构建河流生态流量监测系统的思考

陈 昂 ，温静雅 ，王鹏远 ，吴 淼

（1.中国水利水电科学研究院水电可持续发展研究中心，100038，北京；2.环境保护部环境工程评估中心，100012，北京；3.中国长江三峡集团有限公司，100038，北京；4.河海大学水文水资源学院，210098，南京）

一、国内外河流生态流量监测实践

河流筑坝较大程度影响了坝下河段水生态系统，大坝阻隔作用对鱼类洄游造成一定威胁，筑坝后下泄一定的生态流量可保障下游生态用水需求，通过模拟或下泄天然流量过程，保护下游水生态系统维持在稳定状态，逐渐恢复河流生态系统健康。下泄生态流量的确定原则和保障措施一直是水库工程建设项目环境影响评价研究中的热点问题，生态流量监测是实践管理过程中的难点问题。过去30年，全球许多国家开展了生态流量研究与实践，如Richter提出恢复河流生态需要一定的流量与泄放过程，Arthington提出通过建立关键水文过程的生态响应关系确定生态流量。为保障生态流量泄放，许多国家都制订了生态流量监测管理规范并开展长期监测，不断调整优化流量泄放过程，确定不同流量的生态效应，实现经济效益与生态效益的统筹发展。

生态流量监测需要政府主管部门、企业、科研院所和公众的共同参与，建立生态流量长效监管机制，保障生态流量泄放与监测，为“三条红线”实施和水资源分配提供决策依据。目前，生态流量监测方面的理论成果相对较少，作为河流生态保护与修复的关键指标，生态流量监测设计不能脱离整个河流生态系统监测体系，一般作为整个系统的一项监测指标。国内外河流生态系统监测机制主要有三种：①长效监测，通过长期开展流域生态系统监测，分析流域生态要素长期变化趋势，评估宏观尺度的生态系统变化，如流域土地利用变化的水文响应；②运行调度监测，通过监测生态系统目标用水需求及满足程度，分析工程运行效果，评估中观尺度的生态系统变化，如湿地补水量、航运水位需求是否满足；③生态调度监测，通过监测针对具体生态目标的生态调度过程及响应，分析生态目标关键影响因素及影响过程，评估微观尺度的生态系统变化，如针对“四大家鱼”产卵繁殖的生态调度试验。河流生态系统的宏观尺度变化涉及多种影响因素的相互作用，如土地利用变化、气候变化、人类活动影响等，因此分析识别宏观尺度流量变化的生态系统响应存在一定困难，一般为中观或微观时空尺度、针对特定目标的河流生态流量监测。

生态流量监测系统研究相对较少，生态流量监测方案评估存在不足，监测效果评估、生态效益核算存在一定困难，除栖息地质量、栖息地有效性等指标外，其他可操作性的评价指标较少，多以水生生物完成关键生活史过程的流量需求、维持河流连通性或栖息地生产力的最小流量需求等指标为主。我国在生态流量监测管理方面以《关于加强水电建设环境保护工作的通知》（环发〔2005〕13 号）为起点，在《关于印发水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会会议纪要的函》（环办函〔2006〕11号）中提出了生态流量监控系统的技术措施和建议，后续又发布了《关于进一步加强水电建设环境保护工作的通知》（环办 〔2012〕4 号）和《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》（环发 〔2014〕65 号），明确提出需确定蓄水期及运行期生态流量泄放设施及保障措施；实践方面对不同流量的生态响应监测还处于起步阶段，仅在一些大型工程开展了探索研究，如长江三峡水利枢纽工程开展的以刺激“四大家鱼”和中华鲟产卵繁殖为目标的生态调度，黄河小浪底水利枢纽工程开展的以泥沙输送为目标的调水调沙试验，虽然案例探索取得一定成效，但全国层面、流域层面的生态流量管理与监测，还存在很多亟待改进的地方。尽管有学者提出了基于流量变化对生物影响的评估框架，重点评估栖息地质量变化，但对于政府主管部门的宏观管理和企业的落实运行，需要更直观、有效的监测评估框架。

生态流量监测实践受多方面因素影响，如监测站点的选择、河流生态系统模型的概化。生态流量监测目标可以分为两个层次：一是保障生态流量泄放的基本目标，落实生态流量泄放措施与监测生态流量泄放过程；二是优化生态流量泄放过程的改进目标，监测日常运行调度与生态调度的生态响应，可为优化监测方案、改进管理决策提供支撑。为保障筑坝河流生态流量，澳大利亚墨累—达令河流域实施了生态流量监测，涵盖了流域内27条主要河流，但其系统设计存在三个难点：一是关键水生生物和生态系统功能用水需求不断增加，同时许多地区的基础资料相对匮乏增加了决策难度；二是统筹考虑社会、经济和生态用水需求，未能满足全部生态目标需求；三是很难在短期内实现生态流量泄放的生态效益，需要开展运行调度的长期监测，并通过生态调度监测不断优化泄流过程，才能实现社会、经济和生态系统协调发展。

为推进落实我国生态流量保障措施与监测体系，亟须完善河流生态流量监测，并对建立河流生态水文响应关系提出了更高的数据要求，通过梳理分析国内外相关文献和实践成果，本文提出了关于构建河流生态流量监测系统的几点建议，为生态流量监测系统构建、生态流量宏观决策与管理提供依据。

二、明确合理监测目标

生态流量监测目标的确定是整个监测系统运行的基础，可为确定不同层级准则和监测计划提供依据，包括设计监测方案，制定监测计划，选择监测指标、方法和手段，改进监测方案等。生态流量监测目标主要有两类：第一类是恢复生态流量组分，由于筑坝后的水文节律发生变化，通过恢复受影响的关键流量组分可逐步恢复生态流量，如通过恢复洪水过程修复漫滩湿地，避免河岸带生态系统退化；通过恢复涨水过程刺激鱼类产卵，恢复鱼类生物多样性和栖息地生产力。第二类是保护生态流量组分，对由于取用水、引调水等造成河流流量减小、生态退化，河流水文节律没有受到明显影响的情况，需要通过维持生态流量组分完整性保障河流生态系统健康。宏观尺度的顶层设计决定了各准则层的具体指标框架和生态系统特征，生态流量监测目标确定后，应以目标为指导，分别确定不同层级准则，建立各层级评价指标及具体含义，通过自下而上各准则层基本指标的量化为目标提供评估依据，例如：确定了河流—河岸带生态系统恢复目标后，便可建立维持或恢复河岸带湿地生态系统健康的具体指标，如淹没时间。

监测目标的确定涉及对社会、生态等多个系统的潜在影响，为保障监测系统运行，目标制定时需要利益相关方共同讨论，才能优化各层级设置和分级指标。同时，应结合河流生态系统概念模型描述其动态变化，建立不同监测要素的生态系统响应关系，科学合理确定监测目标。

三、制定具体监测计划

生态流量监测计划是监测系统正常运行的基础，分长期方案和短期方案两部分。长期方案是生态流量监测系统运行的长期目标，直接推动实施长效监测与运行调度监测；短期方案一般时间较短，推动生态调度监测实施，用于确定特定生态目标流量需求，通过短期方案目标实现，改善生态调度监测指标和短期方案监测计划，优化长效监测与运行调度监测指标。

制定监测计划时需参照河流生态系统及监测目标需求，设计监测计划的层次结构，同时选择不同层级的量化指标。有效的监测计划设计一般应充分收集河流生态系统资料信息，建立各准则层的确定依据，选取适宜量化指标作为准则层评估依据，分阶段、分层次完成监测，同时充分考虑潜在影响及其相互作用。其中，McDonald-Madden等设计的SMART模型（Specific,Measurable,Attainable,Relevant,and Time-bound）改进了监测方案设计，提高了管理评估效果，建立生态系统SMART模型后，可以确定维持生态系统特定状态的流量需求，如通过栖息地法或其他方法建立流量组分与生态保护目标的关系。但SMART模型实践需要确定生态响应目标变化范围，也面临一些困难，生态系统要素间的复杂作用影响了对目标变化范围的预测精度，需要开展适应性监测解决评估中的困难。

监测站点选择时，应选择资料序列较好的站点，由于气候变化、人类活动等影响，天然流量过程不宜作为监测计划的恢复目标，一般将特定历史时期的流量状态作为恢复目标，一方面历史监测数据可为描述特定时期河流生态系统提供依据，同时长序列的数据也可用于分析时空变异程度。缺乏历史数据将影响生态水文响应系统的确定，流量恢复过程非线性特征也增加了制定监测计划的难度，有效的监测计划应达到流量恢复或保护的目的，不应对河流生态系统造成进一步破坏。澳大利亚已开展了一些无脊椎动物评估计划，如AUSRIVAS，RivPACs，通过识别河流生态系统临界指标阈值，用生产力模型或贝叶斯模型预测指标变化，避免流量增加或减小到临界值。

同时，为提高生态水文响应关系确定依据，应在指标响应时间内设计影响前—后监测计划，分别监测生态调度前后数据，避免其他因素对监测指标造成影响，监测时间和频率等在一定程度上由调度目标决定。在刺激鱼类产卵繁殖的调度监测计划方面，应在产卵期内设计足够的监测次数。King等人为评估墨累河流量变化对鱼类产卵和补充群体的影响，设计了为期6个月的监测计划，每两周监测一次，并在鱼类产卵期后4个月时间内监测其补充群体。对于鱼类种群丰度监测，一般有3个关键时期：①生态调度后1～2周，鱼类种群短期内不会受到其他影响，同时可等效地评价湿地状况；②生态调度后6周，对比1～2周的区别，反映了鱼类的短期响应；③产卵期末，对比1～2周的区别，反映了产卵期的响应。由于生态系统自身的复杂性，预测特定流量的生态响应存在一定误差，只能通过积累管理经验改善未来预测精度，需要开展生态流量适应性管理。

四、选取适宜量化指标

指标选取时应结合监测计划不同准则层需求，以河流生态系统概念模型为基础，识别关键生态影响，选择具体可量化的指标。河流生态系统概念模型可为监测目标确定及适宜指标选取提供理论框架，是解释生态系统复杂作用过程的有效手段，可用于分析生态系统状态和过程，定量描述生态目标对流量的响应程度，如量化鱼类栖息地状态—压力—响应模型（Pressure-State-Response,PSR）。分层选择指标时需确定关键指标，如可以选择多种指标描述维持或恢复生物多样性、功能多样性，但在SMART模型应用时需选择关键指标。

生态流量监测系统有效指标是研究的难点，研究表明生态流量组分和鱼类生长之间存在一定关系，一般情况下，如果监测计划的各层评价指标不合适，不仅难以改善流量目标，甚至会出现河流生态系统退化的情况。但目前描述生态水文关系的有效指标较少，适宜量化指标选取有7个主要原则：①科学分析生态系统功能；②选取有效历史数据；③遵从系统性原则，选取可预测的指标；④监测过程可具体量化，具有明确的统计属性；⑤可操作性和普适性，不需要过多的专业知识；⑥目标相关性，与现有管理目标相关，可以确定阈值；⑦具有特定社会、经济、文化或保护价值。

五、设计有效监测手段

监测结果有效性受监测误差、数据精度及时效性等影响，一般主要是监测手段引起的，包括监测误差和方法误差。监测误差是由于无法观测整个生态系统所有变量，以部分替代总体的方式设计监测样本，导致监测结果存在误差，无法准确描述系统真实状态，监测误差可通过加密监测解决。方法误差主要是没有标准化监测方法引起的误差，生物监测受多种因素影响，底质、流速、水深、透明度和流量等参数都会影响生物种群变化。为降低方法误差的影响，应建立监测系统标准化监测方法，通过标准化监测方法和数据采集技术，降低监测系统的误差。

生态调度监测设计时，需建立生态目标与河流生态系统概念模型的对应关系，通过分析目标层级和指标的关系，建立生态水文响应关系。监测河流生态系统功能变化，可提高管理措施有效性的预测精度。目前，大多数生态流量监测主要关注效益，如电站发电效益损失、下游生态效益评估等，但从促进河流生态修复的角度，重点是以建立和改善生态水文响应关系为目标，监测河流生态系统功能。除了监测生态调度是否达到目标，即是否达到了预期生态效应之外，监测过程还关注调度措施发生和不同层级指标的响应机制，凝练未来生态响应改善的有效信息。监测应重点关注关键时期的指标，同时考虑管理需求、监测目标及其指标的响应时间，如水质变化的响应时间较短，而鱼类种群变化的响应时间相对较长。生态目标寿命长短及生活史特征是生物群落监测时应考虑的重要因素，寿命短、补充群体大的物种一般生态响应较快，相比于寿命长的物种更适合短期监测。Robinson等人指出，大型底栖生物多样性组成对常规洪水过程的响应可能会延续几年，随着物种组成变化栖息地不断调整，生物多样性上升。考虑适当的响应时间，如果对目标了解较少，确定合理监测时间将会比较困难。

六、优化监测管理措施

生态流量监测系统的核心是生态流量的适应性管理（Adaptive Management,AM），根据收集管理确定的生态目标信息，监测生态系统对生态调度等干预措施的响应，结合管理需求设计信息反馈渠道与适应性管理措施，可在一定程度上保障生态响应准确性、提升措施有效性。墨累—达令河流域的适应性管理成效显著，决策者通过合作实施、监测和评估生态流量，比较有效地干预监测案例包括防止生物膜积累的泄流试验、刺激鱼类产卵的脉冲试验和维持水鸟繁殖的补水试验。

适应性管理可用于政府主管部门决策，为促进不同部门协调管理、责任划分、提高信息透明度和决策效率提供技术支撑。通过适应性管理可加强对河流生态系统动态响应机制的理解，可提高预测精度，整个监测系统管理过程允许重新评估管理效果并改进，为适应可能出现的影响（如一场洪水事件）提出改进措施，当突发事件发生时，也可以通过动态监测识别生态系统响应，适当调整流量实现预期目标。

七、结 论

在河流生态系统已出现明显退化的情况下，通过建立生态流量监测系统保护和修复河流生态系统健康是相对有效的手段，生态流量适应性管理和有效性评估是未来研究与实践的重点，由于不断改进优化的监测目标与需求，需要不断细化生态流量监测体系，基于文献综述与生态流量监测实践总结，本文提出了建立生态流量监测计划的必要性及建议，结合河流生态系统概念模型制定生态流量监测计划与具体设计原则，有利于识别不同量级流量变化的生态系统响应，完善生态流量监测系统。

未来，应在建立自动测报和远程传输系统的基础上，建立一套标准的生态流量数据标准，保证所有监测计划都可用同一种数据格式，包括总体监测目标、生态用水类型和特征、目标系统自然状况和监测变量等内容。生态流量数据应由一个独立机构统一管理，如借鉴墨累—达令河流域管理经验建立流域综合管理机构，并提供一定的数据服务。同时，以生态流量监测结果及河流生态系统保护目标的用水需求为决策依据，调整优化工程生态流量泄放过程，并将泄放过程纳入电网调度与水资源配置的统筹考虑中，结合绿色水电认证等措施优化监测系统运行成本。

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