河流生态环境需水计算方法浅析

张 云

（江苏省水文水资源勘测局南通分局 南通 226000）

河流生态环境需水计算方法浅析

张 云

（江苏省水文水资源勘测局南通分局 南通 226000）

1 引言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态环境的控制性要素之一，是经济社会可持续发展的重要保证。随着经济社会的迅速发展，水资源供需矛盾日益突出，城市生态环境遭到了严重的破坏，而人类对水资源的需求量日益增长。人类不合理的开发利用水资源所造成的水环境污染、水土流失、土地退化等问题，直接造成了生态环境质量的恶化，而水生态环境恶化又进一步加剧了洪涝灾害和水资源短缺的问题。因此，在区域水资源的规划与管理中，在有限的水资源总量基础上，实现区域水资源的合理配置，维持合理的河流生态环境用水量是当前水利工作面临的一项重要任务。解决好河流生态环境问题对实现水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展以及生态平衡至关重要。

2 生态环境需水概念

河流生态环境需水量是针对水资源开发利用中的生态环境保护以及科学地进行生境修复、改善等问题而提出的。我国对生态环境需水的概念、内涵及外延的认识也未统一，其计算方法的研究也不尽完善。

生态需水量是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量。环境需水量则是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量。主要包括：改善环境用水水质所需要的水量。生态环境需水量是指一个特定区域内的生态系统的需水量，而并不单单是指生物体的需水量或耗水量或自然环境的需水量，亦即生物体所在环境与整体的需水量（包括含有生物体的自身耗水量），其水量有一个阈值范围，具有上限值和下限值，超过上下限值都会导致生态系统的退化和破坏。它不但与生态系统的生物群体结构、生态区的气候、土壤、地质、水文条件等有关系，更重要的还与社会经济发展水平有关系。

为维护生态环境的天然结构与功能，河流生态环境需水量包括：①河流系统中天然和人工植被耗水量，包括水源涵养林、水土保持措施及天然植被和绿洲防护林带的耗水量；②维持水（湿）生生物栖息地所需的水量；③维持河口地区生态平衡所需的水量；④维持河流系统水沙平衡的输沙入海水量；⑤维持河流系统水盐平衡的入海水量；⑥保持河流系统一定的稀释净化能力的水量；⑦保持水体调节气候、美化景观等功能所损耗的蒸发量；⑧维持合理的地下水位所必需的入渗补给水量等。狭义地讲，生态需水量是指为维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须储存和消耗的最小水量。

3 河流生态环境需水计算简介

3.1 河流生态环境需水的特征

3.1.1 时间性

河流生态环境需水的时间性主要表现在水资源循环利用系统的时间变化性，如河流径流量表现为年际的波动、季节的分配，需要从时间上合理分配生态环境需水，保证河流生态功能的充分选择。

3.1.2 阈值特征

根据生物龛理论,生态系统本身具有一定的自我调节和自我缓冲性，处于“临界状态”或“生态临界”的生态系统都具有一定的生态阈值，即只有扰动超越了其上限或下限,生态系统才不能自控而产生恶变或崩溃。

3.2 遵循的原则

河流生态环境需水应遵循四大平衡原则。一是水热（能）平衡，二是水盐平衡，三是水沙平衡，四是水量供需平衡。

3.3 计算方法简介

河流生态环境需水量就是指在特定时间和空间的条件下维持和保护河流系统的生态环境功能并改善生态环境质量所需要的水量。河流生态的需水研究方法通常分为四类：一是传统水文法，二是基于生物学基础的栖息地法，三是基于水力学基础的水力学法，四是整体分析法。

（1）传统的水文法，主要是利用基于径流方法的最小可接受流量来确定的。水文学方法的合理性在于，河流中生物种群的变化在较长的时期内、较恶劣的生存逆境中才会体现出来，即对一定程度的干扰具有忍耐能力。水文指标法是生态需水评价中最简单、需要数据最少，并依据历史水文数据确定需水量的方法。

①7Q10法。美国的7Q10法以流量历时统计，指采用90%的保证率最枯连续7d的平均水量作为河流最小流量即标准流量设计值,并以该标准流量设计值作为河流生态需水量。该方法的标准要求较高，我国对其进行了修改，根据国家标准制订了《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》(GB3839-83)，规定一般河流采用近10年或90%保证率代表年最枯月平均流量作为河道内生态需水量。

②Tennant法。也称Montana法。该方法是以预先确定的年平均流量的百分率为基础，不需要现场测量,年平均流量可以从河流上水文站的历史监测资料获得；在没有水文站点的河流,通过可以接受的水文技术获得。公式为：W=Qi×Zi，式中，W 为河道生态环境需水量（m3），Qi为一年内第i个月多年平均流量（m3），Zi为对应第i月份的推荐基流百分比（%）。

Tennant法原理简单，但百分数的取值具有主观任意性。在美国,该方法通常在优先度不高的河段研究河流标准量推荐值，或作为其他方法的检验。

（2）基于生物学基础的栖息地法，是生态需水估算最复杂和最灵活的方法，包括增加（IFIM）法和CASIMIR法。

增加（IFIM）法是栖息地法最常用的，是应用比较广泛的计算环境需水量的方法，是基于假定生物有机体在流动的河水中其分布受水力条件的控制，适用于一定流量的主要的水生生物及栖息地。

CASIMIR法是基于流量在空间和时间上的变化，采用FST建立水力模型、流量变化与被选定的生物类型之间的关系，估算主要水生生物的数量、规模，并可模拟水电站的经济损失。

（3）基于水力学基础的水力学法，包括R2CROSS法、湿周法等。

R2CROSS法是以曼宁公式为基础，在一个河流断面上用现场收集的数据对未观测的水力学参数进行模拟。在计算河道流量推荐值时，由河道几何形态决定的水深、河宽、流速等因素必须加以考虑，该方法用于浅滩式的河流栖息地类型河流生态需水量的测定。

湿周法是基于以保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周，对非临界区域的栖息地提供足够的保护的假定。通过建立湿周与流量的关系曲线，由曲线上的临界点确定MEIFR，一般适合于在宏观水资源管理中确定最小生态需水量，但只用于给定条件下适宜的生态需水量的粗略评价。

（4）整体分析法，主要指BBM法，将河道内生态环境状况分为6级，河道内的流量划分为4部分，以求算上述4部分的年均天然径流量的百分率，可用于快速估算河流生态流量。

4 结论与展望

研究河流生态需水是开展生态环境建设的必然需要，是实现水资源合理配置和可持续利用中不可缺少的一个环节。我国对河流生态环境需水量的研究较晚，目前尚处于起步阶段，其理论和计算方法还不是很完善。在选定生态需水评估方法应考虑河流类型、人们对生态环境的价值观、计算结果的精度、收集资料的费用和困难程度等，根据不同的需求和适用范围，选择不同的河流生态环境需水计算方法。

今后要进一步加大河流生态环境需水的研究力度，建立完整的理论研究体系，注重新方法的使用，提高河流生态环境需水量分析的合理性与计算的准确性，维持河流生态系统的良性循环