河流生态需水理论研究与进展

张 辉

(水利部海河水利委员会 天津300170)

河流生态需水理论研究与进展

张 辉

(水利部海河水利委员会 天津300170)

总结了河流生态需水量的国内外研究进展，分析了生态需水量多种计算方法的适用性，指出目前河道生态需水量计算中存在的问题，并对今后研究方向提出了建议，提出急需研究建立一套符合我国实际的完整的生态需水评估程序和标准。

河流 生态需水量 计算方法 进展

20世纪以来，随着经济社会的快速发展，人类对河流水资源的开发利用程度越来越高，但过度考虑了生产生活对水资源的需求，而忽略了河流水量、水质对维持河流水生态系统平衡的重要意义。由于人类活动对河流生态系统的干扰程度不断加剧，一些河流水量日益减少，出现断流甚至干涸现象，水生生物绝迹，水生态环境退化日益严重。随着生态环境保护意识的增强，人们逐渐认识到河流保持一定水量的重要性，对河流生态需水量的研究也不断深入。

1 相关理论研究进展

1.1 国外研究进展

20世纪40～60年代，随着水库建设和水资源开发利用程度的提高，美国鱼类和野生动物保护协会围绕鱼类生产繁殖与河流流量之间的关系进行了研究，逐渐意识到水库修建使河流流量减小，影响到了水生动植物的正常生存。这一时期，还没有明确形成河流生态需水的概念，但一些关于流量补偿的规定开始制定并实施。70～80年代末，受水库大坝密集建设的影响，商业价值较强的三文鱼捕捞业受到巨大冲击，环境流量理论也自此得到发展和应用。1976年，Tennant等人在完成美国西部地区河流流量与生物的关系研究后，提出了基于水文学的 Tennant估算方法，奠定了河流生态需水的理论基础。1982年，美国渔业与野生动物署提出了河道内流量增量法，使得河道内流量分配方法逐渐与实践相结合。此后，基于水力学与生境评价相结合的R2-Cross法、PHABSIM法等也相继被提出。90年代以后，随着局部地区生态环境的进一步恶化，河流生态需水概念被明确提出，强调在确定河流流量时要考虑生态系统的完整性。水资源与生态的相关性研究特别是生态需水研究逐渐成为各国专家学者关注的焦点。此时，陆续出现了一些新的研究方法，如 BBM 法、整体分析法以及基于河道流量与水生物生境关系的模型模拟法就是最典型的代表。

1.2 国内研究进展

国内关于河流生态需水的研究相对较晚，大多始于20世纪70年代，且主要集中在河流最小流量确定方法的研究。80年代，针对水污染严重问题，国务院环境委员会出台文件，规定在水资源规划时要保证为改善水质所需的环境用水，当时河流生态需水研究以宏观管理研究为重点。90年代，针对黄河断流、水污染加剧问题，水利部提出在水资源配置中考虑生态环境用水，相关研究开始逐步深入。进入21世纪后，我国河流生态需水研究不断成熟，陆续推出了一系列适合我国实际情况的研究成果。国家科技攻关项目“中国分区域生态用水标准研究”构建了生态用水标准基数分析体系，提出了北方半湿润半干旱地区四大流域生态需水特征值以及不同发展阶段的生态用水控制指标。水利部重点项目“北方地区最小生态环境需水量研究”，对黄淮海平原水生态系统恢复需要的生态用水进行了研究。同时，一些学者在生态需水量模型方面也进行了深入研究，如刘静玲等研究构建了河流生态流量计算模型，李凤清等研究建立了我国第一个基于长系列野外现场实测数据的水生生物栖息地适合度模型。

2 生态需水量计算方法

河流生态系统自身因素比较复杂，生态需水量的确定涉及水文学、水力学、生态学、地理学等多门学科，并没有标准的计算方法。对于不同区域、不同类型的河流，生态需水量的确定往往也采用不同的计算方法。目前，常用的计算方法主要包括 4类，即水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法。

2.1 水文学法

水文学法是在长期野外调查、资料收集、统计分析以及专家判定的基础上，通过建立河流流量与水生生物生存、河道形态等之间的适应关系而提出的，最具代表性的就是Tennant法。

Tennant法是由Tennant等人对美国11条河流流量与水生生物、河流景观及娱乐需求之间的关系进行调查分析后提出的，属于非现场测定类型的标准设定法。Tennant法以预先确定的天然年平均流量的百分数作为推荐流量，将保护水生态和水环境的河流流量推荐值分为8个标准，分别代表不同水生态环境水平对应的河流流量(具体分级标准见表1)。例如，河道内流量占多年平均流量的 60%～100%时，大部分河道的浅滩被淹没，只有少数卵石、沙坝露出水面，河宽、水深及流速可为水生生物提供最好的生长环境，这一流量即为最佳流量。由于该方法仅依据历史流量资料就可评价或估算生态需水量，不需要现场观测，应用简单方便，具有宏观定性的指导意义。但该方法对河流实际情况作了较多简化处理，不足以反映河流的天然水文变化过程，且未考虑生物需求和生物间的相互影响等因素，通常在优先度不高的河段生态流量估算中使用或作为其他方法的一种检验。鉴于我国许多河流缺乏足够的水文资料，在应用中需要根据实际情况并结合河流管理目标，对流量标准进行适当调整和改进。

表1 Tennant法确定的流量与生态关系的标准Tab.1 Standard of flow-ecological relations determined by Tennant method

2.2 水力学法

水力学法是在假定河道物理形态不变的基础上，认为河流某一断面满足一定流量后，其下游同一功能的河道流量总能满足河道生态功能的流量要求。基于上述理论，通过河道若干个断面的水力参数(如湿周、流速、水深等)确定需水量的方法，常用的主要有湿周法和R2-Cross法。

2.2.1 湿周法

湿周法是在假定河道临界区域流量满足生态环境需求时其他区域流量也能满足生态环境需求的基础上，通过绘制临界区域(通常为浅滩)的湿周与流量关系曲线，根据曲线拐点确定河道推荐流量的方法。该方法的关键是绘制河道湿周与流量的关系曲线，其关系可从河道多个断面的几何尺寸与对应流量的实测数据推求。鉴于从关系曲线上直接判断拐点容易产生较大误差，有研究者推荐采用最大曲率法确定拐点位置较为可靠。此外，将多年平均流量与相应湿周长比值的平方根作为判定拐点的斜率值也是较好的方法。

湿周法的特点是要求河床形状稳定，河床形状不稳定的河道没有稳定的湿周与流量关系曲线，不适宜湿周法。此外，三角形河道因无明显的湿周流量关系曲线变化点，也难以用湿周法确定生态流量。因此，湿周法在实际应用中多适用于宽浅型河道。

2.2.2 R2-Cross法

该方法采用浅滩断面河流宽度、平均水深、平均流速以及湿周率等指标来评估河流栖息地的保护水平(具体评估标准见表 2)，从而确定河流目标流量。根据实测资料或水力模拟，以曼宁公式为基础，建立流量与评估指数之间的对应关系，结合预先设定的标准和专家意见确定流量推荐值。

R2-Cross法具有明显的地域特性，由于不同地区的河流水生生物对其栖息地有不同的需求，因此，采用本方法时应根据水生生物的特点修正水力参数标准值。此外，由于本方法确定的标准相对单一，体现不出季节变化因素，通常不能用于估算季节性河流的生态流量。

表2 R2-Cross法确定最小河道流量的标准Tab.2 Standard of the minimum river flow determined by R2-Cross method

2.3 栖息地法

栖息地法基于生态水力学来确定适合水生生物生存的推荐流量。该法假设河道水深、流速、湿周、水面宽、过水断面面积、水温等是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要水力生境参数；急流、缓流、浅滩及深潭是流量变化对物种变化造成影响的主要水力形态。由于栖息地法可以量化生物栖息地可利用性与流量之间的关系，并且具有一定的生物学基础，目前该方法已成为河流生态需水量研究的热点，最具代表的是河道内流量增量法。

河道内流量增量法综合考虑了指示生物的多尺度生境因子，并以此确定了指示生物的适宜生境面积。其中，微生境因子包括水深、流速、基质及覆盖物；中生境因子包括河道形态，如深潭、浅滩、急流等；大生境因子包括河道结构、水温、水质等。该方法通过模拟水生物种可利用栖息地和流量之间的关系，为河流规划、保护和管理提供基础信息和科学依据。由于该方法对数据要求较高，需要进行大量的野外现场调查工作，而且多侧重于某些特定物种的保护，没有考虑生物群落及其相互影响，其应用受到一定限制。

2.4 整体分析法

整体分析法从河流生态系统的完整性出发，以提供河道、河滨地带、洪泛区、地下水、湿地以及河口在内的整个生态系统所需水体为目标，综合考虑河流流量、泥沙输送、河床形状与河岸带群落之间的关系，由多学科专家分析确定河流总的生态环境需水量。根据专家意见，定义河流流量状态的组成成分，包括干旱年基本流量、干旱年高流量、正常年基本流量、正常年高流量等，利用这些成分确定河流的基本特征；生态专家和地理专家对河流流速、水深和宽度提出要求；水文专家根据水文数据尽可能地进行分析，以保证河流推荐流量能够得到满足，并且符合河流实际情况。

该方法的优点是：推荐的河流生态需水量具有全面性，强调河流是一个综合生态系统，使推荐的河流流量能够满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染物控制以及景观维护等多种功能。不足之处是：河流生态需水量的确定涉及学科较多，需要生态、地理、水文等多方面专家队伍，人力资源和时间成本消耗量大。

3 有关建议

我国河流生态需水研究起步较晚，尽管在理论研究和实践应用方面取得了很大进展，但由于河流生态需水的复杂性，今后仍然有许多问题需要深入研究。

3.1 加强生态需水与河流保护目标的关系研究

目前，生态需水研究多集中在如何精确计算生态需水量方面，而忽视了与实际水资源量的结合。随着经济社会对水资源需求的进一步加大，水资源短缺和水质型缺水问题依然严峻，生态需水在短时间内仍然会面临严峻挑战。在这一情况下，就存在一个科学合理确定优先保护、次要保护等不同级别保护目标的问题。而这一问题的解决，首先要依赖于河流生态系统的评价结果与生态保护目标的建立。因此，将河流生态保护目标与生态需水相结合是急需研究的问题。

3.2 加强不同河流功能生态需水的耦合问题研究

由于河流不同功能之间存在交叉和重复，各种功能所需水量可以兼顾，需对满足多种功能需求的不同量级的水量进行耦合。实际工作中，往往按照最大值原则，选取满足不同功能需水量的最大值，或者按照主导功能原则，选取满足河流主导功能的需水量作为最终确定的生态需水量。因此，应尽快开展综合定量不同河流功能的生态需水研究。

3.3 建议开展生态需水评估及其标准研究

目前，各地开展河流生态需水研究时，由于缺乏可参考的评估标准，生态环境需水量的确定往往偏重于计算方法的讨论与完善，多以 Tennant法推荐的流量百分比作为评价标准，采用比照法进行评价，难以反映实际情况，计算结果的合理性不能得到准确检验。随着生态环境需水重要性的进一步提高，急需研究建立一套符合我国实际的完整的生态需水评估程序和标准。

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Review of Theoretical Researches on River Ecological Water Demand and Relevant Progress

ZHANG Hui
(Haihe River Water Conservancy Commission，Ministry of Water Resources，Tianjin 300170，China)

The paper summarized the research progress of river ecological water demand both at home and abroad and analyzed various calculation methods and their applicability. It also pointed out problems of current calculation methods，and put forward some suggestions on future research directions，including taking the research and working-out of a whole set of assessment procedures and standards for ecological water demand in China as the urgent need.

rivers；ecological water demand；calculation methods；progress

TV212.5+2

A

1006-8945(2014)08-0086-03

2014-07-06