生态流量方法应用现状研究

李 强,王俏俏,陈红丽,秦艳丽,张明芳,刘世荣

1 西北农林科技大学林学院,杨凌 712100 2 电子科技大学资源与环境学院,成都 611731 3 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所,北京 100091

随着社会经济的发展,人们对自然资源的开发和利用逐渐增强,流域生态问题愈发显著,水资源利用成为了限制流域可持续和高质量发展的关键因素[1-4]。为了减缓流域生态问题,实现流域的高质量发展,国外的研究学者在19世纪提出了“生态流量”、“环境流量”、“生态需水”和“生态基流”等一系列概念,后于20世纪70年代引入我国,用以解决水资源矛盾,缓解用水压力,维持工农业用水和生态需水量之间的平衡[2,5]。生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能,需要保留在河湖内符合水质要求的流量(水量、水位)及其过程[6]。如何在水资源刚性需求的巨大压力下,保证流域的生态用水,在改善用水需求和控制节水的同时满足社会经济需水,使流域更好地发挥生态作用是现今流域管理面临的难题。当前,国内外专家学者使用不同的研究方法确定河流生态流量,但系统性地归纳总结研究较少,导致在流域管理中,生态流量的适用性考虑不够,不利于河流生态流量确定和水资源的高效利用。本研究将系统地归纳总结各方法的优缺点,并针对其适用性对研究方法进行评述和现状分析,促进生态流量在国内流域管理领域的研究,对国家流域生态管理和水资源的健康可持续发展具有重要现实意义。

1 生态流量的评估方法

目前,国内外确定河流生态流量的方法共有200多种[7],主要分为水文学方法、水力学方法、生物栖息地法以及整体分析法四类。由于不同河流水文过程和生态需水的复杂性,计算方法的适用性及优缺点各不相同(表1),代表方法众多(表2)。最初兴起的方法是水文学法,生态流量设定较为简单,依靠特定物种或水文指标计算,但并未全面考虑河流自然特征,因此水力学法用来弥补水文学法的不足,逐渐得到应用。而随着生态保护理念的发展,传统水文指标或河流自然特征已无法满足水生生物多样性的需求,研究者逐步探索生物栖息地法和整体分析法的应用。随着生态流量评估方法的不断发展,实际应用于流域时所需数据量不断增加,计算更加复杂,对特定物种的针对性和生态系统的整体性越来越强,评估结果的准确性也逐步提高,管理目标也更易实现。

表1 生态流量评估方法Table 1 The assessment methods of ecological flow

表2 生态流量评估代表方法Table 2 Representative methods of ecological flow assessment

水文学方法又称快速评价法或标准设定法,是应用最为广泛的一种方法,代表方法众多(表2)。该方法根据自然河流的特征开发,不在特定物种的水平上运行,以河流历史水文数据为基础进行数据分析,根据水文指标确定河道生态流量,并提供旨在保护河流生物完整性的整体流量水平。其中Tennant法[14]因为应用简单在国内外应用较广,但其推荐生态流量较为宽泛,因此需要结合河流的实际情况进行计算修订。例如,李计生等使用结合中位数法和众数法改进的Tennant法,在祁连山讨赖河流域将一般用水期和用水高峰期的生态流量划分为7个等级进行评价,确定了更科学合理的生态流量[15]。但该法尚未考虑时间尺度的流量变化,而流量历时曲线(Flow Duration Curve,FDC)法可构建逐月月均流量和年均流量序列,并划分为丰、平、枯水年,能较好地体现流量年内及年际的空间移植性和时间变异性,避免了极端流量事件和年内分配不均的影响[19]。以上两种方法应用广泛,但未考虑人类活动对水文要素及河流流量的干扰。因此,Richter等提出了水文指标法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)[22]和变化范围分析法(Range of Variability Approach,RVA)[25],用以量化人类活动干扰前后河流流量的变化。不同于以上方法,NGPRP(Northern Great Plains Resource Program)法更多地考虑了气候对流量的影响。苏恒等和宋增芳等分别在西江大湟江口河段和黑河干流采用多种水文方法计算生态流量,结果均表明应用NGPRP法计算最为准确,验证了在气候变化情况下NGPRP法对于我国南方季节性河流的适用性较好[48-49]。

水力学法是基于河流的一些水力参数和几何参数来描述简单的幂函数,并将水力变量的变化描述为流量的函数,量化河道内生态流量的一类方法。湿周法以河道断面的湿周长为评价指标,在计算时多概化实际河道断面,王明净等在云南海口河流域研究发现矩形概化法得到的河道内生态流量结果偏差最低[50];夏威等利用这一特性在广州三水区评估河流不同断面所需的生态流量,推进了城市河网生态流量保障工作[51]。而R2-cross 法则更多侧重于具体物种或生命阶段,例如李洋等在雅砻江锦屏大河湾流域应用R2-cross 法研究了汛期能够保护铜鱼产卵场的生态流量[52];此外,郭新春等根据西南地区山区小型河流梯级水电站实际情况,对R2-cross法的水力参数标准进行一定修正,提高了山区小型河流生态流量计算的准确性[53]。

生境模拟法也称为栖息地法,从生物生态环境状况和生物适宜栖息地特征入手,利用数值模拟方法建立生物栖息地面积与流量的响应关系,计算河流生态流量。代表方法有河流流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology,IFIM)、PHABSIM(Physical Habitat Simulation System)模型、统计栖息地模型和生物能模型等。IFIM应用多是为保障鱼类的生存繁殖,如周华彬等应用该方法构建四大家鱼在珠江流域西江中上游的产卵场适宜性曲线,保障四大家鱼自然繁殖的生态流量[54];邵甜等则以齐口裂腹鱼为主要保护对象在大渡河流域应用IFIM建立生境适应性曲线,研究了流量变化与鱼类产卵场栖息地生境指标的响应关系[55]。PHABSIM模型更侧重于物理栖息地模拟,其性能在岷江上游流域得到验证,吉小盼等应用3种不同方法探讨重口裂腹鱼产卵期生境需水量,对比表明PHABSIM模型的结果最优[56];魏卿等运用PHABSIM模型模拟鳜鱼产卵期的栖息地流量,并分析流域环境变化对鱼类栖息地的影响,为淮河流域鱼类繁殖期的生态流量提供参考[57]。

整体分析法是从生态系统整体出发,并利用专家的经验来弥补生态资料的缺失,调节河流流量使其能够同时满足栖息地稳定、物种连续、泥沙沉积、水质平衡及水域景观等功能。代表方法有模块构建法(Building Block Methodology,BBM)[43]、DRIFT法(Downstream Response to Imposed Flow Transformations)[44]和水文变化的生态限度方法(Ecological Limits of Hydrologic Alteration,ELOHA)[45]等。不同学者针对玉龙喀什河流域的水利工程应用BBM法计算鱼类产卵敏感期的需水,为水库运营提供了生态借鉴和数据支撑[58-59]。在南非奥利凡茨河流域,DRIFT法用于提供河流生态系统的不同流量情景,并阐明了不同流量情景产生的后果,供研究者在研究时间和经费限制、历史数据缺乏以及水资源开发的各要素权衡的情况下保证河流生态系统的稳定[60]。基于流域变化与生物之间的关系,研究者在美国南加州圣地亚哥河流域应用ELOHA评估了未来土地利用变化对流域水生生物的影响,并利用流量-生态关系将流域区域划分为不同的流量管理类别,为子流域或流域规模的未来规划决策提供信息[61]。DRIFT法和ELOHA法在国内鲜少应用,主要由于这两种方法基于情景或理论框架,需要结合河流相关数据、专家经验等内容进行模拟,在国内流域水系纵横交错的情况下可操作性不高。

除以上四种方法,一些学者针对不同的水文情况提出了许多新的研究方法,并将水量调节、生态服务、水质等因素纳入生态流量的评估。1)在水量调节方面,生态水力半径法(Adapted Ecological Hydraulic Radius Approach,AEHRA)适用于生态和水文数据有限的河流,在不需要任何流态的情况下能综合考虑河流参数和水生生态系统的信息,并且能反映月生态流量和月河道内生态水位的季节变化[62]。而可变区间分析法(Variable Interval Analysis Method,VIAM)则综合考虑了时空尺度变化、水文条件变化、生态服务对象变化、计算方法变化等多种可变因素,能够快速适应实际应用中的流量需求变化,为管理者提供可视化的决策支持[63]。在考虑生态系统与农业灌溉季节性用水冲突的情况下,学者们提出了一种基于贝叶斯网络的环境流量决策方法,根据决策者可接受的经济损失确定河流最佳生态流量[64-65]。2)在生态服务方面,Cheng等则将系统经济服务功能和生态服务功能的总经济价值纳入河流生态基流决策框架,通过量化河流系统经济服务功能和生态服务功能的经济价值变化,在经济和生态服务功能达到最大时,确定该流量为河流生态流量[66]。Yan等建立了面向生态流量的水资源配置与模拟框架E-WAS,模拟流域的生态补水过程,提供优化补水方案[67]。3)在水质方面,基于河流生态系统中水生生物群生存所需的水量和水质,Zhao等提出了一种实用的流量调节和污染控制方法,可以动态调控河流流量和控制污染物排放,有助于河流管理和生态系统修复[68]。Pang等使用水质建模法(Water Quality Modelling Approach,WQMA)计算渭河流域的生态流量,综合考虑了满足水质需求的自净流量和现有水生生物栖息地的流量需求[69]。以及吕宝阔使用水动力-水质耦合模型,综合分析水文要素和水环境两方面内容,模拟计算了辽河流域中下游平原区干流河道的生态流量[70]。4)在整体分析方面,国内学者针对北方河流生态流量确定的难点构建了河流生态流量嵌套计算框架,在系统分析河流水文情势和生态保护目标的基础上,识别河段存在的水生态问题,综合考虑生态完整性、生物多样性、形态多样性和生态服务功能;国外为了满足高度发展变化区域的生态流量需求,研究者开发了加州环境流量框架,这是一种在高度修改的系统中确定生态流量需求的方法,可为多样化的物理景观和广泛的管理环境中制定生态流量建议提供指导[71]。然而,上述方法均需耗费大量的人力或物力且各自适用条件不同。为了简化生态流量的计算方法,Gleeson和Richter提出保障地下水对月基流的90%可作为环境流量的新标准[72],Graaf等以此在全球进行量化,发现生态流量是限制地下水开采量的主要因素[73]。

2 中国流域的生态流量及其评估现状

近年来,我国水环境持续向好,但仍存在一些水生态问题。以目前研究较多的流域为例,黄河流域的流量总体呈下降趋势,上游流量主要受到气候变化的影响,中游为气候、植被恢复和农业灌溉等综合作用,下游流量除了人为用水还受到泥沙淤积等影响,生态失衡一直是黄河流域亟待解决的问题[74-76]。全流域用水结构中农业用水总量远大于生态用水,流域水资源开发利用率远超一般流域40%的生态警戒线,梯级水库的调控对生态流量变化的影响较大,使下游河流生态系统受到严重威胁[75,77-78]。长江流域地域广阔,不同水系水文特征差异明显,全流域各级河流水资源开发利用率差异较大,上游地区存在工程性缺水问题,中下游地区围湖造田、水利工程建设等削弱了湖泊的蓄调能力,导致部分河流属性和自然水文过程发生改变,水生生境片段化严重,河湖连通性下降,且长江流域物种丰富,生态敏感区流量要求复杂多变,水生生物多样性保护困难,生态流量目标难以准确设定[79-81]。珠江流域水资源丰富,但近年正处于长时序列的枯水期,生态流量保障不足,早期的水电工程未考虑水生生物的生态需求,导致河流原生生境破碎化加剧,水文节律发生明显改变,流域内部分水域水污染问题突出,低流量下水质自净能力不足,导致水生生境萎缩,生物多样性下降[82-84],流域内生态流量的目标制定尚不明确,地貌特征及水文地质条件则导致河道内生态流量的确定更加困难。辽河流域水资源短缺,但长期开发利用程度远超40%警戒线,水污染严重,且河道持续断流,干流水生态环境严重退化,生态流量保障不足[45,85-86]。松花江流域水系复杂,河湖众多,随着流域水资源开发强度逐步提高,区域水资源供需矛盾加剧,大量水利工程使得流域水生生境连通性下降,导致鱼类生境萎缩,水生生物多样性显著下降,生态退化明显,生态流量难以确定[87-89]。淮河流域水资源短缺但开发利用程度高,经济社会发展占用河流生态用水,在缺水季节或年份严重时会引起河道断流。加之尚未建立流域层面生态流量统一调度的制度,生态流量调度难度大,且尚未构建完整的生态流量监测、预警和考核体系,需进一步加强生态用水保障,提高生态流量保证程度[90-92]。海河流域河湖修复保护工作有序推进,但流域仍存在河道断流,水体污染,湿地萎缩,生物多样性减少等情况,敏感生态需水达标率低于40%,生态流量满足度较差[93-95]。

当前国内生态流量研究随着方法复杂程度的增加应用越来越少(图1)。在四大类方法中,水文学法在国内的应用次数远超其他三种方法,为了保证使用此类方法评估生态流量的准确性,研究者在具体应用时会同时使用多种水文学法进行生态流量评估,再对结果进行对比分析,推荐适宜的生态流量;另一部分则是在原有水文方法的基础上进行改进和优化,使其更符合实际的河流情况。流域的生态流量评估多针对流域内部分河流或河段,全流域评估较少。水生态系统的生态流量需求还停留在某单一物种或某一类物种的评估,评估结果只能作为水生态系统保护的宏观参考。现有的生态流量研究与流域水生态保护管理的目标仍存在一定差距,根据国内生态流量的评估现状,有如下建议:1)在未有统一河湖保障管理措施和受人类活动影响较小的自然流域采用水文学法或水力学法评估生态流量。这类流域多为小型河流,流域面积小,河流流量主要受气候影响,因此应用以河流历史水文数据为基础的水文学法或以河流自然特征为基础的水力学法就可以满足其生态流量需求。2)对于受人类影响较大的流域,则需综合考虑人类活动对流域的影响。在修建梯级水库和水利水电工程的流域,河流流量受水库调节,多会出现生境片段化问题,可根据具体需求选择生态流量评估方法。以保护濒危物种为目标的流域,可选择生境模拟法,通过建立水生生物和流量之间的响应关系保障生态流量;要实现全流域生态调度,保障水生生态系统稳定,可以选择整体分析法综合考虑生态用水、工农用水和气候条件等因素。3)在已经制定河湖管理措施或生态流量保障机制的流域,专家意见可为流域生态流量评估提供参考,这类流域通常情况复杂,水生态问题亟待解决,建立模型能更好地拟合流域的实际情况,为流域生态环境保护和生态流量评估提供决策。

图1 国内各生态流量研究方法文献数量Fig.1 The number of domestic ecological flow research methods literature 数据来源于中国知网中文总库。采用高级检索功能,主题为“生态流量”、“环境流量”和“生态需水”等,篇关摘为各种方法,再将检索出的文献数量进行整合

根据国内现有河湖保障措施及流域生态流量管理提出以下建议:①根据流域的来水量和用水需求,合理制定生态流量目标。构建流域生态功能保护体系,推进以合理水量保护和修复流域生态空间功能,强化流域水量管理。②落实流域内水利水电工程,合理调度保障生态流量。推进生态优先的流域水量分配方案执行和优化调整,适应新形势水资源变化及流域资源保护要求。③增强流域内生态流量监测管理,强化流域水资源统一调度。落实资源与生态保护硬约束要求,对流域水资源进行动态调整和管理监督,坚决遏制流域超指标、超计划用水和生态破坏事件。④推动流域制度法规建设,为水量调度提供制度保障。制定流域生态保护法规政策,推动流域生态补偿制度,强化流域内水量调度工作的系统性、整体性协同[6,77,81,96]。

3 结论与展望

目前,四种生态流量研究方法中最简单的水文学法广泛应用于全国大部分流域,而复杂的生境模拟法和整体分析法在国内应用较少。随着生态流量研究的深入,学者们的关注点逐渐从河流生态流量确定发展为流域内生物生存需求,再耦合生态流量和社会用水需求,最终实现生态流量调度目标。

传统的生态流量研究大多围绕河流的历史水文数据、河流自然参数和生态调查进行,以水文序列的稳态性作为研究基础。但目前全球环境变化加剧,极端天气频发,水文序列非稳态性突显,气候及水文条件的变化会对河流水生态系统带来极大影响[97-98]。传统通过单一水文序列的河流生态流量研究可能因为气候环境变化而在实际应用中出现较大误差,已不适用于当前国内的水环境现状。河流原有的生态流量需求,应在环境变化的基础上重新认识和评估。未来的生态流量研究应更多地纳入环境、气候等变化因素,建立适应性更强的研究方法。

虽然在过去的几十年,国内生态流量研究出现大量研究成果,但绝大多数围绕单一河流或大流域部分河段展开,鲜少在大型流域的全流域进行应用。部分研究方法虽无适应性要求,但使用时极其复杂,且不同流域的气候状况、水文条件和生态需求不同,因此生态流量研究存在较大差别,河流生态流量无法用统一的标准衡量[99-100]。近年水文、气象等相关基础学科的发展将生态流量研究推广至全流域甚至更大尺度,生态水文有极强的空间异质性,生态流量研究更多地需要考虑生态和水文之间的内在机理[3]。

在全球性环境变化和日益增长的人类社会需求背景之下,人类活动和频发的极端气候事件对河流生态影响显著。基于外在因素的快速变化,现在的生态流量研究应更多地偏向于适应性更强、应用范围更广、生态系统整体性更高的多因素-生态耦合框架,逐渐从理论研究进入实践管理阶段,通过有效评价河流的生态健康,将其应用于生态管理调度,实现流域水资源的可持续和高质量发展。