關于生態(tài)流量的概念解析

王中根，趙玲玲，陳慶偉，黃 振，4

（1.中國科學院地理科學與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，100101，北京；2.廣州地理研究所，510002，廣州；3.水利部水資源管理中心，100053，北京；4.中國科學院大學，100049，北京；5.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室，510002，廣州）

地球生命系統(tǒng)的維持需要一定量能夠循環(huán)流動的水。 生態(tài)流量概念的提出與發(fā)展，正是因應生態(tài)文明建設而生，是實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的必然產物，也是維持地球健康水循環(huán)的必由之路。

目前， 生態(tài)流量的概念并不清晰，其定義與計算方法也不統(tǒng)一[1]。 從概念解析看，任何概念都是人類在認識客觀世界過程中將所感知事物的共同本質屬性抽象出來，加以概括形成。 隨著人類認識的深入和客觀世界的變化，概念的內涵和外延會不斷地演化。 生態(tài)流量是“流量”概念的一種演化發(fā)展， 屬于一類特定的流量，既繼承了“流量”的共性，又擁有自身的特性。 本文提到的“流量”特指河水流量，即在單位時間內通過河流某一斷面的水量（一般用m3/s 表示）。 流量也可以用單位時段內（如日、月、季、年）流出河流斷面的總水量來表示，即常說的河川徑流量（m3）。 從文獻查閱看，生態(tài)流量概念的提出，最早可以追溯到20 世紀40 年代初的河道枯水流量（Low Flow）[2]、河道基流（Base Flow）[3]的研究，50 年代開始了基于流量、流速、水位與水生生物關系的河流生態(tài)流量（Ecological Flow）研究[4]，60—70 年代出現(xiàn)了河流生態(tài)流量相關的評價和計算方法研究[5，6]，80 年代以后生態(tài)流量的概念已在不同學科領域與行業(yè)管理中得到了快速發(fā)展，演變出不同的概念與定義。 為了深入理解生態(tài)流量的概念， 本文將從其產生和演變過程中剖析其內涵和外延，為生態(tài)流量的理論與實踐研究奠定基礎。

一、概念的演化

生態(tài)流量的概念經過多年發(fā)展，大致可以分為兩類概念演化體系：一是用時段總水量（m3）來表示，演化出“生態(tài)需水量”“環(huán)境需水量”“生態(tài)環(huán)境需水量”，以及“生態(tài)用水量”“環(huán)境用水量”“生態(tài)環(huán)境用水量”等不同的概念；二是用瞬時流量（m3/s）來表示，延續(xù)了流量的基本概念，發(fā)展出不同類型的生態(tài)流量和環(huán)境流量的概念。

1.時段水量的概念

用時段內的總水量表征，提出了生態(tài)需水量的概念[7]。20 世紀90 年代隨著國際地圈生物圈計劃（IGBP）推動， 生態(tài)需水的理論研究得到了快速發(fā)展， 基于河流生態(tài)系統(tǒng)完整性的生態(tài)需水（Ecological Water Demand；Ecological Water Requirement）研究蓬勃發(fā)展，并演化出河道內生態(tài)需水和河道外生態(tài)需水的概念，以及生態(tài)環(huán)境需水（Eco-environmental Water Demand；Eco-environmental Water Requirement）的概念。 但關于生態(tài)需水的定義并不統(tǒng)一，如Covich（1993）[8]提出的生態(tài)需水定義“保證恢復和維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需的水量”；劉昌明（1999）[9]提出“最小生態(tài)需水量是維系生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)基本功能的一種水量”； 王浩（2003）[10]提出“生態(tài)需水是在流域自然資源，特別是水土資源開發(fā)利用條件下，為了維護河流為核心的流域生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡，避免生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生不可逆的退化所需要的臨界水分條件”；夏軍（2002）[11]提出“生態(tài)環(huán)境需水量是維系生態(tài)系統(tǒng)平衡最基本的需用水量，是生態(tài)系統(tǒng)安全的一種基本閾值”等。 此外，從用水管理的角度，還提出相關的生態(tài)用水、環(huán)境用水以及生態(tài)環(huán)境用水的概念。如1989年湯奇成提出了生態(tài)用水的概念[12]；1990 年《中國水利百科全書》給出了環(huán)境用水量的定義“改善水質、協(xié)調生態(tài)和美化環(huán)境等的用水”；2000 年《中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究報告》界定了生態(tài)環(huán)境用水的概念、 范疇及分類，將狹義的生態(tài)環(huán)境用水定義為“維護生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐步改善所需要消耗的水資源總量”； 將廣義的生態(tài)環(huán)境用水定義為“維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等，都是生態(tài)環(huán)境用水”。

2.瞬時流量的概念

用瞬時流量來表征，延續(xù)了流量的基本概念。 如2000 年歐盟“水框架指令”給出生態(tài)流量的定義[1]，即維持水生態(tài)系統(tǒng)健康且提供我們依賴的服務所需要的水量；2007 年國際環(huán)境流大會“布里斯班宣言”提出了環(huán)境流量（Environmental Flow）的定義[1]，即維持淡水、河口淡水系統(tǒng)及依賴于這些系統(tǒng)的人類宜居環(huán)境所需要的水流數(shù)量、 過程及質量；2010 年美國大自然保護協(xié)會給出環(huán)境流量的定義[1]，即維持水生態(tài)系統(tǒng)的組分、 功能、過程和彈性，以及滿足人類物質和服務需求下所需確定的徑流水量和時間尺度。 國內關于生態(tài)流量的研究最早起源于20 世紀70 年代末的河流最小流量（Minimum Flow）[13]，不同專家學者從不同角度提出不同的概念和定義，如廖文根（2010）[14]提出生態(tài)基流的概念，定義為“維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內最小流量”；陳敏?。?007）[15]提出適宜生態(tài)流量的概念，定義為“水生態(tài)系統(tǒng)的生物完整性隨水量減少而發(fā)生演變，以生態(tài)系統(tǒng)衰退臨界狀態(tài)的水分條件定義為維持水體生物完整性的需水”；劉曉燕（2008）[16]提出河流環(huán)境流量的概念，定義為“在維持河流自然功能和社會功能均衡發(fā)揮的前提下，能夠將河流的河床、水質和生態(tài)維持在良好狀態(tài)所需要的河川徑流條件”等。

從演化過程看，經過螺旋式上升發(fā)展， 逐步向流量的本質屬性回歸。即生態(tài)流量不僅是一定數(shù)量和質量的河水， 更重要的是循環(huán)流動的河水。 對于湖泊一類的面狀水體而言，其垂向流動性（即蒸發(fā)過程）往往占主導地位，可以用生態(tài)水位來表征其生態(tài)流量。

二、概念的內涵與外延

生態(tài)流量的概念隨著人類認識的深入在不斷地發(fā)展變化，根據(jù)其形成與演化過程，本文總結歸納出以下定義：生態(tài)流量是維持某一時空范圍內生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)的結構與功能，所需的單位時間內通過河流某一斷面的水量。 為了進一步理解概念，我們從內涵與外延進行解析。

1.內涵

內涵是指概念所反映事物的本質屬性總和。 生態(tài)流量本質上是一種特定的河水流量，是在陸地河湖水系中循環(huán)流動的水量。 其本質屬性是維持陸地生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)的結構與功能，所需水的特殊性質主要包括：

①質與量統(tǒng)一性。 水是質與量的統(tǒng)一體。 水量的保證是生態(tài)系統(tǒng)存在的前提，水質的要求是生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的重要基礎。

②可再生性與流動性。 河湖水系中水的周而復始循環(huán)流動才能為陸地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供物質流和能量流，可再生性與流動性是生態(tài)流量最顯著的本質屬性。

③時空異質性。 由于水循環(huán)存在顯著的空間差異性，因此生態(tài)流量在不同自然地理環(huán)境中具有空間異質性；此外，地球萬物生長具有季節(jié)性變化，生態(tài)流量也有與之相適應的季節(jié)性“脈沖”波動性。

④閾值性與適宜性。 既然具有時空異質性，那么對于某一特定時空范圍下的生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)而言，生態(tài)流量便具有上限、下限的變動區(qū)間，表現(xiàn)為一定的閾值性與適宜性。

2.外延

生態(tài)流量概念的外延是由各種不同類型的生態(tài)流量所構成，如河湖生態(tài)流量、河流生態(tài)流量、湖泊生態(tài)水位、基本生態(tài)流量、目標生態(tài)流量、適宜生態(tài)流量、生態(tài)基流、環(huán)境流量。甚至可以把生態(tài)需水量、 環(huán)境需水量、生態(tài)環(huán)境需水量，以及生態(tài)用水量、環(huán)境用水量和生態(tài)環(huán)境用水量等也看作是生態(tài)流量概念的外延。

三、不同行業(yè)的定義

定義是對于一種事物本質特征或一個概念的內涵和外延確切而簡要的說明。 目前，關于生態(tài)流量的定義并不統(tǒng)一，不同行業(yè)部門給出了不同的定義。

1.水利部門

在水資源保護規(guī)劃編制規(guī)程（SL 613—2013）中，給出了生態(tài)基流和敏感生態(tài)需水的定義。 生態(tài)基流指為維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能，即防止河道斷流，避免河流水生生物群落遭受到無法恢復破壞的河道內最小流量；敏感生態(tài)需水指維持河湖生態(tài)敏感區(qū)正常生態(tài)功能的需水量及過程，在多沙河流，一般還要同時考慮輸沙水量。 在河湖生態(tài)需水計算規(guī)范（SL/Z 712—2014）中給出了基本生態(tài)環(huán)境需水量和目標生態(tài)環(huán)境需水量的定義。 基本生態(tài)環(huán)境需水量指維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)環(huán)境保護目標所對應的生態(tài)環(huán)境功能不喪失， 需要保留在河道內的最小水量，是河道內生態(tài)環(huán)境需水要求的下限值；目標生態(tài)環(huán)境需水量指維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)環(huán)境保護目標所對應的生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮，需要保留在河道內的水量，是河道外經濟社會消耗河湖水量的控制值。在水利部水資管〔2020〕67 號文件中， 河湖生態(tài)流量定義為維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，需要保留在河湖內符合水質要求的流量（水量、水位）及其過程。

2.能源部門

在生態(tài)流量計算規(guī)范（NB/T 35091—2016）中給出了生態(tài)流量和水生生態(tài)基流的定義。生態(tài)流量指滿足水電工程下游河段保護目標生態(tài)需水基本要求的流量及過程；水生生態(tài)基流指維持水電工程下游河段水生生物棲息地基本質量的最小流量。

3.生態(tài)環(huán)境部門

在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）（環(huán)評函〔2006〕4 號）中給出了河道生態(tài)用水量的定義。 河道生態(tài)用水量指維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量、維持河流水環(huán)境質量的最小稀釋凈化水量、河道內輸沙水量及河道蒸發(fā)需水量。

四、不同計算方法

根據(jù)不同的定義，生態(tài)流量或生態(tài)需水的計算方法超過200 種，大致可劃分為：水文學方法、水力學方法、水文-生物分析法、 生境模擬法以及綜合法等。

1.水文學方法

水文學方法又叫作“歷史流量法”（Historic Flow Methods），通過歷史流量資料來推導河流生態(tài)流量，是最簡單也最具代表性的方法。 由于河流生態(tài)系統(tǒng)長期適應流量變化，歷史流量中包含了體現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)在生態(tài)平衡狀態(tài)下運行的流量數(shù)據(jù)。 目前代表方法有Tennant 法[17]、Texas 法[18]、NGPRP 法[19]、7Q10 法[20]、最枯月平均流量法[21]、基本流量法[22]等。

2.水力學方法

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的功能與河道的水力參數(shù)（如濕周、流速、深度和寬度等）有一定的關系，可采用與生態(tài)功能相對應的水力參數(shù)來確定河流生態(tài)流量。 該方法的前提假設是選定的水力參數(shù)存在一個閾值，當流量變化時，如果不打破該閾值那么河流健康可以得到維持[23]，同時該方法還假定了河道物理形態(tài)基本不變，因而在某一斷面滿足一定流量時，下游同功能河道中的流量也可以滿足河道生態(tài)功能的流量要求[24]。目前，典型方法有濕周法[25]、R2-Cross 法[26]、生態(tài)水力半徑法[27]等。

3.水文- 生物分析法

從河流流量與生物量或種群變化關系直接入手, 判斷生物對河流流量的需求，以及流量變化對生物種群的影響，研究對象通常是魚、無脊椎動物（如昆蟲、甲殼綱動物、軟體動物等）和大型植物（高等植物）。 通常采用多變量回歸統(tǒng)計方法， 建立初始生物數(shù)據(jù)（如，物種生物量或多樣性）與環(huán)境條件（如，流量、流速、水深、化學、溫度）的關系[22]。代表方法有RCHARC 法[28]、Basque 法[29]、流 量-濕地樹種關系模型[30，31]等。

4.生境模擬法

在水力學方法的基礎上進一步發(fā)展而來，對自然生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)不需要預先假設，需要根據(jù)指示物種所需的水力條件確定河流流量，為水生生物提供適宜的物理環(huán)境， 定量化并基于生物原則的采用物理實驗模型的方法。 生境模擬法可定量化，且基于生物原則，被認為是較可信的評價方法。 以IFIM/PHABSIM 法應用最為廣泛，其他代表方法有CASIMIR 法、RCHARC 法、Basque 法等[32]。

5.綜合法

從生態(tài)系統(tǒng)的整體出發(fā)，綜合考慮流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關系，提出的河道流量能夠同時滿足生物保護、 棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護等功能。 該方法克服了水文-生物分析法和生境模擬法只針對1、2 種生物的缺點，強調河流是一個綜合生態(tài)系統(tǒng)。代表方法有南非的BBM 法[33]和澳大利亞的整體研究法[34]。

五、結 論

①生態(tài)流量概念的提出是人水和諧發(fā)展的必然產物。 隨著人類認識的深入和生態(tài)與環(huán)境變化，其概念在不斷變化， 并演化出以時段總水量（m3）和瞬時流量（m3/s）為表征的兩大概念體系，分別以生態(tài)需水量和河湖生態(tài)流量為代表。

②從概念演化過程看， 經過螺旋式上升發(fā)展，逐步向流量的本質屬性回歸。即生態(tài)流量不僅是一定數(shù)量和質量的河水，更重要的是循環(huán)流動的河水。

③生態(tài)流量的本質是維持生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)的結構與功能所需特定的河水流量，具有質與量統(tǒng)一性、可再生性與流動性、時空異質性、閾值性與適宜性等屬性。 對于湖泊一類的面狀水體而言，可以用生態(tài)水位來表征其生態(tài)流量。

④目前生態(tài)流量的概念并不十分清晰，不同行業(yè)部門給出不同的定義與計算方法，生態(tài)流量理論研究仍方興未艾。