淮河流域水质-水量-水生态联合调度

第1章 绪论 20世纪中期，随着全球经济发展和人口增长需求，人们开始在河流上大规模修建大型水利工程以抵御洪水威胁及满足日益增长的水资源、水能资源需求。闸坝运行改变了河流原有的物质场、能量场、化学场和生物场，直接影响生源要素在河流中的生物地球化学行为（生源要素输送通量、赋存形态、组成比例等），进而改变河流生态系统的物种组成、栖息地分布以及相应的生态功能。 淮河流域地跨河南、安徽、江苏、山东及湖北5省，流域面积27.466万km2，耕地面积约为1.9亿亩1亩≈666.67m2。，人口2.03亿人（2008年），人口密度每平方千米约615人，是全国平均人口密度的4.8倍，居各大流域人口密度之首。淮河流域干流总长度为1000km，地处我国南北气候过渡带，降水时空分布严重不均，自古以来是我国水患灾害高发区。近年来，极端暴雨、极端干旱事件更是频繁发生。经过60多年的治理，淮河水系修建大中小水库5700余座，其中大型水库36座，流域内还修建了各类水闸5000多座，其中大中型水闸约600座，成为我国水利设施密度*大的流域之一。同时，淮河流域是我国水污染比较严重的地区之一，流域内污染物入河量远远超出水域纳污能力，虽然经过水污染综合治理，水污染恶化的势头得到有效控制，但水污染形势仍然十分严峻，且成为制约流域经济社会持续发展的重要因素。 从监测的情况分析，2017年淮河流域203个城镇1965个入河排污口废污水入河排放量为79.56亿t，主要污染物化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）入河排放量分别为33.34万t和2.71万t。2017年5月，水利部印发了《全国水资源保护规划（2016—2030年）》，明确淮河流域2030年化学需氧量和氨氮入河限制排污总量分别为26.6万t和1.9万t。2017年淮河流域化学需氧量和氨氮入河排污量分别超标25%和43%。2017年全年评价河长20 874.3km，其中Ⅰ类水河长108.0km，占0.5%，Ⅱ类水河长3473.2km，占16.6%，Ⅲ类水河长8213.7km，占39.3%，Ⅳ类水河长5354.7km，占25.7%，Ⅴ类水河长1618.9km，占7.8%，劣Ⅴ类水河长2105.8km，占10.1%。2017年对全流域47条跨省河流51个省界断面开展了水质监测，全年无Ⅰ类水，水质达到Ⅱ类水的省界断面2个，达到Ⅲ类水的省界断面13个，Ⅳ类水的省界断面21个，Ⅴ类水的省界断面9个，劣Ⅴ类水的省界断面6个，2017年水质达标测次比例仅为43.8%。 总体来看，淮河流域水环境污染状况依然很严峻，多个断面的水质仍不能达标，广大农村地区的饮用水安全还未完全得到有效保障，导致沿岸地区的地方病发病率上升；农作物有毒有害成分部分超标，部分地区农业生产受到影响。 另外，淮河流域上水库和闸坝等水利设施众多，这些水利设施在防洪、灌溉、供水、排涝、环保、水产、航运和水力发电等方面发挥了十分重要的作用，保证了国民经济快速发展和社会稳定。然而，水利设施的修建也对水环境及水生态系统造成了一定影响，如闸坝在汛后蓄水，随着城镇工业废水和生活污水不断排入，水质不断恶化，河道内积聚的污染水体随洪水下泄，造成水污染事件。 淮河流域河湖径流季节性变化大，水资源开发利用程度高，河道内生态用水常被挤占，有水无流或河湖干涸萎缩的现象时有发生，流域内中小河流水生态系统破坏严重，河湖生态用水难以保障。2017年，对7条河流13个控制断面进行生态流量监测评价，淮河干流王家坝、蚌埠、小柳巷、洪汝河班台、沙颍河周口和界首、史河蒋家集-沂河临沂及沂河苏鲁省界（港上）9个断面生态流量日满足程度达标；涡河亳州、涡河蒙城断面生态流量日满足程度只有26.3%和43.8%，沭河大官庄、沭河苏鲁省界断面生态流量日满足程度不到20%。 高密度的人口分布与高污染产业结构不仅造成淮河流域水资源污染，同时由于对水资源需求的不断增长，已危害流域水生态系统，出现河道干涸、断流，湖泊湿地萎缩，生物多样性降低，水生生物数量和种类减少，流域水生态功能下降等。根据2008年对淮河干支流、南水北调输水线和重要湖泊水库进行的水生态状况调查评价专题研究结果显示，淮河干支流水生态状况在空间分布上有比较大的差异。在71个监测断面中，水生生物多样性*好的断面是汝河汝南，多样性*差的断面是南四湖独山岛；丰度*高的断面是淠河马头，丰度*低的断面是南四湖独山岛；均匀度指数*大的断面是运河台儿庄，均匀度指数*小的断面是南四湖独山岛;71个监测断面中，水生态系统稳定、脆弱和不稳定分别占9%、73%和18%。总体上讲，淮河流域水生态系统脆弱，河湖生态系统大多遭受到了不同程度的破坏，仅部分河段生态系统较好。 总之，淮河流域水环境和水生态已有较大的改善，但仍存在迫切需要提高的地方。例如，如何通过科学合理地调度闸坝，实现流域水系的连通，提高水体自净能力；如何科学合理地确定生态需水量，通过科学的调度，提高生态用水保证率等，均是当前国家新的治水方略和生态文明建设迫切需要研究的问题。 1.1 研究现状及发展趋势 1.1.1 河流生态流量 河流生态流量概念*先于20世纪40年代由美国鱼类及野生动植物管理局（United States Fish and Wildlife Service，USFWS）提出，认为河流生态流量是避免河流生态系统退化的河道*小流量。河流生态流量属于生态需水的范畴，虽然国内外学者对生态需水的概念做了大量的研究，但是由于其涉及内容的复杂性，概念尚不统一，现在还处于初步研究阶段。国外比较有代表性的生态需水的概念有：Covich（1989）提出的“需要提供一定质量和数量的水资源维持生态系统健康，并且所需提供的水资源量应同时考虑环境、生态、气候变化及人类活动”；Gleick（1998）提出的“为了*大程度保护生态系统的多样性和完整性，需要提供一定质量和数量的水资源给生态环境”。 归纳70多年来国内外的相关研究，生态需水研究大致经历了三个阶段：相关概念提出、生态流量定量分析、生态系统整体分析。 1.相关概念提出 20世纪40年代，随着水库的建设和水资源开发利用程度的提高，美国资源管理部门开始注意和关心渔场减少的问题。美国鱼类及野生动植物管理局对鱼类生长繁殖与河流流量关系进行了研究，并提出了Instream Flow Requirement的概念——避免河流生态系统退化的河道*小流量。之后，随着人们对景观旅游业和生物多样性保护的重视，又提出了景观河流流量和湿地环境用水以及海湾-三角洲出流的概念。这一时期，还没有明确形成河流生态需水的概念，但一些关于流量补偿的规定开始制定并实施（杨志峰等，2003）。 2.生态流量定量分析 20世纪50～60年代，出现了关于河流生态流量的定量研究和基于过程的研究。一些早期工作建立了流量和流速、大型无脊椎动物、大型水生植物的联系（Whelan and Wood，1962）。在此期间，河流生态学家将注意力集中在能量流、碳通量和大型无脊椎动物生活史方面。之后，国外学者对印度和孟加拉国的布拉马普特拉河流域（1960年）、巴基斯坦的印度河流域（1968年）和埃及的尼罗河流域（1972年）进行了重新评价与规划（崔瑛等，2010）。70～80年代，美国、澳大利亚、南非、法国和加拿大等国家针对河流生态系统，比较系统地开展了关于鱼类生长繁殖、产量与河流流量关系的研究，提出了一些计算和评价方法，取得了初步性研究成果。1976年，Tennant在完成美国西部地区河流流量与生物的关系研究后，提出了基于水文学的Tennant法，奠定了河流生态需水的理论基础。1982年，美国鱼类及野生动植物管理局提出河道内流量增加法，使得河道内流量分配方法逐渐与实践相结合（Bovee，1982）。此后，基于水力学与生境评价相结合的R2Cross法（Mosley，1982）、PHABSIM法（Bovee et al.，1998）等相继被提出。 3.生态系统整体分析 20世纪90年代以后，基于水资源和生态环境的相关性研究，生态需水量研究正式成为全球关注的焦点问题之一，河流生态需水概念被明确提出。研究对象也由过去仅关心物种（如鱼类和无脊椎动物等）及河道物理形态的研究，扩展到维持河道流量的研究，包括*小流量和*适宜流量，且考虑了河流生态系统的整体性，其研究方向也不再局限于河流生态系统，已扩展到河流外生态系统，但对其他生态系统的需水研究成果较少，仅仅是概念上的描述（丰华丽等，2003）。此时，陆续出现了一些新的研究方法，如BBM（building block methodology）、整体分析法以及基于河道流量与水生生物生境关系的模型模拟法等（Arthington et al.，1992；King and Louw，1998；Merz，2008）。 国内也有大量学者对生态需水进行了定义，比较有代表性的有：杨志峰等（2003）提出的“生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量，主要包括维护天然植被所需水量、水土保持及水土保持范围之外的林草植被建设所需水量以及保护水生生物所需水量”；夏军等（2003）认为“生态需水是指维系一定环境功能状况或目标（现状、恢复或发展）下客观需求的水资源量”。此外，严登华等（2007）、崔保山和杨志峰（2002）、王芳等（2002）也对生态需水的概念进行了定义与阐述。 20世纪80年代，针对河流断流、水污染严重等问题，国务院环境保护委员会在《关于防治水污染技术政策的规定》中指出，要保证在枯水期为改善水质所需要的环境用水。但是，当时的研究主要集中在宏观战略方面，对如何实施、管理仍处于探索阶段。这一时期，针对中国北方流域出现的水资源短缺现象，研究者在探讨生态需水概念的同时，对河流、植被、湿地、湖泊等生态系统的生态需水量展开了大量研究，并相继提出一些理论。20世纪80年代末期，在分析新疆塔里木盆地水资源与绿洲建设问题时，有学者提出了生态用水问题；在进行全国水资源利用前景分析时，应考虑干旱区绿洲的生态用水，估算的外流河河道内生态需水量为水资源总量的40%；根据流域水资源开发利用与生态需水的关系，提出了生态水利的“四大平衡”（水热平衡、水盐平衡、水沙平衡、水量平衡）原理，并探讨了“三生”（生活、生产与生态）用水之间的共享性（刘昌明，1999）。 20世纪90年代，西北内陆地区生态环境恶化，生态问题突出，因此开始了对西北干旱、半干旱区生态需水的研究。“九五”期间，国家科技攻关计划项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”对干旱区生态需水进行了系统研究，提出了针对干旱区特点的生态需水计算方法，并于2003年出版了该项目的系列专著，由此揭开了我国生态需水研究的序幕。之后，黄淮海平原区河道断流、河道淤积、地下水大面积超采、河流入海口淤积、海水入侵、河流污染等问题引起了人们的关注，开始了黄淮海平原地区河流湖泊生态需水的研究（钱正英和张兴斗，2000）。 进入21世纪以来，国内河流生态需水研究不断成熟，“十五”国家科技攻关计划课题“中国分区域生态用水标准研究”构建了生态用水标准基数分析体系，提出了北方半湿润半干旱地区四大流域生态需水特征值以及不同发展阶段的生态用水控制指标。基于遥感（remote sensing，RS）和地理信息系统（geographic information system，GIS）技术，结合水资源计算理论和植被生态理论研究了区域生态需水量。杨志峰等（2003）对生态需水进行了较为系统的分析，从概念界定等理论出发，探讨了各种生态系统的生态需水计算和等级划分方法。同时，一些学者在生态需水量模型方面进行了深入研究（刘静玲等，2005;李凤清等，2008），构建了河流生态流量计算模型，以及我国**个基于长序列野外现场实测数据的水生生物栖息地适合度模型。