竞争性用水河流生态流量确定方法研究

马红亮　葛雷　王瑞玲等

关键词：竞争性用水;生态流量;栖息地模型;生态流量组成;伊洛河

中图分类号：TV211.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.019

引用格式：马红亮，葛雷，王瑞玲，等.竞争性用水河流生态流量确定方法研究[J].人民黄河，2022，44（3）：97-102，117.

生态流量的确定是当前水资源与水生态环境保护的热点和难点工作之一，开展河湖生态流量研究是加强流域生态保护与水资源管理的重要基础性、先决性工作，对于维持河流健康生命、促进流域人水和谐具有重要意义[1]。目前，生态流量计算方法主要有水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法4大类[2]。虽然不少方法与生态需水量机理相结合建立了水文-生态响应关系，但大多数方法从特定生态保护对象需水量的角度出发，追求“天然状况”下的生境条件，过于强调河流生态服务功能的同时，忽略了水资源开发利用情况和经济社会发展的需求。因此，科学界定河流自然生态与社会服务功能的平衡点，促进流域生态保护和高质量发展均衡协调，是竞争性用水河流生态流量确定的关键和难点。

近年来，我国许多地区过度开发利用水资源，生产、生活用水严重挤占生态用水，水资源生态系统服务功能减弱，部分流域和区域人与自然争水现象突出[3]，竞争性用水局面不断加剧，河流的自然生态与社会服务功能严重失衡。对于水资源开发过度地区，研究变化环境下的竞争性用水河流典型生态系统演变特征，提出水文-环境-生态复杂条件下的河流生态需水量及其过程，对于恢复受损河流生态系统、促进流域生态保护和高质量发展具有重要意义。

1竞争性用水河流生态流量确定方法

1.1竞争性用水河流内涵与保护方法

竞争性用水主要指生态环境与经济社会对于同一河流水源产生的用水竞争现象，两者的用水竞争与利益冲突普遍存在，随着用水需求的增加，经济发展用水与环境需水量成为有限水资源承载对象的一对矛盾[4]。对于竞争性用水河流来说，生态环境与经济社会的用水矛盾十分突出，出现河流减水甚至断流、水污染加剧、湿地萎缩、生物多样性受损、水生态系统退化等问题，严重制约着流域生态保护与高质量发展。因此，河流的保护需要统筹自然生态与社会服务功能的关系，通过不断调整人的行为，逐渐修复因人工过度干预而失衡的河流基本功能。

结合竞争性用水河流的特点，将其生态保护划分为最小生境和适宜生境，对应的河流生态系统需水量分别为最小生态流量和适宜生态流量。最小生态流量指维持河道生态系统现状不恶化，为关键性物种如鱼类提供最小生存空间的河流流量;适宜生态流量指为维持水生态系统完整性，河道水文情势能满足鱼类正常生存繁殖的水文、水力学要求，生态系统呈健康状态的河流流量[5]。

水资源具有生态、社会、环境、经济等多重属性，竞争性用水河流生态流量的确定需要统筹考虑河流多种功能，以资源、生态、环境均衡发展为指引，以河流生态系统良性循环为保护目标，开展河流生态系统需水量研究，建立水文与生态的定量响应关系。同时，考虑竞争性用水河流的水资源禀赋条件，选取历史上人类大规模经济活动初期、河流生态环境状况相对较好的历史时期作为河流最佳状态的参照系统[6]，借鉴环境流量分类方法（EFC），计算参照系统下各流量组分特征值作为参照标准[7]，对生态需水量进行修正和完善，建立竞争性用水河流生态状况良好、经济社会可持续发展的生态流量指标体系。

1.2河流生态系统需水量计算

河流生态系统包括直接依赖河川径流滋养的水生生态系统和湿地生态系统，河流生态系统的良性循环对于促进流域生态系统健康具有重要作用[8]。河流生态系统需水量计算常用的方法有湿周法、R2CROSS法和栖息地模拟法等，其中栖息地模拟法是基于生境适宜度评价指标体系将物理生境因子的条件和生物本身的需求结合起来，模拟流量和适宜生境之间的定量关系。该方法被认为是生态需水量计算方法中最为可靠的方法之一[9]。

对于河流水生生态系统来说，鱼类处于水生生物群落食物链的顶层，常被作为河流健康评价的指示物种。为准确描述鱼类不同生长阶段的生态需水规律，根据鱼类个体发育史，将计算时段划分为繁殖期、生长期和越冬期，综合水深、流速等生境因子的现场监测、实验室模拟结果及专家经验等，明确指示物种不同阶段生态习性及其栖息地质量对径流条件的需求，建立鱼类不同生长阶段栖息地适宜度指数，借助水动力学模型，模拟系列流量过程和栖息地质量之间的定量关系。

对于以生态保护为主要目标或水资源开发利用程度较低的河流，应选择栖息地面积最大值所对应的流量作为适宜生态流量，但是对于竞争性用水河流来说，生活、生产、生态用水矛盾突出，选择最大栖息地面积难免缺乏可操作性，因此可根据指示物种各生长阶段对于维持种群规模的意义，选择合适的栖息地规模，将其对应的流量作为适宜生态流量。对于最小生态流量，选择栖息地面积与流量关系曲线中第一个转折点或曲线斜率最大点对应的流量，此时栖息地面积随流量处于快速上升阶段，栖息地面积对流量变化较为敏感。

1.3历史参照系统生态流量组成分析

河流生态系统保护的核心是将一定时期自然条件下的河流水文条件作为河流生态系统健康的参照标准，通过模拟参照系统条件下流量的自然节律，塑造相应的流量过程使生态系统保持预期的健康状态。参照系统的选择至关重要，对于竞争性用水河流来说，流量恢复不是要模拟纯天然条件下的流量过程，而是选择最好的方式使有限的水资源达到更好的生态环境效果。对于一条河流来说，随着水资源开发利用程度的不断提高，河流逐渐由天然状态过渡到半人工或近人工状态，因此竞争性用水河流参照系统的选择时期不一定是天然时期，也可以是历史上水资源开发利用程度相对较低、生态环境用水较为充足的阶段。

20世纪后期大自然保护协会（TNC）提出环境流量分类方法（EFC），将流量过程划分为极端低流量、低流量、高流量脉冲、小洪水和大洪水5种，明确了每种流量过程的生态学意义，建立了相应的环境流指标[10]。采用环境流量分类方法，计算历史参照系统条件下生态流量特征值，包括最小流量、适宜流量和高流量洪水脉冲。最小流量是指示物种不同生长阶段极端低流量与低流量阈值，也是河流生态系统生存的极限条件。将指示物种不同生长阶段在参照历史时期的低流量平均值作为指示物种生存的适宜流量。高流量洪水脉冲带来了强烈的生命节律信号，具有引发生物发育、洄游、繁殖等功能[11-12]，鱼类繁殖期一定量级的脉冲洪水可以促进亲鱼繁殖，缩短产卵及受精时间;生长期需要一定流量级的洪水发生，为鱼类提供丰富的食物，因此应统计分析参照系統高流量洪水脉冲特征值，包括高流量脉冲阈值，洪水脉冲次数、时间、平均流量及持续时间等。

1.4资源生态环境均衡协调方法

竞争性用水河流生态流量的确定既要考虑经济社会发展的用水需求，也要兼顾河流生态服务功能的发挥，应以历史参照系统下生态流量为底线，借助栖息地模型开展河流生态需水量计算，采用外包线法综合确定河段最小生态流量和适宜生态流量。同时，根据历史参照系统下高流量洪水脉冲特征设计洪水脉冲过程。

2伊洛河入黄口生态流量研究

2.1研究区概况

伊洛河是黄河下游重要的一级支流，流域多年平均水资源总量为32.3亿m³，年径流量居主要支流第三位，是黄河水资源相对丰富、含沙量较小的支流之一。流域内生境类型多样，鱼类等水生生物多样性丰富，伊洛河流域共有浮游植物7门82种、浮游动物4类69种、底栖动物4大类9种、鱼类5目10科50种，是黄河中下游鱼类多样性较为丰富的河流。流域下游伊洛河入黄口位于黄河郑州段黄河鲤国家级水产种质资源保护区核心区，历史上一直是黄河鲤的主要产卵场之一，随着黄河干流鱼类栖息地的日益萎缩，伊洛河入黄口对于营造良好的鱼类栖息生境、维持黄河中下游河段生态系统健康显得尤为重要。

现阶段，受河流污染、水电站建设、河段开发等影响，伊洛河中下游河段鱼类生境条件受到严重破坏，栖息生境萎缩，生物多样性下降，威胁着河流与流域的生态安全。同时，伊洛河流域大部分位于国家重点开发区，下游洛阳市属于中原经济区的副中心，下游河谷平原位于黄淮海平原主产区（国家限制开发区）的东部，作为中部地区重要的工业基地和连接中西部的重要区域，流域经济发展强劲，未来对水资源需求将进一步增加，使得流域竞争用水态势更加突出，根据《伊洛河流域综合规划》，2030年流域水资源开发利用率增至67%，未来水资源供需矛盾将更加尖锐，流域生态保护面临更大挑战。

通过开展伊洛河流域生态流量研究，科学确定重要控制断面不同时段生态用水需求，对于维持河流生态系统健康、促进流域高质量发展、建设造福人民的幸福河具有重要意义。

2.2基于栖息地模拟法的河流生态系统需水量计算

棲息地模拟法物理机制清晰、应用广泛，是河流生态系统需水量计算的重要方法。为建立指示鱼类栖息地状况与各生境因子的响应关系，分别于2018年5月、2019年4月和5月对伊洛河入黄口开展了水文、生态、环境等多因子监测，详细调查了研究河段浮游生物和鱼类种类、数量、受精卵和仔鱼发育情况，以及栖息地流速、水温、水深、地形等生境因子。综合考虑生态价值、土著物种、经济价值等因素，选择黄河鲤作为该河段生物多样性和鱼类物种资源保护的指示物种。

通过分析黄河鲤繁殖期流速、水深等栖息地生境因子频率分布，综合应用实验室模拟法、野外实测法、专家经验法等，建立黄河鲤栖息地适宜度曲线。考虑到产卵期亲鱼和鱼苗对各生境因子需求不同，分别构建了黄河鲤亲鱼、鱼苗栖息地适宜度曲线，见图1～图3。

根据现场调查结果，选取伊洛河入黄口至上游5.5km河段作为模拟河段，该河段位于黄河郑州段黄河鲤国家级水产种质资源保护区核心区，是现状调查中伊洛河流域内黄河鲤的重要产卵场之一。黄河鲤产黏性卵，多在河流沿岸缓流浅水、有水草或者附着物的地方产卵;卵化后的鱼苗有顶水逆流的习性，游到河面宽阔、水流平稳、饵料丰富的河段生长发育。模拟河段内伊洛河特大桥上下游区域河势散乱，河漫滩或心滩广泛发育，水草和芦苇较为丰富，浅水处流速较小，比较适合鱼类产卵和生长发育。借助Delft3D模型模拟不同流量条件下适宜栖息地分布（见图4、图5，图中适宜栖息地分布状况以栖息地适宜度来表示，0代表完全不适合黄河鲤栖息，1代表最适合黄河鲤栖息）。通过地形修正，水深模拟偏差值为0～0.4m，流速模拟偏差值为0～0.05m/s，模拟结果与实测值吻合较好。

4—6月为黄河鲤产卵及仔幼鱼发育期，是鱼类生命周期中最为脆弱和重要的阶段，栖息地生境对生态水文条件要求较高，因此栖息地模拟以黄河鲤繁殖期（4—6月）为重点。繁殖期黄河鲤栖息地面积与流量的关系曲线见图6。对于黄河鲤亲鱼来说，仅考虑流速因子时，适宜栖息地面积随流量增大而增大;仅考虑水深因子时，适宜栖息地面积随流量增大而减小;综合考虑流速和水深因子时，适宜栖息地面积随流量增大呈先增大后稳定的趋势。对于黄河鲤鱼苗来说，仅考虑流速因子时，适宜栖息地面积随流量增大呈先稳定不变后减小的趋势;仅考虑水深因子时，适宜栖息地面积随流量增大而减小;综合考虑流速和水深因子时，适宜栖息地面积随流量增大呈减小趋势。

（1）繁殖期生态流量。该时期既包含亲鱼产卵期，也包含仔幼鱼发育期，考虑黄河鲤不同生长阶段对生态水文条件的要求不同，因此生态流量的确定需要综合考虑亲鱼和鱼苗的生境需求。伊洛河入黄口黄河鲤繁殖期适宜栖息地面积与流量的关系曲线见图7，随着流量的增大，黄河鲤亲鱼适宜栖息地面积呈增大趋势，鱼苗适宜栖息地面积呈减小趋势。因此该河段适宜生态流量的确定需综合考虑维持亲鱼产卵需水量和鱼苗生存及生长发育需水量要求，最小生态流量确定以维持亲鱼产卵需求为主、兼顾鱼苗生长发育要求。

综合考虑流速、水深因子，流量低于15m³/s时，鱼苗对应的适宜栖息地面积处于较高水平，亲鱼对应的适宜栖息地面积较小，但处于上升阶段。当流量为13m³/s时，亲鱼关系曲线处于快速上升的第一转折点，对流量变化较为敏感，因此确定4—6月黄河鲤最小生态流量为13m³/s。

当流量为13～30m³/s时，亲鱼适宜栖息地面积与流量关系曲线处于快速上升阶段;当流量为15～45m³/s时，鱼苗栖息地面积与流量关系曲线处于快速下降阶段，适宜栖息地面积受流量大小影响较大。其中，当流量大于30m³/s时，随着流量的增大，亲鱼适宜栖息地面积增大较慢，而鱼苗适宜栖息地面积减小较快。综合以上分析，确定研究河段4—6月黄河鲤适宜生态流量为30m³/s，此时大部分河心滩及河漫滩上生长的芦苇和水草被水淹没，水流缓慢，基本可以满足亲鱼产卵和鱼苗生存及生长发育需水量要求。

（2）越冬期（11月至次年3月）生态流量。黄河鲤越冬期基本处于半休眠停食状态，活动范围小，对生境条件的要求相对较低。越冬期黄河鲤适宜栖息地面积与流量的关系曲线见图8，可以看出，随着流量的增大适宜栖息地面积呈缓慢增大趋势。但是，即使在较小流量条件下，黄河鲤越冬期适宜栖息地面积也在80hm²以上，与繁殖期相比处于较高水平，可以满足黄河鲤栖息生境要求。

2.3历史参照系统生态流量分析

伊洛河流域20世纪五六十年代人口相对较少，生产力低下，水资源开发利用率低，基本处于天然状况;七八十年代，水资源开发利用率缓慢提高，生态环境状况良好;九十年代后特别是2000年以来，用水量增加显著，河流生态环境问题凸显。考虑伊洛河流域径流特点，结合流域鱼类栖息地状况变化规律，选择20世纪七八十年代作为历史参照时期。

根据黑石关断面1971—1989年实测日均流量，采用环境流量分类方法计算伊洛河历史参照系统下黄河鲤不同生长阶段最小流量和适宜流量（见表1）。各高流量洪水脉冲特征值见表2。黑石关断面4—6月高流量洪水脉冲阈值为66m³/s，7—10月阈值为118m³/s。

2.4伊洛河生态流量过程确定

综合考虑栖息地模型和环境流量分类方法计算结果，采用资源、生态、环境均衡协调方法，得到伊洛河黑石關断面生态流量，见表3。

2.5结果合理性分析

利用实测流量资料开展黑石关断面生态流量满足状况评价。对于适宜生态流量，实施黄河水量统一调度后的2000—2018年日均、月均满足程度分别为53.2%、59.3%，历史参照时期的1971—1989年日均、月均满足程度分别为51.3%、60.0%，两者较为接近。

对于最小生态流量，1956—2018年生态流量月均满足程度为94.9%，日均满足程度为89.8%;2000—2018年生态流量月均满足程度为95.6%，日均满足程度为89.1%。多年平均条件下最小生态流量满足程度均大于85%，可以认为本次确定的伊洛河生态流量目标是合理、可行的。

3结论

基于栖息地模拟法确定了维持良好水环境的生态用水需求，基于环境流量分类方法分析了历史参照系统下各流量组分特征值，构建了不同等级生境保护目标下多要素、多情景、多目标的生态需水量模型，提出了一种协同生态、环境、资源均衡发展的生态流量确定方法，并以伊洛河为例开展了生态流量研究。

（1）构建了不同生境保护目标的竞争性用水河流生态流量指标体系。竞争性用水河流具有生态地位重要、水资源开发利用程度较高、用水矛盾突出等特点，为使河流自然生态与社会服务功能均衡发展，将河流生态系统保护划分为最小生境和适宜生境，同时考虑到洪水脉冲具有引发生物发育、繁殖等功能，将生态流量指标划分为最小生态流量、适宜生态流量和高流量洪水脉冲。

（2）按照黄河流域生态保护和高质量发展的战略要求，尝试建立了一种面向竞争性用水河流的生态流量确定方法。该方法以指示物种对水文条件的动态响应关系为依据，借助栖息地模型开展河流生态系统需水量计算，同时以典型历史时期为参考标准，采用环境流量分类方法分析最小流量、适宜流量及高流量洪水脉冲特征变化，对生态需水量成果进行修正和完善，兼顾了生态保护和经济社会发展。该方法能够统筹流域资源、生态、环境均衡发展要求，可以科学确定北方竞争性用水河流生态流量。

（3）以伊洛河为例开展生态流量研究。计算结果表明：黄河鲤繁殖期（4—6月）黑石关断面最小生态流量为13m³/s，适宜生态流量为30m³/s，每年5月上中旬需要10～14d峰值不低于66m³/s的洪水脉冲过程;黄河鲤生长期（7—10月）最小生态流量为13m³/s，每年7—8月需要7～10d峰值不低于118m³/s的洪水脉冲过程;黄河鲤越冬期（11月至次年3月）最小生态流量为11m³/s。

【责任编辑 吕艳梅】