河流健康若干理论问题探讨
2、黄河干流河川径流
所谓充足的河川径流，是指河川径流足以将河床、水质和河流生态维持在良好状态。由于河床、水质和河流生态均为表征河流自然功能、反映河流自然环境的参数，故将此河川径流称作环境流量。
分别计算主槽塑造需水、自净需水和生态需水（计算过程略），并进行耦合，可得黄河干流环境需水时空分布（表2，主槽塑造需水暂放7月）；年环境需水总量与来沙量密切相关，在下游来沙5～6亿t和8～9亿t情况下，利津断面环境需水量分别为190亿m3和240亿m3。
研究表明，2020和2030年，人类耗用黄河地表径流量将分别达到395和406亿m3，但其时黄河河川天然径流量只有520亿m3左右，显然难以同时满足自然功能和社会功能的需要。基于“健康河流是其社会功能与自然功能能够均衡发挥的河流”的认识，当黄河水量难以同时满足二者需求时，双方均应适当让步。
确定二者的合理压缩程度既是科学决策，也是社会选择。一方面，黄河流域大多处于经济欠发达地区，发展经济是第一要务，而水资源是支持区域经济社会发展的重要资源；另一方面，黄河的主槽萎缩、水质恶化和生态退化问题目前也已十分严重，达到了制约经济社会发展、危及人类健康和黄河生命的程度。要科学合理地确定人类和自然用水压缩率，应深入分析和比较不同压缩率下的经济损失和生态损失。本文暂按“社会功能用水和自然功能用水同比例压缩”考虑。经平衡后，建议在没有外部水源补充黄河前，利津断面环境用水量按190～200亿m3掌握，其时空分布见表3。
利用基本相似的思路，可以提出现阶段健康黄河的其它指标，如黄河干流兰州以下河段水质目标总体上可按Ⅲ类掌握，但中游局部河段现阶段应适当放宽至Ⅲ -Ⅳ类;沿黄天然湿地和鱼类应基本恢复到90年代前期规模。
4 河流健康低限指标确定方法
河流健康显然必须以河流生命存在为前提，故河流健康低限指标即是使河流生命得以维持的临界值。
连续而适量的河川径流、基本完整和相对稳定的水系，是河流生命存在的标志，从而要求河流从源头到大海均具有一定量级的不间断水流、主要支流保持与干流的水力联系、地下水与地表水保持水力联系。其中，维持干流和干支流之间一定量级的河川径流是河流生命维持的关键。理论上，只要河流的干支流流量在任何时候都大于零，河流就具备了生命的低限径流条件，但过小的流量将无法实现其最基本的自然功能和社会功能，河流实际处于功能性断流状态。因此，确定河流健康的低限径流条件应考虑：
1、维持干流与其主要支流的水力联系、河川径流与地下水的水力联系，并考虑水流沿程传播过程的自然蒸发和渗漏，以维持河流正常水循环。
2、合理供水区域内的人类生活需水。全体公民都享有安全饮用水是人类生存的根本需要，是一项基本人权。
3、河流生态系统用水的最低需求。
河流健康低限指标是充分考虑以上因素后而计算出的河川径流条件，主要以干支流低限流量体现。
以下仍以黄河为例，对其健康低限指标进行分析。首先，以人类生活需水、最小生态需水、全河水流连续和水系完整为边界条件，充分考虑水流演进中的自然渗透、蒸发和不同河段的径流补给特点，逐段向上推算，推算出黄河干流在不同河段和不同时段的低限河川流量；进而以干流低限流量作为推算的基础，即可推算出各主要支流入黄断面的低限流量（表3）。
从其计算思路可见，当河川径流处于此状态时，依赖河流水资源而繁衍生息的人类和其它生物均处于极端困难时期，仅仅可使他们的生命得到暂时延续，根本谈不上发展或健康，因此低限流量应理解为“可接受的干支流瞬时最小流量”，是人类开发利用水资源、干预河流环境的“红线”。即使在特别干旱年，人类也可以只能允许河川径流短期内在个别河段徘徊在红线附近。
5 河流健康维持机理
河流可以有不同的健康状态，其决定因素是气候和下垫面条件。气候是决定河流形成和发展、流域水文特征的重要因素，而下垫面条件影响流域的产流产沙和汇流输沙。气候和下垫面条件的改变，一方面源自大气和地球运动的自然规律，另一方面来自人类活动影响。在没有人类干预的自然状态下或远古时期，一条河流及其与之联系的生态系统的成长、发育、兴衰和消亡等，都是很自然的事情；而人类活动对河流的不当干预，则可能加速河流的衰亡。因此，人类需要深入认识河床、水质和河流生态的维持机理，以尽可能减少对河流的不当干预，实现河流自然功能和社会功能的协调发挥。
5.1河床塑造
河床形态塑造过程显然是水流以其自身能量克服河床阻力做功的过程。对多沙河流，水流能量首先用于输送泥沙：当水流含沙量大于其挟沙能力，则河床发生淤积；当含沙量小于其挟沙能力，则水流的多余能量将使河床发生冲刷。
水流搬运泥沙和冲刷河床的能力均来自水流的动能，即水流造床能力与流速的高次方和水量成正比。显然，流速越大、水流历时越长，用于塑造河床的动力越大。任何改变水流的流速和水量、或直接提取能量的活动都可能使河床形态发生改变。
由于一定断面的水流流量～流速存在拐点（图1,2），因此在可利用水量一定情况下，从有利于河床塑造角度，应使下泄流量大于临界流速相应的低限流量；由于流量大于一定量级后其流速基本不再增加，而水流能量仅与水量和流速有关，因此在可利用水量一定情况下，过大的流量对河床塑造可能作用不大。
水流的挟沙能力不仅与流速的高次方成正比，还与来沙中的粘土颗粒含量关系密切。粘土的化学成分包括SiO2、Al2O3、氧化铁和少量氧化钙等，溶水后其酸性氧化物和碱性氧化物发生反应生成具有胶凝作用的水化物（主要为水化硅酸钙和水化铝酸钙），从而增大水体的粘滞性。因此，泥沙中的粘土含量越大，水流粘滞性越大，从而增大水流挟沙能力。粘土的粒径一般小于0.002~0.004mm。
河床阻力主要与湿周和糙率有关。一般情况下，湿周随流量增加而增加，不过，对于类似于黄河下游的复式断面河床，由于湿周仅在流量增加初期和漫滩初期剧烈增加，因此，从有利于河床塑造角度，应尽可能避免出现小流量洪水和小漫滩洪水，以提高水流的造床能力。另外，持续冲刷则导致河床粗化，进而使河床阻力增加。
在没有人类干预情况下，水流的能量将消耗于河床形态塑造和泥沙搬运，而人类从河流引水和利用水能发电等则使下泄水流的赋存能量减少。引水对下泄水流造床能力的降低是显而易见的，表现为水量减少和流速降低，但水电开发对下泄水流能量的减少却往往被人忽视。
实际上，开发水电相当于直接从水流中提取能量。水能的适量提取可能会被水库拦沙、库区河床耗能减少和其下游河床在高速水流作用下的无效能耗等节约的能量所弥补，但过多开发利用水电必将导致其下游水流的动能降低：比较龙羊峡和刘家峡水库修建前后黄河上游安宁渡断面年动能的变化发现，年径流量均约280亿m3（输沙量分别为0.656亿t和 0.539亿t）的安宁渡站，1998年动能比1965年减少了28%（因缺乏动能计算所需要的逐日实测水文资料，故该数字为粗略分析结果）。因引水和水电开发而引起的下泄水流能量减少对岩基清水河流的影响是轻微的，但对黄河宁蒙和下游河段这样的冲积性河床，却可能使水流冲刷河床和输送泥沙的能力降低，进而导致泥沙淤积、河床萎缩。
5.2水质维护
污染物进入河流水体后，通过一系列物理、化学和生物因素的共同作用，将其分离或分解，使入河污染物浓度和毒性自然降低，水体基本上或完全恢复到原来的水质状态，这种现象称为水体的自净（3）。按其净化机制可分为物理净化、化学净化和生物自净三类。物理净化即通过天然水体的稀释、扩散、沉淀和挥发等作用，使污染物浓度降低；天然水体通过氧化、还原、酸碱反应、分解、凝聚、中和等作用，使污染物存在形态发生变化、浓度降低的过程叫做化学净化；生物自净是指天然水体中的污染物经生物吸收和降解而发生浓度降低或消失的过程。
对于特定地区的河流，水体的化学性质和水生生物种群是一定的，河流水体质量主要取决于两方面因素：（1）河川径流条件，包括流量、季节、泥沙含量等。（2）入河污染物的种类、粒度、数量、形态和排放位置等。由此可见，保护河流水质需要从控制人类引水、控制入河排污等两方面努力。
5.3河流生态保护
影响河流生态系统健康的因素包括（4）：（1）水流条件，包括河流的水循环状态或降水、河川流量、流速和流态等，它是生态系统中生命的基础元素；（2）碳、氮、磷等重要营养物质条件，它们分别是生态系统的骨架元素、代谢元素和信息元素；（3）湿地附近的土地利用方式，它直接影响湿地的规模和结构；（4）水体和空气质量，它对生物的生存环境具有重要影响；（5）气候变化；（6）外来生物物种入侵；（7）河流泥沙通量；（8）河床渠化、硬化和节点化，它使河流生物栖息地环境发生改变。由此可见，当人类耗用了河流的绝大部分水量、改变了径流的季节分配和流速、污染了水体、干扰了河床形态、过多或过少改变河流的来沙量，河流生态系统必然受到严重伤害。
6 结语
河流生命是河流的自然属性，其核心是连续而适量的河川径流；河流健康是人们对河流生命存在状态的描述，是河流的社会属性，其核心是充足而洁净的河川径流。健康河流是指在相应时期其社会功能与自然功能能够均衡发挥的河流，其标志是具有良好的河床、水质和河流生态系统，并拥有充足的河川径流。
河流健康的指示性因子应是能够基本反映河流自然功能的因子，包括河床形态、水质、河流生态和河川径流。不过，由于不同的河流其自然特点和社会背景不同，因此健康指示性因子的种类和数量等因河而异。指示性因子的量化标准不仅要充分考虑维持河流自然功能的需要，还要充分考虑河流的自然功能和社会功能的均衡发挥，并应随自然和社会条件的变化及时调整。
河流健康低限指标是使河流生命得以维持的临界值，其确定应考虑维持干流与其主要支流的水力联系、河川径流与地下水的水力联系、水流沿程传播过程的自然蒸发和渗漏、人类生活用水和河流生态最小需水等因素。
分析河流健康维持机理可见，人类过多抽取河川径流、过多开发水电、不当的调控洪水和泥沙、过多向河流排污和过多改变关键物种栖息地环境的活动，均会对河流健康造成严重伤害。
参考文献
1、刘晓燕，张原峰，李勇，张建中.黄河下游主槽恢复目标和相应条件研究.科学通报,2006,51(增).
2、岳德军.黄河下游输沙水量研究.人民黄河，1996（8）.
3、陈英旭. 环境学.中国环境科学出版社,2001.
4、丁圣彦. 生态学. 科学出版社，2004.
作者单位：水利部黄河水利委员会
|
延伸阅读
|
