河流生態(tài)流量研究進(jìn)展

王 琲，肖昌虎，黃站峰

(長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，人類在不斷改造大自然的過程中，對水資源的開發(fā)利用強(qiáng)度越來越大，大量的水利工程建設(shè)給人類帶來巨大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[1，2]。非洲尼羅河Aswan大壩[3，4]和美國Glen Canyon大壩的修建[5，6]，改變了水庫下游徑流過程，造成下游河道缺水干涸、物種減少、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，是水庫引起下游河道生態(tài)環(huán)境惡化的典型案例。為了保護(hù)河流生態(tài)健康和魚類資源，對生態(tài)流量的研究十分必要。

1 生態(tài)流量的概念

1.1 國外生態(tài)流量概念

國外對河道內(nèi)需水量的研究最早可追溯到19世紀(jì)，當(dāng)時為了滿足河流航運(yùn)排水功能，制定了河道最小需水量。對生態(tài)流量的集中研究始于20世紀(jì)40年代的美國西部地區(qū)，并且在20世紀(jì)70年代取得了巨大進(jìn)展[7]。Powell[8]認(rèn)為，生態(tài)流量過程模擬應(yīng)當(dāng)基于河流歷史月徑流量與漁獲量的關(guān)系，包括洪水周期、頻率、深度等組合成分，并采用Texas Estuarine Mathematical Programming(TxEMP)法優(yōu)化模型，確定河道環(huán)境流量；Falkenmark等[9]提出了“綠水”概念，即同時滿足人類生存發(fā)展及河流生態(tài)過程的水量；Raskin[10]認(rèn)為足夠的水量是維持河流、湖泊及濕地等生態(tài)系統(tǒng)的基本保障；Smakhtin等[11]選取河道多年月徑流量資料建立河流流量過程，并參照河流生態(tài)目標(biāo)，確定徑流基數(shù)，就生態(tài)流量進(jìn)行了評價。

國外對閘壩的河道內(nèi)需水研究主要集中在水生生物與河道流量的關(guān)系，關(guān)于河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境流量研究較為成熟。20世紀(jì)90年代以后，相關(guān)學(xué)者對生態(tài)環(huán)境流量的研究開始擴(kuò)展到河道外生態(tài)需水，如三角洲、河口、湖泊、濕地等[12，13]。目前，國外對于河道外生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)流量研究還未成熟，且該研究的主要目的是優(yōu)化水資源配置與合理利用水資源，忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

1.2 國內(nèi)生態(tài)流量概念

國內(nèi)于20世紀(jì)70年代提出了“生態(tài)需水”、“環(huán)境流量”和“河流最小流量”等概念，開始了對生態(tài)環(huán)境流量的初步探討[14]；20世紀(jì)80年代后期，由于水污染問題日益嚴(yán)峻，國務(wù)院環(huán)境保護(hù)委員會提出：水資源規(guī)劃的同時需要保證改善水質(zhì)和維持水生態(tài)系統(tǒng)所需的環(huán)境用水；20世紀(jì)90年代起，一些省市提出水利工程的建設(shè)運(yùn)行要保證下泄生態(tài)流量。由此，生態(tài)環(huán)境流量逐漸成為水文生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。

國內(nèi)生態(tài)環(huán)境流量主要是從水量平衡和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的角度進(jìn)行研究，并已經(jīng)取得了一些成果。湯奇成等[15]在對塔里木盆地的水資源和綠地問題進(jìn)行分析時第一次提出生態(tài)環(huán)境用水的概念，使人們對水資源和生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系有了新的認(rèn)識；崔樹彬[16]認(rèn)為生態(tài)需水量是一個工程學(xué)范疇的概念，是“以保護(hù)生物群落穩(wěn)定和維持棲息地生態(tài)環(huán)境為目的的需水量”，與生態(tài)環(huán)境需水量是基本一致的，計算方法也相似；王芳和梁瑞駒[17]探討了生態(tài)需水的概念，提出生態(tài)需水量是“用來恢復(fù)和維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境所消耗的水量”；楊志峰和張遠(yuǎn)[18]認(rèn)為生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)當(dāng)從生態(tài)和環(huán)境兩方面考慮，生態(tài)方面的目的是“維持生態(tài)系統(tǒng)中生物組成水分平衡”，環(huán)境方面的目的是“滿足人類生存發(fā)展和改善水環(huán)境”，計算過程中二者都應(yīng)考慮；宋進(jìn)喜等[19]認(rèn)為“生態(tài)需水實質(zhì)是用以保證和改善河流生態(tài)功能健康所必需的水資源數(shù)量”。

相關(guān)學(xué)者通過對不同類型的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境流量需求為前提，對生態(tài)用水量的研究轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境流量研究，研究對象也從河流擴(kuò)展到其他生態(tài)系統(tǒng)，研究領(lǐng)域由水庫、河流擴(kuò)展到流域尺度。

2 生態(tài)流量傳統(tǒng)計算方法

目前，國內(nèi)外河流生態(tài)需水量的確定方法主要有水文學(xué)方法、水力學(xué)法、生物棲息地法以及整體分析法。

2.1 水文學(xué)方法

水文學(xué)方法又稱快速評價法或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法。該法以河流歷史水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)簡單的水文指標(biāo)確定河道生態(tài)流量。該方法操作簡單，無需現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)，但并未考慮生態(tài)棲息地、水質(zhì)、水溫、季節(jié)變化、水域景觀及河床形狀變化等因素；其代表方法有Tennant法[20]、7Q10法[21]、Texas法[22]、NGPRP法和最小月徑流量[23]。

2.2 水力學(xué)方法

水力學(xué)方法將流量變化與河道的水力參數(shù)、幾何參數(shù)聯(lián)系起來量化河道內(nèi)需水，最常用的有濕周法及R2-cross法。濕周法最初由Gippel和Stewardson[24]提出，該方法的主要思路是以濕周與流量關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)流量為維持淺灘的最小生態(tài)需水量。R2-cross法最早由Nehring[25]提出并運(yùn)用于科羅拉多州(美國)的棲息地，是科羅拉多州水資源保護(hù)董事會(CWCB)最為常用的一種生態(tài)流量定值方法(表1)。該方法根據(jù)河流季節(jié)性變化及滿足棲息地生態(tài)功能的水力學(xué)指標(biāo)，如水深、河寬和流速等計算河流所需水量。

表1 R2-Cross法確定生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)

近年來隨著生態(tài)流量研究的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了生態(tài)水力半徑法[26]、生態(tài)水深-流速法[27]、多目標(biāo)評價法[28]等水力學(xué)方法的河流生態(tài)流量定值新方法。

2.3 生境模擬法

生境模擬法從生物生態(tài)環(huán)境狀況、生物適宜棲息地特征入手，利用數(shù)值模擬方法建立生物棲息地面積與流量的響應(yīng)關(guān)系，計算河流生態(tài)需水。如美國的IFIM法[29]和PHABSIM[30]模型，該法保證的是魚類或無脊椎動物的環(huán)境用水。生物棲息地法結(jié)合了水文學(xué)、水力學(xué)及生物對流量的響應(yīng)，是生態(tài)需水估算較靈活的方法。

2.4 整體分析法

環(huán)境流量研究已從考慮單一水文要素的水文學(xué)法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]多學(xué)科交叉的整體分析法，逐步建立起一套完整的方法研究體系，以充分考慮水流、水溫、水質(zhì)等要素對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響[31]。該方法強(qiáng)調(diào)河流是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，著重考慮整個河流系統(tǒng)的維持及保護(hù)，從而克服了棲息地方法僅針對特定指示生物的缺點。該方法從生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)，并利用專家的經(jīng)驗來彌補(bǔ)生態(tài)資料的缺失，調(diào)節(jié)河流流量能夠同時滿足棲息地穩(wěn)定、物種連續(xù)、泥沙沉積、水質(zhì)平衡及水域景觀等功能。整體法應(yīng)用較為廣泛的有BBM法[32]和DRIFT法[33]；其中DRIFT法通過多學(xué)科交叉融合，從生物物理、社會、情景開發(fā)和經(jīng)濟(jì)的角度，全面研究河流生態(tài)需水。

以上方法中，水文學(xué)方法算法快速、簡單，且無需現(xiàn)場測量，只需根據(jù)簡單的水文指標(biāo)或固定的比例關(guān)系對河道流量進(jìn)行評估，但該方法并未考慮生態(tài)環(huán)境因素，其標(biāo)準(zhǔn)仍需驗證；傳統(tǒng)的水力學(xué)方法操作簡單，只需簡單的現(xiàn)場測量，但不能體現(xiàn)河流的季節(jié)性變化，忽略了生態(tài)系統(tǒng)中物種各生命階段的需求；棲息地法及整體分析法能較好地結(jié)合河道生態(tài)系統(tǒng)及生物種群完整性，生態(tài)流量的定值比其他方法更加精確，但需耗費(fèi)大量人力和物力，操作復(fù)雜，耗時長。

3 基于河流天然節(jié)律和魚類習(xí)性的生態(tài)流量研究

傳統(tǒng)生態(tài)流量計算方法計算結(jié)果過于單一化、靜態(tài)化，不能準(zhǔn)確反映天然河流流量的動態(tài)變化規(guī)律，甚至可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步退化[34，35]。近十幾年，大量基于恢復(fù)河流天然水文節(jié)律的生態(tài)流量計算方法相繼出現(xiàn)。

3.1 基于河流天然節(jié)律的生態(tài)流量研究方法

Ritcher等[36]提出了基于流量百分比的(POF，Percentage of Flow)生態(tài)流量可持續(xù)邊界法(SBA，Sustainability Boundary Approach)，該方法設(shè)定了適宜生態(tài)流量閾值范圍，方便了河流生態(tài)流量管理；Poff等[37]提出了生態(tài)流量的水文變化生態(tài)限制法(ELOHA，Ecological limits of hydrologic alteration)，該方法綜合了已有水文、生態(tài)技術(shù)以及環(huán)境流量方法，能適用于各尺度流域流量的綜合管理；Zhang等[38]利用流量大小、頻率、持續(xù)時間、發(fā)生時間以及變化率等水文節(jié)律特征，對淮河流域中上游45個水文站進(jìn)行分類研究，為淮河流域生態(tài)流量管理提供了科學(xué)依據(jù)。

3.2 基于魚類習(xí)性的生態(tài)流量研究方法

魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)的頂級消費(fèi)群落，可通過其捕食的下行效應(yīng)影響整個淡水生態(tài)系統(tǒng)[39]。其群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化是反映水體生物群落與水質(zhì)狀況整體變化信息的重要指標(biāo)。基于魚類習(xí)性的生態(tài)流量研究始于20世紀(jì)40年代，美國開始對魚類生長繁殖等生命活動與流量之間的關(guān)系進(jìn)行研究，首先提出河流最小環(huán)境流量的概念。20世紀(jì)50年代，學(xué)者提出了基于鮭魚適宜水深和流速的河道內(nèi)流量概念(Instream Flow Requirement)[40]。以上基于魚類習(xí)性生態(tài)流量的研究均處于起步階段，未明確提出生態(tài)流量的量化方法。河道內(nèi)流量增加法(Instream Flow Incremental Methodology)將自然棲息地屬性和特定魚類棲息地偏好結(jié)合起來，使得生態(tài)流量的分配趨于客觀[41]。Arthington等[42]基于生態(tài)學(xué)家和水文學(xué)家的經(jīng)驗，在對魚類生活習(xí)性深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了DRIFT法。IFIM法和DRIFT法在國外應(yīng)用較為廣泛，但對水生物資料及水文資料要求較高，不適用于資料較少的河流，且對人力、物力和時間消耗大；陳敏建等[43]從河流生態(tài)系統(tǒng)的特征出發(fā)，提出了以魚類生境法和魚類生物量計算河流適宜生態(tài)流量的途徑；Wang[44]通過建立水文指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo)的量化關(guān)系，提出了基于水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系的河流生態(tài)需水定值方法；King等[45]通過分析澳大利亞Muray河環(huán)境變量與產(chǎn)卵強(qiáng)度之間的關(guān)系，探究了適用于多物種的非生物手段刺激魚類產(chǎn)卵的生態(tài)流量計算方法；Gwinn等[46]基于魚類種群特性，制定了澳大利亞相關(guān)河流生態(tài)流量計算方法。

4 存在問題與展望

4.1 生態(tài)流量法存在的問題

全世界現(xiàn)今已有200余種生態(tài)流量計算方法，分別涉及六大洲和44個國家，但這些方法中大多數(shù)都有其使用條件，推廣性較差。我國生態(tài)需水研究始于20世紀(jì)70年代，迄今為止，該領(lǐng)域的研究大多體現(xiàn)在宏觀戰(zhàn)略方面，尚未成熟，對生態(tài)環(huán)境流量如何進(jìn)行實施和管理仍處于探索階段，主要存在以下問題。

(1)對生態(tài)環(huán)境流量的概念和內(nèi)涵并沒有形成統(tǒng)一的定義。目前，眾多學(xué)者根據(jù)自己研究的側(cè)重點及對生態(tài)流量的理解給出諸多定義，但尚未形成統(tǒng)一的概念，不利于生態(tài)流量研究的進(jìn)一步深入。

(2)由于缺少生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，無法通過對生態(tài)關(guān)鍵因子的長期監(jiān)測和分析指導(dǎo)管理與確定最優(yōu)決策，導(dǎo)致我國生態(tài)流量研究嚴(yán)重滯后，在計算方法選擇與應(yīng)用時照搬國外研究成果，難免存在不適用性及盲目性。

(3)我國現(xiàn)在主要采用的是水文學(xué)方法或傳統(tǒng)水力學(xué)方法，僅利用簡單的統(tǒng)計學(xué)方法表征極為復(fù)雜的水生生態(tài)系統(tǒng)，定量分析過于簡單，不能精確反映不同河流生態(tài)需求的差異，且對水力學(xué)指標(biāo)的選取存在盲目性。

4.2 生態(tài)流量研究展望

針對目前我國生態(tài)流量研究存在的不足，未來應(yīng)主要注重以下研究方向。

(1)加強(qiáng)對生態(tài)流量概念的探討，更深層次地明晰生態(tài)流量的概念。

(2)完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系，加強(qiáng)對河流水生生物及生態(tài)關(guān)鍵因子的監(jiān)測工作，為我國生態(tài)流量的進(jìn)一步研究打下的扎實基礎(chǔ)。

(3)開展基于魚類生境的生態(tài)流量研究。魚類作為水生生態(tài)系統(tǒng)中頂級群落，其生活習(xí)性均為長期自然選擇的結(jié)果，河流自然屬性的改變，使水生生物的生存及繁衍受到侵?jǐn)_。魚類通過流速、水深等水力因子感知環(huán)境的變化，恢復(fù)河流天然水文情勢實際上是恢復(fù)河流水力因子的天然狀態(tài)?？赏ㄟ^研究水力學(xué)指標(biāo)與魚類生態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計學(xué)關(guān)系，并利用水力學(xué)指標(biāo)控制水文過程中的流量、頻率、發(fā)生時間、持續(xù)時間的變化，模擬河流的自然節(jié)律，恢復(fù)下游河段魚類適宜的生態(tài)環(huán)境。

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