基于关键物种繁殖的汉江中游生态需水量计算方法

基于关键物种繁殖的汉江中游生态需水量计算方法 基于关键物种繁殖的汉江中游生态需水量 计算方法 第6卷第3期 2008年6月 南水北调与水利科技 South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&Technology Vo1.6No.3 Jun2008 基于关键物种繁殖的汉江中游生态需水量计算方法 孙义,邵东国,顾文权 (武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072) 摘要:针对汉江中游的关键物种"四大家鱼"产卵量显着减少以致影响生态系统功能的问题,综合运用水文学,水力学 和生态学理论和方法,提出维持关键物种繁殖的生态需水量计算方法,主要包括确定关键物种,关键生态水文特征量 及利用实测断面资料和多年实测水文资料计算适宜生态需水量三部分.该方法应用于汉江中游三个水文站,得出能 满足"四大家鱼"繁殖需要的适宜生态需水量阈值,对南水北调中线工程实施后丹江口水库的合理调控与水资源科学 配置具有一定参考价值. 关键词:生态需水;汉江中游;四大家鱼;产卵 中图分类号:X171.1文献标识码:A文章编号:1672—1683(2008)03—0097—04 CalculationApproachofEcologicalWaterDemandBasedonBreeding ofCriticalSpeciesintheMiddleReachesofHanjiangRiver SUNYi,SHAODong-guo,GUWen-quan (StateKeyLaboratoryofWaterResources&Hydropo~erEngineeringScience,Wuhan University,Wuhan430072,China) Abstract:Consideringthereductionofeggamountofthecriticalspecies(fourdomesticcarps)inthemiddlereachesofHanjiangRiveranditsin— fluenceontheecosystem,anewmethodforintegratingthehydrology,hydraulicsandecologyisputforward,whichincludeschoosingcriticalspe— cies,crucialeco-hydrologicalvariablesandcalculatingthemediumecologicalwaterrequirementbycross-sectiondataandhistoricalhydrological dataattheriverstation.ByapplyingthistothreehydrologicalstationlocatedatthemiddlereachesofHanjiangRiver,wegotsatisfyingecological waterrequirementforspawningoffourmajorChinesecarps.Theresultshasacertainreferencevalueforproperwaterresourcesallocationandthe reasonablecontroloftheDanjiangkoureservoirinthemiddlereachesofHanjiangriverwhenSouth-to-NorthWaterTransferProjectisfinished. Keywords:ecologicalwaterdemand;themiddlereachesofHanjiangRiver;fourdomesticcarps;spawn l研究背景 半个多世纪以来,人类大量开发利用河流,在产生巨大防 洪,发电,灌溉,供水等社会经济效益同时,也带来了一系列生 态环境等问题.汉江中游鱼类资源丰富,是多种鱼类的盛产 地和栖息场所,也是中国"四大家鱼"天然产卵场的分布区之 一 . 我国古人就留下了"夏三月,川I泽不入网罩,以成鱼鳖之 长"的禁令.然而,随着南水北调中线工程的兴建和汉江中下 游的梯级开发,丹江口水库大坝的建成,使水文条件发生较大 变化,改变了汉江现有的生态环境,使汉江中游的鱼类资源受 到了破坏_l].特别是由于产漂流性卵"四大家鱼"亲鱼个体 大,繁殖周期长,需特殊的产卵场,其种群密度已严重下降. 汉江中游干流的5个"四大家鱼"产卵场(庙滩,宜城,关家山, 钟祥,马良),2004年5—8月与1976年相比减少了3个,干流 上王甫洲(航电枢纽)低坝以上和襄樊产卵场消失;中游干流 四大家鱼产卵量减少到0.933×10.粒,仅相当于1976年 13.9×10.粒的6.71_3],产卵规模显着缩小,严重影响了汉 江中游河流的生态系统结构的稳定性.因此,以保持生物群 落多样性,维持汉江中游河道生态系统生态平衡为目标,研究 汉江河道生态系统中生物生长,繁殖的生态需水,并提出合理 的计算方法,对解决水资源利用与生态保护的矛盾,保证生态 系统的良性发展既有理论价值,又有实践意义. 目前,国内外河流生态环境需水量计算方法很多,如水文 学法_4]根据月或Et的流量历史记录数据获取河流流量推荐 之以确定河流环境流量.但流量与水生态系统的关系很难准 确建立,一般用于设定河流的低流量,没有考虑到对高流量的 要求,参数的确定具有较大的经验性;水力学法l_6.]只需要进 行简单的现场测量,不需要详细的物种一生境关系数据,数据 收稿日期:2007一l1—19修回日期:2008—03—17 基金项目:国家重点基础研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目"973计划"资助项目(2003CB415206); 湖北省自然科学基金计划重大项目(2OO7ABDOO7);湖 北省水利重点科研项目(Hbshlki2oo7koo4) 作者简介:孙义(1984一),女,北京人,硕士研究生,主要从事水资源规划管理及水环 境的研究. 采蠢罄豌?97.一#n4a,aE《 第6卷总第36期?南水北调与水利科技?2008年第3期 容易获得,但体现不出季节变化因素,不能用于确定季节性河 流的流量.其中,刘昌明等[8一提出的生态水力半径法,即针对 某一过水断面,通过确定具有生态学意义的水力半径推求该 过水断面的流量作为满足河流一定生态功能的生态流量;生 境法"可提供考虑物种环境要素的水量,可获得指示物种整 个生命周期的流量要求,自然流量的建立不依赖还原数据,但 该方法昂贵,费时,多用于中小尺度河段;近来,刘苏峡等Elo] 还提出了一种基于生态保护对象生活习性和流量变异系数的 习变法,来估算河道生态需水;整体法Ll1]将河流生态需水量 分为基础流量,底质维持流量和维持生态所需的洪水流量,但 需要评价基础流量,自然年均流量和还原流量.对于汉江中 游而言,丹江口水库建成后,改变了汉江径流分配状况,削峰 补低,汛期流量变小,多年平均水位变幅明显减小l】,这对汉 江中游鱼类的繁殖产生了较大影响.考虑此问题,本文提出 了一种合理的维持关键物种繁殖的生态需水量计算方法. 2维持鱼类繁殖的生态需水量分析原理 2.1基本概念 2.1.1关键物种及其选择河道生态系统是气候,径流,河 床及生物组成的有机整体.这四部分在河道生态系统中发挥 着各自的作用,影响着生态系统的平衡与稳定.鱼类作为水 生态系统中的顶级群落,对其他类群的存在和丰度有着重要 作用,加之其对水流敏感,鱼类种群的稳定是水生态系统稳定 的标志,因此,鱼类可以作为水生态系统稳定的关键物种l】. 2.1.2关键生态水文特征量对河道而言,流速在一定程度 上反映了河道的地形地貌,水位,流量等综合作用.对于产漂 流性卵的鱼类,若没有适宜的流速,亲鱼就难以产卵,鱼苗更 难以漂流孵化.故将流速作为影响关键物种(鱼类)生长,繁 殖的关键生态水文特征量. 2.2基本方法 关键物种的长期存在对生态系统结构的稳定具有极重要 的作用.可以定义适宜生态需水量一"为保证关键物种进行 正常繁殖活动而长期存在所需的水量.因为生态系统作为一 个有机体,具有一定的自我调节功能.因此,维持生态系统稳 定所需的适宜生态需水量也并非在一个特定的点上,而是在 一 定范围内变化,变化的范围就构成了适宜生态需水量的阈 值区间]. 鉴于流速是鱼类繁殖(产卵)期的重要水文条件,以流速 为关键生态水文特征量,将产卵期鱼类对流速的特殊要求和 依据鱼类生活习性调查得出的关键物种的趋流性相结合,确 定产卵期的最大和最小适宜流速;利用河道实测水文资料(如 水位,流量)与河道断面资料之间的关系,得出流速与流量的 关系,从而较精确地确定出鱼类产卵期适宜生态需水量阈值. 3汉江中游生态需水量计算 3.1确定关键物种 "四大家鱼"作为汉江中游的重要经济鱼类,但近年来由 于水利工程,过度捕捞和水质污染等原因,产卵场逐渐萎缩, ? 98?水环境 其繁殖受到了更为严重的不利影响.将"四大家鱼"作为汉江 中游的关键物种. 3.2适宜流速的确定 产漂流性卵的"四大家鱼"产卵条件较高,如产卵场环境, 水温和涨水等因素.在天然条件下,"四大家鱼"的性腺在静 水中可以发育,但进入河流时性未成熟,必须溯河而上,在高 水平的能量代谢过程中才逐渐达到性成熟.除需适宜的水温 外,江水陡涨是促使家鱼产卵排精的主要外界条件,这主要是 流速加大,刺激亲鱼的结果.水流平均速度是"四大家鱼"产 卵和正常生存所需要的重要生态与水文因子,并影响水中溶 解氧等水质参数. 鱼类具有在水流中对流向和流速行为的反应特性,即趋 流性,并以感觉流速,喜爱流速和极限流速为指标(《高级水生 生物学》).感觉流速是指鱼类对流速可能产生反应的最小流 速值.喜爱流速是指鱼类所能适应的多种流速值中的最为适 宜的流速范围.极限流速是指鱼类所能适应的最大流速值. 各种鱼类的感觉流速大致相同,但极限流速差别很大.无论 是极限流速还是喜爱流速,都是随着体积的增大而提高l_】. 根据对汉江中游"四大家鱼"的体长调查[1617:和鱼类对水体 流速要求的阈值性,对"四大家鱼"的趋流性 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 见表1. 表1四大家鱼体长和趋流性 种类平均体m鬻鬻 鲢鱼27.5,47 草鱼21,98 青鱼17,110 鳙鱼15,78 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3,0,6 0.3,0.6 0.3,0,6 0.3,O.6 0.7 0.8 1 1 注:表中的体长数据部分来自《南水北调中线一期工程对汉江中下游 生态环境影响研究》,部分来自文献[17]. "四大家鱼"卵为半浮性,在水流流速低于0.3m/s开始 下沉,低于0.15m/s全部下沉.综合考虑"四大家鱼"产卵对 流速的要求和其对水流的生理习性,确定产卵期的适宜流速 最小为0.3m/s,最大为0.6m/s. 3.3"四大家鱼"产卵期适宜生态需水量计算 经搜集多方资料一",将汉江中游四大家鱼的生命史简 化绘制见表2,确定其产卵期为5,6,7,8月.然后计算汉江 中游襄阳,皇庄,沙洋三水文站"四大家鱼"产卵期(5,8月) 的适宜生态需水量. 表2汉江中游四大家鱼生命史 生命历史1月2月3月4月5月6月7月8月9月1O月11月12月 成鱼溯河,.:, 迁徙... 产卵++++ 卵的孵化,,,. 孵出.1_ 小鱼饲养++十+ 以襄阳站7月的适宜生态需水量计算为例,说明计算步 骤:已知]973—1997年各月逐日实测流量及相应水位(Q, 孙义等?基于关键物种繁殖的汉江中游生态需水量计算方法 z)和实测河道断面资料,为了求出水位与断面面积关系,将 某实测大断面根据水位分成若干级,见图1,每相邻两级水位 之差为0.5m.因为面积A为水深(或水位)及断面位置的函 数,故对于某一条水面线,水面线与断面相交于1点和N点, 图中0,2…N一1,N+1点为实测点,可用0点和2点的值内 插出1点的值,用N一1点和N+1点值内插出N点的值. 用1,2,3……N将断面分为A,A2,As……A,可计算出每 个小部分的面积A,累加各部分的值,可以得到在此水位z 下的A值.同理分别计算断面各级水位对应的A.而在具 体计算时,实际水位对应的A值则可由相邻两级水位相应A 值线性插值求得.由各月逐日实测Q,z关系和公式 —Q,A,求出襄阳7月的流速,流量关系,得出流速,流量 的拟和曲线,见图2. l2 lO 一 8 之 喜6 嘧 溪4 2 K 图1大断面分级计算示意图 流速"m) 图2襄阳水文站7月多年实测流速一流量图 按照建立的流速,流量关系曲线查取自一O.6m/s 和V~rni一O.3m/s对应的流量,即适宜生态需水量的上限 宜和下限Q适宜m.,确定该月适宜生态需水量阈值[832 In./s,1271m3/s]. 3.4计算结果分析 按照上述方法,分别计算襄阳,皇庄,沙洋三个水文站5 — 8月适宜生态需水量,结果见表3. 现在的生态需水理论还不成熟,国内外计算方法很多, 计算结果会有差异.Tennant法是美国目前使用的河道内 流量确定的方法,其河流流量推荐值以预先确定的年平均 流量的百分数为基础.该法通常作为在优先度不高的河段 研究河流流量推荐值使用,或作为其它方法的一种检验. 故文中还用Tennant法计算了同期的最小和适宜生态需 水量,见表3和图4.将两种方法的计算结果比较分析,并 以Tennant法作为检验方法.Tennant法的计算 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 采用表 4:鱼类产卵育幼期取多年平均月流量的3O作为河道内的 最小生态需水量,取多年平均月流量的4O作为河道内的 适宜生态需水量. 表4Tennant法对栖息地质量描述 栖鎏萎翟譬述最大曩极好好中耋萎极差栖息地的定性描述范围'好.最差' 从图4可见,用本文方法所得的最大适宜生态需水量除 个别水文站的个别月份,皆大于用Tennant法计算的适宜生 态需水量;皇庄和沙洋站最小适宜生态需水量略低于Ten— nant法计算的最小生态需水量,但鉴于本方法更符合当地的 河流生态与环境条件,比Tennant法更加客观,故可以将 Tennant法的人为设定标准适当放宽. 表3襄阳,皇庄,沙洋水文站计算结果汇总 Q适宜/(m.?s一)218486832896358350498626225256466545 多年平均流量百分比(%)2o37384324241825172o2o22 从图5可见,最大适宜生态需水量占多年平均径流百分 比的范围除皇庄7月是32以外均在4O以上.最大适宜 生态需水量占多年平均径流百分比与最小适宜生态需水量占 多年平均径流百分比的平均值基本在3O,4O,符合Ten, nant法鱼类产卵育幼期的需水量标准.图5还显示,最大和 最小适宜生态需水量占多年平均流量百分比呈从上游站到下 游站依次减小的规律_】,表明了大型河流的生态风险小于小 型河流_1. 分析表明,基于关键物种"四大家鱼"繁殖的生态需水量 计算结果是合理的,能基本满足河流生态系统中关键物种的 繁殖需要. 4结语 本文结合汉江关键物种生存繁殖特点,从维持河流生态 系统结构稳定与生物多样性出发,在综合考虑河道生态系统 关键物种繁殖,生理习性需求条件下,提出了一种水文学,水 '采纛戎一.. 第6卷总第36期?南水北调与水利科技?2008年第3期 力学与生态学相结合的河流生态需水量计算方法,取得了比 较合理的成果,对指导南水北调中线丹江121水库生态调控与 , 嘲 * 幄 增 -E 埘 * 褪 柏 襄阳 汉江中下游河流水资源综合管理,具有一定的理论与实际意 义. 皇庄沙洋 图3各站"四大家鱼"产卵期适宜生态需水量阈值 图5适宜需水量占多年平均流量的百分比 但也应该指出,本文所提方法计算工作量较大,所采用 的实测断面资料也要求具有一定的稳定性,而将物种产卵 所需要的适宜流速作为断面控制平均流速,存在较大的应 用难度. 参考文献: [1]周春生,梁秩椠,黄鹤年.兴修水利枢纽后汉江产漂流性卵鱼类 的繁殖生态[J].水生生物学集刊,1980,7(2):175—188. [2]余志堂,邓中群,许蕴,等.丹江口水利枢纽兴建后的汉江鱼类 资源[A].中国鱼类学会.鱼类学 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集(第一辑)Ec].北京:科 学出版社,1981.77—96. [3]李修峰,黄道明,谢文星,等.汉江中游江段四大家鱼产卵场调查 EJ].江苏农业科学,2006,(2):145—147. [4]TENNATDL,Instreamflowregimesforfish,wildlife,recrea tionandrelatedenvironmentalresources[J],Fisheries,1976.1 (4):6—10. r5]BONERMC.FURLANDIP.Sesonaltreatmentandvariable effluentqualitybasedonassimilativecapacity[J].JournalWater PollutionControlFiled,1982,54:1408—1416. [-62BARTSCHIDK.Ahabitat—dischargemethodofdeterminingin ? 100?水环境 8 月份 streamflowsforaquatichabitat[A].In:OrsbornJFandAll manCH(eds).ProceedingsofSymposiumandSpecilityCon— ferenceonInstreamFlowNeedsII.Bethes—da:AmericanFish eriesSociety[C].Maryland,1976.285—294. [72MOSELYMPTheeffectofchangingdischargeonchannal morphologyandinstreamusesandinabraideriver,OhauRiver, NewZealandLJ.WaterResourcesResearches,1982,18:800— 812. [82刘昌明,门宝辉,宋进喜.河道内生态需水量估算的生态水力半 径法__J].自然科学进展,2007,17(1):42—48. r9]STALNAKERCB,LAMBBL,HENRIKSENJ,B0VEEKD, BARTHOLOWJ.Theinstreamflowincrementalmethodology; aprimerforIFIM[R].NationalEcologyResearchCenter,Fort Collins:InternationalPublication,Colorado,1994,99. [102刘苏峡,夏军,莫兴国,等.基于生物习性和流量变化的南水 北调西线调水河道的生态需水估算[J].南水北调与水利科技, 2007,5(5):12—17. [?]King,J.^,LandLouw,D.Instreamflowassessmentsforregu— latedriversinSouthAfrica,usingtheBuildingBlockMethod— ology[J].AquaticEcosystemHeathandManagement,1998,1 (2):1O9—124. [12]关彩虹,胡炜,吴月芳,等.南水北调中线工程对汉江中游襄 阳段水文情势的影响__J].四川环境,2005,24(5):10—12. [13]徐志侠,王浩,董增川,等.河道与湖泊生态需水理论与实践 [M].北京:中国水利水电出版社,2006. [14]郑红星,刘昌明,丰华丽,等.生态需水的理论内涵探讨[J].水 科学进展,2004,15(5):626—633. [15]吉利娜.水力学方法估算河道内基本生态需水量研究[D].中 国陕西杨凌:西北农林科技大学,2006:29—58. [-16]李修峰,黄道明,谢文星,等.汉江中游鱼类资源现状[J].湖泊 科学,2005,17(4):366372. [-172刘绍平,陈大庆,段辛斌,等.长江中上游四大家鱼资源监测与 渔业管理EJ].长江流域资源与环境,2004,13(2):183—186. [18]孙涛,杨志峰.基于生态目标的河道生态环境需水量计算 [J].环境科学,2005,26(5):43—48. [-19]长江四大家鱼产卵场调查队.葛洲坝水利枢纽工程截流后长江 四大家鱼产卵场调查[J].水产,1982,6(4):267—305. 枷瑚枷瑚0 一一J,帮*涟询