生态流量的科学内涵

董哲仁，张 晶，赵进勇

（中国水利水电科学研究院，100038，北京）

一、生态流量定义

生态流量（Ecological Flow）的研究20 世纪70 年代始于美国。 为执行《清洁水法》，也为了满足大坝建设高潮中生态流量评估的需求，政府管理部门开始生态基流的研究和实践，确定河道中最小流量，以维持一些特定物种如鱼类生存和渔业生产。 此后，发达国家为应对人类大规模活动改变自然水文情势引起水生态系统退化的挑战，开展了多方面的研究和实践。 这里所说的改变自然水文情势的人类大规模活动有以下几种：①从河流、湖泊、水库大规模取水或调水；②水库蓄水；③通过水库实施人工径流调节。 科学家们认为，为保护水生态系统，有必要在人类开发水资源的背景下，确定维持河湖生态健康的基本水文条件。

20 世纪80 年代， 欧盟及澳大利亚、南非等国家陆续开始了相关研究和实践。 为将生态流量纳入第二轮欧盟流域管理规划，在《欧盟水框架指令》共同实施战略框架下，于2015 年制定了《欧盟水框架指令》共同实施战略第31 号指导文件。 文件回顾了环境流量的概念和主要定义， 提出《欧盟水框架指令》中“生态流量”的定义是：为实现《欧盟水框架指令》第4（1）条所述环境目标下的自然地表水体的水文情势。 其中，第4（1）条所述环境目标指：①现状不退化；②实现自然地表水体良好生态状况；③保护区内遵守其保护标准和目标。

生态流量是一个不断发展的概念，现存生态流量定义有多种，本文给出生态流量的定义是：为了部分恢复自然水文情势的特征，以维持河湖生态系统某种程度的健康状态并能为人类提供赖以生存的水生态服务所需要的流量和流量过程。

环境流量（Environmental Flow）是与生态流量类似的概念，不过比后者涉及的因素更为宽泛。 在多种环境流量的定义中，受水文情势变化影响的因素除了河湖生态系统以外，还涉及社会经济用水、景观美学价值、文化特征等多种因素。 生态流量则集中关注水文情势变化对生态系统特别是对于生物的影响，更加突显水文情势的生态学意义。 欧盟国家多采用生态流量概念，而美国、澳大利亚等国较多采用环境流量概念。 一般来说，实施生态流量管理的流域或地区是水资源相对匮乏、人类经济社会用水与水生态系统需水呈现竞争态势的流域或地区。

二、生态流量理论要点

综合分析生态流量理论几十年发展历程，要点可以归纳如下：

1.水文情势是维系河湖生态健康的关键因素

水文过程是河湖生态系统的驱动力。 水文情势的重大改变，引起水位、流速、水温等水力学因子变化，会直接影响鱼类和无脊椎动物的生存和繁殖， 也会增加生物入侵的风险。水文情势重大改变会导致栖息地数量、质量和时空分布的变化，还会直接影响河漫滩植物的构成和盖度。 可见在生境各项要素中，水文情势是关键要素。 用生态流量控制改变水文情势的人类活动（取水、蓄水、径流调节）是流域管理的有效举措。

2.生态流量不仅规定最低流量，而且规定流量过程

早期生态流量只规定枯水期最低流量， 近十余年的研究和实践表明，生态流量不仅要规定枯水期最低流量，而且应规定流量过程，包含流量、频率、时机、持续时间和变化率，只有考虑流量过程才能保证生态目标的实现。

3.把自然水文情势定义为生态流量的参照系统

自然水流范式（Nature Flow Paradigm, NFP）认为，未被大规模干扰的自然水流对于河流生态系统整体性和支持土著物种多样性具有关键意义。 在生态流量理论中，把自然水文情势作为参照系统，即定义自然水文情势为水文理想状态。 在实际应用时，可将人类大规模开发利用水资源或进行水库径流调节之前的水文情势作为自然水文情势，在长序列水文监测数据中经评估确定。 如果缺乏长序列水文数据，可以依靠历史文献分析和专家经验确定。

4.评估当前水文情势与自然水文情势的偏离程度

采用合适的数学方法评估当前水文情势与自然水文情势的偏离程度，借以评估人类活动的水文胁迫程度，为制定生态流量标准提供依据。

水文情势可以进一步细分为5种水文因子，即流量、频率、时机、延续时间和过程变化率。 这些因子的组合不但表示流量，也可以描述整个水文过程。 自20 世纪90 年代起，国外学者先后提出了多种自然水文情势的量化指标体系，其中具有代表性的是美国Richter 和Mathews 等提出的5 类33 个水文变化指标（Indicators of Hydrological Alteration,IHA）。 为评估偏离程度，国外学者还研究了若干评估当前各项水文指标与自然水文情势的偏离率的计算方法，如RVA、HMA 法。

5.建立水文情势改变- 生态响应关系

为了回答“欲达到预期的生态目标，需要恢复什么样的水文情势？ ”这个核心问题，需要建立水文情势改变-生态响应定量关系， 这也是近十余年生态流量研究的方向。通过调查、监测获得大量数据， 用统计学方法和大数据分析，建立水文情势改变-生态响应关系， 依靠这种关系识别水文情势改变的生态响应。 所谓生态响应包括生物响应和栖息地数量、 质量以及时空格局变化。 在此基础上进一步论证保证达到预期生态目标的生态流量。

欧盟水框架指令（WFD）作为欧盟立法， 要求成员国水体在2015 年综合指标（水文、地貌、物理化学和生物）达到良好等级。 欧盟水框架指令共同实施战略指导文件要求成员国为达到预定目标，必须制定相应的生态流量标准。 其步骤包括建立自然水文情势参照系统；评估当前水文情势与参照系统的偏离程度；建立水文情势改变-生态响应关系； 通过监测分析，评估规定的生态流量能否支持达到预定的综合指标。

6.实施生物、水文、水质和地貌的综合监测

生态流量的制定和实施必须有大量数据支持，因此建立水生态监测系统是实施生态流量管理的基础工作。 水生态的监测内容应是综合的，包括生物、水文、水质和地貌。

7.基于适应性管理，将生态流量评价作为水资源管理工具

生态流量是一个科学概念，更是一个管理工具，需要在水资源综合配置时，通盘考虑人类社会与维持生态健康的需求。 生态流量评价结果需考虑生活、生产、生态多种用途，由利益相关方共同论证、取得共识。 由于涉及多方利益，公众参与尤为重要。 同时，生态流量标准不宜绝对化，这是由于自然河流的生态系统和人类的认知均存在不确定性， 特别是对水文-生态响应规律的认知尚不完善，即使是经过论证的生态流量标准，也应在实践中基于适应性管理技术，根据水文、生态持续监测结果，不断进行调整和修正。

三、生态流量计算方法比较

迄今为止国际上有200 多种生态流量计算方法， 主要为水文学法、水力学法、生境模拟法以及整体分析法这4 类。 常用的生态流量计算方法见表1。 目前这些方法仍在世界各地使用，我国引进了这些计算方法并在诸多生态流量相关的导则与指南中引用， 如水资源保护规划编制规程（SL 613—2013）、 河湖生态保护与修复规划导则（SL 709—2015）等均有相关内容，这些方法在实践中应根据当地实际情况和需求有所选择地进行使用。

四、生态流量计算案例

1.水文学法计算案例

以沙河 （白龟山水库-昭平台水库段）为例，根据河段所处流域及气候条件、Tennant 法相关要求， 以当地的汛期和非汛期进行时段划分，其汛期为6—9 月， 非汛期为1—5 月和10—12 月，其中汛期采用多年平均流量的20%、非汛期采用多年平均流量的10%作为确定保护鱼类、 野生动物、娱乐和有关环境资源的最小生态流量。 计算结果见表2。

表1 常用的生态流量计算方法

2.水力学计算案例

湿周法是根据河道断面湿周与断面流量之间的关系，建立湿周—流量关系曲线，以曲线上的突变点对应流量作为河道最小生态流量，通常选取曲线中斜率为1 曲率最大处的流量作为河道生态需水量。

以大宁河流域某支流为例，选取研究河段上、中、下游3 处典型断面（见图1），利用实测断面数据、高程数据和经验公式计算湿周和流量。 根据谢才公式和曼宁公式，流量计算公式如下：

式中，Q为流量 （m3/s），A为过水面积（m2），p为湿周（m），J为水力坡度（比降），n为糙率。

各断面通过湿周法计算的生态流量分别为2.5 m3/s、1.7 m3/s、3.1 m3/s，因此选取最大值3.1 m3/s 作为该河段的生态流量。 同时，还计算了3 处断面的水力半径、流速等指标，见表3。

表2 汛期与非汛期生态流量

图1 典型断面位置图

表3 研究河段典型断面计算结果汇总表

3.生境模拟法计算案例

应用River2D 模型中的鱼类栖息地计算模块， 基于IFIM 法中PHABSIM 模型的加权有效面积方法， 以赤水河为例，确定生态流量。 River2D 模型 （Two Dimensional Depth Averaged Model of River Hydrodynamics and Fish Habitat）由加拿大阿尔伯特大学2002年研发，可以模拟天然河道中河流水动力条件和鱼类生境，广泛应用于河道治理、污染物迁移和鱼类栖息地评价。赤水河是长江上游目前唯一未被开发的一级支流，水质良好，受人类活动干扰较小， 是长江上游特有鱼类及多种水生生物的重要栖息地或产卵场。 选择赤水河下游两个典型河段开展研究，其中蜿蜒河段长度为5 625 m、顺直微弯河段长度为1 583 m。以长江流域特有鱼类岩原鲤为指示物种，构建岩原鲤成鱼流速、水深和河道指数的适宜性曲线， 采用River2D 生态水力学模型，计算有效栖息地面积（WUA），并建立有效栖息地面积与河流流量的关系曲线，确定岩原鲤的适宜流量，作为确定生态流量的参考依据。

（1）适宜性曲线构建

岩原鲤（Procypris rabaudi,Tchang）为长江中上游流域特有物种，被《中国濒危动物红皮书》 列为易危物种，并被列为国家二级珍稀鱼类保护品种。 鱼类对于栖息河段流速、水深、河道指数等因子具有其适应性范围，可用适宜性曲线表征。 基于文献调查的结果，岩原鲤成鱼的流速、水深和河道指数的适宜性曲线见图3。

（2）流量条件确定

选取枯水期、平水期、丰水期和洪水期四个时期的不同水文频率条件进行栖息地适宜性评价。 不同水文条件下研究河段流量见表4。

图3 岩原鲤成鱼适宜性曲线

图4 流量-有效栖息地面积比例曲线

表4 不同水文条件下流量情况

（3）有效栖息地面积（WUA）计算

根据目标鱼类对于各微生境因子的适宜性曲线得到每个单元各影响因子适宜性值，然后将其组合得到每个单元的组合适宜性值，最后计算研究河段的有效栖息地面积。 其中：

式中，WUA是研究河段有效栖息地面积；CSF（Vi，Ci，Di）是每个单元的组合适宜性值。其中：i是划分的单元个数；D是水深适宜性指数、V是流速性适宜指数、C是河道指数适宜性指数（包括基质和覆盖物）；Ai是每个单元的水平面积。

结合River2D 模型对各流量下有效栖息地面积的模拟结果， 计算各流量下三种模拟河段有效栖息地面积、总栖息地面积及有效栖息地面积比例， 并建立流量—有效栖息地面积比例的相关曲线见图4。

由图4 可知， 顺直微弯河段加权可利用栖息地面积先增加后减小，在平水期内流量Q=306.9 m3/s 时最大，所占总面积比例为11.67%；蜿蜒河段加权可利用栖息地面积呈现双峰形式， 在丰水期内Q=540.4 m3/s 达到最大值后降低，并在2 年一遇洪水流量（P=50%）Q=3 260 m3/s 有所提高，随后降低，最大加权可利用栖息地面积占总面积比例为10.40%。两个河段比较可知， 顺直微弯河段在丰水期和洪水期难以为岩原鲤提供有效的栖息空间，2 年一遇洪水情况下（Q=3 260 m3/s）有效栖息地面积比例降至0.92%，5 年一遇洪水（Q=5 040 m3/s）有效栖息地面积比例仅为0.07%。因此，确定顺直微弯河段生态流量为306.9 m3/s，蜿蜒河段生态流量为540.4 m3/s。

五、结 语

回顾生态流量几十年研究进展表明， 生态流量概念是不断发展的，以自然水文情势为基础的生态流量对水生态系统的生物多样性和生态完整性至关重要。 因此，需要建立水文情势改变-生态响应关系， 评估水文变化与其他生态指标的关联性，获得水文变化对生态影响的阈值，从而确定生态流量标准。 这是生态流量理论发展的方向。 另外，从管理需求出发，生态流量标准不宜绝对化、僵化、一成不变， 对于任何一条特定河流，不存在“唯一的”“正确的”生态流量方案，在使用中需运用适应性管理理念持续修正；同时，虽然水文情势变化是生态响应的主要驱动因素， 但是河流生态状况是许多因素影响的结果，需要采用统计技术，把水文改变的影响与其他环境压力区分开来。