河流生態(tài)需水理論研究與進(jìn)展

張 輝

(水利部海河水利委員會 天津300170)

河流生態(tài)需水理論研究與進(jìn)展

張 輝

(水利部海河水利委員會 天津300170)

總結(jié)了河流生態(tài)需水量的國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了生態(tài)需水量多種計(jì)算方法的適用性，指出目前河道生態(tài)需水量計(jì)算中存在的問題，并對今后研究方向提出了建議，提出急需研究建立一套符合我國實(shí)際的完整的生態(tài)需水評估程序和標(biāo)準(zhǔn)。

河流 生態(tài)需水量 計(jì)算方法 進(jìn)展

20世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人類對河流水資源的開發(fā)利用程度越來越高，但過度考慮了生產(chǎn)生活對水資源的需求，而忽略了河流水量、水質(zhì)對維持河流水生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要意義。由于人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度不斷加劇，一些河流水量日益減少，出現(xiàn)斷流甚至干涸現(xiàn)象，水生生物絕跡，水生態(tài)環(huán)境退化日益嚴(yán)重。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，人們逐漸認(rèn)識到河流保持一定水量的重要性，對河流生態(tài)需水量的研究也不斷深入。

1 相關(guān)理論研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展

20世紀(jì)40～60年代，隨著水庫建設(shè)和水資源開發(fā)利用程度的提高，美國魚類和野生動物保護(hù)協(xié)會圍繞魚類生產(chǎn)繁殖與河流流量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，逐漸意識到水庫修建使河流流量減小，影響到了水生動植物的正常生存。這一時(shí)期，還沒有明確形成河流生態(tài)需水的概念，但一些關(guān)于流量補(bǔ)償?shù)囊?guī)定開始制定并實(shí)施。70～80年代末，受水庫大壩密集建設(shè)的影響，商業(yè)價(jià)值較強(qiáng)的三文魚捕撈業(yè)受到巨大沖擊，環(huán)境流量理論也自此得到發(fā)展和應(yīng)用。1976年，Tennant等人在完成美國西部地區(qū)河流流量與生物的關(guān)系研究后，提出了基于水文學(xué)的 Tennant估算方法，奠定了河流生態(tài)需水的理論基礎(chǔ)。1982年，美國漁業(yè)與野生動物署提出了河道內(nèi)流量增量法，使得河道內(nèi)流量分配方法逐漸與實(shí)踐相結(jié)合。此后，基于水力學(xué)與生境評價(jià)相結(jié)合的R2-Cross法、PHABSIM法等也相繼被提出。90年代以后，隨著局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，河流生態(tài)需水概念被明確提出，強(qiáng)調(diào)在確定河流流量時(shí)要考慮生態(tài)系統(tǒng)的完整性。水資源與生態(tài)的相關(guān)性研究特別是生態(tài)需水研究逐漸成為各國專家學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。此時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)了一些新的研究方法，如 BBM 法、整體分析法以及基于河道流量與水生物生境關(guān)系的模型模擬法就是最典型的代表。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)關(guān)于河流生態(tài)需水的研究相對較晚，大多始于20世紀(jì)70年代，且主要集中在河流最小流量確定方法的研究。80年代，針對水污染嚴(yán)重問題，國務(wù)院環(huán)境委員會出臺文件，規(guī)定在水資源規(guī)劃時(shí)要保證為改善水質(zhì)所需的環(huán)境用水，當(dāng)時(shí)河流生態(tài)需水研究以宏觀管理研究為重點(diǎn)。90年代，針對黃河斷流、水污染加劇問題，水利部提出在水資源配置中考慮生態(tài)環(huán)境用水，相關(guān)研究開始逐步深入。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國河流生態(tài)需水研究不斷成熟，陸續(xù)推出了一系列適合我國實(shí)際情況的研究成果。國家科技攻關(guān)項(xiàng)目“中國分區(qū)域生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)研究”構(gòu)建了生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)基數(shù)分析體系，提出了北方半濕潤半干旱地區(qū)四大流域生態(tài)需水特征值以及不同發(fā)展階段的生態(tài)用水控制指標(biāo)。水利部重點(diǎn)項(xiàng)目“北方地區(qū)最小生態(tài)環(huán)境需水量研究”，對黃淮海平原水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)需要的生態(tài)用水進(jìn)行了研究。同時(shí)，一些學(xué)者在生態(tài)需水量模型方面也進(jìn)行了深入研究，如劉靜玲等研究構(gòu)建了河流生態(tài)流量計(jì)算模型，李鳳清等研究建立了我國第一個(gè)基于長系列野外現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的水生生物棲息地適合度模型。

2 生態(tài)需水量計(jì)算方法

河流生態(tài)系統(tǒng)自身因素比較復(fù)雜，生態(tài)需水量的確定涉及水文學(xué)、水力學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科，并沒有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法。對于不同區(qū)域、不同類型的河流，生態(tài)需水量的確定往往也采用不同的計(jì)算方法。目前，常用的計(jì)算方法主要包括 4類，即水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法。

2.1 水文學(xué)法

水文學(xué)法是在長期野外調(diào)查、資料收集、統(tǒng)計(jì)分析以及專家判定的基礎(chǔ)上，通過建立河流流量與水生生物生存、河道形態(tài)等之間的適應(yīng)關(guān)系而提出的，最具代表性的就是Tennant法。

Tennant法是由Tennant等人對美國11條河流流量與水生生物、河流景觀及娛樂需求之間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)查分析后提出的，屬于非現(xiàn)場測定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法。Tennant法以預(yù)先確定的天然年平均流量的百分?jǐn)?shù)作為推薦流量，將保護(hù)水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量推薦值分為8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別代表不同水生態(tài)環(huán)境水平對應(yīng)的河流流量(具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表1)。例如，河道內(nèi)流量占多年平均流量的 60%～100%時(shí)，大部分河道的淺灘被淹沒，只有少數(shù)卵石、沙壩露出水面，河寬、水深及流速可為水生生物提供最好的生長環(huán)境，這一流量即為最佳流量。由于該方法僅依據(jù)歷史流量資料就可評價(jià)或估算生態(tài)需水量，不需要現(xiàn)場觀測，應(yīng)用簡單方便，具有宏觀定性的指導(dǎo)意義。但該方法對河流實(shí)際情況作了較多簡化處理，不足以反映河流的天然水文變化過程，且未考慮生物需求和生物間的相互影響等因素，通常在優(yōu)先度不高的河段生態(tài)流量估算中使用或作為其他方法的一種檢驗(yàn)。鑒于我國許多河流缺乏足夠的水文資料，在應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合河流管理目標(biāo)，對流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和改進(jìn)。

表1 Tennant法確定的流量與生態(tài)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standard of flow-ecological relations determined by Tennant method

2.2 水力學(xué)法

水力學(xué)法是在假定河道物理形態(tài)不變的基礎(chǔ)上，認(rèn)為河流某一斷面滿足一定流量后，其下游同一功能的河道流量總能滿足河道生態(tài)功能的流量要求?；谏鲜隼碚?，通過河道若干個(gè)斷面的水力參數(shù)(如濕周、流速、水深等)確定需水量的方法，常用的主要有濕周法和R2-Cross法。

2.2.1 濕周法

濕周法是在假定河道臨界區(qū)域流量滿足生態(tài)環(huán)境需求時(shí)其他區(qū)域流量也能滿足生態(tài)環(huán)境需求的基礎(chǔ)上，通過繪制臨界區(qū)域(通常為淺灘)的濕周與流量關(guān)系曲線，根據(jù)曲線拐點(diǎn)確定河道推薦流量的方法。該方法的關(guān)鍵是繪制河道濕周與流量的關(guān)系曲線，其關(guān)系可從河道多個(gè)斷面的幾何尺寸與對應(yīng)流量的實(shí)測數(shù)據(jù)推求。鑒于從關(guān)系曲線上直接判斷拐點(diǎn)容易產(chǎn)生較大誤差，有研究者推薦采用最大曲率法確定拐點(diǎn)位置較為可靠。此外，將多年平均流量與相應(yīng)濕周長比值的平方根作為判定拐點(diǎn)的斜率值也是較好的方法。

濕周法的特點(diǎn)是要求河床形狀穩(wěn)定，河床形狀不穩(wěn)定的河道沒有穩(wěn)定的濕周與流量關(guān)系曲線，不適宜濕周法。此外，三角形河道因無明顯的濕周流量關(guān)系曲線變化點(diǎn)，也難以用濕周法確定生態(tài)流量。因此，濕周法在實(shí)際應(yīng)用中多適用于寬淺型河道。

2.2.2 R2-Cross法

該方法采用淺灘斷面河流寬度、平均水深、平均流速以及濕周率等指標(biāo)來評估河流棲息地的保護(hù)水平(具體評估標(biāo)準(zhǔn)見表 2)，從而確定河流目標(biāo)流量。根據(jù)實(shí)測資料或水力模擬，以曼寧公式為基礎(chǔ)，建立流量與評估指數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)和專家意見確定流量推薦值。

R2-Cross法具有明顯的地域特性，由于不同地區(qū)的河流水生生物對其棲息地有不同的需求，因此，采用本方法時(shí)應(yīng)根據(jù)水生生物的特點(diǎn)修正水力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。此外，由于本方法確定的標(biāo)準(zhǔn)相對單一，體現(xiàn)不出季節(jié)變化因素，通常不能用于估算季節(jié)性河流的生態(tài)流量。

表2 R2-Cross法確定最小河道流量的標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standard of the minimum river flow determined by R2-Cross method

2.3 棲息地法

棲息地法基于生態(tài)水力學(xué)來確定適合水生生物生存的推薦流量。該法假設(shè)河道水深、流速、濕周、水面寬、過水?dāng)嗝婷娣e、水溫等是流量變化對物種數(shù)量和分布造成影響的主要水力生境參數(shù)；急流、緩流、淺灘及深潭是流量變化對物種變化造成影響的主要水力形態(tài)。由于棲息地法可以量化生物棲息地可利用性與流量之間的關(guān)系，并且具有一定的生物學(xué)基礎(chǔ)，目前該方法已成為河流生態(tài)需水量研究的熱點(diǎn)，最具代表的是河道內(nèi)流量增量法。

河道內(nèi)流量增量法綜合考慮了指示生物的多尺度生境因子，并以此確定了指示生物的適宜生境面積。其中，微生境因子包括水深、流速、基質(zhì)及覆蓋物；中生境因子包括河道形態(tài)，如深潭、淺灘、急流等；大生境因子包括河道結(jié)構(gòu)、水溫、水質(zhì)等。該方法通過模擬水生物種可利用棲息地和流量之間的關(guān)系，為河流規(guī)劃、保護(hù)和管理提供基礎(chǔ)信息和科學(xué)依據(jù)。由于該方法對數(shù)據(jù)要求較高，需要進(jìn)行大量的野外現(xiàn)場調(diào)查工作，而且多側(cè)重于某些特定物種的保護(hù)，沒有考慮生物群落及其相互影響，其應(yīng)用受到一定限制。

2.4 整體分析法

整體分析法從河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性出發(fā)，以提供河道、河濱地帶、洪泛區(qū)、地下水、濕地以及河口在內(nèi)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所需水體為目標(biāo)，綜合考慮河流流量、泥沙輸送、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系，由多學(xué)科專家分析確定河流總的生態(tài)環(huán)境需水量。根據(jù)專家意見，定義河流流量狀態(tài)的組成成分，包括干旱年基本流量、干旱年高流量、正常年基本流量、正常年高流量等，利用這些成分確定河流的基本特征；生態(tài)專家和地理專家對河流流速、水深和寬度提出要求；水文專家根據(jù)水文數(shù)據(jù)盡可能地進(jìn)行分析，以保證河流推薦流量能夠得到滿足，并且符合河流實(shí)際情況。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：推薦的河流生態(tài)需水量具有全面性，強(qiáng)調(diào)河流是一個(gè)綜合生態(tài)系統(tǒng)，使推薦的河流流量能夠滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沉積、污染物控制以及景觀維護(hù)等多種功能。不足之處是：河流生態(tài)需水量的確定涉及學(xué)科較多，需要生態(tài)、地理、水文等多方面專家隊(duì)伍，人力資源和時(shí)間成本消耗量大。

3 有關(guān)建議

我國河流生態(tài)需水研究起步較晚，盡管在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，但由于河流生態(tài)需水的復(fù)雜性，今后仍然有許多問題需要深入研究。

3.1 加強(qiáng)生態(tài)需水與河流保護(hù)目標(biāo)的關(guān)系研究

目前，生態(tài)需水研究多集中在如何精確計(jì)算生態(tài)需水量方面，而忽視了與實(shí)際水資源量的結(jié)合。隨著經(jīng)濟(jì)社會對水資源需求的進(jìn)一步加大，水資源短缺和水質(zhì)型缺水問題依然嚴(yán)峻，生態(tài)需水在短時(shí)間內(nèi)仍然會面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在這一情況下，就存在一個(gè)科學(xué)合理確定優(yōu)先保護(hù)、次要保護(hù)等不同級別保護(hù)目標(biāo)的問題。而這一問題的解決，首先要依賴于河流生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)結(jié)果與生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的建立。因此，將河流生態(tài)保護(hù)目標(biāo)與生態(tài)需水相結(jié)合是急需研究的問題。

3.2 加強(qiáng)不同河流功能生態(tài)需水的耦合問題研究

由于河流不同功能之間存在交叉和重復(fù)，各種功能所需水量可以兼顧，需對滿足多種功能需求的不同量級的水量進(jìn)行耦合。實(shí)際工作中，往往按照最大值原則，選取滿足不同功能需水量的最大值，或者按照主導(dǎo)功能原則，選取滿足河流主導(dǎo)功能的需水量作為最終確定的生態(tài)需水量。因此，應(yīng)盡快開展綜合定量不同河流功能的生態(tài)需水研究。

3.3 建議開展生態(tài)需水評估及其標(biāo)準(zhǔn)研究

目前，各地開展河流生態(tài)需水研究時(shí)，由于缺乏可參考的評估標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境需水量的確定往往偏重于計(jì)算方法的討論與完善，多以 Tennant法推薦的流量百分比作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用比照法進(jìn)行評價(jià)，難以反映實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果的合理性不能得到準(zhǔn)確檢驗(yàn)。隨著生態(tài)環(huán)境需水重要性的進(jìn)一步提高，急需研究建立一套符合我國實(shí)際的完整的生態(tài)需水評估程序和標(biāo)準(zhǔn)。

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Review of Theoretical Researches on River Ecological Water Demand and Relevant Progress

ZHANG Hui
(Haihe River Water Conservancy Commission，Ministry of Water Resources，Tianjin 300170，China)

The paper summarized the research progress of river ecological water demand both at home and abroad and analyzed various calculation methods and their applicability. It also pointed out problems of current calculation methods，and put forward some suggestions on future research directions，including taking the research and working-out of a whole set of assessment procedures and standards for ecological water demand in China as the urgent need.

rivers；ecological water demand；calculation methods；progress

TV212.5+2

A

1006-8945(2014)08-0086-03

2014-07-06