董哲仁，張 晶，趙進(jìn)勇

（中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

一、生態(tài)流量定義

生態(tài)流量（Ecological Flow）的研究20 世紀(jì)70 年代始于美國。 為執(zhí)行《清潔水法》，也為了滿足大壩建設(shè)高潮中生態(tài)流量評估的需求，政府管理部門開始生態(tài)基流的研究和實踐，確定河道中最小流量，以維持一些特定物種如魚類生存和漁業(yè)生產(chǎn)。 此后，發(fā)達(dá)國家為應(yīng)對人類大規(guī)模活動改變自然水文情勢引起水生態(tài)系統(tǒng)退化的挑戰(zhàn)，開展了多方面的研究和實踐。 這里所說的改變自然水文情勢的人類大規(guī)?；顒佑幸韵聨追N：①從河流、湖泊、水庫大規(guī)模取水或調(diào)水；②水庫蓄水；③通過水庫實施人工徑流調(diào)節(jié)。 科學(xué)家們認(rèn)為，為保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)，有必要在人類開發(fā)水資源的背景下，確定維持河湖生態(tài)健康的基本水文條件。

20 世紀(jì)80 年代， 歐盟及澳大利亞、南非等國家陸續(xù)開始了相關(guān)研究和實踐。 為將生態(tài)流量納入第二輪歐盟流域管理規(guī)劃，在《歐盟水框架指令》共同實施戰(zhàn)略框架下，于2015 年制定了《歐盟水框架指令》共同實施戰(zhàn)略第31 號指導(dǎo)文件。 文件回顧了環(huán)境流量的概念和主要定義， 提出《歐盟水框架指令》中“生態(tài)流量”的定義是：為實現(xiàn)《歐盟水框架指令》第4（1）條所述環(huán)境目標(biāo)下的自然地表水體的水文情勢。 其中，第4（1）條所述環(huán)境目標(biāo)指：①現(xiàn)狀不退化；②實現(xiàn)自然地表水體良好生態(tài)狀況；③保護(hù)區(qū)內(nèi)遵守其保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)。

生態(tài)流量是一個不斷發(fā)展的概念，現(xiàn)存生態(tài)流量定義有多種，本文給出生態(tài)流量的定義是：為了部分恢復(fù)自然水文情勢的特征，以維持河湖生態(tài)系統(tǒng)某種程度的健康狀態(tài)并能為人類提供賴以生存的水生態(tài)服務(wù)所需要的流量和流量過程。

環(huán)境流量（Environmental Flow）是與生態(tài)流量類似的概念，不過比后者涉及的因素更為寬泛。 在多種環(huán)境流量的定義中，受水文情勢變化影響的因素除了河湖生態(tài)系統(tǒng)以外，還涉及社會經(jīng)濟(jì)用水、景觀美學(xué)價值、文化特征等多種因素。 生態(tài)流量則集中關(guān)注水文情勢變化對生態(tài)系統(tǒng)特別是對于生物的影響，更加突顯水文情勢的生態(tài)學(xué)意義。 歐盟國家多采用生態(tài)流量概念，而美國、澳大利亞等國較多采用環(huán)境流量概念。 一般來說，實施生態(tài)流量管理的流域或地區(qū)是水資源相對匱乏、人類經(jīng)濟(jì)社會用水與水生態(tài)系統(tǒng)需水呈現(xiàn)競爭態(tài)勢的流域或地區(qū)。

二、生態(tài)流量理論要點(diǎn)

綜合分析生態(tài)流量理論幾十年發(fā)展歷程，要點(diǎn)可以歸納如下：

1.水文情勢是維系河湖生態(tài)健康的關(guān)鍵因素

水文過程是河湖生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力。 水文情勢的重大改變，引起水位、流速、水溫等水力學(xué)因子變化，會直接影響魚類和無脊椎動物的生存和繁殖， 也會增加生物入侵的風(fēng)險。水文情勢重大改變會導(dǎo)致棲息地數(shù)量、質(zhì)量和時空分布的變化，還會直接影響河漫灘植物的構(gòu)成和蓋度。 可見在生境各項要素中，水文情勢是關(guān)鍵要素。 用生態(tài)流量控制改變水文情勢的人類活動（取水、蓄水、徑流調(diào)節(jié)）是流域管理的有效舉措。

2.生態(tài)流量不僅規(guī)定最低流量，而且規(guī)定流量過程

早期生態(tài)流量只規(guī)定枯水期最低流量， 近十余年的研究和實踐表明，生態(tài)流量不僅要規(guī)定枯水期最低流量，而且應(yīng)規(guī)定流量過程，包含流量、頻率、時機(jī)、持續(xù)時間和變化率，只有考慮流量過程才能保證生態(tài)目標(biāo)的實現(xiàn)。

3.把自然水文情勢定義為生態(tài)流量的參照系統(tǒng)

自然水流范式（Nature Flow Paradigm, NFP）認(rèn)為，未被大規(guī)模干擾的自然水流對于河流生態(tài)系統(tǒng)整體性和支持土著物種多樣性具有關(guān)鍵意義。 在生態(tài)流量理論中，把自然水文情勢作為參照系統(tǒng)，即定義自然水文情勢為水文理想狀態(tài)。 在實際應(yīng)用時，可將人類大規(guī)模開發(fā)利用水資源或進(jìn)行水庫徑流調(diào)節(jié)之前的水文情勢作為自然水文情勢，在長序列水文監(jiān)測數(shù)據(jù)中經(jīng)評估確定。 如果缺乏長序列水文數(shù)據(jù)，可以依靠歷史文獻(xiàn)分析和專家經(jīng)驗確定。

4.評估當(dāng)前水文情勢與自然水文情勢的偏離程度

采用合適的數(shù)學(xué)方法評估當(dāng)前水文情勢與自然水文情勢的偏離程度，借以評估人類活動的水文脅迫程度，為制定生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

水文情勢可以進(jìn)一步細(xì)分為5種水文因子，即流量、頻率、時機(jī)、延續(xù)時間和過程變化率。 這些因子的組合不但表示流量，也可以描述整個水文過程。 自20 世紀(jì)90 年代起，國外學(xué)者先后提出了多種自然水文情勢的量化指標(biāo)體系，其中具有代表性的是美國Richter 和Mathews 等提出的5 類33 個水文變化指標(biāo)（Indicators of Hydrological Alteration,IHA）。 為評估偏離程度，國外學(xué)者還研究了若干評估當(dāng)前各項水文指標(biāo)與自然水文情勢的偏離率的計算方法，如RVA、HMA 法。

5.建立水文情勢改變- 生態(tài)響應(yīng)關(guān)系

為了回答“欲達(dá)到預(yù)期的生態(tài)目標(biāo)，需要恢復(fù)什么樣的水文情勢？ ”這個核心問題，需要建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)定量關(guān)系， 這也是近十余年生態(tài)流量研究的方向。通過調(diào)查、監(jiān)測獲得大量數(shù)據(jù)， 用統(tǒng)計學(xué)方法和大數(shù)據(jù)分析，建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系， 依靠這種關(guān)系識別水文情勢改變的生態(tài)響應(yīng)。 所謂生態(tài)響應(yīng)包括生物響應(yīng)和棲息地數(shù)量、 質(zhì)量以及時空格局變化。 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步論證保證達(dá)到預(yù)期生態(tài)目標(biāo)的生態(tài)流量。

歐盟水框架指令（WFD）作為歐盟立法， 要求成員國水體在2015 年綜合指標(biāo)（水文、地貌、物理化學(xué)和生物）達(dá)到良好等級。 歐盟水框架指令共同實施戰(zhàn)略指導(dǎo)文件要求成員國為達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，必須制定相應(yīng)的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)。 其步驟包括建立自然水文情勢參照系統(tǒng)；評估當(dāng)前水文情勢與參照系統(tǒng)的偏離程度；建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系； 通過監(jiān)測分析，評估規(guī)定的生態(tài)流量能否支持達(dá)到預(yù)定的綜合指標(biāo)。

6.實施生物、水文、水質(zhì)和地貌的綜合監(jiān)測

生態(tài)流量的制定和實施必須有大量數(shù)據(jù)支持，因此建立水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是實施生態(tài)流量管理的基礎(chǔ)工作。 水生態(tài)的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)是綜合的，包括生物、水文、水質(zhì)和地貌。

7.基于適應(yīng)性管理，將生態(tài)流量評價作為水資源管理工具

生態(tài)流量是一個科學(xué)概念，更是一個管理工具，需要在水資源綜合配置時，通盤考慮人類社會與維持生態(tài)健康的需求。 生態(tài)流量評價結(jié)果需考慮生活、生產(chǎn)、生態(tài)多種用途，由利益相關(guān)方共同論證、取得共識。 由于涉及多方利益，公眾參與尤為重要。 同時，生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)不宜絕對化，這是由于自然河流的生態(tài)系統(tǒng)和人類的認(rèn)知均存在不確定性， 特別是對水文-生態(tài)響應(yīng)規(guī)律的認(rèn)知尚不完善，即使是經(jīng)過論證的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)在實踐中基于適應(yīng)性管理技術(shù)，根據(jù)水文、生態(tài)持續(xù)監(jiān)測結(jié)果，不斷進(jìn)行調(diào)整和修正。

三、生態(tài)流量計算方法比較

迄今為止國際上有200 多種生態(tài)流量計算方法， 主要為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法以及整體分析法這4 類。 常用的生態(tài)流量計算方法見表1。 目前這些方法仍在世界各地使用，我國引進(jìn)了這些計算方法并在諸多生態(tài)流量相關(guān)的導(dǎo)則與指南中引用， 如水資源保護(hù)規(guī)劃編制規(guī)程（SL 613—2013）、 河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃導(dǎo)則（SL 709—2015）等均有相關(guān)內(nèi)容，這些方法在實踐中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況和需求有所選擇地進(jìn)行使用。

四、生態(tài)流量計算案例

1.水文學(xué)法計算案例

以沙河 （白龜山水庫-昭平臺水庫段）為例，根據(jù)河段所處流域及氣候條件、Tennant 法相關(guān)要求， 以當(dāng)?shù)氐难雌诤头茄雌谶M(jìn)行時段劃分，其汛期為6—9 月， 非汛期為1—5 月和10—12 月，其中汛期采用多年平均流量的20%、非汛期采用多年平均流量的10%作為確定保護(hù)魚類、 野生動物、娛樂和有關(guān)環(huán)境資源的最小生態(tài)流量。 計算結(jié)果見表2。

表1 常用的生態(tài)流量計算方法

2.水力學(xué)計算案例

濕周法是根據(jù)河道斷面濕周與斷面流量之間的關(guān)系，建立濕周—流量關(guān)系曲線，以曲線上的突變點(diǎn)對應(yīng)流量作為河道最小生態(tài)流量，通常選取曲線中斜率為1 曲率最大處的流量作為河道生態(tài)需水量。

以大寧河流域某支流為例，選取研究河段上、中、下游3 處典型斷面（見圖1），利用實測斷面數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式計算濕周和流量。 根據(jù)謝才公式和曼寧公式，流量計算公式如下：

式中，Q為流量 （m3/s），A為過水面積（m2），p為濕周（m），J為水力坡度（比降），n為糙率。

各斷面通過濕周法計算的生態(tài)流量分別為2.5 m3/s、1.7 m3/s、3.1 m3/s，因此選取最大值3.1 m3/s 作為該河段的生態(tài)流量。 同時，還計算了3 處斷面的水力半徑、流速等指標(biāo)，見表3。

表2 汛期與非汛期生態(tài)流量

圖1 典型斷面位置圖

表3 研究河段典型斷面計算結(jié)果匯總表

3.生境模擬法計算案例

應(yīng)用River2D 模型中的魚類棲息地計算模塊， 基于IFIM 法中PHABSIM 模型的加權(quán)有效面積方法， 以赤水河為例，確定生態(tài)流量。 River2D 模型 （Two Dimensional Depth Averaged Model of River Hydrodynamics and Fish Habitat）由加拿大阿爾伯特大學(xué)2002年研發(fā)，可以模擬天然河道中河流水動力條件和魚類生境，廣泛應(yīng)用于河道治理、污染物遷移和魚類棲息地評價。赤水河是長江上游目前唯一未被開發(fā)的一級支流，水質(zhì)良好，受人類活動干擾較小， 是長江上游特有魚類及多種水生生物的重要棲息地或產(chǎn)卵場。 選擇赤水河下游兩個典型河段開展研究，其中蜿蜒河段長度為5 625 m、順直微彎河段長度為1 583 m。以長江流域特有魚類巖原鯉為指示物種，構(gòu)建巖原鯉成魚流速、水深和河道指數(shù)的適宜性曲線， 采用River2D 生態(tài)水力學(xué)模型，計算有效棲息地面積（WUA），并建立有效棲息地面積與河流流量的關(guān)系曲線，確定巖原鯉的適宜流量，作為確定生態(tài)流量的參考依據(jù)。

（1）適宜性曲線構(gòu)建

巖原鯉（Procypris rabaudi,Tchang）為長江中上游流域特有物種，被《中國瀕危動物紅皮書》 列為易危物種，并被列為國家二級珍稀魚類保護(hù)品種。 魚類對于棲息河段流速、水深、河道指數(shù)等因子具有其適應(yīng)性范圍，可用適宜性曲線表征。 基于文獻(xiàn)調(diào)查的結(jié)果，巖原鯉成魚的流速、水深和河道指數(shù)的適宜性曲線見圖3。

（2）流量條件確定

選取枯水期、平水期、豐水期和洪水期四個時期的不同水文頻率條件進(jìn)行棲息地適宜性評價。 不同水文條件下研究河段流量見表4。

圖3 巖原鯉成魚適宜性曲線

圖4 流量-有效棲息地面積比例曲線

表4 不同水文條件下流量情況

（3）有效棲息地面積（WUA）計算

根據(jù)目標(biāo)魚類對于各微生境因子的適宜性曲線得到每個單元各影響因子適宜性值，然后將其組合得到每個單元的組合適宜性值，最后計算研究河段的有效棲息地面積。 其中：

式中，WUA是研究河段有效棲息地面積；CSF（Vi，Ci，Di）是每個單元的組合適宜性值。其中：i是劃分的單元個數(shù)；D是水深適宜性指數(shù)、V是流速性適宜指數(shù)、C是河道指數(shù)適宜性指數(shù)（包括基質(zhì)和覆蓋物）；Ai是每個單元的水平面積。

結(jié)合River2D 模型對各流量下有效棲息地面積的模擬結(jié)果， 計算各流量下三種模擬河段有效棲息地面積、總棲息地面積及有效棲息地面積比例， 并建立流量—有效棲息地面積比例的相關(guān)曲線見圖4。

由圖4 可知， 順直微彎河段加權(quán)可利用棲息地面積先增加后減小，在平水期內(nèi)流量Q=306.9 m3/s 時最大，所占總面積比例為11.67%；蜿蜒河段加權(quán)可利用棲息地面積呈現(xiàn)雙峰形式， 在豐水期內(nèi)Q=540.4 m3/s 達(dá)到最大值后降低，并在2 年一遇洪水流量（P=50%）Q=3 260 m3/s 有所提高，隨后降低，最大加權(quán)可利用棲息地面積占總面積比例為10.40%。兩個河段比較可知， 順直微彎河段在豐水期和洪水期難以為巖原鯉提供有效的棲息空間，2 年一遇洪水情況下（Q=3 260 m3/s）有效棲息地面積比例降至0.92%，5 年一遇洪水（Q=5 040 m3/s）有效棲息地面積比例僅為0.07%。因此，確定順直微彎河段生態(tài)流量為306.9 m3/s，蜿蜒河段生態(tài)流量為540.4 m3/s。

五、結(jié) 語

回顧生態(tài)流量幾十年研究進(jìn)展表明， 生態(tài)流量概念是不斷發(fā)展的，以自然水文情勢為基礎(chǔ)的生態(tài)流量對水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和生態(tài)完整性至關(guān)重要。 因此，需要建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系， 評估水文變化與其他生態(tài)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，獲得水文變化對生態(tài)影響的閾值，從而確定生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)。 這是生態(tài)流量理論發(fā)展的方向。 另外，從管理需求出發(fā)，生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)不宜絕對化、僵化、一成不變， 對于任何一條特定河流，不存在“唯一的”“正確的”生態(tài)流量方案，在使用中需運(yùn)用適應(yīng)性管理理念持續(xù)修正；同時，雖然水文情勢變化是生態(tài)響應(yīng)的主要驅(qū)動因素， 但是河流生態(tài)狀況是許多因素影響的結(jié)果，需要采用統(tǒng)計技術(shù)，把水文改變的影響與其他環(huán)境壓力區(qū)分開來。