三種生態流量計算方法適應性分析及選擇

肖衛 周剛炎

摘要：介紹了歐洲生態流量計算評估實踐，聚焦了水文法、水力-棲息地法和整體法計算生態流量的經驗和案例，分析了3種生態流量估算方法的適應性及選擇。分析表明：應評估受影響河流流態和生態流量之間的差距，提出實現生態流量和環境保護目標需求相協調的建議;應結合不同類型計算方法的適用條件和數據獲取難易程度，選取合適的生態流量計算方法。

關鍵詞：生態流量;估算方法;水文法;水力-棲息地法;整體法

中圖法分類號：P333

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0059-04

水工程在發揮防洪、發電、航運、灌溉等效益的同時，在一定程度上改變了河流水文情勢，產生了相應的生態效應。在工程實踐中，一般較多關注優化水工程的最小下泄流量，主要考慮生產和生活用水需求。隨著對河流生態系統認識的逐步深入，水庫下泄流量需要考慮下游生態保護目標的需求，河流生態流量的計算和實踐評估是一個十分重要而復雜的課題。研究和實踐表明：應根據不同地域、不同類型河湖的氣候水文特性、水資源稟賦條件及開發利用狀況、河湖生態功能定位等，分析并明確主要生態保護對象及保護要求，合理確定河流生態流量及過程，對重要河流生態流量的滿足狀況進行評價，并分析存在的主要問題和成因。歐洲開展生態流量的研究和實踐起步比較早，在《歐盟水框架指令》下開展生態流量計算評估的經驗和案例值得參考借鑒。

1生態流量計算方法

學術界常用的幾種生態流量計算方法包括：①水文法;②水力-棲息地法;③整體法。為了對比3種方法的利弊，在表1中對這些方法進行了比較。

1.1水文法

水文法是基于歷史徑流數據分析的方法。基本假設是為了保護河流生態系統，必須保證天然的水文情勢。水文法中并不考慮物種或群落特定水平，提供同期流量的變化幅度和范圍，以維持生態過程與生物多樣性。水文法在當前的應用趨勢是從僅設定一個最小流量的方法（如：1976年Tennant法）轉向更加全面的方法，考慮維持河流形態和生態過程所需的水文條件。

目前，水文法是國際上使用最廣泛的方法，因為該法使用方便且成本經濟。如果可以獲得用于生態流量估算的徑流記錄，則水文法是計算生態流量最簡單、最快速、最經濟的方法，但未考慮河流形態特征及生態過程，因此建議在規劃層面使用水文法，或在低風險、低爭議的情況下設立初步流量目標。不建議將水文法應用于對生態流量要求較高的情況。

簡單的水文分析受到以下3個方面的影響：①為了保證統計完整性，水文要素的數據序列至少要15a。②對于受人類活動（如修建水壩、水庫，河流改道與取水等）影響的監測數據，需要進行還原計算。③水文監測站在空間分布上必須控制干支流節點，以獲取水源和主要水道的水文特征。

水文法研究的案例包括：①在氣候變化背景下，意大利阿諾河流域通過將最小生命流量數據以及生態流量初步近似值加以比較，達到測試定量指標的目的。②使用水文法和整體法來確定斯洛文尼亞生態流量。

1.2水力-棲息地法

水力-棲息地法是基于流量變化，通過河流形態對生物群落起作用確定群落棲息地出現及持續的時間。

水力-棲息地模擬包括：①河道的物理或水力建模;②模擬生物與物理環境之間的聯系。后者可能考慮不同的生境參數，如水深、流速、河床組成、河道幾何形狀、覆蓋度和水溫等。因此，可根據水流和河道的形態特征來確定生物群落棲息地數量。然后將物理模型和生物模型相結合，用來模擬棲息地質量-數量的指標如何隨徑流變化。盡管以往文獻中不同水力-棲息地模型的概念基本相同，但在具體計算中，模型（物理模型和生物模型）之間存在差異。

目前，許多方法都涉及河流廊道內生物群落與生態系統的可持續性。有研究考慮了洪泛平原、河岸棲息地的生態重要性以及維持河流地貌需要的急流與洪水。此外，棲息地時間序列分析是使用水力一棲息地法定義生態流量的關鍵，以表示年內與年際棲息地的變化。棲息地模型能夠模擬流量和形態變化，可對不同場景進行比較分析，并得出最佳選項。

通常認為，水力-棲息地法比水文法更加準確，并在高風險項目中推薦使用水力-棲息地法進行模擬。水力-棲息地法需要扎實的專業知識儲備，并通過大量現場勘查來收集水文及生物資料，耗時長且成本較高。歐盟內外的一些國家通過使用簡化的“廣義”棲息地模型以降低成本。

水力-棲息地模擬方法是根據水文形態條件估算棲息地的數量，而不考慮更加復雜的生態及生物因素，例如食物可獲得性、種間相互作用以及外來物種的存在。

水力-棲息地法使用案例包括：①希臘羅得島加爾達拉斯河建造大壩使河流流態發生改變。需要確定水庫關鍵水位以使其成為土著魚類拉迪赤梢魚生存保護地。基于該方法制定了大壩泄流計劃，供大壩運營方對洪枯期、洪枯年份的庫水位進行調度。泄流計劃實施1a后，通過物理、生物和物理化學監測表明，河流流態可較好保護枯季拉迪赤梢魚種群，確保了魚類生存。②瑞典默魯姆河特定水生物種創造有利水力條件的實踐過程。自1959年以來，默魯姆河水一直被用于發電。該河流是鮭魚與海鱒的潛在產卵場，為了更好地發揮潛在產卵場的作用，需要加大流量并進行河道地形修復。以水力一棲息地模擬為依據，評估不同流量過程，并與鮭魚種群模型相結合。根據模擬，將魚類遷徙季節與流量峰值相結合，得出了生態基流的建議值。③法國默茲河天然徑流波動較大，加之上下游航運、水電站運行的影響以及水資源管理不當等因素，導致了徑流突變。通過河流棲息地法模擬了低流量對鮑魚適宜棲息地數量的影響。對模型進行可靠性分析發現，對產卵區以外目標物種每一生命階段的適宜棲息地估算值過高，需進行適當調整。通過結合現場收集的信息克服了棲息地法的若干缺點。

1.3整體法

整體法的目的是將人類和生態流量需求融合到縝密的評估框架中。該方法的理念是所有生物和非生物組成了需要管理的生態系統。

整體法有時被稱為專家小組法，在研討中制定生態流量標準，由多學科專家小組（包括水文學、地貌學、水質和生態學各學科）審議特定河流的數據。

水文變化的生態限制框架（ELOHA）是專門為滿足州、省或流域尺度的環境流量管理與國家水政策層面的需求而開發的，將環境用水需求納入區域水資源規劃及全球管理中。該框架同時解決了河流（包括湖泊與濕地）的許多問題。根據評估深度、數據收集與專家咨詢程度的結果表明，整體框架的應用耗時較長且成本較高。

斯洛文尼亞生態流量的確定使用了水文法和整體法。采用整體法評估了分水（取水）河段的生物、化學和水文形態特征，考慮與自然保護及保存政策有關的需求確定生態流量。整體法可用于全球任何地方，但作為基于專家支持的方法，其可復制性有限。

2方法選擇

根據流域的水文特征、規模范圍以及環境和經濟情況，建議選擇分層次方法確定適當的生態流量計算方法。可以選擇從簡單到復雜的方法。根據一個國家的規模、風險范圍、用水強度、預算、能力與時間框架等進行計算。可在許多不同方面分階段分層實施，例如：①增加科學評估的復雜性，從非常簡單的流域規模水文分析到基于現場的綜合調查;②增加的流態復雜性，從季節性低基流的基本保護到維持具有年內（年際）變化的更復雜流態;③地理分階段，從高優先級站點開始計算。

由于生態流量計算需要一定條件，因此分階段的分層次方法是實際應用中最為有效的方法，可用于制定某一地區或國家的生態流量政策。如西班牙廣泛采用了兩種評估級別，將生態流量納入流域管理計劃。英國河流使用了生態流量的3種評估級別，且投資越大評估結果越準確。

表2為一種適用于生態流量計算方法選擇的3層結構方法。

3生態流量差距分析

在《歐盟水框架指令》的一般背景下，“差距分析”在于確定每一水體現有狀態與實現環境目標所需狀態的偏差。如果水文情勢變化可能妨礙實現環境保護目標，則應對當前流態與生態流之間的差距進行評估，即“生態流量差距分析”。雖然水文變化脅迫分析評估中考慮到了當前流量與天然流量的偏差，但生態流量差距分析在于評估當前流量與生態流量之間的距離（見圖1）。

由圖1可知，可在任何時間尺度（月，季節或年）上計算生態流量差距，應集中于發生改變的流量分量（包括流速）。對于低流量，生態流量差距可以理解為由于引調水而實際上不可用于滿足生態流量需求的凈水量。

水量平衡中通常考慮生態流量。在斯洛伐克水資源定量評估時就是如此。水量平衡一般以上一年度的水量需求與水資源可用性評估作為根據，明確了水資源利用的現狀與可能性，并作為下一時期的水資源管理約束條件。生態流量用最小平衡流量表示，作為水量需求輸入量之一。在考慮水量平衡時，若出現水量不足的情況，可據此對現有措施進行指導和審查，以改進或重新制定措施。

對于目前滿足生態流量（無生態流量差距）的地表水體，在措施計劃中應關注維持河流健康。對于某些河流，若已經確定當前流量和生態流量之間差距，則應制定相應的措施計劃以恢復生態流量，并縮小差距。

4結語

選擇合適的生態流量計算方法取決于資源的可用性（包括監測數據）和受影響的嚴重程度。對覆蓋整個流域的情況，可選擇采用水文法;針對潛在影響采取具體措施時，則需要更詳細的方法來確定生態流量以確保其有效性。在水文變化可能影響實現環境保護目標的情況下，評估當前流態和生態流量之間的差距是設計修復措施計劃的關鍵。

在河流受到人類活動影響的情況下，應當評估當前流態與實現保護目標所需流態之間的差異，以便制定適當措施。這種差異的分析包括對河流監測或模擬結果的評估。對生態流量評估需要考慮天然流態和河床形態、河流生態流量與確定環境保護目標是否相適應。本文介紹的方法可用于生態流量的確定，大多綜合考慮了生物狀況、時間尺度、復雜性和所需數據方面的差異。應結合不同類型計算方法的適用條件和數據獲取難易程度，選取合適的計算方法。

本文介紹了3種生態流量計算方法及其適應性選擇，可供計算河流生態流量時參考借鑒。建議根據不同地域、類型河湖的氣候水文特性、水資源稟賦條件及開發利用狀況、河湖生態功能定位等，明確主要生態保護對象及保護要求，選擇適當的生態流量計算方法，確定合理的河流生態流量及過程，以滿足下游生態保護目標的需求，并及時開展重要河流生態流量評價。對流域內建有多座水工程的河流，在滿足單個工程生態流量保障要求的前提下，還應根據上下游河流廊道、湖泊、濕地、河口及魚類棲息地等選定的保護目標對生態流量及過程的要求，分析各工程的調度約束條件和調度目標，綜合提出流域上下游梯級聯合生態調度方案。

（編輯：李慧）