沈煥庭河口生態(tài)需水量計算

沈煥庭河口生態(tài)需水量計算

1河口生態(tài)需水量受海洋徑流減少和河口打開的影響，河流進(jìn)入大海的動態(tài)條件發(fā)生了變化。河口基本上受潮汐水流的控制，但海洋盆地的所有河口都存在嚴(yán)重的沉積物。入海淡水水量減少,加上日益嚴(yán)重的污染以及過度捕撈,河口區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到根本性破壞。河口生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)成為濱海地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展亟待解決的重大問題。生態(tài)環(huán)境用水的短缺是除開發(fā)利用外導(dǎo)致海河流域河口退化的最主要原因。河口生態(tài)需水是在一定生態(tài)目標(biāo)下,維持河口相應(yīng)時空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康所需要的水量。保證河口一定規(guī)模的生態(tài)用水需求,已成為流域水資源合理配置以及恢復(fù)河口生態(tài)系統(tǒng)健康亟待解決的關(guān)鍵問題之一。生態(tài)需水量的計算結(jié)果可為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康、保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境功能提供重要的決策支持。河口生態(tài)需水量的計算依賴于河口范圍的準(zhǔn)確界定,不同的河口界定方法下,河口范圍可能差別很大。已有文獻(xiàn)[2,6-7]進(jìn)行過海河流域部分入海河口生態(tài)需水量的研究,但并未對所用河口定義、河口范圍界定、土地利用等進(jìn)行詳細(xì)說明。本研究通過不同河口定義與界定方法比較,選擇適合河口定義,界定永定新河、海河、獨流減河的適宜河口范圍,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行河口生態(tài)需水量的計算,以期為河口生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。2學(xué)習(xí)方法2.1ritcard法對于河口的界定,常見的河口劃分方法有薩莫依洛夫法、沈煥庭法,以及歐美廣泛使用的Pritchard法。綜合比較后,本研究參照參考文獻(xiàn)報道的沈煥庭的河口定義方法,將上自潮流界,下迄河流泥沙擴(kuò)散主邊界作為河口區(qū)范圍,其中潮流界至鹽水入侵界為近口段,鹽水入侵界至漲落潮流優(yōu)勢轉(zhuǎn)換界為河口段,向下至河流泥沙擴(kuò)散主邊界為口外海濱段。2.1.1任河口的河口排海閘口在改變河流自然流態(tài)(僅在泄洪時段排海)的同時,也限制了海潮向河流的上溯,閘壩基本成了河、海的分界面,阻斷了其間的物質(zhì)交流。如1959年海河口建閘以后幾乎全年關(guān)閉,感潮河段消失。河口理論上上邊界應(yīng)取在潮區(qū)界以上,因此,對這三條河流來說,入?？刂崎l可以看作是現(xiàn)狀建閘河口的上界。但考慮到生態(tài)環(huán)境需水量的計算是要針對河口退化現(xiàn)狀而進(jìn)行的河口生態(tài)功能恢復(fù)所需水量,因此,本研究在計算河口生態(tài)需水量時,仍將未建閘時海潮上溯邊界作為河口上界,分別取海河上游金剛橋、永定新河屈家店閘、獨流減河上游西青區(qū)第六埠村作為河口上界。2.1.2河口關(guān)閉2.1.2.河流泥沙擴(kuò)散主邊界永定新河、海河、獨流減河三河口均為淤泥質(zhì)河口,此類河口都會形成攔門沙。塑造河口攔門沙的動力因素很復(fù)雜,有徑流、潮流、鹽水與淡水混合、沿岸流和風(fēng)浪等,其中徑流和潮流是主導(dǎo)因素。若徑流動力大于潮流動力,沙脊會向外移;若徑流動力小于潮流動力,沙脊會向內(nèi)移。攔門沙灘頂較高,成為河口區(qū)域相鄰水域的沉積界線及細(xì)顆粒泥沙在口外擴(kuò)散的屏障,即徑流泥沙擴(kuò)散的主邊界。依據(jù)沈煥庭的界定方法,河流泥沙擴(kuò)散主邊界可以看作是河口的下界。鹽水楔是低鹽徑流河水與高鹽海水的交互鋒面,研究表明其位置基本上與攔門沙的灘頂所在位置相符。因此,本研究以早期的河口攔門沙位置作為河口的東西向下界。對于海河,其河口攔門沙1958年時位于閘下12.3km,1959年位于閘下10.0km以下。永定新河1971年時攔門沙淺灘約距屈家店閘74.3km(約為入海閘下12.3km),1995年則位于閘下8.5km。因此,本研究選擇1958年海河建閘、1971年永定新河開挖時的河口攔門沙位置(均為入?？刂崎l下12.3km)作為相應(yīng)河口的東西向下界。獨流減河河口以灘地行洪為主,徑流入海后急劇擴(kuò)散。從全潮觀測資料來看,距岸5km以外的測點,其含沙量極小為0.4~0.5kg/m3,而近岸3km以內(nèi),含沙量為1.5kg/m3,該泥沙渾濁帶為潮流所控制,獨流減河入海徑流擴(kuò)散范圍難以逾越此混濁帶。因此本研究以近岸5km作為獨流減河河口東西邊界。2.1.2.數(shù)值模型的建立對于大尺度河口海域,數(shù)學(xué)模型具有很大的優(yōu)勢。對于海河河口,參考張華慶等及談廣鳴等研究采用的河口海域二維計算正交曲線網(wǎng)格范圍作為相應(yīng)河口海域南北界線;對于永定新河河口,參考張華慶等、劉江川等等建立的永定新河水沙數(shù)學(xué)模型;對于獨流減河,參照白玉川等的河口泥沙數(shù)學(xué)模型。2.1.3三個開口的當(dāng)前范圍為依據(jù)上述河口上、下界的確定,海河、永定新河、獨流減河三河口的河口范圍見圖1,河口區(qū)土地利用類型見表1。2.2生態(tài)需水量河口生態(tài)需水量主要包括河口水循環(huán)需水量、河口生物種群需水量,以及河口生物棲息地需水量3部分,可劃分為最小、適宜和理想生態(tài)需水量。由于河口生物種群需水量主要計算河口近海水生生物自身含水量,遠(yuǎn)小于其他3部分生態(tài)需水量,如海河流域灤河與漳衛(wèi)新河的河口生態(tài)需水量僅為泥沙輸運需水量的0.1%左右,本研究以河口水循環(huán)需水量與河口生物棲息地需水量之和作為河口生態(tài)需水量,計算方法詳見文獻(xiàn)。3結(jié)果3.1沿海河口的水循環(huán)應(yīng)根據(jù)必要的水量計算3.1.1蒸發(fā)量與降水量河口濕地需水量首先要保證開闊水域部分的蒸發(fā)消耗淡水量式中,QE為蒸發(fā)需水量;E為蒸發(fā)量;P為降水量;A為河口水域面積。在天津所處的華北地區(qū),蒸發(fā)量普遍大于降水量。以濱海河口地區(qū)1960~1970年、1979~1988年共21年間的蒸發(fā)、降雨量計算出來不同保證率下的蒸發(fā)消耗失水強(qiáng)度分別為:最小(85%保證率)446.13mm,適宜(50%保證率)862.50mm,最大(25%保證率)1437.50mm,表2給出了三河口蒸發(fā)消耗需水量的計算數(shù)據(jù)。3.1.2土壤類型及土壤條件濕地土壤需水量計算公式為式中,Qt為土壤需水量;a為田間持水量或飽和持水量百分比,根據(jù)研究區(qū)的土壤類型而定;γ為土壤密度;Ht為土壤厚度;At為濕地土壤面積。天津濱海新區(qū)入海口附近土質(zhì)為(淤泥質(zhì))粘土、亞粘土,飽和持水率約為60%。取飽和持水的60%作為濕地適宜需水量,90%作為濕地土壤最大需水量的參考。研究區(qū)內(nèi)土壤主要是褐土、草甸土、沼澤土、潮土,其土壤密度取值為1.39g/cm3,土層厚度取120cm。分別取持水量的30%、60%和90%計算3個濱海河口區(qū)的土壤最小需水量、適宜需水量和最大需水量。計算結(jié)果見表3。3.1.3蒸發(fā)量的潛在平均值海河流域年平均陸面蒸發(fā)量470mm,以該值作為計算植被蒸散發(fā)量的潛在平均值。分別按照潛在蒸發(fā)量的0.6、0.8和0.9的比例作為最小、適宜、理想的劃分,植被蒸散發(fā)量計算,結(jié)果見表4。河口水循環(huán)需水量均為消耗性水量,計算結(jié)果如表5所列。3.2沿海河口的生物棲息地應(yīng)考慮水量3.2.1河口外邊界平均水位渤海灣近岸區(qū)域底部平緩,因此,這三個河口外邊界水深較為一致,參照文獻(xiàn),河口外邊界平均水深取8m。河口鹽度保持需水量計算結(jié)果見表6。3.2.2河口泥沙輸運需水量式中,Fs為泥沙沖淤需水量;Qi為泥沙年淤積量;Ci為河流泄流能力,可采用水流挾沙能力表示。參照文獻(xiàn),最大、適宜、最小輸沙量選擇30.0kg/m3、15.0kg/m3、3.0kg/m3。水流飽和含沙量大小與淤積泥沙特性密切相關(guān),這三個河口淤泥性質(zhì)參照海河口淤泥性質(zhì):飽和密度1.43~1.48g/cm3(1.45g/cm3),d50=0.003~0.0048。海河1958年建閘后,多年平均輸沙量僅為建閘前的0.8%,來自淺海區(qū)灘地的泥沙造成了河口的淤積。從1958~1989年的32年間,閘下河道11km內(nèi)淤積量累計達(dá)1862萬m3,年均淤積58.2×104m3,質(zhì)量折算為84.4×107kg。永定新河自1971年挖成后,由于每年泄量很小,河道長年被潮汐水流占據(jù),造成嚴(yán)重淤積,至1984年底總淤積量達(dá)1487萬m,年均淤積105.50×104m3,質(zhì)量折算為153.0×107kg。獨流減河自1967年修建工農(nóng)兵防潮閘至1998年3月間,閘下2.0km范圍內(nèi)主槽累計淤積139.2萬m3,年均淤積4.35×104m3,質(zhì)量折算為6.3×107kg。表7給出了海河流域主要河口泥沙輸運需水量。河口生物棲息地需水量為非消耗性水量,河口鹽度保持需水量與泥沙輸運需水量這兩項間具有兼容性,因此濱海河口生物棲息地需水量計算以最大值為原則,計算結(jié)果見表8。3.3非消耗型水量基于以上計算的河口水循環(huán)需水量,以及河口生物棲息地需水量,對非消耗型水量進(jìn)行兼容,取最大值,再加上消耗型水量,即得到海河流域典型河口生態(tài)環(huán)境需水量,見表9。4河口生態(tài)需水量根據(jù)天津市河流多年平均年入海水量統(tǒng)計,1956~1959年間,永定新河、海河、獨流減河年平均入海徑流量分別為16.90×108m3、65.40×108m3、36.60×108m3;2001~2008年間,永定新河、海河、獨流減河年平均入海徑流量僅分別為0.0619×108m3、1.679×108m3、0.219×108m3。對比本研究計算的最小河口生態(tài)需水量,2001~2008年間永定新河與獨流減河的入海徑流量遠(yuǎn)低于最小河口生態(tài)需水量,入海徑流遠(yuǎn)不能滿足目前河口生態(tài)所需;但海河干流年均入海徑流量卻達(dá)到適宜河口生態(tài)需水量的兩倍左右。這是因為海河河口開發(fā)利用嚴(yán)重。根據(jù)本研究結(jié)果,海河河口海域面積理論值為55.79km2,但由于填海造陸開發(fā),目前僅保留海域面積13.55km2。水域面積的減少,必然導(dǎo)致水域蒸發(fā)需水的減少,生態(tài)需水量測算數(shù)據(jù)亦大大減少?？梢?隨著河口開發(fā)利用強(qiáng)度的增大及河口海域不斷被侵占,河口生態(tài)需水也將不斷減少,直至河口消亡。對于永定新河與獨流減河河口,生態(tài)需水量未見研究報道;但對于海河流域其他入海河口,已有不少文獻(xiàn)進(jìn)行過河口生態(tài)需水量的研究。與這些研究相比,本研究對海河口的生態(tài)需水量計算結(jié)果偏小。鄭建平等通過建立入海徑流與鹽度(1965~1997年天津塘沽觀測站入海鹽度與入海水量)的回歸關(guān)系,用20世紀(jì)80年代中期以前的多年平均鹽度值作為鹽度控制標(biāo)準(zhǔn),計算得到該標(biāo)準(zhǔn)下的年入海徑流21.6×108m3作為海河河口生態(tài)需水量,該水平相當(dāng)于海河在20世紀(jì)70年代以前洪災(zāi)頻發(fā)時的入海水量。由于河口范圍界定是河口生態(tài)需水量計算的依據(jù)與前提,河口范圍界定及土地利用類型可顯著影響到河口生態(tài)需水量測算的大小。孫濤等在計算海河流域典型河口生態(tài)環(huán)境需水量時,給出了河口的土地利用類型及相應(yīng)面積,但在給出這些數(shù)據(jù)并未給出測定依據(jù)。從1958~1989年的32年間,閘下河道11km內(nèi)淤積量累計達(dá)1862萬m3,年均淤積質(zhì)量應(yīng)折算為84.4×107kg,但孫濤等對海河河口泥沙輸運需水量進(jìn)行計算時采用的淤積量數(shù)據(jù)則為154.23×107kg,這也是其計算結(jié)果大于本研究的重要原因