操作性,选择“鸟类和鱼类的种类和数量”作为河流生态健康指标,将“保护区鸟类或鱼类的种类和数量达到80年代后期或90年代初期水平”作为适宜标准,将“保护区重要保护鸟类或鱼类的种类和数量较现状有所改善”作为低限标准和现阶段生态恢复目标。

本项目重点分析了黄河河口地区的生态需水。通过分析黄河三角洲生态系统的结构、组成和功能演替特点,认为该区的生态关键期为5~9月;将黄河渔洼以下三角洲生态系统中的陆域湿地、河流湿地和近海水域等三个重要生态单元的生态需水分别分析并进行耦合,即可提出它们对黄河入海水量及其流量过程的共同要求:在5~6月,利津应具有的适宜径流条件应为芦苇湿地生态需水(1.2亿m3)、河流鱼类生态需水(250m3/s+小脉冲洪水)和近海水域生态需水(21亿m3左右)的外包线,耦合后的流量为“250m3/s(最低不低于160 m3/s)+小脉冲洪水”、总水量约22亿m3;在7~9月,流量大于3000m3/s的洪水不仅可满足鱼类觅食的要求,也可满足芦苇湿地自然补水的要求,平水期流量不低于200~300 m3/s,总水量则暂按满足近海水生生物的要求进行控制(约100亿m3);其它时段按基本满足淡水鱼类要求,如11~4月流量应不低于70~80m3/s、并争取达120 m3/s左右。

本项目研究认为,鉴于水质恶化和6~9月漫滩洪水减少是导致黄河干流平原河段鱼类减少的主要径流因素,且花园口以上各断面11~3月自净流量均可达其天然流量的80%以上、4~6月可达天然流量的30%~60%,河漫滩湿地从黄河补水的方式又主要靠洪水漫滩和侧渗,故将该河段自净需水与6~9月漫滩洪水的耦合作为其生态需水,并用典型鱼类在关键期对径流条件的要求进行修正,进而提出了现阶段干流水生态健康的径流条件。

(5)关于黄河各河段环境流

通过耦合河道健康、水环境健康和水生态健康对河川径流条件的要求,并深入分析环境流的社会约束因素,提出了黄河各重要断面的适宜环境流量/水量、低限环境流量/水量。实际水量调度时,适宜环境流的保证率应达50%、低限环境流的保证率应100%;适宜环境流是黄河水资源规划的重要依据。

(6)关于黄河环境流保障措施

水资源管理不到位、黄河供水负担过重、天然降水减少和水库调洪失当是造成20世纪后期黄河环境流量不足的主要因素,因此,要保障黄河各断面的环境流,关键要做好四方面工作:①要强化省区用水总量控制、重要断面流量和水量控制,贯彻我国水法的“流域管理和区域管理相结合”原则。②大力推进节水型社会建设,提高各行业的用水效率。③科学调控河川径流,现阶段应优先满足4~9月的环境流要求。④通过实施外流域调水补黄以解决枯水年供水不足,或解除黄河向外流域调水的任务。

3、技术创新点

(1)在应用技术方面,以黄河的社会功能和自然功能取得基本平衡为指导思想,提出了现阶段黄河健康修复的目标、标志、指标及其标准,分析了各项自然功能对河川径流条件的要求,经耦合和综合平衡,提出了黄河重要断面环境流时空分布;分析了现阶段黄河环境流不足的主要原因和对策。

(2)在基本资料方面,项目组通过大规模查勘和调研,系统整理了黄河干流不同河段生态系统的结构和物种组成及演替过程、不同河段各类自然保护区的分布和保护对象,初步查明了各河段重要保护性物种的种类及其生态习性。

(3)在基本理论和基本方法方面,系统阐明了普遍意义上河流健康和环境流的科学内涵及其确定方法,并应用于黄河健康指标及其量化标准的确定;提出了黄河冲积性河段河槽合理规模和滩槽合理高差的确定方法、黄河生态健康指标及其标准的确定方法;提出了维持黄河冲积性河段良好主槽的需水计算方法、以水质目标为约束的黄河自净需水计算方法、黄河不同生态单元(水生、陆生和滨海)的生态需水计算方法、黄河环境流量和环境水量的确定方法。

4、成果应用情况及社会经济效益

黄河环境流研究涉及水资源、水生态、水环境和河流泥沙等多学科。

为更好地落实黄河“八七”分水方案、维护黄河健康生命、促进黄河水资源管理与调度从简单的“不断流”走向“功能性不断流”,2004年黄委启动了黄河环境流研究。鉴于河流的环境流是维护河流健康所需要的径流条件(包括相关断面或河段的流量、水量、水位和水温等要素,故本项目研究内容主要包括五方面:(1)通过诠释河流健康和河流环境流的科学内涵,从普遍意义上提出河流环境流的确定方法,以此作为确定黄河环境流的理论基础;(2)通过深入分析黄河下游和内蒙河段河槽冲淤演变特点,阐明两河段河槽健康的评价指标及其量化标准;分析两河段河槽冲淤的关键影响因素,提出维持其河槽健康所需要的洪水期和平水期的流量和水量条件;(3)分析黄河水污染情势,阐明黄河水质保护目标;分析典型污染物在黄河水体中的降解特点并构建水质模型,提出维持黄河水质保护目标所需要的逐月流量条件;(4)通过大规模查勘和调研,系统整理黄河干流不同河段生态系统的结构和物种组成及演替过程、不同河段各类自然保护区的分布和保护对象,阐明黄河水生态保护目标;深入调查黄河各河段重要保护性物种的种类及其生态习性,提出维护黄河水生态健康所需要的流量和水量条件。(5)耦合维护黄河河槽健康、水质和生态良好等所需要的径流条件,并统筹考虑社会经济需水、黄河水文特点和成果试应用效果等,提出黄河干流各主要断面逐月的流量和水量控制标准,即为黄河环境流研究成果。

本项目有两个鲜明特点:(1)不仅重视研究成果的学术水平,更追求成果的实用价值和可操作性,为此研究采取了边研究、边应用、边修正的工作原则,从而使研究成果更符合黄河水资源管理和调度的实际。(2)本研究涉及多学科知识、且可借鉴成果不多,故在实施中特别注意广泛吸收多学科专家和利益相关者意见。

2007年以来,本项目提出的黄河现阶段健康指标和黄河各断面环境流成果已经逐步被黄河流域综合规划、黄河流域水资源综合规划、黄河河口综合治理规划等重要规划采纳,这些规划均已通过水利部审查,其中水资源规划已被国务院批复;提出的黄河各重要断面的适宜环境流量和低限环境流量已经直接应用于黄河水量统一调度的生产实践,并作为落实最严格水资源管理制度之三条红线的重要内容颁布实施。此外,本项目提出的黄河环境流研究思路和计算方法,不仅可以为今后的黄河主要支流环境流确定提供指导,也可以为国内其它河流环境流确定提供参考。