第十章生态用水.ppt

第十章 生态用水,主讲人：窦明 郑州大学,第一节 生态用水的概念 第二节 生态用水的途径及意义 第三节 生态用水量计算及我国生态用水状况 第四节 生态用水保障措施 思考题,本章内容,第一节 生态用水的概念,10.1 本章结构,10.1 .1 生态系统,（一）生态系统的定义 生态系统一词是由英国生态学家坦斯莱（A. G. Tansley）于1935年首次提出，指在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位。它把生物及其非生物环境看成是互相影响、彼此依存的统一整体。,（二）生态系统的结构特征 生态系统由生物成分和非生物成分两部分组成，如图10-1所示。,图10-1 生态系统的结构,生态系统不论是自然的还是人工的，都具下列共同特性： （1）生态系统是生态学上的一个主要结构和功能单位，属于生态学研究的最高层次。 （2）生态系统内部具有自我调节能力。其结构越复杂，物种数越多，自我调节能力越强。 （3）能量流动、物质循环是生态系统的两大功能。 （4）生态系统营养级的数目因生产者固定能值所限及能流过程中能量的损失，一般不超过56个。 （5）生态系统是一个动态系统，要经历一个从简单到复杂、从不成熟到成熟的发育过程。,（三）生态系统的功能,净化空气；,调节气候；,水土保持；,调蓄洪水；,涵养水源；,有机物质的生产；,污染降解。,10.1 .3 生态系统与水资源的关系,水资源是生态系统存在的基础； 人类过度掠夺水资源，使生态系统遭受严重破坏； 生态系统的恶化又会影响人类的生存和发展； 对经济社会发展的宏观调控，是实现人与自然和谐共径。,10.1 .2 生态用水的界定,（一） 生态用水的由来 国外情况： 20世纪40年代，初步研究。 20世纪70年代，欧洲、澳大利亚、南非等国家先后开展了相关方面的研究，并，提出了许多计算和评价方法。 20世纪90年代，随着水资源学和环境科学在相关领域研究的深入，生态系统用（或需）水量化研究才正式成为全球关注的焦点。,国内情况： 20世纪80年代末期，做初步研究，起步较晚。 直到20世纪90年代前半期，生态用水研究一直停留于仅有名称而无内涵的状态，对其概念的定义、内涵的界定、类型划分等理论问题均未进行过深入的研究和探讨。 20世纪90年代后期，随着国家“九五”科技攻关项目深入开展，对我国宏观水资源规划和合理配置具有十分重要的指导意义，推动了生态用水研究的进程。,（二） 生态用水的定义 生态用水也叫生态需水、生态环境用水，是近几年随着生态环境逐渐恶化而提出的新概念。一般广义上说：是指维持全球生态系统水分平衡所需要的水量，比如河流、湿地等维持本身功能所需要的水量。 生态用水具体包括维持水热平衡（即降水与地表水蒸发、植被蒸腾之间的平衡）、生物平衡（维持水生生物生长及水体自然净化）、水沙平衡（清除河道淤积、水库淤积）和水盐平衡（防止海水入侵、保持淡水性状）所需的水量。,与生态用水相对应的还有生态需水和生态缺水两个概念，为了便于区分也给出它们的定义，如下： 生态需水（ecological water demand）：以水循环为纽带，从维持生态系统自身生存角度，相对一定生态环境质量目标下客观需求的水资源。生态需水与相应的生态保护、恢复目标以及生态系统自身需求直接相关，生态保护、恢复目标不同，生态需水就会不同。生态需水是相对合理的水量。 生态耗水（ecological water consume）：生态耗水是指现状多个水资源用户（生产、生活和生态）或者未来水资源配置（生产、生活和生态）后，生态系统实际消耗的水量。它需要通过该区域经济社会与生态耗水的平衡计算来确定。生产、生活耗水过大，必然挤占生态耗水。,（三）生态用水的分类 生态用水可以按照使用的范围、对象和功能进行分级和分类。 按照水资源的空间位置和补给来源，生态用水被划分为河道内生态用水、 河道外生态用水两部分； 依据生态系统分类，又对生态用水进行二级划分，如将河道内生态用水 进一步划分为河流生态用水、河口生态用水、湖泊生态用水、湿地生态 用水、地下水回灌生态用水、城市河湖生态用水； 根据生态用水的功能不同，再将其进一步进行三级划分。,表10-1 生态用水分类系统,第二节 生态用水的途径及意义,10.3.1 生态用水的意义,1、存在的问题 （1）生态用水研究涉及多学科交叉的问题，未形成共认的生态用水基本理论。 （2）生态用水是一个变量，随时间和地点不同而不同。 （3）水分具有很重要的作用，植被生态系统的生态用水计算方法以及植被与水 分的关系研究尚未没有形成一个系统的理论。 （4）生态用水问题具的空间和时间上动态变化。 （5）生态用水与地表水的关系研究较多，但生态用水与地下水之间关系的研究 较少，也只是对某一区域的某一点的微观研究，而不是相对于整个系统的 研究。,2、我国今后研究的重点 （1）加基础理论研究，统一生态用水概念，建立共认的生态用水理论。 （2）在微观领域，对已有一定研究基础的试验区进行分区分类，作长 期的定位观测。 （3）在宏观领域，研究现有各大流域生态用水现状及可行的水资源配 置方案，通过实际应用的效果，进一步分析生态用水研究中存在 不足。 （4）研究从微观到宏观的尺度转换，将小流域（小区域）研究成果应 用到在中流域研究中，提出转换并减小误差的计算方法，不断提 高计算适用性和精度。,10.3.2 生态用水途径,1、供水水源,生态用水水源,地表水,地下水,土壤水,降水,1、供水方式,河道外生态用水：由于天然植被系统多依赖于降水补给，因此生态用水的对象主要是针对城市绿地、人工绿洲、防护林草等各种人工植被系统 河道内生态用水：则主要通过各种水利工程对河流、湖泊内的水量进行调 度和分配，以满足河道内各种生态用水需求。,第三节 生态用水量计算及我国生态用水状况,目前，计算生态用水量的方法主要有两大类：,针对河流、湖泊（水库）、湿地、城市等小尺度提出的计算法； 针对完整生态系统区域尺度提出的计算方法。,河道外生态用水量计算方法,1直接计算方法 以某一区域某一类型植被的面积乘以其生态用水定额计算生态用水量。该方法适用于基础工作较好的地区与植被类型，如防护林草、人工绿洲。其计算公式为： (10-1) 式中： 河道外生态用水量， ； 第i类植被对应的面积， ； 第i类植被年平均灌溉定额， / ； 乔木、灌木、草本等植被类型数量。,2间接计算方法 该方法是根据潜水蒸发量的计算，来间接计算生态用水。即，用某一植被类型在某一潜水位的面积乘以该潜水位下的潜水蒸发量与植被系数，得到的乘积即为生态用水。计算公式如下： (10-2) 式中： 第i类植被在地下水位某一埋深时的潜水蒸发量，由经验值或实验确定； K 植被系数，即在其他条件相同的情况下有植被地段的潜水蒸发量除以无植被地段的潜水蒸发量所得的系数，由实验确定。,河道内生态用水量计算方法,河道内生态用水量的计算，视河道内不同生态系统和环境功能用水而异。一般河道内用水主要考虑以下几个方面：,河流水生生物的保护和利用； 多沙河流的水沙平衡； 河流水力发电用水； 河流航运。,河道内生态用水量计算方法如下： (10-3) 式中： 为河道内生态用水量； 为河道天然径流量； 为供给河道外的经济用水量（包括生产、生活用水）。 (10-4) 式中： 为受水利工程调控后的河道径流量； 为通过水利工程调度后的生态补水量；其他符号意义同前。,通过式10-4计算出海河流域1997年的生态用水量，如表10-2。,表10-2 1997年海河流域生态用水量计算结果 注：“-”代表生态用水已严重被经济用水所挤占，且需要从外流域调水补充河道水量。,我国生态用水现状,我国在生态用水方面的研究起步较晚，对生态用水的重要性也认识不足，目前我国生态用水的特点反映在以下两个方面：,生态用水所占比重非常小,生态用水保障意识仍需提高,表10-3 20032006年全国生态用水统计表 资料来源：20032006年中国水资源公报。,表10-3 20032006年全国生态用水统计表,抬高水位的工程调节措施是指通过对河湖水位的抬高，增大河湖水面和水深来满足生态用水的需要。蓄水调节工程措施主要包括在河道或湖泊出口处建设橡胶坝、翻板坝、溢流堰、节制闸等，以蓄水来抬高水位。,第四节 生态用水保障措施,10.4.1 蓄水调节工程措施,1.橡胶坝,橡胶坝是一种在河道内生态用水调节的常见的工程，枯水期能抬高河湖水位,保持坝前水量,以满足生态用水的要求。洪水期橡胶坝放空（排气或水），不影响河道正常行洪，洪水过后再充气（或水），坝继续挡水。,其优点是既不影响行洪又能方便的抬高水位，工程投资较低，缺点是难适应污染较严重的城市河道，特别是漂浮物和推移质对坝体影响较大,图10-3 莱芜市牟汶河三号橡胶坝,2.翻板坝,翻板坝是一种间断蓄水、排水的水利工程，该坝在水位抬高超过设计水位后，翻板在设计的水压力的作用下倒伏排水或竖立挡水，以保持一定的水位变化范围，满足城市景观和生态用水的要求。,其特点与橡胶坝相同。抬水方便，投资低。但是污染严重。,图10-4 铜仁地区印江河翻板坝,3.溢流堰,溢流堰是一种固定式挡水坝，当水位高于堰顶时，开始溢流，当来水较少，堰顶停止溢流。,其优点是枯水期能有效地保持河湖水位，漏水少，管理简单，运行要求低。缺点是对河湖行洪有一定的影响，对水位调节困难,图10-5 莱芜市侯盘龙溢流坝,4.节制闸,节制闸是建在河道或湖泊排水出口的一种常见的水利工程，能有效地抬高或降低水位，对行洪影响也较小。,其特点是水闸开、关频率较高，水位变幅较大，管理较为复杂，采用哪种水工建筑物抬高河湖水位，必须具体问题具体分析。对管理困难的河湖不应采用节制闸,图10-6 南四湖二级坝第三节制闸,10.4.2 水利调度措施,水利调度工程是一项十分复杂的流域或区域系统工程，通过水资源的合理配置，确保缺水地区生态用水要求。,20.湖北荆江大堤二期加固工程 21.汉江王浦洲水利枢纽工程 22.黄河小浪底水利枢纽工程 23.长江三峡水利枢纽工程 24.湖南洞庭湖防洪蓄洪工程 25.湖南江垭水利枢纽工程 26.四川石板水电站工程 27.四川大桥水库工程 28.广东飞来峡水利枢纽工程,1.辽宁观音阁水库工程 2.辽宁白石水库工程 3.河北桃林口水库工程 4.海河干流治理工程 5.山西万家寨引黄工程 6.黄河万家寨水利枢纽工程 7.山西汾河二库工程 8.黄河上中游地区水土保持工程 9.甘肃引大人秦工程 10.甘肃河西走廊(疏勒河)农业灌溉暨移民安置合作开发项目,11.新疆乌鲁瓦提水利枢纽工程 12.西藏满拉水利枢纽工程 13.淮河流域综合治理工程 14.上海防汛墙加固工程 15.太湖流域综合治理工程 16.安徽无为大堤加固工程 17.浙江珊溪水利枢纽工程 18.浙江碗窑水库工程 19.江西鄱阳湖治理一期工程,10.4.3 地下水回灌调节措施,通常，在枯水季节为满足工农业生产以及生态系统用水需求，需要大量开采地下水，而这又势必会引起地下水位下降、水资源储量减少，并引起地面沉降、土地荒芜、海水入侵等地质灾害和环境问题。因此在开发利用地下水资源时，必须人为地调节好地下水的开采与补给关系，在丰水季节借助各种工程措施，将地表水引入地下，从而达到在时间和空间上对地下水进行合理调配、补偿枯水季节损失的水量的目的，这种增补地下水的方法称为人工补源回灌工程。,1.浅层地面渗水补给,浅层地面渗水补给就是将水引入坑塘、渠道、洼地、干涸河床、矿坑、平整耕地及草场中，借助地表水与地下水的水头差，使水自然渗漏补给含水层，增加含水层的储存量。,图10-98 地面渗入补给,其特点是浅层地面渗水补给具有设备简单、投资少、补给量大、管理方便、因地制宜等优点,2.深层地下水灌注补给,图10-9 深井回灌补给,含水层上部覆盖有弱透水层时，地表水渗入补给强度受到限制，为了使补给水源直接进入潜水或承压水含水层，常采用深井回灌，通过管井、大口井、竖井等设施，将水灌入地下。,其特点是： 不受地形条件、地面弱透水层分布、地下水位埋深的制； 占地少，可以集中补给，水源浪费少； 设备复杂，需附加专用系统，工程投资和运行费用较高； 容易使井管和含水层堵塞； 容易污染地下水。,3.诱导补给法,诱导补给法是一种间接人工补给地下水的方法。在河流、湖泊、水库等地表水体附近凿井抽水，随着地下水位的下降，增大了地表水与地下水之间的水头差，诱导地表水下渗补给地下水。,10.4.4 退耕还林措施,在天然情况下，各种生态系统发挥了自我调节、净化环境等多种功能，而农业的大力发展占用了大量的水土地资源，严重挤占了天然生态系统的生存空间，于是河道断流、湖泊萎缩、植被消亡等生态危机接踵而至。为了重建生态系统，恢复其原有的环境自净功能，必须压缩人类自身的发展用水，其中退耕还林政策是压缩农业用水、保障生态用水的有效手段。,退耕还林后的陕北,退耕还林前的陕北,“退耕还林，退田还湖”的治水措施，是我国实行的第一个大规模生态系统建设措施。实施的原则如下：,要坚持“生态效益优先，兼顾农民吃饭、增收以及地方经济发展”的原则。 要根据不同气候水文条件和土地类型进行科学规划，做到因地制宜，乔灌草合理配置，农林牧相互结合。 在确保地表植被完整、减少水土流失的前提下，可采取林果间作、林竹间作、林药间作、林草间作、灌草间作等多种合理模式还林，立体经营，实现生态效益与经济效益的有效结合。 对居住在生态地位重要、生态环境脆弱、已丧失基本生存条件地区的人口实行生态移民。,1 为什么在进行水资源配置时，要保证生态用水？ 2 叙述生态用水、生态需水、生态耗水之间的区别和联系。 3 叙述河道内生态用水量与河道外生态用水量的计算方法。 4 简要叙述生态用水的主要保障措施。,思考题,谢谢！,