競爭性用水河流生態流量確定方法研究

馬紅亮　葛雷　王瑞玲等

關鍵詞：競爭性用水;生態流量;棲息地模型;生態流量組成;伊洛河

中圖分類號：TV211.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.019

引用格式：馬紅亮，葛雷，王瑞玲，等.競爭性用水河流生態流量確定方法研究[J].人民黃河，2022，44（3）：97-102，117.

生態流量的確定是當前水資源與水生態環境保護的熱點和難點工作之一，開展河湖生態流量研究是加強流域生態保護與水資源管理的重要基礎性、先決性工作，對于維持河流健康生命、促進流域人水和諧具有重要意義[1]。目前，生態流量計算方法主要有水文學法、水力學法、棲息地模擬法和整體分析法4大類[2]。雖然不少方法與生態需水量機理相結合建立了水文-生態響應關系，但大多數方法從特定生態保護對象需水量的角度出發，追求“天然狀況”下的生境條件，過于強調河流生態服務功能的同時，忽略了水資源開發利用情況和經濟社會發展的需求。因此，科學界定河流自然生態與社會服務功能的平衡點，促進流域生態保護和高質量發展均衡協調，是競爭性用水河流生態流量確定的關鍵和難點。

近年來，我國許多地區過度開發利用水資源，生產、生活用水嚴重擠占生態用水，水資源生態系統服務功能減弱，部分流域和區域人與自然爭水現象突出[3]，競爭性用水局面不斷加劇，河流的自然生態與社會服務功能嚴重失衡。對于水資源開發過度地區，研究變化環境下的競爭性用水河流典型生態系統演變特征，提出水文-環境-生態復雜條件下的河流生態需水量及其過程，對于恢復受損河流生態系統、促進流域生態保護和高質量發展具有重要意義。

1競爭性用水河流生態流量確定方法

1.1競爭性用水河流內涵與保護方法

競爭性用水主要指生態環境與經濟社會對于同一河流水源產生的用水競爭現象，兩者的用水競爭與利益沖突普遍存在，隨著用水需求的增加，經濟發展用水與環境需水量成為有限水資源承載對象的一對矛盾[4]。對于競爭性用水河流來說，生態環境與經濟社會的用水矛盾十分突出，出現河流減水甚至斷流、水污染加劇、濕地萎縮、生物多樣性受損、水生態系統退化等問題，嚴重制約著流域生態保護與高質量發展。因此，河流的保護需要統籌自然生態與社會服務功能的關系，通過不斷調整人的行為，逐漸修復因人工過度干預而失衡的河流基本功能。

結合競爭性用水河流的特點，將其生態保護劃分為最小生境和適宜生境，對應的河流生態系統需水量分別為最小生態流量和適宜生態流量。最小生態流量指維持河道生態系統現狀不惡化，為關鍵性物種如魚類提供最小生存空間的河流流量;適宜生態流量指為維持水生態系統完整性，河道水文情勢能滿足魚類正常生存繁殖的水文、水力學要求，生態系統呈健康狀態的河流流量[5]。

水資源具有生態、社會、環境、經濟等多重屬性，競爭性用水河流生態流量的確定需要統籌考慮河流多種功能，以資源、生態、環境均衡發展為指引，以河流生態系統良性循環為保護目標，開展河流生態系統需水量研究，建立水文與生態的定量響應關系。同時，考慮競爭性用水河流的水資源稟賦條件，選取歷史上人類大規模經濟活動初期、河流生態環境狀況相對較好的歷史時期作為河流最佳狀態的參照系統[6]，借鑒環境流量分類方法（EFC），計算參照系統下各流量組分特征值作為參照標準[7]，對生態需水量進行修正和完善，建立競爭性用水河流生態狀況良好、經濟社會可持續發展的生態流量指標體系。

1.2河流生態系統需水量計算

河流生態系統包括直接依賴河川徑流滋養的水生生態系統和濕地生態系統，河流生態系統的良性循環對于促進流域生態系統健康具有重要作用[8]。河流生態系統需水量計算常用的方法有濕周法、R2CROSS法和棲息地模擬法等，其中棲息地模擬法是基于生境適宜度評價指標體系將物理生境因子的條件和生物本身的需求結合起來，模擬流量和適宜生境之間的定量關系。該方法被認為是生態需水量計算方法中最為可靠的方法之一[9]。

對于河流水生生態系統來說，魚類處于水生生物群落食物鏈的頂層，常被作為河流健康評價的指示物種。為準確描述魚類不同生長階段的生態需水規律，根據魚類個體發育史，將計算時段劃分為繁殖期、生長期和越冬期，綜合水深、流速等生境因子的現場監測、實驗室模擬結果及專家經驗等，明確指示物種不同階段生態習性及其棲息地質量對徑流條件的需求，建立魚類不同生長階段棲息地適宜度指數，借助水動力學模型，模擬系列流量過程和棲息地質量之間的定量關系。

對于以生態保護為主要目標或水資源開發利用程度較低的河流，應選擇棲息地面積最大值所對應的流量作為適宜生態流量，但是對于競爭性用水河流來說，生活、生產、生態用水矛盾突出，選擇最大棲息地面積難免缺乏可操作性，因此可根據指示物種各生長階段對于維持種群規模的意義，選擇合適的棲息地規模，將其對應的流量作為適宜生態流量。對于最小生態流量，選擇棲息地面積與流量關系曲線中第一個轉折點或曲線斜率最大點對應的流量，此時棲息地面積隨流量處于快速上升階段，棲息地面積對流量變化較為敏感。

1.3歷史參照系統生態流量組成分析

河流生態系統保護的核心是將一定時期自然條件下的河流水文條件作為河流生態系統健康的參照標準，通過模擬參照系統條件下流量的自然節律，塑造相應的流量過程使生態系統保持預期的健康狀態。參照系統的選擇至關重要，對于競爭性用水河流來說，流量恢復不是要模擬純天然條件下的流量過程，而是選擇最好的方式使有限的水資源達到更好的生態環境效果。對于一條河流來說，隨著水資源開發利用程度的不斷提高，河流逐漸由天然狀態過渡到半人工或近人工狀態，因此競爭性用水河流參照系統的選擇時期不一定是天然時期，也可以是歷史上水資源開發利用程度相對較低、生態環境用水較為充足的階段。

20世紀后期大自然保護協會（TNC）提出環境流量分類方法（EFC），將流量過程劃分為極端低流量、低流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水5種，明確了每種流量過程的生態學意義，建立了相應的環境流指標[10]。采用環境流量分類方法，計算歷史參照系統條件下生態流量特征值，包括最小流量、適宜流量和高流量洪水脈沖。最小流量是指示物種不同生長階段極端低流量與低流量閾值，也是河流生態系統生存的極限條件。將指示物種不同生長階段在參照歷史時期的低流量平均值作為指示物種生存的適宜流量。高流量洪水脈沖帶來了強烈的生命節律信號，具有引發生物發育、洄游、繁殖等功能[11-12]，魚類繁殖期一定量級的脈沖洪水可以促進親魚繁殖，縮短產卵及受精時間;生長期需要一定流量級的洪水發生，為魚類提供豐富的食物，因此應統計分析參照系統高流量洪水脈沖特征值，包括高流量脈沖閾值，洪水脈沖次數、時間、平均流量及持續時間等。

1.4資源生態環境均衡協調方法

競爭性用水河流生態流量的確定既要考慮經濟社會發展的用水需求，也要兼顧河流生態服務功能的發揮，應以歷史參照系統下生態流量為底線，借助棲息地模型開展河流生態需水量計算，采用外包線法綜合確定河段最小生態流量和適宜生態流量。同時，根據歷史參照系統下高流量洪水脈沖特征設計洪水脈沖過程。

2伊洛河入黃口生態流量研究

2.1研究區概況

伊洛河是黃河下游重要的一級支流，流域多年平均水資源總量為32.3億m³，年徑流量居主要支流第三位，是黃河水資源相對豐富、含沙量較小的支流之一。流域內生境類型多樣，魚類等水生生物多樣性豐富，伊洛河流域共有浮游植物7門82種、浮游動物4類69種、底棲動物4大類9種、魚類5目10科50種，是黃河中下游魚類多樣性較為豐富的河流。流域下游伊洛河入黃口位于黃河鄭州段黃河鯉國家級水產種質資源保護區核心區，歷史上一直是黃河鯉的主要產卵場之一，隨著黃河干流魚類棲息地的日益萎縮，伊洛河入黃口對于營造良好的魚類棲息生境、維持黃河中下游河段生態系統健康顯得尤為重要。

現階段，受河流污染、水電站建設、河段開發等影響，伊洛河中下游河段魚類生境條件受到嚴重破壞，棲息生境萎縮，生物多樣性下降，威脅著河流與流域的生態安全。同時，伊洛河流域大部分位于國家重點開發區，下游洛陽市屬于中原經濟區的副中心，下游河谷平原位于黃淮海平原主產區（國家限制開發區）的東部，作為中部地區重要的工業基地和連接中西部的重要區域，流域經濟發展強勁，未來對水資源需求將進一步增加，使得流域競爭用水態勢更加突出，根據《伊洛河流域綜合規劃》，2030年流域水資源開發利用率增至67%，未來水資源供需矛盾將更加尖銳，流域生態保護面臨更大挑戰。

通過開展伊洛河流域生態流量研究，科學確定重要控制斷面不同時段生態用水需求，對于維持河流生態系統健康、促進流域高質量發展、建設造福人民的幸福河具有重要意義。

2.2基于棲息地模擬法的河流生態系統需水量計算

棲息地模擬法物理機制清晰、應用廣泛，是河流生態系統需水量計算的重要方法。為建立指示魚類棲息地狀況與各生境因子的響應關系，分別于2018年5月、2019年4月和5月對伊洛河入黃口開展了水文、生態、環境等多因子監測，詳細調查了研究河段浮游生物和魚類種類、數量、受精卵和仔魚發育情況，以及棲息地流速、水溫、水深、地形等生境因子。綜合考慮生態價值、土著物種、經濟價值等因素，選擇黃河鯉作為該河段生物多樣性和魚類物種資源保護的指示物種。

通過分析黃河鯉繁殖期流速、水深等棲息地生境因子頻率分布，綜合應用實驗室模擬法、野外實測法、專家經驗法等，建立黃河鯉棲息地適宜度曲線。考慮到產卵期親魚和魚苗對各生境因子需求不同，分別構建了黃河鯉親魚、魚苗棲息地適宜度曲線，見圖1～圖3。

根據現場調查結果，選取伊洛河入黃口至上游5.5km河段作為模擬河段，該河段位于黃河鄭州段黃河鯉國家級水產種質資源保護區核心區，是現狀調查中伊洛河流域內黃河鯉的重要產卵場之一。黃河鯉產黏性卵，多在河流沿岸緩流淺水、有水草或者附著物的地方產卵;卵化后的魚苗有頂水逆流的習性，游到河面寬闊、水流平穩、餌料豐富的河段生長發育。模擬河段內伊洛河特大橋上下游區域河勢散亂，河漫灘或心灘廣泛發育，水草和蘆葦較為豐富，淺水處流速較小，比較適合魚類產卵和生長發育。借助Delft3D模型模擬不同流量條件下適宜棲息地分布（見圖4、圖5，圖中適宜棲息地分布狀況以棲息地適宜度來表示，0代表完全不適合黃河鯉棲息，1代表最適合黃河鯉棲息）。通過地形修正，水深模擬偏差值為0～0.4m，流速模擬偏差值為0～0.05m/s，模擬結果與實測值吻合較好。

4—6月為黃河鯉產卵及仔幼魚發育期，是魚類生命周期中最為脆弱和重要的階段，棲息地生境對生態水文條件要求較高，因此棲息地模擬以黃河鯉繁殖期（4—6月）為重點。繁殖期黃河鯉棲息地面積與流量的關系曲線見圖6。對于黃河鯉親魚來說，僅考慮流速因子時，適宜棲息地面積隨流量增大而增大;僅考慮水深因子時，適宜棲息地面積隨流量增大而減小;綜合考慮流速和水深因子時，適宜棲息地面積隨流量增大呈先增大后穩定的趨勢。對于黃河鯉魚苗來說，僅考慮流速因子時，適宜棲息地面積隨流量增大呈先穩定不變后減小的趨勢;僅考慮水深因子時，適宜棲息地面積隨流量增大而減小;綜合考慮流速和水深因子時，適宜棲息地面積隨流量增大呈減小趨勢。

（1）繁殖期生態流量。該時期既包含親魚產卵期，也包含仔幼魚發育期，考慮黃河鯉不同生長階段對生態水文條件的要求不同，因此生態流量的確定需要綜合考慮親魚和魚苗的生境需求。伊洛河入黃口黃河鯉繁殖期適宜棲息地面積與流量的關系曲線見圖7，隨著流量的增大，黃河鯉親魚適宜棲息地面積呈增大趨勢，魚苗適宜棲息地面積呈減小趨勢。因此該河段適宜生態流量的確定需綜合考慮維持親魚產卵需水量和魚苗生存及生長發育需水量要求，最小生態流量確定以維持親魚產卵需求為主、兼顧魚苗生長發育要求。

綜合考慮流速、水深因子，流量低于15m³/s時，魚苗對應的適宜棲息地面積處于較高水平，親魚對應的適宜棲息地面積較小，但處于上升階段。當流量為13m³/s時，親魚關系曲線處于快速上升的第一轉折點，對流量變化較為敏感，因此確定4—6月黃河鯉最小生態流量為13m³/s。

當流量為13～30m³/s時，親魚適宜棲息地面積與流量關系曲線處于快速上升階段;當流量為15～45m³/s時，魚苗棲息地面積與流量關系曲線處于快速下降階段，適宜棲息地面積受流量大小影響較大。其中，當流量大于30m³/s時，隨著流量的增大，親魚適宜棲息地面積增大較慢，而魚苗適宜棲息地面積減小較快。綜合以上分析，確定研究河段4—6月黃河鯉適宜生態流量為30m³/s，此時大部分河心灘及河漫灘上生長的蘆葦和水草被水淹沒，水流緩慢，基本可以滿足親魚產卵和魚苗生存及生長發育需水量要求。

（2）越冬期（11月至次年3月）生態流量。黃河鯉越冬期基本處于半休眠停食狀態，活動范圍小，對生境條件的要求相對較低。越冬期黃河鯉適宜棲息地面積與流量的關系曲線見圖8，可以看出，隨著流量的增大適宜棲息地面積呈緩慢增大趨勢。但是，即使在較小流量條件下，黃河鯉越冬期適宜棲息地面積也在80hm²以上，與繁殖期相比處于較高水平，可以滿足黃河鯉棲息生境要求。

2.3歷史參照系統生態流量分析

伊洛河流域20世紀五六十年代人口相對較少，生產力低下，水資源開發利用率低，基本處于天然狀況;七八十年代，水資源開發利用率緩慢提高，生態環境狀況良好;九十年代后特別是2000年以來，用水量增加顯著，河流生態環境問題凸顯。考慮伊洛河流域徑流特點，結合流域魚類棲息地狀況變化規律，選擇20世紀七八十年代作為歷史參照時期。

根據黑石關斷面1971—1989年實測日均流量，采用環境流量分類方法計算伊洛河歷史參照系統下黃河鯉不同生長階段最小流量和適宜流量（見表1）。各高流量洪水脈沖特征值見表2。黑石關斷面4—6月高流量洪水脈沖閾值為66m³/s，7—10月閾值為118m³/s。

2.4伊洛河生態流量過程確定

綜合考慮棲息地模型和環境流量分類方法計算結果，采用資源、生態、環境均衡協調方法，得到伊洛河黑石關斷面生態流量，見表3。

2.5結果合理性分析

利用實測流量資料開展黑石關斷面生態流量滿足狀況評價。對于適宜生態流量，實施黃河水量統一調度后的2000—2018年日均、月均滿足程度分別為53.2%、59.3%，歷史參照時期的1971—1989年日均、月均滿足程度分別為51.3%、60.0%，兩者較為接近。

對于最小生態流量，1956—2018年生態流量月均滿足程度為94.9%，日均滿足程度為89.8%;2000—2018年生態流量月均滿足程度為95.6%，日均滿足程度為89.1%。多年平均條件下最小生態流量滿足程度均大于85%，可以認為本次確定的伊洛河生態流量目標是合理、可行的。

3結論

基于棲息地模擬法確定了維持良好水環境的生態用水需求，基于環境流量分類方法分析了歷史參照系統下各流量組分特征值，構建了不同等級生境保護目標下多要素、多情景、多目標的生態需水量模型，提出了一種協同生態、環境、資源均衡發展的生態流量確定方法，并以伊洛河為例開展了生態流量研究。

（1）構建了不同生境保護目標的競爭性用水河流生態流量指標體系。競爭性用水河流具有生態地位重要、水資源開發利用程度較高、用水矛盾突出等特點，為使河流自然生態與社會服務功能均衡發展，將河流生態系統保護劃分為最小生境和適宜生境，同時考慮到洪水脈沖具有引發生物發育、繁殖等功能，將生態流量指標劃分為最小生態流量、適宜生態流量和高流量洪水脈沖。

（2）按照黃河流域生態保護和高質量發展的戰略要求，嘗試建立了一種面向競爭性用水河流的生態流量確定方法。該方法以指示物種對水文條件的動態響應關系為依據，借助棲息地模型開展河流生態系統需水量計算，同時以典型歷史時期為參考標準，采用環境流量分類方法分析最小流量、適宜流量及高流量洪水脈沖特征變化，對生態需水量成果進行修正和完善，兼顧了生態保護和經濟社會發展。該方法能夠統籌流域資源、生態、環境均衡發展要求，可以科學確定北方競爭性用水河流生態流量。

（3）以伊洛河為例開展生態流量研究。計算結果表明：黃河鯉繁殖期（4—6月）黑石關斷面最小生態流量為13m³/s，適宜生態流量為30m³/s，每年5月上中旬需要10～14d峰值不低于66m³/s的洪水脈沖過程;黃河鯉生長期（7—10月）最小生態流量為13m³/s，每年7—8月需要7～10d峰值不低于118m³/s的洪水脈沖過程;黃河鯉越冬期（11月至次年3月）最小生態流量為11m³/s。

【責任編輯 呂艷梅】