北京師范大學環境學院濕地生態需水EcologicalWaterRequirementsforWetlands一、基本認識Waterleftinorreleasedintoariversystem,oftenformanagingsomeaspectofitsconditionsEndangeredspeciesprotectionHealthyecosystemSedimenttransportCommercialfisheriesyieldFreshwaterinflowstobaysandestuaries Wasteassimilation EcologicalwaterdefinitionFlowstosustainorrestoretheecologicalfunctions(goodsandservices)ofariverFishandwildlife:habitat,migration,reproduction,biodiversityRecreationNavigationHydropowerWasteassimilationWatersupplyFoodsupplyFloodanddroughtmitigationNutrientdeliveryCoastalsalinityregulation Ecologicalwaterrequirements生態用水生態耗水生態需水環境需水環境流量生態系統需水生態系統配水生態環境需水生態需水是達到某種生態水平或者維持某種生態系統平衡所需要的水量，或是發揮期望的生態功能所需要的水量，水量配置是合理可持續的。生態用水是某種生態水平下和某種生態系統平衡下所使用的水量，未必是合理和可持續的水量。生態用水可能多于生態需水，也可能少于生態需水。生態耗水主要強調了生態系統特別是生物（植物、動物、微生物）生存消耗掉的水量，如蒸散量，需要通過水循環或徑流等途徑及時補給，體現了周期性和重復補給的特點。而生態用水則主要體現在現狀環境條件下生態系統被動接受的水量，應該大于或等于生態耗水量。生態需水與環境需水兩者之間存在著交叉和重合的部分，但從概念上來講是兩個不同的概念，應該區別對待。生態需水主要側重在生物維持其自身發展及保護生物多樣性方面，環境需水則主要體現在環境維持與改善方面。生態耗水<生態用水>=<生態需水生態環境需水=環境流量=生態系統需水生態系統配水<=生態系統需水環境需水<環境流量Question:manageecologicalwaterfor…?waterallocation20thcentury21stcenturywhatisthissustainableboundary?Ecosystemsupportallocation(PostelandRichter,2003)空間差異性時間差異性等級閾值性需水兼容性量質統一性植被蒸散植被蒸散植被蒸散水面蒸發水面蒸發下滲河道基流換水需水土壤含水制造有機物需水湖泊濕地存在需水降雨生態需水組成結構濕地存在水基本特征生態環境系統不能脫離一定的區域范圍而存在，具有顯著的區域空間性。而水資源的分布又具有立體空間性，水資源在立體空間上擁有不同的存在形式，例如大氣水、地表水、土壤水和地下水。空間性生態系統隨著時間而發展、演替；從長時間來看有生態系統的進化；中時間來看有生態系統的演替；短時間來看有年度、季度和晝夜變化，不同時間段具有不同的水需求；生態環境需水的時間性還表現為水資源循環系統的時間變化性。時間性閾值性對于任一生態系統，其生態環境需水都存在一個上下限，如果可供利用的水資源過少，那么將不能滿足生物基本生長或存活的需要，生態系統將退化或死亡；如果可供利用的水資源過多，也必將影響生態系統的健康；在最小和最大臨界范圍內是生態系統健康的保障，研究生態系統需水量也多在此范圍內進行界定.生態環境系統一方面是由不同的生態系統類型組成；另一方面生態系統本身具有不同的組成結構和功能特性，水則是其中重要的限制因子；因此生態環境需水量各類型之間是相互聯系、相互制約的，在計算和評價各類型時，需要考慮他們之間的相互兼容性。兼容性一般而言，生態環境水包括了用于生態環境維持、建設和改善的各類型地表水、地下水和土壤水；從降水資源概念出發，生態環境水包括的內容更廣一些，除上述提到的類型水外還包括了蒸散發等。多樣性濕地植物需水量——濕地植物的蒸騰耗水、棵間水面或土壤的蒸發耗水、植物含水濕地土壤需水量——土壤持水量濕地動物需水量——動物生態習性、生理活動需水量野生生物棲息地需水量——野生動物棲息、繁衍、遷徙等，維持生物多樣性需水量生態地質過程需水量——濕地自身發育持續發展需水量調節河川徑流需水量——同時包括均化洪水需水量補水需水量——補給地下水或向其他濕地補水防止鹽水入侵需水量——控制地表鹽化、避免海水從地下侵入防止岸線侵蝕需水量——防止河岸、湖岸和海岸侵蝕凈化污染物需水量——吸收、固定、轉化和降低有毒物、污染物和懸浮物調節氣候需水量——誘發降水、提高濕度、調節氣溫休閑/旅游需水量——休閑娛樂、旅游攝影等20世紀40年代美國魚類和野生動物保護協會最早提出了河道內流量，1971年出臺正式的河道內流量法規。20世紀60年代以來，美國、英國、澳大利亞等國家相繼開展了魚類洄游繁殖和產量與河流流量關系的研究，并提出最小可接受流量（MAFs）的概念。20世紀90年代，以人類需求為中心的水資源管理觀念發生改變,生態需水研究已經成為了關注熱點。目前，美國有46個州已應用了河道內流量管理技術，其中11個州是以法規、條例形式加以規定。1990年代，我國北方地區日益嚴峻的水資源、水環境與水生態問題，迫使生態需水開始成為研究的熱點。二、關鍵問題及方法河道生態環境需水已形成一套較完善的方法1河道內流量增量法（IFIM）[InstreamFlowIncreamentalMethodology]2蒙大拿法[MontanaMathod或TennantMethod]3流量變化曲線分析法（FDCA）[FlowDurationCurveAnalysis]4棲息地-流量法（HDM）[Habitat-DischargeMethods]5整體生態系統分析法（HEA）（HolisticEcosystemApproach）6分區法（BBM）[BuildingBlockMethods]

對其它生態系統需水量的研究不如上述完善，但對這些生態系統的水分配已經體現在許多國家的水資源規劃中。二、關鍵問題及方法60多年的研究歷史多條河道內或河流系統70多個國家和地區提出了200多種方法沒有1個方法具有普適性發達國家比較先進發展中國家已進入角色二、關鍵問題及方法生態需水研究的最關鍵問題方法學的選擇不確定性+遇到諸多問題二、關鍵問題及方法河流的開發與生物多樣性保護的矛盾水電大壩建設與河流生態整合性的矛盾河流自身用水和其他用戶用水需求的矛盾流量的變率、幅度、頻率、持續時間決定著持續的生物多樣性和生態整合性二、關鍵問題及方法服務過程結構功能系統結構水文過程河道的生態需水生態效應水溫水質、系統類型等組分結構水電工程區域生態系統二、關鍵問題及方法世界大約60％的河流由于水文過程改變而片斷化。調查的106個主要流域中46％的至少有1個大壩。而在亞洲，50％的流域中不止1個大壩。調查的北美、歐洲和前蘇聯國家和地區，139條最大的河流中，77％流量受制于改變的河流。全球227條大河中，37％受到強烈影響，23％受到中等程度影響，其余的40％基本沒有受到影響。二、關鍵問題及方法目前國外的方法___________集中在以河流為主線的生態需水研究二、關鍵問題及方法水文學方法二、關鍵問題及方法Tennant法Tennant法是非現場測定類型的標準設定法。河流流量推薦值以預先確定的年平均流量的百分數為基礎。該法不需要現場測量。在有水文站點的河流，年平均流量的估算可以從歷史資料獲得。在沒有水文站點的河流，可通過可以接受的水文技術來獲得。流量描述推薦的基流（10～3月）（平均流量百分比%）推薦的基流（4～9月）（平均流量百分比%）最大200200最佳范圍60～10060～100極好4060非常好3050好2040中或差1030差或最小1010極差0～100～10Tennant法是為保護美國中西部健康的河流環境所需要的最小流量而提出的一種方法。平均流量的不同百分率定義了不同目標種生命階段的功能，如10％是最小流量，而30％是適宜流量。水力學方法二、關鍵問題及方法河道濕周法依據:保護好臨界區域的水生物棲息地的濕周，也將對非臨界區域的棲息地提供足夠的保護；該方法利用濕周作為棲息地的質量指標來估算期望的河道內流量值。該法需要確定濕周與流量之間的關系；這種關系可從多個河道斷面的幾何尺寸-流量關系實測數據經驗推求;或從單一河道斷面的一組幾何尺寸-流量數據中計算得出;濕周法河道內流量推薦值是依據濕周—流量關系圖中影響點的位置而確定。R2CROSS法該方法適用于一般淺灘式的河流棲息地類型。該種方法的河流流量推薦值是基于這樣的假設，即淺灘是最臨界的河流棲息地類型，而保護淺灘棲息地也將保護其他的水生棲息地，如水塘和水道。確定了平均深度、平均流速以及濕周長百分數作為魚類棲息地指數，平均深度與濕周長百分數標準分別是河流頂寬和河床總長與濕周長之比的函數。河流頂寬（ft）平均水深（ft）濕周率（%）平均流速（ft/s）1～200.2501.021～400.2～0.4501.041～600.4～0.650～601.061～1000.6～1.0≥701.0Basque法屬原創性方法，該方法考慮了未受污染的上游地區無脊椎動物多樣性的保護問題，對受污染的下游地區采用了水力方法。這種生物方法的理論基礎是河流連續統理論，也就是河流上中游的物種多樣性隨著流量的增加而增加原理。生物－水力分析方法棲息地模擬方法二、關鍵問題及方法河道內流量增加法（IFIM）IFIM(InstreamFlowIncrementalMethodology)法是應用比較廣泛的計算生態環境需水量的方法。IFIM根據現場數據如水深、河流基質類型、流速等，采用PHABSIM(physicalHabitatSimulation)模型模擬流速變化和棲息地類型的關系，通過水力學數據和生物學信息的結合，決定適合于一定流量的主要的水生生物及棲息地。Orth和Maughan

認為由于IFIM法所需要的定量化的生物資料的缺乏，使這種方法的應用受到一定的限制。King和Tharme

指出，傳統的IFIM法將其重點放在一些河流生物物種的保護，而沒有考慮諸如河流規劃以及包括河流兩岸在內的整個河流生態系統，由此計算出的推薦的流量范圍值，并不符合整個河流的管理要求。CASIMIR法CASIMIR(ComputerAidedSimulationModelforInstreamFlowRequirementsindivertedstream)法，基于現場數據－流量在空間和時間上的變化，建立水力學模型、流量變化、被選定的生物類型之間的關系，估算主要水生生物的數量、規模，并可模擬水電站的經濟損失。整體分析方法趨勢發展？二、關鍵問題及方法二、關鍵問題及方法決定方法選擇的因素空間尺度的差異（國家、地區、流域、區域）評價的時間（時間段、點，時間周期）數據的獲取（數據系列性，獲取的難易）技術能力（遙感信息，處理能力、監測技術）資金（技術投入，科研投入，人力投入）二、關鍵問題及方法快速評價法快速評價法大多數是基于河流或渠道流量（如單位時間的水量）間的經驗關系以及相聯系的水生態系統的結構和功能而建立的。蒙大拿法（MontanaMethod，或Tennantmethods）持續流量曲線分析法（Flowdurationcurveanalysis）綜合法生態學家按照棲息地的范圍、分布和特點提供了推薦值，以維持和保護特定的生態功能和關鍵物種，然后在水文學家的幫助下，決定提供給這些棲息地必要的量級、頻率和流量的持續時間。建立分區法（BBM）專家小組評價法（EPAM）河道內流量增量法（IFIM）物理棲息地模擬模型（PHABSIM）棲息地排水法（HDM）水文學方法首先包括對生態系統的描述，然后是歷史前擾動水量的恢復。并假定生物是適應于前擾動的水量并且水量的恢復將使系統變為健康的生態系統。目前，水文學方法研究需水主要關注在最小流量的保持。水文學方法的有利方面包括低成本、不考慮生物的細節信息。不利方面是缺乏對目前生態價值的直接關注。生態學方法，包括現存或期望生物對水量的需求和分配。也包括對歷史水量數據的檢驗，但不同于水文學方法，主要是基于生態管理的目標。生態學方法的有利方面是直接針對目前系統的生態價值和現存問題，如水禽利用水狀況，瀕危物種或種群的現狀，侵入物種的表現等等。不利方面是缺乏物種需求信息，另外，現有的相關數據不能滿足需水量計算的需要。濕地生態需水研究針對河流、湖沼及河口等不同類型河流濕地:水體流動特性，要求流速、流量等目標；湖沼濕地:為生物相對穩定的大面積棲息地，要求水面面積、水深等目標；

河口:淡鹽水混合特性，要求鹽度、泥沙、營養物平衡目標；城市河湖:人為因素影響顯著，要求水深、景觀目標。研究已取得一定的成果……二、關鍵問題及方法機理配置調度模型橫向水文梯度縱向水文過程垂向水文過程個體與生境水質與水量整合地下水內部需水配置三生用水配置系統網絡配置水利工程調度需水短缺風險虛擬水戰略為什么需水?需要多少水?保障多少水?如何保障水?縱向橫向濕地生態需水蒸散發規律→水域與植被格局→密度約束→關鍵閾值確定水位波動→最小水位→水位波動范圍閾值確定地下水位深→水位深閾值→地下水位下限河道流量→棲息地變化→水文情勢→關鍵閾值淡水沼澤蘆葦鹽化草甸蘆葦將蘆葦的適宜生態水位（地下水位深）由(-0.3m,0.5m)進行了拓展(-2.0m,0.5m)檉柳向陸向海外邊界的檉柳、翅堿蓬競爭與脅迫制約著蘆葦翅堿蓬蘆葦濕地保護邊界根據土壤水鹽平衡及對蘆葦蒸騰耗水的影響，地下水埋深在-1.0～-1.5m之間達水量平衡，而鹽分在地下水埋深-2～-3.0m時基本平衡。低水位深高鹽土壤深水位深高鹽土壤深水位深低鹽土壤水淹低鹽土壤不同樣區的水位深和土壤鹽度不同樣區檉柳的生態特征土壤水鹽與地下水對檉柳的影響檉柳植被高度、莖粗隨地下水位的下降急劇減少，并有很強的相關關系；隨著土壤鹽分的升高，檉柳個體各指標受抑制作用明顯；當地下水位埋深（水位）在-1.5m～0、鹽度在10-60g/kg時，是檉柳生長的生態閾值。株高莖粗冠幅水位深鹽度地下水位深在0～

-1.5m易形成蘆葦和檉柳的混生區土壤水鹽與地下水對檉柳的影響翅堿蓬對水位深的最適值為-0.40m，最適生態閾值區間為(-0.70m,-0.20m)。翅堿蓬的響應閾值地下水位深在-0.70m～-0.20m)易形成翅堿蓬和檉柳的混生區垂向水位波動也是生態需水動力過程的關鍵淺水蘆葦區蘆葦對水深的適應春季夏季秋季不同季節蓋度/高度最適水深蓋度高度不同季節水深梯度下蘆葦群落的生態適應不同季節水深梯度下蘆葦群落的生態適應旱地蘆葦區蘆葦對水深的適應春季夏季秋季不同季節蓋度/高度最適水深蓋度高度春季夏季秋-冬季春季夏季秋-冬季研究區總面積模擬水位j下生境i的面積百分比模擬水位j下生境i的平均水深功能整合性計算沼澤濕地系統棲息地-水位響應的生態需水沼澤濕地系統棲息地-水位響應的生態需水基于蘆葦蓋度、高度響應的偏好水深范圍內面積百分比w研究區春、夏、秋-冬季適宜生態補水量水位模擬及適宜生態需水計算——調（泄）水量春季夏季秋-冬季春季：夏季：秋-冬季：W儲：對白洋淀50年水位時間序列進行小波多尺度變換分析，對水文狀況進行了分類。序列分析與干濕季劃分1954-1963(階段A),1973-1980(B),1990-1997(C)為正實數，水位達到較大值，為白洋淀的豐水期;1951-1953(階段A)，1964-1972(B)，1981-1989?，1998-2005(近階段)為枯水期。結合生態特征進行水文狀況分類不同水平年年最小生態水位不同時間尺度上濕地水位波動的自然特征根據年最小水位與多年平均水位關系提出生態水位系數α，作為確定濕地月最小生態水位的比例標準，計算年內水位波動的平均值及標準差Sl，提出年最小水位波動范圍。濕地適宜水文波動范圍考慮了水位序列里隱含的不同時間尺度及細微波動，改進了傳統的湖泊最小水位百分比方法。五萬畝十萬畝黃河三角洲濕地生態補水恢復濕地生態系統功能水禽提供適宜生境白洋淀濕地生態補水塔里木河生態輸水生態生活生產三生水配置動力機制模擬模型河-湖-沼濕地內部配置濕地系統網絡生態需水》生態補水？低流量季節防止斷流，滿足最小生態需水量，確定需水河段的優先級別，使全流域濕地生態需水量得到最大程度的滿足為了最大限度保留洪水資源，以供旱季需水，通過增設滯洪濕地，構建濕地水系網絡，將洪水引入滯洪濕地和水庫內高