河流生態環境需水計算方法淺析

張 云

（江蘇省水文水資源勘測局南通分局 南通 226000）

河流生態環境需水計算方法淺析

張 云

（江蘇省水文水資源勘測局南通分局 南通 226000）

1 引言

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是生態環境的控制性要素之一，是經濟社會可持續發展的重要保證。隨著經濟社會的迅速發展，水資源供需矛盾日益突出，城市生態環境遭到了嚴重的破壞，而人類對水資源的需求量日益增長。人類不合理的開發利用水資源所造成的水環境污染、水土流失、土地退化等問題，直接造成了生態環境質量的惡化，而水生態環境惡化又進一步加劇了洪澇災害和水資源短缺的問題。因此，在區域水資源的規劃與管理中，在有限的水資源總量基礎上，實現區域水資源的合理配置，維持合理的河流生態環境用水量是當前水利工作面臨的一項重要任務。解決好河流生態環境問題對實現水資源的可持續利用和社會經濟的可持續發展以及生態平衡至關重要。

2 生態環境需水概念

河流生態環境需水量是針對水資源開發利用中的生態環境保護以及科學地進行生境修復、改善等問題而提出的。我國對生態環境需水的概念、內涵及外延的認識也未統一，其計算方法的研究也不盡完善。

生態需水量是指維持生態系統中具有生命的生物物體水分平衡所需要的水量。環境需水量則是指為保護和改善人類居住環境及其水環境所需要的水量。主要包括：改善環境用水水質所需要的水量。生態環境需水量是指一個特定區域內的生態系統的需水量，而并不單單是指生物體的需水量或耗水量或自然環境的需水量，亦即生物體所在環境與整體的需水量（包括含有生物體的自身耗水量），其水量有一個閾值范圍，具有上限值和下限值，超過上下限值都會導致生態系統的退化和破壞。它不但與生態系統的生物群體結構、生態區的氣候、土壤、地質、水文條件等有關系，更重要的還與社會經濟發展水平有關系。

為維護生態環境的天然結構與功能，河流生態環境需水量包括：①河流系統中天然和人工植被耗水量，包括水源涵養林、水土保持措施及天然植被和綠洲防護林帶的耗水量；②維持水（濕）生生物棲息地所需的水量；③維持河口地區生態平衡所需的水量；④維持河流系統水沙平衡的輸沙入海水量；⑤維持河流系統水鹽平衡的入海水量；⑥保持河流系統一定的稀釋凈化能力的水量；⑦保持水體調節氣候、美化景觀等功能所損耗的蒸發量；⑧維持合理的地下水位所必需的入滲補給水量等。狹義地講，生態需水量是指為維持地表水體特定的生態環境功能，天然水體必須儲存和消耗的最小水量。

3 河流生態環境需水計算簡介

3.1 河流生態環境需水的特征

3.1.1 時間性

河流生態環境需水的時間性主要表現在水資源循環利用系統的時間變化性，如河流徑流量表現為年際的波動、季節的分配，需要從時間上合理分配生態環境需水，保證河流生態功能的充分選擇。

3.1.2 閾值特征

根據生物龕理論,生態系統本身具有一定的自我調節和自我緩沖性，處于“臨界狀態”或“生態臨界”的生態系統都具有一定的生態閾值，即只有擾動超越了其上限或下限,生態系統才不能自控而產生惡變或崩潰。

3.2 遵循的原則

河流生態環境需水應遵循四大平衡原則。一是水熱（能）平衡，二是水鹽平衡，三是水沙平衡，四是水量供需平衡。

3.3 計算方法簡介

河流生態環境需水量就是指在特定時間和空間的條件下維持和保護河流系統的生態環境功能并改善生態環境質量所需要的水量。河流生態的需水研究方法通常分為四類：一是傳統水文法，二是基于生物學基礎的棲息地法，三是基于水力學基礎的水力學法，四是整體分析法。

（1）傳統的水文法，主要是利用基于徑流方法的最小可接受流量來確定的。水文學方法的合理性在于，河流中生物種群的變化在較長的時期內、較惡劣的生存逆境中才會體現出來，即對一定程度的干擾具有忍耐能力。水文指標法是生態需水評價中最簡單、需要數據最少，并依據歷史水文數據確定需水量的方法。

①7Q10法。美國的7Q10法以流量歷時統計，指采用90%的保證率最枯連續7d的平均水量作為河流最小流量即標準流量設計值,并以該標準流量設計值作為河流生態需水量。該方法的標準要求較高，我國對其進行了修改，根據國家標準制訂了《地方水污染物排放標準的技術原則和方法》(GB3839-83)，規定一般河流采用近10年或90%保證率代表年最枯月平均流量作為河道內生態需水量。

②Tennant法。也稱Montana法。該方法是以預先確定的年平均流量的百分率為基礎，不需要現場測量,年平均流量可以從河流上水文站的歷史監測資料獲得；在沒有水文站點的河流,通過可以接受的水文技術獲得。公式為：W=Qi×Zi，式中，W 為河道生態環境需水量（m3），Qi為一年內第i個月多年平均流量（m3），Zi為對應第i月份的推薦基流百分比（%）。

Tennant法原理簡單，但百分數的取值具有主觀任意性。在美國,該方法通常在優先度不高的河段研究河流標準量推薦值，或作為其他方法的檢驗。

（2）基于生物學基礎的棲息地法，是生態需水估算最復雜和最靈活的方法，包括增加（IFIM）法和CASIMIR法。

增加（IFIM）法是棲息地法最常用的，是應用比較廣泛的計算環境需水量的方法，是基于假定生物有機體在流動的河水中其分布受水力條件的控制，適用于一定流量的主要的水生生物及棲息地。

CASIMIR法是基于流量在空間和時間上的變化，采用FST建立水力模型、流量變化與被選定的生物類型之間的關系，估算主要水生生物的數量、規模，并可模擬水電站的經濟損失。

（3）基于水力學基礎的水力學法，包括R2CROSS法、濕周法等。

R2CROSS法是以曼寧公式為基礎，在一個河流斷面上用現場收集的數據對未觀測的水力學參數進行模擬。在計算河道流量推薦值時，由河道幾何形態決定的水深、河寬、流速等因素必須加以考慮，該方法用于淺灘式的河流棲息地類型河流生態需水量的測定。

濕周法是基于以保護好臨界區域的水生生物棲息地的濕周，對非臨界區域的棲息地提供足夠的保護的假定。通過建立濕周與流量的關系曲線，由曲線上的臨界點確定MEIFR，一般適合于在宏觀水資源管理中確定最小生態需水量，但只用于給定條件下適宜的生態需水量的粗略評價。

（4）整體分析法，主要指BBM法，將河道內生態環境狀況分為6級，河道內的流量劃分為4部分，以求算上述4部分的年均天然徑流量的百分率，可用于快速估算河流生態流量。

4 結論與展望

研究河流生態需水是開展生態環境建設的必然需要，是實現水資源合理配置和可持續利用中不可缺少的一個環節。我國對河流生態環境需水量的研究較晚，目前尚處于起步階段，其理論和計算方法還不是很完善。在選定生態需水評估方法應考慮河流類型、人們對生態環境的價值觀、計算結果的精度、收集資料的費用和困難程度等，根據不同的需求和適用范圍，選擇不同的河流生態環境需水計算方法。

今后要進一步加大河流生態環境需水的研究力度，建立完整的理論研究體系，注重新方法的使用，提高河流生態環境需水量分析的合理性與計算的準確性，維持河流生態系統的良性循環