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河口生态系统位于河流生态系统与海洋生态系统交汇处,具有独特的环境特征和重要的生态服务功能。然而伴随人类活动及气候变化对河口环境的影响日益加剧,河口生态系统面临着生态系统结构和功能显著下降等系列问题。生态系统退化的一个重要原因是对维持河口生态系统健康的需水规律认识不足。目前河口生态需水计算方法主要基于特定生态保护目标确定相应淡水输入需求量,由于不同生态保护目标的生态需水过程间具有显著的时空差异性甚至冲突,相应造成了整合不同类型生态保护目标开展生态需水过程分析的困难。本文提出综合考虑不同生态目标需水要求的多目标整合生态需水分析方法,并在黄河口生态需水评价中得到应用。
本文提出的河口生态需水分析框架分为生态目标筛选、河口生态水文过程模拟和多目标需水整合三部分。其中生态目标筛选部分包括典型生物栖息地筛选和栖息地关键生态要素筛选两部分。河口生态水文过程模拟由水动力学模型和生态需水关键生态要素时空分布模型组成。在保护河口典型生物栖息地生态需水量与保护河口整个水生生物赖以生存的多目标生态需水过程统一性原则、Sheford耐性定律及10％河口最低淡水输入量原则前提下,首先根据兼容性的原则,采取最大值和最小值方式,整合不同生态要素要求下的单一生物栖息地最小等级和最大等级需水量；最后根据整体最优原则,确定河口不同生物栖息地综合生态需水量。多目标整合生态需水分析方法确定的河口生态需水量范围,不以保障单一生物过程的需水过程为主要目标,但有利于维持河口水生生物多样性和生态系统整体健康。
黄河口生态需水研究实例中选取中国对虾、脊尾白虾、梭子蟹和海蜇等不同类型生物栖息地作为研究区域,以不同类型生物栖息地在繁殖期和育肥期对盐度和水深的要求作为关键生态需水目标,以黄河口各月天然径流量占年度总量的比例作为生态需水时间变化目标,通过建立黄河口典型生物栖息地生态水文过程模型,分析了河口不同生态需水目标对淡水输入的响应关系及其需水过程,最后整合单一生物过程不同类型生态要素需求以及不同类型生物过程需水目标,明确了黄河口不同时间尺度的生态需水量范围,通过分析比较河口实际径流量的年内变化、年际变化以及黄河调水调沙过程与不同时间尺度生态需水范围的关系,为黄河口生境维持、生物多样性保护和水资源管理提供科学依据。
研究结果表明,黄河口年度生态需水量应处于17.76×109m3和57.37×109m3范围内,分别占黄河口天然径流量的30.61％和98.92％。与多年河口实际径流量相比,20世纪90年代之前,91.4％年份的径流最能满足最低等级需水量要求,90年代之后,大多数年份最小等级需水量都难以得到满足。此外,黄河口需水量季节差异明显,一年中最大需水月份为8月,各月实际径流量(1950—2003年)基本能够满足最小等级需水要求,仅在5月和6月略低于最小等级需水要求,不利于这一时期在黄河口产卵、育肥的生物生存。黄河口生态需水量日变化存在三个关键过渡时期:4～5月、6～7月、10月。这三个关键时期也是黄河口大多数生物繁殖和育肥的关键期。黄河口在4～5月应保证的需水量范围为400～1700m3/s:6～7月应保证的需水量范围为550～2700 m3/s；10月应保证的需水量范围为870～2800m3/s。流量过大或过小均不利于河口水生生物生存,因此,过渡时期的流量及流量变化需要在生态需水评价中引起重视。调水调沙在一定程度上影响黄河口水量时空分布。2002～2010年间6月、7月和9月调水调沙过程中,利津站平均径流量为2367 m3/s,与不同等级生态需水量相比,在7～10月进行调水调沙工作,高峰流量不会影响到河口栖息地状况,而在6月则会改变河口天然径流状况,不利于河口水生生物栖息地生态系统健康和稳定。