河道生态基流理论基础与计算方法研究

徐宗学，李 鹏，侯昕玥，3

（1.北京师范大学水科学研究院，北京100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京100875；3.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连116023）

近年来，随着我国经济社会的快速发展，河流生态系统受到了严重影响，城市化、工业化、土地利用变化以及水利工程建设等改变了河流的水文情势，影响河流的自然流态、水沙关系和河道形态，使上下游生境发生变化，打破了原有的生态平衡，造成了生态系统退化、水体富营养化和物种多样性减少等，河流生态系统健康受到严重挑战［1-4］。因此，河流生态水文问题成为生态水文学研究的核心内容之一。河道生态基流研究是近年来生态水文学研究的热点与难点问题，涉及水利、气象、环境、生态、农业等多个领域。生态基流研究不仅具有重要的科学价值，而且在水污染防治和生态环境保护等方面具有重大的现实意义，对经济社会的可持续发展具有重要的战略意义。笔者从河道生态基流基础理论出发，系统梳理了生态基流的基本概念、内涵、确定原则、研究内容和计算方法，回顾了生态基流理论的发展历程，并结合实际案例预测了其未来发展趋势。

1 河道生态基流基础理论

1.1 河道生态基流概念与内涵

目前关于生态基流仍没有统一的定义，学者们针对研究对象的不同，提出了众多与河道生态基流研究相关的概念。国外学者多用枯水流量［5-6］、最小河流需水量［7］、最小可接受流量（MAFs）、基本生态需水、生态可接受流量范围（EAFR）、环境需水等术语，国内学者因研究目的和对象的不同，多使用生态环境需水量［8］、生态需水［9］、环境需水［10］、河流生态基流量［11］、城市生态需水、湖泊生态需水［12］、湿地生态需水［13］等概念。这些概念的共同点：都是维持生态系统发挥正常功能或生态环境健康发展需要的水量，但又有其独特的含义。研究初期，人们为了保证河流生态系统健康，多将关注点放在保证河流最小流量上。

随后，部分学者逐渐认识到仅仅维持河流的最小流量难以保证生态系统的健康，天然的水文情势是维持河流生态系统完整性的重要因素，是河流生态系统健康的重要保障。Richter等［14］提出通过保留天然洪水特征来维持蜿蜒河岸的河滨生态系统，随之产生的环境流量概念得到了较为普遍的认可。环境流量是维持河流和河口生态系统健康，并满足人类生活需要的流量过程，生态系统健康是河流健康的最高目标，河道满足其最小流量要求是生态系统健康的具体体现，本文采用生态基础流量的概念，简称生态基流。

本文所研究的生态基流是指特定时间和空间条件下，最大限度保证河流健康所预留的、满足一定水质要求的流量，以确保生态系统不再退化。其内涵包括：保持天然河道自然形态结构完整及其正常演化过程；维持水生生物正常发育、栖息与繁衍；维持与河道相连关系；维持大气水、地表水与地下水三者之间的水量转换；入海河口处，河道中应有足够的水动力来防止海水入侵；维持河流自净能力，以保持河流通过自净作用来降解污染物。

1.2 河道生态基流确定原则

（1）时空分异原则。生态基流具有明显的地域性与时效性，干旱区与湿润区、陆地与水域、同一流域上中下游不同，随着环境的治理改善、自然生态环境的逐渐恢复，生态基流的外延和内涵都将有所变化。因此，生态基流的研究因外部条件的改变或各项功能主导作用的交替变化而有所不同。

（2）主体功能优先考虑原则。河流具有调节气候、补给地下水、排沙输沙、稀释降解污染物、维持湿地及河口地区生物生存栖息环境、维持河流系统生物多样性等生态环境功能，其休闲娱乐功能也愈来愈受到人们的重视。由于各生态功能间相互影响、相互制约、协调发展，因此明确具体河流的主体生态与环境功能及相互间的作用关系是计算河流生态基流的基础。

（3）一水多用、协调确定原则。河流水体在满足某项生态环境功能时，也能满足或部分满足其他方面的生态基流要求。因此，应在满足各项生态环境功能需求的基础上，考虑水量的多功能性，对各生态环境功能进行合理协调，给出合理和可行的河流生态基流，以避免重复计算。

（4）水量水质耦合原则。河流生态基流的确定，不仅要满足水量要求，而且要满足水质要求。水量和水质共同影响着河流的生态系统，河流生态基流研究中所指的“量”应是水质和水量的耦合，对于生态基流的确定，不能只考虑所需水量的多少，还应考虑水质的好坏。

（5）河流整体考虑原则。在水资源开发利用中，应兼顾河流上下游间的水流特性及上游水量对下游来水量的影响，在上下游各河段生态基流都得到保证的基础上，对全流域水资源进行科学配置，以使流域内河流生态环境功能得到正常发挥。

（6）可持续性原则。河道生态基流确定的前提是“维持流域或者区域特定的生态环境功能”，应充分体现可持续性内涵。为了维持生态系统的良性循环，达到人与自然和谐的生态环境标准，必须明确取用水、排污等经济和社会活动对河流生态系统的影响，使其不超出现有的承受能力。

1.3 河道生态基流研究内容

1.3.1 生态系统演变过程与特征

河流的形成、发展和演变是一个自然过程，有其自身的发展规律。河流生态系统始终处于动态演进过程中，人类对河流系统的过度开发利用导致河流生态系统演变过程发生了根本性变化，产生了对生态系统健康极其不利的影响。河流生态系统的演变过程大致可以分为原生状态期、急剧破坏期、水质改善恢复期、生态系统恢复期4个阶段［15］。原生状态期河流生态系统的整体性未受到损害，系统处于一种原始的、基准的状态；急剧破坏期河流生态系统结构破坏，服务功能下降；水质改善恢复期河流治理重点是污水处理和水质改善，而不是河流生态系统结构与功能的全面恢复与改善；生态系统恢复期建立了修复河流生态系统健康的目标。

1.3.2 生态环境问题诊断与识别

人类对河流系统的过度开发利用导致生态系统健康状况逐渐恶化，为实现河流的可持续发展，河流健康状况评价和修复成为当前研究的热点。越来越多的学者认为，理解生态系统的全面性和整体性应把人类作为生态系统的组成部分而不是同其相分离，不考虑社会、经济与文化的生态系统健康讨论是不科学的，生态系统健康问题是人类活动导致的，不可能存在于人类价值判断之外［16］。

河流生态系统在发展演进过程中受到各种因素的干扰和影响，这些影响因素可分为自然因素和人为因素，主要体现在河流水量、河流水质、河流形态结构、河流生境完整性及生物多样性等方面。

1.3.3 生态系统保护目标识别与确定

河流生态系统不仅具有维持人的生产与生活的经济服务功能，包括生活用水、农业用水、工业用水、发电、航运、渔业等，而且具有维持自然生态过程与区域生态环境条件的生态服务功能，包括泥沙的推移，营养物质的运输，环境净化，维持森林、草地、湿地、湖泊、河流等自然生态系统的结构，以及其他人工生态系统功能。

不同区域的河流表现出不同的功能，同一条河流的不同河段自然生态功能也存在着差异，因此河流保护目标表现出区域和河段差异性。针对流域水情和生态系统的季节性变化，河流保护目标的时段性特征明显，存在生态水文季节，因此河流生态保护目标是动态变化的。河流的生态功能表现出一定优先性，不同河流其优先性存在差异，因此必须依照河流生态功能的重要性制定河流保护目标。进行河流生态修复时，不可能将河流恢复到最原始状态，应尽可能地立足于长远和整体，保证水资源的可持续开发利用和水生生态系统的恢复，表现为适度性。河流生态保护目标具有多重性，通过改进流域水、土地和相关资源的管理与开发方式，维护河流健康，实现人类、河流和其他生物共享河流水资源，使经济、社会和生态的综合效益最大化。因此，对于河流生态系统的保护，要紧密结合河流的具体生态系统功能与性质进行目标的识别与确定。

1.3.4 生态基流计算与分析

生态基流的估算开始于19世纪40年代，发展于70年代，目前关于生态基流的估算方法有很多，全球生态基流估算方法现状调查发现，在全球6个重要地区50多个国家，有记载的方法达207种［17］，大致可分为水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法4类，见表1。该统计调查可为我国河道生态基流标准的建立提供参考。

表1 生态基流计算方法

1.4 河道生态基流计算总体框架

河道生态基流计算分析的总体框架见图1，具体过程：基于3S技术，从土地利用/覆被、植被、生态景观动态变化等方面分析生态系统演变过程与特征，综合分析人类活动和气候变化对生态系统的影响；流域水生态系统健康评价是生态系统健康评价的先行部分，通过水生态系统调查确定其环境质量特征与生物群落结构特征；生态系统健康评价中生态环境诊断和服务功能认识最为关键，生态环境诊断关键因素为径流量变化、水质变化、河床演变、湿地演化；基于对服务功能的认识，根据分河段、主导功能、社会可接受性与突出关键物种等，确定河段的保护目标；根据河段保护目标，采用适合的方法估算生态基流，通过结果对比给出决策支持。

2 河道生态基流计算实例

2.1 研究区概况

渭河是黄河第一大支流，被陕西人民称为“母亲河”。渭河全长818 km，流域面积13.43万km2，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，于陕西省潼关县注入黄河。中下游为渭河关中段（见图2），河流长度为386 km。

受人类活动的强烈干扰，渭河流域生态环境急剧退化，主要表现在水环境质量恶化、径流量急剧减少、河流含沙量大、湿地萎缩和生物资源量锐减等［18］。根据关中地区水文站不同年代径流与多年平均值的比值，魏家堡水文站不同年代径流变幅最大，为47.61%～172.05%，临潼水文站变幅最小，为 61.01%～148.24%［19］。

2.2 渭河关中段生态保护目标识别

在进行生态基流计算前，首先对渭河关中段生态保护目标进行识别。主要包括：河流分段及特征、枯水期河流生态保护指标及优先性排序、枯水期各河段生态保护目标值、生态保护目标对生态基流的需求四部分。

2.2.1 渭河关中段河流分段及特征

依据补给来源，渭河是雨水补给和地下水补给河流，冬季和干旱季节降水少，河流主要由地下水补给。林家村以上属山区河流，河长432 km，流经地区为土石山区与黄土丘陵区，河道狭窄而稳定，川峡相间，水流湍急，河床比降为0.277%；林家村至咸阳为中游，河长177 km，流域面积46 856 km2，落差224.4 m，平均比降0.124%，水流缓慢散乱，沙洲浅滩较多，河宽1 500～2 000 m；咸阳至潼关为下游河段，属平原河流，河长209 km，河道蜿蜒曲折，下游河段以淤积滩地为主，主槽相对较稳定，河床比降仅有0.028%。将渭河关中段划分为2个一级河段，5个二级河段，各河段水文、水质、河道形态、生态特征见表2。

2.2.2 渭河枯水期河流生态保护指标及优先性排序

渭河枯水期河流的服务功能主要表现为水质净化、生物栖息地、水产品、景观等。为了进一步识别以上功能的保护优先性，采用超载率方法对以上服务功能进行排序。超载率是指生态系统服务功能的超载程度，是现状值与参考值之差和参考值的比。超载率越大，说明距离参考状态越远，越需要重点保护。计算公式为

参考值根据国家标准、资源承载力、历史数据、理想状态及恢复的可能性等进行确定。渭河关中段枯水期主要生态服务功能优先性排序见表3。

渭河2010年COD入河量（约为18.78万t）是渭河关中段水环境容量（8.50万t，75%保证率）的2.2倍，说明渭河水质净化功能已经基本消失，水环境严重超载，水质净化是渭河枯水期需要保护的主要服务功能。

按照河流生态保护目标的确定原则，借鉴河流健康表征参数提出渭河保护目标表征指标为栖息地、鱼类、水质、景观等。结合实地调研、专家咨询，考虑可操作性、数据可获得性等确定渭河枯水期保护的具体表征指标为水功能区达标率、主要污染物达标率、河岸带植被覆盖率、具有经济价值的鱼类等，其中主要污染物指标为COD、NH3-N。根据水生生物调查与分析结果，选择具有经济价值的鱼类作为指示物种，渭河保护鱼类分别是黄颡鱼、鲇鱼、鲫鱼、鲤鱼，见表4。

表2 渭河关中段河段划分及各河段特征

表3 渭河关中段枯水期主要生态服务功能优先性排序

表4 渭河干流陕西段保护目标及其表征指标

2.2.3 渭河枯水期各河段生态保护目标

根据划分的5个河段分别确定保护目标。河流保护目标的确定需要综合考虑现状、参考状态、可达性等。以水质为例，林家村—魏家堡河段现状水质基本达到水功能要求，因此将其水质目标确定为Ⅲ类。其他河段现状水质为劣Ⅴ类，近期内达到水功能区水质标准Ⅳ类有一定难度，因此只能分步骤逐渐实现，为此确定2015年、2020年水质目标为Ⅳ～Ⅴ类。各河段保护目标值见表5。

2.2.4 渭河关中段河流生态保护目标对生态基流的需求

建立河流保护目标与流量之间的关系是一个非常复杂的过程，需要许多数据信息支持，通常需要实地监测获得长时间的系列数据。鱼类作为建立生态保护目标与流量之间关系的重要物种［20］，具有生命周期性，在不同的生活周期对流量、水深和流速的需求不同，从而决定了生态基流的季节性和过程性特征。根据《陕西鱼类志》及相关资料获得渭河需要被保护的4种鱼类的生态习性与水力学需求，见表6。

2.3 渭河关中段生态基流计算

采用水文学法、水力学法以及综合分析法分别计算林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县断面的生态基流，其中水文学法选用最具代表性的Tennant法，水力学法采用湿周法。

2.3.1 Tennant法

根据2004年编制的《渭河流域近期重点治理规划》，渭河干流林家村、咸阳和华县3个断面非汛期（11月至翌年6月）的低限生态流量分别为10、15、20 m3/s，Tennant法中多年平均流量10%的计算结果（见表7）与规划值基本一致。

表5 渭河关中段枯水期河流保护目标值与现状值

表6 4种鱼类的生态习性与水力学需求

2.3.2 湿周法

采用湿周法中的斜率1法和曲率法进行计算，结果见表8。渭河处于北方干旱地区，水量少，因此将结果较小的曲率法对应的流量作为生态基流的推荐值。

2.3.3 综合分析法

应用MIKE11模型的HD、AD、EcoLab模块建立渭河关中段水质水量综合模拟模型，采用逐河段推求的方法计算渭河现状排污条件下，保证河流水质达标所需的最小生态基流。以COD和氨氮达标为目标，基于现状排污、达标排污、75%和90%保证率纳污能力4种情景，计算满足渭河生态系统水质需求的生态流量，将保证COD达标的90%保证率纳污能力下的生态流量作为生态基流推荐值，见表9。

综合以上多种计算方法，分别得到不同保护目标下，5个断面生态基流推荐值，见表10。

表7 Tennant法生态基流计算结果

表8 湿周法生态基流计算结果

表9 水质水量综合模型4种情景计算结果m3/s

表10 不同方法及目标下渭河关中段生态基流推荐值 m3/s

3 结论与建议

3.1 结 论

河道生态基流是指为保障河流生态系统基本结构的完整性或主要生态系统服务功能的正常发挥所需要的最小流量，具有显著的时空特性。在时间上，应强调枯水期河道流量保障；在空间上，应重视生态脆弱性表现明显或者生态系统服务功能受流量变化影响较大的河段。河流生态基流内涵包括以下几个方面：保持天然河道自然形态结构的完整性及其正常演化过程的生态流量，包括输送泥沙，维护河床形态的正常演化（如河床比降、平滩流量等），保障水流畅通，维系河道与洪泛区水体之间的动态连接；维持水生生物正常发育、栖息与繁衍的生态流量，河流生态基流应能保障河流中原有的主要鱼类、大型无脊椎动物、水生植物及水生微生物等的生存及栖息环境；维持与河道相连的湿地环境，包括保证湿地水生植物生长的最小流量、保证水生动物需水的最小流量、保证生物栖息环境的最小流量、保证湿地土壤的最小流量，以及保证湿地景观、休闲娱乐需水的基流；维持大气水、地表水与地下水三者之间水量转换的流量，包括保证水面蒸发的基流，维持地表水与地下水的水力联系、河水补给地下水的基流；保持河口地区的生态基流，以防止海水入侵；维持河流自净能力的最小流量，以保持河流通过自净作用来降解污染物。

采用Tennant方法，计算得到林家村、魏家堡、咸阳、临潼和华县断面的生态基流分别为8.51、12.12、18.03、24.93、24.61 m3/s。 2004 年编制的《渭河流域近期重点治理规划》中，渭河干流林家村、咸阳和华县3个断面非汛期（11月至翌年6月）的低限生态环境流量分别为 10.00、15.00、20.00 m3/s。 可见，Tennant法计算得到的生态基流与规划值较接近。为保护水生生物栖息的浅滩区域的环境，湿周法计算的林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县断面的生态基流分别为10.60、16.70、23.20、38.80、52.60 m3/s。 为达到水质标准，水质水量综合模拟法计算得到各断面生态基流分别为2.00、3.40、4.33、8.80、22.97 m3/s。 经过专家反复论证与讨论，确定林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县断面的最终生态基流，近期目标为4.0、6.0、8.0、12.0、16.0 m3/s，远期目标为 8.0、10.0、12.0、18.0、20.0 m3/s［21］。

3.2 建 议

渭河关中段特殊的自然地理环境、水资源贫乏及时空分布不均等特点，决定了渭河关中段属于资源型缺水地区。随着经济的发展，缺水将是该地区一个长期而尖锐的问题。在此情况下，要保障生态基流，须通过立法的形式确认生态基流的合法性。保障渭河关中段生态基流要坚持“勘察与开发、地表与地下、开源与节流、兴利与除害、利用与管理”的方针，协调好水资源开发与生态环境保护、工农业生产力布局与水资源条件之间的关系。在水资源开发与利用上要因地制宜、统一规划、统筹安排、综合利用，加强地表水与地下水的联合调配；在供水方向上要朝着面向全社会服务、城乡供水统一调度、分质供水的方向发展，逐步建立节水型社会，发展节水型产业。

（1）农业用水管理。缓解渭河流域水资源紧张局面，应从农业节水着手，这是保证渭河生态基流、流域农业可持续发展、缓解渭河流域水资源短缺的最重要途径。需要加速灌区体制改革，促进节水改革；强化灌区内用水户参与的用水管理组织；完善灌区节水的政策与法规；完善农业用水补偿机制。

（2）地下水管理。加强不同断面间地下水的合理开发利用，保障河流生态基础流量；加强雨洪地下储存，推进水资源和生态环境保护。

（3）工业用水管理。新建、改建、扩建的耗水量大的工业项目和产业园区，配套建设节水设施、工业用水回收利用设施和中水回用管网设施，节水设施和回收设施与主体工程同时设计、同时施工、同时使用。已有工业项目应采取循环用水、废水处理回用等措施，降低用水单耗，提高水的重复利用率。

（4）水质管理。优先保护饮用水水源，严格控制工业污染、城镇生活污染、农业面源污染，预防、控制和减少水环境污染。根据水功能区管理目标确定河流和主要水域纳污能力，建立监测体系，对主要排污口设置计量装置，动态监测和评价重要水功能区水质状况，建立突发水污染事故快速监测和评估机制，明确责任，并制定应急处置方案。

（5）水量调度管理。对全流域水资源实行以水量和水质总量控制为中心的统一规划、统一调配、统一管理；加强监测体系建设，严格取水许可制度，制定最严格的水资源管理制度；建立渭河干流及主要支流、水库、取水口控制断面的生态流量指标体系，提升水环境的保障水平；划定渭河生态用水补给河流；充分利用跨流域调水工程，增加河道生态流量；强化应急时期生态基流保障措施。

（6）保障措施。为保障渭河关中段生态基流，应结合河（湖）长制的实施，采取法律、行政、经济、技术等保障措施。严格执行相关法规，建立高效的水量统一调度管理运行机制，明确各级水量调度管理机构职责，将流域水量分配方案和年度调度计划纳入流域内各级行政首长任期考核目标。结合流域初始水权分配制度，建立相关的经济补偿机制。严格“三条红线”管理制度，明确各子流域取水许可总量指标，建立取水许可制度，综合平衡年际、年内水资源配置与水量调度计划的协调与调配。建设水量调度远程监控系统，实现重要水量调度工程的远程异地实时调度、监视和控制。加强流域水文预报和用水监测，建立水文自动测报和水文、水资源信息服务系统，提高水资源动态的监测、监视和监控能力。

4 结 语

关于生态基流的基本概念与内涵，目前仍然没有统一和完全公认的标准，尚在积极探索当中。然而，随着我国新的治水方略的实施，人水和谐、人与自然和谐共处逐渐成为一种新的治水理念，尤其是当前黑臭水体治理、河（湖）长制的实施，维持河流健康，维持河道健康、可持续的生态基流成为社会发展的必然趋势。以渭河关中段为例，探索了河道生态基流的基本概念、内涵与理论基础，提出了河道生态基流估算的基本框架，结合水文学法、水力学法和综合分析法，估算了渭河关中段主要控制断面的生态基流，并基于专家论证意见，初步确定渭河关中段林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县断面生态基流近期目标为 4.0、6.0、8.0、12.0、16.0 m3/s，远期目标为8.0、10.0、12.0、18.0、20.0 m3/s。