生態(tài)需水概念及國(guó)內(nèi)外生態(tài)需水計(jì)算方法研究

李麗華 水 艷 喻光曄

生態(tài)需水概念及國(guó)內(nèi)外生態(tài)需水計(jì)算方法研究

李麗華 水 艷 喻光曄

一、生態(tài)需水的構(gòu)成

河道內(nèi)生態(tài)需水量包括河道及連通的湖泊、濕地、洪泛區(qū)范圍內(nèi)的陸地，其生態(tài)需水量由以下方面組成：維持水生生物棲息地生態(tài)平衡所需水量；維持合理的地下水位，保護(hù)河流濕地、沼澤生態(tài)平衡，保持和地表水轉(zhuǎn)換所必需的入滲補(bǔ)給水量和蒸發(fā)消耗量；維持河口淡、咸水平衡和生態(tài)平衡所需保持的水量；維持河流系統(tǒng)水沙平衡和水鹽平衡的入海水量；使河流系統(tǒng)保持稀釋和自凈能力的最小環(huán)境流量；防止河道斷流、湖泊萎縮所需維持的最小徑流量；維持航道通航要求的需水量。

二、河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算方法

1.國(guó)外河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算方法

國(guó)外河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算方法大致可以分為以下4類。

（1）歷史流量法。該方法是在長(zhǎng)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(guò)建立河流流量與水生生物生存、河流形態(tài)等之間的適應(yīng)關(guān)系而提出，主要方法有：

①Tennant法，也稱Montana法，是最常用的歷史流量法。它將年平均流量的百分比作為基流，適宜河道季節(jié)性的需求，具有宏觀的定性指導(dǎo)意義。在美國(guó)維吉尼亞地區(qū)的河流中證實(shí)：10%的年平均流量是退化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，30%的年平均流量接近最佳生物棲息地標(biāo)準(zhǔn)。②流量歷時(shí)曲線法。該方法利用歷史流量資料構(gòu)建各月流量歷時(shí)曲線，以某個(gè)保證率相應(yīng)的流量作為河道內(nèi)需求的流量。③美國(guó)7Q10法。采用天然狀態(tài)下90%保證率代表年最枯連續(xù)7d的平均水量作為河流最小流量即標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)計(jì)值，并以該標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)計(jì)值作為河流生態(tài)需水量。④水生物基流法，美國(guó)和英國(guó)多用此法。水生物基流法由美國(guó)魚(yú)類和野生動(dòng)物保護(hù)部門(mén)提出，設(shè)定某一特定時(shí)段月平均流量最小值的月份，其流量滿足魚(yú)類生存條件。該方法一年分3個(gè)時(shí)段考慮，夏季主要考慮滿足最低流量，設(shè)定流量為一年中3個(gè)時(shí)段最低的，以8月份月平均流量表示；秋季和冬季時(shí)段，要考慮水生物的產(chǎn)卵和孵化，設(shè)定流量為中等流量，以2月份月平均流量表示；春季也主要考慮水生物的產(chǎn)卵和孵化，所需流量在3個(gè)時(shí)段中為最大，以4月份或5月份月平均流量表示。

（2）水力學(xué)法。該方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，其下游同一功能河道流量總能滿足河道生態(tài)功能的流量要求。常用的主要有：

①濕周法。假設(shè)保護(hù)好臨界區(qū)域的水生物棲息地的濕周，也將對(duì)非臨界區(qū)域的棲息地提供足夠的保護(hù)。通過(guò)在臨界的棲息地區(qū)域（通常大部分是淺灘）現(xiàn)場(chǎng)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)。②R2-Cross法。假設(shè)淺灘是最高臨界的河流棲息地類型，保護(hù)淺灘棲息地也將保護(hù)其他的水生棲息地，如水塘和河道。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(lái)評(píng)估河流棲息地的保護(hù)水平，從而確定河流目標(biāo)流量。根據(jù)實(shí)測(cè)資料或水力模擬，以曼寧公式為基礎(chǔ)，建立流量與評(píng)估指數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)和專家意見(jiàn)確定流量推薦值。③CASIMIR法?；诹髁吭诳臻g和時(shí)間上的變化，采用FST建立水力模型、流量變化及被選定的生物類型之間的關(guān)系，估算主要水生生物的數(shù)量、規(guī)模，并模擬水電站可能的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）棲息地法。該方法以生態(tài)水力學(xué)為基礎(chǔ)，確定適合水生生物生存的推薦流量，主要方法有：

①有效寬度法。該方法建立河道流量和某個(gè)物種有效水面寬度的關(guān)系，以有效寬度占總寬度的某個(gè)百分?jǐn)?shù)相應(yīng)流量作為最小可接受流量。有效寬度是指滿足某個(gè)物種需要的水深、流速等參數(shù)的水面寬度，不滿足要求的部分就算無(wú)效寬度。②加權(quán)有效寬度法。該方法與有效寬度法的不同之處在于將一個(gè)斷面分為幾個(gè)部分，每一部分乘以該部分的平均流速、平均深度和相應(yīng)的權(quán)重參數(shù)，從而得出加權(quán)后的有效水面寬度。③河道內(nèi)流量增加法。該方法是20世紀(jì)80年代由美國(guó)漁業(yè)和野生保護(hù)組織開(kāi)發(fā)研制，是人們應(yīng)用最廣的方法。它考慮的主要指標(biāo)有流速、最小水深、底質(zhì)情況、水溫、溶解氧、總堿度、濁度、透光度等，通常用來(lái)評(píng)價(jià)水資源開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)下游水生生物棲息地的影響。

（4）整體分析法。該法是從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境整體出發(fā)，集中相關(guān)學(xué)科的專家小組意見(jiàn)，通過(guò)綜合研究河道內(nèi)流量、泥沙運(yùn)輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系確定流量的推薦值，并要求這個(gè)推薦值能夠同時(shí)滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沖淤、污染控制和景觀維持等整體生態(tài)功能。綜合法主要包括以下2種方法：

①南非的BBM法：首先考察河流系統(tǒng)整體生態(tài)環(huán)境對(duì)水量和水質(zhì)的要求。然后預(yù)先設(shè)定一個(gè)可滿足需水要求的狀態(tài)，以預(yù)定狀態(tài)為目標(biāo)，綜合考慮砌塊確定原則和專家小組意見(jiàn)，將流量組成人為地分成4個(gè)砌塊，即枯水年基流量、平水年基流量、枯水年高流量和平水年高流量。河流基本特性由這4個(gè)砌塊決定，最后通過(guò)綜合分析確定滿足需水要求的河道流量。

②澳大利亞的整體評(píng)價(jià)法：該法的基本思想也是通過(guò)綜合評(píng)價(jià)整個(gè)河流系統(tǒng)來(lái)確定流量的推薦值。但要求以保持河流流量的完整性、天然季節(jié)性和地域變化性為基本原則，并著重分析不同等級(jí)的洪水影響情況，強(qiáng)調(diào)洪水和低流量對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重要性。

2.國(guó)內(nèi)計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水方法

（1）歷史流量法

①枯水年天然徑流估算法：以最枯年天然徑流進(jìn)行估算。

②將河流年最小月均流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量。

（2）防治河流水質(zhì)污染的計(jì)算方法

①10年最枯月平均流量法。7Q10法在20世紀(jì)70年代傳入我國(guó)，但由于該標(biāo)準(zhǔn)要求比較高，而我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平比較落后、南北方水資源情況差別較大，我國(guó)在《制訂地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》中規(guī)定：一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。②以水質(zhì)目標(biāo)為約束的生態(tài)需水量計(jì)算。為達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所需要的水量，依據(jù)環(huán)境水利學(xué)有關(guān)水質(zhì)污染稀釋自凈需水量計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

（3）缺資料地區(qū)生態(tài)需水量計(jì)算方法

劉昌明院士根據(jù)南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水區(qū)屬于缺資料地區(qū)的實(shí)際情況，提出了一種同時(shí)考慮河道本身信息和水生生物信息的估算生態(tài)需水量方法——水力半徑法。依據(jù)該方法計(jì)算的關(guān)鍵是確定生態(tài)水力半徑所對(duì)應(yīng)的河道斷面面積，并根據(jù)不同斷面和天然河道斷面與水力半徑之間的關(guān)系計(jì)算生態(tài)需水量。馬育軍等對(duì)傳統(tǒng)生態(tài)水力半徑法進(jìn)行了改進(jìn)，并以青海湖裸鯉為指示生物研究了青海湖流域兩條主要河流（布哈河、沙柳河）的生態(tài)需水特征。

三、結(jié)語(yǔ)

生態(tài)需水量的計(jì)算目前在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已較為成熟，而我國(guó)開(kāi)展這項(xiàng)研究相對(duì)較晚。由于各區(qū)域或流域的水文、水質(zhì)、水生態(tài)條件不一，選擇計(jì)算方法要考慮適用性并適當(dāng)進(jìn)行修改。在計(jì)算的過(guò)程中，要注重基礎(chǔ)資料的收集，并可開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以?shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在總結(jié)各種經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出有針對(duì)性的方法來(lái)開(kāi)展典型區(qū)域或流域的生態(tài)需水計(jì)算

（作者單位：淮河流域水資源保護(hù)局233001）