專利名稱：：一種生態(tài)環(huán)境需水閾值的計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于環(huán)境保護領(lǐng)域，涉及一種生態(tài)環(huán)境需水閾值的計算方法，尤其涉及一種基于生態(tài)系統(tǒng)健康等級法和恢復(fù)等級方案法的生態(tài)環(huán)境需水計算方法。
背景技術(shù)：
：生態(tài)環(huán)境需水是維持生態(tài)系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)和功能的重要基礎(chǔ)，也是水資源配置中必須要考慮的重要因素。目前，國內(nèi)外多集中在對河道生態(tài)環(huán)境需水的評估，如包括河道流量與魚類生息環(huán)境關(guān)系，河流流量、水生生物與溶解氧三者之間的關(guān)系，水生生物指示物與流量之間的關(guān)系等領(lǐng)域的評估其估算方法主要有基于水文學(xué)參數(shù)的7Q10法、Tennant法；基于水力學(xué)參數(shù)的R2CR0SS法、濕周法以及基于生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)的IFIM法、BBM法等。對于其他類型生態(tài)系統(tǒng)需水量的研究，如旱地植被、湖泊、濕地、河口、城市等雖有研究，但都是針對單一生態(tài)系統(tǒng)，沒有形成一套完整的需水量評估體系和計算方法，實踐中多以水資源管理部門對這些生態(tài)系統(tǒng)的配水量來確定其需水量。因此目前的生態(tài)環(huán)境需水的計算方法難以從生態(tài)系統(tǒng)自身對水分需求的角度確定其生態(tài)環(huán)境需水量，更缺乏考慮各類型生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)與相互作用，忽視生態(tài)系統(tǒng)的整體健康水平與水資源的關(guān)系。另外，現(xiàn)有的多數(shù)成果均為一確定量值，而非區(qū)間值。根據(jù)自組織理論，生態(tài)系統(tǒng)能夠承受一定范圍內(nèi)的水量變化，但如果水量的減少或增大超過系統(tǒng)的承受范圍，系統(tǒng)的自組織能力和自調(diào)整能力將喪失，鑒于這種閾值性的客觀存在，現(xiàn)有的研究成果并不能客觀地指示生態(tài)系統(tǒng)水分需求與其健康程度的關(guān)系。為了維護生態(tài)系統(tǒng)健康并指導(dǎo)水資源管理部門的生態(tài)水配置，有必要建立一種解決上述問題的生態(tài)環(huán)境需水的評估方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明將各類型生態(tài)系統(tǒng)作為相互作用的整體，包括河流、湖泊、濕地、旱地自然植被和城市自然系統(tǒng)在內(nèi)，在綜合分析的基礎(chǔ)上，提供一種基于生態(tài)系統(tǒng)健康等級法和恢復(fù)等級方案法的生態(tài)環(huán)境需水計算方法。本發(fā)明可通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)(1)等級劃分模式根據(jù)生態(tài)環(huán)境需水安全閾值理論，將生態(tài)環(huán)境需水劃分為最小、適宜和理想等不同等級，等級劃分方法如附圖所示，水量在最小和理想范圍內(nèi)是流域生態(tài)系統(tǒng)健康的保障，最小生態(tài)環(huán)境需水量是計算的重點。對于不同級別的生態(tài)環(huán)境需水，從水文學(xué)和生態(tài)學(xué)角度對其內(nèi)涵進行界定，具體如下最小生態(tài)環(huán)境需水量是指需水主體(河道、湖泊、濕地、河口、城市、林地及流域整體等)存在以便維持系統(tǒng)基本生態(tài)過程不出現(xiàn)生存危機(斷流、干涸、嚴(yán)重淤積)所需要的最小水量(流量)，低于這一水量，將發(fā)生系統(tǒng)的劣變。不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，由于其生態(tài)特征的差異，最小需水量的內(nèi)涵不盡相同。對河道系統(tǒng)而言，不同的河道形態(tài)對應(yīng)于一定的水文參數(shù)，最小需水量與河道水文特征和形態(tài)特征密切相關(guān)，河道水文特征是河道最小需水量的表征因素，河道形態(tài)則是河道最小需水量的影響因素。對河流而言，稱其為最小生態(tài)基流量；對于其它生態(tài)系統(tǒng)類型而言，稱為最小生態(tài)需水。適宜生態(tài)環(huán)境需水量是指需水主體(河道、湖泊、濕地和河口)保持其物理整合性(如棲息地整合性)、化學(xué)整合性和生物整合性所需的水量。整合性的判定需要考慮棲息地類型的完整性和適宜比例，化學(xué)組分及含量的適宜性，生物數(shù)量的完整性和物種多樣性。適宜生態(tài)需水更多的考慮生態(tài)系統(tǒng)對水的需求，不僅包括適宜的水量和一定的水質(zhì)，且包括一定的持續(xù)時間和合理的空間布局。對于河流而言，稱其為適宜生態(tài)基流量；對于湖泊而言，稱其為適宜水位；對于其它生態(tài)系統(tǒng)類型而言，稱為適宜生態(tài)需水量。理想生態(tài)環(huán)境需水量是指需水主體(河道、湖泊、濕地和河口)在保持生態(tài)整合性的基礎(chǔ)上，發(fā)揮期望的生態(tài)和環(huán)境功能所需要的水量，主要決定于所期望的生態(tài)目標(biāo)與生態(tài)環(huán)境功能類型。它從水資源狀況和配置能力出發(fā)，受調(diào)控因素的影響，確定期望的生態(tài)目標(biāo)和功能類型，據(jù)此確定理想的需水量。劃分方法如表l所示表l生態(tài)環(huán)境需水等級中各指標(biāo)的劃分方法<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>城市河湖水面占河湖面積百分比％4060-8080-100水深m0.81,2-1.61.6-2.0旱地植被林地植被占潛在蒸發(fā)量百分比mm6070-8080-100林地土壤需水占田間持水量百分比％4560-8080-100(2)生態(tài)環(huán)境需水計算模型從生態(tài)系統(tǒng)整體考慮生態(tài)環(huán)境需水計算模型的建立，其基本思路是生態(tài)環(huán)境需水是生態(tài)需水和環(huán)境需水的函數(shù)，艮P:關(guān)=尸(緣關(guān))(1)其中W)，M),W))(2)輛,瑪(3)式中，『￡(,)為生態(tài)環(huán)境需水；五cW為生態(tài)需水；五yv(/)為環(huán)境需水；AK0為植物需水；為生物棲息地需水；5</)為土壤需水；is(f)為河道基流；尸￡(0為補給地下水需水；iVW為凈化污染物需水；7K0為輸沙、入海需水。需要指出的是，生物棲息地需水與凈化污染物需水之間、河道基流與輸沙、入海需水之間均存在兼容與重復(fù)計算，對互相兼容部分需要最大化處理，B卩Max(7/Wa尸t^)),Max(^(0,W))。按照上述思路，建立生態(tài)環(huán)境需水量計算模型式中，J為研究蒸散系統(tǒng)的面積；五r為蒸散發(fā)；CC為田間持水量或飽和持水量面積；//s為土壤厚度；5為滲流剖面面積；《為滲透系數(shù)；/為水力坡度；r為計算時段長度；C為人均綠地面積；P為城市非農(nóng)業(yè)人口；^為單位綠地面積灌溉定額；f為水面面積百分比；^w為水深；3和0分別為點源污水和非點源污水的稀釋倍數(shù)，稀釋倍數(shù)的計算根據(jù)達標(biāo)排放濃度與他表水國家標(biāo)準(zhǔn)比值而定；a^為可容納、可承載點源污水排放量；gf為非點源污水進入濕地湖泊總量；w，？/和義分別為基流、輸沙、入海要求徑流的百分比；w采用Tennant法；？/采用經(jīng)驗法；義采用保證率法；i為多年平均徑流量。上述公式中，對于沼澤及湖泊、濕地而言，生態(tài)環(huán)境需水量的具體公式可表達為=力4(M+OS,./.r〗+土ma，A，(仏+0必)(5)i=l產(chǎn)l式中，W^為沼澤及湖泊濕地生態(tài)環(huán)境需水量；A為濕地或湖泊面積；五31為蒸散發(fā)；ot為田間持水量或飽和持水量百分比；/f,為土壤厚度；雙為滲流剖面面積；《為滲透系數(shù)；J為水力坡度；T為計算時段長度；《為水面面積百分比；4為濕地面積；/^為水深；。和《分別為點源污水和非點源污水的稀釋倍數(shù)，稀釋倍數(shù)的計算根據(jù)達標(biāo)排放濃度與地表水國家標(biāo)準(zhǔn)比值而定；2凈為可容納、可承載點源污水排放量；2力為非點源污水進入濕地湖泊總量；/=/=1表示所計算的第1塊濕地或湖泊；W和/z表示所計算的濕地或湖泊總數(shù)。對于城市河湖而言，具體表達如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，『c為城市河湖生態(tài)環(huán)境需水量；A為人均綠地面積；P,為城市非農(nóng)業(yè)人口；&為單位綠地面積灌溉定額；4濕地或湖泊面積；五7)為蒸散發(fā)；f為水面面積百分比；/^為水深；wm的確定采用Tennant法；/^為多年平均徑流量；/=/=附=1表示所計算的第1個城市；n,/z和/表示所計算的城市總數(shù)。對于河流而言，主要考慮河道內(nèi)流量問題，公式表達為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，W為河流生態(tài)環(huán)境需水量；w,7和義分別為基流、輸沙、入海要求徑流的百分比；及,為多年平均徑流量；/表示所計算的第/條河流；"為所計算的河流總數(shù)。對于林地而言，生態(tài)環(huán)境需水量表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，『/為林地生態(tài)環(huán)境需水量；A為林地面積；a為田間持水量或飽和持水量百分比；私為土壤厚度；￡7}為蒸散發(fā)量；Z'指所計算的第f塊林地；W為所計算的林地總數(shù)；7'表示月份。附圖為生態(tài)環(huán)境需水等級與流域生態(tài)系統(tǒng)健康關(guān)系示意圖。具體實施例方式本發(fā)明提供的生態(tài)需水計算方法，是一種生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，運用生態(tài)系統(tǒng)健康等級法和恢復(fù)等級方案法，通過考慮生態(tài)系統(tǒng)組分及其關(guān)聯(lián)性來計算系統(tǒng)水量需求的整體分析方法。本發(fā)明的優(yōu)越性在于其一，該方法以保持水生生態(tài)系統(tǒng)這一整體健康為目標(biāo)，而不單單是選擇某種要素，如魚類、植被等；其二，這種方法使河流流量自然變化的分配更清晰，包括季節(jié)變化和洪水流量；其三，該方法中特定生態(tài)系統(tǒng)組分的流量等需求信息獲取容易。本案例選擇北方地區(qū)極具代表性的某流域作為實例分析。河流生態(tài)系統(tǒng)主要為河道系統(tǒng)，在實例研究中指研究區(qū)內(nèi)的流域干流及其主要支流，湖泊水庫生態(tài)系統(tǒng)主要研究對象為以水面為主的湖泊和平原水庫；山丘區(qū)干流上的水庫被認為是河道需水的一部分；濕地主要為沼澤濕地，包括部分邊緣具有較大面積的平原水庫和湖泊旱地植被主要計算了林地系統(tǒng)，研究區(qū)草地系統(tǒng)主要分布在濱海區(qū)，因而在濕地系統(tǒng)中有所考慮，其他旱地植被不在計算之內(nèi)。城巿生態(tài)系統(tǒng)主要考慮市區(qū)的綠地和河湖，并考慮中等以上城市，其與旱地植被所計算的內(nèi)容有所重復(fù)，在計算中將相應(yīng)被扣除。采用本發(fā)明提供的生態(tài)環(huán)境需水量公式的計算結(jié)果為(1)基于生態(tài)功能的生態(tài)環(huán)境需水量及預(yù)測在保證生態(tài)需水優(yōu)先得到滿足的情況下，生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)功能才得以維持，其結(jié)果展示在表2中列出。研究區(qū)最小生態(tài)環(huán)境需水為0.65X1081113，占該區(qū)水資源總量的15.5%，適宜需水為1.51X108m3，占該區(qū)水資源總量的35.2%。表2基于生態(tài)功能的需水與短缺(06m3)項目生態(tài)用水-生態(tài)需水生態(tài)缺水預(yù)測生態(tài)需水最小適宜相對于最小需水相對于適宜需水2010年2030年2050年水量27.3965.40151.1040.81116.40104.85129.63177.17如果從降水資源概念出發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮生態(tài)功能的最小需水量包括蒸散量、棲息地、滲漏、河道基流等各類需水量及其整合。表3為研究區(qū)內(nèi)各流域單元考慮降雨資源情景下的生態(tài)需水與缺水狀況(缺水量l相對于最小需水而言，缺水量2相對于適宜需水而言)，并預(yù)測了規(guī)劃年的最小生態(tài)需水量。表3基于生態(tài)功能的生態(tài)環(huán)境需水與短缺(106m3)生態(tài)系統(tǒng)類型現(xiàn)狀用水最小需水適宜需水缺水量l缺水量22010年需水2030年需水2050年需水河流18.6057.30126.1038.70100.2093.80115.80160.00湖泊3.404.207.000.813.604.205.606.30濕地23.3027.5058,604.2035.3027.5033.3058.60城市14.5015.9024.501.9010.0017.9019.2019.50旱地18.4016.1022.802.105.3042.5062.9073.00小計78.20121.00239.0047.71154.40185.卯236.80317.40(2)基于生態(tài)與環(huán)境功能的需水量及預(yù)測在考慮生態(tài)系統(tǒng)自身存在和發(fā)展及維護生物多樣性所需水量的同時，兼顧發(fā)揮系統(tǒng)本身的環(huán)境功能，即改善和凈化環(huán)境等所需水量結(jié)果所體現(xiàn)的各類型需水量，包括棲息地、滲漏、河道基流、凈化稀釋、輸沙及入海需水量圖，扣除相兼容水量，其結(jié)果展示在表4中列出。最小需水為2.02Xl()Sm3，占該區(qū)水資源總量的30.5%，適宜需水為4.16X108m3，占該區(qū)水資源總量的61.0%。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在以降水為資源的背景下，考慮生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的同時，將環(huán)境功能考慮在總的生態(tài)環(huán)境需水量中，這將加大對水量的需求，各類型需水總和也增大。在該種情景下，生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀用水量、需水量、缺水量狀況如表5所示(這里缺水量l相對于最小需水而言，缺水量2相對于適宜需水而言)，同時列出了規(guī)劃年的最小生態(tài)環(huán)境需水量。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>通過上述兩種情景的計算可以看出，該方法將各類生態(tài)系統(tǒng)作為相互作用的整體，考慮系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性與生態(tài)需水的兼容性，并將生態(tài)系統(tǒng)的健康與恢復(fù)等級方案與生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求相關(guān)聯(lián)。所需資料易于獲取，并與各類規(guī)劃相一致，對我國水資源的綜合管理和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的目標(biāo)確定具有重要意義，是一種適合中國國情的生態(tài)需水的計算方法。權(quán)利要求1.一種生態(tài)環(huán)境需水閾值的計算方法，其步驟為1)確定生態(tài)環(huán)境需水的等級；2)根據(jù)1)中劃分的等級確定各指標(biāo)的劃分與取值范圍；3)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)組成和各需水主體的兼容性，建立的生態(tài)環(huán)境需水計算模型，計算不同生態(tài)環(huán)境需水等級的需水閾值。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種生態(tài)環(huán)境需水閾值評估方法，其生態(tài)環(huán)境需水劃分為最小、適宜和理想三個閾值，其中最小生態(tài)環(huán)境需水量是指需水主體存在以便維持系統(tǒng)基本生態(tài)過程不出現(xiàn)生存危機所需要的最小水量(流量)，低于這一水量，將發(fā)生系統(tǒng)的劣變，理想生態(tài)需水量受到調(diào)控因素的影響，它從水資源狀況和配置能力出發(fā)，確定期望的生態(tài)目標(biāo)和功能類型，據(jù)此確定理想的需水量，最小和理想兩個級別的需水閾值均為確定的數(shù)值，適宜級別指需水主體保持其物理整合性、化學(xué)整合性和生物整合性所需的水量，該級別為一區(qū)間。3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種生態(tài)環(huán)境需水閾值評估方法，針對河流、濕地與湖泊、城市、旱地植被等不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，界定了相應(yīng)的需水類別，選擇了適宜的指標(biāo)依據(jù)，如下表所示。生態(tài)環(huán)境需水等級中各指標(biāo)的劃分方法系統(tǒng)類型需水類別指標(biāo)依據(jù)最小適宜理想河道基流多年平均徑流量百分比％1020-4040-60河流輸沙、入海需水保證率％9575-5050-10魚類繁殖需水水深m1.52.0-2.52.5-3.0植物需水典型植被級別蒸散量mmIV900II1100-1300I1300-1500湖泊與濕地土壤需水生物棲息地持水量％水面百分比％水深m2512.50.435-4520-350.6-0.8545-5535-550.85-1.25補給地下水水面百分比％12.520-3535-55凈化污染物達標(biāo)水質(zhì)級別VIIIIII城市城市綠地人均綠地面積m21030-6060-90城市河湖水面占河湖面積百分比％水深m400.860-801.2-1.680-1001.6-2.0旱地植被林地植被占潛在蒸發(fā)量百分比mm6070-8080-100林地土壤需水占田間持水量百分比％4560-8080-1004.根據(jù)權(quán)利要求l、3所述的生態(tài)環(huán)境需水的計算方法為:式中，『￡為生態(tài)環(huán)境需水；^為研究蒸散系統(tǒng)的面積；五r為蒸散發(fā)；ct為田間持水量或飽和持水量面積；i^為土壤厚度；^為滲流剖面面積；《為滲透系數(shù)；/為水力坡度；r為計算時段長度；C為人均綠地面積；尸為城市非農(nóng)業(yè)人口；K為單位綠地面積灌溉定額；《為水面面積百分比；/^為水深；5和0分別為點源污水和非點源污水的稀釋倍數(shù)，稀釋倍數(shù)的計算根據(jù)達標(biāo)排放濃度與地表水國家標(biāo)準(zhǔn)比值而定；grf為可容納、可承載點源污水排放量；g/為非點源污水進入濕地湖泊總量；w，^和A分別為基流、輸沙、入海要求徑流的百分比；w采用Te皿ant法；？/采用經(jīng)驗法；義采用保證率法；i為多年平均徑流量。5.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的生態(tài)環(huán)境需水閾值評估方法，其特征在于互相兼容部分需要最大化處理，其中，污染物稀釋需水量與可容納的污水量取最大值；生態(tài)基流、輸沙、入海徑流三者取最大值。全文摘要本發(fā)明提供了一種生態(tài)環(huán)境需水閾值的計算方法，尤其涉及一種基于生態(tài)系統(tǒng)健康等級法和恢復(fù)等級方案法的生態(tài)環(huán)境需水計算方法。本發(fā)明將各類型生態(tài)系統(tǒng)作為相互作用的整體，包括河流、湖泊、濕地、旱地自然植被和城市自然系統(tǒng)在內(nèi)，根據(jù)生態(tài)環(huán)境需水安全閾值理論，將生態(tài)環(huán)境需水劃分為最小、適宜和理想等不同等級，并與生態(tài)系統(tǒng)健康水平相聯(lián)系，進而建立了生態(tài)環(huán)境需水量的整體估算模型。該方法緊密聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)與恢復(fù)等級方案，具有管理目標(biāo)明確、與相關(guān)規(guī)劃一致、系統(tǒng)性強、數(shù)據(jù)易獲取、簡單可行等優(yōu)點。文檔編號G06Q50/00GK101615285SQ200910162568公開日2009年12月30日申請日期2009年8月4日優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日發(fā)明者崔保山,薇楊,楊志峰申請人:北京師范大學(xué)