河流生态环境需水量计算方法研究进展

覃龙华

（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 长沙市 410014）

随着社会经济的发展，人类对水资源的需求和开发不断增大，导致河流自身维持生态环境平衡的水量不足，引起了一系列的生态环境问题，尤其是水电站建设，使河流上下游天然水生态环境发生巨大改变，计算上游下泄的生态需水量对协调工程与下游生态环境的关系就至关重要。从国外20世纪40年代开始对河流生态进行研究到今天，许多种计算河流生态环境需水量的方法被提出，它们都有着各自的特点和不足之处。我国由于经济的高速发展和水资源开发中的不合理因素，对河流生态系统的干扰和破坏远超于其他自然资源相当的发达国家。下面主要介绍河流生态环境需水量研究发展过程和国内外主要计算方法，并对国内研究的发展作出总结与展望。

1 河流生态需水量研究的发展过程

生态环境需水量的研究最早是在国外开展的，最早出现的与生态环境需水量相似的概念是河道枯水流量的研究，世界水文术语里将枯水流量定义为：“在持续干旱的天气下河流中水流流量”[A1]。随后又出现了最小可接受流量的研究，其最小可接受流量除了满足航运功能外，还要有排水纳污的功能。由于人为因素对河流影响的加强，生态可接受范围的研究逐渐展开[2]。Gleick明确给出基本生态环境需水的概念，即提供一定质量和数量的水给天然生境，以求最小化地改变天然生态系统的过程，并保护物种多样性和生态整合性[3]。除此之外，还有诸如最小河流需水量、河流环境需水等概念。

在我国，河流生态环境需水量的研究还处于起步阶段，研究也大多停留在概念的提出或者定性分析上，缺乏定量评价的理论和方法，主要研究区域是水资源缺乏的黄河、海滦河流域。首个“生态环境用水”概念是汤成奇等人（1989年）在分析塔里木盆地水资源与绿洲建设问题时提出的，并得出外流河道生态需水量为水资源总量的40%。李丽娟与郑红星[4]在综合考虑河流系统生态环境需水的一般特性的基础上，将生态环境需水量定义为：维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须蓄存和消耗的最小水量。严登华[5]等人认为河流系统生态环境需水应该包括对水质和水量两个方面的要求，或者说是一定水质要求下的合理水量，根据河流系统的空间结构，又可分为维持河流物理构造需水、水面蒸发需水及洪泛地生态需水。

尽管河流生态需水的概念各有千秋，但笔者认为，河流生态需水应该是水体水量和水质的统一体：足够的水量是维持河流生态系统健康的必要条件，而合格的水质则是水体水量发挥起生态功能的保证。

2 国外生态需水量计算方法

2.1 历史流量法

（1）蒙大拿法。该方法可能是最常用的历史流量法，其解决的是水生生物、河流景观及娱乐与河流流量之间适应关系的问题。它将年平均流量的百分比作为基流，更适宜于以季节性为基础的需求。它具有宏观的定性指导意义，在美国维吉尼亚地区的河流中证实：10%的年平均流量是退化的或贫瘠的栖息地条件；20%的年平均流量提供了保护水生生物栖息地的适当标准；在小河流中，定义30%的年平均流量接近最佳生物栖息地标准[6]。

（2）流量历时曲线法。该方法利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，以某个保证率相应的流量作为河道内流量的需求。这种方法是建立在至少20年的日流量记录数据的基础之上，并且对每个月作一个推荐流量[7]。流量历时曲线法保留了仅采用水文资料的简单性，但它却更好地反映了径流年际、年内分布的不均匀性，因此，它比这个分类中的其他方法更精确，然而，还不能代表流域的全部情况[8]。

2.2 水力学方法

水力学方法是根据河道水力参数（如宽度、深度、流速和湿周等）确定河流所需流量，所需水力参数可以实测获得，也可以采用曼宁公式计算获得，代表方法有湿周法和R-2法等。

（1）R-2法。在计算河道流量推荐值时，由河流几何形态决定的水深、河宽、流速等因素必须加以考虑。具有两个标准：一是湿周率，二是保持一定比例栖息地类型所需的河流宽度、平均水深以及平均流速等。R-2法以曼宁公式为基础，由于必须对河流的断面进行实地调查，才能确定有关的参数，所以该方法比前两种方法较为难以应用。

（2）湿周法。该法的依据是基于以下假设：即保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。利用湿周作为栖息的质量指标来估算河道内流量值，通过在临界的栖息地区域（通常大部分是浅滩）现场搜集河道的几何尺寸和流量数据，并以临界的栖息地类型作为河流其余部分的栖息地指标。所得的流量会受到河道形状的影响，如三角形河道的湿周－流量曲线的增长变化点表现不明显，难以判别，而宽浅矩形渠道和抛物线型河道都具有明显的湿周－流量关系增长变化点，所以该法适用于这两种河道，同时要求河床形状稳定，否则没有稳定的湿周-流量关系曲线，也没有固定的增长变化点[9]。

与历史流量法相比，水力定额法包含了更多更为具体的河流信息。然而这类方法忽视了水流流速的变化，未能考虑河流中具体的物种或生命阶段的需求。同时，该类方法假定河道在时间尺度上是稳定的，并且所选择的横截面能够确切地表征整个河道的特征，而实际情况并非如此。

2.3 栖息地偏爱法

栖息地偏爱法需要对所研究的水文系列的特定水力条件及相关鱼类栖息地参数选择的认识与分析。栖息地偏爱方法主要有：

（1）ⅠFⅠM法。ⅠFⅠM法是广泛应用于河流生态环境需水量研究的方法。ⅠFⅠM最核心的组成是采用PHABSⅠM模型模拟流速变化与栖息地类型的关系，根据特殊物种栖息地和生活阶段的变化确定有利的河流生态条件 （如水深、流速和河流基质），通过水力特征和生物信息的结合分析，决定适合于一定流量的主要水生生物及栖息地。ⅠFⅠM法很复杂，要求投入相当多的时间、资金和专门技术。在一般情况下，该法要求输入的定量生态信息是缺乏的，所以有人主张在大多数情况下限制其使用[10]。传统的ⅠFⅠM法将其重点放在一些河流生物物种的保护上，而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统的需求，由此计算出的推荐流量值并不符合整个河流的管理要求[11]。

（2）CASⅠMⅠR法。该法是基于现场数据—流量在空间和时间上的变化，通过建立模型，估算主要水生生物的数量、规模，并可模拟水电站的经济损失。

栖息地定额方法与历史流量法或水力定额法相比具有更大的灵活性，它有可能考虑全年中许多物种及其不同生命阶段所利用栖息地的变化，从而选择能提供这种栖息地的流量。不过，这意味着需要对水生态系统有足够的了解和清晰的管理目标，以便解决不同物种或不同生命阶段在栖息地需求上的矛盾。栖息地定额方法特别适合于“比较权衡”，可以将栖息地的变化与资源的社会经济效益相比较。栖息地流量关系可以用来评估不同的流量管理目标，并成为选择适当流量的信息基础。

2.4 地形结构法

King和他的同事们开发并发展起来利用地形结构估算河流生态环境需水量的方法称为地形结构法，该法的核心内容是将河流流量体系划分为三类：枯水流量、新增水量、洪水量，每一部分都具有其特定的生态价值。通过这种方法，一是可以根据河流地形来定量计算集水区的生态需水量，二是通过对河流系统地形特征的分析可以计算它所涉及区域的流域生态需水量。目前该法在南非得到了应用[12]。

3 国内生态需水量计算方法

国内对河流生态需水量大多是从流域生态功能的各方面来分项计算，计算方法主要有：

（1）稀释净化需水量。该法是基于假定计算出某一个断面环境需水之后，其下游同一功能的河道流量一般总能满足河道环境功能流量的思想，建立起来的一种段首控制法，这种估算环境需水量的方法显然对上下游河流污染程度的差异性没有给予足够重视。另一种计算方法是参考7Q10法，结合我国的具体情况，采用近10年最小月平均流量或90%保证率最小月平均流量作为设计值的最小月平均流量法。

（2）输沙需水量。目前，我国在输沙需水量方面的计算方法较缺乏深入研究，现有的计算大都基于对河流输沙的宏观认识。普遍使用的方法是最大月输沙法和均衡输沙计算法，该计算方法是基于利用汛期洪水量和含沙量完成输沙要求而建立起来一种计算方法，将多年平均最大月含沙量的倒数作为单位泥沙输送所需水量，具体计算公式如下：

式中 WS——输沙需水量（亿m3）；

St——多年平均输沙量（亿8t）；

Cij——第i年j月的月平均含沙量（kg/m3）；

n——统计年数。

该计算方法简易可行，但是对泥沙淤积问题没有涉及，无法计算出河道本身有淤积情况的输沙需水量。

而均衡输沙法则是考虑了河道挟沙水流与河床发生泥沙交换的状态，利用多年河道含沙量以及冲淤量数据得出输沙需水量，具体计算公式如下：

式中 WS——输沙需水量（亿m3/t）；

Wup——某时段 （汛期和非汛期）河段上游来水量（亿m3）；

Mup——河段上游在对应时段来沙量（亿t）；

D——河段在对应时段冲淤量（亿t），冲为负，淤为正。该法能较好反映河流输沙之实际，也易与计算，其中河道对应时段的冲淤量D的确定至关重要[13]。

（3）水面蒸发生态需水量。为维持河流系统正常生态功能，当水面蒸发大于降水时，必须从流域河道水面系统以外接纳的水体来弥补，把这部分水量称为水面蒸发生态需水量。当降水量大于蒸发量时，就认为蒸发生态需水量为零。根据水面面积、降水量、水面蒸发量，可以求得相应各月的蒸发生态需水量。其计算公式为：

式中 WE——水面蒸发生态需水量；

A——各月平均水面面积；

E——各月平均蒸发量；

P——各月平均降水量[14]。

（4）入海最小流量。河口区域要保证足够的水量维持河口的水盐、水沙等平衡,防止海水入侵和河口淤积，保持海岸线动态平衡。此外，保持河口区鱼类及其他生物生存也需要一定的水量。然而，入海需水量的确定相当复杂，有人建议用含盐量指标变化作为计算依据，有人建议用温度指标变化作为计算依据，还有人建议用饵料质量指标变化作为计算依据等[14]。但是,到目前也没有一种比较公认的方法或标准。

4 总结及研究展望

到目前为止，对于生态环境需水量的分类和计算方法研究仍然没有形成统一的体系，而现有的很多计算方法也有其局限性。我国河流生态环境需水研究刚刚开始，对国外研究方法借鉴很少，大多数研究都是从水文数据、水质数据出发进行研究，偏重于宏观尺度，其它方法尚没有在国内得到应用。为此，考虑到我国实际情况，水文学法、BBM法、功能设定法当前最适合于我国河流研究，可以推广应用。栖息地偏爱法由于实测条件的限制，目前尚不能被广泛应用，但作为一个基于水生生物的研究方法，值得进一步研究，并在条件成熟时推广应用。水力学方法虽不能成为我国河流生态环境需水研究的主要方法，但作为其他方法的补充也具有一定价值。

今后应当从生态环境需水量理论到原理方法进行进一步探索。这包括不同生态类型的生态环境需水特征；基于生态过程的不同类型生态环境需水的量化模型；不同类型生态类型生态环境需水量的耦合关系；水文循环的生态控制机理以及生态系统健康评价的理论和方法等等。

1 SmakthinVU.Lowflowhydrology:areview[J].JournalofHydrology, 2001 ,(240 ):147 -186 .

2 GeoffreyE.Waterallocationtoprotectriverecosystems[J].Regulated rivers:research£management,1996 ,1 (12 ):353 -365 .

3 PeterHGleick.WaterinCrisis:Pathstosustainablewateruse[J]. EcologicalApplications,1998 ,8 (3 ):571 -579 .

4 李丽娟，郑红星.海滦河流域河流系统生态环境需水量计算[J].地理学报，2000 ，55 (4 ):496 -500 .

5 严登华，何岩等.东辽河流域河流系统生态需水研究[J].水土保持学报，2001 ,15 (1 ):46 -49 .

6 OrthDJ,LeonardpM.Comparisonofdischargemethodsandhabitat optimizationforrecommendinginstreamflowstoprotectfishhabitat[J]. RegulatedRiver,1988 ,(5 ):129 -138 .

7 LoarJM,MichaelJS.Analysisofenvironmentalissuesrelatedto small-scalehydroelectricdevelopment[M].OakRidge:OakRidge NationalPress,1981 .123 -128 .

8 RichardsonBA.Evaluationofinstreamflowmethodologiesforfresh waterfishinnewsouthWales[A].Ⅰn:CampbellⅠC.StreamProtection,the ManagementofRiversforⅠnstreamUses [C].Maryland：American FisheriesSociety,1986 .143 -147 .

9 UbertiniⅠ,ManciolaP,CasadeiS.Evaluationoftheminimuminstream flowoftheTiberriverbasin[J].EnvironmentalQualityinWatersheds, 1996 ,41 (2 ):125 -136 .

10 OrthDH,MaughanOE.Evaluationoftheincrementalmethodology forrecommendinginstreamflowsforfishes[J].TransAmFishSoc,1982 , 111 (4 ):413 -445 .

11 王西琴，刘昌明，杨志峰.生态及环境需水量研究进展与前瞻[J].水科学进展，2002 ，13 (4 ):507 -514 .

12 KingJ,LouwD.ⅠnstreamflowassessmentsforregulatedriverinSouth AfricausingtheBuildingBlockMethodology[J].AquaticEcosystem Health£Management,1998 ,1 (2 ):109 -124 .

13 刘小勇，李天宏，赵业安,等.黄河下游输沙水量研究[J].应用基础与工程科学学报，2002 ，10 (3 ):253 -262 .

14 朱晓原，张学成.黄河水资源变化研究[M].郑州:黄河水利出版社，1999 .