生态需求流量与河道内生态需水量计算研究——以澜沧江、红河为例

胡 波，郑艳霞，翟红娟，崔保山

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.北京师范大学 环境学院，北京 100875；3.长江勘测规划设计研究院 生态产业工程有限公司，武汉 430010；4.长江流域水资源保护局 科研所，武汉 430051)

生态需求流量与河道内生态需水量计算研究
——以澜沧江、红河为例

胡 波1,2，郑艳霞3，翟红娟4，崔保山2

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.北京师范大学 环境学院，北京 100875；3.长江勘测规划设计研究院 生态产业工程有限公司，武汉 430010；4.长江流域水资源保护局 科研所，武汉 430051)

目前关于生态需水的研究较多，但相关研究主要是从水资源需求和流量控制这2个角度进行理论方法以及案例应用方面的探讨，未将二者有力地结合在一起。将河道生态需水总量与河流生态需求流量相结合，提出了生态需水系数-水文参数耦合模型，选择西南纵向岭谷区2条典型河流的相似断面进行案例应用研究，分别计算了河道内生态需水量和河流生态需求流量，并对比分析了二者的结果，同时对不同地区的案例应用进行了比较分析。经过计算，结果表明：红河河道内最小、适宜以及理想生态需水量分别占还原径流量的21.55%，34.51%，54.62%；而澜沧江河道最小、适宜以及理想内生态需水量分别占还原径流量的15.61%，27.45%，48.85%；由红河干流生态需求流量推算的河道内生态需水量占还原径流量的42.27%，而澜沧江推算值为19.06%。分析可知：生态需求流量与河道内生态需水量由于应用层面不同而使得其结果有一点差异，通过对二者的综合分析，可以为水资源管理以及生态保护提供一定的科学支持；多元相关性分析结果表明，提出的河流生态需求流量的模拟结果有很强的相关性；将生态需水系数-水文参数耦合模型应用于澜沧江与红河生态需水的计算研究，发现该模型具有很强的实际操作性。

河道内生态需水；生态需求流量；生态特征指数；澜沧江；红河

1 研究背景

随着人类活动能力的扩大以及影响程度的增强，河流生态需水问题成为当前研究的热点。生态需水计算涉及到多学科多领域问题，计算方法已经达到200多种，目前应用较为广泛的有水文学方法、水力学方法、整体分析方法以及栖息地方法等[1-9]。尽管生态需水相关研究及其广泛，但从管理应用层面看，其主要分为2个层面，一方面主要是应用于流域水资源管理，即河道生态需水量的研究，属于总量控制层面；另一方面主要是应用于河流生态保护，即河流流量方面的研究，属于瞬时控制层面。如何协调流域水资源管理与河流生态保护，以及如何将河道生态需水量与河流生态流量有力地结合成为当前以及未来亟待解决的一个问题，而目前以及未来研究的重点主要集中分析方法优化、指标体系细化、计算模型验证等几个方面。

王晶等人[10]以大渡河流域干旱河谷为例，进行了生态需水量的研究，干旱河谷生态需水是指能够维系干旱河谷生态功能的基本环境目标、恢复干旱河谷生态景观的生态系统所需求的水量。许敬梅等[11]将人类需水量纳入生态环境需水量的范畴，以岷江上游干旱河谷为例分别计算了河道内生态需水、植被需水以及人类需水量。王西琴等人[12]通过建立二元水循环下(自然水循环与人类活动影响下的水循环)的河流生态需水的水量与水质计算方法，确定了河流生态需水的“质”与“量”评价标准，最终实现了二元水循环下河流生态需水水量与水质的综合评价；并以辽河流域为例进行实证分析，分析辽河流域生态需水是否满足控制因素(水量或水质)。郑建平等[13]从水生生物保护角度出发，采用最小月流量方法计算了大洋河濒危鱼类产卵期、枯水期的生态流量。李嘉等人[14]提出了计算河道最小生态基流量的生态水力学法，即通过模拟目标水生生物适宜的水力生境确定河道最小生态需水量，其中包括：水位、流量、流速等系列要素。杨志峰等[15]提出动态生态环境需水量计算方法，首先利用月保证率法计算出初始生态环境需水状态空间，再根据实际的水资源开发利用形势，综合考虑自然因素和社会因素，形成生态环境需水量的状态空间，然后用改进的水文指数法评价各生态环境需水状态，使生态环境需水的计算由静态变为动态。

基于以上分析，本文提出了河流生态需求流量的概念，并将其与河道生态需水总量相结合，运用生态需水系数-水文参数耦合模型，选择西南纵向岭谷区2条典型河流的相似断面进行案例应用研究，分别计算了河道内生态需水量和河流生态需求流量，并进行了验证与对比分析。

表1 西南纵向岭谷区典型河流特征要素Table 1 Characteristics of Lancang river and Honghe river

2 资料与数据处理

西南纵向岭谷区是指位于我国西南、与青藏高原隆升直接相关联的横断山及毗邻的南北走向山系河谷区，是红河、湄公河、萨尔温江和伊洛瓦底江4条国际大河的上游，与缅甸、老挝、越南相连，与泰国、柬埔寨和印度相近，是我国与东南亚极为重要的生态廊道。该地区生物群落、物种多样性十分显著，生态系统特征明显；受东亚季风和南亚季风的影响，水资源充沛，但受到地形地貌的影响，降水随时空变化较大，水资源时空分布不均，同时由于人类活动的影响，尤其是干流大型水电站的建设使得水资源的可持续发展具有不确定性[16]。本文以南北流向的澜沧江和西北至东南流向的红河(表1)为案例区进行分析。

本文涉及的方法有资料搜集、野外调查、数据处理与统计分析等。其中：资料搜集包括水质、径流量、流量、泥沙等序列数据；野外调查包含水文(水位、水深、流速等)、水质(TN、TP、pH、水温等)、植被(乔灌草物种、高度、盖度、冠幅等)、土壤(TDR、质地、颜色等)、环境要素(坡度、坡向、空气温湿度等)等；调查样地包括澜沧江流域20个样带206个样地、红河流域的14个样带66个样地；数据处理与分析方法包括水质综合指数(采用有机污染指数和毒理-重金属污染指数)、生物多样性分析(采用香奈-维纳指数、均匀度指数、物种丰富度及优势度等)；统计分析(水文频度、变异、相关性及主成分等)采用SPSS13.0，DPS7.5，Mann-Kendall等方法处理[5]。

3 研究方法

本研究采用实测数据所分析的生态需水量是剔除下渗需水以及蒸散发需水等自然消耗性水量外的生态需求量；实测径流即为河道内的实际现状水量，不包含河道水体的下渗和蒸散发消耗量，采用实测径流以及实测流量对河流水资源管理具有较强的操作意义。本文主要是以年和月2个尺度进行河道生态需水理论、方法以及案例应用方面的研究。本文基于多年实测流量数据、生态环境要素以及河流服务功能分析，以月为研究的时间尺度，提出了生态流量动态模拟模型，模拟逐月生态流量，这为河流水资源管理中的流量控制提供了较好的科学依据，案例研究主要针对澜沧江允景洪过水断面与红河蛮耗过水断面进行分析；以年为研究的时间尺度，采用生态等级系数-生态径流耦合模型，通过引进系列参数修正了生态等级系数的计算方法，计算了澜沧江、红河河道最小、适宜以及理想生态需水量。

3.1 基本概念与方法

随着理论的发展，无论是从河流管理层面还是从生态保护层面，将水资源需求(总量控制)和流量控制(瞬时控制)有力地结合在一起是非常有必要的。据此，本文将两者进行了结合，并对生态需水的相关概念进行了辨析。

(1) 无论是河道生态需水量还是生态需求流量，都属于自然径流或自然流量中的一部分，会随时间波动，大于或小于自然径流。对于水资源充沛的地区，河流生态系统对水资源以及河流水体流量的需求基本上都得到了满足。

(2) 从河流管理以及生态保护层面上看，生态需水应当保持总量控制与瞬时流量控制的结合，既要满足生态系统对水资源量的需求，又要满足生态系统功能维系以及物种保护的流量控制需求。

(3) 生态需水应当是一个结构性概念，包含了3方面的含义，即生态、需求与水，相关关系为：

生态系统(宏观)+功能结构需求+水资源=生态需水量；

生态系统(微观)+功能结构需求+流量=生态需求流量。

(4) 针对目前生态需水相关概念的混淆问题，本文就生态流量与生态径流量进行界定，其中，两者都是描述河流自然条件下河道内水体水文特征量，表征剔出水文变差后河流自然状态下的水文特征值；本文提出的生态流量与国内提出的生态流量有所不同，国内所应用的生态流量从性质上与本文中的生态需求流量是一致的，由于生态流量无法从字面上体现出生态系统的需求，故本文提出了生态需求流量(EFR)替代以前研究中的生态流量(EF)，而本文提出的与生态径流量相对的生态流量主要是用于后文生态需水计算中的基数。

自然生态条件+水资源=生态径流量(ER，ecological runoff)；

自然生态条件+流量=生态流量(EF，ecological flow)。

本文构建了河道生态需水计算模型，即生态需水系数-水文参数耦合模型，如式(1)。

Yk(EWR or EWF)=φk·Y′(Q,F,T) 。

(1)

3.2 生态需求流量

生态需水系数-水文参数耦合模型应用于生态需求流量计算时，生态需水系数是采用生态特征指数方法确定[16]，而生态流量是采用动态模拟的方法进行确定。生态需求流量计算公式为

(2)

生态流量模拟的时间尺度主要是以年内逐月为主，以最枯月和最丰月为起始点，分偏丰和偏枯2个时间范围进行模拟计算。生态流量模拟方法主要是针对年际变差显著，年内流量变化明显的高山峡谷河流；由于汛期、非汛期河流功能显著，此方法能够有效地模拟河流正常生态流量，生态流量模拟公式如下：

(3)

生态流量动态模拟方法主要是基于“河流水文情势的自然摆动是实现河流功能的基础”，即通过设定河流初始状态(选择多年逐月流量平均值)，并选择典型月份作为标准点进行离散处理，离散处理主要是采用叠加或叠减的方法，从而得到年内的流量模拟量；其中离散处理中的叠加处理主要是根据河流水文变化特征而确定的，根据不同的丰枯期以及叠加系数可以获得生态流量模拟情景状态空间(表2)，在具体实施模拟计算中情景选择时，每一种情景模式下的生态流量必须同时需要满足下列标准：①枯水期不能低于最低自然流量(多年平均最小径流)；②丰水期不能高于自然洪峰流量(多年平均最高实测径流)；③保证生态平衡，减少污染、水电以及道路等人类活动导致的影响；④保证湿地生态系统生物生长期水量需求；⑤保证枯水期水质标准符合生态系统健康标准(维系生态系统功能的发挥)。

表2 生态流量模拟计算情景状态空间Table 2 State space of scenario analysis of ecologicalflow simulation

注：具体叠加标准根据研究区具体生态水文状况决定。

基于前文方法研究，本文选择了澜沧江允景洪断面、红河蛮耗断面进行干流生态需求流量模拟计算。首先对澜沧江与红河的水文要素进行分析，其河道内流量实现的功能主要是维系河流基础流量、净化水质以及排淤输沙等。通过澜沧江与红河水文要素对比分析(结果见图1)可知：无论是流量、水位还是输沙量比率，2条河流的年内变化规律都呈现单峰变化趋势，且二者的服务功能也趋于一致。但从流量上看，红河干流年内变化幅度较大，水文序列呈现自然湍动，而澜沧江干流受梯级水电影响，河流年内变化幅度不大；从水位上看，澜沧江变化幅度要显著大于红河干流，主要是因澜沧江河道狭窄、水位落差大(5.53 m)，而红河干流河道宽广、落差相对较小(2.48 m)。

图1 红河、澜沧江水文指数年内变化趋势Fig.1 Annual variation of hydrological indicators in the Lancang River and Honghe River

尽管生态流量动态模拟方法应用较为简单，但在澜沧江与红河生态需求流量计算过程中，受各方面原因的限制，生态流量模拟时未能采用动态模拟的方法进行计算，而是采用简化公式进行计算，同时由于澜沧江红河进行对比分析时需采用同质要素，生态需水系数也采用了简化处理。具体生态需求流量计算见公式(4)，结果见表3。

(4)

式中:L表征计算数据年数。受到数据资料的限制，本文仅就适宜生态需求流量进行了计算。

表3 澜沧江、红河生态流量、生态需求流量模拟结果Table 3 Calculation results of ecological flowrequirement and ecological water requirement inLancang river and Honghe River m3/s

3.3 生态特征指数-生态径流耦合模型

河道生态需水从属于河川天然径流，进行河道生态需水的计算就是寻找一个最佳相似河道生态系统需求的水量[16]。综合分析西南纵向岭谷区生态水文状况以及结合现有资料，本文修正了已有的生态特征指数-生态径流耦合模型(式(5)),并将其应用于红河与澜沧江干流生态需水量计算。首先，采用生态特征指数计算了红河生态需水等级系数，综合水文频率Pearson Ⅲ型分布曲线与频度法计算了红河生态需水量；其次，根据河流水文要素序列特征分析了澜沧江干流水文断面变化要素，修正了澜沧江河道生态需水等级系数，并综合水文频率Pearson Ⅲ型分布曲线(图2)与频度法计算了澜沧江河道生态需水量。

(5)

图2 红河、澜沧江干流水文频率Pearson Ⅲ型分布曲线Fig.2 Pearson Ⅲ curves of hydrological frequency in mainstream Lancang River and Honghe River

表5 澜沧江河道生态需水量Table 5 Ecological in-stream water requirement in the Lancang river

根据红河流域的实地考察资料以及典型年的生态资料综合分析(受文章篇幅限制，相关计算过程不再赘述)，本文选取了部分生态特征指标，进行模糊综合评判，其中红河断面选择在蛮耗站，故过水断面变化指数选择U型中低山宽浅峡谷类型；将综合评判结果代入公式(5)可得红河河道生态需水量(表4)。本文对澜沧江河道生态需水主要是进行修正计算(表5)，添加了河道过水断面变化指数以反映水文情势变化所带来的生态效应，具体计算过程同上。

2013年，海委通过岳城、潘大水库及漳河上游河道向天津、河北、河南等地安全供水13亿m3，河北四库向北京应急调水达4.3亿m3。实施山西、河北向北京市集中输水，调水7000万m3。实施引黄济冀，通过位山线路将向河北调水2.8亿m3。积极编制南水北调东中线工程补充规划，加快完善流域城乡供水河网体系。

表4 红河干流生态需水等级系数Table 4 Graded coefficients of in-stream ecologicalwater requirement in mainstream Honghe River

4 分析与讨论

(1) 通过采用生态需水系数-水文参数耦合模型分别计算了红河和澜沧江的河道内生态需水量与生态需求流量(表6)。对比分析可得：采用生态需求流量模拟的澜沧江与红河河道生态需水量分别为145.8×108,42.27×108m3，分别占实测径流量的25.68%,43.91%，占还原径流量的19.06%,42.27%。与河道内最小、适宜以及理想生态需水量相比较，由红河干流生态需求流量推算的河道内生态需水量(43.91%)介于适宜生态需水(34.51%)和理想生态需水(54.62%)，而澜沧江推算值(25.68%)介于最小生态需水(15.61%)与适宜生态需水量(27.45%)之间，对比分析表明，红河干流生态需求流量偏高，这是由于红河干流泥沙含量较高、水位较低、生态需求起点较高，而澜沧江干流生态需求流量计算结果比较适宜。

表6 生态需求流量与河道内生态需水量推算值Table 6 Calculation results of ecological flow requirementand ecological in-stream water requirement

通过耦合计算生态需水等级系数以及生态径流量可得：红河蛮耗断面年内最小、适宜以及理想生态需水量分别为21.55×108,34.51×108,54.62×108m3；澜沧江允景洪断面年内最小、适宜以及理想生态需水量分别为19.40×108,210.02×108,373.67×108m3(表7)；但由于在进行河道生态需水量计算时采用的基准量不同，故无法从量上对澜沧江与红河进行比较。

表7 红河、澜沧江河道内生态需水量计算结果Table 7 Calculation results of ecological in-stream water requirement in Honghe river and Lancang river

红河河道内最小、适宜以及理想生态需水量分别占实测径流量的22.38%，35.85%，56.74%，占还原径流的21.55%，34.51%，54.62%，而澜沧江河道最小、适宜以及理想内生态需水量分别占实测径流量的21.03%，36.99%，65.81%，占还原径流的15.61%，27.45%，48.85%。通过对比分析河道内生态需水量可得：红河干流最小生态需水量要略高于澜沧江干流，这反映了其河道生态受人类影响程度比澜沧江类似断面要严重，而理想生态需水量澜沧江显著大于红河干流，反映了澜沧江干流生态系统复杂但脆弱，当其被破坏后要实现完全恢复所需要的水量要远大于干热河谷类型的红河；通过对比分析河道内生态需水占实测以及还原径流量百分比可得：红河干流实测径流与还原径流差别较小，而澜沧江干流实测径流与还原径流间差别较大，这主要是由于红河流域为干热河谷，河谷平坦、水面较低且水量较小，不便于开发，而澜沧江流域河谷深切、水量丰沛、水面较宽且水深便于开发。

图3 生态需求流量模拟验证Fig.3 Validation of simulation of ecological flow requirement

(2) 本文提出了河道生态需求流量的概念，并采用生态需水系数-水文参数耦合模型进行了计算。为了验证计算结果的合理性以及准确性，本文采用多元相关性分析进行验证，即对模拟生态需求流量、自然流量、泥沙含量以及河流水位数据进行多元相关性分析(图3)。经过分析可得：红河、澜沧江干流生态流量模拟数据结果较好，相关性较高，能够很好地反映河流流量特征。

(3) 本文在进行河道生态需水分析中采用了一个重要的系数，即生态需水系数。通过分析计算结果可得：从生态需水等级系数上看，随着需水等级系数级别的升高，澜沧江与红河生态需水系数间的差异也变得愈加显著，即2条河流在满足基本生态需求方面具有一致性，但是随着保护以及管理标准级别的升高，两者需求发生了改变，澜沧江上升趋势要显著高于红河，这也从侧面反映了澜沧江的生态功能要高于红河；而红河干流整体生态状况要略差于澜沧江。

(4) 通过追加水文变化等指数，本文对澜沧江河道生态需水系数进行了纠正处理(图4)。通过纠正处理后，澜沧江河道生态需水等级系数都呈现下降趋势，但变化趋势不大，表明：随着参数的增加或减少，河道生态需水量也随之变化，但由于变化幅度不大，说明了本文采用的计算模型具有一定的合理性。

图4 澜沧江河道生态需水等级系数纠正处理Fig.4 Correction of the coefficient of ecological water requirement of Lancang River

5 结 语

基于目前国内外生态需水相关研究状况，本文提出了生态需求流量的概念，并采用生态需水系数-水文参数耦合模型统一计算了河道内生态需水量与河流生态需求流量，填补了以往研究的空白，将水资源需求(总量控制)和流量控制(瞬时控制)结合起来，并采用一定的推算方法将生态需求流量与河道内生态需水量进行了比较分析，结果表明两者具有一定的吻合性，这为流域水资源管理(流域管理)与湿地生态保护(物种保护)提供了一定的科学支撑。尽管本文提出了相关的概念以及计算模拟模型，但是由于受到各种条件的限制，在进行具体计算时，未采用本文提出的动态模拟方法进行生态流量的模拟，同时，泥沙作为生态需水中的一个要素，未能作为计算指标，而只是作为验证指标进行分析，这都是本文有待优化的地方。

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(编辑：刘运飞)

Calculations on Ecological Flow Requirement and Ecological WaterRequirement: Case Study on Lancang River and Honghe River

HU Bo1,2,ZHENG Yan-xia3,ZHAI Hong-juan4,CUI Bao-shan2

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.School of Environment,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;3.Ecological Industrial Engineering Company Limited,Changjiang Institute of Survey,planning,Design and Research,Wuhan 430010,China;4.Division of Scientific Research,Yangtze River Water Resources Protection Bureau,Wuhan 430051,China)

Present researches on ecological water requirement mainly focus on the theoretical approaches and case applications in terms of water resources management and ecology protection,yet no study has been carried out on combining water resources management with ecology protection.In view of this,a model coupling the ecological water requirement coefficient and the hydrological index is established to calculate the ecological in-stream flow requirement and ecological in-stream water requirement in rivers.Two typical rivers (Lancang river and Honghe river) in southwest China are taken as case study.Comparison on the application results reveal that the minimum,appropriate and optimal ecological water requirement in the Honghe River respectively accounts for 21.55%,34.51% and 54.62% of the natural run-off of Honghe River,while the minimum,appropriate and optimal ecological water requirement in the Lancang River respectively takes up 15.61%,27.45% and 48.85% of the natural run-off of Lancang River.The ecological in-stream water requirement of Honghe River deduced from the ecological flow requirement occupies 42.27% of the natural run-off of Honghe River,and the ecological in-stream water requirement of Lancang River calculated by ecological flow requirement makes up 19.06% of the natural run-off of Lancang River.Owning to differences in application,the results of in-stream ecological water requirement and ecological flow requirement are slightly different.Multivariant correlation analysis verifies that the calculation results are strongly correlated,and the model presented in this paper is highly applicable.This comprehensive analysis provides scientific support for both water resources management and ecological protection.

ecological in-stream water requirement;ecological flow requirement;ecological characteristic index;Lancang river;Honghe river

2014-12-28；

2015-01-21

国家自然科学基金青年科学基金项目(41101521)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX0751002-03)；中国科学院科技服务网络计划项目(KEJ-EW-STS-087)

胡 波(1980-)，男，山东日照人，高级工程师，主要从流域生态系统管理与生态修复研究，(电话)027-82829611(电子信箱)hubchina@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.020

S157.2

A

1001-5485(2015)03-0099-08

2015,32(03):99-106