1第七章水與生態(tài)2主要內(nèi)容一、水與生態(tài)案例和研究前沿二、生態(tài)水文學(xué)三、生態(tài)需水量四、南非案例管理人工林耗水3一、水與生態(tài)案例和研究前沿陸地生態(tài)系統(tǒng)水生生態(tài)系統(tǒng)4一、水與生態(tài)案例和研究前沿11水生生態(tài)系統(tǒng)案例（1）河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)魚類洄游（FISHMIGRATION）魚類因生理要求、遺傳和外界環(huán)境因素等影響，引起周期性的定向往返移動(dòng)。大馬哈魚屬鮭科魚類，是鮭魚的一種，是著名的冷水性溯河產(chǎn)卵洄游魚類。它們出生在江河淡水中，卻在太平洋的海水中長(zhǎng)大。大馬哈魚的魚子和幼苗只能在淡水中生存，它們一般把卵生在淡水系統(tǒng)的江河上游的沙礫區(qū)域。卵孵化出幼苗并生長(zhǎng)一段時(shí)間后然后順流而下進(jìn)入咸水系統(tǒng)的海洋之中，在物質(zhì)富饒的海洋中生長(zhǎng)發(fā)育積蓄能量，經(jīng)過4年左右的生長(zhǎng)達(dá)到性成熟后，又會(huì)洄游淡水江河中產(chǎn)卵。大馬哈魚主要棲息在北半球的大洋中，以鄂霍次克海、白令海等海區(qū)最多。5魚道或稱為魚梯，是為了幫助洄游性魚類能在人工的水利環(huán)境中生存的設(shè)施。多數(shù)魚道的設(shè)計(jì)是利用較平緩低矮的階梯狀水道魚梯，使魚類逆流而上，穿越如水壩等因?yàn)槁洳疃斐傻恼系K。其中的流速必須快到能夠吸引魚溯溪，卻又不能過快造成魚的體力耗盡無法繼續(xù)旅程。截至上世紀(jì)晚期，僅魚道數(shù)量在北美就有近400座，日本有1400座，近年來世界上最高、最長(zhǎng)的魚道分別是美國(guó)的北汊壩（NORTHFORK）魚道（60M高，2700M長(zhǎng)）和帕爾頓魚道（575M高,4800M長(zhǎng)）6HTTP/ENWIKIPEDIAORG/WIKI/FISH_LADDER7美國(guó)西北華盛頓州艾爾瓦河為鮭魚拆除大壩HTTP/EHP03NIEHSNIHGOV/EHPCE/P1229在短期來看，河水過度渾濁在未來3到10年內(nèi)會(huì)影響該流域的居民和動(dòng)物。渾濁度急劇增加可以殺死魚類、降低產(chǎn)卵成功率。但從長(zhǎng)期來看，拆除大壩的生態(tài)效益很顯著。8中華鱘（學(xué)名ACIPENSERSINENSIS），屬鱘形目、鱘科、鱘屬的一種。中華鱘為白堊紀(jì)殘留至今最為古老的現(xiàn)生魚類之一。中華鱘是一種大型的溯河洄游性魚類，是古老的珍稀魚類，世界現(xiàn)存魚類中最原始的種類之一。中華鱘是中國(guó)一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物，也是活化石，有“水中大熊貓”之稱?，F(xiàn)今僅在我國(guó)長(zhǎng)江流域尚有分布，其他江河中均已絕跡，具有很高的科研、藥用和觀賞價(jià)值。9夏秋兩季，生活在長(zhǎng)江口外淺海域的中華鱘回游到長(zhǎng)江，歷經(jīng)3000多公里的溯流博擊，才回到金沙江一帶產(chǎn)卵繁殖。產(chǎn)后待幼魚長(zhǎng)大到15CM左右，又?jǐn)y帶他們旅居外海。它們就這樣世世代代在江河上游出生，在大海里生長(zhǎng)，養(yǎng)成了身居海外不忘故鄉(xiāng)的習(xí)慣。正是由于這種執(zhí)著的回歸、尋根的習(xí)性，所以人們稱它為中華鱘。中華鱘的產(chǎn)卵期在10月中旬至11月上旬，在長(zhǎng)江葛洲壩水利樞紐修建前，中華鱘的產(chǎn)卵場(chǎng)位于長(zhǎng)江上游干流和金沙江的下段。上世紀(jì)70年代，中華鱘長(zhǎng)江里的繁殖群體能達(dá)到1萬余尾，葛洲壩截流的80年代，驟減到2176尾，2000年僅有363尾，2010年估算只剩57尾。10在葛洲壩工程建設(shè)之前，中外專家提出了兩種挽救中華鱘的建議，一種是工程救魚，即在葛洲壩工程中給中華鱘修建一條魚道、魚梯或升魚機(jī)等通道，使它能夠平安地到達(dá)產(chǎn)卵場(chǎng)所；另一種為生物救魚，認(rèn)為中華鱘的個(gè)體較大，修建的通道未必能滿足它的要求，另外在工程技術(shù)上也沒有絕對(duì)的把握，最好能在壩下建立蓄養(yǎng)池，仿照中華鱘產(chǎn)卵場(chǎng)所的環(huán)境條件進(jìn)行人工繁殖，使用人工方法催產(chǎn)孵化，使它們能夠增殖，然后放回長(zhǎng)江中，同時(shí)把一部分性腺尚未成熟的個(gè)體網(wǎng)捕后運(yùn)送到上游，使其越過大閘，繼續(xù)上溯。結(jié)果后一條建議被采納，并于1982年在葛洲壩建立了中華鱘人工繁殖研究所。經(jīng)過幾年的努力，通過反復(fù)試驗(yàn)，解決了捕撈、運(yùn)輸、暫養(yǎng)、催產(chǎn)、受精、孵化、培育、放流等一系列生產(chǎn)工藝上的技術(shù)難題，已向長(zhǎng)江水域放流了數(shù)百萬條幼體。11黃河斷流黃河自然斷流始于1972年，主要發(fā)生在下游的山東河段。在19721996年的25年間，有19年出現(xiàn)河干斷流，平均4年3次斷流。1987年后幾乎連年出現(xiàn)斷流，其斷流時(shí)間不斷提前，斷流范圍不斷擴(kuò)大，斷流頻次、歷時(shí)不斷增加。1997年，斷流達(dá)226天，為歷時(shí)最長(zhǎng)的斷流。11水生生態(tài)系統(tǒng)案例（1）河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)12黃河斷流的原因來水偏少用水浪費(fèi)及缺乏統(tǒng)一管理流域用水量急劇增加現(xiàn)在，黃河不斷流，小浪底工程功不可沒1311水生生態(tài)系統(tǒng)案例（2）地下水和海水維持的生態(tài)系統(tǒng)HTTP/WWWTAMUGEDU/CAVEBIOLOGY/14ANCHIALINE,PRONOUNCED“ANKEYAHLIN“,FROMGREEK,“NEARTHESEA“PURPOSETODOCUMENTTHEDIVERSITY,SIGNIFICANCEANDDISTRIBUTIONOFANCHIALINECAVESANDCAVEANIMALS15墨西哥尤卡坦半島（YUCATAN）16171819ANCHIALINEFROMGREEKMEANING“NEARTHESEA“REFERSTOCOASTALCAVESFORMEDINLIMESTONEORVOLCANICROCKTHATAREFLOODEDWITHSEAWATERTHEYINCLUDETHELONGESTSUBMERGEDCAVESONEARTHTHESECAVESAREINHABITEDBYADIVERSEARRAYOFPREVIOUSLYUNKNOWNSPECIESFROMANUMBEROFNEWHIGHERTAXAWHILESOMEAREPRIMITIVE“LIVINGFOSSILS“,OTHERSARECLOSELYRELATEDTODEEPSEASPECIESTHESEHIGHLYIRREGULARDISTRIBUTIONSSUGGESTANORIGINMANYMILLIONSOFYEARSAGOWHENTHEEARTHSLANDMASSESWEREINTERCONNECTEDSINCESUCHANCHIALINECAVEANIMALSAREFREQUENTLYLIMITEDTOASINGLECAVEORCAVESYSTEM,POLLUTIONORDESTRUCTIONOFTHESECAVESCANRESULTINTHEEXTINCTIONOFENTIRESPECIES20美國(guó)，德克薩斯州TEXAS,USBRUSHCONTROLPROGRAMWATERSUPPLYENHANCEMENTPROGRAMHTTP/WWWTSSWCBTEXASGOV/FILES/DOCS/BRUSH/BROCHURE_NORTH_CONCHO_BRUSH_PROGRAMPDF人類HUMAN水WATER植物VEGETATION12陸生生態(tài)系統(tǒng)案例（1）21中國(guó)塔里木盆地塔里木下游生態(tài)調(diào)水工程XU,H,MYE,YSONG,ANDYCHEN2007,THENATURALVEGETATIONRESPONSESTOTHEGROUNDWATERCHANGERESULTINGFROMECOLOGICALWATERCONVEYANCESTOTHELOWERTARIMRIVER,ENVIRONMONITASSESS,13113,3748HTTP/WWWMWRGOVCN/ZTBD/TLMH/人類HUMAN水WATER植物VEGETATION12陸生生態(tài)系統(tǒng)案例（2）22二、生態(tài)水文學(xué)生態(tài)水文學(xué)是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)的交叉學(xué)科，主要研究地球上水和生態(tài)系統(tǒng)相互作用關(guān)系。ECOLOGY,HYDROLOGYECOHYDROLOGY“ECOHYDROLOGYMAYBEDEFINEDASTHESCIENCEWHICHSEEKSTODESCRIBETHEHYDROLOGICMECHANISMSTHATUNDERLIEECOLOGICPATTERNSANDPROCESSES”IRODRIGUEZITURBE2000RODRIGUEZITURBE,I2000,ECOHYDROLOGYAHYDROLOGICPERSPECTIVEOFCLIMATESOILVEGETATIONDYNAMIES,WATERRESOURRES,361,3923二、生態(tài)水文學(xué)“ECOHYDROLOGY”1HOWHYDROLOGICALPROCESSESINFLUENCETHEDISTRIBUTION,STRUCTURE,FUNCTION,ANDDYNAMICSOFBIOLOGICALCOMMUNITIESAND2HOWFEEDBACKSFROMBIOLOGICALCOMMUNITIESAFFECTTHEWATERCYCLEBDNEWMANETAL2005NEWMAN,BD,BPWILCOX,SRARCHER,DDBRESHEARS,CNDAHM,CJDUFFY,NGMCDOWELL,FMPHILLIPS,BRSCANLON,ANDERVIVONI2006,ECOHYDROLOGYOFWATERLIMITEDENVIRONMENTSASCIENTIFICVISION,WATERRESOURRES,42624生態(tài)系統(tǒng)和水循環(huán)的關(guān)系，不是單一的、孤立的，而是相互聯(lián)系、相互反饋的。因此，我們要用系統(tǒng)的思想來看待和分析與生態(tài)水文相關(guān)的問題。25三、生態(tài)需水量需水量農(nóng)業(yè)需水工業(yè)需水生活需水需水量農(nóng)業(yè)需水工業(yè)需水生活需水生態(tài)環(huán)境需水2631國(guó)外生態(tài)需水量研究的發(fā)展歷程生態(tài)可接受流量等，河流生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，水環(huán)境水生態(tài)研究指標(biāo)河道枯水量，研究動(dòng)機(jī)航運(yùn)問題，研究目的滿足航運(yùn)功能河道最小流量，河流污染問題，滿足航運(yùn)排水納污與此同時(shí)，陸地生態(tài)系統(tǒng)需水量受到關(guān)注2732國(guó)內(nèi)生態(tài)需水量研究的發(fā)展歷程同時(shí)，針對(duì)高含沙量的河流（如黃河），提出滿足水沙平衡的生態(tài)需水量20世紀(jì)8090年代，河流斷流、水污染嚴(yán)重國(guó)內(nèi)專家提出要考慮生態(tài)環(huán)境用水針對(duì)干旱半干旱地區(qū)，提出了一系列河流、濕地、湖泊、植被的生態(tài)需水量不僅僅針對(duì)缺水地區(qū)，濕潤(rùn)地區(qū)也需要考慮生態(tài)需水量2833生態(tài)需水量的計(jì)算生態(tài)需水量陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水（森林、草原等）水生生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水（河流、濕地、湖泊等）也可以根據(jù)具體的生態(tài)系統(tǒng)來分，分為河流生態(tài)需水、濕地生態(tài)需水、森林生態(tài)需水、草原生態(tài)需水、農(nóng)田生態(tài)需水、入?？谏鷳B(tài)需水等。29（1）河流生態(tài)需水量計(jì)算方法方法描述典型方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)水文學(xué)方法以歷史流量為基礎(chǔ)，根據(jù)簡(jiǎn)單水文指標(biāo)對(duì)設(shè)定河流流量，直接獲取歷史流量中年天然徑流量的百分?jǐn)?shù)作為河流生態(tài)需水量的推薦值TENNANT法、TEXAS法、7Q10、RVA法、NGPRP法和基本流量法等現(xiàn)場(chǎng)不需要測(cè)定數(shù)據(jù)，具有簡(jiǎn)單快速的特點(diǎn)未考慮流量的豐、枯水年變化和季節(jié)變化以及河段形狀的變化水力學(xué)方法根據(jù)河道水力參數(shù)（實(shí)測(cè)或曼寧公式計(jì)算）如寬度、深度、流速和濕周等確定河流所需流量濕周法、R2CROSS法、CASIMIR法等測(cè)量簡(jiǎn)單，不需要詳細(xì)的物種生境關(guān)系，數(shù)據(jù)容易獲得體現(xiàn)不出季節(jié)變化因素，不適用確定季節(jié)性河流流量棲息地法根據(jù)指示物種所需的水力條件確定河流流量，為水生生物提供適宜的物理生境，定量化并基于生物原則的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒↖FIM法、PHABSIM法、水力評(píng)價(jià)法、BASQUE法等在水力學(xué)法的基礎(chǔ)上考慮了水量、流速、水質(zhì)和水生物種等影響因素所需的生物資料難以獲取綜合法從系統(tǒng)整體出發(fā)，根據(jù)專家意見綜合研究流量、泥沙運(yùn)輸、河床形狀與河岸帶群落的關(guān)系，使推薦的河道流量同時(shí)滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護(hù)等功能BBM、整體評(píng)價(jià)法綜合考慮了專家小組意見和生態(tài)整體功能，強(qiáng)調(diào)河流是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)整體必須有實(shí)測(cè)天然日流量系列、專家小組意見以及公眾參與等，不易被應(yīng)用。張麗等，流域生態(tài)需水的理論及計(jì)算研究進(jìn)展，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24730731230（1）河流生態(tài)需水量舉例7Q10，水文學(xué)方法采用90保證率最枯連續(xù)7天的平均水量作為設(shè)計(jì)值。最小月平均流量法參考7Q10法,結(jié)合我國(guó)的具體情況,采用90保證率最小連續(xù)7D的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值,該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于我國(guó)要求較高。因而對(duì)上述方法進(jìn)行了修改。在制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法GB383883中規(guī)定一般河流采用近十年最小月平均流量或90保證率最小月平均流量。31（1）河流生態(tài)需水量舉例濕周法，水力學(xué)方法基于以下假設(shè)即保護(hù)好臨界區(qū)域的水生生物棲息地的濕周,也將對(duì)非臨界區(qū)域的棲息地提供足夠的保護(hù)。利用濕周指水面以下河床橫斷面的線性長(zhǎng)度作為棲息地的質(zhì)量指標(biāo)來估算河道內(nèi)流量值。該方法需要現(xiàn)場(chǎng)搜集河道的幾何尺寸和流量數(shù)據(jù)，需要確定濕周與流量之間的關(guān)系，通過得到濕周流量關(guān)系曲線，來確定所需生態(tài)流量。32（1）河流生態(tài)需水量舉例IFIM法，棲息地法（INSTREAMFLOWINCREMENTALMETHODOLOGY）傳統(tǒng)的IFIM法將其重點(diǎn)放在一些河流生物物種的保護(hù)。IFIM根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如水深、河流基質(zhì)類型、流速等,采用PHABSIMPHYSICALHABITATSIMULATION模型模擬流速變化和棲息地類型的關(guān)系,通過水力學(xué)數(shù)據(jù)和生物學(xué)信息的結(jié)合,決定適合于一定流量的主要的水生生物及棲息地。33（2）植被生態(tài)需水量直接計(jì)算法是以某一區(qū)域某一類型植被的面積乘以其生態(tài)需水定額,計(jì)算得到生態(tài)需水總量。AI植物類型I的面積RI植被類型I的生態(tài)需水定額。34（2）植被生態(tài)需水量對(duì)不同植被類型生態(tài)需水定額的確定主要有兩種方法一是根據(jù)前人實(shí)際測(cè)定的不同植物類型蒸散量,以及灌溉用水量,并結(jié)合不同地區(qū)的植被系數(shù)來確定不同植物種類的生態(tài)需水定額另一種方法就是根據(jù)植被生態(tài)系統(tǒng)的主要耗水支出,通過理論方法計(jì)算。理論計(jì)算方法是根據(jù)植被生態(tài)系統(tǒng)的主要水分支出項(xiàng)蒸散及其影響因子,根據(jù)各地氣候條件、土壤因子的差異,同時(shí)考慮植物種類的差異,來計(jì)算不同區(qū)域植被的生態(tài)需水定額。35（3）濕地生態(tài)需水量濕地生態(tài)需水中的消耗水量一部分可依靠天然降水補(bǔ)充，短缺部分需要利用徑流資源進(jìn)行補(bǔ)充，以保證濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。關(guān)于濕地生態(tài)需水量的計(jì)算應(yīng)用較多的是水量平衡方法。崔保山等提出濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量包括濕地植被需水量、濕地土壤需水量和濕地野生生物棲息地需水量。36四、南非案例管理人工林耗水南非從1875年