生态水文研究论述（共5篇）
生态水文研究论述 篇1
生态水文学 (Ecohydrology) 是20世纪90年代兴起的一门边缘学科, 在全球水资源短缺的背景下, 1992年在都柏林国际水与环境大会上作为一门独立的学科被提出来。随着水文循环的生物圈部分和国际教科文组织主持的国际水文计划等国际项目的实施, 生态水文过程研究得到迅速的发展和广泛的重视, 成为当前研究的热点[1,2]。
生态水文学是一门以生态过程和生态格局的水文机制为核心, 以植物与水分关系为理论基础, 研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等生态系统的新学科。它提出在保持生物多样性、保证水资源的数量和质量的前提下, 寻求对环境有利、经济可行和社会可接受的水资源持续管理的有效方式, 为水资源可持续利用提供理论基础。对生态水文学的深入研究, 可以使退化的生态系统得到恢复, 甚至更新, 实现水资源的可持续利用[3,4]。
1 生态水文学的研究内容
1.1 生态水文学的基础
植被是水循环中最活跃的调节者, 它通过根系吸收水分、叶片蒸腾水分而参与水循环。植物的蒸腾和吸水既受本身的生物学特性控制, 又受其所处的环境条件的影响。水分在植物体内的运动是纯粹的被动过程, 大多数植物体内的水分运动是受水势差驱动的。根据液流上升的表面张力和内聚力理论, 水流是叶蒸发面表面张力作用的结果, 表面张力降低蒸发面的水势, 从而引起植物根系中水分的流动。水分在植物体内运输及其调控机理都属植物水分关系的范畴, 因此植物水分关系是生态水文学的基础。
1.2 生态水文学研究的生态类型
生态水文学以陆地和水生生态系统中植物与水的关系研究为基础, 探讨一系列环境条件下的生态水文过程。根据陆地主要环境或生态系统类型分为干旱地区、湿地、森林、河流和湖泊等5种类型。
1.2.1 湿地生态水文学。
生态水文学源于湿地生态系统管理和恢复研究, 已被湿地生态学家应用了20多年。1996年Wassen等学者专门撰文将生态水文学定义为:旨在帮助更好地理解湿地生态系统自然发育以及帮助评价湿地生态系统价值、保护和恢复湿地生态系统的一门应用学科。由此可见, 早期的生态水文学研究对象仅限于湿地生态系统。湿地以其水陆交替的地貌特征, 具有特殊的生态水文特征, 最丰富的生物多样性和较高的生物生产力, 而且因其对气候变化与人类活动影响的异常敏感性, 成为地球上生态系统演变最为剧烈的场所之一。国内外从湿地的生态过程、水系统与水过程等方面对湿地生态水文过程开展了大量研究。
1.2.2 干旱区生态水文学。
由于干旱区水文过程控制植被的生长发育, 天然植被和人工植被又是水土流失和土地荒漠化的主要调控者, 所以水文循环过程的改变往往是干旱区所有生态环境问题如水土流失和土地荒漠化的直接驱动力。因此, 生态水文过程的机理是干旱区生态环境保护和恢复重建中必须面对的基础科学问题, 对其深入研究不仅可以为天然生态系统的可持续维持, 而且可以为退化生态系统的恢复重建提供科学依据, 从而为我国广大干旱区经济、社会和生态环境协调可持续发展提供重要的生态水文学依据。因此, 在我国深入开展干旱区生态水文过程若干基础理论问题研究具有重要的理论和现实意义。
1.2.3 森林生态水文过程。
近年来, 许多国家开始关注森林对暴雨径流过程和土壤侵蚀的影响, 有力地促进了森林生态水文学的发展。由于水循环是森林生态系统物质传输的主要过程, 因此水文学的应用在一个生态系统中至关重要。生态学家普遍重视生态系统中水的储存与运移过程, 从微观的个体植物生理水分与生长的关系研究, 乃至区域水文循环过程对植被群落演替与生态过程的关系研究。森林与水的关系不仅受森林生态系统本身的影响, 而且还受地形、地质、土壤类型、植被等的空间变异性以及气象通量如降雨、入渗和蒸发等时空变化性的影响, 因此增加了定量描述森林流域径流形成机制和水文响应模式的难度。
1.2.4 河流、湖泊生态水文学。
近年来, 将理论生态学应用于河流管理, 以保护沿河生物群栖息场所的研究, 营养物在河道、洪泛平原和河岸区内迁移规律研究, 河流廊道对区域生物种群结构和空间生态结构的影响研究等都是十分重要的河流生态水文课题。
干旱区内陆河流的开发利用引起的生态环境效应始终是人们关注的焦点。在这方面的研究中, 已将河流水文过程、区域生态与环境过程和流域社会与经济发展过程紧密相联, 从流域系统角度建立目标决策模型, 使生态、水文和经济相互耦合为统一的整体行为。在干旱内陆河流域, 植被、土壤等的生态特征以及自然水环境随流域水分分布呈现显著的空间三向分异规律, 这种规律可能对流域生态与环境的保护起着重要作用。植物对湖泊水位的控制作用很大, 这方面湖岸植被发挥着重要的作用。尽管浮游生物在开阔水域中能改变温度条件, 影响蒸发、水分分层和水分混合的过程, 但它们在湖泊、盆地的水分重要性相对很小。事实上, 湖边植被蒸发要数倍于空旷水域的蒸发, 它超过湖泊其他形式的水分损失, 湖边水位消落也影响地下水进出湖泊的格局。湖泊水文状况 (水位、水温、含盐量等) 控制着湖岸植被类型、群落结构、空间分布以及演化过程, 对沿湖分布的动物种群类型及其生活习性也起着决定性作用。
1.2.5 山地生态水文学。
在全球变化日益引起全社会广泛关注的情况下, 由于山地及其相联的流域集水盆地所具有的特殊生态与水文过程及其对全球变化的高度敏感性, 近年来山地生态系统日益成为关注的焦点。BAHC和GCTE于1996年开始着手山区生态系统的梯度分异及其相关的流域水文研究, 其目的在于明确认识全球变化对区域生态和水文过程的影响。
2 生态水文学研究的主要问题
2.1 尺度问题
景观生态学、水文学、气象学及其他相关的地球学科的研究表明, 在不同的时间和空间尺度上占主导地位的格局和过程是不同的。因此, 在单一尺度上的观测结果只能反映该观测尺度上的格局和过程。由于在不同尺度上结构和功能的异质性或非线性, 使得尺度转换变得十分复杂和困难。大自然在不同尺度上受到不同物理定律或至少同一物理定律的不同形式的影响。目前, 尺度问题已成为环境科学研究的焦点, 也被大多数水文学家确定为首要研究的问题。
2.1.1 时间尺度。
Amilcare把时间尺度划分为日尺度、季节尺度和年份尺度。在日尺度上, 研究土壤水分波动对植物的胁迫作用情况;在季节尺度, 研究降水和生长季节是否在同一时期及其植被类型、格局的变化等;在年份尺度, 分析年份间降水波动对生态系统结构和功能的影响。在不同的时间尺度上, 径流受不同因素的影响。比如在事件尺度上 (数小时或数日) 洪水水文过程线的形状取决于降水事件和接受雨水流域的特征;在季节尺度上, 径流状况主要受物理气候对降水量、融雪和蒸发量的制约所影响;时间尺度的设定与研究者的目标相关, 但在现实情况下, 不同时间尺度上的主导因素是确定的。
2.1.2 空间尺度。
空间尺度一般包括局部尺度、流域尺度和大陆尺度。在局部尺度上, 土壤的有效深度不同, 对降雨将产生不同的响应, 进一步对植物产生水分胁迫的程度不同。地形对于土壤水的空间分布可能是很重要的。另外, 坡度和地貌也控制着当地的净辐射输入, 因此也影响土壤水的变化。在流域尺度上, 侧重于降雨、土壤水、流域几何学特征和植被之间的相互关系研究;在大陆尺度上, 则应包括对气候、土壤、植被整个系统的研究。
2.2 生态水文模型的建立
广义地讲, 生态水文模型就是任何可以用于生态水文研究的模型, 在模型构建中, 考虑生态-水文过程的一类模型就是生态水文模型。然而, 在绝大多数生态水文模型中, 都存在水文次级模型或原本就基于水文模型, 因此对广义和狭义生态水文模型的定义纯粹是一种人为区分。在数学模拟研究和模型开发研制中, 由于生态水文过程的复杂性, 数值法占据主导地位, 由此产生的模拟与预报精度始终是需要解决的关键问题。另外, 由于绝大多数水文和生态过程的数学方程或物理定律都具有高度的尺度依赖性, 在小尺度试验研究中建立起来的模型能否推广应用到大尺度问题上, 是生态水文模型应用过程中需要解决的又一重大问题。
3 生态水文学研究展望
3.1 生态水文学机理研究
野外试验研究不仅要考虑生态类型、植被盖度对水文过程的影响, 同时还应考虑生态格局变化下水文过程的响应机制;另外, 要加强水文事件及其过程对生态格局、植被类型等的影响研究, 寻求不同时空尺度上影响生态水文过程的主导因素, 以便建立更符合实际的生态水文机理模型。
3.2 不同时空尺度信息的转换研究
尺度转换, 特别是尺度放大问题是水文学和生态学研究的热点问题, 也是难点问题。由于下垫面因素、水文参数等空间的变异性, 不同尺度的生态水文规律存在差异, 而且这种规律不是简单的线性外延或叠加, 如何把小尺度的研究成果应用到大尺度上、其理论依据及不同界面间的耦合研究也将是工作的重点。
3.3 生态水文模型的建立
生态水文模型的建立是实现生态水文学纵深发展的关键所在。当前有代表性的生态水文模型系统主要是MIKE SHE模型、SWAT模型、DELFT模型、SPLASH模型等。传统的水文学和生态学具有强大的“模型库”, 为生态水文模型的建立奠定较为坚实的基础, 使得其在当前的生态水文学研究中异军突起。
虽然近些年来生态水文模型发展很快, 但从建模的层次来看, 大多数模型还处在对水文学模型和生态学模型的借鉴和综合运用上, 尚未从生态水文过程的角度建立一些机理模型。在集总模型, 如土壤-植被-大气连续体模型主要是发展了地块尺度上的一维SVAT模型, 对二维、三维模型还没有开始, 并且一维的研究问题还没有完全解决。已开发的众多生态水文模型也大多具有尺度性, 只能在某一尺度上使用, 而应用到其他尺度存在再参数化和精度问题。
3.4 基于生态水文过程的生态需水研究
生态需水的核算是进行流域、区域水资源有效调配的关键, 而流域生态水文过程制约着生态需水的时空分异及其满足程度。生态需水的最终目的就是要在流域内进行合理的水资源配置, 在进行流域生态过程综合评价的基础上, 确立合理的时空研究尺度, 分析流域生态需水的时间和空间分异特征, 并将其与流域水资源的时空动态相对照, 确立生态需水的管理对策与战略, 这将是生态水文学在水资源和水环境管理中应用的关键所在。
参考文献
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生态水文研究论述 篇2
干旱区生态水文过程研究若干问题评述
摘要：评述了干旱区生态水文过程研究的若干进展, 提出了临界生态需水量、最适生态需水量和饱和生态需水量的概念, 探讨了相应的确定方法. 强调了人工植被的建设应在加强对干旱区天然植被格局与生态水文效应、具有水力提升功能植物识别、植物吸收的水分来源、生态需水量及生态地下水位等方面研究的`基础上, 从恢复生态学和生态水文学的角度, 确定干旱区适宜人工植被的种类组成和格局.作 者：赵文智 程国栋 作者单位：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,期 刊：科学通报 ISTICPKU Journal：CHINESE SCIENCE BULLETIN年，卷(期)：,46(22)分类号：X1关键词：干旱区 植被格局 生态水文效应 植物水力提升 植物水分来源 生态需水
生态水文研究论述 篇3
水资源监测作为水利信息化的重要组成部分,其获得的数据是我国重要的水利基础信息资源和战略资源。野外水生生态监测点众多,分散,环境较为恶劣,通常采用人工方式对水流速度、水面高度、水质、流量、潮位,降水量等相关水文水生态参数进行监测,这种传统的数据采集和传输方式自动化程度不高,不利于水文水资源信息化建设。
GPRS是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术,它基于移动分组数据业务,具有永远在线、自由切换、传输速率较高、计费灵活便宜的优点。在3G牌照迟迟未发的情况下,利用GPRS模块进行数据传输是信息传输比较理想选择。本文提出了采用分组无线业务 GPRS 技术实现水文水生态数据信息的采集传输方案,所设计的系统解决了水文水生态监测中分散数据监测、传输问题,实现了水文水生态信息实时采集传输和处理的无线化、网络化、智能化。
1 GPRS技术
GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称,是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与GSM 相同的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及TDMA 帧结构,允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,不需要利用电路交换模式的网络资源,特别适合用于水资源网监控这种间断的、突发的和频繁的数据传输。同时,基于GPRS 网络组建的无线水文水生态监测系统,具有以下特点:
永远在线 GPRS DTU ( GPRS 数据传输单元) 开机就能自动附着到GPRS 网络上,并与数据中心建立通信链路,随时收发用户数据设备的数据,具有很强的实时。
接入时间短 分组交换接入时间缩短为小于1 s,可大幅度提高远程水文监控效率。
按流量计费 按照数据包的数量来收取费用,没有数据流量则不收取费用。
较高的传输速率 GPRS 网络的理论传输速度最快将达到171.12 kb/ s,根据中国移动的网络情况,目前可提供40～60 kb/ s的稳定数据传输,完全满足水文水生态数据的传输要求。
覆盖范围广 GPRS 以GSM 网为基础,通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,因此现有的基站子系统(BSS)可提供全面的GPRS 覆盖。
组网简单、迅速、灵活 同有线网相比,无需架设有线线路;同常规无线网相比,无需架设天线,而且免去无线电频率资源审批手续,为广大用户提供接入便利[1,2]。
在移动通信公司的GPRS平台上构建远程监控系统,实现水文水生态监控点的数据实时传递到地、市、省级的集中监控中心,从而达到对现场监测设备的统一监控和分布式管理。通过GPRS 的无线数据传输,具有可充分利用现有网络,缩短建设周期,降低建设成本的优点,而且设备安装方便、维护简单。
2 系统设计
基于GPRS 技术设计的水文水生态数据信息的采集传输系统组成如图1所示。系统主要由远程监控中心、GPRS无线通信网络和多种数据(如流速、水位、水质、雨量等)信号检测器等组成。系统将采集的数据经通信处理程序后,发送到GPRS调制解调器,GPRS接收到数据后对数据进行解包,取出必要的信息后重新对数据进行封装,再发送到GPRS网中。由于GPRS网和互联网都是基于IP协议的,并且相互连接,因此,水文监控中心只要通过任意方式上网,即可将水文数据信息传到监控中心;监控中心的查询命令和控制命令通过互联网和GPRS网传到GPRS模块,最终将命令下达给检测器微处理器。
2.1 检测器设计
接入系统的检测器是由流速流量检测器,雨量检测器,水质检测器,水位检测器等组成,系统硬件主要由数据采集、信号调理电路,P89V51RD2微控制器,GPRS模块等组成。软件主要有信号采集处理模块,通信模块、参数设定及数据显示模块等组成。
涉及的检测器种类较多,但其结构原理类似,下面以软硬件较为复杂的流速流量检测器为例分析检测器工作原理,图2所示为流速流量检测器组成结构图,其他各检测器可由图示硬件电路裁剪得到。信号调理电路采集旋桨式流速仪的脉冲信号,并经过硬件滤波、抗干扰处理后送到微控制器,微处理器经数字滤波后,进行计算(开方运算、小信号切除、仿真功能、累积速率设置)后得到流速流量数据。
对流速分布不均匀、河道截面不规则、水质相对较差(盐碱度高)的河流进行精确测量,除了采用科学计算方法外,必须设计合理的数据采集电路,保证系统可靠工作,由于检测器置入水中,水电阻对电信号产生影响,直接影响信号转换电路电压、电流的大小。信号调理板中,信号转换电路将传感仪器触点的接通/断开转换为电信号,这部分电路元、器件参数的取值尤为重要。取值的基本原则是:考虑水电阻在内,传感仪器两端的电压在满足与后级光电隔离器件匹配的情况下要尽可能地低,电流信号在小于仪器允许的最大电流限制条件下尽可能地大,这样可以最大限度地抑制由于水电阻变化而引起的电信号的变化,有效地降低干扰信号带来的影响,同时也把电离对仪器造成的损害减至最低水平;由此保证了检测器可在盐碱度较高的水质中测量要求。
2.2 数据的就地存储与无线传输
现场监测数据通过GPRS网络实时传输,同时将数据存储到固态存贮芯片中。水文水生态数据监测系统产生的数据量很大,一般要求定时采集保存,而微处理器内存储空间有限,不能实现数据的大容量长时间保存。系统配置容量相对较大的SPI Flash ROM芯片为主要数据载体,存贮容量4 MB,存贮时间1～2年,固态存储芯片通过SPI串行口进行数据存取,其存取控制命令由微控制器发出。主机发出的指令控制,一个有效指令包括一个字节,4位操作码、4位器件地址以及目的缓冲器或主贮器地址位置。Flash存贮的雨量、水位、水质数据采用时间映射地址技术,将存储时间作为原始数据的地址,有了该时间段就可以读取该时间段内对应的数据。根据时间与地址的唯一对应关系,计算存贮单元的位置,得到可靠的存贮数据结构。雨量、水位、水质数据的存储时间间隔根据《水文自动测报系统技术规范》的基本要求定为5min;流速流量数据由于检测时间的不固定,而单独在Flash内存单元中开辟一个空间来存储,时间间隔、存储时间现场就地设定,或远程指定。
就地存储的数据按照预定时间将数据通过GPRS网络传输到监控中心,形成数据库文件或文本文件。利用时间映射地址的技术,生成下载指令,在遥测站与分中心沟通GPRS链路时下发指令,完成单下载雨量,水位,流速,水质数据或批量数据上传任务,数据下载的时间段由现场本地设定或由远程监控中心指定。GPRS网络故障应急时,或GPRS网络不能覆盖站点时,本地下载数据,通过RTU RS-232接口获取本地存贮器中的数据。本地下载与GPRS传输软件流程图如图3所示。有事件产生时,例如5 min时间到,执行一次固态存贮的操作;或有外部命令到来时,由软件识别并进入本地下载或GPRS远程下载等操作流程。CPU严格按照时间顺序排列锁存数据,以月、日、时、分为索引进行固态存贮。下载时,也是根据上位机的全部时段,或部分时段,按照时间顺序输出数据。
2.3 GPRS无线数据传输网络
GPRS通信部分主要有两个模块:一是将GPRS通信模块接入Internet;二是GPRS通信模块如何与检测器CPU进行数据的传输与通信。
GPRS无线数据网络与Internet网络相连,即把监测点的CPU和监测中心的计算机连接起来,接入Internet业务时用户的IP 地址可以分配公有IP地址或私有IP地址,从节约公有IP 地址角度出发,系统采用私有IP 地址。它的实现方式为:通信模块接入经过服务器RADIUS 授权后,由GGSN分配私有地址,这个私有地址通过NAT转换后接入CMNet。GGSN接入Internet有透明和非透明两种方式。采用透明方式,接入因特网无须进行认证,可由移动用户鉴权替代,这样可加快用户接入速度,减少RADIUS 服务器的投资。
在GPRS通信模块与检测器CPU进行数据的传输与通信部分,在本设计中使用的GPRS DTU模块是Siemens公司的GPRS模块M56,具有很高的可靠性, 很适合在便携分布移动终端中作为无线通讯模块。并且内嵌了TCP/IP 协议栈, 省去了系统的TCP/IP处理时间,使用AT命令对模块实现控制。
2.4 监控中心
系统最高层为中央监控中心,主要包括服务器、监控计算机等设备。监控中心服务器申请配置固定IP 地址,采用移动通信公司提供的DDN专线,与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽,当信息采集点数量增加,中心不需要扩容即可满足需求。服务器接收到GPRS网络传来的数据后先进行认证,后传送到监控中心计算机主机,通过系统软件对数据进行还原显示,并进行数据处理[5,6]。
远程监控中心负责接受并保存现场监测数据,并通过它下达对各监测点进行控制的控制参数和控制命令。由于控制中心接入Internet,需要取得公网IP地址并作为UDP服务器运行在监听状态。接收到的数据保到数据库服务器中,由此可自动生成符合水文、环保、水生态研究部门要求的文件格式,通过配备具有人工智能的系统分析软件,结合记录的气象相关数据和其他水文情数据和专家知识库,对汛情,农业灌溉用水,水生生态环境水质进行分析和预测。例如,根据河流流量变化的历史记录,分析汛情情况,及时采取措施进行疏导和调度;根据农业灌溉用水的历史记录,合理调度灌溉用水等。
3 软件设计
系统程序设计采用模块化编程,结构清晰,易于调试和修改。主要包括检测器信号采集处理模块、GPRS无线模块,上位机软件模块等。
4 结 语
本方案设计的基于GPRS的无线水文水生态监测系统,成本低,体积小、稳定性高、抗干扰能力强,提高了测量精度和实时性。在有线传输实现方案不宜实施的情况下,采用GPRS通信加快项目的实施步伐,提高了数据传输实时性,改善了系统性能,实践中取得了良好的效果。本系统可以应用于环保,水文监测,水生生态境研究,水产养殖等领域,同时可为水信息科学研究提供支持。
参考文献
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生态水文研究论述 篇4
1 对水文情势的影响
水文情势指河流、湖泊、水库等水体各水文要素随时间、空间的变化情况,其中水文要素主要包括水位、径流、输沙和河流形态等。20世纪70年代以来,很多国家都对保护河流的健康开展了研究和实践,提出了很多评价河流状态的方法,比如澳大利亚的溪流状态指数(Index of Stream Condition,ISC)、英国的河流保护评价系统(System for Evaluating Rives for Conservation,SERCON)和南非的溪流地貌指数法(Index of Stream Geomorphology,ISG)等。但应用最为广泛的还是1997年Ritchter提出的IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系,该指标体系建立了33个可以量化的水文参数,这些参数比较贴近水文情势的概念,为大多数学者所认同。Richter随后在IHA指标体系的基础上提出了RVA(Range of Variability Approach)方法来评价河流的变化程度。许多学者利用IHA指标体系和RVA方法对水库闸坝工程建设运行前后河流的水文情势变化进行研究,研究结果都表明工程建设运行后河流水文情势变化明显[5,6],而且梯级水库联合运行比无梯级水库联合运行对河流水文情势产生的影响更大[7,8]。除此之外,梯级开发对下游水文情势的影响会随着距离的延伸而减弱[9]。
1.1 对径流的影响
现行水库的运行调度规则,使得枯水期出库流量比天然流量有所增加,而汛期出库流量有所减少。马聪等研究安康水库建设前后下游径流量变化发现,水库建设后,4-11月平均月径流量减少6.9亿m3/月,12-3月平均月径流量增加1.0亿m3/月,并且水库建设是造成此结果最直接的因素[10]。顾颖等以澜沧江为例,研究发现梯级电站运行后,雨季多年平均径流量降低10.64%,旱季升高45.94%,而年平均流量几乎没有变化[11]。这样调节后的河流年水位~时间过程趋于平缓,年内径流变化不大,对大洪水有削峰和错峰作用,有利于减少洪水所带来的危害。河流的流速也发生明显变化,有研究显示,梯级开发后,从库尾到坝前,流速逐渐减慢,水库库容越大,对天然河道径流的流速改变越大[12]。王洁以横江为例研究发现,横江干流梯级电站建设后,库尾及坝前的流速较天然状况下有不同程度降低,其中库尾流速降低较小,而坝前流速降低巨大[13]。流速减缓后,对河流的影响是很大的,比如河流的自净能力会下降,本来波澜壮阔的大自然风光也会随之消失等,整个河流显得没有活力。有研究显示,河流景观多样性与梯级开发呈负相关性[14]。河流的生态系统是与河流径流息息相关的,梯级开发使得河流径流发生剧烈变化,而这些剧烈变化对河流的生态系统势必也会造成巨大的冲击。
1.2 对输沙的影响
水库在截留水的同时也截留了水中所带的泥沙,并且由于流速的减慢,库区的泥沙快速大量的沉积,造成水库泥沙淤积。泥沙淤积会侵占水库调节库容、增加水库淹没损失、影响航运等。淤积还会因回水而上延,影响上游河道形态。与此同时,水库下游的水则泥沙含量很小。Matti等研究发现,漫湾大坝建设后初期,湄公河下游含沙量平均降低约20.3%[15]。翁文林等研究发现,长江上游水库群兴建后,下游含沙量大大降低,降幅为26.5%~84.2%[16]。一方面清澈的水流有利于水资源利用,但另一方面在水库下泄洪水时,会造成下游河道的局部冲刷,造成河床冲刷变形,并引起水体中含沙量的上升,且影响河岸稳定。面对水库泥沙淤积的不断累积和人类对水资源需求量不断的加大,水库淤积问题越来越受到关注,如何对水库淤积进行管理,保持和恢复水库的功能,是当前亟待研究的内容。
1.3 对水位的影响
水库的建设对上游来水的拦截引起水库库区的水位上升,水深从库尾到坝前逐渐增加[12],水库下游河段的水位变化则有些复杂,根据刘扬扬等人的研究结果,对于调节性能较强的水库,水库下游汛期水位较天然情况下降显著,非汛期水位较天然情况上升明显,水位在年内变化较大;而对于调节能力较弱的水库,由于水库建设后下泄流量变化不明显,而且可能会受到来自下游梯级的反调节作用,以致水库下游水位较天然情况变化不大。除此之外,由于河道冲刷的影响,在径流相同的情况下,水位也会有所下降。水库的修建和运行必然会对当地的地质造成影响,比如水库中水的大量渗漏,造成地下水位的上升。有研究显示,水库水位的变化与地震活动有着明显的相关性[17,18,19],如何应对这些影响也是当前研究的方向。梯级开发对河流水位的影响,会使得河流在沿水深方向上的生态组成结构发生改变。
1.4 对河流形态的影响
河流梯级开发使得天然河道变成由多个规模和调节性能不一的水库、减水河段和未开发河段组成的水体,纵向连续性发生改变。梯级水库蓄水后,库区河段水域面积明显增加,对于深切峡谷型流域,这种对水域形态和面积的改变相对于平原性的河流较为突出。如澜沧江梯级水电站建成后,8个梯级水库面积共62 112km2,其水域面积比天然河流增加约53 211km2,是天然水面面积的7倍[20]。下泄清水对河道的冲刷还可能使得河道会发生侧移,河流被裁弯取直。而与直河道相比,蜿蜒的河道降低了坡降,减小了河流流速和水沙输送能力,有利于形成多样的水生环境来保护水生生物的物种多样性。所以,河流形态的改变,也会对河流生态系统产生不利影响。
1.5 小结
从目前这些研究成果来看,梯级开发从不同的角度都对河流水文情势产生了不小的影响,而这些影响都会紧接着对河流生态系统发生冲击,但是大多学者仅仅只是研究梯级开发对河流水文情势的各个方面产生了何种影响以及影响的程度,对不同规模的梯级开发在不同尺度的河流上所造成的影响研究甚少,而且也没有继续深入研究如何通过工程措施或非工程措施来避免或减小这些影响,笔者认为今后应该更注重这方面的研究。
2 对生态系统的影响
河流生态系统的结构和功能由水文、生物、地形、水质和连通性等5个部分组成,各个部分相互影响,而其中,水文是对河流生态系统起着主动性、决定性的作用,包括河流的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等,水文情势的改变在不同时空尺度上改变栖息地条件,从而影响物种的分部和丰度,进而影响生物群落的组成和多样性[21,22,23]。近年来,许多评价河流生态系统的方法和模型被相继提出,如Jinpeng等提出一个综合指标———浮游生物完整性指数来评估水生生态系统[24];Ruonan等以漓江的河坚鱼为研究对象,开发了一个综合模型,可以应用于水库运行以改善河坚鱼的栖息地质量,并且认为该模型经过改编后能应用到其他河流[25];还有美国环保署的生境适宜性指数(Habitat Suitability Index,HIS)和南非的河口健康指数(Estuarine Health Index,EHI)等。
在河流上修建梯级水库后,可能会使得河流生态系统产生高度的变化,使其稳定性降低,容易受到外来物种的入侵,导致生态系统失衡。Maria等对巴西圣保罗州河流梯级水库的研究发现,河流中物种多样性持续下降,而且有可能随着水库的老化,本地物种持续被外来物种所侵蚀[26]。Yuankun等研究丹江口水库对汉江的生态影响发现水生生物多样性大大降低,提出为了尽量减少负面生态影响,有必要优化水库的运行规则以保护河流生态系统[27]。
2.1 对库区生态系统的影响
大型水库尤其是调节性能好的水库,由于水体的大量蓄积,水位升高较大,在垂直方向上会形成有规律的水温分层现象[28]。水库上层温水由于与空气交换,溶氧量较高,在此状态下,如果库区内氮、磷含量较高,而且库区水流速度较低,透明度大,有利于藻类的光合作用,很有可能会造成水体富营养化。而下层水由于比较平稳,氧气的补充很少,且上层水生生物死亡而沉降到下层后,其分解也会消耗氧,并产生硫化氢等气体,影响水质,并使水体发出难闻的气味。长此以往,下层水体成为了厌氧生物环境,水生生物结构发生改变。Ming等研究发现三峡水库蓄水初期,大型底栖生物密度显著降低;然而经过一定的时间适应后,从2005年起,大型底栖生物的总密度显著增加,而且显示出明显的季节性,在冬季最低,秋季最高[29]。发展到后期时,水库会老化,此时大型底栖生物群落多样性和密度都会降低,形成以耐污种为优势类群的单一结构[30]。
梯级开发库区由于水域面积增加,水体的热效应使得当地的环境质量和陆地性气候得以改善,比如降雨增加、湿度增加、年平均气温升高和温差降低,影响程度与水域面积增加的程度也有着正相关性。刘红年等[31]研究发现,高山峡谷地区的水库由于水域面积增加程度较大,将导致附近地区在冬季增温0.4~0.85℃,使春、夏、秋季降温可达2℃,但影响范围不大,主要在水平2.5km、高度0.5km左右范围内。而如果水库水域面积较天然状况增加不大,则对当地的气候影响较小。王洁研究发现横江各梯级水库库容较小,水域面积增加较小,对当地的气候基本无影响[16]。
2.2 对下游河道生态系统的影响
水库的形成以及水库在枯水期时的下泄水量使得河道下游水位上升,淹没损失漫滩、湿地和岸边植物带[32],梯级水库的建设将会叠加扩大这些影响。河岸带无法在沉积物、营养物和污染物流入河流之前将它们滤出或吸收,水质会产生变化。Fan Yang等以长江三峡工程为例研究发现河岸植被大比例消失,受到的影响主要来自于洪水的逆转、洪水持续时间延长和新消落带的产生[33]。Ouyang等以黄河上游为例,研究开发了一种用于识别和预测梯级开发对河岸植被影响的分析技术,可以为减少梯级开发对河岸的影响提供基础指导[34]。河岸带是部分陆生植物及候鸟的栖息地,其淹没减少也会对这部分生物造成影响。流速的降低也增加适应平静水流的物种,如水葫芦等,破坏原有的生态系统;流速的降低还会改变河流中污染物的扩散速度,降低河流的自净能力,部分流域回水区出现水体富营养化甚至“水华”现象[35]。
水库在拦截水量的同时还拦截了大量的鹅卵石和砂石,这使得上游河床底部的无脊椎动物如贝壳类动物等的生存环境减少。在下游河段,水电站大流量下泄使得不能承受巨大的流速的小型昆虫若虫和无脊椎动物数量显著降低;流量的陡增引发的漂流,造成底栖生物存量大大减少;受调控的河段水流模式不稳定,也会造成大型无脊椎动物群落物种稀少[36]。
水库的形成还使得河流的纵向连续性、横向连通性以及垂向渗透性发生改变,进而引起水生生物栖息地发生变化。大坝的阻隔将河流生态系统分割成不连续的片段,这使洄游鱼类、半洄游鱼类的生境发生巨大改变。这类生物将无法更换各生活时期的生活水域来满足不同时期的对生活条件的需要,产卵等各种重要生命活动无法维持,继而数量大大减少。
水库排沙和下泄洪水会造成下游河道水体含沙量上升,在下游河道形成高含沙水流。含沙量的增加会降低水体溶解氧浓度,细颗粒泥沙会堵塞鱼鳃结构,影响摄入氧气功能,造成鱼类的死亡[37]。水中含沙量的改变还与鱼类繁殖有着密切的联系。彭秀华在研究中发现,中华鲟会在江水含沙量明显下降之后才开始产卵,产卵过程中江水的含沙量必须要较为稳定[38],水库的泄洪和排沙将极大的影响中华鲟的繁殖过程。
水量的改变也会影响到鱼类的繁殖。例如,4大家鱼(鲢鱼、草鱼、青鱼、鳙鱼)在一定时间的持续涨水过程后,才会开始产卵。而目前的水库调度规则运行时,河道流量过程趋于均一化,使4大家鱼第1次产卵的信号减弱或消失;同时洪水过程单一化,持续时间变短,连续日流量上涨率减小,洪峰最高流量降低,影响了4大家鱼的繁殖过程[39]。
大型水库会造成水温分层,冬季下层水温偏高,春夏秋季下层水温偏低;下层水下泄后,会使得下游河道水温在冬季偏高,春夏秋季偏低,干扰鱼类的繁殖过程。有研究发现[40],三峡水库蓄水后,下游宜昌江段中华鲟和4大家鱼产卵时间推迟,且产卵规模大幅度降低。
2.3 小结
河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统,研究河流生态系统特别需要关注河流生命系统和生命支持系统的相互作用和耦合关系[41]。梯级开发对河流水文情势和生态系统的影响并不是独立的,而是首先通过改变河流的水文情势,继而对河流的生态系统产生影响,河流生态系统的改变还会反作用于河流水文情势。目前的研究表明,梯级开发使得河流水文情势发生改变并作用于河流生态系统,但是河流生态系统的改变并不只是因为水文情势的改变,也存在其他的原因,人类的活动例如捕捞和对河流的污染等也会影响河流生态系统,所以笔者认为,需要进一步研究并阐明河流水文情势及其各个方面与河流生态系统的相关性,为如何避免或减小这些影响以及如何恢复河流的水文生态提供理论基础。
3 结语与展望
生态水文研究论述 篇5
水生态文明建设是要实现人与自然协调发展,实现水的可持续利用和生态系统的良性循环。要想实现水生态文明建设就必须要了解水生态环境,准确掌握水生态信息,做好水生态保护和修复工作。水文部门进行水生态监测的实践与研究,是在原有监测范围内的一次开创性突破,也是水文事业发展的一项全新探索。如何科学化、系统化地开展水生态监测工作是水文部门目前所面临的重要问题。
2 水生态监测的概念和发展
水生态监测是使用物理、化学、生化、水文、生态等多种技术手段,对生态环境中的各要素、生物与环境之间的相互关系、生态系统结构和功能进行监控和测试,从生态系统完整性角度出发,评价水生态环境质量,保护与修复生态环境,合理利用自然资源。水生态文明是以科学发展观为指导思想,实现因水制宜、量水而行,以及水资源和水环境承载力的协调。水生态保护和优化水资源配置是实现水生态文明建设的重要方式。自然界中水环境的状态决定着人类的生存环境和人类社会发展。当前我国不仅面临水环境欠佳的问题,还面临着水资源短缺的问题,并且随着社会的发展,水资源短缺问题日益严重,已成为制约经济发展的重要问题。因此,优化水资源配置、实现因水制宜和量水而行是建设水生态文明的重要举措。
水资源的保护和修复工作是目前我国改善水环境的重中之重,是实现水生态文明的基础。水生态监测作为水资源保护和修复的基础工作,也受到越来越多人的重视。近些年,我国水生态监测也在不断发展成熟,监测指标也在由单一的理化指标向生物指标转变,监测方式也在向自动化方向有所进展。水文部门不断进行改革创新,采用现代化、信息化的技术手段和工作方法以及管理模式,为水生态文明建设做出了努力,为经济社会发展做出了贡献。
3 江苏省水文部门水生态监测的现状与发展
1992年起,江苏省水文水资源勘测局开始了对水文信息化系统的建设,对水环境进行监测和信息数据的整理。目前,江苏省水文部门已经有了一定的规模,初步建成了以省水情中心为首的“四大片区”水文信息化系统和以省水环境监测中心为首的全省水文水质监测网络。
2013年11月,江苏省水文局及下设的13个分中心开始进行浮游植物监测;2014年11月,水生态监测扩展评审;从2015年开始,水生态监测项目扩展到了浮游植物、浮游动物、着生生物、底栖动物、大型水生植物等5个项目同步开展。
3.1 水生态监测指标
江苏省水生态监测开始于水质监测,仅限于生化需氧量、化学需氧量等若干常规理化指标;随着工业发展,大量废水进入水体,又引入了有机物、重金属、氮、磷等指标。但这些指标只能反映瞬时条件下的水体状况,无法体现河湖中多项化合物参与的各种复杂作用,亦无法表征其对环境中生物的影响。2007年太湖流域蓝藻暴发,此后开展以叶绿素、藻密度为代表的水生态监测。藻类作为水生态环境的重要组成部分,能够反映一段时间内环境变化对生物的影响,从而更有效地实现水环境监测目的,但以藻类监测为代表的水生物监测方法,由于指示物种过于单一,仍存在局限性。因此需多角度、全方位地开展水生态监测。
浮游动物监测通过定性和定量监测,采用镜检法,鉴定浮游动物的种类、计算浮游动物密度和生物量(体积法)。
底栖动物监测通过定性和定量监测,采用镜检法,鉴定底栖动物的种类、计算底栖动物的密度和生物量(称重法)。
着生生物的监测采用刮片法获取着生生物,采用镜检法鉴定藻类的种类、计算藻密度。
大型水生植物采用调查法结合抽样方法采集水生植物,进行种类鉴定,并称量干重和湿重。
3.2 水生态监测方法
水生态监测一般采取常规监测和水质自动检测相结合的方式进行。常规监测包括必测指标、选测指标、特定指标,如高锰酸盐指数、电导率、生化需要量等,均按GB 3838—2002中规定的标准方法进行。自动监测项目包括必测指标7项、选测指标14项,如p H值、水温、总磷、总氮等,均按国家环境保护部批准的水质自动监测技术规范进行。
对于浮游植物的监测,主要是进行定量监测,采用镜检法鉴定藻类的种类、计算藻密度,绘制浮游植物种类分布饼图和密度柱状图,计算多样性指数和均匀度指数。同时结合水质类别和富营养化程度,综合评价水质健康状况。
对于浮游动物、着生生物、底栖动物、大型水生植物的监测,检测方法是参照《水库渔业资源调查规范》(SL 167—2014),通过采样、样品的前处理、镜检计数和计算,形成检测记录。
3.3 水生态评价方法
水生态质量监测评价需考虑生物完整性要求,充分应用水生生物完整性指数,分析采自不同环境梯度下的水生生物群落组成、物种多样性和功能多样性等指标与水体物理化学指标、胁迫指标间的内在联系,筛选出具有生态指示意义的多个水生生物指标。根据生物完整性指数构建框架,建立水生生物完整性指标。对指标的可靠性、可操作性、效果及运行成本等进行综合评价,并对生物完整性指标与水环境因子、胁迫因子和景观因子的响应关系进行分析,最终建立评价水生态健康监测的水生生物指标。
目前,江苏省水文部门水生态评价主要从理化指标评价和水生态系统评价等角度出发。理化指标的评价方法主要有有毒污染指数评价法、湖泊营养水平指数评价法。水生态系统的评价方法主要有基于鱼类种群结构的生物完整性指数法(Index of biological integrity)、基于底栖动物的溪流状况指数法(Stream condition index)和基于多样性指数的水质健康指数法等。
4 水生态监测普遍存在的问题
4.1 水生态监测的法律不够完善
目前我国对于水质监测和河流保护方面制定的法律法规较为成熟,但是在水生态保护方面,法律法规的制定就比较滞后,体系也不完善,造成水生态监测工作的起步与发展迟缓。
4.2 水生态监测范围和标准不成熟
水生态监测的技术标准是对工作人员工作的指导,是实现水生态保护的准则,也是促进生态循环、水资源合理利用的依据和水生态质量的衡量标准。因此,完整的标准体系对于水文工作和水生态监测系统工作的开展是十分重要的。目前江苏省水文部门水生态领域中,缺乏统一的相关技术标准和技术指标,缺乏完善的监测标准和监测体系,工作技术方法还不够成熟。
4.3 缺乏专业的技术人员
水生态监测涉及很多领域和很多专业,如计算机、水文、生物技术、地理信息、水质等。在水生态监测工作中对工作人员的要求也比较高。专业的水生态监测人员不足,水生态的监测经验和监测技术缺乏,导致水生态监测的开展有着很大难度。目前,生物技术和计算机技术以及地理信息技术等专业的人才相对匮乏,导致多学科联动监测的目标很难实现,影响了水生态监测的发展。
4.4 水文部门处于起步摸索阶段
水文部门的管理体制还不够完善,目前我国水文部门的基层机构实行的是垂直管理模式,水文部门难以深入到地方经济社会中,难以发挥职能作用。水文站网的建设和监测系统还不够完善,服务体系也不够完善,水文部门服务水利中心方面的工作还不够深入,水文事业的科技创新经费有限,没有固定的经费渠道,没有完善的经费保障制度。
5 水文部门开展水生态监测的实践对策
5.1 建立完善的法律法规
目前,我国在水生态监测方面和水文事业方面的法律法规都相对薄弱,难以满足经济社会发展需要。因此,要将流域管理和地域管理相结合,研制各个层面的法律法规,将水文事业的发展和水生态文明的建设作为我国目前主要任务。在法律法规的制定中,要结合当地水环境的特点,实现对水资源的有效利用和管理。例如,江苏省内河流湖泊较多,因此要考虑到流域的特点,制定流域的水生态保护法规,明确指出流域保护部门,确定各部门的职责和功能,实现各司其职的效果。以地域分布作为主要因素,明确水文部门对水生态的监测范围和监测标准以及对水生态的管理责任,将水生态的监测系统进行合理的设计和安排,保证各地区水环境信息的及时性、安全性和可靠性,如此才能实现水资源的保护和修复以及水资源的合理配置。
5.2 制定合理的技术标准,完善指标体系
我国的水生态监测还没有制定准确的技术指标和规范,指标体系也不够完善。这给水生态监测工作带来很大困难,也制约了经济社会的发展和水生态文明的建设。水生态监测包括布点、采样、监测、分析和评价等工作,每个程序都需要有明确的标准和规范指导,以保证工作的顺利完成。因此,相关部门要加快水生态监测技术规范的确定和技术指标的确定,建立完善的指标体系,提高水生态监测数据信息的可靠性。明确技术标准,才能提高工作人员的责任意识,使工作人员高效地完成信息采集,保证信息安全有效。
5.3 完善水生态监测网,建立信息库
工作人员要充分利用水文站网和水文水质资料,高效完成水生态监测网的建立和水生态信息的收集,实现水生态监测的目标。水环境监测是为了了解水环境以及水资源的信息,达到高效的水资源配置和及时进行水环境保护以及修复。只有及时掌握水资源的准确信息,才能在短时间内作出分析,研究出水资源的合理配置方案和水资源保护措施。收集水生态信息要根据不同的水文因素和经济发展要求,对水生态进行比较和研究,研究出不同条件下的水生态保护措施和水生态的管理方案。另外,水生生物的分布和地貌特征在水生态的研究中也有着重要作用,在做水生态监测工作和水生态资料收集中要做好水生生物研究和地理地貌研究。工作人员在研究水生态的发展趋势和保护措施时可以通过建立的水生态基础信息库,实现资源共享,对水生态的信息作出汇总和比较,总结出不同时期的水生态状况,这也是水生态监测工作的意义。例如,相关工作人员可以通过水文站网对江苏省各地区水生态进行监控,实现各区域水生态信息的搜集和整理,为水生态的保护和修复打下基础。
5.4 增大资金的投入
资金不足在很大程度上限制了水文事业的发展和水生态监测工作的开展。政府应该通过市场推动和社会参与等投入机制,加大社会资金投入。江苏省作为一个经济发展较为迅速的省份,要保证财政预算中给予水文部门和水生态监测方面的资金,只有充足的资金投入才能实现水环境监测系统硬件、软件建设,保障水生态监测工作有序开展。
6 结语