河道生態基流理論基礎與計算方法研究

徐宗學，李 鵬，侯昕玥，3

（1.北京師范大學水科學研究院，北京100875；2.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京100875；3.大連海洋大學水產與生命學院，遼寧大連116023）

近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，河流生態系統受到了嚴重影響，城市化、工業化、土地利用變化以及水利工程建設等改變了河流的水文情勢，影響河流的自然流態、水沙關系和河道形態，使上下游生境發生變化，打破了原有的生態平衡，造成了生態系統退化、水體富營養化和物種多樣性減少等，河流生態系統健康受到嚴重挑戰［1-4］。因此，河流生態水文問題成為生態水文學研究的核心內容之一。河道生態基流研究是近年來生態水文學研究的熱點與難點問題，涉及水利、氣象、環境、生態、農業等多個領域。生態基流研究不僅具有重要的科學價值，而且在水污染防治和生態環境保護等方面具有重大的現實意義，對經濟社會的可持續發展具有重要的戰略意義。筆者從河道生態基流基礎理論出發，系統梳理了生態基流的基本概念、內涵、確定原則、研究內容和計算方法，回顧了生態基流理論的發展歷程，并結合實際案例預測了其未來發展趨勢。

1 河道生態基流基礎理論

1.1 河道生態基流概念與內涵

目前關于生態基流仍沒有統一的定義，學者們針對研究對象的不同，提出了眾多與河道生態基流研究相關的概念。國外學者多用枯水流量［5-6］、最小河流需水量［7］、最小可接受流量（MAFs）、基本生態需水、生態可接受流量范圍（EAFR）、環境需水等術語，國內學者因研究目的和對象的不同，多使用生態環境需水量［8］、生態需水［9］、環境需水［10］、河流生態基流量［11］、城市生態需水、湖泊生態需水［12］、濕地生態需水［13］等概念。這些概念的共同點：都是維持生態系統發揮正常功能或生態環境健康發展需要的水量，但又有其獨特的含義。研究初期，人們為了保證河流生態系統健康，多將關注點放在保證河流最小流量上。

隨后，部分學者逐漸認識到僅僅維持河流的最小流量難以保證生態系統的健康，天然的水文情勢是維持河流生態系統完整性的重要因素，是河流生態系統健康的重要保障。Richter等［14］提出通過保留天然洪水特征來維持蜿蜒河岸的河濱生態系統，隨之產生的環境流量概念得到了較為普遍的認可。環境流量是維持河流和河口生態系統健康，并滿足人類生活需要的流量過程，生態系統健康是河流健康的最高目標，河道滿足其最小流量要求是生態系統健康的具體體現，本文采用生態基礎流量的概念，簡稱生態基流。

本文所研究的生態基流是指特定時間和空間條件下，最大限度保證河流健康所預留的、滿足一定水質要求的流量，以確保生態系統不再退化。其內涵包括：保持天然河道自然形態結構完整及其正常演化過程；維持水生生物正常發育、棲息與繁衍；維持與河道相連關系；維持大氣水、地表水與地下水三者之間的水量轉換；入海河口處，河道中應有足夠的水動力來防止海水入侵；維持河流自凈能力，以保持河流通過自凈作用來降解污染物。

1.2 河道生態基流確定原則

（1）時空分異原則。生態基流具有明顯的地域性與時效性，干旱區與濕潤區、陸地與水域、同一流域上中下游不同，隨著環境的治理改善、自然生態環境的逐漸恢復，生態基流的外延和內涵都將有所變化。因此，生態基流的研究因外部條件的改變或各項功能主導作用的交替變化而有所不同。

（2）主體功能優先考慮原則。河流具有調節氣候、補給地下水、排沙輸沙、稀釋降解污染物、維持濕地及河口地區生物生存棲息環境、維持河流系統生物多樣性等生態環境功能，其休閑娛樂功能也愈來愈受到人們的重視。由于各生態功能間相互影響、相互制約、協調發展，因此明確具體河流的主體生態與環境功能及相互間的作用關系是計算河流生態基流的基礎。

（3）一水多用、協調確定原則。河流水體在滿足某項生態環境功能時，也能滿足或部分滿足其他方面的生態基流要求。因此，應在滿足各項生態環境功能需求的基礎上，考慮水量的多功能性，對各生態環境功能進行合理協調，給出合理和可行的河流生態基流，以避免重復計算。

（4）水量水質耦合原則。河流生態基流的確定，不僅要滿足水量要求，而且要滿足水質要求。水量和水質共同影響著河流的生態系統，河流生態基流研究中所指的“量”應是水質和水量的耦合，對于生態基流的確定，不能只考慮所需水量的多少，還應考慮水質的好壞。

（5）河流整體考慮原則。在水資源開發利用中，應兼顧河流上下游間的水流特性及上游水量對下游來水量的影響，在上下游各河段生態基流都得到保證的基礎上，對全流域水資源進行科學配置，以使流域內河流生態環境功能得到正常發揮。

（6）可持續性原則。河道生態基流確定的前提是“維持流域或者區域特定的生態環境功能”，應充分體現可持續性內涵。為了維持生態系統的良性循環，達到人與自然和諧的生態環境標準，必須明確取用水、排污等經濟和社會活動對河流生態系統的影響，使其不超出現有的承受能力。

1.3 河道生態基流研究內容

1.3.1 生態系統演變過程與特征

河流的形成、發展和演變是一個自然過程，有其自身的發展規律。河流生態系統始終處于動態演進過程中，人類對河流系統的過度開發利用導致河流生態系統演變過程發生了根本性變化，產生了對生態系統健康極其不利的影響。河流生態系統的演變過程大致可以分為原生狀態期、急劇破壞期、水質改善恢復期、生態系統恢復期4個階段［15］。原生狀態期河流生態系統的整體性未受到損害，系統處于一種原始的、基準的狀態；急劇破壞期河流生態系統結構破壞，服務功能下降；水質改善恢復期河流治理重點是污水處理和水質改善，而不是河流生態系統結構與功能的全面恢復與改善；生態系統恢復期建立了修復河流生態系統健康的目標。

1.3.2 生態環境問題診斷與識別

人類對河流系統的過度開發利用導致生態系統健康狀況逐漸惡化，為實現河流的可持續發展，河流健康狀況評價和修復成為當前研究的熱點。越來越多的學者認為，理解生態系統的全面性和整體性應把人類作為生態系統的組成部分而不是同其相分離，不考慮社會、經濟與文化的生態系統健康討論是不科學的，生態系統健康問題是人類活動導致的，不可能存在于人類價值判斷之外［16］。

河流生態系統在發展演進過程中受到各種因素的干擾和影響，這些影響因素可分為自然因素和人為因素，主要體現在河流水量、河流水質、河流形態結構、河流生境完整性及生物多樣性等方面。

1.3.3 生態系統保護目標識別與確定

河流生態系統不僅具有維持人的生產與生活的經濟服務功能，包括生活用水、農業用水、工業用水、發電、航運、漁業等，而且具有維持自然生態過程與區域生態環境條件的生態服務功能，包括泥沙的推移，營養物質的運輸，環境凈化，維持森林、草地、濕地、湖泊、河流等自然生態系統的結構，以及其他人工生態系統功能。

不同區域的河流表現出不同的功能，同一條河流的不同河段自然生態功能也存在著差異，因此河流保護目標表現出區域和河段差異性。針對流域水情和生態系統的季節性變化，河流保護目標的時段性特征明顯，存在生態水文季節，因此河流生態保護目標是動態變化的。河流的生態功能表現出一定優先性，不同河流其優先性存在差異，因此必須依照河流生態功能的重要性制定河流保護目標。進行河流生態修復時，不可能將河流恢復到最原始狀態，應盡可能地立足于長遠和整體，保證水資源的可持續開發利用和水生生態系統的恢復，表現為適度性。河流生態保護目標具有多重性，通過改進流域水、土地和相關資源的管理與開發方式，維護河流健康，實現人類、河流和其他生物共享河流水資源，使經濟、社會和生態的綜合效益最大化。因此，對于河流生態系統的保護，要緊密結合河流的具體生態系統功能與性質進行目標的識別與確定。

1.3.4 生態基流計算與分析

生態基流的估算開始于19世紀40年代，發展于70年代，目前關于生態基流的估算方法有很多，全球生態基流估算方法現狀調查發現，在全球6個重要地區50多個國家，有記載的方法達207種［17］，大致可分為水文學法、水力學法、生境模擬法和整體分析法4類，見表1。該統計調查可為我國河道生態基流標準的建立提供參考。

表1 生態基流計算方法

1.4 河道生態基流計算總體框架

河道生態基流計算分析的總體框架見圖1，具體過程：基于3S技術，從土地利用/覆被、植被、生態景觀動態變化等方面分析生態系統演變過程與特征，綜合分析人類活動和氣候變化對生態系統的影響；流域水生態系統健康評價是生態系統健康評價的先行部分，通過水生態系統調查確定其環境質量特征與生物群落結構特征；生態系統健康評價中生態環境診斷和服務功能認識最為關鍵，生態環境診斷關鍵因素為徑流量變化、水質變化、河床演變、濕地演化；基于對服務功能的認識，根據分河段、主導功能、社會可接受性與突出關鍵物種等，確定河段的保護目標；根據河段保護目標，采用適合的方法估算生態基流，通過結果對比給出決策支持。

2 河道生態基流計算實例

2.1 研究區概況

渭河是黃河第一大支流，被陜西人民稱為“母親河”。渭河全長818 km，流域面積13.43萬km2，發源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，于陜西省潼關縣注入黃河。中下游為渭河關中段（見圖2），河流長度為386 km。

受人類活動的強烈干擾，渭河流域生態環境急劇退化，主要表現在水環境質量惡化、徑流量急劇減少、河流含沙量大、濕地萎縮和生物資源量銳減等［18］。根據關中地區水文站不同年代徑流與多年平均值的比值，魏家堡水文站不同年代徑流變幅最大，為47.61%～172.05%，臨潼水文站變幅最小，為 61.01%～148.24%［19］。

2.2 渭河關中段生態保護目標識別

在進行生態基流計算前，首先對渭河關中段生態保護目標進行識別。主要包括：河流分段及特征、枯水期河流生態保護指標及優先性排序、枯水期各河段生態保護目標值、生態保護目標對生態基流的需求四部分。

2.2.1 渭河關中段河流分段及特征

依據補給來源，渭河是雨水補給和地下水補給河流，冬季和干旱季節降水少，河流主要由地下水補給。林家村以上屬山區河流，河長432 km，流經地區為土石山區與黃土丘陵區，河道狹窄而穩定，川峽相間，水流湍急，河床比降為0.277%；林家村至咸陽為中游，河長177 km，流域面積46 856 km2，落差224.4 m，平均比降0.124%，水流緩慢散亂，沙洲淺灘較多，河寬1 500～2 000 m；咸陽至潼關為下游河段，屬平原河流，河長209 km，河道蜿蜒曲折，下游河段以淤積灘地為主，主槽相對較穩定，河床比降僅有0.028%。將渭河關中段劃分為2個一級河段，5個二級河段，各河段水文、水質、河道形態、生態特征見表2。

2.2.2 渭河枯水期河流生態保護指標及優先性排序

渭河枯水期河流的服務功能主要表現為水質凈化、生物棲息地、水產品、景觀等。為了進一步識別以上功能的保護優先性，采用超載率方法對以上服務功能進行排序。超載率是指生態系統服務功能的超載程度，是現狀值與參考值之差和參考值的比。超載率越大，說明距離參考狀態越遠，越需要重點保護。計算公式為

參考值根據國家標準、資源承載力、歷史數據、理想狀態及恢復的可能性等進行確定。渭河關中段枯水期主要生態服務功能優先性排序見表3。

渭河2010年COD入河量（約為18.78萬t）是渭河關中段水環境容量（8.50萬t，75%保證率）的2.2倍，說明渭河水質凈化功能已經基本消失，水環境嚴重超載，水質凈化是渭河枯水期需要保護的主要服務功能。

按照河流生態保護目標的確定原則，借鑒河流健康表征參數提出渭河保護目標表征指標為棲息地、魚類、水質、景觀等。結合實地調研、專家咨詢，考慮可操作性、數據可獲得性等確定渭河枯水期保護的具體表征指標為水功能區達標率、主要污染物達標率、河岸帶植被覆蓋率、具有經濟價值的魚類等，其中主要污染物指標為COD、NH3-N。根據水生生物調查與分析結果，選擇具有經濟價值的魚類作為指示物種，渭河保護魚類分別是黃顙魚、鲇魚、鯽魚、鯉魚，見表4。

表2 渭河關中段河段劃分及各河段特征

表3 渭河關中段枯水期主要生態服務功能優先性排序

表4 渭河干流陜西段保護目標及其表征指標

2.2.3 渭河枯水期各河段生態保護目標

根據劃分的5個河段分別確定保護目標。河流保護目標的確定需要綜合考慮現狀、參考狀態、可達性等。以水質為例，林家村—魏家堡河段現狀水質基本達到水功能要求，因此將其水質目標確定為Ⅲ類。其他河段現狀水質為劣Ⅴ類，近期內達到水功能區水質標準Ⅳ類有一定難度，因此只能分步驟逐漸實現，為此確定2015年、2020年水質目標為Ⅳ～Ⅴ類。各河段保護目標值見表5。

2.2.4 渭河關中段河流生態保護目標對生態基流的需求

建立河流保護目標與流量之間的關系是一個非常復雜的過程，需要許多數據信息支持，通常需要實地監測獲得長時間的系列數據。魚類作為建立生態保護目標與流量之間關系的重要物種［20］，具有生命周期性，在不同的生活周期對流量、水深和流速的需求不同，從而決定了生態基流的季節性和過程性特征。根據《陜西魚類志》及相關資料獲得渭河需要被保護的4種魚類的生態習性與水力學需求，見表6。

2.3 渭河關中段生態基流計算

采用水文學法、水力學法以及綜合分析法分別計算林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣斷面的生態基流，其中水文學法選用最具代表性的Tennant法，水力學法采用濕周法。

2.3.1 Tennant法

根據2004年編制的《渭河流域近期重點治理規劃》，渭河干流林家村、咸陽和華縣3個斷面非汛期（11月至翌年6月）的低限生態流量分別為10、15、20 m3/s，Tennant法中多年平均流量10%的計算結果（見表7）與規劃值基本一致。

表5 渭河關中段枯水期河流保護目標值與現狀值

表6 4種魚類的生態習性與水力學需求

2.3.2 濕周法

采用濕周法中的斜率1法和曲率法進行計算，結果見表8。渭河處于北方干旱地區，水量少，因此將結果較小的曲率法對應的流量作為生態基流的推薦值。

2.3.3 綜合分析法

應用MIKE11模型的HD、AD、EcoLab模塊建立渭河關中段水質水量綜合模擬模型，采用逐河段推求的方法計算渭河現狀排污條件下，保證河流水質達標所需的最小生態基流。以COD和氨氮達標為目標，基于現狀排污、達標排污、75%和90%保證率納污能力4種情景，計算滿足渭河生態系統水質需求的生態流量，將保證COD達標的90%保證率納污能力下的生態流量作為生態基流推薦值，見表9。

綜合以上多種計算方法，分別得到不同保護目標下，5個斷面生態基流推薦值，見表10。

表7 Tennant法生態基流計算結果

表8 濕周法生態基流計算結果

表9 水質水量綜合模型4種情景計算結果m3/s

表10 不同方法及目標下渭河關中段生態基流推薦值 m3/s

3 結論與建議

3.1 結 論

河道生態基流是指為保障河流生態系統基本結構的完整性或主要生態系統服務功能的正常發揮所需要的最小流量，具有顯著的時空特性。在時間上，應強調枯水期河道流量保障；在空間上，應重視生態脆弱性表現明顯或者生態系統服務功能受流量變化影響較大的河段。河流生態基流內涵包括以下幾個方面：保持天然河道自然形態結構的完整性及其正常演化過程的生態流量，包括輸送泥沙，維護河床形態的正常演化（如河床比降、平灘流量等），保障水流暢通，維系河道與洪泛區水體之間的動態連接；維持水生生物正常發育、棲息與繁衍的生態流量，河流生態基流應能保障河流中原有的主要魚類、大型無脊椎動物、水生植物及水生微生物等的生存及棲息環境；維持與河道相連的濕地環境，包括保證濕地水生植物生長的最小流量、保證水生動物需水的最小流量、保證生物棲息環境的最小流量、保證濕地土壤的最小流量，以及保證濕地景觀、休閑娛樂需水的基流；維持大氣水、地表水與地下水三者之間水量轉換的流量，包括保證水面蒸發的基流，維持地表水與地下水的水力聯系、河水補給地下水的基流；保持河口地區的生態基流，以防止海水入侵；維持河流自凈能力的最小流量，以保持河流通過自凈作用來降解污染物。

采用Tennant方法，計算得到林家村、魏家堡、咸陽、臨潼和華縣斷面的生態基流分別為8.51、12.12、18.03、24.93、24.61 m3/s。 2004 年編制的《渭河流域近期重點治理規劃》中，渭河干流林家村、咸陽和華縣3個斷面非汛期（11月至翌年6月）的低限生態環境流量分別為 10.00、15.00、20.00 m3/s。 可見，Tennant法計算得到的生態基流與規劃值較接近。為保護水生生物棲息的淺灘區域的環境，濕周法計算的林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣斷面的生態基流分別為10.60、16.70、23.20、38.80、52.60 m3/s。 為達到水質標準，水質水量綜合模擬法計算得到各斷面生態基流分別為2.00、3.40、4.33、8.80、22.97 m3/s。 經過專家反復論證與討論，確定林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣斷面的最終生態基流，近期目標為4.0、6.0、8.0、12.0、16.0 m3/s，遠期目標為 8.0、10.0、12.0、18.0、20.0 m3/s［21］。

3.2 建 議

渭河關中段特殊的自然地理環境、水資源貧乏及時空分布不均等特點，決定了渭河關中段屬于資源型缺水地區。隨著經濟的發展，缺水將是該地區一個長期而尖銳的問題。在此情況下，要保障生態基流，須通過立法的形式確認生態基流的合法性。保障渭河關中段生態基流要堅持“勘察與開發、地表與地下、開源與節流、興利與除害、利用與管理”的方針，協調好水資源開發與生態環境保護、工農業生產力布局與水資源條件之間的關系。在水資源開發與利用上要因地制宜、統一規劃、統籌安排、綜合利用，加強地表水與地下水的聯合調配；在供水方向上要朝著面向全社會服務、城鄉供水統一調度、分質供水的方向發展，逐步建立節水型社會，發展節水型產業。

（1）農業用水管理。緩解渭河流域水資源緊張局面，應從農業節水著手，這是保證渭河生態基流、流域農業可持續發展、緩解渭河流域水資源短缺的最重要途徑。需要加速灌區體制改革，促進節水改革；強化灌區內用水戶參與的用水管理組織；完善灌區節水的政策與法規；完善農業用水補償機制。

（2）地下水管理。加強不同斷面間地下水的合理開發利用，保障河流生態基礎流量；加強雨洪地下儲存，推進水資源和生態環境保護。

（3）工業用水管理。新建、改建、擴建的耗水量大的工業項目和產業園區，配套建設節水設施、工業用水回收利用設施和中水回用管網設施，節水設施和回收設施與主體工程同時設計、同時施工、同時使用。已有工業項目應采取循環用水、廢水處理回用等措施，降低用水單耗，提高水的重復利用率。

（4）水質管理。優先保護飲用水水源，嚴格控制工業污染、城鎮生活污染、農業面源污染，預防、控制和減少水環境污染。根據水功能區管理目標確定河流和主要水域納污能力，建立監測體系，對主要排污口設置計量裝置，動態監測和評價重要水功能區水質狀況，建立突發水污染事故快速監測和評估機制，明確責任，并制定應急處置方案。

（5）水量調度管理。對全流域水資源實行以水量和水質總量控制為中心的統一規劃、統一調配、統一管理；加強監測體系建設，嚴格取水許可制度，制定最嚴格的水資源管理制度；建立渭河干流及主要支流、水庫、取水口控制斷面的生態流量指標體系，提升水環境的保障水平；劃定渭河生態用水補給河流；充分利用跨流域調水工程，增加河道生態流量；強化應急時期生態基流保障措施。

（6）保障措施。為保障渭河關中段生態基流，應結合河（湖）長制的實施，采取法律、行政、經濟、技術等保障措施。嚴格執行相關法規，建立高效的水量統一調度管理運行機制，明確各級水量調度管理機構職責，將流域水量分配方案和年度調度計劃納入流域內各級行政首長任期考核目標。結合流域初始水權分配制度，建立相關的經濟補償機制。嚴格“三條紅線”管理制度，明確各子流域取水許可總量指標，建立取水許可制度，綜合平衡年際、年內水資源配置與水量調度計劃的協調與調配。建設水量調度遠程監控系統，實現重要水量調度工程的遠程異地實時調度、監視和控制。加強流域水文預報和用水監測，建立水文自動測報和水文、水資源信息服務系統，提高水資源動態的監測、監視和監控能力。

4 結 語

關于生態基流的基本概念與內涵，目前仍然沒有統一和完全公認的標準，尚在積極探索當中。然而，隨著我國新的治水方略的實施，人水和諧、人與自然和諧共處逐漸成為一種新的治水理念，尤其是當前黑臭水體治理、河（湖）長制的實施，維持河流健康，維持河道健康、可持續的生態基流成為社會發展的必然趨勢。以渭河關中段為例，探索了河道生態基流的基本概念、內涵與理論基礎，提出了河道生態基流估算的基本框架，結合水文學法、水力學法和綜合分析法，估算了渭河關中段主要控制斷面的生態基流，并基于專家論證意見，初步確定渭河關中段林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣斷面生態基流近期目標為 4.0、6.0、8.0、12.0、16.0 m3/s，遠期目標為8.0、10.0、12.0、18.0、20.0 m3/s。