三种生态流量计算方法适应性分析及选择

肖卫 周刚炎

摘要：介绍了欧洲生态流量计算评估实践，聚焦了水文法、水力-栖息地法和整体法计算生态流量的经验和案例，分析了3种生态流量估算方法的适应性及选择。分析表明：应评估受影响河流流态和生态流量之间的差距，提出实现生态流量和环境保护目标需求相协调的建议;应结合不同类型计算方法的适用条件和数据获取难易程度，选取合适的生态流量计算方法。

关键词：生态流量;估算方法;水文法;水力-栖息地法;整体法

中图法分类号：P333

文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2020）12-0059-04

水工程在发挥防洪、发电、航运、灌溉等效益的同时，在一定程度上改变了河流水文情势，产生了相应的生态效应。在工程实践中，一般较多关注优化水工程的最小下泄流量，主要考虑生产和生活用水需求。随着对河流生态系统认识的逐步深入，水库下泄流量需要考虑下游生态保护目标的需求，河流生态流量的计算和实践评估是一个十分重要而复杂的课题。研究和实践表明：应根据不同地域、不同类型河湖的气候水文特性、水资源禀赋条件及开发利用状况、河湖生态功能定位等，分析并明确主要生态保护对象及保护要求，合理确定河流生态流量及过程，对重要河流生态流量的满足状况进行评价，并分析存在的主要问题和成因。欧洲开展生态流量的研究和实践起步比较早，在《欧盟水框架指令》下开展生态流量计算评估的经验和案例值得参考借鉴。

1生态流量计算方法

学术界常用的几种生态流量计算方法包括：①水文法;②水力-栖息地法;③整体法。为了对比3种方法的利弊，在表1中对这些方法进行了比较。

1.1水文法

水文法是基于历史径流数据分析的方法。基本假设是为了保护河流生态系统，必须保证天然的水文情势。水文法中并不考虑物种或群落特定水平，提供同期流量的变化幅度和范围，以维持生态过程与生物多样性。水文法在当前的应用趋势是从仅设定一个最小流量的方法（如：1976年Tennant法）转向更加全面的方法，考虑维持河流形态和生态过程所需的水文条件。

目前，水文法是國际上使用最广泛的方法，因为该法使用方便且成本经济。如果可以获得用于生态流量估算的径流记录，则水文法是计算生态流量最简单、最快速、最经济的方法，但未考虑河流形态特征及生态过程，因此建议在规划层面使用水文法，或在低风险、低争议的情况下设立初步流量目标。不建议将水文法应用于对生态流量要求较高的情况。

简单的水文分析受到以下3个方面的影响：①为了保证统计完整性，水文要素的数据序列至少要15a。②对于受人类活动（如修建水坝、水库，河流改道与取水等）影响的监测数据，需要进行还原计算。③水文监测站在空间分布上必须控制干支流节点，以获取水源和主要水道的水文特征。

水文法研究的案例包括：①在气候变化背景下，意大利阿诺河流域通过将最小生命流量数据以及生态流量初步近似值加以比较，达到测试定量指标的目的。②使用水文法和整体法来确定斯洛文尼亚生态流量。

1.2水力-栖息地法

水力-栖息地法是基于流量变化，通过河流形态对生物群落起作用确定群落栖息地出现及持续的时间。

水力-栖息地模拟包括：①河道的物理或水力建模;②模拟生物与物理环境之间的联系。后者可能考虑不同的生境参数，如水深、流速、河床组成、河道几何形状、覆盖度和水温等。因此，可根据水流和河道的形态特征来确定生物群落栖息地数量。然后将物理模型和生物模型相结合，用来模拟栖息地质量-数量的指标如何随径流变化。尽管以往文献中不同水力-栖息地模型的概念基本相同，但在具体计算中，模型（物理模型和生物模型）之间存在差异。

目前，许多方法都涉及河流廊道内生物群落与生态系统的可持续性。有研究考虑了洪泛平原、河岸栖息地的生态重要性以及维持河流地貌需要的急流与洪水。此外，栖息地时间序列分析是使用水力一栖息地法定义生态流量的关键，以表示年内与年际栖息地的变化。栖息地模型能够模拟流量和形态变化，可对不同场景进行比较分析，并得出最佳选项。

通常认为，水力-栖息地法比水文法更加准确，并在高风险项目中推荐使用水力-栖息地法进行模拟。水力-栖息地法需要扎实的专业知识储备，并通过大量现场勘查来收集水文及生物资料，耗时长且成本较高。欧盟内外的一些国家通过使用简化的“广义”栖息地模型以降低成本。

水力-栖息地模拟方法是根据水文形态条件估算栖息地的数量，而不考虑更加复杂的生态及生物因素，例如食物可获得性、种间相互作用以及外来物种的存在。

水力-栖息地法使用案例包括：①希腊罗得岛加尔达拉斯河建造大坝使河流流态发生改变。需要确定水库关键水位以使其成为土著鱼类拉迪赤梢鱼生存保护地。基于该方法制定了大坝泄流计划，供大坝运营方对洪枯期、洪枯年份的库水位进行调度。泄流计划实施1a后，通过物理、生物和物理化学监测表明，河流流态可较好保护枯季拉迪赤梢鱼种群，确保了鱼类生存。②瑞典默鲁姆河特定水生物种创造有利水力条件的实践过程。自1959年以来，默鲁姆河水一直被用于发电。该河流是鲑鱼与海鳟的潜在产卵场，为了更好地发挥潜在产卵场的作用，需要加大流量并进行河道地形修复。以水力一栖息地模拟为依据，评估不同流量过程，并与鲑鱼种群模型相结合。根据模拟，将鱼类迁徙季节与流量峰值相结合，得出了生态基流的建议值。③法国默兹河天然径流波动较大，加之上下游航运、水电站运行的影响以及水资源管理不当等因素，导致了径流突变。通过河流栖息地法模拟了低流量对鲍鱼适宜栖息地数量的影响。对模型进行可靠性分析发现，对产卵区以外目标物种每一生命阶段的适宜栖息地估算值过高，需进行适当调整。通过结合现场收集的信息克服了栖息地法的若干缺点。

1.3整体法

整体法的目的是将人类和生态流量需求融合到缜密的评估框架中。该方法的理念是所有生物和非生物组成了需要管理的生态系统。

整体法有时被称为专家小组法，在研讨中制定生态流量标准，由多学科专家小组（包括水文学、地貌学、水质和生态学各学科）审议特定河流的数据。

水文变化的生态限制框架（ELOHA）是专门为满足州、省或流域尺度的环境流量管理与国家水政策层面的需求而开发的，将环境用水需求纳入区域水资源规划及全球管理中。該框架同时解决了河流（包括湖泊与湿地）的许多问题。根据评估深度、数据收集与专家咨询程度的结果表明，整体框架的应用耗时较长且成本较高。

斯洛文尼亚生态流量的确定使用了水文法和整体法。采用整体法评估了分水（取水）河段的生物、化学和水文形态特征，考虑与自然保护及保存政策有关的需求确定生态流量。整体法可用于全球任何地方，但作为基于专家支持的方法，其可复制性有限。

2方法选择

根据流域的水文特征、规模范围以及环境和经济情况，建议选择分层次方法确定适当的生态流量计算方法。可以选择从简单到复杂的方法。根据一个国家的规模、风险范围、用水强度、预算、能力与时间框架等进行计算。可在许多不同方面分阶段分层实施，例如：①增加科学评估的复杂性，从非常简单的流域规模水文分析到基于现场的综合调查;②增加的流态复杂性，从季节性低基流的基本保护到维持具有年内（年际）变化的更复杂流态;③地理分阶段，从高优先级站点开始计算。

由于生态流量计算需要一定条件，因此分阶段的分层次方法是实际应用中最为有效的方法，可用于制定某一地区或国家的生态流量政策。如西班牙广泛采用了两种评估级别，将生态流量纳入流域管理计划。英国河流使用了生态流量的3种评估级别，且投资越大评估结果越准确。

表2为一种适用于生态流量计算方法选择的3层结构方法。

3生态流量差距分析

在《欧盟水框架指令》的一般背景下，“差距分析”在于确定每一水体现有状态与实现环境目标所需状态的偏差。如果水文情势变化可能妨碍实现环境保护目标，则应对当前流态与生态流之间的差距进行评估，即“生态流量差距分析”。虽然水文变化胁迫分析评估中考虑到了当前流量与天然流量的偏差，但生态流量差距分析在于评估当前流量与生态流量之间的距离（见图1）。

由图1可知，可在任何时间尺度（月，季节或年）上计算生态流量差距，应集中于发生改变的流量分量（包括流速）。对于低流量，生态流量差距可以理解为由于引调水而实际上不可用于满足生态流量需求的净水量。

水量平衡中通常考虑生态流量。在斯洛伐克水资源定量评估时就是如此。水量平衡一般以上一年度的水量需求与水资源可用性评估作为根据，明确了水资源利用的现状与可能性，并作为下一时期的水资源管理约束条件。生态流量用最小平衡流量表示，作为水量需求输入量之一。在考虑水量平衡时，若出现水量不足的情况，可据此对现有措施进行指导和审查，以改进或重新制定措施。

对于目前满足生态流量（无生态流量差距）的地表水体，在措施计划中应关注维持河流健康。对于某些河流，若已经确定当前流量和生态流量之间差距，则应制定相应的措施计划以恢复生态流量，并缩小差距。

4结语

选择合适的生态流量计算方法取决于资源的可用性（包括监测数据）和受影响的严重程度。对覆盖整个流域的情况，可选择采用水文法;针对潜在影响采取具体措施时，则需要更详细的方法来确定生态流量以确保其有效性。在水文变化可能影响实现环境保护目标的情况下，评估当前流态和生态流量之间的差距是设计修复措施计划的关键。

在河流受到人类活动影响的情况下，应当评估当前流态与实现保护目标所需流态之间的差异，以便制定适当措施。这种差异的分析包括对河流监测或模拟结果的评估。对生态流量评估需要考虑天然流态和河床形态、河流生态流量与确定环境保护目标是否相适应。本文介绍的方法可用于生态流量的确定，大多综合考虑了生物状况、时间尺度、复杂性和所需数据方面的差异。应结合不同类型计算方法的适用条件和数据获取难易程度，选取合适的计算方法。

本文介绍了3种生态流量计算方法及其适应性选择，可供计算河流生态流量时参考借鉴。建议根据不同地域、类型河湖的气候水文特性、水资源禀赋条件及开发利用状况、河湖生态功能定位等，明确主要生态保护对象及保护要求，选择适当的生态流量计算方法，确定合理的河流生态流量及过程，以满足下游生态保护目标的需求，并及时开展重要河流生态流量评价。对流域内建有多座水工程的河流，在满足单个工程生态流量保障要求的前提下，还应根据上下游河流廊道、湖泊、湿地、河口及鱼类栖息地等选定的保护目标对生态流量及过程的要求，分析各工程的调度约束条件和调度目标，综合提出流域上下游梯级联合生态调度方案。

（编辑：李慧）