河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化研究
——以滇池流域?yàn)槔?/h1>
2021-04-08 02:05王明凈杜展鵬段仲昭嚴(yán)長(zhǎng)安劉嫦娥
生態(tài)學(xué)報(bào) 2021年4期
王明凈,杜展鵬,段仲昭,嚴(yán)長(zhǎng)安,高 偉,*,劉嫦娥
1 云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650091 2 昆明市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院, 昆明 650032
河流和湖泊為人類的生存和發(fā)展提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),承擔(dān)著流域內(nèi)的氣候調(diào)節(jié)、污染控制、航運(yùn)和調(diào)蓄等功能[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,不合理的水資源利用方式,導(dǎo)致河流、湖泊出現(xiàn)斷流、枯竭、水體污染等問題[2- 4],污染排放、過度取水等行為導(dǎo)致了湖泊流域產(chǎn)生資源型或水質(zhì)型的缺水[5- 6]。很多學(xué)者認(rèn)為維持河、湖生態(tài)需水是保證河湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康和水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵[7- 8]。從20世紀(jì)中期開始,隨著大量的水資源開發(fā)利用,美國(guó)、歐洲等一些國(guó)家開始關(guān)注魚類的生境問題,由此提出了河流最小環(huán)境(或生態(tài))流量的概念及其計(jì)算方法[9- 11]。隨著水環(huán)境研究的深入和發(fā)展,“環(huán)境需水”、“生態(tài)環(huán)境需水”、“生態(tài)耗水”等概念被相繼提出,但目前對(duì)此尚未有明確的區(qū)分和定義。廣義上的生態(tài)需水是指滿足某一生態(tài)系統(tǒng)維持其基本功能所需要的水量。目前對(duì)于生態(tài)需水的研究有很多,但都僅針對(duì)單一生態(tài)系統(tǒng)類型[7, 12]。然而,對(duì)于湖泊流域,流域內(nèi)湖泊和河流之間的水文情勢(shì)是相互影響的[13- 14],有學(xué)者認(rèn)為流域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)間有其特定的水量聯(lián)系,在研究中不應(yīng)該將其割裂開來[15]。一些學(xué)者提出對(duì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水的研究應(yīng)作整體評(píng)價(jià)[16- 17],但目前對(duì)流域內(nèi)生態(tài)用水的研究仍以單一生態(tài)系統(tǒng)類型計(jì)算后再進(jìn)行簡(jiǎn)單加和為主[16, 18- 19],沒有針對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)整體進(jìn)行的研究。對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)單一生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水的簡(jiǎn)單加和會(huì)造成部分生態(tài)需水重復(fù)計(jì)算,難以真實(shí)地反映流域的生態(tài)需水狀況。
滇池流域的生態(tài)用水研究以濕地植物生態(tài)需水研究較多[20- 22],濕地植物生態(tài)需水是濕地生態(tài)用水的一部分,通過經(jīng)驗(yàn)公式等可以進(jìn)一步推算濕地生態(tài)用水；也有學(xué)者基于生態(tài)環(huán)境用水對(duì)滇池流域水資源配置進(jìn)行分析[23- 24]；目前對(duì)于滇池流域各子流域的生態(tài)需水的研究較少,尚無對(duì)整個(gè)流域生態(tài)用水評(píng)估的研究。但是滇池流域是一個(gè)典型的河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),滇池和入湖河流形成了復(fù)雜的河湖連通的濕地系統(tǒng)。近些年來由于氣候變化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力,滇池的水污染和水資源短缺較為嚴(yán)重,外流域調(diào)水已經(jīng)成為維持滇池流域水量平衡和改善水環(huán)境的重要措施[24-25]。對(duì)流域生態(tài)用水的評(píng)估和優(yōu)化對(duì)維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康和完整性以及水資源合理配置具有現(xiàn)實(shí)意義。
本研究基于水量平衡原理,綜合考慮湖泊和河流之間的水量聯(lián)系,在牛欄江調(diào)水和河湖污染狀況的約束下,對(duì)包括滇池和入滇河流的整個(gè)河湖生態(tài)系統(tǒng)用水進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)河湖生態(tài)用水規(guī)律進(jìn)行探索,并為滇池流域水環(huán)境保護(hù)和水資源合理配置提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域概況
滇池屬于金沙江水系,為斷陷構(gòu)造湖,流域內(nèi)有35條大小不一的河流呈向心狀匯入滇池。根據(jù)《2017年度昆明市環(huán)境狀況公報(bào)》,2017年滇池總體水質(zhì)仍為Ⅴ類,35條入滇河流中,由于水系調(diào)整和截污改造工程有4條河道斷流,25個(gè)入湖斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo),還有6個(gè)斷面水質(zhì)未達(dá)標(biāo)；流域人均水資源量不足200m3,為極度缺水地區(qū),入湖河流斷流十分嚴(yán)重。流域內(nèi)湖泊和河流之間的水文情勢(shì)相互影響,水量聯(lián)系復(fù)雜,流域內(nèi)河湖生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水評(píng)估對(duì)維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康和完整性以及水資源開發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)意義。
圖1 滇池流域水系及氣象水文站點(diǎn) Fig.1 The water system of Lake Dianchi Basin and Meteorological hydrological stations
1.2 河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水模型
1.2.1河流和湖泊最小生態(tài)需水
(1)湖泊最小生態(tài)需水
根據(jù)不同的研究目的,湖泊生態(tài)需水的計(jì)算方法有最低水位法、保證率法、水量平衡法等[7, 26]。其中,水量平衡法原理清晰,應(yīng)用較多,本研究采用水量平衡法對(duì)滇池生態(tài)需水進(jìn)行估算。根據(jù)湖泊水量平衡,湖泊的最小生態(tài)需水可以表示為：
LEWi=Fi×Ei-Fi×Pi+K×I×Di
(1)
Fi≥Fmin
(2)
式中,LEWi為湖區(qū)各月最小生態(tài)需水(m3)；Fi為水面面積(m2)；Ei為水面蒸發(fā)量(m/s)；Pi為湖面降水量(m/s)；K為滲透系數(shù)(無量綱)；Ii為湖泊滲流坡度(無量綱)；Fmin為最低生態(tài)水位相應(yīng)的湖面面積(m2)；Di為湖泊滲漏面積(m2)；下標(biāo)i為月份,i=1,2,3,…, 12。
(2)河流最小生態(tài)需水
河流生態(tài)需水的估算可以大致分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、整體分析法和棲息地法4種[27]。其中月保證率法能夠體現(xiàn)生態(tài)需水的年內(nèi)變化,本研究采用月保證率法對(duì)入滇河流的逐月生態(tài)需水進(jìn)行估算。月保證率法是根據(jù)系列水文資料,將某個(gè)累積頻率對(duì)應(yīng)的月天然徑流量作為生態(tài)流量。一般頻率可取90%或95%,也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。該方法能更好的反應(yīng)徑流的年內(nèi)變化,但需要至少20年的連續(xù)水文數(shù)據(jù)[28]。
月保證率法需要連續(xù)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,但滇池各個(gè)流域并不是都有歷史實(shí)測(cè)流量,且實(shí)測(cè)流量不能反映天然徑流情況。因此本研究采用HBV流域模型對(duì)河流天然徑流進(jìn)行模擬。首先以牧羊河子流域?yàn)閰?shù)率定單元,使用中和水文站(圖1)1999—2015年的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)及同期的日降雨、日平均氣溫和潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)率定模型獲得參數(shù),再對(duì)全流域1988—2015的天然徑流量進(jìn)行模擬,并采用90%的保證率計(jì)算生態(tài)需水。
HBV(Hydrologiska Byr?ns Vattenbalansavdelning)模型[29]是瑞典氣象水文局于1976年開發(fā)的半分布式水文模擬模型,是針對(duì)瑞典氣候區(qū)開發(fā)的水文預(yù)報(bào)模型。該模型目前已被應(yīng)用于位于不同氣候區(qū)的40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)、水資源評(píng)估、氣候變化的水文響應(yīng)和無資料區(qū)水文研究等多領(lǐng)域研究[30- 32]。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作便捷,輸入數(shù)據(jù)為日降雨、日平均氣溫和潛在蒸發(fā)量,輸出為日流量。該模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求不高,即使輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量不高模擬效果也能達(dá)到基本要求[33],對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)薄弱的地區(qū)也有較好的適用性。
1.2.2河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化模型
由于河流和湖泊之間復(fù)雜的水量聯(lián)系,不能將河流和湖泊生態(tài)需水簡(jiǎn)單相加作為河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水。為了維持河湖生態(tài)系統(tǒng)健康,除了水量需求外,相應(yīng)的水質(zhì)也應(yīng)該納入考慮?；谝陨峡紤],本研究采用優(yōu)化模型對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水進(jìn)行研究。優(yōu)化模型是用于在有限的資源條件下尋找所關(guān)注的問題的最優(yōu)解決方案的方法。河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水最小是本研究的主要研究目標(biāo),同時(shí)河流和湖泊生態(tài)需水及其水量聯(lián)系、河流和湖泊的水質(zhì)等需要滿足一定的條件,用優(yōu)化模型進(jìn)行求解可得到滿足所設(shè)定條件的最優(yōu)生態(tài)用水量。
根據(jù)水量平衡原理,湖泊的陸域水量補(bǔ)給主要來自入湖河流和外流域調(diào)水,基于水量平衡計(jì)算的湖泊最小生態(tài)需水應(yīng)能滿足湖面蒸發(fā)和滲漏需求。當(dāng)湖泊最小生態(tài)需水量小于河流最小生態(tài)需水量時(shí),河流和湖泊的生態(tài)需水量都能得到保證；反之,若河流的最小生態(tài)需水量小于湖泊最小生態(tài)需水量,則需要提高入湖水量(通過提高河流生態(tài)用水或外流域調(diào)水)才能滿足湖泊的最小生態(tài)需水量?；诖?設(shè)計(jì)如下河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水優(yōu)化模型。
(1)優(yōu)化目標(biāo)
考慮到滇池流域水資源十分短缺,從用水效益角度出發(fā),將優(yōu)化目標(biāo)定為生態(tài)用水總量最小,保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水效益的最大化：
(3)
式中,RWij為河流生態(tài)用水量(m3/s)；TWij為外流域調(diào)水量(m3/s)；下標(biāo)i為月份,i=1,2,3,…, 12；下標(biāo)j為河流標(biāo)號(hào),j=1,2,3,…, 16。
(2)約束條件
水量約束條件：優(yōu)化得到的河流和湖泊的生態(tài)用水量應(yīng)該要滿足相應(yīng)的河流和湖泊的最小生態(tài)需水量,同時(shí)河流的生態(tài)用水量應(yīng)不超過該河流的天然徑流量：
REWij≤RWij+TWij
(4)
RWij≤RNWij
(5)
(6)
TWij≥0
(7)
式中,REWij為河流生態(tài)需水量(m3/s)；RNWij為河流天然徑流量(m3/s)；LEWi為湖泊最小生態(tài)需水量(m3/s),其他符號(hào)同上。
水質(zhì)約束條件：優(yōu)化得到的生態(tài)用水量要能滿足現(xiàn)階段的水質(zhì)目標(biāo)。河流污染物濃度采用零維模型進(jìn)行估算；湖泊中COD濃度采用零維模型估算,NH3-N、TP濃度采用狄龍公式進(jìn)行估算。
(8)
(9)
(10)
式中,RPijn為河流中的各污染物通量(kg)；TCn為牛欄江調(diào)水水質(zhì)(mg/L)；RCn為污染物在河流中的達(dá)標(biāo)水質(zhì)濃度(mg/L)；RLj為河段的縱向距離(m)；RKn為河流中污染物綜合衰減系數(shù)(1/d)；下標(biāo)n代表污染物類型,本研究中選擇COD、NH3-N、TP；RMCij為河流中COD濃度(mg/L)；V為湖泊水體體積(m3)；LKC為湖泊中COD的降解系數(shù)(1/月)；LCC為COD在湖泊中的達(dá)標(biāo)水質(zhì)濃度(mg/L)；Rk為污染物在湖泊中的滯留系數(shù)(1/月)；RMijk為河流中的污染物濃度(mg/L)；S為湖泊水面面積(m2)；h為湖泊平均深度(m)；LCk為污染物在湖泊中的達(dá)標(biāo)水質(zhì)濃度(mg/L)；下標(biāo)k代表污染物NH3-N、TP；其他參數(shù)同上。
1.2.3模型參數(shù)估計(jì)
河、湖污染物綜合衰減系數(shù)及滯留系數(shù)RKn、LKC和Rk參考《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》；滇池水深h、面積S及體積V參考《云南省滇池保護(hù)條例》；水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)RCn、LCC、LCk及牛欄江水質(zhì)TCn參考《云南省地表水水環(huán)境功能區(qū)劃》確定；RPijn河流中污染物濃度數(shù)據(jù)和水量數(shù)據(jù)分別來自昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和云南省水文水資源局。
2 結(jié)果與討論
2.1 河流和湖泊生態(tài)需水
根據(jù)滇池流域的1988—2015年氣象水文資料,采用HBV流域模型模擬各條入湖河流的天然徑流量。以牧羊河子流域1999—2007的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn),再用2008—2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。在流量過程線圖中(圖2),無論是校準(zhǔn)期還是驗(yàn)證期,牧羊河子流域的模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比,流量過程線基本一致,表明該模型可以較好的模擬出河流日徑流過程。
從表1可以看出校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上,校準(zhǔn)期納什系數(shù)高達(dá)0.826,驗(yàn)證期納什系數(shù)大于0.5,相對(duì)誤差均在15%范圍內(nèi),表明HBV模型在牧羊河子流域的模擬效果較好,用該模型對(duì)滇池流域其他子流域進(jìn)行日徑流量的模擬是可靠的。
圖2 HBV模型在牧羊河子流域模擬流量Fig.2 Simulation discharge of HBV modeling in the Muyang sub-basinHBV: 半分布式水文模擬模型
表1 HBV模型在牧羊河子流域模擬效果
由式(1)計(jì)算滇池生態(tài)需水,由于天然湖泊較少有滲漏的觀測(cè)[34],本研究忽略了滲漏需水部分,計(jì)算得到滇池年生態(tài)需水量約為1.3×108m3；由HBV流域模型模擬得到的各子流域的流量,用月保證率法分別計(jì)算各河流生態(tài)需水。滇池入湖河流的生態(tài)需水總量為4.68×108m3,其中盤龍江子流域年生態(tài)需水量最高,約為1.2×108m3,占整個(gè)流域總?cè)牒康?5.8%(圖3)。
滇池流域干雨季分明,且降水年內(nèi)分布差異較大,導(dǎo)致整個(gè)滇池流域的生態(tài)需水年內(nèi)變化較大(圖3),盤龍江子流域8月份生態(tài)流量高達(dá)11.16m3/s,4月份生態(tài)流量為0.41m3/s,僅為8月份的3.7%。由于滇池流域降水空間分布不均,降水多集中在流域中部(滇池東北方向)[35],導(dǎo)致各子流域生態(tài)需水量差異較大,盤龍江子流域年生態(tài)需水量高達(dá)1.2×108m3,而六甲寶象河流域年生態(tài)需水量?jī)H516×104m3。
圖3 滇池及各子流域在90%保證率下生態(tài)需水量Fig.3 The environmental flow requirement of Lake Dianchi and each sub-catchment under 90% assurance rate
2.2 河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水
基于河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化模型,得到滇池流域河湖生態(tài)用水量(圖4)。由圖可知,河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水、河流生態(tài)需水和湖泊生態(tài)需水3者差異較大。從河流與湖泊生態(tài)需水關(guān)系看,不同月份兩者相對(duì)大小呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)特征。1月到5月,河流生態(tài)需水低于湖泊生態(tài)需水,因此僅考慮河流最小生態(tài)需水量顯然無法滿足湖泊的水量平衡要求,此時(shí)流域內(nèi)的生態(tài)需水主要考慮滿足湖泊的生態(tài)需水要求。河湖生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水量遠(yuǎn)大于河流和湖泊最小生態(tài)需水量的簡(jiǎn)單加和。因此,僅計(jì)算河流或者湖泊的生態(tài)需水并不能反映流域內(nèi)的實(shí)際生態(tài)需水要求,且要考慮到年內(nèi)變化。
圖4 滇池流域河、湖生態(tài)需水及河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水 Fig.4 The environmental flow of rivers and the lake and the eco-environmental water demand of coupled ecosystem in Lake Dianchi Basin
2.3 污染控制與生態(tài)用水權(quán)衡關(guān)系
河湖生態(tài)用水的計(jì)算結(jié)果表明,將水質(zhì)納入考慮后,河湖生態(tài)用水量遠(yuǎn)大于河流與湖泊生態(tài)需水的簡(jiǎn)單算術(shù)加和。滇池流域旱雨季分明,污染物入湖貢獻(xiàn)也呈現(xiàn)秋冬季高于春夏季的分布特征[36- 37],與滇池流域河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水年內(nèi)分布(圖4)基本一致,說明水質(zhì)對(duì)生態(tài)用水具有較大影響。
隨著污染物削減比例增加,滇池流域河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量和調(diào)水量呈指數(shù)降低；河流生態(tài)用水量呈線性降低(圖5)。說明水體污染對(duì)滇池流域河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水具有較大的影響,入湖污染物濃度越高,生態(tài)用水量也會(huì)隨之增大,由此將會(huì)激化水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的矛盾,嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[38]；削減入河和入湖污染物能夠加速滇池水環(huán)境恢復(fù)[23],減輕滇池流域的水資源壓力。
圖5 不同污染物削減比例下調(diào)水量與生態(tài)用水變化Fig.5 Changes in annual water transfer volume and eco-environmental water demand under different pollutant reduction ratios
由于滇池流域水環(huán)境污染嚴(yán)重,2003年昆明市提出向滇池補(bǔ)水的問題, 2007年最終確定了牛欄江—滇池補(bǔ)水方案。許多學(xué)者就牛欄江調(diào)水對(duì)滇池水質(zhì)的影響問題也做了許多預(yù)測(cè)研究。馬巍等學(xué)者的研究[39]表明滇池每年引水5×108m3,能顯著改善滇池水質(zhì)。蒲承松等學(xué)者的研究[40]則表明到2020年,要使得外海水質(zhì)滿足Ⅳ類水的要求,每年需調(diào)水6×108m3。經(jīng)過多方論證,牛欄江—滇池引水工程自2013年建成投入使用以來,實(shí)際每年平均引水量為5.6×108m3。然而圖5表明,在當(dāng)前水質(zhì)狀況下,現(xiàn)行調(diào)水量并不能滿足河湖生態(tài)用水量,每年需調(diào)水11.2×108m3才能滿足河湖水質(zhì)要求,遠(yuǎn)超過之前的預(yù)測(cè)調(diào)水量。
3 結(jié)論
基于優(yōu)化模型對(duì)滇池流域河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水的優(yōu)化分析,得到以下結(jié)論：
(1)河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水,并非河流和湖泊生態(tài)需水的簡(jiǎn)單相加,需要綜合考慮河流和湖泊之間的水量聯(lián)系。本研究以滇池流域?yàn)槔?基于河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的水量聯(lián)系構(gòu)建了河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化模型,得到滇池流域年生態(tài)用水量約為19.5×108m3。
(2)在當(dāng)前水質(zhì)狀況下,要使得流域內(nèi)河流和湖泊都達(dá)到水質(zhì)目標(biāo),每年需要引水約11.2×108m3,目前牛欄江年引水量5.6×108m3不能滿足流域內(nèi)河湖生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水要求。
(3)滇池流域水體污染對(duì)其生態(tài)用水影響較大,隨著污染程度下降,滇池流域河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量和調(diào)水量呈指數(shù)下降,河流生態(tài)用水量呈現(xiàn)線性下降。削減入河和入湖污染物能夠加速滇池水環(huán)境恢復(fù),減輕滇池流域的水資源壓力。
河湖生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)活動(dòng)聯(lián)系緊密,為了流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定,有必要對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水進(jìn)行評(píng)估,以便流域內(nèi)有限水資源的合理配置。河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水文情勢(shì)較單一生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,其生態(tài)用水的影響因素也較多,生態(tài)用水機(jī)理和規(guī)律尚不十分清晰。
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王明凈,杜展鵬,段仲昭,嚴(yán)長(zhǎng)安,高 偉,*,劉嫦娥
1 云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650091 2 昆明市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院, 昆明 650032
河流和湖泊為人類的生存和發(fā)展提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),承擔(dān)著流域內(nèi)的氣候調(diào)節(jié)、污染控制、航運(yùn)和調(diào)蓄等功能[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,不合理的水資源利用方式,導(dǎo)致河流、湖泊出現(xiàn)斷流、枯竭、水體污染等問題[2- 4],污染排放、過度取水等行為導(dǎo)致了湖泊流域產(chǎn)生資源型或水質(zhì)型的缺水[5- 6]。很多學(xué)者認(rèn)為維持河、湖生態(tài)需水是保證河湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康和水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵[7- 8]。從20世紀(jì)中期開始,隨著大量的水資源開發(fā)利用,美國(guó)、歐洲等一些國(guó)家開始關(guān)注魚類的生境問題,由此提出了河流最小環(huán)境(或生態(tài))流量的概念及其計(jì)算方法[9- 11]。隨著水環(huán)境研究的深入和發(fā)展,“環(huán)境需水”、“生態(tài)環(huán)境需水”、“生態(tài)耗水”等概念被相繼提出,但目前對(duì)此尚未有明確的區(qū)分和定義。廣義上的生態(tài)需水是指滿足某一生態(tài)系統(tǒng)維持其基本功能所需要的水量。目前對(duì)于生態(tài)需水的研究有很多,但都僅針對(duì)單一生態(tài)系統(tǒng)類型[7, 12]。然而,對(duì)于湖泊流域,流域內(nèi)湖泊和河流之間的水文情勢(shì)是相互影響的[13- 14],有學(xué)者認(rèn)為流域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)間有其特定的水量聯(lián)系,在研究中不應(yīng)該將其割裂開來[15]。一些學(xué)者提出對(duì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水的研究應(yīng)作整體評(píng)價(jià)[16- 17],但目前對(duì)流域內(nèi)生態(tài)用水的研究仍以單一生態(tài)系統(tǒng)類型計(jì)算后再進(jìn)行簡(jiǎn)單加和為主[16, 18- 19],沒有針對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)整體進(jìn)行的研究。對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)單一生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水的簡(jiǎn)單加和會(huì)造成部分生態(tài)需水重復(fù)計(jì)算,難以真實(shí)地反映流域的生態(tài)需水狀況。
滇池流域的生態(tài)用水研究以濕地植物生態(tài)需水研究較多[20- 22],濕地植物生態(tài)需水是濕地生態(tài)用水的一部分,通過經(jīng)驗(yàn)公式等可以進(jìn)一步推算濕地生態(tài)用水；也有學(xué)者基于生態(tài)環(huán)境用水對(duì)滇池流域水資源配置進(jìn)行分析[23- 24]；目前對(duì)于滇池流域各子流域的生態(tài)需水的研究較少,尚無對(duì)整個(gè)流域生態(tài)用水評(píng)估的研究。但是滇池流域是一個(gè)典型的河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),滇池和入湖河流形成了復(fù)雜的河湖連通的濕地系統(tǒng)。近些年來由于氣候變化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力,滇池的水污染和水資源短缺較為嚴(yán)重,外流域調(diào)水已經(jīng)成為維持滇池流域水量平衡和改善水環(huán)境的重要措施[24-25]。對(duì)流域生態(tài)用水的評(píng)估和優(yōu)化對(duì)維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康和完整性以及水資源合理配置具有現(xiàn)實(shí)意義。
本研究基于水量平衡原理,綜合考慮湖泊和河流之間的水量聯(lián)系,在牛欄江調(diào)水和河湖污染狀況的約束下,對(duì)包括滇池和入滇河流的整個(gè)河湖生態(tài)系統(tǒng)用水進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)河湖生態(tài)用水規(guī)律進(jìn)行探索,并為滇池流域水環(huán)境保護(hù)和水資源合理配置提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域概況
滇池屬于金沙江水系,為斷陷構(gòu)造湖,流域內(nèi)有35條大小不一的河流呈向心狀匯入滇池。根據(jù)《2017年度昆明市環(huán)境狀況公報(bào)》,2017年滇池總體水質(zhì)仍為Ⅴ類,35條入滇河流中,由于水系調(diào)整和截污改造工程有4條河道斷流,25個(gè)入湖斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo),還有6個(gè)斷面水質(zhì)未達(dá)標(biāo)；流域人均水資源量不足200m3,為極度缺水地區(qū),入湖河流斷流十分嚴(yán)重。流域內(nèi)湖泊和河流之間的水文情勢(shì)相互影響,水量聯(lián)系復(fù)雜,流域內(nèi)河湖生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水評(píng)估對(duì)維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康和完整性以及水資源開發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)意義。
圖1 滇池流域水系及氣象水文站點(diǎn) Fig.1 The water system of Lake Dianchi Basin and Meteorological hydrological stations
1.2 河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水模型
1.2.1河流和湖泊最小生態(tài)需水
(1)湖泊最小生態(tài)需水
根據(jù)不同的研究目的,湖泊生態(tài)需水的計(jì)算方法有最低水位法、保證率法、水量平衡法等[7, 26]。其中,水量平衡法原理清晰,應(yīng)用較多,本研究采用水量平衡法對(duì)滇池生態(tài)需水進(jìn)行估算。根據(jù)湖泊水量平衡,湖泊的最小生態(tài)需水可以表示為：
LEWi=Fi×Ei-Fi×Pi+K×I×Di
(1)
Fi≥Fmin
(2)
式中,LEWi為湖區(qū)各月最小生態(tài)需水(m3)；Fi為水面面積(m2)；Ei為水面蒸發(fā)量(m/s)；Pi為湖面降水量(m/s)；K為滲透系數(shù)(無量綱)；Ii為湖泊滲流坡度(無量綱)；Fmin為最低生態(tài)水位相應(yīng)的湖面面積(m2)；Di為湖泊滲漏面積(m2)；下標(biāo)i為月份,i=1,2,3,…, 12。
(2)河流最小生態(tài)需水
河流生態(tài)需水的估算可以大致分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、整體分析法和棲息地法4種[27]。其中月保證率法能夠體現(xiàn)生態(tài)需水的年內(nèi)變化,本研究采用月保證率法對(duì)入滇河流的逐月生態(tài)需水進(jìn)行估算。月保證率法是根據(jù)系列水文資料,將某個(gè)累積頻率對(duì)應(yīng)的月天然徑流量作為生態(tài)流量。一般頻率可取90%或95%,也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。該方法能更好的反應(yīng)徑流的年內(nèi)變化,但需要至少20年的連續(xù)水文數(shù)據(jù)[28]。
月保證率法需要連續(xù)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,但滇池各個(gè)流域并不是都有歷史實(shí)測(cè)流量,且實(shí)測(cè)流量不能反映天然徑流情況。因此本研究采用HBV流域模型對(duì)河流天然徑流進(jìn)行模擬。首先以牧羊河子流域?yàn)閰?shù)率定單元,使用中和水文站(圖1)1999—2015年的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)及同期的日降雨、日平均氣溫和潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)率定模型獲得參數(shù),再對(duì)全流域1988—2015的天然徑流量進(jìn)行模擬,并采用90%的保證率計(jì)算生態(tài)需水。
HBV(Hydrologiska Byr?ns Vattenbalansavdelning)模型[29]是瑞典氣象水文局于1976年開發(fā)的半分布式水文模擬模型,是針對(duì)瑞典氣候區(qū)開發(fā)的水文預(yù)報(bào)模型。該模型目前已被應(yīng)用于位于不同氣候區(qū)的40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)、水資源評(píng)估、氣候變化的水文響應(yīng)和無資料區(qū)水文研究等多領(lǐng)域研究[30- 32]。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作便捷,輸入數(shù)據(jù)為日降雨、日平均氣溫和潛在蒸發(fā)量,輸出為日流量。該模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求不高,即使輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量不高模擬效果也能達(dá)到基本要求[33],對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)薄弱的地區(qū)也有較好的適用性。
1.2.2河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化模型
由于河流和湖泊之間復(fù)雜的水量聯(lián)系,不能將河流和湖泊生態(tài)需水簡(jiǎn)單相加作為河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水。為了維持河湖生態(tài)系統(tǒng)健康,除了水量需求外,相應(yīng)的水質(zhì)也應(yīng)該納入考慮?；谝陨峡紤],本研究采用優(yōu)化模型對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水進(jìn)行研究。優(yōu)化模型是用于在有限的資源條件下尋找所關(guān)注的問題的最優(yōu)解決方案的方法。河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水最小是本研究的主要研究目標(biāo),同時(shí)河流和湖泊生態(tài)需水及其水量聯(lián)系、河流和湖泊的水質(zhì)等需要滿足一定的條件,用優(yōu)化模型進(jìn)行求解可得到滿足所設(shè)定條件的最優(yōu)生態(tài)用水量。
根據(jù)水量平衡原理,湖泊的陸域水量補(bǔ)給主要來自入湖河流和外流域調(diào)水,基于水量平衡計(jì)算的湖泊最小生態(tài)需水應(yīng)能滿足湖面蒸發(fā)和滲漏需求。當(dāng)湖泊最小生態(tài)需水量小于河流最小生態(tài)需水量時(shí),河流和湖泊的生態(tài)需水量都能得到保證；反之,若河流的最小生態(tài)需水量小于湖泊最小生態(tài)需水量,則需要提高入湖水量(通過提高河流生態(tài)用水或外流域調(diào)水)才能滿足湖泊的最小生態(tài)需水量?；诖?設(shè)計(jì)如下河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水優(yōu)化模型。
(1)優(yōu)化目標(biāo)
考慮到滇池流域水資源十分短缺,從用水效益角度出發(fā),將優(yōu)化目標(biāo)定為生態(tài)用水總量最小,保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水效益的最大化：
(3)
式中,RWij為河流生態(tài)用水量(m3/s)；TWij為外流域調(diào)水量(m3/s)；下標(biāo)i為月份,i=1,2,3,…, 12；下標(biāo)j為河流標(biāo)號(hào),j=1,2,3,…, 16。
(2)約束條件
水量約束條件：優(yōu)化得到的河流和湖泊的生態(tài)用水量應(yīng)該要滿足相應(yīng)的河流和湖泊的最小生態(tài)需水量,同時(shí)河流的生態(tài)用水量應(yīng)不超過該河流的天然徑流量：
REWij≤RWij+TWij
(4)
RWij≤RNWij
(5)
(6)
TWij≥0
(7)
式中,REWij為河流生態(tài)需水量(m3/s)；RNWij為河流天然徑流量(m3/s)；LEWi為湖泊最小生態(tài)需水量(m3/s),其他符號(hào)同上。
水質(zhì)約束條件：優(yōu)化得到的生態(tài)用水量要能滿足現(xiàn)階段的水質(zhì)目標(biāo)。河流污染物濃度采用零維模型進(jìn)行估算；湖泊中COD濃度采用零維模型估算,NH3-N、TP濃度采用狄龍公式進(jìn)行估算。
(8)
(9)
(10)
式中,RPijn為河流中的各污染物通量(kg)；TCn為牛欄江調(diào)水水質(zhì)(mg/L)；RCn為污染物在河流中的達(dá)標(biāo)水質(zhì)濃度(mg/L)；RLj為河段的縱向距離(m)；RKn為河流中污染物綜合衰減系數(shù)(1/d)；下標(biāo)n代表污染物類型,本研究中選擇COD、NH3-N、TP；RMCij為河流中COD濃度(mg/L)；V為湖泊水體體積(m3)；LKC為湖泊中COD的降解系數(shù)(1/月)；LCC為COD在湖泊中的達(dá)標(biāo)水質(zhì)濃度(mg/L)；Rk為污染物在湖泊中的滯留系數(shù)(1/月)；RMijk為河流中的污染物濃度(mg/L)；S為湖泊水面面積(m2)；h為湖泊平均深度(m)；LCk為污染物在湖泊中的達(dá)標(biāo)水質(zhì)濃度(mg/L)；下標(biāo)k代表污染物NH3-N、TP；其他參數(shù)同上。
1.2.3模型參數(shù)估計(jì)
河、湖污染物綜合衰減系數(shù)及滯留系數(shù)RKn、LKC和Rk參考《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》；滇池水深h、面積S及體積V參考《云南省滇池保護(hù)條例》；水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)RCn、LCC、LCk及牛欄江水質(zhì)TCn參考《云南省地表水水環(huán)境功能區(qū)劃》確定；RPijn河流中污染物濃度數(shù)據(jù)和水量數(shù)據(jù)分別來自昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和云南省水文水資源局。
2 結(jié)果與討論
2.1 河流和湖泊生態(tài)需水
根據(jù)滇池流域的1988—2015年氣象水文資料,采用HBV流域模型模擬各條入湖河流的天然徑流量。以牧羊河子流域1999—2007的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn),再用2008—2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。在流量過程線圖中(圖2),無論是校準(zhǔn)期還是驗(yàn)證期,牧羊河子流域的模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比,流量過程線基本一致,表明該模型可以較好的模擬出河流日徑流過程。
從表1可以看出校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上,校準(zhǔn)期納什系數(shù)高達(dá)0.826,驗(yàn)證期納什系數(shù)大于0.5,相對(duì)誤差均在15%范圍內(nèi),表明HBV模型在牧羊河子流域的模擬效果較好,用該模型對(duì)滇池流域其他子流域進(jìn)行日徑流量的模擬是可靠的。
圖2 HBV模型在牧羊河子流域模擬流量Fig.2 Simulation discharge of HBV modeling in the Muyang sub-basinHBV: 半分布式水文模擬模型
表1 HBV模型在牧羊河子流域模擬效果
由式(1)計(jì)算滇池生態(tài)需水,由于天然湖泊較少有滲漏的觀測(cè)[34],本研究忽略了滲漏需水部分,計(jì)算得到滇池年生態(tài)需水量約為1.3×108m3；由HBV流域模型模擬得到的各子流域的流量,用月保證率法分別計(jì)算各河流生態(tài)需水。滇池入湖河流的生態(tài)需水總量為4.68×108m3,其中盤龍江子流域年生態(tài)需水量最高,約為1.2×108m3,占整個(gè)流域總?cè)牒康?5.8%(圖3)。
滇池流域干雨季分明,且降水年內(nèi)分布差異較大,導(dǎo)致整個(gè)滇池流域的生態(tài)需水年內(nèi)變化較大(圖3),盤龍江子流域8月份生態(tài)流量高達(dá)11.16m3/s,4月份生態(tài)流量為0.41m3/s,僅為8月份的3.7%。由于滇池流域降水空間分布不均,降水多集中在流域中部(滇池東北方向)[35],導(dǎo)致各子流域生態(tài)需水量差異較大,盤龍江子流域年生態(tài)需水量高達(dá)1.2×108m3,而六甲寶象河流域年生態(tài)需水量?jī)H516×104m3。
圖3 滇池及各子流域在90%保證率下生態(tài)需水量Fig.3 The environmental flow requirement of Lake Dianchi and each sub-catchment under 90% assurance rate
2.2 河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水
基于河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化模型,得到滇池流域河湖生態(tài)用水量(圖4)。由圖可知,河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水、河流生態(tài)需水和湖泊生態(tài)需水3者差異較大。從河流與湖泊生態(tài)需水關(guān)系看,不同月份兩者相對(duì)大小呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)特征。1月到5月,河流生態(tài)需水低于湖泊生態(tài)需水,因此僅考慮河流最小生態(tài)需水量顯然無法滿足湖泊的水量平衡要求,此時(shí)流域內(nèi)的生態(tài)需水主要考慮滿足湖泊的生態(tài)需水要求。河湖生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水量遠(yuǎn)大于河流和湖泊最小生態(tài)需水量的簡(jiǎn)單加和。因此,僅計(jì)算河流或者湖泊的生態(tài)需水并不能反映流域內(nèi)的實(shí)際生態(tài)需水要求,且要考慮到年內(nèi)變化。
圖4 滇池流域河、湖生態(tài)需水及河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水 Fig.4 The environmental flow of rivers and the lake and the eco-environmental water demand of coupled ecosystem in Lake Dianchi Basin
2.3 污染控制與生態(tài)用水權(quán)衡關(guān)系
河湖生態(tài)用水的計(jì)算結(jié)果表明,將水質(zhì)納入考慮后,河湖生態(tài)用水量遠(yuǎn)大于河流與湖泊生態(tài)需水的簡(jiǎn)單算術(shù)加和。滇池流域旱雨季分明,污染物入湖貢獻(xiàn)也呈現(xiàn)秋冬季高于春夏季的分布特征[36- 37],與滇池流域河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水年內(nèi)分布(圖4)基本一致,說明水質(zhì)對(duì)生態(tài)用水具有較大影響。
隨著污染物削減比例增加,滇池流域河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量和調(diào)水量呈指數(shù)降低；河流生態(tài)用水量呈線性降低(圖5)。說明水體污染對(duì)滇池流域河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水具有較大的影響,入湖污染物濃度越高,生態(tài)用水量也會(huì)隨之增大,由此將會(huì)激化水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的矛盾,嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[38]；削減入河和入湖污染物能夠加速滇池水環(huán)境恢復(fù)[23],減輕滇池流域的水資源壓力。
圖5 不同污染物削減比例下調(diào)水量與生態(tài)用水變化Fig.5 Changes in annual water transfer volume and eco-environmental water demand under different pollutant reduction ratios
由于滇池流域水環(huán)境污染嚴(yán)重,2003年昆明市提出向滇池補(bǔ)水的問題, 2007年最終確定了牛欄江—滇池補(bǔ)水方案。許多學(xué)者就牛欄江調(diào)水對(duì)滇池水質(zhì)的影響問題也做了許多預(yù)測(cè)研究。馬巍等學(xué)者的研究[39]表明滇池每年引水5×108m3,能顯著改善滇池水質(zhì)。蒲承松等學(xué)者的研究[40]則表明到2020年,要使得外海水質(zhì)滿足Ⅳ類水的要求,每年需調(diào)水6×108m3。經(jīng)過多方論證,牛欄江—滇池引水工程自2013年建成投入使用以來,實(shí)際每年平均引水量為5.6×108m3。然而圖5表明,在當(dāng)前水質(zhì)狀況下,現(xiàn)行調(diào)水量并不能滿足河湖生態(tài)用水量,每年需調(diào)水11.2×108m3才能滿足河湖水質(zhì)要求,遠(yuǎn)超過之前的預(yù)測(cè)調(diào)水量。
3 結(jié)論
基于優(yōu)化模型對(duì)滇池流域河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水的優(yōu)化分析,得到以下結(jié)論：
(1)河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水,并非河流和湖泊生態(tài)需水的簡(jiǎn)單相加,需要綜合考慮河流和湖泊之間的水量聯(lián)系。本研究以滇池流域?yàn)槔?基于河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的水量聯(lián)系構(gòu)建了河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水優(yōu)化模型,得到滇池流域年生態(tài)用水量約為19.5×108m3。
(2)在當(dāng)前水質(zhì)狀況下,要使得流域內(nèi)河流和湖泊都達(dá)到水質(zhì)目標(biāo),每年需要引水約11.2×108m3,目前牛欄江年引水量5.6×108m3不能滿足流域內(nèi)河湖生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用水要求。
(3)滇池流域水體污染對(duì)其生態(tài)用水影響較大,隨著污染程度下降,滇池流域河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量和調(diào)水量呈指數(shù)下降,河流生態(tài)用水量呈現(xiàn)線性下降。削減入河和入湖污染物能夠加速滇池水環(huán)境恢復(fù),減輕滇池流域的水資源壓力。
河湖生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)活動(dòng)聯(lián)系緊密,為了流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定,有必要對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水進(jìn)行評(píng)估,以便流域內(nèi)有限水資源的合理配置。河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水文情勢(shì)較單一生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,其生態(tài)用水的影響因素也較多,生態(tài)用水機(jī)理和規(guī)律尚不十分清晰。
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