河流生态水文学研究进展

河流生态水文学研究进展

摘要:生态水文学是20世纪90年代兴起的一门新兴边缘学科,主要从流域尺度上研究水文与生态之间的相互关系,探索实现流域生态平衡与水资源可持续利用的新途径。通过对生态学与水文学相关关系的分析,提出了河流生态水文学的概念与内涵,综述了河流生态水文学的研究进展,着重介绍了水文与生态的相互关系、水利工程的生态效应、河流生态需水量,以及河流生态系统的恢复,并在此基础上,结合中国实际情况,指出了河流生态水文学的研究重点,提出了未来的研究方向。

关键词:生态水文学 河流生态系统 水文过程 生态修复

生态水文学是20世纪90年代兴起的一门研究生态过程和生态格局水文机制的边缘科学,于1992年在都柏林国际水与环境大会上作为一门独立的学科提出来,目的是寻求对水文因子与生态系统间结构与功能的理解,是水资源可持续管理的方法[1]。生态水文学源于湿地生态系统管理和恢复的研究,1996年Wassen[2]等第一次提出了生态水文学的定义,他们认为:生态水文学是为了更好地理解湿地生态系统自然发育以及评价湿地系统价值、保护和恢复的一门应用科学。2000年Zalewski[3]提出的定义受到了较为广泛的认同,他认为:生态水文学是在流域尺度上研究水文学与生物区功能上的相互作用,是水资源可持续管理的一种新方法。

目前,生态水文学的研究已得到迅速的发展和广泛的重视,成为热点问题。越来越多的研究人员将理论生态学应用于河流管理以便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的迁移规律的研究,以及河流廊道对生物种群结构和空间生态结构的影响方面的研究。由于人为干扰日益严重,河流生态系统退化已是全球性的生态环境问题,河流生态水文学研究被寄予厚望,成为生态水文学研究的中心问题。

1 河流生态水文学概念与内涵

河流生态系统指河流水体的生态系统,属流水生态系统的一种,是陆地与海洋联系的纽带,在生物圈的物质循环中起着主要作用,具有栖息地功能、过滤作用、屏蔽作用、通道作用以及源汇功能。河流生态水文学主要研究的是各种水生动植物的生态学特征以及河流水文水质变化与水生生物的关系。其内涵可归纳如下:(1)流域或区域水文循环过程中生态与水文相互作用与影响问题,研究生态过程如何影响流域或区域的水文循环过程,包括河道内水生生态系统对河流水文过程的作用;(2)流域水利工程措施如何作用和影响流域内的生态系统,即流域水文过程或水文情势变化对生态系统的影响;(3)生态水资源问题,研究流域内各种生态系统的水资源需求和水消耗规律[4]。

2 河流生态水文学研究方向与进展

2.1 水文与生态的相互作用

2.1.1 水流动态与水生生物的关系

水流是河流生境的主要决定因素,也是生物组成的决定因素。为满足水流环境的变化,动、植物种类必须不断改变它们的形态、繁衍传播方式以及生理条件来与之相适应。植物群落沿水流方向呈带状分布:上游断为藻类,中游段为大型植物,下游为藻类和浮游植物。另外,水流速率决定了浮游生物是否能够生长并且维持自身的发展。水流速度越慢,其中生长在岸边和底部的生物群落结构和外形就会越接近静水中的模式。

水生植物生长能降低水流流速,增强沉积,为无脊椎动物、鱼类和藻类提供生存环境。植物对水流影响主要有:(1)对水流流速分布的影响;(2)对水流紊动强度的影响;(3)对水流的行洪特性影响。

2.1.2 现状水文特征的生态效应

其影响主要体现在对生物的行为和生理的影响。(1)流量与频率变化对生物的影响,流量的频繁变化将加剧冲刷、使敏感物种灭绝和破坏生物生命循环,哈尔比等通过小型河道实验,表明大流量期间幼鳟鱼被冲至下游后,小流量期间还可游至原来位置,但是一些较小的鱼却不能游回原点。(2)来水时间的变化对生物的影响,季节性洪峰流量的

丧失可导致鱼类产卵、孵化和迁徙激发因素中断,使鱼类无法返回湿地或水域,另水生生物食物网结构改变,降低植被生长速度等。(3)来水时间对生物的影响,长时间的小流量将导致水生生物聚集、植被减少或消失,或植被多样性消失,植物生理胁迫使植物生长较慢,导致河道地形变化。淹没时间长短将会影响植被的覆盖类型,如长时间淹没,会使植被功能发生变化,对树木有致命影响,水生生物的浅滩生境丧失。

2.2 水利工程的生态效应

重点是大坝的生态效应,为了满足人类社会经济发展要求而修建的水利工程,其主要功能包括蓄水发电、防洪排涝、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航养殖等方面,其发挥作用的同时不可避免地对生态环境造成了巨大影响。

大坝对鱼类最直观的影响是阻断了其自由迁移的通道。严重影响了鱼类的生殖,尤其是对洄游性鱼类。国外投入了大量的人力、物力进行保护性研究,在重要的洄游通道上修建鱼道,挽救那些受到威胁的物种。大鳞大麻哈鱼作为哥伦比亚河流域重要的捕捞鱼类,自该流域修建大坝后,其成鱼和仔鱼难以洄游,失去了45%的栖息地,种类和数量都不断下降,成为该河流区域立法保护的濒危鱼类[5]。

大坝通过减少洪峰流量和增加枯水流量,减小河流径流变动幅度,造成多种河流鱼类生境的同一化。2007年,Poff等研究了美国186条建坝河流的水文变化,发现由于大坝的干扰,河流水文情势发生明显均

质化现象,鱼类生境显示出强烈的同一化趋势。河流水文情势可变性的降低对鱼类多样性的影响很大,流量的变动性降低导致河道复杂性下降,进而降低生境多样性。

2.3 河流生态需水量

2.3.1 生态需水量研究历程

国际上对生态水资源的研究主要集中在生态需水及其相关问题上,河流生态需水是生态需水的研究中心。20世纪40年代到60年代,美国、加拿大、澳大利亚、南非以及法国等国家提出了“河流最小环境流量”的概念。随后至20世纪90年代,Covich和Gleick提出基于生态建设用水的基本生态需水量的概念。2003年南非发展中国家流域水资源需求与利用报告中,认为流域环境需水量就是河流生态系统维持一定状态所需的河道内径流量。Baron等认为科学上虽明确了维护淡水生态系统对水资源需求及人类必须予以保障的理论阐述,但建立人类社会与生态系统之间水资源合理分配的理论体系还远远不足。

我国对生态需水量的研究虽然起步较晚,但发展较快,早在20世纪70年代,兰州水文地质与工程地质中心针对地下水盆地水量平衡中提出生态用水的水量消耗项。80年代后期,施雅风等提出生态用水问题,认为“为了保护各绿洲的生态环境,而生态环境的保护也离不开水,这部分水可统称为生态用水”。2007年,陈浩等利用Montana法计算了河道维护水生生境最小需水量和最适宜需水量。2008年,黄强等深入

探讨了河流生态用水的质与量综合评价,完善了河流生态用水质与量综合评价模型,并以此模型对黄河进行了适当分析。

2.3.2 河流生态需水量理论与量化方法

河流生态需水量是指满足维持河流系统特定的生态与环境功能(如输沙、防污、防止海水入侵、景观娱乐等)而消耗的水量,主要包括防止河道断流、湖库萎缩所需要的河道基流量;维持河流输沙平衡的最小流动水量;改善江河水环境质量的最小稀释净化水量;防止海水入侵所需的河口最小流量等。

国外河流生态需水量计算方法归纳起来有四种:(1)历史流量法,包括蒙大拿发、流量历史曲线法、产水常数法;(2)水力定额法包括湿周法、简化水尺分析法、R2CROSS 法、WSP水力模拟法等;(3)栖息地定额法,包括河道流量增加法(IFM)、有效宽度(UW)法、加权有效宽度(WUW)法、偏好面积法等;(4)整体分析法,包括BBM 法,澳大利亚的整体 …… 此处隐藏：3320字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……