河湖生态系统生态用水优化研究——以滇池流域为例

王明净,杜展鹏,段仲昭,严长安,高 伟,*,刘嫦娥

1 云南大学生态与环境学院,云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室, 昆明 650091 2 昆明市生态环境科学研究院, 昆明 650032

河流和湖泊为人类的生存和发展提供了丰富的生态系统服务,承担着流域内的气候调节、污染控制、航运和调蓄等功能[1]。随着经济社会的发展,不合理的水资源利用方式,导致河流、湖泊出现断流、枯竭、水体污染等问题[2- 4],污染排放、过度取水等行为导致了湖泊流域产生资源型或水质型的缺水[5- 6]。很多学者认为维持河、湖生态需水是保证河湖流域生态系统健康和水资源可持续利用的关键[7- 8]。从20世纪中期开始,随着大量的水资源开发利用,美国、欧洲等一些国家开始关注鱼类的生境问题,由此提出了河流最小环境(或生态)流量的概念及其计算方法[9- 11]。随着水环境研究的深入和发展,“环境需水”、“生态环境需水”、“生态耗水”等概念被相继提出,但目前对此尚未有明确的区分和定义。广义上的生态需水是指满足某一生态系统维持其基本功能所需要的水量。目前对于生态需水的研究有很多,但都仅针对单一生态系统类型[7, 12]。然而,对于湖泊流域,流域内湖泊和河流之间的水文情势是相互影响的[13- 14],有学者认为流域内不同生态系统间有其特定的水量联系,在研究中不应该将其割裂开来[15]。一些学者提出对复合生态系统的生态用水的研究应作整体评价[16- 17],但目前对流域内生态用水的研究仍以单一生态系统类型计算后再进行简单加和为主[16, 18- 19],没有针对河湖生态系统整体进行的研究。对河湖生态系统内单一生态系统生态需水的简单加和会造成部分生态需水重复计算,难以真实地反映流域的生态需水状况。

滇池流域的生态用水研究以湿地植物生态需水研究较多[20- 22],湿地植物生态需水是湿地生态用水的一部分,通过经验公式等可以进一步推算湿地生态用水；也有学者基于生态环境用水对滇池流域水资源配置进行分析[23- 24]；目前对于滇池流域各子流域的生态需水的研究较少,尚无对整个流域生态用水评估的研究。但是滇池流域是一个典型的河湖复合生态系统,滇池和入湖河流形成了复杂的河湖连通的湿地系统。近些年来由于气候变化及社会经济发展压力,滇池的水污染和水资源短缺较为严重,外流域调水已经成为维持滇池流域水量平衡和改善水环境的重要措施[24-25]。对流域生态用水的评估和优化对维持流域生态系统健康和完整性以及水资源合理配置具有现实意义。

本研究基于水量平衡原理,综合考虑湖泊和河流之间的水量联系,在牛栏江调水和河湖污染状况的约束下,对包括滇池和入滇河流的整个河湖生态系统用水进行优化,对河湖生态用水规律进行探索,并为滇池流域水环境保护和水资源合理配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

滇池属于金沙江水系,为断陷构造湖,流域内有35条大小不一的河流呈向心状汇入滇池。根据《2017年度昆明市环境状况公报》,2017年滇池总体水质仍为Ⅴ类,35条入滇河流中,由于水系调整和截污改造工程有4条河道断流,25个入湖断面水质达标,还有6个断面水质未达标；流域人均水资源量不足200m3,为极度缺水地区,入湖河流断流十分严重。流域内湖泊和河流之间的水文情势相互影响,水量联系复杂,流域内河湖生态系统的生态用水评估对维持流域生态系统健康和完整性以及水资源开发利用具有现实意义。

图1 滇池流域水系及气象水文站点 Fig.1 The water system of Lake Dianchi Basin and Meteorological hydrological stations

1.2 河湖生态系统生态用水模型

1.2.1河流和湖泊最小生态需水

(1)湖泊最小生态需水

根据不同的研究目的,湖泊生态需水的计算方法有最低水位法、保证率法、水量平衡法等[7, 26]。其中,水量平衡法原理清晰,应用较多,本研究采用水量平衡法对滇池生态需水进行估算。根据湖泊水量平衡,湖泊的最小生态需水可以表示为：

LEWi=Fi×Ei-Fi×Pi+K×I×Di

(1)

Fi≥Fmin

(2)

式中,LEWi为湖区各月最小生态需水(m3)；Fi为水面面积(m2)；Ei为水面蒸发量(m/s)；Pi为湖面降水量(m/s)；K为渗透系数(无量纲)；Ii为湖泊渗流坡度(无量纲)；Fmin为最低生态水位相应的湖面面积(m2)；Di为湖泊渗漏面积(m2)；下标i为月份,i=1,2,3,…, 12。

(2)河流最小生态需水

河流生态需水的估算可以大致分为水文学法、水力学法、整体分析法和栖息地法4种[27]。其中月保证率法能够体现生态需水的年内变化,本研究采用月保证率法对入滇河流的逐月生态需水进行估算。月保证率法是根据系列水文资料,将某个累积频率对应的月天然径流量作为生态流量。一般频率可取90%或95%,也可根据实际情况进行调整。该方法能更好的反应径流的年内变化,但需要至少20年的连续水文数据[28]。

月保证率法需要连续水文数据进行计算,但滇池各个流域并不是都有历史实测流量,且实测流量不能反映天然径流情况。因此本研究采用HBV流域模型对河流天然径流进行模拟。首先以牧羊河子流域为参数率定单元,使用中和水文站(图1)1999—2015年的实测流量数据及同期的日降雨、日平均气温和潜在蒸发量数据率定模型获得参数,再对全流域1988—2015的天然径流量进行模拟,并采用90%的保证率计算生态需水。

HBV(Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning)模型[29]是瑞典气象水文局于1976年开发的半分布式水文模拟模型,是针对瑞典气候区开发的水文预报模型。该模型目前已被应用于位于不同气候区的40多个国家和地区的洪水预报、水资源评估、气候变化的水文响应和无资料区水文研究等多领域研究[30- 32]。该模型结构简单,操作便捷,输入数据为日降雨、日平均气温和潜在蒸发量,输出为日流量。该模型对输入数据的要求不高,即使输入数据质量不高模拟效果也能达到基本要求[33],对于基础数据薄弱的地区也有较好的适用性。

1.2.2河湖生态系统生态用水优化模型

由于河流和湖泊之间复杂的水量联系,不能将河流和湖泊生态需水简单相加作为河湖生态系统生态用水。为了维持河湖生态系统健康,除了水量需求外,相应的水质也应该纳入考虑。基于以上考虑,本研究采用优化模型对河湖生态系统生态用水进行研究。优化模型是用于在有限的资源条件下寻找所关注的问题的最优解决方案的方法。河湖生态系统生态用水最小是本研究的主要研究目标,同时河流和湖泊生态需水及其水量联系、河流和湖泊的水质等需要满足一定的条件,用优化模型进行求解可得到满足所设定条件的最优生态用水量。

根据水量平衡原理,湖泊的陆域水量补给主要来自入湖河流和外流域调水,基于水量平衡计算的湖泊最小生态需水应能满足湖面蒸发和渗漏需求。当湖泊最小生态需水量小于河流最小生态需水量时,河流和湖泊的生态需水量都能得到保证；反之,若河流的最小生态需水量小于湖泊最小生态需水量,则需要提高入湖水量(通过提高河流生态用水或外流域调水)才能满足湖泊的最小生态需水量。基于此,设计如下河湖复合生态系统的生态用水优化模型。

(1)优化目标

考虑到滇池流域水资源十分短缺,从用水效益角度出发,将优化目标定为生态用水总量最小,保证经济社会用水效益的最大化：

(3)

式中,RWij为河流生态用水量(m3/s)；TWij为外流域调水量(m3/s)；下标i为月份,i=1,2,3,…, 12；下标j为河流标号,j=1,2,3,…, 16。

(2)约束条件

水量约束条件：优化得到的河流和湖泊的生态用水量应该要满足相应的河流和湖泊的最小生态需水量,同时河流的生态用水量应不超过该河流的天然径流量：

REWij≤RWij+TWij

(4)

RWij≤RNWij

(5)

(6)

TWij≥0

(7)

式中,REWij为河流生态需水量(m3/s)；RNWij为河流天然径流量(m3/s)；LEWi为湖泊最小生态需水量(m3/s),其他符号同上。

水质约束条件：优化得到的生态用水量要能满足现阶段的水质目标。河流污染物浓度采用零维模型进行估算；湖泊中COD浓度采用零维模型估算,NH3-N、TP浓度采用狄龙公式进行估算。

(8)

(9)

(10)

式中,RPijn为河流中的各污染物通量(kg)；TCn为牛栏江调水水质(mg/L)；RCn为污染物在河流中的达标水质浓度(mg/L)；RLj为河段的纵向距离(m)；RKn为河流中污染物综合衰减系数(1/d)；下标n代表污染物类型,本研究中选择COD、NH3-N、TP；RMCij为河流中COD浓度(mg/L)；V为湖泊水体体积(m3)；LKC为湖泊中COD的降解系数(1/月)；LCC为COD在湖泊中的达标水质浓度(mg/L)；Rk为污染物在湖泊中的滞留系数(1/月)；RMijk为河流中的污染物浓度(mg/L)；S为湖泊水面面积(m2)；h为湖泊平均深度(m)；LCk为污染物在湖泊中的达标水质浓度(mg/L)；下标k代表污染物NH3-N、TP；其他参数同上。

1.2.3模型参数估计

河、湖污染物综合衰减系数及滞留系数RKn、LKC和Rk参考《全国水环境容量核定技术指南》；滇池水深h、面积S及体积V参考《云南省滇池保护条例》；水质标准RCn、LCC、LCk及牛栏江水质TCn参考《云南省地表水水环境功能区划》确定；RPijn河流中污染物浓度数据和水量数据分别来自昆明市环境监测中心和云南省水文水资源局。

2 结果与讨论

2.1 河流和湖泊生态需水

根据滇池流域的1988—2015年气象水文资料,采用HBV流域模型模拟各条入湖河流的天然径流量。以牧羊河子流域1999—2007的实测流量数据进行模型校准,再用2008—2015年的数据进行模型验证。在流量过程线图中(图2),无论是校准期还是验证期,牧羊河子流域的模拟值和实测值对比,流量过程线基本一致,表明该模型可以较好的模拟出河流日径流过程。

从表1可以看出校准期和验证期模拟值和实测值之间的相关系数均在0.6以上,校准期纳什系数高达0.826,验证期纳什系数大于0.5,相对误差均在15%范围内,表明HBV模型在牧羊河子流域的模拟效果较好,用该模型对滇池流域其他子流域进行日径流量的模拟是可靠的。

图2 HBV模型在牧羊河子流域模拟流量Fig.2 Simulation discharge of HBV modeling in the Muyang sub-basinHBV: 半分布式水文模拟模型

表1 HBV模型在牧羊河子流域模拟效果

由式(1)计算滇池生态需水,由于天然湖泊较少有渗漏的观测[34],本研究忽略了渗漏需水部分,计算得到滇池年生态需水量约为1.3×108m3；由HBV流域模型模拟得到的各子流域的流量,用月保证率法分别计算各河流生态需水。滇池入湖河流的生态需水总量为4.68×108m3,其中盘龙江子流域年生态需水量最高,约为1.2×108m3,占整个流域总入湖量的25.8%(图3)。

滇池流域干雨季分明,且降水年内分布差异较大,导致整个滇池流域的生态需水年内变化较大(图3),盘龙江子流域8月份生态流量高达11.16m3/s,4月份生态流量为0.41m3/s,仅为8月份的3.7%。由于滇池流域降水空间分布不均,降水多集中在流域中部(滇池东北方向)[35],导致各子流域生态需水量差异较大,盘龙江子流域年生态需水量高达1.2×108m3,而六甲宝象河流域年生态需水量仅516×104m3。

图3 滇池及各子流域在90%保证率下生态需水量Fig.3 The environmental flow requirement of Lake Dianchi and each sub-catchment under 90% assurance rate

2.2 河湖生态系统生态用水

基于河湖生态系统生态用水优化模型,得到滇池流域河湖生态用水量(图4)。由图可知,河湖生态系统生态用水、河流生态需水和湖泊生态需水3者差异较大。从河流与湖泊生态需水关系看,不同月份两者相对大小呈现反转特征。1月到5月,河流生态需水低于湖泊生态需水,因此仅考虑河流最小生态需水量显然无法满足湖泊的水量平衡要求,此时流域内的生态需水主要考虑满足湖泊的生态需水要求。河湖生态系统的生态用水量远大于河流和湖泊最小生态需水量的简单加和。因此,仅计算河流或者湖泊的生态需水并不能反映流域内的实际生态需水要求,且要考虑到年内变化。

图4 滇池流域河、湖生态需水及河湖生态系统生态用水 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 污染控制与生态用水权衡关系

河湖生态用水的计算结果表明,将水质纳入考虑后,河湖生态用水量远大于河流与湖泊生态需水的简单算术加和。滇池流域旱雨季分明,污染物入湖贡献也呈现秋冬季高于春夏季的分布特征[36- 37],与滇池流域河湖生态系统生态用水年内分布(图4)基本一致,说明水质对生态用水具有较大影响。

随着污染物削减比例增加,滇池流域河湖生态系统生态用水量和调水量呈指数降低；河流生态用水量呈线性降低(图5)。说明水体污染对滇池流域河湖生态系统生态用水具有较大的影响,入湖污染物浓度越高,生态用水量也会随之增大,由此将会激化水环境保护与经济社会发展之间的矛盾,严重制约经济社会的可持续发展[38]；削减入河和入湖污染物能够加速滇池水环境恢复[23],减轻滇池流域的水资源压力。

图5 不同污染物削减比例下调水量与生态用水变化Fig.5 Changes in annual water transfer volume and eco-environmental water demand under different pollutant reduction ratios

由于滇池流域水环境污染严重,2003年昆明市提出向滇池补水的问题, 2007年最终确定了牛栏江—滇池补水方案。许多学者就牛栏江调水对滇池水质的影响问题也做了许多预测研究。马巍等学者的研究[39]表明滇池每年引水5×108m3,能显著改善滇池水质。蒲承松等学者的研究[40]则表明到2020年,要使得外海水质满足Ⅳ类水的要求,每年需调水6×108m3。经过多方论证,牛栏江—滇池引水工程自2013年建成投入使用以来,实际每年平均引水量为5.6×108m3。然而图5表明,在当前水质状况下,现行调水量并不能满足河湖生态用水量,每年需调水11.2×108m3才能满足河湖水质要求,远超过之前的预测调水量。

3 结论

基于优化模型对滇池流域河流和湖泊生态系统生态用水的优化分析,得到以下结论：

(1)河湖复合生态系统的生态用水,并非河流和湖泊生态需水的简单相加,需要综合考虑河流和湖泊之间的水量联系。本研究以滇池流域为例,基于河湖复合生态系统的水量联系构建了河湖复合生态系统生态用水优化模型,得到滇池流域年生态用水量约为19.5×108m3。

(2)在当前水质状况下,要使得流域内河流和湖泊都达到水质目标,每年需要引水约11.2×108m3,目前牛栏江年引水量5.6×108m3不能满足流域内河湖生态系统的生态用水要求。

(3)滇池流域水体污染对其生态用水影响较大,随着污染程度下降,滇池流域河湖复合生态系统生态用水量和调水量呈指数下降,河流生态用水量呈现线性下降。削减入河和入湖污染物能够加速滇池水环境恢复,减轻滇池流域的水资源压力。

河湖生态系统与人类社会活动联系紧密,为了流域内生态系统健康和稳定,有必要对河湖生态系统生态用水进行评估,以便流域内有限水资源的合理配置。河湖复合生态系统水文情势较单一生态系统复杂,其生态用水的影响因素也较多,生态用水机理和规律尚不十分清晰。