河口生态与淡水入流量分析

2015-04-06美国阿辛顿

水利水电快报 2015年8期

关键词：淡水

［美国］A．H．阿辛顿

河口生态与淡水入流量分析

［美国］A．H．阿辛顿

摘要:河口淡水入流的变化，对包括河口一带含盐度、物种栖息地及渔业生产力等河口状况都会带来重大的影响。从河口的定义出发，论述了造成河口退化的各种原因及其面临的威胁，列举了世界各地一些不同特性河口的实例，讨论了河口的流量要求、河口生态和水文生态原则及确定流入河口合理流量的各种方法。

关键词:河口生态;淡水;入流量;流量分析

1　概述

河口是河流下游的终点，此处断面扩大，是淡水与海水的交汇处，常受海洋潮汐的影响。人们可以将河口想象为一条向内陆延伸的狭长海湾，河流的终点与之汇合。河口的定义很多，而学者费尔布里奇是这样定义河口的:河谷末端通向海水直至潮汐浪峰(潮汐的最上限)的入海口，通常可分为3类:①海洋型河口即弱潮河口，河口水体与外海联系自如;②中潮河口，盐度很高，并与淡水混合;③强潮河口，具有淡水特性但受日潮汐影响。对含盐量很高的湖泊型河口及其他临时封闭的河口，则另外定义为:河口是部分封闭的沿岸水体，与外海定期地或永久性地联系，由于海水与地面排入的淡水混合，造成该水体中一定盐度的变化。

河口的这种物理特性，反映了其固有和传承的许多特征:海岸的古老形态、岩石特性、气候变化形成现代地貌的泥沙输移沉积、河流流态、泥沙来源以及包括潮汐和潮汐波的海洋环境结构。河口可分为如下类型:海湾型和溺谷型、波浪优势型、波控型三角洲、间歇性的滨海内流湖和泻湖(ICOLLS)，潮汐优势型、潮汐优势型三角洲和潮汐小溪。从广义上讲，所有这些河口环境都反映出咸水和淡水的相互作用，而在这些作用中，盐度是呈梯度变化的，河口的上游段几乎是淡水流入，盐度最低。淡水流入河口时，在较深和较高盐度的海水上形成了一薄水层，并以梯度含盐形式渗透到内陆。淡咸两层水究竟混合到何种程度，取决于流动的淡水和潮汐能的混合力，但两者通常是不可能完全混合的，因此，在距上游的一段距离内，咸水是呈梯度分布的。在许多河口地带，如盐土沼泽地、红树林、海滨泥地、开阔水面、夹杂有岩石的潮间带、礁石和沿岸沙滩等，含盐量的变化都有助于生境类型的多样性。

河口形成了“河流连续水体”的最末端，因为它们是通向淡水流入的干流，其生态特性(采用拉姆萨尔湿地术语)很大程度依赖于淡水流态。因此，河流流量及流入河口的淡水流态可以用类似于河流流量的术语来描述，即水量(排入河口的水量)、季节性流入时间、洪水和枯水的频率和历时、水流特性、水流变化和可预测性，且必须将入流淡水的泥沙和水质特性，即温度、盐度、营养物和有机物含量及污染物加入到其中。大量人为改变入流流态造成不良影响的例子充分说明了淡水流入对河口生态状况和恢复能力是何等的重要。

2　河口生态系统的变化与面临的威胁

河口地区是人类定居的首选之地，大多历史悠久，经历了复杂多变的人类活动:人们从最初简陋的住所和以捕鱼为生，通过长期的大量农田开垦和水资源开发，发展到建设世界上雄伟的大都市和港口。全世界大约有60%的人口沿河岸居住，沿岸水域生产力很高，捕鱼量占全球总量的90%。在临近河口的许多沿海地区和河口流域一带，近年来土地利用发生了巨大变化，将农业、城市和工业发展的副产品直接运到河口水道和周围的生态系统一带。前面所讨论的流域上游和淡水系统(特别是河流)中大部分的威胁，都可能危及到下游直至河口和沿海湿地。

河口退化过程主要为:土地清理和城乡径流所造成的淤积不断增多;水流通过堰坝后发生变化;污水和农用肥料生成的营养物负荷增加;城市和工业废水;河流酸化和源自矿山、漏油、滩涂开发、疏浚导致重金属污染引起的酸化作用;旅游开发和相关活动;海洋水产养殖场地;引入害虫物种的传播;过度捕鱼等。

此外，河口水道也会受到港口设施施工、拦潮坝和顺堤以及入海口方向的改变、封闭河口人为开启的影响。

2．1陆地面临的威胁

沿海地带主要由人类活动而产生的地面径流对沿海生态系统的水质会构成威胁。水质下降与地面清理、农业和城市发展、工业污水排放密切相关，加上植被良好的流域地带及河岸地区反滤能力和缓冲能力不断退化，导致水质下降更为严重。水质下降影响甚广，小则河流中产生沉淀物、富营养化、形成藻花危害，大则鱼群大规模地缺氧死亡、海洋生物多样性减少，并对渔业造成影响。在全球范围内，沿海地带的可溶性无机氮和可溶性无机磷是人为的主要扩散污染源和点污染源，但也有几个热点:有些区域也会出现较多的有机氮和磷，例如，印尼、日本、南亚和中美洲。人类产生的富营养化物会迅速漫延，主要出现在欧洲的波罗的海和黑海一带，美国的切萨皮克市和旧金山海湾，以及日本、香港、澳大利亚和新西兰附近域的各水域。

沉积物是河口内的一种自然过程，通过其提供养分、掩埋污染沉积物、营建栖息地结构和缓冲海岸带的侵蚀，从而发挥着各种重要的功能。当河口内和沿海地区沉积物传输和沉积的速率超出自然水平以上时，就产生了环境问题，当然，还取决于地质状况和土地利用情况。沉积物也可能传播诸如碳氢化合物、重金属和养分等污染物。尽管许多沿海地区通过建坝蓄水和拦沙使沉积物输送速率减慢，但仍有一些地区沉积物却有增无减，越来越多。例如，切萨皮克(Chesapeake)海湾沉积物的平均值沉积率1760年增加了一个数量级，当时是因为启动了土地清理项目，而在加利福尼亚淘金热时期，由于水力采矿和粗放的林业活动，导致沉积物大量地流入旧金山湾。

在暴风雨时期，大多数陆相沉积物汇入河口，形成了沉积物数量级高于短时间内平均值的总量。细粉砂和粘土絮凝物一旦与海水接触，便迅速沉积，要么覆盖住河口和海洋沉积物以及相关的生物区，要么形成一薄层覆盖层，可能使大型底栖动物长期受困，但不致其于死地。从河口地带输移的细泥沙，还会使悬浮固体浓度不断增大，影响到河口生物群落。特别浑浊的水，加上浮游植物以及海藻和海草的生长，可能会阻隔光线的透射，影响到初级生产力的相对重要性。

低浓度的营养物富集，可提高生产率，促进海草的生长，但海草所在区域的密度会下降，究其原因，通常是因为在低营养水平的沿海环境中富营养化所造成的。营养物富集促使浮游植物和附生藻类疯长，附生藻类的生长状况甚至可能对海草床有遮阳作用，减少了光化合成作用和海草的密度。另外，悬移质含量提高，细颗粒沉积物沉到海草叶片上，同样也减少了光的透射和光合作用。

海草在沿岸浅水域和河口地带往往会形成大规模的牧场，在河口一带，海草生产率高、结构形态多变，对许多其他物种的栖息地(称为栖息地创始者的生态工程师)都会有益。此外，海草还能为海洋环境提供众多的重要生态服务。例如，海草能使泥沙沉积、改变水流流态，产生大量的有机碳，并促成养分循环、稳定食物链结构。对许多大型草食动物，如绿海龟、儒良(一种海生哺乳动物)、海牛等，海草成为其主要的食物资源;海草因其结构复杂、种类繁多而成为许多动物(包括商业性和娱乐性的重要渔业物种)赖以生存的栖息地。在美国，在易于灭绝的28个鱼种中，有11种至少在其部分生命周期内生活在海草栖息地。

2．2流态变化

河口的大部分物理、化学和生物条件的时空剧烈变化，都是以淡水流入的季节性变化和年际变化出现的。学者埃斯特韦斯在论及淡水流入河口的管理时指出，淡水流入河口的变化，已危及到世界上众多的河口，而且潜在的危害还要多。土地利用的变化、城镇化、河流走廊等水利工程、供水大坝、农地小坝、河流改道、河道取水、抽取地下水等等，都可能改变流入河口的淡水水量、水质和发生时间。

淡水流入河口的变化，对河口系统和沿岸湖泊/泻湖都有很大的生态方面的影响。水库蓄水会中断泥沙和养分向下游输移，可能对输向下游的养分和有机资源总量及时机造成极大的影响，因而导致生物群落的重建并对渔业的生产力也带来影响。大坝的拦沙作用使河流泥沙的输移被抑制，换回的是大规模的湿地和三角洲损失。沃勒什毛尔蒂等人作过这样的估算，在全球范围，泥沙总量的16%已被世界各国的大坝拦截。在欧洲的多瑙河、第聂伯河、德涅斯特河和顿河上，由于大坝的拦截，养分减少，一定程度上造成黑海、亚速海和里海的渔业产量下降。这些海中最有价值的商业性渔业已减少了90%到98%，而在里海，鲟鱼捕捞量只有历史水平的1%～2%，在黑海和亚速海的西北部，其捕捞量为零，也就是说这种鱼已完全灭绝。类似的情况同样也发生在尼罗河中，由于河上建有阿斯旺高坝，因大坝的拦截作用，营养物减少，造成整个东地中海的渔业产量下降。

不管淡水输送的泥沙量和养分有多少，正如前面所述的淡水注入河口的水量变化，都会对河口状况产生重大的影响。最明显的一种后果是，淡水注入量减少，咸水可能回灌到河流的远上游，形成河口一带含盐量呈梯度的增加。

在降雨和径流减少、蒸发量持续增高的极端情况下，河口的水就可能含盐度高。此外，河流上游含盐量的变化，加上出流流量的减少，还可能导致从极低含盐量(即淡水入流区)到海洋海水这一过渡区的扩大，因而使得河口环境变得更宽，生物的分布型式和栖息地变得更复杂多样。

如果河流流量减小，以至增大了潮汐对水循环模式的影响，就可能使河口的整个水动力状况发生改变。不过现已开发出一种成熟的重力环流分层系统，可改进成为良好的增大潮交换能力的混合系统。由于流入水量的变化导致分层变化，反过来又会影响到底层水的氧含量，甚至导致缺氧，这一点已在切萨皮克海湾得到证实。

淡水流量的另一个水动力效应是河口最大浑浊带的形成，在这一带，悬浮固体及其他表层物质聚集，形成沿河口纵轴线的前缘带。在旧金山湾河口的北部，河流流量控制着河口最大浑浊带的位置。当河流流量(100～350 m3/s)处于临界范围内时，便将河口最大浑浊带推向浅湾附近一带，因这里光照比开敞的河口湾柔和，使得近岸的硅藻增多。

淡水流入量减少，还可能导致河口一带冲刷加大，或淡水传播时间延长，前者会使河口一带的砂土料被冲走，后者还会使污染物浓度和病菌量增大。淡水流入量的减少势必有利于浮游植物的增殖，因为养分和细胞的滞留时间增加了，种群可能集中占有更多的养分。藻花可能为短期阵发性的、呈周期性的季节性现象，而与气候异常或水文状况相关的事件罕见，则取决于潮汐、风和淡水流入的影响。

很久以前从事商业性的渔民们就认识到了河口地带淡水入流量与渔业响应之间的关系，从几种机理分析，在河口捕捉鱼类和甲壳动物与淡水的流入量之间存在着较强的相关关系。淡水流入，可能会通过带入激发处于食物链低端的有机和无机物(包括养分) (例如，浮游植物和细菌)而提高河口的生物生产力，其流动效应能使物种以较高的营养水平生长和存活。

3　河口流量要求

学者埃斯特韦斯对河口淡水入流研究进行了梳理，向河口科学工作者和资源管理者提出了两个基本问题:天然流量的变幅为多大才不致造成危害?必须达到多少流量才能缓解流态被破坏?他用下面这段话做出了一个简短回答:“研究河口入流的最有效方式很可能要追踪到流量和含盐量、数种时空尺度的可行性、各级生物和生态系统组织的运行条件、非线性函数运用的优势，以及向其他各系统的转换。”研究河口的淡水流入问题有多种方法，河流研究人员也曾采用过如下许多方法或技术，如水文特征变异技术、栖息地法、指示生物技术、价值生态系统要素法、食物链技术、群落指标法以及景观和适应性管理方法。

根据奥尔贝尔理论，河口的环境流量方法可按实际流入量分为几种类型(例如，相对于天然入流量的百分比)。

以下将介绍这些方法所应用的典型实例，最后拟定了河口入流量要求(生态系统)的整体性评估框架。

3．1水文变化或淡水入流技术

1970年，美国国会通过了立法，即订立了大沼泽地国家公园的最低入流流量。之后于2000年颁布了水资源法，解决了淡水入流量问题，即要求水资源管理区在其管辖范围内确立地表水和含水层的最小流量和最低水位(MFL)。所谓“最小流量”，就是流量只可下降至对某区域水资源或生态造成明显不利影响的最低限度。各水资源管理区按照法律法规采取了种种实施MFL法令的办法。南佛罗里达州水资源管理区对有提取淡水许可证的用户，制定了允许10%日流量的规定，研究表明，淡水入流量减少10%或更少时，将对河口状况影响最小。即使10%的规定不再有效，水资源管理区仍然会有提取淡水入流量一定百分比的限制。

3．2状态法

在这种方法中，淡水入流标准是以有益于水生生物群生存在一定含盐量的水域和维持某地区含盐量为基础的。旧金山河口工程制定了X2位置的淡水入流标准，确定了从金门大桥到有益于水生生物生存的等含盐量2 psu(实际含盐量单位)位置的距离。人们发现，X2位置与浮游植物增长、糖虾和河虾的丰富性、小鲑鱼的存活率，以及食浮游生物、食鱼和水底觅食鱼之间有着明显的统计关系，且都支持这种标准。X2位置的变化与河流淡水流入河口的流量有关。

3．3栖息地法

在佛罗里达州的素旺尼(Suwannee)河口，评估淡水要求的方法为确认在河口范围内将予保护的“目标栖息地”和维持这些目标栖息地所需的含盐量。这里确认了5个目标栖息地:潮汐淡水沼泽地、潮汐沼泽地、低盐度的沉水水生植物带、牡蛎礁石带和沙洲，以及潮汐小溪，而且就需要维持适合于各栖息地含盐量的淡水入流量提出了建议。所建议的含盐量如下:潮汐淡水沼泽地为小于或等于2‰。牡蛎栖息地为35‰。

3．4价值生态系统要素法

南佛罗里达州水资源管理区采用了遵循淡水入流量要求的资源法，而该方法又可追溯到价值生态系统要素法。一旦确定了某种重要资源(或资源配置)，就要有维持该资源的合适外部环境条件。在佛罗里达州的卡卢萨哈奇(Caloosahatchee)河河口，确定了3个海草物种，即美国苦草属、二药藻属和泰莱草，并将它们定为能为幼体河口物种和海洋物种提供重要水底栖息地的关键物种。由于这些海草对水体含盐量的要求各有不同，因此建议将维持沿河口纵轴向的含盐量分布型式作为河口健康的一项总体指标，用水文分析和模拟方法确定维持河口范围内目标含盐量所需的流量。

3．5资源法

这类方法系利用历史月(或其他周期)淡水入流量与捕涝河口的各种鱼类、甲壳类动物或软体动物之间的一系列关系。对于七大著名的德克萨斯州湾及其河口，用德克萨斯州河口数学规划模型(Tx-EMP)，就能建立一种非线性、随机且多目标优化的模型，能模拟含盐量与淡水入流量以及捕鱼量与淡水入流量之间的关系。运用淡水入流量与含盐量之间关系的变化来设定含盐程度的统计范围。TxEMP可以用GIS(地理信息系统)结合二维水动力循环量模型(TxBLEND)进行模拟，得到不同淡水入流量生成的各种含盐量状况下的湿地地图和牡蛎礁石分布图。运用该模拟方法，还能绘出一条河口特性曲线，便于研究人员和水资源管理者研究各种方案，从水资源规划和取水许可方面评估这些方案的优劣。

在澳大利亚的淡水流入河口的研究中，类似的资源模拟框架是一种很通常的做法。在用于河流的积木法试验中，人们通过对昆士兰东南部的沼泽河口一带渔业生产的研究，有了初步的认知。之后便在制定昆士兰沿海河流的流域水资源规划中，多处运用了淡水入流量与捕鱼量之间的关系。通过进一步的研究，人们又逐步认识了淡水流量在维持澳洲肺鱼种群的生长率和年龄结构方面的重要作用。

3．6整体性方法

学者皮尔森等人拟定了一个评估环境需水量以维持河口演变过程的两阶段整体性方法，即初步评估和详细研究。

(1)初步评估。①步骤1:确定待研究的环境流量问题。步骤2:评估河口价值(如钓鱼、休闲娱乐)②步骤3:评估淡水入流的水文变化。③步骤4:评估河口对水文变化的脆弱性。

(2)详细研究。①步骤1:运用流域径流和河口水流模型研究现行的用水对运输、水体混合、水质和地貌的可能影响。②步骤2:确定河口的环境流量方案(如保护特殊的资源)。③步骤3:运用所建模型评估拟定的调整淡水入流量方案的影响。④步骤4:评估各种情形河口生物群的风险。⑤步骤5:注册登记和开发审批。⑥步骤6:适应性管理。