生态需水概念及国内外生态需水计算方法研究

李丽华 水 艳 喻光晔

生态需水概念及国内外生态需水计算方法研究

李丽华 水 艳 喻光晔

一、生态需水的构成

河道内生态需水量包括河道及连通的湖泊、湿地、洪泛区范围内的陆地，其生态需水量由以下方面组成：维持水生生物栖息地生态平衡所需水量；维持合理的地下水位，保护河流湿地、沼泽生态平衡，保持和地表水转换所必需的入渗补给水量和蒸发消耗量；维持河口淡、咸水平衡和生态平衡所需保持的水量；维持河流系统水沙平衡和水盐平衡的入海水量；使河流系统保持稀释和自净能力的最小环境流量；防止河道断流、湖泊萎缩所需维持的最小径流量；维持航道通航要求的需水量。

二、河道内生态需水计算方法

1.国外河道内生态需水计算方法

国外河道内生态需水计算方法大致可以分为以下4类。

（1）历史流量法。该方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、河流形态等之间的适应关系而提出，主要方法有：

①Tennant法，也称Montana法，是最常用的历史流量法。它将年平均流量的百分比作为基流，适宜河道季节性的需求，具有宏观的定性指导意义。在美国维吉尼亚地区的河流中证实：10%的年平均流量是退化或贫瘠的栖息地条件；20%的年平均流量提供了保护水生生物栖息地的适当标准；在小河流中，30%的年平均流量接近最佳生物栖息地标准。②流量历时曲线法。该方法利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，以某个保证率相应的流量作为河道内需求的流量。③美国7Q10法。采用天然状态下90%保证率代表年最枯连续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。④水生物基流法，美国和英国多用此法。水生物基流法由美国鱼类和野生动物保护部门提出，设定某一特定时段月平均流量最小值的月份，其流量满足鱼类生存条件。该方法一年分3个时段考虑，夏季主要考虑满足最低流量，设定流量为一年中3个时段最低的，以8月份月平均流量表示；秋季和冬季时段，要考虑水生物的产卵和孵化，设定流量为中等流量，以2月份月平均流量表示；春季也主要考虑水生物的产卵和孵化，所需流量在3个时段中为最大，以4月份或5月份月平均流量表示。

（2）水力学法。该方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，其下游同一功能河道流量总能满足河道生态功能的流量要求。常用的主要有：

①湿周法。假设保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。通过在临界的栖息地区域（通常大部分是浅滩）现场搜集河道的几何尺寸和流量数据，并以临界的栖息地类型作为河流其余部分的栖息地指标。②R2-Cross法。假设浅滩是最高临界的河流栖息地类型，保护浅滩栖息地也将保护其他的水生栖息地，如水塘和河道。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，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。③CASIMIR法。基于流量在空间和时间上的变化，采用FST建立水力模型、流量变化及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，并模拟水电站可能的经济损失。

（3）栖息地法。该方法以生态水力学为基础，确定适合水生生物生存的推荐流量，主要方法有：

①有效宽度法。该方法建立河道流量和某个物种有效水面宽度的关系，以有效宽度占总宽度的某个百分数相应流量作为最小可接受流量。有效宽度是指满足某个物种需要的水深、流速等参数的水面宽度，不满足要求的部分就算无效宽度。②加权有效宽度法。该方法与有效宽度法的不同之处在于将一个断面分为几个部分，每一部分乘以该部分的平均流速、平均深度和相应的权重参数，从而得出加权后的有效水面宽度。③河道内流量增加法。该方法是20世纪80年代由美国渔业和野生保护组织开发研制，是人们应用最广的方法。它考虑的主要指标有流速、最小水深、底质情况、水温、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等，通常用来评价水资源开发建设对下游水生生物栖息地的影响。

（4）整体分析法。该法是从研究区生态环境整体出发，集中相关学科的专家小组意见，通过综合研究河道内流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系确定流量的推荐值，并要求这个推荐值能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙冲淤、污染控制和景观维持等整体生态功能。综合法主要包括以下2种方法：

①南非的BBM法：首先考察河流系统整体生态环境对水量和水质的要求。然后预先设定一个可满足需水要求的状态，以预定状态为目标，综合考虑砌块确定原则和专家小组意见，将流量组成人为地分成4个砌块，即枯水年基流量、平水年基流量、枯水年高流量和平水年高流量。河流基本特性由这4个砌块决定，最后通过综合分析确定满足需水要求的河道流量。

②澳大利亚的整体评价法：该法的基本思想也是通过综合评价整个河流系统来确定流量的推荐值。但要求以保持河流流量的完整性、天然季节性和地域变化性为基本原则，并着重分析不同等级的洪水影响情况，强调洪水和低流量对河流生态系统保护的重要性。

2.国内计算河道内生态需水方法

（1）历史流量法

①枯水年天然径流估算法：以最枯年天然径流进行估算。

②将河流年最小月均流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量。

（2）防治河流水质污染的计算方法

①10年最枯月平均流量法。7Q10法在20世纪70年代传入我国，但由于该标准要求比较高，而我国的经济发展水平比较落后、南北方水资源情况差别较大，我国在《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》中规定：一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量。②以水质目标为约束的生态需水量计算。为达到水质目标所需要的水量，依据环境水利学有关水质污染稀释自净需水量计算方法进行计算。

（3）缺资料地区生态需水量计算方法

刘昌明院士根据南水北调西线一期工程调水区属于缺资料地区的实际情况，提出了一种同时考虑河道本身信息和水生生物信息的估算生态需水量方法——水力半径法。依据该方法计算的关键是确定生态水力半径所对应的河道断面面积，并根据不同断面和天然河道断面与水力半径之间的关系计算生态需水量。马育军等对传统生态水力半径法进行了改进，并以青海湖裸鲤为指示生物研究了青海湖流域两条主要河流（布哈河、沙柳河）的生态需水特征。

三、结语

生态需水量的计算目前在国外一些发达国家已较为成熟，而我国开展这项研究相对较晚。由于各区域或流域的水文、水质、水生态条件不一，选择计算方法要考虑适用性并适当进行修改。在计算的过程中，要注重基础资料的收集，并可开展物理实验模型，以实地调查和实验相结合，在总结各种经验的基础上提出有针对性的方法来开展典型区域或流域的生态需水计算

（作者单位：淮河流域水资源保护局233001）