基于改進IFIM法的生態流量應用方法進展

馮穎璇，李懷恩，成 波，賈斌凱，周 翔

(西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

由于社會經濟的快速發展和人口不斷增加，人類對水資源的不合理開發與利用已經對水生態系統健康造成了嚴重威脅[1-2]。生活、生產用水大量擠占生態用水[3]，導致生態用水嚴重不足，從而產生了一系列水生態問題，主要表現為水質惡化，水資源總量急劇減小、水生生物資源量銳減等多方面。為了維持河流的生態系統基本功能，保護水生生物的棲息地環境，迫切需要開展生態流量的相關研究。

近年來，將近50個國家開展了生態流量的研究，提出了200多種研究方法，主要分為水文學法、水力學法、棲息地法和整體法四大類[4-7]。水文學法是利用簡單的水文指標以歷史流量為基礎確定河流生態流量，水力學法通過建立流量與水力學之間的關系計算生態流量，棲息地法以建立棲息地環境因素、水力學條件和河道流量的關系確定生態流量，整體法從生態系統整理出發，建立完善的河流生態監測系統從而最大程度地保障生態流量[8-10]。由于水文學法、水力學法未直接考慮生物目標需求[11-12]，整體法又需耗費大量的時間與資金，故而棲息地法在近年來成為計算生態流量的熱門方法。棲息地法是根據目標物種所需的水力條件確定生態流量[13]，為水生生物提供一個適宜生存的棲息地環境，因其可定量化定義物種的生境要求，同時也綜合考慮了生物的需求，故此目前被認為是最可信的計算方法之一。代表性方法為河道內流量增加法(Instream Flow Incremental Methodology,IFIM)，其中PHABSIM(Physical Habitat Simulation System)模型是IFIM法中最典型的模型[14-16]，本文基于PHABSIM模型對改進IFIM法進行研究。

由于不同區域地形、氣候等要素不同，導致模型的適用性、參數的確定等存有較大差異。本文旨在通過總結各學者建立水力學模型與物理棲息地模型的耦合模型，歸納研究生態流量的新方法—改進IFIM法，探索水生生物維持正常生命活動所需的生態流量，闡述與物理棲息地模型耦合的不同水力學模型的適用范圍，綜合分析不同水力學模型的優點和缺陷，并根據改進IFIM法的存在問題提出改進IFIM法的發展方向，為更好的構建系統理論提供依據。

1 傳統的IFIM法

棲息地法在長江流域應用較多，其原理為以保護目標物種的棲息地為核心。計算流速、水溫、水深等不同生境因子的適宜度指數并繪制流量與棲息地面積的關系曲線，從而確定生態流量[17-18]。為了保護魚類棲息地及種群結構美國漁業及野生動物署于1974年研發了IFIM法[19]，其利用水力學模型預測水深流速等參數，結合生境適宜度標準計算目標物種的棲息地面積，建立流量與棲息地面積之間的關系最終求得生態流量。本文按照以下結構進行闡述(圖1)。

圖1 改進IFIM法框架

1.1 PHABSIM模型

PHABSIM模型主要包括水力學模型與棲息地模型兩大部分[20]，其中水力學模型由IFG4、MANSQ、WAP、STGQ和HEC-2組成，棲息地模型由HABTAT、HABVQE、HABTAV、HABTAM和HABVD組成。PHABSIM需綜合考慮與魚類適宜生境密切相關的生境因子(流速、水深、基質及水溫等)，并將目標魚種的生長周期分為產卵期、育幼期、成年期從而進行不同時段的生態流量計算，PHABSIM模型原理見圖2。

圖2 PHABSIM原理

1.1.1目標物種的適宜度曲線

選擇合適的對象物種，并繪制該目標物種對流速、水深、底質等生境因子的適宜性曲線是使用PHABSIM模型推求生態流量的關鍵。目前，棲息地法大多選擇魚類作為目標物種進行計算。其主要原因為：魚類處于水體食物鏈最頂端，生命周期較長，活動能力較強，可以較好地反映長時間序列及大尺度范圍內的環境變化特征[21-22]。

目標物種目前還沒有統一的確定方法及標準，通常有如下方法：①通常通過實地調研或查閱文獻等形式選定珍稀魚類或主要經濟魚類作為推求生態流量的目標物種;②根據優勢度或食物鏈結構，篩選出水生態系統的關鍵種群，再與國家、地區珍稀或瀕危物種相耦合，其中優先保護的物種就是目標物種;③從產卵或攝食環境等要素篩選目標魚種，運用層次分析法構建判斷矩陣，計算不同魚種的排序權值，以定量化確定研究區域的代表性魚種。

詳細調查目標魚種的生境特征，將棲息地適宜性指標與魚種生境因子關聯，一般對單個因子賦予適宜的權重，以計算棲息地適宜度指數HSI[23]。一般采用加權平均法計算棲息地適宜性指數HSI，從而定量計算出目標魚種棲息地的適宜性程度，見式(1)：

HSI=k1×f(1)+k2×f(2)+…+kn×f(n)

(1)

式中ki——第i個因子的權重，權重加和為1;f(i)——第i個生境因子的適宜度，取值范圍一般為0～1。

根據以上標準繪制目標魚種的生境適宜曲線。

1.1.2水力學模型

水力學模型主要用于水位模擬和流速模擬[24]，其主要功能在于計算不同流量的水位及橫斷面各分區的流速分布，是后續棲息地模型計算可利用棲息地面積的基礎，故而水力學模型的精度對棲息地模型的結果具有較大的影響。

要確保水力模擬的準確性，需選擇魚種對流量較為敏感的地區，依據魚種中生境類型設置斷面[25]。將河道斷面按一定步長進行分割，目標斷面的合理性影響了生態流量的最終計算結果，需保證每個單元中包括河道形態變化明顯的區域，在選取的橫斷面中，測定每個單元平均垂直流速、水深、基質、覆蓋物和河底高程以及每個斷面的水質與水溫，將測得的參數代入公式最終推估出水深、流速以進行下一步計算，具體公式見表1。

表1 PHABSIM模型[24]計算公式

1.1.3棲息地模型

棲息地模型是借助水力學模型構建的不同流量下的不同斷面的生境特征(流速、水深等)，結合適宜性曲線找出橫斷面各分區的棲息地適宜度指數，與研究斷面的水域面積相乘即可計算出目標魚種的有效棲息地面積WUA。利用WUA計算公式(表1)可在不同流量下計算出目標魚種在不同生長階段的使用面積，同時也可確定魚類棲息地面積與流量的關系，從而反映河流的健康狀況。原則上以棲息地面積最大值對應的流量為河道內目標魚種的生態流量，但此時求得的流量值過大導致實際性和可操作性較差，故而一般選取流量-WUA曲線上首個明顯轉折點作為生態流量，該點即為棲息地環境發生顯著惡化的流量值。

1.2 IFIM法的特點

IFIM法可以模擬流量變化棲息地的影響并產生動態的水文和棲息地時間序列數據，從而研究不同流量下對目標物種對生命活動的影響，而不是像其他方法僅僅給出一個最小的生態流量或區間值，相比之下更有說服力。同時它可與水資源規劃過程相結合[26]，在水資源配置框架中直接應用，為研究人員提供了不同魚種在不同生命階段時流量與棲息地的關系，方便研究人員綜合各種需水信息，直觀展示河道流量變化對于魚類棲息地的影響并做出一個相對平衡的決策。

IFIM法的棲息地模型不僅在美國，在法國、日本和德國等多個國家也得到了不同程度的應用。但是IFIM法也存在著一些不足之處，例如天然河道并不滿足PHABSIM模型的諸多限制，導致確定的生態流量與實際結果存在偏差，計算結果精確度有待考證，具有局限性、普適度低等缺陷。

2 改進的IFIM法

現階段，許多學者將其他水力模型與棲息地模型相結合，不僅使計算結果更為準確，拓展了生態需水的指標范疇，同時也為生態需水的求解提供了一種新的計算方法。本文總結了傳統IFIM法與HEC-RAS、MIKE、Delft3D 3種水力學模型相耦合的改進IFIM法，并對比這3種模型的優缺點(表2)。

2.1 HEC-RAS模型

HEC-RAS是主要用于天然或人造河網的水力學計算模型，可支持模擬河道一維恒定流、非恒定流、泥沙輸移模型、水質模型等[27-28]，通常被應用于穩態及非穩態河道水面的一維水力計算。通過河道地形數據、糙率等資料，采用HEC-RAS構建一維水力學模型，借助HEC-RAS模型的水面線計算，得到不同流量下各個斷面所對應的水深、流速和過水斷面面積，以便進行生境可利用面積WUA的計算，待得到流量與生境可利用面積關系曲線后，曲線的第一個轉折點所對應的流量就是生態流量。

侯昕玥等[29]基于河道內流量增加法(IFIM)原理，借助HEC-RAS水力學模型對渭河寶雞段進行水力模擬，選取麥穗魚為目標物種并考慮流速和水深2個生境因子，最終求得生態流量值。黃亮等[30]基于IFIM法原理，選擇HEC-RAS作為平臺對紅水河來賓段進行水力模型建模，以斷面數量代替棲息地面積來評價適宜生態流量，該研究拓展了生態需水指標范疇，更適應水資源管理的需求，同時對于缺乏精細地形數據的生態需水計算有借鑒意義。張文鴿[31]提出了基于HEC-RAS和PHABSIM的生態流量計算方法，在水流條件上應用HEC-RAS模型計算水位值及水力坡度，生態分析上應用PHABSIM模型，將2個模型的優點予以整合，從而求得的河道生態流量更為合理與精確。

HEC-RAS模型可對單一河段、干支流交匯或環狀河網系統進行數值模擬并自動生成河道橫斷面圖、流量及水位過程曲線等各種圖表，操作簡便，避免了復雜的數值模擬計算，模型參數和邊界條件便于選擇和修改，顯著提高了河流水動力模擬的適用性。但HEC-RAS軟件只能模擬一維河流系統，在模擬非穩態河流時其準確性略顯不足，模型建立的好壞對計算結果的精確度有很大影響，斷面數據資料要求也比較高，需謹慎選擇合適的水力參數。

2.2 MIKE模型

MIKE軟件是DHI多為專家共同研發應用與水相關的工程實際問題相關問題模擬軟件[32]，包括MIKE11[32-34]、MIKE21[35]、MIKE3[36]等。其中，MIKE11[32-34]是一維水力模擬軟件，以圣維南(Saint-Venant)方程組為理論基礎，是國內外通用的一款強大的河流水動力和環境模擬軟件;MIKE21模型是二維水模擬軟件，HD模塊為環境模擬和泥沙傳輸提供了水動力學基礎[35]，是該模型的核心;MIKE3模型是由水力學模型、紊流模型和泥沙輸移模型3個模塊組成的三維水流模型，主要用于自由水面的水動力計算[36]。改進的IFIM法運用MIKE模型模擬出不同流量下的水深、流量分布，再利用PHABSIM模型繪制出流量-WUA曲線，通過轉折點確定生態流量。

潘明祥[37]運用MIKE11水力學模型建立了三峽水庫下游的一維水動力學模型反映出了該河段的地形特點，而后運用PHABSIM模型模擬了三峽水庫河道魚類的棲息地環境，根據模擬的流量-WUA曲線得出最佳生態流量。劉國民等[38]運用MIKE21二維水力學模型模擬了新安江壩下江段24個流量條件下的水深、流速分布，并利用PHABSIM模型做出流量-WUA關系曲線，得出適宜生態流量。侯昕玥等[39]基于IFIM原理，利用MIKE21FM、River2D、PHABSIM等軟件建立水動力模型，模擬不同來水情況下河道內水深、流速、水溫等生境因子，基于流量-WUA曲線確定不同模擬結果下的生態流量。汪青遼等[40]利用MIKE21建立河段的平面二維淺水水動力學模型，得到不同流量下的河道流場分布，模擬出的流量與水位相對誤差在0.01%之內，可靠度較高。

部分學者利用MIKE11、MIKE21等水力模型與棲息地模型相耦合，利用水力學模型更加精確地確認了河流的水深流速等生境因子，從而更好地計算出生態流量值，其最大的缺點是MIKE是一個商業性的水力學軟件包，價格昂貴，由于經費的限制，一般的科研問題使用率較低。

2.3 Delft3D模型

Delft3D[41]是由荷蘭Delft大學開發的一套功能強大的軟件包，主要應用于自由地表水環境，可模擬二維和三維的水流、波浪、水質、生態、泥沙輸移及床底地貌，以及各個過程之間的相互作用[42]。它是以FLOW水動力模塊為主體，建立在Navier-Stokes方程的基礎上，通過建立適合邊界的直線網格或者曲線網格來計算非穩定流[43]。利用Delft3D水動力模型，對研究區進行水力學模擬，結合流速、水深等生境因子得到流量-WUA關系曲線，根據曲線確定研究區域的最小生態流量與適宜生態流量。

Delft3D模型不僅能夠能滿足模擬大量的水動力要素研究的要求，而且還可以高精度模擬河流、湖泊等多種穩態和非穩態水體的水動力過程，在網格處理、編輯及生成方面也有很大優勢[44]，與其他模型軟件相比，該模型具有方便快捷，實操性強等優勢。如李健等[45]利用Delft3D軟件組建水力學模型，模擬了長江中游流速和水深分布，計算四大家魚產卵期棲息地面積并繪制流量-WUA曲線，從而得到四大家魚產卵期的最小生態流量。Delft3D軟件不但可作為水動力模擬工具，并且在河床地形數據充足的情況下，還可以更準確描述微棲息地的構造。

Delft3D在水力計算中應用非常廣泛，極大程度的提高了水力科技工作的效率，同時為我國水動力模擬提供了一個好的計算平臺。但Delft3D水動力模擬比較適用于一些形狀規則的淺水湖泊，可調試參數相對較少[46]，在一些注重編程的科研領域應用較為困難，因此該模型在使用上也具有一定的局限性。

2.4 方法對比分析

HEC-RAS模型、MIKE系列模型及Delft3D模型在河道水力計算、河道水力分析、河道整治等方面均發揮著重要作用，根據所查文獻，本文歸納出上述3種模型的優缺點及適用范圍，見表2。

PHABSIM模型以一維水力學公式為基礎，只適合在斷面和水力糙率變化緩慢的穩態水流進行水力模擬，而與HEC-RAS、MIKE、Delft3D 3種水力學模型耦合形成的改進IFIM法，實現了二維和三維流場的流速和水位模擬，可適用于非穩態水流的水力模擬，拓寬了棲息地法的使用范圍。一維水力學模型使用離散的河流橫斷面進行建模，而二維和三維使用連續水深描述河床地形分布，故一維水力學模型相較而二維與三維水力學模型的結果和精度更易受到橫斷面位置的影響。但改進IFIM法仍有一定的局限性，如MIKE21水力學模型對原始資料和模型參數的要求較高，為保證模型的精確度和擬合度，需要大量的歷史實測資料和實測數據，但模型往往受限于資料的缺乏，只能在局部區域和單一河道及其影響區域展開。

表2 水力學模型優缺點[46-49]

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

改進IFIM法在一定程度上拓寬了不同區域尺度上河流生態流量計算方法的適用范圍，并能提高棲息地法的可靠性。但改進IFIM法仍存在以下幾個需要解決的問題。

a)改進IFIM法難以確定生態流量的年內變化過程。生態流量不是一個固定值，而是一個水文過程[50]，它對枯水期流量和汛期流量均有要求，應根據流域內水生生物的不同生命階段確定該階段所需要的流量。生態流量在時間上和空間上都應具有連續性，但影響生態流量的因素有很多，河道外用水及河道內用水方式等問題都使生態流量的確定變得復雜，尤其是下限值，同時不同等級的生物過程和棲息地環境都相互關聯，選用單個典型物種很難涵蓋完整的河流生態系統，使得計算結果不具有代表性。

b)改進IFIM法在水力學參數的考慮有所欠缺。在使用改進IFIM法時，需使用多個水力學參數(水深、流速、水溫、底質、水質等)描述物理棲息地，由于資料限制，研究人員利用模型進行模擬研究時通常只考慮水深、流速等參數，而對水溫、水質等其他參數進行了忽略。但魚類是外溫動物，水溫通過干擾魚類的代謝進而影響魚類的生理機能[51]，尤其是北方河流水溫季節性差異較大，忽略水溫的影響使得選擇的參數不能充分的代表生境質量，影響了計算結果的準確性。

c)改進的IFIM法對河濱帶植物等生物的模擬有所缺乏。水生植物特別是沉水植物對草食性魚類的獵食和幼魚的庇護中扮演著重要的角色，忽略水生植物這類底質因子對分析不同生長階段魚種棲息地產生的影響，且大多研究僅關注魚類棲息地而不是整個河流生態系統，這樣也會降低生態流量估算的可靠性。

d)改進的IFIM法側重于完善生物需水量過程的標準，大多忽略了不同氣候變化對流量調度的影響。隨著氣候的變化，水文過程也會發生變化，同時人類的需求也會發生重要的變化。因此，在流域的生態流量中，特別是對于魚類保護的生態流量，有必要保持動態平衡，以達到人類可接受和水生生物需求的生態點[52]。

3.2 展望

根據上述所總結改進IFIM法的存在問題，為進一步完善改進IFIM法的應用，增強其科學性，從目前棲息地法的發展趨勢來看，以下研究內容是該模型未來的主要發展方向。

a)生態流量的計算方法未來更加傾向于棲息地法及整體法等研究方法，應考慮綜合多種目標物種，加強對河流水生物物種和徑流的響應關系研究。隨著遙感、GIS、流域尺度的水文水質模型等的發展，為了保障河流水生生物生境完整性，應將水文-水質-生態系列過程綜合考慮[49]。在研究非穩態或帶潮汐的河流時，引用更先進的三維水力學模型與棲息地建模方法計算不同對象和不同時間尺度等要求的生態流量是未來發展趨勢。

b)由于國內PHABSIM模型使用時基于專家知識，沒有考慮生境變量之間的影響，具有較強的主觀性。為了解決棲息地上述缺陷，基于模糊邏輯的棲息地模型(如CASIMIR模型)應運而生，CASIMIR基于流量在時空上的變化估算河流中主要水生生物的峰值、均勻度，較適用于水生生物需水評估，它考慮了專家知識和不精確信息，生境因子的選擇比適宜性曲線更加靈活。在未來發展中，CASIMIR法有可能成為國內計算生態流量的中熱門研究方法。

c)在棲息地模型中引入和魚類相互影響的植物參數，以便更好地分析魚類在其不同生命階段的棲息地變化情況[53]，從而提高使用棲息地法計算生態流量的準確性。不同尺度河流、湖泊等應采用更加先進的魚類監測設備，監測不同特征(年齡、性別、尺寸等)的魚類及生態因素對魚類生存繁殖的影響，結合魚類生物量估算方法，建立魚類棲息地與生物量之間的響應關系，定量化分析水生生物棲息地的變化給河流水生態帶來的影響是未來棲息地模擬發展的方向。

d)在未來的發展中，研究不同氣候模式下以魚類為目標物種的生態流量變化可能成為未來研究中的主要問題。隨著氣候的變化，人類活動也會受到不同程度的影響，河流、湖泊等棲息地條件也相應改變，從而對水生生物的生存和繁殖產生影響，如氣溫升高，蒸發量增大，農業用水增加導致水生生物種群間的相互作用和競爭關系發生改變等。為響應國家糧食安全戰略和生態文明建設的要求，需尋求人類需求和水生生物的可接受的動態平衡點，因此預測未來氣候變化下生態流量的動態平衡點可能是未來的研究趨勢。

4 結論

目前中國關于河流棲息地法的研究仍處于探索階段，生態流量研究還需進一步完善。本文關注于使用改進IFIM法，通過多種水力學模型與適宜的棲息地模型耦合最終確定符合區域生態和經濟發展的生態流量，拓寬了不同尺度河流生態流量計算方法的適用范圍，提高了棲息地法的準確性，為水資源規劃與流域生態管理提供科學依據，使調整后的生態流量更加符合實際情況。然而，棲息地法仍面臨諸多問題，目前還需加強生態流量在年內變化、參數選取及受植物、氣候因素影響等方面的研究。