下游河道對流量變化響應(yīng)法的研究理論及進展

侯 俊，張 越，敖燕輝，苗令占，吳 軍

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

環(huán)境流量維持了河流自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性，自20世紀70年代開始成為水資源領(lǐng)域的研究熱點[1]。圍繞其理論體系建設(shè)，專家學(xué)者提出環(huán)境流量、河道內(nèi)流量、生態(tài)流量等眾多概念[2-3]。2018年最新發(fā)布的布里斯班宣言中更新了對環(huán)境流量定義，即維持水生生態(tài)系統(tǒng)基本功能并用于支撐人類文化、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展與社會福祉所需的水量、時間和水質(zhì)[4]。當(dāng)前圍繞環(huán)境流量的研究在水文情勢評估、指標體系開發(fā)及水生生物保護方面都有可觀的成果，但相關(guān)方法的應(yīng)用仍依賴于方便快捷的水文學(xué)法或針對特定物種的物理棲息地法，對整體法的研究及應(yīng)用鮮有報道。

整體法起源于20世紀90年代并在北美、澳大利亞、南非等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展[5]。該類方法將河流視作一個綜合的環(huán)境，從生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)研究河道流量與河岸帶群落、水質(zhì)、泥沙、河床之間的關(guān)系，能夠全面評估流量變化對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。作為整體法中代表性方法，下游河道對流量變化響應(yīng)法(Downstream Response to Imposed Flow Transformation，DRIFT)可通過創(chuàng)建不同場景有效評估河流環(huán)境流量變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響。該方法憑借對河流生態(tài)系統(tǒng)全面評估的優(yōu)勢及場景創(chuàng)建模塊的創(chuàng)新在國外受到廣泛應(yīng)用[6-7]，對其相關(guān)理論體系及應(yīng)用方法的解析有助于推進其在中國環(huán)境流量評估和管理中的應(yīng)用。

1 環(huán)境流量研究進展

1.1 環(huán)境流量研究方法演變

目前環(huán)境流量評估方法可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法以及整體法。水文學(xué)法最早提出，憑借其計算簡單、成本較低等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。最初各國家因地制宜選擇年平均流量的不同比例作為環(huán)境流量[8-9]，在此基礎(chǔ)上專家學(xué)者耦合流量歷時曲線開發(fā)了Q95、Q90、7Q10等新一類水文學(xué)法[10]。然而，水文學(xué)法過于依賴水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于山區(qū)缺乏長期監(jiān)測的河段并不適用，在此背景下，專家學(xué)者提出水力學(xué)法將河道參數(shù)與流量變化相結(jié)合，有效解決水文數(shù)據(jù)不足的問題。常見的濕周法及R2Cross法在國內(nèi)外中小河流得到廣泛應(yīng)用，美國科羅拉多州水資源保護委員會應(yīng)用R2Cross法確定河流管理權(quán)限以保護當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境[11]，王煌等[12]應(yīng)用濕周法計算廣東省山區(qū)小水電站河段環(huán)境流量，為當(dāng)?shù)匦∷娬具\行調(diào)度提供科學(xué)方案。水文學(xué)及水力學(xué)法主要依照經(jīng)驗定性評估環(huán)境流量變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響，由于缺乏生態(tài)數(shù)據(jù)支撐，其評估結(jié)果的可靠性受到質(zhì)疑[13]。生境模擬法將流量變化與物種棲息地需求相聯(lián)系，有效提高了環(huán)境流量評估的精確性。侯俊等[14]結(jié)合MIKE水動力模型及HSI棲息地模型分析魚類棲息地與河段水流特性變化關(guān)系，確定淮河干流上游河段目標魚類適宜環(huán)境流量。

魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，是大部分棲息地模擬法優(yōu)先考慮的監(jiān)測物種，這也一定程度上造成生境模擬法的局限性。為有效分析各類環(huán)境因子與生物群落對河道流量變化的響應(yīng)關(guān)系，整體法開始在環(huán)境流量評估研究中得到開發(fā)與應(yīng)用。郝春灃[15]針對半干旱半濕潤地區(qū)河流水文-生態(tài)-社會耦合特性提出一種生態(tài)環(huán)境流量整體法，設(shè)定河道基流、生態(tài)需水、輸沙需水及景觀需水等目標并結(jié)合分布式水文模型共同確定渭河干流環(huán)境流量。整體法將生態(tài)系統(tǒng)視作一個整體對象，從水文、環(huán)境、物種、經(jīng)濟等多方面分析環(huán)境流量變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響。各類方法如BBM(Building block methodology)[16]、FSR(Flow stress or response method)[17]、DRIFT[18]在國外環(huán)境流量評估研究中起到重要作用。國內(nèi)學(xué)者對部分整體法的應(yīng)用方式及步驟做了細致講解及分析，丁偉等[19]詳細介紹了結(jié)構(gòu)單元法的框架步驟及應(yīng)用案例，彌補內(nèi)國內(nèi)環(huán)境流量評估方法的不足，但由于該類方法較復(fù)雜，同時需要多個領(lǐng)域?qū)＜液献?，目前在中國?yīng)用較少。

1.2 環(huán)境流量年度研究熱點及其躍遷

參考已有研究[20]，以中國知網(wǎng)(CNIK)數(shù)據(jù)庫提供的論文數(shù)據(jù)為檢索來源，以“環(huán)境流量”或“生態(tài)流量”為主題，選擇2000年至今的“北大核心”論文，對檢索結(jié)果逐條檢查并去除非專業(yè)性文獻后得到500篇環(huán)境流量相關(guān)的研究文獻。利用CiteSpace軟件進行數(shù)據(jù)處理得到2000年至今有關(guān)環(huán)境流量的年度研究熱點及關(guān)鍵詞突發(fā)性情況見圖1。2000年至今的環(huán)境流量研究以“生態(tài)流量”“環(huán)境流量”“生態(tài)調(diào)度”及“生態(tài)需水”為4項關(guān)鍵節(jié)點，圍繞4項熱點在水庫調(diào)度、生態(tài)基流、水電站及氣候變化等方面都有著深入研究。通過關(guān)鍵詞圖譜可得國內(nèi)環(huán)境流量研究仍以水文學(xué)法為主，圍繞該方法專家學(xué)者開發(fā)出各項指標體系用于建立流量與水生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系[21]，其中變化范圍法 (range of variability approach,RVA)可用于量化樞紐建設(shè)前后河道水文情勢變化情況，被廣泛應(yīng)用于評估河流水文改變度[22]。隨著國家水資源開發(fā)利用總體方針向保護生態(tài)環(huán)境方向發(fā)展[23]，各類環(huán)境流量計算方法從研究單一的水力參數(shù)或水文數(shù)據(jù)逐漸過渡到與生態(tài)監(jiān)測及物種調(diào)研結(jié)合，四大家魚作為重要的經(jīng)濟魚類，成為環(huán)境流量研究中出現(xiàn)頻率最高的物種[24]。

圖1 環(huán)境流量年度研究熱點及關(guān)鍵詞突發(fā)性情況

關(guān)鍵詞突發(fā)性監(jiān)測可以有效探索相關(guān)領(lǐng)域的階段性研究情況。參考夏軍院士對中國水資源利用與保護的時間階段劃分情況[25]，2010年前環(huán)境流量處于起步研究階段，專家學(xué)者廣泛應(yīng)用水文學(xué)及水力學(xué)等相關(guān)方法研究河流環(huán)境流量[26]，為中國相關(guān)領(lǐng)域研究積累了理論基礎(chǔ)。郭文獻等[27]采用曲率最大法對濕周法進行改進，有效提高了該方法在河道最小生態(tài)流量估算中的精度問題。2013年中國水資源開發(fā)與利用進入保護為主階段，在水生態(tài)文明建設(shè)的背景下，水電開發(fā)帶來的經(jīng)濟效益與損失的生態(tài)效益矛盾問題得到重視，各類環(huán)境流量研究方法被應(yīng)用于計算水庫下游生態(tài)需水并作為反映生態(tài)效益保障程度的標準。高超[28]建立魚類棲息地適宜度模型計算瀾滄江下游生態(tài)需水并作為生態(tài)效益指標，應(yīng)用改進遺傳算法設(shè)計瀾滄江下游梯級水庫生態(tài)調(diào)度方案，將環(huán)境流量計算方法與多目標及優(yōu)化調(diào)度模型相結(jié)合，為實現(xiàn)梯級水庫多目標調(diào)度提供科學(xué)參考。隨著生態(tài)文明建設(shè)進程加快，為有效平衡不同地區(qū)環(huán)境與經(jīng)濟的差異性，社會經(jīng)濟因素開始被融入到流域周邊城市生態(tài)環(huán)境保護實踐中。管新建等[29]應(yīng)用Tennant法計算白河流域生態(tài)流量，綜合考慮水資源、水生態(tài)及社會經(jīng)濟等多種因素計算該流域水資源價值并保障該地區(qū)河流基本生態(tài)需水。近年來，氣候變暖對水循環(huán)影響程度不斷加劇，賴敬明等[30]采用SWAT模型對傳統(tǒng)水文學(xué)法進行改進，細化環(huán)境流量評估標準，定量分析了氣候變化對環(huán)境流量的影響。整體持續(xù)年份上，水庫調(diào)度作為水電開發(fā)及河道內(nèi)補充環(huán)境流量的主要方式，其調(diào)度方式的研究跨越了水資源綜合利用(2000—2012年)及保護(2013年至今)階段，持續(xù)時間最長。

以Web of Science核心合集為數(shù)據(jù)來源，以“environmental flow” 與“ecological flow”為主題搜索2000年至今相關(guān)論文共471篇并繪制聚類模塊時間線分析圖。由圖2可得國外較早開始研究氣候變化對環(huán)境流量計算的影響。Gül等[31]應(yīng)用MIKE模型分析氣候變化對丹麥地區(qū)河流環(huán)境流量研究的影響，結(jié)合模型動態(tài)模擬提高了環(huán)境流量計算結(jié)果的適用性。#1 reservoir operation、#2 environmental flow、#3 aquatic ecology、#4 ecological flow、#5 economic values、#7 environmental flow requirements等分類表明各類環(huán)境流量的計算方法將不再單純用于河道環(huán)境需水量計算，而是作為生態(tài)效益的保障方式因地制宜融入到各類水庫調(diào)度及各類水環(huán)境保護研究中，這一階段由水文學(xué)法衍生的水文指標評價體系[32]，整體法涉及的多目標分析及耦合模型算法衍生的適應(yīng)性管理[33]及不確定性分析[34]受到廣泛應(yīng)用，其中墨累-達令流域作為澳大利亞規(guī)模最大的、唯一發(fā)育完整的水系，其河流生態(tài)系統(tǒng)健康變化受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[35]。隨著水生態(tài)系統(tǒng)理論的融入，各類環(huán)境流量的研究開始注重工程建設(shè)對水生生物的影響，棲息地模擬法應(yīng)用物理模型計算水生生物棲息地適宜度曲線，可因地制宜選擇不同指示物種計算當(dāng)?shù)睾恿鬟m宜環(huán)境流量，其中魚類憑借獨特的流量過程響應(yīng)機制被廣泛用作棲息地模擬法的目標物種，例如大西洋鮭魚作為北美、歐洲主要的經(jīng)濟魚類，是國外環(huán)境流量研究中主要的物種監(jiān)測對象[36]。在計算機技術(shù)支撐下，水力模型實現(xiàn)了對流域棲息地及水生態(tài)系統(tǒng)變化過程的動態(tài)模擬，考慮生態(tài)系統(tǒng)多項因素共同作用的環(huán)境流量整體法逐漸被開發(fā)應(yīng)用，提高了水利工程調(diào)度決策的科學(xué)性[37]。Shafroth等[38]應(yīng)用物理模型動態(tài)模擬水庫運行下美國西部比爾威廉姆斯河流量變化過程及對種群分布的動態(tài)影響，通過耦合模型計算當(dāng)?shù)剡m宜環(huán)境流量，為當(dāng)?shù)厮Y源管理部門設(shè)計流量管理方案提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖2 環(huán)境流量英文文獻聚類模塊的時間線圖分析

1.3 環(huán)境流量研究存在的主要問題

國外針對環(huán)境流量研究已從單一的水文學(xué)法過渡到多學(xué)科融合的整體法并逐步形成完整的環(huán)境流量評估方法體系。相比國外，中國在環(huán)境流量概念、計算方法以及規(guī)范指南等方面積累了一定的成果，但仍存在以下問題。

a)研究方法缺乏創(chuàng)新，監(jiān)測指標選擇單一。目前水文學(xué)法在中國的環(huán)境流量研究中仍占據(jù)主導(dǎo)位置[39]。盡管多項實踐研究對該方法進行完善與改進，但該類方法的應(yīng)用仍依賴于氣候穩(wěn)定假說[40]，由圖1可得21世紀以來人類活動對全球氣候的影響不斷加強，氣溫與降水成為河流水文情勢分析中不可忽略的要素，為環(huán)境流量的研究造成新的困難，依靠傳統(tǒng)水文學(xué)法對河道水文過程的評估與計算將難以適用于當(dāng)前背景下環(huán)境流量的研究[41]。另一方面，環(huán)境流量的評估與計算應(yīng)注重生態(tài)系統(tǒng)的整體性。盡管環(huán)境流量在工程調(diào)度及生態(tài)保護工作中逐漸受到重視，但在研究過程中仍存在物種選擇單一，水文因子考慮不全等問題。物種選擇方面大部分研究主要針對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟魚類或保護物種，忽略了不同物種的繁殖習(xí)性以及不同生命周期對環(huán)境流量需求不同等因素。水文因子評估方面，目前中國的相關(guān)研究往往注重單因子對水環(huán)境質(zhì)量的影響程度，流量、水質(zhì)、水文、水位等各因子間的相互作用以及與生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系有待進一步識別與量化。

b)生態(tài)因子耦合度低，社會效益考慮不周。傳統(tǒng)的環(huán)境流量評估方法應(yīng)用水文指標間接反映生態(tài)變化[42]，而后發(fā)展的生境模擬法也主要從單個物種或群落角度研究環(huán)境流量帶來的生態(tài)影響，忽略了生態(tài)系統(tǒng)的整體性。在原始數(shù)據(jù)、成本、技術(shù)的制約下，許多方法無法將河道地質(zhì)形態(tài)、水質(zhì)條件、生物關(guān)系等多方面外部因素作為環(huán)境流量計算的影響因素并分析各因子間的疊加效應(yīng)[43]。社會效益方面，新發(fā)布的布里斯班宣言將人類可持續(xù)發(fā)展與社會福祉融入到環(huán)境流量中，而當(dāng)前生態(tài)調(diào)度研究中對社會效益的考量主要集中在防洪與灌溉中[44]，對飲用水消耗及公共衛(wèi)生安全等涉及水資源開發(fā)利用的社會效益問題考慮不周。對比中外環(huán)境流量研究熱點情況可得當(dāng)前中國在環(huán)境流量評估理論體系建設(shè)及生態(tài)系統(tǒng)尺度應(yīng)用方面還存在一定差距。社會、物種、生態(tài)等各層次間的相互制約關(guān)系有待進一步關(guān)注與探討。

c)經(jīng)濟評估未考慮生態(tài)補償機制。環(huán)境流量的研究結(jié)果能用于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水利工程運行調(diào)度過程中產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會及生態(tài)環(huán)境效益的關(guān)系[45]。然而當(dāng)前水利工程運行調(diào)度對經(jīng)濟效益的評估主要停留在水力發(fā)電的量化，缺乏對生態(tài)資源直接消耗以及受影響區(qū)域補償成本的考量。為解決生態(tài)變化帶來的經(jīng)濟損失，專家學(xué)者提出生態(tài)補償?shù)母拍?，以?jīng)濟手段調(diào)節(jié)地區(qū)間的利益關(guān)系，促進補償活動以實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的保護及可持續(xù)利用。生態(tài)補償機制目前在國內(nèi)外都有相關(guān)應(yīng)用[46-47]，但大部分研究相對獨立且主要發(fā)生在環(huán)境惡化以后的階段。水生生態(tài)系統(tǒng)的保護應(yīng)當(dāng)堅持預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理的原則，然而目前環(huán)境流量的計算缺乏對于經(jīng)濟效益的全面評估及生態(tài)補償機制的耦合研究。如何在環(huán)境流量評估階段綜合量化各計算方案下的河流資源的使用價值，平衡各地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展條件是當(dāng)前中國環(huán)境流量研究領(lǐng)域的主要問題。

2 DRIFT法理論體系

2.1 DRIFT開發(fā)背景

1998年南非共和國議會頒布的《南非共和國水法》提出從生態(tài)系統(tǒng)角度對水資源進行管理與保護，推動了環(huán)境流量評估中整體法的開發(fā)與應(yīng)用[48]。整體法在澳大利亞及南非等國家應(yīng)用較為廣泛，常見的整體法中BBM最早被開發(fā)并用于河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估中[49]，該方法全面評估了河流生態(tài)系統(tǒng)中各項組成部分的健康狀況，但在應(yīng)用中無法分配各生態(tài)階段所需流量。FSR將流量變化情況作為反映水生生物受壓力的程度，將低流量變化情況分為0至10等級對應(yīng)各類物種承擔(dān)的生態(tài)壓力，以此計算區(qū)域內(nèi)適宜環(huán)境流量。然而該方法僅關(guān)注低流量水文過程，無法解析洪水、流量脈沖等高流量事件對水生生物的影響。董哲仁等[50]提出一種基于豐富生態(tài)資料的河流水環(huán)境評估整體法——水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系法，結(jié)合生態(tài)保護目標及人類需水綜合分析三峽水庫下游河段環(huán)境流量。各類整體法相比傳統(tǒng)水文學(xué)法能系統(tǒng)全面評估環(huán)境流量，但大部分研究關(guān)注流量變化對環(huán)境因子與生物群落的影響，不適用于經(jīng)濟評價。

為彌補以上缺陷，下游河道對流量變化響應(yīng)法DRIFT逐漸得到發(fā)展與應(yīng)用，該方法主要基于場景開發(fā)，將所有生物與非生物組成部分構(gòu)成整體的生態(tài)系統(tǒng)，從水文學(xué)、河流地貌學(xué)、沉積學(xué)、生物學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟資源學(xué)等多方面進行環(huán)境流量評估及水生態(tài)系統(tǒng)健康評價。DRIFT法可處理河流生態(tài)系統(tǒng)中的年內(nèi)及年際流量、生物群落及非生物因子變化情況，同時評估各類環(huán)境流量變化情景對河流資源及周邊居民的社會經(jīng)濟影響。各類設(shè)置場景的數(shù)據(jù)及資料都存儲在數(shù)據(jù)庫中并可用于創(chuàng)建多類場景滿足不同水資源開發(fā)利用方案的需求。DRIFT在南非、東南亞等發(fā)展中國家得到廣泛應(yīng)用[51-52]，同時其獨特的對流量變化場景開發(fā)功能可有效應(yīng)用于季節(jié)性河流的環(huán)境流量評估中[53]。

2.2 DRIFT模型模塊

DRIFT法包含4個模塊，分別為生物物理模塊、社會學(xué)模塊、場景開發(fā)模塊以及經(jīng)濟模塊(圖3)。生物物理模塊用于描述當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)與功能，分析各類生物物理指標隨流量變化的情況；社會學(xué)模塊用于識別研究范圍內(nèi)受流量變化影響的居民情況；場景開發(fā)模塊結(jié)合了一、二模塊內(nèi)容，開發(fā)了各類場景預(yù)測流量變化對生態(tài)環(huán)境及河岸居民的影響；經(jīng)濟模塊用于分析補償受影響居民所需要的成本。

圖3 DRIFT模塊組成

a)生物物理模塊。該模塊包含水文學(xué)、水力學(xué)、水化學(xué)、河流地貌、河岸植被、魚類等多學(xué)科因素，通過水動力模型提供河流水文過程，結(jié)合各項生物物理指標變化情況開發(fā)相應(yīng)的流量預(yù)測功能。該模塊下決策者需根據(jù)研究區(qū)域各斷面間生境因子與物種的差異性選擇代表性河段，按照低流量(枯水期低流量與雨季低流量)與高流量(小洪水與大洪水)劃定水文情勢，之后應(yīng)用水力模型模擬典型河道斷面在不同水文過程下的淹沒范圍、水位、流速等情況，以此為基礎(chǔ)開發(fā)生境預(yù)測功能并預(yù)測和量化流量變化對生境因子的影響。

b)社會學(xué)模塊。該模塊涉及社會學(xué)、人類學(xué)、公共衛(wèi)生學(xué)、動物學(xué)等多方面學(xué)科，建立河流與受流量變化影響的居民之間的關(guān)系，開發(fā)預(yù)測流量變化對當(dāng)?shù)鼐用裼绊懙墓δ?。建立該模塊首先需要劃定受目標河流影響的居民范圍，描述居民與河流間的關(guān)系，包括水資源開發(fā)利用程度、居民與河道的相對位置等信息。之后通過現(xiàn)場調(diào)查量化河流資源利用情況(如捕食魚類、飲用水消耗)并轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值。其次，該模塊從公共衛(wèi)生學(xué)角度分析研究區(qū)域潛在的衛(wèi)生安全問題并作為預(yù)測社會影響的必要參考。

c)場景開發(fā)模塊。該模塊包含生物物理成分與社會學(xué)成分，在生物物理成分方面根據(jù)決策者擬定的不同水資源開發(fā)利用方案在數(shù)據(jù)庫中編譯相應(yīng)場景，對每項場景模擬研究區(qū)域未來的流量變化過程，對比流量指標差異并用于評估流量變化對生境及物種的影響。在社會學(xué)成分方面，決策者可通過社會學(xué)模塊預(yù)測不同流量場景下居民可使用河流資源的增減以及當(dāng)?shù)匦l(wèi)生狀況的變化情況。健康風(fēng)險評估是對各場景下社會影響的描述，該類數(shù)據(jù)將作為經(jīng)濟模塊中生態(tài)補償計算的重要依據(jù)。

d)經(jīng)濟模塊。該模塊總經(jīng)濟價值包括使用價值與非使用價值，使用價值包含了可直接開發(fā)利用的環(huán)境資源以及潛在的生態(tài)系統(tǒng)功能。非使用價值包含為后代保留的價值以及環(huán)境信息價值。應(yīng)用DRIFT評估環(huán)境流量變化下的經(jīng)濟效益主要考慮對河流資源直接消耗且易于量化的使用價值，生態(tài)環(huán)境非使用價值需依靠公眾決策參與保護。決策者可利用經(jīng)濟模塊分析流量變化后對于受影響居民及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)及補償成本。

2.3 DRIFT應(yīng)用步驟

DRIFT應(yīng)用過程包含基礎(chǔ)設(shè)置、信息獲取及結(jié)果分析3個主要步驟。在基礎(chǔ)設(shè)置階段首先會根據(jù)實際工作需要挑選各學(xué)科專家組建研究團隊，按照流域范圍劃定工作邊界，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及實測數(shù)據(jù)資料沿縱向河岸帶劃分不同水文、地形、生物特征區(qū)域，選擇具有代表性的生物物理研究點及社會調(diào)查采樣點，確定不同研究點所代表的區(qū)域、生態(tài)條件及社會經(jīng)濟情況。在此基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用需求，綜合考慮社會、生態(tài)及經(jīng)濟效益開發(fā)不同場景來模擬未來可能發(fā)生的水文過程。

信息獲取階段主要是從生物物理及社會學(xué)兩方面對各項場景進行模擬預(yù)測，環(huán)境流量的評估首先需要結(jié)合水文站實測資料與水文模型模擬數(shù)據(jù)確定流量過程，根據(jù)研究時段建立時間序列，按照一定閾值劃分流量指標用于反映年際與年內(nèi)水循環(huán)變化情況。生物物理預(yù)測方面，由各學(xué)科專家選取對水文變化敏感的生態(tài)系統(tǒng)屬性(如棲息地面積、物種豐富度)作為指標，結(jié)合指標變化情況(如棲息地面積增減、物種豐富度升降)與水循環(huán)變化情況繪制生物物理響應(yīng)曲線見圖4。社會變化預(yù)測同生物物理預(yù)測類似，由相關(guān)領(lǐng)域團隊成員選擇社會性指標(如影響人類健康的水質(zhì)指標、影響漁民收入的魚類指標等)繪制社會響應(yīng)曲線用于評估河流水文變化對社會效益造成的影響。

圖4 生物物理響應(yīng)曲線

結(jié)果分析階段應(yīng)用DRIFT軟件匯總信息獲取階段各項數(shù)據(jù)，從不同學(xué)科、不同研究點、不同情景以及不同時間段4個角度對不同模擬結(jié)果進行對比分析，以魚類分析為例，魚類以藻類及底棲動物為食，同時各物種受到不同類型流量及環(huán)境因子影響，魚類豐富度會對河流周邊居民生存及經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響，根據(jù)各學(xué)科專家意見及現(xiàn)場調(diào)研情況，總結(jié)各項與魚類相關(guān)的物種、流量及生態(tài)系統(tǒng)成分并繪制鏈接圖(圖5)，各條連接線均通過DRIFT軟件繪制類似圖4的響應(yīng)曲線，通過軟件分析可獲得各條響應(yīng)曲線的最優(yōu)解，多項指標的響應(yīng)曲線進一步綜合即可結(jié)合評級表(表1)對生態(tài)系統(tǒng)整體狀態(tài)進行評價，進而總結(jié)不同情景下適宜環(huán)境流量以及對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。在此階段，經(jīng)濟學(xué)專家會對各方案下的經(jīng)濟成本進行對比，用于補充各場景下的經(jīng)濟效益信息。研究團隊匯總生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益分析結(jié)果，最終形成報告。

圖5 社會-物種-環(huán)境因子關(guān)系鏈接

表1 生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)評級

3 DRIFT法應(yīng)用案例

3.1 奧卡萬戈河流域水資源規(guī)劃

奧卡萬戈河是非洲南部第四長河流，起源于安哥拉，由西北向東南流進博茨瓦納北部喀拉哈里沙漠，形成巨大的內(nèi)陸三角洲，為當(dāng)?shù)貛韺氋F的生態(tài)環(huán)境資源。該河流開發(fā)程度較低，生態(tài)系統(tǒng)處于天然狀態(tài)，具有全球標志性的濕地及野生動物棲息地[54]。然而流域周邊城市經(jīng)濟落后，開發(fā)利用該流域水資源成為社會發(fā)展的重要途徑。在此背景下，流域周邊國家政府同全球環(huán)境基金會在2010年啟動了流域跨界診斷分析項目用于解決奧卡萬戈流域環(huán)境保護及可持續(xù)管理問題。該項目的核心是應(yīng)用下游河道對流量變化響應(yīng)法DRIFT完成流域內(nèi)環(huán)境流量評估工作。傳統(tǒng)環(huán)境流量評估工作在工程建設(shè)產(chǎn)生環(huán)境問題后進行，而該項目在目標河流處于天然狀態(tài)前提下，應(yīng)用DRIFT場景開發(fā)功能預(yù)測不同水資源開發(fā)利用程度對奧卡萬戈河產(chǎn)生的各類影響并設(shè)置相應(yīng)戰(zhàn)略發(fā)展方案解決預(yù)測問題，達到在保護河流生境前提下發(fā)展經(jīng)濟的目的。

奧卡萬戈河環(huán)境流量評估工作主要分為設(shè)定研究基礎(chǔ)、開發(fā)模擬場景、模擬場景流動機制、繪制指標響應(yīng)曲線、考慮氣候變化影響以及形成結(jié)果分析報告等6條主線任務(wù)。設(shè)定研究基礎(chǔ)階段包括成員國家派遣水文、社會、經(jīng)濟等多方面學(xué)科專家組成研究團隊，按照生物物理單元與社會單元將流域劃分為不同研究區(qū)域，按照當(dāng)?shù)匚锓N特性、社會屬性及水文過程選擇相應(yīng)指標。場景開發(fā)方面該項目選擇了四類場景，包含三類開發(fā)方案及現(xiàn)狀場景。各場景下流域上游集水區(qū)水文過程應(yīng)用降雨-徑流模型模擬，水文情勢通過年均徑流量，旱季開始時間、持續(xù)時長、最小5日流量，汛期類型、開始時間、持續(xù)時長、5日峰值流量、徑流量等9類指標評估；三角洲部分的水文過程應(yīng)用MIKE11水動力模型模擬，選擇各場景下形成的沼澤、淹沒區(qū)、干旱區(qū)等棲息地情況作為評價指標。

在生物物理變化預(yù)測上，DRIFT場景開發(fā)分析得出河流健康狀況隨水資源開發(fā)程度的提高而下降。流域下游三角洲區(qū)域主要依靠上游旱季流量維持結(jié)構(gòu)與功能，在高開發(fā)程度下旱季流量嚴重下降，影響三角洲區(qū)域河流健康狀況。河流生態(tài)評價等級受多因素影響，但整體隨年均流量占比的下降而下降，當(dāng)年徑流量下降至天然情況的70%時，生態(tài)系統(tǒng)將從C級到E級的大幅度惡化，該項指標也將作為制定水資源規(guī)劃方案的重要參考(圖6)。在社會經(jīng)濟變化預(yù)測方面，流域周邊居民生活收入以及河流對國民收入的直接經(jīng)濟貢獻隨著河流開發(fā)程度的降低出現(xiàn)明顯下降，該項結(jié)果為工程建設(shè)后對受影響居民的補償提供標準。

a)河流生態(tài)等級預(yù)測

3.2 贊比西河下游河流修復(fù)工作

贊比西河是非洲南部第一大河，河流發(fā)源于安哥拉東部高原，下游流經(jīng)莫桑比克并注入印度洋。贊比西河在未開發(fā)利用前養(yǎng)育了12 000 km2植被群落，是非洲南部最大的濕地系統(tǒng)，為眾多食草性動物提供棲息地。其次，贊比西河下游三角洲區(qū)域為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┴S富的魚類資源，推動發(fā)展?jié)O業(yè)、糖業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對莫桑比克的國民經(jīng)濟發(fā)展起到重要作用[56]。1959年卡里巴壩以及1974年卡奧拉巴薩大壩水電站在贊比西河中游及下游建設(shè)運行破壞了河流下游天然水文節(jié)律，加之下游防洪堤壩建設(shè)及多年國家內(nèi)戰(zhàn)消耗，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞[57]。2003年，贊比西河三角洲南岸被《拉姆薩爾公約》確定為國際重要濕地，政府開始規(guī)劃恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，權(quán)衡各方用水關(guān)系，確定恢復(fù)河流健康的環(huán)境流量是改善贊比西河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的重點工作。

該項目根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷不同流量類別受卡奧拉巴薩大壩建設(shè)的影響程度，選取旱季低流量、年均洪水以及5年一遇極端洪水作為三項重點水文過程類別用于環(huán)境流量評估。應(yīng)用已有專家學(xué)者開發(fā)的模型模擬贊比河下游不同水文過程情況[58]。根據(jù)政府機構(gòu)、環(huán)境保護組織及利益相關(guān)者意見選取15項指標作為環(huán)境流量評估標準(圖7)，各項指標將用于定量描述研究區(qū)域河流修復(fù)前的狀況、河流當(dāng)前狀況以及預(yù)期治理目標。各項指標評估信息匯總至DRIFT數(shù)據(jù)庫形成結(jié)果矩陣用于權(quán)衡各方用水者利益以及評估各流量調(diào)度方案對研究區(qū)域的影響。

圖7 環(huán)境流量評估指標

以年內(nèi)洪水為例，從環(huán)境流量大小、工程調(diào)度時間及流量釋放持續(xù)時間三方面設(shè)置18項場景(表2)，應(yīng)用DRIFT模擬各項場景并根據(jù)環(huán)境流量評估指標情況變化情況完成生態(tài)系統(tǒng)完整性評價，結(jié)果見圖8。研究表明，相比于恢復(fù)旱季低流量及5年一遇極端洪水，通過卡奧拉巴薩大壩調(diào)度恢復(fù)年內(nèi)洪水更有助于贊比西河下游生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。年內(nèi)小洪水強度對河道內(nèi)航運影響較小，能為魚類提供遷徙場所與刺激性產(chǎn)卵信號，為水棲動物創(chuàng)造新的覓食機會，調(diào)控洪泛區(qū)水位，提高河流生態(tài)系統(tǒng)自凈能力。研究結(jié)果為贊比西河下游生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供有效途徑，為中上游水利工程生態(tài)補償調(diào)度方案的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

表2 恢復(fù)年度洪水情景[59]

圖8 恢復(fù)年度洪水情景下生態(tài)系統(tǒng)完整性評價[59]

4 結(jié)論與展望

應(yīng)用下游河道對流量變化響應(yīng)法可以從社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益三方面對不同環(huán)境流量場景下區(qū)域發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行有效評估。目前中國對環(huán)境流量整體法有一定的嘗試應(yīng)用，但對于經(jīng)濟效益及生態(tài)補償研究的融合仍缺少實踐經(jīng)驗，因此DRIFT在中國具有較好的應(yīng)用前景。目前中國對于DRIFT法的應(yīng)用研究還存在以下問題：①對整體法理論分析及實踐應(yīng)用經(jīng)驗不足；②國內(nèi)河流眾多，部分河流缺少長時間序列水文數(shù)據(jù)及生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料；③缺少公眾參與度及多學(xué)科專家學(xué)者合作基礎(chǔ)。未來可從以下方面對該方法進行深入學(xué)習(xí)及改進：①根據(jù)不同研究區(qū)域及研究目的因地制宜選擇相應(yīng)評估指標，逐步積累經(jīng)驗形成適合中國各地區(qū)河流環(huán)境流量研究指南；②嘗試多類水文模型與DRIFT法進行耦合聯(lián)用，將降雨、氣候變化等多類環(huán)境因子融入環(huán)境流量評估中；③設(shè)置成果數(shù)據(jù)歸檔流程，及時更新檢測數(shù)據(jù)，提升流量評估準確性，共享各區(qū)域場景開發(fā)信息，逐步提高研究效率，降低成本。