生態(tài)流量的科學(xué)內(nèi)涵

董哲仁，張 晶，趙進(jìn)勇

（中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

一、生態(tài)流量定義

生態(tài)流量（Ecological Flow）的研究20 世紀(jì)70 年代始于美國。 為執(zhí)行《清潔水法》，也為了滿足大壩建設(shè)高潮中生態(tài)流量評(píng)估的需求，政府管理部門開始生態(tài)基流的研究和實(shí)踐，確定河道中最小流量，以維持一些特定物種如魚類生存和漁業(yè)生產(chǎn)。 此后，發(fā)達(dá)國家為應(yīng)對(duì)人類大規(guī)?；顒?dòng)改變自然水文情勢引起水生態(tài)系統(tǒng)退化的挑戰(zhàn)，開展了多方面的研究和實(shí)踐。 這里所說的改變自然水文情勢的人類大規(guī)?；顒?dòng)有以下幾種：①從河流、湖泊、水庫大規(guī)模取水或調(diào)水；②水庫蓄水；③通過水庫實(shí)施人工徑流調(diào)節(jié)。 科學(xué)家們認(rèn)為，為保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)，有必要在人類開發(fā)水資源的背景下，確定維持河湖生態(tài)健康的基本水文條件。

20 世紀(jì)80 年代， 歐盟及澳大利亞、南非等國家陸續(xù)開始了相關(guān)研究和實(shí)踐。 為將生態(tài)流量納入第二輪歐盟流域管理規(guī)劃，在《歐盟水框架指令》共同實(shí)施戰(zhàn)略框架下，于2015 年制定了《歐盟水框架指令》共同實(shí)施戰(zhàn)略第31 號(hào)指導(dǎo)文件。 文件回顧了環(huán)境流量的概念和主要定義， 提出《歐盟水框架指令》中“生態(tài)流量”的定義是：為實(shí)現(xiàn)《歐盟水框架指令》第4（1）條所述環(huán)境目標(biāo)下的自然地表水體的水文情勢。 其中，第4（1）條所述環(huán)境目標(biāo)指：①現(xiàn)狀不退化；②實(shí)現(xiàn)自然地表水體良好生態(tài)狀況；③保護(hù)區(qū)內(nèi)遵守其保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)。

生態(tài)流量是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，現(xiàn)存生態(tài)流量定義有多種，本文給出生態(tài)流量的定義是：為了部分恢復(fù)自然水文情勢的特征，以維持河湖生態(tài)系統(tǒng)某種程度的健康狀態(tài)并能為人類提供賴以生存的水生態(tài)服務(wù)所需要的流量和流量過程。

環(huán)境流量（Environmental Flow）是與生態(tài)流量類似的概念，不過比后者涉及的因素更為寬泛。 在多種環(huán)境流量的定義中，受水文情勢變化影響的因素除了河湖生態(tài)系統(tǒng)以外，還涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水、景觀美學(xué)價(jià)值、文化特征等多種因素。 生態(tài)流量則集中關(guān)注水文情勢變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)特別是對(duì)于生物的影響，更加突顯水文情勢的生態(tài)學(xué)意義。 歐盟國家多采用生態(tài)流量概念，而美國、澳大利亞等國較多采用環(huán)境流量概念。 一般來說，實(shí)施生態(tài)流量管理的流域或地區(qū)是水資源相對(duì)匱乏、人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水與水生態(tài)系統(tǒng)需水呈現(xiàn)競爭態(tài)勢的流域或地區(qū)。

二、生態(tài)流量理論要點(diǎn)

綜合分析生態(tài)流量理論幾十年發(fā)展歷程，要點(diǎn)可以歸納如下：

1.水文情勢是維系河湖生態(tài)健康的關(guān)鍵因素

水文過程是河湖生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力。 水文情勢的重大改變，引起水位、流速、水溫等水力學(xué)因子變化，會(huì)直接影響魚類和無脊椎動(dòng)物的生存和繁殖， 也會(huì)增加生物入侵的風(fēng)險(xiǎn)。水文情勢重大改變會(huì)導(dǎo)致棲息地?cái)?shù)量、質(zhì)量和時(shí)空分布的變化，還會(huì)直接影響河漫灘植物的構(gòu)成和蓋度。 可見在生境各項(xiàng)要素中，水文情勢是關(guān)鍵要素。 用生態(tài)流量控制改變水文情勢的人類活動(dòng)（取水、蓄水、徑流調(diào)節(jié)）是流域管理的有效舉措。

2.生態(tài)流量不僅規(guī)定最低流量，而且規(guī)定流量過程

早期生態(tài)流量只規(guī)定枯水期最低流量， 近十余年的研究和實(shí)踐表明，生態(tài)流量不僅要規(guī)定枯水期最低流量，而且應(yīng)規(guī)定流量過程，包含流量、頻率、時(shí)機(jī)、持續(xù)時(shí)間和變化率，只有考慮流量過程才能保證生態(tài)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.把自然水文情勢定義為生態(tài)流量的參照系統(tǒng)

自然水流范式（Nature Flow Paradigm, NFP）認(rèn)為，未被大規(guī)模干擾的自然水流對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)整體性和支持土著物種多樣性具有關(guān)鍵意義。 在生態(tài)流量理論中，把自然水文情勢作為參照系統(tǒng)，即定義自然水文情勢為水文理想狀態(tài)。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可將人類大規(guī)模開發(fā)利用水資源或進(jìn)行水庫徑流調(diào)節(jié)之前的水文情勢作為自然水文情勢，在長序列水文監(jiān)測數(shù)據(jù)中經(jīng)評(píng)估確定。 如果缺乏長序列水文數(shù)據(jù)，可以依靠歷史文獻(xiàn)分析和專家經(jīng)驗(yàn)確定。

4.評(píng)估當(dāng)前水文情勢與自然水文情勢的偏離程度

采用合適的數(shù)學(xué)方法評(píng)估當(dāng)前水文情勢與自然水文情勢的偏離程度，借以評(píng)估人類活動(dòng)的水文脅迫程度，為制定生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

水文情勢可以進(jìn)一步細(xì)分為5種水文因子，即流量、頻率、時(shí)機(jī)、延續(xù)時(shí)間和過程變化率。 這些因子的組合不但表示流量，也可以描述整個(gè)水文過程。 自20 世紀(jì)90 年代起，國外學(xué)者先后提出了多種自然水文情勢的量化指標(biāo)體系，其中具有代表性的是美國Richter 和Mathews 等提出的5 類33 個(gè)水文變化指標(biāo)（Indicators of Hydrological Alteration,IHA）。 為評(píng)估偏離程度，國外學(xué)者還研究了若干評(píng)估當(dāng)前各項(xiàng)水文指標(biāo)與自然水文情勢的偏離率的計(jì)算方法，如RVA、HMA 法。

5.建立水文情勢改變- 生態(tài)響應(yīng)關(guān)系

為了回答“欲達(dá)到預(yù)期的生態(tài)目標(biāo)，需要恢復(fù)什么樣的水文情勢？ ”這個(gè)核心問題，需要建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)定量關(guān)系， 這也是近十余年生態(tài)流量研究的方向。通過調(diào)查、監(jiān)測獲得大量數(shù)據(jù)， 用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和大數(shù)據(jù)分析，建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系， 依靠這種關(guān)系識(shí)別水文情勢改變的生態(tài)響應(yīng)。 所謂生態(tài)響應(yīng)包括生物響應(yīng)和棲息地?cái)?shù)量、 質(zhì)量以及時(shí)空格局變化。 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步論證保證達(dá)到預(yù)期生態(tài)目標(biāo)的生態(tài)流量。

歐盟水框架指令（WFD）作為歐盟立法， 要求成員國水體在2015 年綜合指標(biāo)（水文、地貌、物理化學(xué)和生物）達(dá)到良好等級(jí)。 歐盟水框架指令共同實(shí)施戰(zhàn)略指導(dǎo)文件要求成員國為達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，必須制定相應(yīng)的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)。 其步驟包括建立自然水文情勢參照系統(tǒng)；評(píng)估當(dāng)前水文情勢與參照系統(tǒng)的偏離程度；建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系； 通過監(jiān)測分析，評(píng)估規(guī)定的生態(tài)流量能否支持達(dá)到預(yù)定的綜合指標(biāo)。

6.實(shí)施生物、水文、水質(zhì)和地貌的綜合監(jiān)測

生態(tài)流量的制定和實(shí)施必須有大量數(shù)據(jù)支持，因此建立水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)施生態(tài)流量管理的基礎(chǔ)工作。 水生態(tài)的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)是綜合的，包括生物、水文、水質(zhì)和地貌。

7.基于適應(yīng)性管理，將生態(tài)流量評(píng)價(jià)作為水資源管理工具

生態(tài)流量是一個(gè)科學(xué)概念，更是一個(gè)管理工具，需要在水資源綜合配置時(shí)，通盤考慮人類社會(huì)與維持生態(tài)健康的需求。 生態(tài)流量評(píng)價(jià)結(jié)果需考慮生活、生產(chǎn)、生態(tài)多種用途，由利益相關(guān)方共同論證、取得共識(shí)。 由于涉及多方利益，公眾參與尤為重要。 同時(shí)，生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)不宜絕對(duì)化，這是由于自然河流的生態(tài)系統(tǒng)和人類的認(rèn)知均存在不確定性， 特別是對(duì)水文-生態(tài)響應(yīng)規(guī)律的認(rèn)知尚不完善，即使是經(jīng)過論證的生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)在實(shí)踐中基于適應(yīng)性管理技術(shù)，根據(jù)水文、生態(tài)持續(xù)監(jiān)測結(jié)果，不斷進(jìn)行調(diào)整和修正。

三、生態(tài)流量計(jì)算方法比較

迄今為止國際上有200 多種生態(tài)流量計(jì)算方法， 主要為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法以及整體分析法這4 類。 常用的生態(tài)流量計(jì)算方法見表1。 目前這些方法仍在世界各地使用，我國引進(jìn)了這些計(jì)算方法并在諸多生態(tài)流量相關(guān)的導(dǎo)則與指南中引用， 如水資源保護(hù)規(guī)劃編制規(guī)程（SL 613—2013）、 河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃導(dǎo)則（SL 709—2015）等均有相關(guān)內(nèi)容，這些方法在實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和需求有所選擇地進(jìn)行使用。

四、生態(tài)流量計(jì)算案例

1.水文學(xué)法計(jì)算案例

以沙河 （白龜山水庫-昭平臺(tái)水庫段）為例，根據(jù)河段所處流域及氣候條件、Tennant 法相關(guān)要求， 以當(dāng)?shù)氐难雌诤头茄雌谶M(jìn)行時(shí)段劃分，其汛期為6—9 月， 非汛期為1—5 月和10—12 月，其中汛期采用多年平均流量的20%、非汛期采用多年平均流量的10%作為確定保護(hù)魚類、 野生動(dòng)物、娛樂和有關(guān)環(huán)境資源的最小生態(tài)流量。 計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 常用的生態(tài)流量計(jì)算方法

2.水力學(xué)計(jì)算案例

濕周法是根據(jù)河道斷面濕周與斷面流量之間的關(guān)系，建立濕周—流量關(guān)系曲線，以曲線上的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量作為河道最小生態(tài)流量，通常選取曲線中斜率為1 曲率最大處的流量作為河道生態(tài)需水量。

以大寧河流域某支流為例，選取研究河段上、中、下游3 處典型斷面（見圖1），利用實(shí)測斷面數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算濕周和流量。 根據(jù)謝才公式和曼寧公式，流量計(jì)算公式如下：

式中，Q為流量 （m3/s），A為過水面積（m2），p為濕周（m），J為水力坡度（比降），n為糙率。

各斷面通過濕周法計(jì)算的生態(tài)流量分別為2.5 m3/s、1.7 m3/s、3.1 m3/s，因此選取最大值3.1 m3/s 作為該河段的生態(tài)流量。 同時(shí)，還計(jì)算了3 處斷面的水力半徑、流速等指標(biāo)，見表3。

表2 汛期與非汛期生態(tài)流量

圖1 典型斷面位置圖

表3 研究河段典型斷面計(jì)算結(jié)果匯總表

3.生境模擬法計(jì)算案例

應(yīng)用River2D 模型中的魚類棲息地計(jì)算模塊， 基于IFIM 法中PHABSIM 模型的加權(quán)有效面積方法， 以赤水河為例，確定生態(tài)流量。 River2D 模型 （Two Dimensional Depth Averaged Model of River Hydrodynamics and Fish Habitat）由加拿大阿爾伯特大學(xué)2002年研發(fā)，可以模擬天然河道中河流水動(dòng)力條件和魚類生境，廣泛應(yīng)用于河道治理、污染物遷移和魚類棲息地評(píng)價(jià)。赤水河是長江上游目前唯一未被開發(fā)的一級(jí)支流，水質(zhì)良好，受人類活動(dòng)干擾較小， 是長江上游特有魚類及多種水生生物的重要棲息地或產(chǎn)卵場。 選擇赤水河下游兩個(gè)典型河段開展研究，其中蜿蜒河段長度為5 625 m、順直微彎河段長度為1 583 m。以長江流域特有魚類巖原鯉為指示物種，構(gòu)建巖原鯉成魚流速、水深和河道指數(shù)的適宜性曲線， 采用River2D 生態(tài)水力學(xué)模型，計(jì)算有效棲息地面積（WUA），并建立有效棲息地面積與河流流量的關(guān)系曲線，確定巖原鯉的適宜流量，作為確定生態(tài)流量的參考依據(jù)。

（1）適宜性曲線構(gòu)建

巖原鯉（Procypris rabaudi,Tchang）為長江中上游流域特有物種，被《中國瀕危動(dòng)物紅皮書》 列為易危物種，并被列為國家二級(jí)珍稀魚類保護(hù)品種。 魚類對(duì)于棲息河段流速、水深、河道指數(shù)等因子具有其適應(yīng)性范圍，可用適宜性曲線表征。 基于文獻(xiàn)調(diào)查的結(jié)果，巖原鯉成魚的流速、水深和河道指數(shù)的適宜性曲線見圖3。

（2）流量條件確定

選取枯水期、平水期、豐水期和洪水期四個(gè)時(shí)期的不同水文頻率條件進(jìn)行棲息地適宜性評(píng)價(jià)。 不同水文條件下研究河段流量見表4。

圖3 巖原鯉成魚適宜性曲線

圖4 流量-有效棲息地面積比例曲線

表4 不同水文條件下流量情況

（3）有效棲息地面積（WUA）計(jì)算

根據(jù)目標(biāo)魚類對(duì)于各微生境因子的適宜性曲線得到每個(gè)單元各影響因子適宜性值，然后將其組合得到每個(gè)單元的組合適宜性值，最后計(jì)算研究河段的有效棲息地面積。 其中：

式中，WUA是研究河段有效棲息地面積；CSF（Vi，Ci，Di）是每個(gè)單元的組合適宜性值。其中：i是劃分的單元個(gè)數(shù)；D是水深適宜性指數(shù)、V是流速性適宜指數(shù)、C是河道指數(shù)適宜性指數(shù)（包括基質(zhì)和覆蓋物）；Ai是每個(gè)單元的水平面積。

結(jié)合River2D 模型對(duì)各流量下有效棲息地面積的模擬結(jié)果， 計(jì)算各流量下三種模擬河段有效棲息地面積、總棲息地面積及有效棲息地面積比例， 并建立流量—有效棲息地面積比例的相關(guān)曲線見圖4。

由圖4 可知， 順直微彎河段加權(quán)可利用棲息地面積先增加后減小，在平水期內(nèi)流量Q=306.9 m3/s 時(shí)最大，所占總面積比例為11.67%；蜿蜒河段加權(quán)可利用棲息地面積呈現(xiàn)雙峰形式， 在豐水期內(nèi)Q=540.4 m3/s 達(dá)到最大值后降低，并在2 年一遇洪水流量（P=50%）Q=3 260 m3/s 有所提高，隨后降低，最大加權(quán)可利用棲息地面積占總面積比例為10.40%。兩個(gè)河段比較可知， 順直微彎河段在豐水期和洪水期難以為巖原鯉提供有效的棲息空間，2 年一遇洪水情況下（Q=3 260 m3/s）有效棲息地面積比例降至0.92%，5 年一遇洪水（Q=5 040 m3/s）有效棲息地面積比例僅為0.07%。因此，確定順直微彎河段生態(tài)流量為306.9 m3/s，蜿蜒河段生態(tài)流量為540.4 m3/s。

五、結(jié) 語

回顧生態(tài)流量幾十年研究進(jìn)展表明， 生態(tài)流量概念是不斷發(fā)展的，以自然水文情勢為基礎(chǔ)的生態(tài)流量對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和生態(tài)完整性至關(guān)重要。 因此，需要建立水文情勢改變-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系， 評(píng)估水文變化與其他生態(tài)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，獲得水文變化對(duì)生態(tài)影響的閾值，從而確定生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)。 這是生態(tài)流量理論發(fā)展的方向。 另外，從管理需求出發(fā)，生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)不宜絕對(duì)化、僵化、一成不變， 對(duì)于任何一條特定河流，不存在“唯一的”“正確的”生態(tài)流量方案，在使用中需運(yùn)用適應(yīng)性管理理念持續(xù)修正；同時(shí)，雖然水文情勢變化是生態(tài)響應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)因素， 但是河流生態(tài)狀況是許多因素影響的結(jié)果，需要采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)，把水文改變的影響與其他環(huán)境壓力區(qū)分開來。