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王浩院士:基于二元视角的河湖生态环境复苏与生态流量保障路径

时间:2022-04-20 来源:《中国水利》
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2021年12月,水利部印发《水利部关于复苏河湖生态环境的指导意见(水资管〔2021〕393号)》,明确了复苏河湖生态环境的主要目标,系统部署了各项任务措施,其中保障河湖生态流量是六项重点任务之一。

由于河湖水体的流动性,生态流量保障在河湖生态环境复苏中发挥着基础性作用。本文以“自然-社会”二元水循环视角,对河湖生态环境复苏内涵与生态流量保障的作用进行了深入解析,分析了我国重点河湖生态流量保障现状与存在问题,从减小社会水循环干扰与增强自然水循环保障能力两个方面,提出了加强生态流量保障、促进河湖生态环境复苏的路径。

一、河湖生态环境复苏内涵与生态流量保障作用

造成河湖萎缩与生态环境退化的根本原因是社会水循环取水、排污、筑坝、修堤等各项扰动的幅度超过了自然水循环的自我调节和承受能力。2020年,全国取用水总量5812.9亿m3,占当年全国水资源总量的18.39%。虽然总体占比不高,但由于水资源本底条件和取用水量时空分布的不均,会在部分流域和区域对自然水循环造成巨大影响。

根据《2020中国生态环境状况公报》,当年全国共处理城市污水559.2亿m3,污水处理率97.08%,也意味着至少有16.3亿m3的城市生活污水未经处理就直接排放入河,而集中处理的城市污水,即使按照一级A标准排放,对于河流来说仍是巨大污染源;全国有工业废水治理设施69200套,处理能力17195万t/d,折合年工业废水排放量约628亿m3;2020年全国水稻、玉米、小麦三大粮食作物的化肥利用率为40.2%,农药利用率为40.6%,即有接近6成的全国化肥、农药施用量(2020年全国化肥产量5496万t、农药原药产量214.8万t)滞留土壤层,其中相当大一部分将伴随农田退水、坡面产汇流进入河湖水体;畜禽粪污综合利用率75.0%,此外还有大量的农村生活污水未经处理就直接排放。在取用水和污染物排放之外,全国9.8万座水库、1.6万座规模以上引水式水电站、9.7万座规模以上水闸对水流的连通性造成巨大影响;城市化、农业开垦和堤防建设对于河湖水域空间也造成大量挤占。

在此形势下,河湖生态环境复苏主要包含两方面内涵,一是河湖空间基底的保护恢复,也就是“盛水的盆”;二是空间基底之上水体或水生态系统的恢复,也就是“盆中的水”。其中,河湖空间基底恢复又可分为适宜水域空间面积和良好水域空间结构两个方面;水体恢复可分为充足水量和良好水质两个方面。

适宜水域空间面积指“盛水的盆”要足够大,能够有效容纳和蓄滞汛期洪水,化解 “人水争地”的矛盾。良好的水域空间结构指“盛水的盆”质量要高,包括“深潭-浅滩-滩地”结构要合理,以提供适宜的水陆交错带生境,缓冲和降解入河湖污染物;“天然-人工”与“保护-开发”比例要适宜,以预留充足的天然生境,保护自然水生态系统;水域纵向、横向和垂向连通性要高,以维系水循环的物质、能量、信息传递和生物迁徙功能。

对于“盆中的水”,也包括量和质两个方面。其中水量复苏包括河湖储水量的复苏与流水量的复苏。河湖储水量的复苏是一次性的,而流水量的复苏则需要长期保持。对于河湖萎缩严重的区域,短期内看重以水面面积为表征的储水量复苏,长期视野下,动态更新的流水量复苏更为关键。而流水量的复苏,也就是常说的生态流量,则又可以分为生态基流和敏感生态需水两大部分。需要指出的是,对于地表河湖来说,无论是储水量还是流水量的复苏,都要以地下水恢复至合理水位,形成良性的地表-地下水补给排泄关系为前提。而水质的复苏,一方面是尽量减小污染物的入河,维持良好水质;另一方面在部分水体,特别是梯级水电开发河段,需要重视梯级电站对生源要素层层拦截导致的河流“贫营养”问题,若水体过于贫瘠将导致河道水生生物食物链断裂,进而影响水生态系统质量和稳定性。

在河湖生态复苏各个维度内涵中,生态流量保障发挥着纽带作用,处于核心地位。一方面,湖泊湿地维持适宜的生态水位、河流间歇性发生漫滩洪水,有助于河湖水域空间的保护和维持,避免被人类社会经济活动所侵占,并能促进水域空间纵向、横向、垂向连通性的维持;另一方面,生态流量的保障能够有效增强水体流动性和纳污能力,对于维持适宜水质发挥着重要作用。总体而言,在众多任务中,生态流量保障是河湖生态环境复苏的重中之重。

二、我国重点河湖生态流量达标现状与存在问题

2020年,水利部分两批制定了全国166个重点河湖控制断面的生态流量目标。从目标实施首年的达标情况来看,主要存在如下特征和问题。

一是生态基流达标情况总体较好。2021年,126个确定生态基流或最小下泄流量目标的控制断面中,日均流量平均达标率为97.9%。其中日均流量全部达到生态基流或最小下泄流量目标的断面70个,占比55.6%;日均流量达标率达到95%以上的断面110个,占比87.3%;日均流量达标率达到90%以上的断面120个,占比95.2%。56个日均流量非100%达标的控制断面中,平均每个断面有17.5d不达标,主要集中在枯水期(12月—次年3月),占总不达标天数比例为45.1%;其次是平水期(4—5月、10—11月),占总不达标天数比例为33.2%;丰水期(6—9月)不达标天数占比为21.7%。

二是需要创新生态基流的年度达标评价方法。从上述达标情况可以看出,虽然生态基流总体达标情况较好,但全年日均流量均不低于基流目标的断面数量占比却仅有55.6%,若以此作为断面年度达标评价标准,显然过于严厉。考虑到水生态系统对于短时期内极低流量过程的耐受能力,建议在年度达标评价中将断面年内最长连续不达标天数作为重要指标之一,并考虑断面整体达标率、断流情况等因素进行综合评价。若以日均流量达标率达到95%、有基流目标时段不断流,且年内最长连续不达标天数≤7天作为断面年度“达标”评价标准,则2021年126个参评断面中有109个达标,总体达标率为86.5%。其中,松花江区、辽河区、黄河区、淮河区达标率达到100%;珠江区达标率最低,为57.7%。

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三是湖泊最低生态水位和断面基本生态水量均完全达标,但基本生态水量存在目标过低的情况。2021年,已确定最低生态水位目标的8个湖泊,旬均水位全部满足最低生态水位目标,且日均水位也均满足生态水位目标。已确定全年或分季节基本生态水量目标的19个控制断面,对应时期的断面径流量全部达标,且平均达标程度(实测值/目标值)达到1287%。究其原因,是因为大部分断面的基本生态水量目标是由对应时期的生态基流目标直接积分得到,而生态基流目标作为一种短历时的“底限”目标,是不宜长期将流量保持在其目标值附近的,否则也会造成河流生态系统的退化。需要进一步探索断面基本生态水量的合理制定方法,优化调整现有偏低的基本生态水量目标。

四是敏感生态需水保障情况不容乐观。突出表现在制定敏感生态需水目标的断面少、已定目标达标情况不佳等方面。在全部166个控制断面中,仅有5个断面制定了敏感生态需水目标,占比仅3%。在这5个断面中,东南诸河区的白塔、松溪断面制定了敏感期生态流量目标,2021年敏感期对应的达标天数比例分别为78%、100%;长江的宜昌断面、西江的桂粤和高要断面制定了敏感期脉冲流量目标,2021年在各自敏感期内均只发生了1次符合要求的脉冲过程,达标次数比例分别为33%、25%、25%。虽然珠江流域2021年遭遇极端枯水年份,超过了敏感生态需水75%的保证率要求,不要求敏感生态需水达标,但总体来看,全国重点河湖的敏感生态需水目标制定和调度保障工作仍需全面加强。

三、基于二元视角的河湖生态流量保障路径

生态流量不足是社会水循环对于自然水循环的干扰超出其承受能力导致,解决该问题的方法和路径也需基于二元水循环理论科学制定。总体而言,一方面需要减小社会水循环对于自然水循环过程的干扰,另一方面需要通过各种措施加强自然水循环自身的应对和保障能力。

1.减小社会水循环干扰

一是严格落实“四水四定”和节水优先方针。在经济社会发展布局中,要充分执行“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”原则,把水资源作为最大的刚性约束。同时也应看到,我国水资源总体分布格局与耕地、能源、矿产等生产要素不匹配。北方六个水资源一级区国土面积占64%,人口约占60%,耕地约占50%,而水资源量仅占19%;全国70%的煤炭资源集中在黄河上中游能源基地,而这一区域的水资源量却不足全国的3%;国家粮食安全保障主要立足于东北和黄淮海两大主产区,黄淮海流域水资源开发利用已超出承载能力,而东北地区农业与生态争水的问题也已开始显现。所以,在“四水四定”具体执行过程中,需要辩证应对和求解,而不是“一刀切”地盲目执行。对于其他生产要素富集而水资源短缺的地区,全面贯彻“节水优先”的方针政策,提高各行业用水效率,建设节水型社会就显得尤为重要,需要通过节水技术的不断创新,推动水资源紧缺地区主要行业用水效率和节水技术的迭代式发展。

二是加强取用水总量控制和江河水量分配。取用水总量控制是从行政区划角度进行用水总量控制,江河水量分配是从流域角度进行用耗水总量控制,二者有机结合,才能切实发挥好用水总量控制作用,将社会水循环通量和对自然水循环的影响限制在可接受范围内。目前,随着最严格水资源管理制度的实施,全国建立了省、市、县3级用水总量控制指标体系,促进全国用水总量增长态势趋缓,甚至部分年份实现“负增长”;水利部已批复全国60多条跨省江河的水量分配方案,各省级水行政主管部门也开展了大量跨地市河流的水量分配工作。今后需要进一步加强二者的融合,在各行政单元用水总量指标基础上,进一步明晰各分项水源的可开发利用总量,杜绝流域区域总体不超标但局部挤占、取用水总量不超标但分项水源超标的问题。

三是加强重点季节的农业-生态用水冲突协调。目前,农业用水仍然是我国的用水大户,而农田灌溉的用水季节比较集中,主要在4—6月份,这是造成北方河湖在这一时期生态流量不达标的主要成因。研究表明,近4年我国北方河湖生态基流不达标的主要成因为河道外取用水,其中取用水总量过高的贡献是36.6%,而取用水季节性冲突的贡献则达到41.4%。所以,在农田灌溉用水高峰期,要特别重视生产生活用水与生态环境用水矛盾的协调。应优先保障河流生态基流,剩余水量再进行合理分配,避免通过闸坝、渠道等方式将水全部截流引走。即使在水量紧缺,不可避免破坏河流生态基流的情况下,也应保障生态基流连续破坏时长不超过河流生态系统的耐受能力。对于特殊干旱年份造成的农业生产损失,可以通过引入干旱保险等方式予以弥补,而不能全部转嫁到生态系统。

四是全面开展地下水超采治理。在健康的地表水—地下水补给排泄关系中,河流生态基流主要由地下水予以调蓄和补充,若地下水水位过低,生态基流将无法得到保障。但随着经济社会发展,也呈现出一些新的态势。一方面,大量水库的修建增加了河道内生态基流的保障能力,在做好调度的前提下,能大幅度提高水库下游河道生态基流的保障能力和流量水平。如嫩江干流尼尔基水库2006年建成以后,将嫩江出口断面大赉站的基流水平从天然径流90%保证率的22m3/s提高到近10年最低实测流量40.7m3/s。另一方面,随着平原区大量地下基础设施的修建,地下水水位已不宜恢复到历史水平。如20世纪60年代初期华北平原山前平原浅层地下水埋深在1~3m,此后超采导致大面积地下水漏斗,漏斗中心区地下水埋深达到100m以上。在超采治理过程中,由于平原区城市大量地下基础设施的修建,加之耕地防盐碱化的需求,地下水水位已不适宜恢复到历史水平,较适宜的恢复埋深在20 m左右。但无论形势如何变化,对于现有的超采区,都需要尽快实现地下水的采补平衡,避免地下水水位持续下降,并结合丰水年份的自然补给和生态补水等措施,将地下水水位尽快恢复至适宜水位。

2.增强自然水循环应对和保障能力

一是加强江河源区水源涵养。通过水土保持、植被建设、封育保护等措施开展源区水源涵养,并不会直接增加地表径流总量,甚至会一定程度上减小径流总量。但其作用在于增加源区的径流调蓄能力,相当于建设一座巨大的“天然水库”,能极大增强河流在枯水年份、枯水期的径流保障能力,并对汛期洪水起到“削峰”作用,对于河流生态流量保持具有重要作用,是加强自然水循环自身调节能力的重要手段。同时,源区生态小流域的建设还将有助于减轻入河污染负荷,促进河流水质改善。

二是合理制定生态基流、最低生态水位、基本生态水量等目标,并在水资源配置和调度中予以优先满足。对于河流生态基流和基本生态水量、湖泊最低生态水位等“底限”目标,考虑到水文的周期性以及不同流域的差异性,更加适宜于利用Qp等保证率方法进行制定,以维护天然基流水平为主要目标。但对于上游已建设控制性工程的河段,要综合考虑现状调蓄能力和水平优化确定;对于径流严重衰竭、无法得到有效径流补充的河段,近期可以恢复基本生态水量为主,远期恢复生态基流。但基本生态水量目标不是基流目标的简单积分或加和,而应充分考虑水资源开发利用水平、径流量与生态系统之间的响应关系等因素综合确定。对于已制定的“底限”目标,需要明晰责任,加强监测预警和考核监督,确保在相应的保证率要求下达标。

三是开展关键保护物种和保护目标的水文水动力需求研究,并通过生态调度等手段予以精准满足。在“底限”要求得到满足的基础上,应针对不同区域重点保护物种和保护目标,开展鱼类不同生命阶段适宜水动力条件、湿地植被生长水分需求和漫滩过程、河流输沙用水、河口适宜盐度维持等需求的深入研究。建立相应的生态—水文响应关系,明晰敏感生态需水发生时期和时机、峰值流量、发生频次和总水量需求,并结合实际来水过程,通过水利水电工程的生态调度予以精准化满足。水利水电工程一般需要发挥防洪、发电、供水、航运等综合功能,要将生态调度纳入工程调度运行管理办法,在规划设计、建设施工和调度运行的全阶段予以规范化管理,明晰相关要求,并加强对于工程实际运行单位的监督考核。

四是开展生态流量保障成效的监测评估,促进目标体系的动态修正。对于已制定的生态流量目标,要加强按照目标保障后的成效评估。通过对目标实施后水生态系统质量和稳定性的连续监测,对当前目标的适应性进行评估,并根据评估结果对目标进行动态修正,促进生态流量目标和保障体系的不断完善。目前,水利部已分4批制定全国286个重点河湖控制断面的生态流量目标,但对于目标实施之后的成效尚缺乏深入的研究。2021年,水利部松辽水利委员会联合中国水利水电科学研究院开展了洮儿河生态流量保障成效评估,取得了初步成果。但生态流量保障后水生态系统的响应是一个长期的过程,此项工作需要持续开展,逐步积累相关数据,才能形成可靠的定量评估结果。

五是着力提升水流的连通性和流态的多样性,促进栖息地和水生生物的多样性。生态流量的保障只是为河湖生态系统的健康稳定提供了基础的水分条件,对于水生生物而言,更直接的需求是满足其生存繁衍需求的多样化生境和连续的洄游通道。因此,在生态流量保障之余,还需要特别重视水流连通性的改善和流态多样性的塑造。具体措施包括小水电的清理整改、水利工程过鱼设施的建设、河流蜿蜒地貌的保护恢复和断面形态的合理塑造,以及丁坝、生态浮岛等微生境的营造等。通过水流连通性的改善促进水生生物在不同栖息地、不同水域间的流通和基因交换,通过多样化的流态塑造多样化的栖息地,最终促进水生生物的多样性。

六是对于问题突出的重点河湖,通过外流域调水等手段予以解决。北方地区部分河湖湿地,由于社会经济用水长期挤占生态环境用水,且已形成较为稳定的经济社会发展格局,短时间内依靠自身水资源条件已无法扭转局势。此时需要借助南水北调等重大引调水工程,通过跨流域的水资源配置来保障河湖生态需水,恢复适宜生态流量,这也是国家水网工程建设的一个重要作用和目标。需要注意的是,在跨流域调水工程规划和调度运行中,要高度重视水源区合理生态需水的保障,避免调水导致的“生态灾难搬家”问题,确保水源区生态系统质量和稳定性不降级。




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