河流生態(tài)環(huán)境需水量計算方法研究進(jìn)展

覃龍華

（中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院 長沙市 410014）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對水資源的需求和開發(fā)不斷增大，導(dǎo)致河流自身維持生態(tài)環(huán)境平衡的水量不足，引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，尤其是水電站建設(shè)，使河流上下游天然水生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大改變，計算上游下泄的生態(tài)需水量對協(xié)調(diào)工程與下游生態(tài)環(huán)境的關(guān)系就至關(guān)重要。從國外20世紀(jì)40年代開始對河流生態(tài)進(jìn)行研究到今天，許多種計算河流生態(tài)環(huán)境需水量的方法被提出，它們都有著各自的特點和不足之處。我國由于經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和水資源開發(fā)中的不合理因素，對河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾和破壞遠(yuǎn)超于其他自然資源相當(dāng)?shù)陌l(fā)達(dá)國家。下面主要介紹河流生態(tài)環(huán)境需水量研究發(fā)展過程和國內(nèi)外主要計算方法，并對國內(nèi)研究的發(fā)展作出總結(jié)與展望。

1 河流生態(tài)需水量研究的發(fā)展過程

生態(tài)環(huán)境需水量的研究最早是在國外開展的，最早出現(xiàn)的與生態(tài)環(huán)境需水量相似的概念是河道枯水流量的研究，世界水文術(shù)語里將枯水流量定義為：“在持續(xù)干旱的天氣下河流中水流流量”[A1]。隨后又出現(xiàn)了最小可接受流量的研究，其最小可接受流量除了滿足航運功能外，還要有排水納污的功能。由于人為因素對河流影響的加強(qiáng)，生態(tài)可接受范圍的研究逐漸展開[2]。Gleick明確給出基本生態(tài)環(huán)境需水的概念，即提供一定質(zhì)量和數(shù)量的水給天然生境，以求最小化地改變天然生態(tài)系統(tǒng)的過程，并保護(hù)物種多樣性和生態(tài)整合性[3]。除此之外，還有諸如最小河流需水量、河流環(huán)境需水等概念。

在我國，河流生態(tài)環(huán)境需水量的研究還處于起步階段，研究也大多停留在概念的提出或者定性分析上，缺乏定量評價的理論和方法，主要研究區(qū)域是水資源缺乏的黃河、海灤河流域。首個“生態(tài)環(huán)境用水”概念是湯成奇等人（1989年）在分析塔里木盆地水資源與綠洲建設(shè)問題時提出的，并得出外流河道生態(tài)需水量為水資源總量的40%。李麗娟與鄭紅星[4]在綜合考慮河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水的一般特性的基礎(chǔ)上，將生態(tài)環(huán)境需水量定義為：維持地表水體特定的生態(tài)環(huán)境功能，天然水體必須蓄存和消耗的最小水量。嚴(yán)登華[5]等人認(rèn)為河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)該包括對水質(zhì)和水量兩個方面的要求，或者說是一定水質(zhì)要求下的合理水量，根據(jù)河流系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，又可分為維持河流物理構(gòu)造需水、水面蒸發(fā)需水及洪泛地生態(tài)需水。

盡管河流生態(tài)需水的概念各有千秋，但筆者認(rèn)為，河流生態(tài)需水應(yīng)該是水體水量和水質(zhì)的統(tǒng)一體：足夠的水量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的必要條件，而合格的水質(zhì)則是水體水量發(fā)揮起生態(tài)功能的保證。

2 國外生態(tài)需水量計算方法

2.1 歷史流量法

（1）蒙大拿法。該方法可能是最常用的歷史流量法，其解決的是水生生物、河流景觀及娛樂與河流流量之間適應(yīng)關(guān)系的問題。它將年平均流量的百分比作為基流，更適宜于以季節(jié)性為基礎(chǔ)的需求。它具有宏觀的定性指導(dǎo)意義，在美國維吉尼亞地區(qū)的河流中證實：10%的年平均流量是退化的或貧瘠的棲息地條件；20%的年平均流量提供了保護(hù)水生生物棲息地的適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)；在小河流中，定義30%的年平均流量接近最佳生物棲息地標(biāo)準(zhǔn)[6]。

（2）流量歷時曲線法。該方法利用歷史流量資料構(gòu)建各月流量歷時曲線，以某個保證率相應(yīng)的流量作為河道內(nèi)流量的需求。這種方法是建立在至少20年的日流量記錄數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，并且對每個月作一個推薦流量[7]。流量歷時曲線法保留了僅采用水文資料的簡單性，但它卻更好地反映了徑流年際、年內(nèi)分布的不均勻性，因此，它比這個分類中的其他方法更精確，然而，還不能代表流域的全部情況[8]。

2.2 水力學(xué)方法

水力學(xué)方法是根據(jù)河道水力參數(shù)（如寬度、深度、流速和濕周等）確定河流所需流量，所需水力參數(shù)可以實測獲得，也可以采用曼寧公式計算獲得，代表方法有濕周法和R-2法等。

（1）R-2法。在計算河道流量推薦值時，由河流幾何形態(tài)決定的水深、河寬、流速等因素必須加以考慮。具有兩個標(biāo)準(zhǔn)：一是濕周率，二是保持一定比例棲息地類型所需的河流寬度、平均水深以及平均流速等。R-2法以曼寧公式為基礎(chǔ)，由于必須對河流的斷面進(jìn)行實地調(diào)查，才能確定有關(guān)的參數(shù)，所以該方法比前兩種方法較為難以應(yīng)用。

（2）濕周法。該法的依據(jù)是基于以下假設(shè)：即保護(hù)好臨界區(qū)域的水生生物棲息地的濕周，也將對非臨界區(qū)域的棲息地提供足夠的保護(hù)。利用濕周作為棲息的質(zhì)量指標(biāo)來估算河道內(nèi)流量值，通過在臨界的棲息地區(qū)域（通常大部分是淺灘）現(xiàn)場搜集河道的幾何尺寸和流量數(shù)據(jù)，并以臨界的棲息地類型作為河流其余部分的棲息地指標(biāo)。所得的流量會受到河道形狀的影響，如三角形河道的濕周－流量曲線的增長變化點表現(xiàn)不明顯，難以判別，而寬淺矩形渠道和拋物線型河道都具有明顯的濕周－流量關(guān)系增長變化點，所以該法適用于這兩種河道，同時要求河床形狀穩(wěn)定，否則沒有穩(wěn)定的濕周-流量關(guān)系曲線，也沒有固定的增長變化點[9]。

與歷史流量法相比，水力定額法包含了更多更為具體的河流信息。然而這類方法忽視了水流流速的變化，未能考慮河流中具體的物種或生命階段的需求。同時，該類方法假定河道在時間尺度上是穩(wěn)定的，并且所選擇的橫截面能夠確切地表征整個河道的特征，而實際情況并非如此。

2.3 棲息地偏愛法

棲息地偏愛法需要對所研究的水文系列的特定水力條件及相關(guān)魚類棲息地參數(shù)選擇的認(rèn)識與分析。棲息地偏愛方法主要有：

（1）ⅠFⅠM法。ⅠFⅠM法是廣泛應(yīng)用于河流生態(tài)環(huán)境需水量研究的方法。ⅠFⅠM最核心的組成是采用PHABSⅠM模型模擬流速變化與棲息地類型的關(guān)系，根據(jù)特殊物種棲息地和生活階段的變化確定有利的河流生態(tài)條件 （如水深、流速和河流基質(zhì)），通過水力特征和生物信息的結(jié)合分析，決定適合于一定流量的主要水生生物及棲息地。ⅠFⅠM法很復(fù)雜，要求投入相當(dāng)多的時間、資金和專門技術(shù)。在一般情況下，該法要求輸入的定量生態(tài)信息是缺乏的，所以有人主張在大多數(shù)情況下限制其使用[10]。傳統(tǒng)的ⅠFⅠM法將其重點放在一些河流生物物種的保護(hù)上，而沒有考慮諸如河流規(guī)劃以及包括河流兩岸在內(nèi)的整個河流生態(tài)系統(tǒng)的需求，由此計算出的推薦流量值并不符合整個河流的管理要求[11]。

（2）CASⅠMⅠR法。該法是基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)—流量在空間和時間上的變化，通過建立模型，估算主要水生生物的數(shù)量、規(guī)模，并可模擬水電站的經(jīng)濟(jì)損失。

棲息地定額方法與歷史流量法或水力定額法相比具有更大的靈活性，它有可能考慮全年中許多物種及其不同生命階段所利用棲息地的變化，從而選擇能提供這種棲息地的流量。不過，這意味著需要對水生態(tài)系統(tǒng)有足夠的了解和清晰的管理目標(biāo)，以便解決不同物種或不同生命階段在棲息地需求上的矛盾。棲息地定額方法特別適合于“比較權(quán)衡”，可以將棲息地的變化與資源的社會經(jīng)濟(jì)效益相比較。棲息地流量關(guān)系可以用來評估不同的流量管理目標(biāo)，并成為選擇適當(dāng)流量的信息基礎(chǔ)。

2.4 地形結(jié)構(gòu)法

King和他的同事們開發(fā)并發(fā)展起來利用地形結(jié)構(gòu)估算河流生態(tài)環(huán)境需水量的方法稱為地形結(jié)構(gòu)法，該法的核心內(nèi)容是將河流流量體系劃分為三類：枯水流量、新增水量、洪水量，每一部分都具有其特定的生態(tài)價值。通過這種方法，一是可以根據(jù)河流地形來定量計算集水區(qū)的生態(tài)需水量，二是通過對河流系統(tǒng)地形特征的分析可以計算它所涉及區(qū)域的流域生態(tài)需水量。目前該法在南非得到了應(yīng)用[12]。

3 國內(nèi)生態(tài)需水量計算方法

國內(nèi)對河流生態(tài)需水量大多是從流域生態(tài)功能的各方面來分項計算，計算方法主要有：

（1）稀釋凈化需水量。該法是基于假定計算出某一個斷面環(huán)境需水之后，其下游同一功能的河道流量一般總能滿足河道環(huán)境功能流量的思想，建立起來的一種段首控制法，這種估算環(huán)境需水量的方法顯然對上下游河流污染程度的差異性沒有給予足夠重視。另一種計算方法是參考7Q10法，結(jié)合我國的具體情況，采用近10年最小月平均流量或90%保證率最小月平均流量作為設(shè)計值的最小月平均流量法。

（2）輸沙需水量。目前，我國在輸沙需水量方面的計算方法較缺乏深入研究，現(xiàn)有的計算大都基于對河流輸沙的宏觀認(rèn)識。普遍使用的方法是最大月輸沙法和均衡輸沙計算法，該計算方法是基于利用汛期洪水量和含沙量完成輸沙要求而建立起來一種計算方法，將多年平均最大月含沙量的倒數(shù)作為單位泥沙輸送所需水量，具體計算公式如下：

式中 WS——輸沙需水量（億m3）；

St——多年平均輸沙量（億8t）；

Cij——第i年j月的月平均含沙量（kg/m3）；

n——統(tǒng)計年數(shù)。

該計算方法簡易可行，但是對泥沙淤積問題沒有涉及，無法計算出河道本身有淤積情況的輸沙需水量。

而均衡輸沙法則是考慮了河道挾沙水流與河床發(fā)生泥沙交換的狀態(tài)，利用多年河道含沙量以及沖淤量數(shù)據(jù)得出輸沙需水量，具體計算公式如下：

式中 WS——輸沙需水量（億m3/t）；

Wup——某時段 （汛期和非汛期）河段上游來水量（億m3）；

Mup——河段上游在對應(yīng)時段來沙量（億t）；

D——河段在對應(yīng)時段沖淤量（億t），沖為負(fù)，淤為正。該法能較好反映河流輸沙之實際，也易與計算，其中河道對應(yīng)時段的沖淤量D的確定至關(guān)重要[13]。

（3）水面蒸發(fā)生態(tài)需水量。為維持河流系統(tǒng)正常生態(tài)功能，當(dāng)水面蒸發(fā)大于降水時，必須從流域河道水面系統(tǒng)以外接納的水體來彌補(bǔ)，把這部分水量稱為水面蒸發(fā)生態(tài)需水量。當(dāng)降水量大于蒸發(fā)量時，就認(rèn)為蒸發(fā)生態(tài)需水量為零。根據(jù)水面面積、降水量、水面蒸發(fā)量，可以求得相應(yīng)各月的蒸發(fā)生態(tài)需水量。其計算公式為：

式中 WE——水面蒸發(fā)生態(tài)需水量；

A——各月平均水面面積；

E——各月平均蒸發(fā)量；

P——各月平均降水量[14]。

（4）入海最小流量。河口區(qū)域要保證足夠的水量維持河口的水鹽、水沙等平衡,防止海水入侵和河口淤積，保持海岸線動態(tài)平衡。此外，保持河口區(qū)魚類及其他生物生存也需要一定的水量。然而，入海需水量的確定相當(dāng)復(fù)雜，有人建議用含鹽量指標(biāo)變化作為計算依據(jù)，有人建議用溫度指標(biāo)變化作為計算依據(jù)，還有人建議用餌料質(zhì)量指標(biāo)變化作為計算依據(jù)等[14]。但是,到目前也沒有一種比較公認(rèn)的方法或標(biāo)準(zhǔn)。

4 總結(jié)及研究展望

到目前為止，對于生態(tài)環(huán)境需水量的分類和計算方法研究仍然沒有形成統(tǒng)一的體系，而現(xiàn)有的很多計算方法也有其局限性。我國河流生態(tài)環(huán)境需水研究剛剛開始，對國外研究方法借鑒很少，大多數(shù)研究都是從水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)出發(fā)進(jìn)行研究，偏重于宏觀尺度，其它方法尚沒有在國內(nèi)得到應(yīng)用。為此，考慮到我國實際情況，水文學(xué)法、BBM法、功能設(shè)定法當(dāng)前最適合于我國河流研究，可以推廣應(yīng)用。棲息地偏愛法由于實測條件的限制，目前尚不能被廣泛應(yīng)用，但作為一個基于水生生物的研究方法，值得進(jìn)一步研究，并在條件成熟時推廣應(yīng)用。水力學(xué)方法雖不能成為我國河流生態(tài)環(huán)境需水研究的主要方法，但作為其他方法的補(bǔ)充也具有一定價值。

今后應(yīng)當(dāng)從生態(tài)環(huán)境需水量理論到原理方法進(jìn)行進(jìn)一步探索。這包括不同生態(tài)類型的生態(tài)環(huán)境需水特征；基于生態(tài)過程的不同類型生態(tài)環(huán)境需水的量化模型；不同類型生態(tài)類型生態(tài)環(huán)境需水量的耦合關(guān)系；水文循環(huán)的生態(tài)控制機(jī)理以及生態(tài)系統(tǒng)健康評價的理論和方法等等。

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