河流流量變化的生態效應及水資源管理策略

羅　昊,周雪欣,黃　亮

(珠江水資源保護科學研究所,廣東 廣州 510611)

河流流量變化的生態效應及水資源管理策略

羅昊,周雪欣,黃亮

(珠江水資源保護科學研究所,廣東 廣州 510611)

摘要：分析了河流生態系統中流量變化的生態效應，應用基于RVA的生態流量估算方法，計算了綏江干流各月的生態流量，發現枯水月份流量變化更易引發生態風險。據此以水文連接度的概念，描述了河流生態系統結構及功能的衰退與恢復過程，并提出了基于河流流量變化的水資源管理策略。

關鍵詞：流量變化；生態效應；水資源管理策略；河流保護

河流生態系統是重要的水生態系統類型，其支撐著人類社會的發展，并具有水源供給功能、調節功能和美學功能，水文情勢是決定河流生態系統結構和功能的重要因素。隨著人口的增長和經濟的發展，我國河流生態系統已出現退化惡化的局面，國家“十二五”規劃已將河流生態系統的保護及修復列為重要的規劃目標。為維持河流生態系統健康，亟需探索有效的修復方法和管理策略。

1河流生態系統

河流生態系統屬流水生態系統的一種，是對河流水體及其伴生的生態系統的總稱。其作為陸地和海洋間聯系的紐帶，在生物圈的物質循環和能量流動中起著重要作用[1]。據此設定河流生態系統研究的主要生境因子和研究尺度。

1.1生境因子

河流生態系統的主要生境因子包括水文情勢、流態、河流地貌和水質[2]。水文情勢包括流量及其變化過程，是與河流生物過程和群落結構相關的重要因素。流態為河流的水力條件，其對水生生物過程有較大影響，由流速、水溫、水壓、水深及水力坡降等因素共同表達。河流地貌是河流景觀格局的重要組成部分，其成分的空間配置具有重要意義。水質不屬于河流的自然生境要素，但日益嚴重的水體污染對生態系統已構成嚴重的威脅，導致河流生態系統惡化，亟需優先治理。上述生境要素的作用是綜合的并具有相關性與反饋關系，表明河流生態系統具備整體性和自發性的特點。而生境要素變化的穩定性、波動性和變異性，也使河流生態系統具有對環境的適應性和自調節能力。

1.2研究尺度

景觀生態學中的“尺度”既可指人類研究某種生態現象時采用的時間和空間單位，又可指某類生態過程在時間和空間上的涉及范圍與發生頻率[3]，尺度選取旨在使兩者更加符合。人類活動影響下的氣候、地貌、土地利用方式等變化尺度為數年至數十年，即為其對河流生態系統影響研究的時間尺度。流域包含著完整的生態結構，由于地理、地質、氣候等條件的相似，使流域內具有相似的水文和生態特征，故可選取其為水文循環對河流生態系統影響研究的空間尺度。

2生態流量的內涵與概算

2.1河流生態流量

河流生態流量是指維持河流生態系統健康及其服務功能所需的徑流流量，不僅包括在維持水體基本形態的前提下保持河流基本的生物完整性的水分需求，也包括生態需水在枯水期、平水期及洪峰流量時的消長規律[4]。由于水文情勢是河流生態系統的內在驅動力，河流依靠自然水流的漲落變化滿足河流生態系統的生境條件，而徑流變化是體現水文情勢的重要整體性特征，故可通過研究河流流量變化確定河流生態流量。

2.2計算方法

當前河道生態徑流研究方法眾多，但多傾向于通過水文極值、河道水力特征和物種需求開展研究。本文選用一種基于河流生態水文指標體系(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)和變異性范圍法(Range of Variability Approach, RVA)的河流生態流量計算方法，研究河流整體水文情勢變化影響下的河流生態流量。

2.2.1河流生態水文指標體系(IHA)

Richter等[5, 6]于1996年創立了一套用于評估河流生態水文變化的水文指標體系，其依據系列長度大于20年的多年河流逐日水文資料，從流量大小、極值、時間、頻率、延時和變化率等方面制定了33個具有關鍵生態意義的水文參數(表1)。IHA指標體系具有易采集、多參數和生態表征性強的特點，適用于評價水文系統變化程度及對生態的影響。

表1　IHA指標參數及其生態影響

注：*源自Indicators of Hydrologic Alteration Version 7 User’s Manual[7], Page:7-8。

2.2.2變異性范圍法(RVA)

RVA方法建立在IHA指標參數的基礎上，通過設置IHA各指標的受影響程度，評估在人類活動作用下的河流整體水文變化，提供與流量相關的綜合生態統計特征，以識別水文變化對生態系統的維護作用[6]。在已有眾多研究成果中[8, 9]，通常設定IHA指標發生幾率為75%和25%的值為各指標參數的上下限(RVA閾值)，這符合Connell等提出的中度干擾假說(Intermediate Disturbance Hypothesis, IDH)。RVA閾值描述了流量過程的可變范圍，即天然生態系統所能承受的變化區間[10]，這為河流生態流量的估計提供了參考價值。

2.2.3生態流量估算方法

為維持河流健康生態系統，正常的水文特征值的變動范圍應不超過河流的天然可變范圍，即水文參數均值變化應在RVA上下閾值之間。舒暢等[11]據此提出了基于RVA方法的生態流量估算方法：

(1)

該方法得出的生態流量指為維持河流健康生態系統應保持的河道基本流量。

2.3綏江干流生態流量計算結果

應用基于RVA的生態流量估算方法，選取IHA指標體系中12個月均流量指標，代入綏江下游干流石狗站1960—2012年的逐日天然徑流量數據，計算其IHA指標參數、RVA閾值及生態流量，數值結果如表2，并據此繪制綏江干流逐月生態流量曲線圖(圖1)，統計各年份發生河道平均流量小于生態流量的事件(表3)。

表2　綏江石狗站IHA指標參數及生態流量計算結果

表3　1960—1988年各月發生流量變化引發的生態退化事件統計

由圖1可見，綏江下游干流的各月生態流量均小于河道平均流量及其RVA下限，表明綏江河流整體生態功能良好，得出的生態流量是在不同月份保持河流生態穩定所需的基本流量。生態流量的變動幅度小于河流流量的自然變化，在汛期(4—9月)，生態流量相對較大且呈較明顯的波動變化，表明由于洪水在調整河道形態及能流物流傳輸方面發揮重要作用，保持河流生態健康的水量需求也隨之變化，但此時河流水量充沛，故發生河流生態系統退化的風險較??；反之枯水月份河流可支配流量較小，流量變化更易引發生態退化。

此外，根據表3中的河流生態風險事件統計結果，結合綏江石狗站的流量突變分析[12]，可知在歷史年代中，河流枯水月份較豐水月份發生了更多次數的河流生態退化事件。其中，無論流量突變增加或突變減少的年份，枯水期均有生態退化風險，尤其在河流流量突變減少顯著、流量變化穩定性較強的1963和1984年發生頻繁，共有6個月份出現同期最小流量。而豐水期發生生態退化事件的頻率較小，僅部分河流流量突變減少的年份有引發生態退化的風險?？偟膩碚f，河流流量顯著突變減少的行為及其較強穩定性更易引發河流生態系統退化。

2.4流量變化的生態效應

河流流量是河流生態系統的重要控制因子，其既影響河道物質能量運動和環境景觀的形成，也作用于流域動植物的生命過程，流量的起伏變化對維持生態系統健康及其服務功能具有重要意義。河流生態系統的服務功能包括支撐功能、供給功能、調節功能和美學功能(表4)，周期性的汛期高流量對維護河道形態與水資源供給，維持各類水生態系統間的連通性等有重要作用，中低流量對保持河流生態系統穩定性與生物完整性等至關重要。

表4　河流生態系統的服務類型和功能[13]

水文連接度是指水循環各要素內部和要素間物質、能量和生物體以水體為媒介遷移、傳遞的能力，可以用來描述生態系統的水文條件[14]。河川徑流的突變引起水文連接度的改變，進而影響水生態系統服務功能的變化，生態流量作為反映該變化過程的標志性指標，具有明確的水文與生態內涵。

長期的流量突變減少行為常導致水文連接度和水環境承載力下降，影響水生生物的遷移、繁殖和水體的養分循環，導致河流生境改變，部分生物的生長繁殖受到抑制。當河流流量小于生態流量時，河流的生物完整性遭到破壞，引起生態系統食物鏈的變化和流域生物量的驟減，服務功能衰弱，直至水文連接度消失，河流物理結構改變，河道斷流，生物基本滅絕。持續性的流量突變增加可使上述情況得以緩解和恢復，河道結構逐漸正常，水流連通性增強。當河流流量增加至生態流量時，水文連接度趨于正常，但河流生態系統的生物量和物種較少，服務功能偏低，在長期的發育之后，將形成新的脆弱的河流生態系統。

3水資源管理策略

(1)鑒于河流水文突變特征的重要意義，在流域管理中，應通過長時期水文序列的突變檢測，總結流域河流的水文變異行為與特征，歸納各類水文要素的突變特性，并據此推測其變化趨勢和程度范圍。如針對不同的流量突變趨勢及穩定狀態，合理調配流域水量，采取適當的災害預防和水資源保護措施。

(2)氣候變化和人類活動影響下的河流水體有更加復雜的水文變化規律，在處理由河流流量變化引起的洪澇、干旱災害及河流生態系統破壞等事件中，應根據河流流量突變特性，從影響流量突變的氣候、下墊面和人類活動等因素入手，削減和控制由流量突變帶來的負面效應。

(3)在水資源開發利用及水利水電工程建設中，對河流流量的削峰和水量均化應適時適度，注重流量變化引發的河流生態系統結構和功能的改變。在保證不產生較大規模洪澇災害的前提下，適當保留河流流量的高峰變化，杜絕河流流量出現長期處于生態流量以下的情景，使生態流量成為水資源開發利用的底線，努力提高水資源利用效率。

(4)水文變化具有較長的時間尺度，應注重對水文規律的把握和基礎理論的研究，并依據其制定河流的污染控制、生態修復、功能區劃、健康評估和流域可持續發展等戰略，開發如河流生態修復、水庫生態調度和人工濕地等相關的工程技術。而河流水質污染是人類不合理利用水資源的突出體現，為改善河流生態環境，亟需優先治理。

(5)在制定水資源管理策略時，應以社會公平為主要原則，時刻遵守人與自然和諧共處的理念，走可持續發展的道路，并使發展具有人文目標、資源目標和環境目標。以政府投入為主體，采取更加積極的導向措施，實現水資源的優化調配，建立現代化和人性化的水資源管理模式，使決策融于公眾的長遠利益之中。

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Study on Ecological Effect of Flow Variation and Water Environment Management Strategy

LUO Hao, ZHOU Xue-xin, HUANG Liang

(Pearl River Institute of Water Resources Protection and Research, Guangzhou Guangdong 510611, China)

Abstract：The Range of Variability Approach (RVA) method was used to calculate the ecological flow of Suijiang River. The ecological effects caused by stream flow variations were analyzed as well. The results indicated that the stream flow variations in dry season were more likely to cause ecological risks. According to these features, the recession and recovery processes of structure and function of river ecosystems were described in the basis of the concept of the hydrological connectivity. The water resources management strategies based on the stream flow variations were put forward.

Key words：stream flow variations; ecological effects; water resources management strategies; river protection

收稿日期：2015-12-08

作者簡介：羅昊(1989-)，遼寧省遼陽市人，碩士，工程師，從事水資源保護及環境規劃與評價工作。

中圖分類號：X24

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)04-0012-05