水利水電工程最小下泄生態(tài)基流計算方法淺析

馬樂軍，張行南，王 歡，祁昌軍

(1.河海大學水文與水資源學院，江蘇南京210098；2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京210098；3.南京河?？萍加邢薰?，江蘇南京210098；4.南京水利科學研究院，江蘇南京210029；5.環(huán)境保護部環(huán)境評估中心，北京100012)

天然河流的水文情勢是河流生態(tài)多樣性的基礎，水庫、水電站等水利水電工程的建設和運行改變了河流的天然屬性，引發(fā)工程下游河道出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)功能減弱、水環(huán)境質量下降等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1- 4]。為緩解水利水電工程建設與下游河道生態(tài)保護的矛盾，自2003年始，國家出臺多部環(huán)境保護法律法規(guī)及技術導則，明確提出水利水電工程應進行生態(tài)用水補償措施，需對生態(tài)系統(tǒng)進行嚴格的保護。應用較廣的是2006年《水電水利建設項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設施環(huán)境影響評價技術指南(試行) 》(以下簡稱“指南”)，指南規(guī)定了水利水電工程下泄生態(tài)基流計算的方法，提出最小下泄生態(tài)基流的下限值不得低于多年平均流量10%的規(guī)定[5]。這些法律規(guī)范的制定從根本上確立了水利水電工程下泄生態(tài)基流的合法性，技術上明確了生態(tài)基流計算準則，對實際工作有很好的指導作用。然而，這些規(guī)范對于水利水電下泄生態(tài)基流的概念尚未明確，河道內計算方法選擇尚未提出明確的規(guī)則。為此，陳敏建[6]等分析了我國區(qū)域的生態(tài)問題，并總結出不同區(qū)域生態(tài)需水類型，王浩[7]等針對不同的生態(tài)需水類型，引入并改進了多種適宜我國國情的生態(tài)需水計算方法，提出了我國分區(qū)域生態(tài)用水標準。馬樂軍[8]等考慮水利水電工程對下游的影響，提出下泄生態(tài)基流的概念。這些成果豐富了我國生態(tài)需水理論及方法體系，但研究主要以流域為對象，對河道內生態(tài)需水分析計算仍需進一步研究。因此，針對生態(tài)基流計算方法空間尺度的變異性， 研究不同區(qū)域、不同斷面適宜計算方法，構建最小生態(tài)基流計算方案，具有十分重要的理論意義和實用價值。

目前研究多針對局部地區(qū)開展，計算方法應用較多，結果的合理性論證尚需進一步探索，亟需開展最小生態(tài)基流計算方案的研究，提出一套生態(tài)基流計算管理體系，供管理決策使用。本文在分析國內外生態(tài)基流計算方法的基礎上，通過構建最小下泄生態(tài)基流計算方案，提出了在時間上及空間上分步分級確定生態(tài)基流的思路，計算方案可為生態(tài)基流分區(qū)的構建提供技術支撐，為水利水電環(huán)境影響評估工作提供決策支持。

1 河流生態(tài)基流計算方法概述

1.1 國外計算方法概述

河道生態(tài)基流估算自20世紀40年代開始，至今大致可分為水文學法、水力學法、棲息地法和整體分析法四大類[9-12]：

(1) 水文學方法 。該法(也稱“水文指標法”或“歷史流量法”)是生態(tài)需水評價中最常用的計算方法，它以歷史流量數(shù)據(jù)的百分比來確定生態(tài)基流。水文學方法種類較多，Tennant 法、Texas法、7Q10法、基本流量法、可變范圍法(RVA)等是比較具有代表性的方法[13-17]。

(2) 水力學方法。它以曼寧公式為基礎，通過構建河道水力參數(shù)與流量的相關關系，分析生態(tài)流量。目前應用較廣有濕周法、R2CROSS法。濕周法認為魚類食物量大小與河流流量成比例，根據(jù)生態(tài)基流的定義，通過建立濕周與流量的關系曲線，尋找濕周變異較大的點，即生態(tài)基流量。R2CROSS法認為淺灘是河流棲息地完整性的零界點，保護淺灘棲息地即同時保護了河流生態(tài)系統(tǒng)最極限的狀態(tài)[18]。

(3) 棲息地法。棲息地法是對水力學方法的擴展及改進，其主題思想是選擇某一種或多種指示物種代表整個生態(tài)系統(tǒng)，通過對目標生物生鏡需求的水力條件的確定來計算生態(tài)基流的方法。代表性的方法有IFIM(instream flow incremental methodology)法，物理棲息地模擬法(The Physical Habitat Simulation Model)，CASMIR法(Computer Aided Simulation Model for Instream Regulations)等，其中IFIM法應用最廣[19-21]。

(4) 整體分析法。20世紀90年代中期提出整體分析法后，該法目前是最為復雜也是精度最高的一種方法。該法從河流生態(tài)系統(tǒng)的整體性的角度，綜合分析水文、泥沙、河流形態(tài)與河流生境之間的關系，使確定的河道流量能夠同時滿足上述各學科的需求。其涉及多個學科，需要一個包含多學科的專家組進行綜合分析獲取結果。代表方法有南非的BBM[22](Building Block Methodology)法、澳大利亞的ELOHA法[23](Ecological Limits of Hydrologic Alteration)及水文-生態(tài)響應關系法[24]。

1.2 國外計算方法適用性

目前，關于生態(tài)基流的計算方法逐漸成熟，但各種方法側重點不同，有些方法的可移植性較差，許多研究者對生態(tài)基流四大類方法進行過分析，通常認為各計算方法的主要優(yōu)缺點摘錄如表1所示[7]。

水文學方法由于其操作簡便，對數(shù)據(jù)的要求相對簡單，在多數(shù)情況下僅要求有10年及以上的歷史流量數(shù)據(jù)，不需要進行野外調查等特點，使其成為應用最為廣泛的方法，比較適合作為流域層級戰(zhàn)略性管理工具使用。水力學方法通過建立淺灘與河道水力學參數(shù)的關系，獲取生態(tài)基流值；該法對天然河道的形態(tài)要求較高，目前實際應用已逐漸降低，但其對棲息地法的發(fā)展起到了推動作用。棲息地法是對水力學法的擴充，是目前而言較為復雜但計算結果相對合理的一種計算方法。該法以目標生物的生態(tài)需求為導向，將生物生境、水力學參數(shù)及河流流量進行結合，計算生態(tài)基流，比較適合單一敏感保護生物的河段。對于多種保護生物下如何綜合考慮其生境目標尚需深入研究。 整體法考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的整體性，整合不同行業(yè)專家經(jīng)驗認識和研究生態(tài)環(huán)境需水量，計算結果能夠最大程度保護河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，但該法認為天然河流的水文情勢是最佳的水文條件，限制了其在水庫河段中的應用；同時，這種方法需要大量的生態(tài)資料支撐，資源消耗大，評價耗時較長(一般需要至少兩年)，限制了其應用范圍。

表1 河道生態(tài)基流計算方法特點

表2 我國生態(tài)基流計算相關技術規(guī)范

1.3 我國水利水電工程最小下泄生態(tài)基流使用方法

我國水利水電建設經(jīng)過快速發(fā)展時期，目前維持河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定是影響社會和諧發(fā)展的主要影響因素之一。然而生態(tài)基流的計算分析較為復雜，國家有關部門在多年的管理實踐中，發(fā)布了多部法律法規(guī)的同時，形成多個技術規(guī)范以指導建設工程下泄生態(tài)基流計算[25](見表2)。

上述規(guī)范豐富了我國生態(tài)基流的計算體系，推動我國水利水電工程建設下泄生態(tài)基流計算方法走向成熟。然而由于規(guī)范并未明確提出計算方法的使用方法，導致在具體實踐中計算方法的選擇缺乏依據(jù)，使用較為隨意，多以多年平均流量的百分比(10%～20%)作為生態(tài)基流量；同時，規(guī)范間缺乏協(xié)調，不同規(guī)范推薦的計算方法計算結果差異較大。如《全國水資源綜合規(guī)劃技術細則需水預測部分(修訂)》中推薦以90%保證率最小月平均流量法作為生態(tài)基流計算方法，而《水資源供需預測分析技術規(guī)范》則推薦95%保證率最小月平均流量法等。

因此，水利水電工程生態(tài)基流計算方法選擇，應從我國國情出發(fā)，分析計算影響因素，研究計算方法使用準則，建立區(qū)域與適宜計算方法庫，并開展適應性管理，修正并最終確定生態(tài)基流。

2 最小生態(tài)基流計算方法

2.1 計算影響因素

水利水電工程最小下泄生態(tài)基流，應考慮時空模式，即不同區(qū)域及時段應采用不同的方法，其主要受以下幾方面因素的影響。

(1)河道水文及河流形態(tài)。河道水文主要取決于區(qū)域水文條件、干旱程度等因素，是氣候類型、干濕地區(qū)等因素的綜合結果，是篩選水文學方法的重要因素。河流形態(tài)受地勢、地貌、土壤類型等因素的影響，地勢變化對河道水力坡度、地貌類型對河道形態(tài)、土壤對河流基質條件等影響直接反映在河流水文情勢差異上，進而造成河流生態(tài)系統(tǒng)的差異。同時河流形態(tài)也決定了水力學方法的適用性。

(2)水生保護目標。水生保護目標是生態(tài)基流計算的主要目的之一。不同的水生生物對生境的需求不盡相同，相關學者已進行了大量的研究，積累了大量的研究成果。在構建生態(tài)基流計算方案時，需借鑒相應的研究成果。

(3)水利工程調節(jié)能力。水利水電工程調節(jié)能力是工程規(guī)模、工程類型等影響因子的綜合結果，不同調節(jié)性能工程對下游河道水文情勢的影響差異較大。Poff等[26]研究表明，大中型水利水電工程下游河流生態(tài)多樣性常趨于單一化。楊濤[27]、Chen[28]、杜河清等[29]分析了東江上游水庫對下游水文情勢的影響，得出徑流年內分配趨于均一化的結論。

為此，在分析最小下泄生態(tài)基流時，需重點考慮河道水文及河道形態(tài)，劃分計算方法的適用區(qū)域，以大型水利工程為控制節(jié)點，分析壩下是否有重要水生保護目標，進一步細化各類計算方法的適用性。

2.2 計算流程

生態(tài)基流計算方案的確定按照以下步驟逐級確定(見圖1)。

圖1 最小下泄生態(tài)基流計算流程

(1)構建水生態(tài)分區(qū)。區(qū)劃是從區(qū)域角度觀察和研究區(qū)域的差異性和相似性、分異組合、劃分合并及相互關系。水生態(tài)區(qū)概念起源于美國，1987年由Omernik[30]首次提出，其實質是一定尺度下的水體分類方法[31]。研究結果表明，水生態(tài)區(qū)劃在水環(huán)境管理、河流生物評價、濕地管理等方面的優(yōu)勢明顯[32-33]。水生態(tài)區(qū)劃可為管理者對同一區(qū)域內水體進行統(tǒng)一管理，分析適宜的計算方法[34]。因此，構建最小下泄生態(tài)基流計算方案的前提是進行水生態(tài)區(qū)劃的劃分。對于如何構建水生態(tài)區(qū)劃，國內外學者進行了大量的研究。美國、澳大利亞、新西蘭、歐盟等依據(jù)各自的情況制定了相應的水生態(tài)分區(qū)。國內水生態(tài)分區(qū)起步較晚，但發(fā)展較為迅速，從早期的自然區(qū)劃階段到生態(tài)區(qū)劃，涌現(xiàn)了大量的區(qū)劃類型。筆者認為，最小下泄生態(tài)基流區(qū)劃可在借鑒已有成熟的區(qū)劃上，重點分析河道生態(tài)系統(tǒng)差異；以水資源分區(qū)為基礎，融入生態(tài)分區(qū)，劃分生態(tài)區(qū)劃。即，據(jù)氣候、地形的差異，整合水資源一級分區(qū)，將我國劃分為南部濕潤地區(qū)、北方半干旱區(qū)、東北半濕潤區(qū)、西北干旱區(qū)、西南高寒區(qū)等五大區(qū)劃；通過分級整合水資源分區(qū)，最終形成以水資源分區(qū)為基礎的河道生態(tài)基流區(qū)劃。

(2)確立計算河段。在確定生態(tài)區(qū)劃后，需對同一分區(qū)內河道進行分類研究，篩選出相對同質的河段。同一河段內應充分考慮水利水電工程對下游生態(tài)系統(tǒng)的影響，以壩址為節(jié)點，分析壩下河道有無重要水生保護目標；對于無保護目標的河段常分汛期及非汛期兩類分別計算，對有重要保護目標的河段常以產(chǎn)卵期及非產(chǎn)卵期兩個時間段分別計算。

(3)選擇計算方法。針對具體的河道，根據(jù)計算方法的優(yōu)缺點，選擇適宜的計算方法計算生態(tài)基流，并對結果進行分析，論證計算方法的合理性，構建適宜計算方法庫。首先分析研究區(qū)域的資料情況，論證資料是否滿足各類的計算方法的需求，初步篩選適宜的計算方法。針對下游無重要保護水生生物的河段，選擇水文學方法或水力學方法計算生態(tài)基流并對計算結果的合理性進行論證；在條件允許的情況下，可以考慮用生態(tài)水力學方法或者整體分析法分析計算結果的合理性。針對下游有重要保護生物的區(qū)域，需充分考慮保護生物的產(chǎn)卵特性，采用棲息地法或整體法分析滿足保護生物產(chǎn)卵特性的最小下泄生態(tài)基流(過程)。

(4)確立計算結果。分區(qū)域選擇適宜的計算方法后，仍需通過適應性管理的方式，依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)保護情況，調整生態(tài)基流量(過程)；增加生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測力度，建立生態(tài)基流隨時間的關系曲線，調整并細化適宜計算方法庫，動態(tài)更新生態(tài)基流值。

3 結 論

水利水電工程最小下泄生態(tài)基流計算已從單一的引進水文學方法到多種方法綜合運用，并提出了多種適用我國國情的計算方法。雖然理論上計算方法已逐漸成熟，但各計算方法適應性研究稍顯粗糙，有待進一步深入研究。當前水利水電建設項目的環(huán)境影響評價多采用Tennant法，以多年平均流量的10%為基礎，結合敏感保護目標確立生態(tài)基流量，對如何確定最小下泄流量標準仍是未解決的問題。近年來，隨著我國泥沙、水質、生物等監(jiān)測資料逐步豐富，可開展的計算方法逐漸增多，亟需構建生態(tài)基流指標體系，開展多方法比選工作，建立生態(tài)基流適宜方法庫，提出生態(tài)基流計算方案，確立生態(tài)基流計算標準。

本文以現(xiàn)有的研究成果為基礎，以確立水利水電工程項目下泄生態(tài)基流為目標，梳理了國外生態(tài)基流各類計算方法及存在的不足，分析現(xiàn)有政策法規(guī)運用現(xiàn)狀及存在的問題，嘗試提出分區(qū)域分級確定適宜計算方法的計算模式，為確立生態(tài)基流標準提供技術支撐。研究成果尚未考慮到生境隨時間的變化，未來尚需加強生境的監(jiān)測與研究，完善生態(tài)基流計算體系的研制。