基于改进IFIM法的生态流量应用方法进展

冯颖璇，李怀恩，成 波，贾斌凯，周 翔

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048)

由于社会经济的快速发展和人口不断增加，人类对水资源的不合理开发与利用已经对水生态系统健康造成了严重威胁[1-2]。生活、生产用水大量挤占生态用水[3]，导致生态用水严重不足，从而产生了一系列水生态问题，主要表现为水质恶化，水资源总量急剧减小、水生生物资源量锐减等多方面。为了维持河流的生态系统基本功能，保护水生生物的栖息地环境，迫切需要开展生态流量的相关研究。

近年来，将近50个国家开展了生态流量的研究，提出了200多种研究方法，主要分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体法四大类[4-7]。水文学法是利用简单的水文指标以历史流量为基础确定河流生态流量，水力学法通过建立流量与水力学之间的关系计算生态流量，栖息地法以建立栖息地环境因素、水力学条件和河道流量的关系确定生态流量，整体法从生态系统整理出发，建立完善的河流生态监测系统从而最大程度地保障生态流量[8-10]。由于水文学法、水力学法未直接考虑生物目标需求[11-12]，整体法又需耗费大量的时间与资金，故而栖息地法在近年来成为计算生态流量的热门方法。栖息地法是根据目标物种所需的水力条件确定生态流量[13]，为水生生物提供一个适宜生存的栖息地环境，因其可定量化定义物种的生境要求，同时也综合考虑了生物的需求，故此目前被认为是最可信的计算方法之一。代表性方法为河道内流量增加法(Instream Flow Incremental Methodology,IFIM)，其中PHABSIM(Physical Habitat Simulation System)模型是IFIM法中最典型的模型[14-16]，本文基于PHABSIM模型对改进IFIM法进行研究。

由于不同区域地形、气候等要素不同，导致模型的适用性、参数的确定等存有较大差异。本文旨在通过总结各学者建立水力学模型与物理栖息地模型的耦合模型，归纳研究生态流量的新方法—改进IFIM法，探索水生生物维持正常生命活动所需的生态流量，阐述与物理栖息地模型耦合的不同水力学模型的适用范围，综合分析不同水力学模型的优点和缺陷，并根据改进IFIM法的存在问题提出改进IFIM法的发展方向，为更好的构建系统理论提供依据。

1 传统的IFIM法

栖息地法在长江流域应用较多，其原理为以保护目标物种的栖息地为核心。计算流速、水温、水深等不同生境因子的适宜度指数并绘制流量与栖息地面积的关系曲线，从而确定生态流量[17-18]。为了保护鱼类栖息地及种群结构美国渔业及野生动物署于1974年研发了IFIM法[19]，其利用水力学模型预测水深流速等参数，结合生境适宜度标准计算目标物种的栖息地面积，建立流量与栖息地面积之间的关系最终求得生态流量。本文按照以下结构进行阐述(图1)。

图1 改进IFIM法框架

1.1 PHABSIM模型

PHABSIM模型主要包括水力学模型与栖息地模型两大部分[20]，其中水力学模型由IFG4、MANSQ、WAP、STGQ和HEC-2组成，栖息地模型由HABTAT、HABVQE、HABTAV、HABTAM和HABVD组成。PHABSIM需综合考虑与鱼类适宜生境密切相关的生境因子(流速、水深、基质及水温等)，并将目标鱼种的生长周期分为产卵期、育幼期、成年期从而进行不同时段的生态流量计算，PHABSIM模型原理见图2。

图2 PHABSIM原理

1.1.1目标物种的适宜度曲线

选择合适的对象物种，并绘制该目标物种对流速、水深、底质等生境因子的适宜性曲线是使用PHABSIM模型推求生态流量的关键。目前，栖息地法大多选择鱼类作为目标物种进行计算。其主要原因为：鱼类处于水体食物链最顶端，生命周期较长，活动能力较强，可以较好地反映长时间序列及大尺度范围内的环境变化特征[21-22]。

目标物种目前还没有统一的确定方法及标准，通常有如下方法：①通常通过实地调研或查阅文献等形式选定珍稀鱼类或主要经济鱼类作为推求生态流量的目标物种;②根据优势度或食物链结构，筛选出水生态系统的关键种群，再与国家、地区珍稀或濒危物种相耦合，其中优先保护的物种就是目标物种;③从产卵或摄食环境等要素筛选目标鱼种，运用层次分析法构建判断矩阵，计算不同鱼种的排序权值，以定量化确定研究区域的代表性鱼种。

详细调查目标鱼种的生境特征，将栖息地适宜性指标与鱼种生境因子关联，一般对单个因子赋予适宜的权重，以计算栖息地适宜度指数HSI[23]。一般采用加权平均法计算栖息地适宜性指数HSI，从而定量计算出目标鱼种栖息地的适宜性程度，见式(1)：

HSI=k1×f(1)+k2×f(2)+…+kn×f(n)

(1)

式中ki——第i个因子的权重，权重加和为1;f(i)——第i个生境因子的适宜度，取值范围一般为0～1。

根据以上标准绘制目标鱼种的生境适宜曲线。

1.1.2水力学模型

水力学模型主要用于水位模拟和流速模拟[24]，其主要功能在于计算不同流量的水位及横断面各分区的流速分布，是后续栖息地模型计算可利用栖息地面积的基础，故而水力学模型的精度对栖息地模型的结果具有较大的影响。

要确保水力模拟的准确性，需选择鱼种对流量较为敏感的地区，依据鱼种中生境类型设置断面[25]。将河道断面按一定步长进行分割，目标断面的合理性影响了生态流量的最终计算结果，需保证每个单元中包括河道形态变化明显的区域，在选取的横断面中，测定每个单元平均垂直流速、水深、基质、覆盖物和河底高程以及每个断面的水质与水温，将测得的参数代入公式最终推估出水深、流速以进行下一步计算，具体公式见表1。

表1 PHABSIM模型[24]计算公式

1.1.3栖息地模型

栖息地模型是借助水力学模型构建的不同流量下的不同断面的生境特征(流速、水深等)，结合适宜性曲线找出横断面各分区的栖息地适宜度指数，与研究断面的水域面积相乘即可计算出目标鱼种的有效栖息地面积WUA。利用WUA计算公式(表1)可在不同流量下计算出目标鱼种在不同生长阶段的使用面积，同时也可确定鱼类栖息地面积与流量的关系，从而反映河流的健康状况。原则上以栖息地面积最大值对应的流量为河道内目标鱼种的生态流量，但此时求得的流量值过大导致实际性和可操作性较差，故而一般选取流量-WUA曲线上首个明显转折点作为生态流量，该点即为栖息地环境发生显著恶化的流量值。

1.2 IFIM法的特点

IFIM法可以模拟流量变化栖息地的影响并产生动态的水文和栖息地时间序列数据，从而研究不同流量下对目标物种对生命活动的影响，而不是像其他方法仅仅给出一个最小的生态流量或区间值，相比之下更有说服力。同时它可与水资源规划过程相结合[26]，在水资源配置框架中直接应用，为研究人员提供了不同鱼种在不同生命阶段时流量与栖息地的关系，方便研究人员综合各种需水信息，直观展示河道流量变化对于鱼类栖息地的影响并做出一个相对平衡的决策。

IFIM法的栖息地模型不仅在美国，在法国、日本和德国等多个国家也得到了不同程度的应用。但是IFIM法也存在着一些不足之处，例如天然河道并不满足PHABSIM模型的诸多限制，导致确定的生态流量与实际结果存在偏差，计算结果精确度有待考证，具有局限性、普适度低等缺陷。

2 改进的IFIM法

现阶段，许多学者将其他水力模型与栖息地模型相结合，不仅使计算结果更为准确，拓展了生态需水的指标范畴，同时也为生态需水的求解提供了一种新的计算方法。本文总结了传统IFIM法与HEC-RAS、MIKE、Delft3D 3种水力学模型相耦合的改进IFIM法，并对比这3种模型的优缺点(表2)。

2.1 HEC-RAS模型

HEC-RAS是主要用于天然或人造河网的水力学计算模型，可支持模拟河道一维恒定流、非恒定流、泥沙输移模型、水质模型等[27-28]，通常被应用于稳态及非稳态河道水面的一维水力计算。通过河道地形数据、糙率等资料，采用HEC-RAS构建一维水力学模型，借助HEC-RAS模型的水面线计算，得到不同流量下各个断面所对应的水深、流速和过水断面面积，以便进行生境可利用面积WUA的计算，待得到流量与生境可利用面积关系曲线后，曲线的第一个转折点所对应的流量就是生态流量。

侯昕玥等[29]基于河道内流量增加法(IFIM)原理，借助HEC-RAS水力学模型对渭河宝鸡段进行水力模拟，选取麦穗鱼为目标物种并考虑流速和水深2个生境因子，最终求得生态流量值。黄亮等[30]基于IFIM法原理，选择HEC-RAS作为平台对红水河来宾段进行水力模型建模，以断面数量代替栖息地面积来评价适宜生态流量，该研究拓展了生态需水指标范畴，更适应水资源管理的需求，同时对于缺乏精细地形数据的生态需水计算有借鉴意义。张文鸽[31]提出了基于HEC-RAS和PHABSIM的生态流量计算方法，在水流条件上应用HEC-RAS模型计算水位值及水力坡度，生态分析上应用PHABSIM模型，将2个模型的优点予以整合，从而求得的河道生态流量更为合理与精确。

HEC-RAS模型可对单一河段、干支流交汇或环状河网系统进行数值模拟并自动生成河道横断面图、流量及水位过程曲线等各种图表，操作简便，避免了复杂的数值模拟计算，模型参数和边界条件便于选择和修改，显著提高了河流水动力模拟的适用性。但HEC-RAS软件只能模拟一维河流系统，在模拟非稳态河流时其准确性略显不足，模型建立的好坏对计算结果的精确度有很大影响，断面数据资料要求也比较高，需谨慎选择合适的水力参数。

2.2 MIKE模型

MIKE软件是DHI多为专家共同研发应用与水相关的工程实际问题相关问题模拟软件[32]，包括MIKE11[32-34]、MIKE21[35]、MIKE3[36]等。其中，MIKE11[32-34]是一维水力模拟软件，以圣维南(Saint-Venant)方程组为理论基础，是国内外通用的一款强大的河流水动力和环境模拟软件;MIKE21模型是二维水模拟软件，HD模块为环境模拟和泥沙传输提供了水动力学基础[35]，是该模型的核心;MIKE3模型是由水力学模型、紊流模型和泥沙输移模型3个模块组成的三维水流模型，主要用于自由水面的水动力计算[36]。改进的IFIM法运用MIKE模型模拟出不同流量下的水深、流量分布，再利用PHABSIM模型绘制出流量-WUA曲线，通过转折点确定生态流量。

潘明祥[37]运用MIKE11水力学模型建立了三峡水库下游的一维水动力学模型反映出了该河段的地形特点，而后运用PHABSIM模型模拟了三峡水库河道鱼类的栖息地环境，根据模拟的流量-WUA曲线得出最佳生态流量。刘国民等[38]运用MIKE21二维水力学模型模拟了新安江坝下江段24个流量条件下的水深、流速分布，并利用PHABSIM模型做出流量-WUA关系曲线，得出适宜生态流量。侯昕玥等[39]基于IFIM原理，利用MIKE21FM、River2D、PHABSIM等软件建立水动力模型，模拟不同来水情况下河道内水深、流速、水温等生境因子，基于流量-WUA曲线确定不同模拟结果下的生态流量。汪青辽等[40]利用MIKE21建立河段的平面二维浅水水动力学模型，得到不同流量下的河道流场分布，模拟出的流量与水位相对误差在0.01%之内，可靠度较高。

部分学者利用MIKE11、MIKE21等水力模型与栖息地模型相耦合，利用水力学模型更加精确地确认了河流的水深流速等生境因子，从而更好地计算出生态流量值，其最大的缺点是MIKE是一个商业性的水力学软件包，价格昂贵，由于经费的限制，一般的科研问题使用率较低。

2.3 Delft3D模型

Delft3D[41]是由荷兰Delft大学开发的一套功能强大的软件包，主要应用于自由地表水环境，可模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用[42]。它是以FLOW水动力模块为主体，建立在Navier-Stokes方程的基础上，通过建立适合边界的直线网格或者曲线网格来计算非稳定流[43]。利用Delft3D水动力模型，对研究区进行水力学模拟，结合流速、水深等生境因子得到流量-WUA关系曲线，根据曲线确定研究区域的最小生态流量与适宜生态流量。

Delft3D模型不仅能够能满足模拟大量的水动力要素研究的要求，而且还可以高精度模拟河流、湖泊等多种稳态和非稳态水体的水动力过程，在网格处理、编辑及生成方面也有很大优势[44]，与其他模型软件相比，该模型具有方便快捷，实操性强等优势。如李健等[45]利用Delft3D软件组建水力学模型，模拟了长江中游流速和水深分布，计算四大家鱼产卵期栖息地面积并绘制流量-WUA曲线，从而得到四大家鱼产卵期的最小生态流量。Delft3D软件不但可作为水动力模拟工具，并且在河床地形数据充足的情况下，还可以更准确描述微栖息地的构造。

Delft3D在水力计算中应用非常广泛，极大程度的提高了水力科技工作的效率，同时为我国水动力模拟提供了一个好的计算平台。但Delft3D水动力模拟比较适用于一些形状规则的浅水湖泊，可调试参数相对较少[46]，在一些注重编程的科研领域应用较为困难，因此该模型在使用上也具有一定的局限性。

2.4 方法对比分析

HEC-RAS模型、MIKE系列模型及Delft3D模型在河道水力计算、河道水力分析、河道整治等方面均发挥着重要作用，根据所查文献，本文归纳出上述3种模型的优缺点及适用范围，见表2。

PHABSIM模型以一维水力学公式为基础，只适合在断面和水力糙率变化缓慢的稳态水流进行水力模拟，而与HEC-RAS、MIKE、Delft3D 3种水力学模型耦合形成的改进IFIM法，实现了二维和三维流场的流速和水位模拟，可适用于非稳态水流的水力模拟，拓宽了栖息地法的使用范围。一维水力学模型使用离散的河流横断面进行建模，而二维和三维使用连续水深描述河床地形分布，故一维水力学模型相较而二维与三维水力学模型的结果和精度更易受到横断面位置的影响。但改进IFIM法仍有一定的局限性，如MIKE21水力学模型对原始资料和模型参数的要求较高，为保证模型的精确度和拟合度，需要大量的历史实测资料和实测数据，但模型往往受限于资料的缺乏，只能在局部区域和单一河道及其影响区域展开。

表2 水力学模型优缺点[46-49]

3 存在问题与展望

3.1 存在问题

改进IFIM法在一定程度上拓宽了不同区域尺度上河流生态流量计算方法的适用范围，并能提高栖息地法的可靠性。但改进IFIM法仍存在以下几个需要解决的问题。

a)改进IFIM法难以确定生态流量的年内变化过程。生态流量不是一个固定值，而是一个水文过程[50]，它对枯水期流量和汛期流量均有要求，应根据流域内水生生物的不同生命阶段确定该阶段所需要的流量。生态流量在时间上和空间上都应具有连续性，但影响生态流量的因素有很多，河道外用水及河道内用水方式等问题都使生态流量的确定变得复杂，尤其是下限值，同时不同等级的生物过程和栖息地环境都相互关联，选用单个典型物种很难涵盖完整的河流生态系统，使得计算结果不具有代表性。

b)改进IFIM法在水力学参数的考虑有所欠缺。在使用改进IFIM法时，需使用多个水力学参数(水深、流速、水温、底质、水质等)描述物理栖息地，由于资料限制，研究人员利用模型进行模拟研究时通常只考虑水深、流速等参数，而对水温、水质等其他参数进行了忽略。但鱼类是外温动物，水温通过干扰鱼类的代谢进而影响鱼类的生理机能[51]，尤其是北方河流水温季节性差异较大，忽略水温的影响使得选择的参数不能充分的代表生境质量，影响了计算结果的准确性。

c)改进的IFIM法对河滨带植物等生物的模拟有所缺乏。水生植物特别是沉水植物对草食性鱼类的猎食和幼鱼的庇护中扮演着重要的角色，忽略水生植物这类底质因子对分析不同生长阶段鱼种栖息地产生的影响，且大多研究仅关注鱼类栖息地而不是整个河流生态系统，这样也会降低生态流量估算的可靠性。

d)改进的IFIM法侧重于完善生物需水量过程的标准，大多忽略了不同气候变化对流量调度的影响。随着气候的变化，水文过程也会发生变化，同时人类的需求也会发生重要的变化。因此，在流域的生态流量中，特别是对于鱼类保护的生态流量，有必要保持动态平衡，以达到人类可接受和水生生物需求的生态点[52]。

3.2 展望

根据上述所总结改进IFIM法的存在问题，为进一步完善改进IFIM法的应用，增强其科学性，从目前栖息地法的发展趋势来看，以下研究内容是该模型未来的主要发展方向。

a)生态流量的计算方法未来更加倾向于栖息地法及整体法等研究方法，应考虑综合多种目标物种，加强对河流水生物物种和径流的响应关系研究。随着遥感、GIS、流域尺度的水文水质模型等的发展，为了保障河流水生生物生境完整性，应将水文-水质-生态系列过程综合考虑[49]。在研究非稳态或带潮汐的河流时，引用更先进的三维水力学模型与栖息地建模方法计算不同对象和不同时间尺度等要求的生态流量是未来发展趋势。

b)由于国内PHABSIM模型使用时基于专家知识，没有考虑生境变量之间的影响，具有较强的主观性。为了解决栖息地上述缺陷，基于模糊逻辑的栖息地模型(如CASIMIR模型)应运而生，CASIMIR基于流量在时空上的变化估算河流中主要水生生物的峰值、均匀度，较适用于水生生物需水评估，它考虑了专家知识和不精确信息，生境因子的选择比适宜性曲线更加灵活。在未来发展中，CASIMIR法有可能成为国内计算生态流量的中热门研究方法。

c)在栖息地模型中引入和鱼类相互影响的植物参数，以便更好地分析鱼类在其不同生命阶段的栖息地变化情况[53]，从而提高使用栖息地法计算生态流量的准确性。不同尺度河流、湖泊等应采用更加先进的鱼类监测设备，监测不同特征(年龄、性别、尺寸等)的鱼类及生态因素对鱼类生存繁殖的影响，结合鱼类生物量估算方法，建立鱼类栖息地与生物量之间的响应关系，定量化分析水生生物栖息地的变化给河流水生态带来的影响是未来栖息地模拟发展的方向。

d)在未来的发展中，研究不同气候模式下以鱼类为目标物种的生态流量变化可能成为未来研究中的主要问题。随着气候的变化，人类活动也会受到不同程度的影响，河流、湖泊等栖息地条件也相应改变，从而对水生生物的生存和繁殖产生影响，如气温升高，蒸发量增大，农业用水增加导致水生生物种群间的相互作用和竞争关系发生改变等。为响应国家粮食安全战略和生态文明建设的要求，需寻求人类需求和水生生物的可接受的动态平衡点，因此预测未来气候变化下生态流量的动态平衡点可能是未来的研究趋势。

4 结论

目前中国关于河流栖息地法的研究仍处于探索阶段，生态流量研究还需进一步完善。本文关注于使用改进IFIM法，通过多种水力学模型与适宜的栖息地模型耦合最终确定符合区域生态和经济发展的生态流量，拓宽了不同尺度河流生态流量计算方法的适用范围，提高了栖息地法的准确性，为水资源规划与流域生态管理提供科学依据，使调整后的生态流量更加符合实际情况。然而，栖息地法仍面临诸多问题，目前还需加强生态流量在年内变化、参数选取及受植物、气候因素影响等方面的研究。