三種生態(tài)流量計(jì)算方法適應(yīng)性分析及選擇

肖衛(wèi) 周剛炎

摘要：介紹了歐洲生態(tài)流量計(jì)算評(píng)估實(shí)踐，聚焦了水文法、水力-棲息地法和整體法計(jì)算生態(tài)流量的經(jīng)驗(yàn)和案例，分析了3種生態(tài)流量估算方法的適應(yīng)性及選擇。分析表明：應(yīng)評(píng)估受影響河流流態(tài)和生態(tài)流量之間的差距，提出實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)需求相協(xié)調(diào)的建議;應(yīng)結(jié)合不同類型計(jì)算方法的適用條件和數(shù)據(jù)獲取難易程度，選取合適的生態(tài)流量計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：生態(tài)流量;估算方法;水文法;水力-棲息地法;整體法

中圖法分類號(hào)：P333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2020）12-0059-04

水工程在發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉等效益的同時(shí)，在一定程度上改變了河流水文情勢(shì)，產(chǎn)生了相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)。在工程實(shí)踐中，一般較多關(guān)注優(yōu)化水工程的最小下泄流量，主要考慮生產(chǎn)和生活用水需求。隨著對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的逐步深入，水庫(kù)下泄流量需要考慮下游生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的需求，河流生態(tài)流量的計(jì)算和實(shí)踐評(píng)估是一個(gè)十分重要而復(fù)雜的課題。研究和實(shí)踐表明：應(yīng)根據(jù)不同地域、不同類型河湖的氣候水文特性、水資源稟賦條件及開(kāi)發(fā)利用狀況、河湖生態(tài)功能定位等，分析并明確主要生態(tài)保護(hù)對(duì)象及保護(hù)要求，合理確定河流生態(tài)流量及過(guò)程，對(duì)重要河流生態(tài)流量的滿足狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析存在的主要問(wèn)題和成因。歐洲開(kāi)展生態(tài)流量的研究和實(shí)踐起步比較早，在《歐盟水框架指令》下開(kāi)展生態(tài)流量計(jì)算評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)和案例值得參考借鑒。

1生態(tài)流量計(jì)算方法

學(xué)術(shù)界常用的幾種生態(tài)流量計(jì)算方法包括：①水文法;②水力-棲息地法;③整體法。為了對(duì)比3種方法的利弊，在表1中對(duì)這些方法進(jìn)行了比較。

1.1水文法

水文法是基于歷史徑流數(shù)據(jù)分析的方法。基本假設(shè)是為了保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)，必須保證天然的水文情勢(shì)。水文法中并不考慮物種或群落特定水平，提供同期流量的變化幅度和范圍，以維持生態(tài)過(guò)程與生物多樣性。水文法在當(dāng)前的應(yīng)用趨勢(shì)是從僅設(shè)定一個(gè)最小流量的方法（如：1976年Tennant法）轉(zhuǎn)向更加全面的方法，考慮維持河流形態(tài)和生態(tài)過(guò)程所需的水文條件。

目前，水文法是國(guó)際上使用最廣泛的方法，因?yàn)樵摲ㄊ褂梅奖闱页杀窘?jīng)濟(jì)。如果可以獲得用于生態(tài)流量估算的徑流記錄，則水文法是計(jì)算生態(tài)流量最簡(jiǎn)單、最快速、最經(jīng)濟(jì)的方法，但未考慮河流形態(tài)特征及生態(tài)過(guò)程，因此建議在規(guī)劃層面使用水文法，或在低風(fēng)險(xiǎn)、低爭(zhēng)議的情況下設(shè)立初步流量目標(biāo)。不建議將水文法應(yīng)用于對(duì)生態(tài)流量要求較高的情況。

簡(jiǎn)單的水文分析受到以下3個(gè)方面的影響：①為了保證統(tǒng)計(jì)完整性，水文要素的數(shù)據(jù)序列至少要15a。②對(duì)于受人類活動(dòng)（如修建水壩、水庫(kù)，河流改道與取水等）影響的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行還原計(jì)算。③水文監(jiān)測(cè)站在空間分布上必須控制干支流節(jié)點(diǎn)，以獲取水源和主要水道的水文特征。

水文法研究的案例包括：①在氣候變化背景下，意大利阿諾河流域通過(guò)將最小生命流量數(shù)據(jù)以及生態(tài)流量初步近似值加以比較，達(dá)到測(cè)試定量指標(biāo)的目的。②使用水文法和整體法來(lái)確定斯洛文尼亞生態(tài)流量。

1.2水力-棲息地法

水力-棲息地法是基于流量變化，通過(guò)河流形態(tài)對(duì)生物群落起作用確定群落棲息地出現(xiàn)及持續(xù)的時(shí)間。

水力-棲息地模擬包括：①河道的物理或水力建模;②模擬生物與物理環(huán)境之間的聯(lián)系。后者可能考慮不同的生境參數(shù)，如水深、流速、河床組成、河道幾何形狀、覆蓋度和水溫等。因此，可根據(jù)水流和河道的形態(tài)特征來(lái)確定生物群落棲息地?cái)?shù)量。然后將物理模型和生物模型相結(jié)合，用來(lái)模擬棲息地質(zhì)量-數(shù)量的指標(biāo)如何隨徑流變化。盡管以往文獻(xiàn)中不同水力-棲息地模型的概念基本相同，但在具體計(jì)算中，模型（物理模型和生物模型）之間存在差異。

目前，許多方法都涉及河流廊道內(nèi)生物群落與生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。有研究考慮了洪泛平原、河岸棲息地的生態(tài)重要性以及維持河流地貌需要的急流與洪水。此外，棲息地時(shí)間序列分析是使用水力一棲息地法定義生態(tài)流量的關(guān)鍵，以表示年內(nèi)與年際棲息地的變化。棲息地模型能夠模擬流量和形態(tài)變化，可對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行比較分析，并得出最佳選項(xiàng)。

通常認(rèn)為，水力-棲息地法比水文法更加準(zhǔn)確，并在高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目中推薦使用水力-棲息地法進(jìn)行模擬。水力-棲息地法需要扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，并通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)勘查來(lái)收集水文及生物資料，耗時(shí)長(zhǎng)且成本較高。歐盟內(nèi)外的一些國(guó)家通過(guò)使用簡(jiǎn)化的“廣義”棲息地模型以降低成本。

水力-棲息地模擬方法是根據(jù)水文形態(tài)條件估算棲息地的數(shù)量，而不考慮更加復(fù)雜的生態(tài)及生物因素，例如食物可獲得性、種間相互作用以及外來(lái)物種的存在。

水力-棲息地法使用案例包括：①希臘羅得島加爾達(dá)拉斯河建造大壩使河流流態(tài)發(fā)生改變。需要確定水庫(kù)關(guān)鍵水位以使其成為土著魚(yú)類拉迪赤梢魚(yú)生存保護(hù)地?；谠摲椒ㄖ贫舜髩涡沽饔?jì)劃，供大壩運(yùn)營(yíng)方對(duì)洪枯期、洪枯年份的庫(kù)水位進(jìn)行調(diào)度。泄流計(jì)劃實(shí)施1a后，通過(guò)物理、生物和物理化學(xué)監(jiān)測(cè)表明，河流流態(tài)可較好保護(hù)枯季拉迪赤梢魚(yú)種群，確保了魚(yú)類生存。②瑞典默魯姆河特定水生物種創(chuàng)造有利水力條件的實(shí)踐過(guò)程。自1959年以來(lái)，默魯姆河水一直被用于發(fā)電。該河流是鮭魚(yú)與海鱒的潛在產(chǎn)卵場(chǎng)，為了更好地發(fā)揮潛在產(chǎn)卵場(chǎng)的作用，需要加大流量并進(jìn)行河道地形修復(fù)。以水力一棲息地模擬為依據(jù)，評(píng)估不同流量過(guò)程，并與鮭魚(yú)種群模型相結(jié)合。根據(jù)模擬，將魚(yú)類遷徙季節(jié)與流量峰值相結(jié)合，得出了生態(tài)基流的建議值。③法國(guó)默茲河天然徑流波動(dòng)較大，加之上下游航運(yùn)、水電站運(yùn)行的影響以及水資源管理不當(dāng)?shù)纫蛩?，?dǎo)致了徑流突變。通過(guò)河流棲息地法模擬了低流量對(duì)鮑魚(yú)適宜棲息地?cái)?shù)量的影響。對(duì)模型進(jìn)行可靠性分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)卵區(qū)以外目標(biāo)物種每一生命階段的適宜棲息地估算值過(guò)高，需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)收集的信息克服了棲息地法的若干缺點(diǎn)。

1.3整體法

整體法的目的是將人類和生態(tài)流量需求融合到縝密的評(píng)估框架中。該方法的理念是所有生物和非生物組成了需要管理的生態(tài)系統(tǒng)。

整體法有時(shí)被稱為專家小組法，在研討中制定生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)，由多學(xué)科專家小組（包括水文學(xué)、地貌學(xué)、水質(zhì)和生態(tài)學(xué)各學(xué)科）審議特定河流的數(shù)據(jù)。

水文變化的生態(tài)限制框架（ELOHA）是專門(mén)為滿足州、省或流域尺度的環(huán)境流量管理與國(guó)家水政策層面的需求而開(kāi)發(fā)的，將環(huán)境用水需求納入?yún)^(qū)域水資源規(guī)劃及全球管理中。該框架同時(shí)解決了河流（包括湖泊與濕地）的許多問(wèn)題。根據(jù)評(píng)估深度、數(shù)據(jù)收集與專家咨詢程度的結(jié)果表明，整體框架的應(yīng)用耗時(shí)較長(zhǎng)且成本較高。

斯洛文尼亞生態(tài)流量的確定使用了水文法和整體法。采用整體法評(píng)估了分水（取水）河段的生物、化學(xué)和水文形態(tài)特征，考慮與自然保護(hù)及保存政策有關(guān)的需求確定生態(tài)流量。整體法可用于全球任何地方，但作為基于專家支持的方法，其可復(fù)制性有限。

2方法選擇

根據(jù)流域的水文特征、規(guī)模范圍以及環(huán)境和經(jīng)濟(jì)情況，建議選擇分層次方法確定適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)流量計(jì)算方法?？梢赃x擇從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的方法。根據(jù)一個(gè)國(guó)家的規(guī)模、風(fēng)險(xiǎn)范圍、用水強(qiáng)度、預(yù)算、能力與時(shí)間框架等進(jìn)行計(jì)算?？稍谠S多不同方面分階段分層實(shí)施，例如：①增加科學(xué)評(píng)估的復(fù)雜性，從非常簡(jiǎn)單的流域規(guī)模水文分析到基于現(xiàn)場(chǎng)的綜合調(diào)查;②增加的流態(tài)復(fù)雜性，從季節(jié)性低基流的基本保護(hù)到維持具有年內(nèi)（年際）變化的更復(fù)雜流態(tài);③地理分階段，從高優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算。

由于生態(tài)流量計(jì)算需要一定條件，因此分階段的分層次方法是實(shí)際應(yīng)用中最為有效的方法，可用于制定某一地區(qū)或國(guó)家的生態(tài)流量政策。如西班牙廣泛采用了兩種評(píng)估級(jí)別，將生態(tài)流量納入流域管理計(jì)劃。英國(guó)河流使用了生態(tài)流量的3種評(píng)估級(jí)別，且投資越大評(píng)估結(jié)果越準(zhǔn)確。

表2為一種適用于生態(tài)流量計(jì)算方法選擇的3層結(jié)構(gòu)方法。

3生態(tài)流量差距分析

在《歐盟水框架指令》的一般背景下，“差距分析”在于確定每一水體現(xiàn)有狀態(tài)與實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)所需狀態(tài)的偏差。如果水文情勢(shì)變化可能妨礙實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，則應(yīng)對(duì)當(dāng)前流態(tài)與生態(tài)流之間的差距進(jìn)行評(píng)估，即“生態(tài)流量差距分析”。雖然水文變化脅迫分析評(píng)估中考慮到了當(dāng)前流量與天然流量的偏差，但生態(tài)流量差距分析在于評(píng)估當(dāng)前流量與生態(tài)流量之間的距離（見(jiàn)圖1）。

由圖1可知，可在任何時(shí)間尺度（月，季節(jié)或年）上計(jì)算生態(tài)流量差距，應(yīng)集中于發(fā)生改變的流量分量（包括流速）。對(duì)于低流量，生態(tài)流量差距可以理解為由于引調(diào)水而實(shí)際上不可用于滿足生態(tài)流量需求的凈水量。

水量平衡中通常考慮生態(tài)流量。在斯洛伐克水資源定量評(píng)估時(shí)就是如此。水量平衡一般以上一年度的水量需求與水資源可用性評(píng)估作為根據(jù)，明確了水資源利用的現(xiàn)狀與可能性，并作為下一時(shí)期的水資源管理約束條件。生態(tài)流量用最小平衡流量表示，作為水量需求輸入量之一。在考慮水量平衡時(shí)，若出現(xiàn)水量不足的情況，可據(jù)此對(duì)現(xiàn)有措施進(jìn)行指導(dǎo)和審查，以改進(jìn)或重新制定措施。

對(duì)于目前滿足生態(tài)流量（無(wú)生態(tài)流量差距）的地表水體，在措施計(jì)劃中應(yīng)關(guān)注維持河流健康。對(duì)于某些河流，若已經(jīng)確定當(dāng)前流量和生態(tài)流量之間差距，則應(yīng)制定相應(yīng)的措施計(jì)劃以恢復(fù)生態(tài)流量，并縮小差距。

4結(jié)語(yǔ)

選擇合適的生態(tài)流量計(jì)算方法取決于資源的可用性（包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）和受影響的嚴(yán)重程度。對(duì)覆蓋整個(gè)流域的情況，可選擇采用水文法;針對(duì)潛在影響采取具體措施時(shí)，則需要更詳細(xì)的方法來(lái)確定生態(tài)流量以確保其有效性。在水文變化可能影響實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的情況下，評(píng)估當(dāng)前流態(tài)和生態(tài)流量之間的差距是設(shè)計(jì)修復(fù)措施計(jì)劃的關(guān)鍵。

在河流受到人類活動(dòng)影響的情況下，應(yīng)當(dāng)評(píng)估當(dāng)前流態(tài)與實(shí)現(xiàn)保護(hù)目標(biāo)所需流態(tài)之間的差異，以便制定適當(dāng)措施。這種差異的分析包括對(duì)河流監(jiān)測(cè)或模擬結(jié)果的評(píng)估。對(duì)生態(tài)流量評(píng)估需要考慮天然流態(tài)和河床形態(tài)、河流生態(tài)流量與確定環(huán)境保護(hù)目標(biāo)是否相適應(yīng)。本文介紹的方法可用于生態(tài)流量的確定，大多綜合考慮了生物狀況、時(shí)間尺度、復(fù)雜性和所需數(shù)據(jù)方面的差異。應(yīng)結(jié)合不同類型計(jì)算方法的適用條件和數(shù)據(jù)獲取難易程度，選取合適的計(jì)算方法。

本文介紹了3種生態(tài)流量計(jì)算方法及其適應(yīng)性選擇，可供計(jì)算河流生態(tài)流量時(shí)參考借鑒。建議根據(jù)不同地域、類型河湖的氣候水文特性、水資源稟賦條件及開(kāi)發(fā)利用狀況、河湖生態(tài)功能定位等，明確主要生態(tài)保護(hù)對(duì)象及保護(hù)要求，選擇適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)流量計(jì)算方法，確定合理的河流生態(tài)流量及過(guò)程，以滿足下游生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的需求，并及時(shí)開(kāi)展重要河流生態(tài)流量評(píng)價(jià)。對(duì)流域內(nèi)建有多座水工程的河流，在滿足單個(gè)工程生態(tài)流量保障要求的前提下，還應(yīng)根據(jù)上下游河流廊道、湖泊、濕地、河口及魚(yú)類棲息地等選定的保護(hù)目標(biāo)對(duì)生態(tài)流量及過(guò)程的要求，分析各工程的調(diào)度約束條件和調(diào)度目標(biāo)，綜合提出流域上下游梯級(jí)聯(lián)合生態(tài)調(diào)度方案。

（編輯：李慧）