河流生態流量監測研究現狀與展望

吳藝涵，王 煜

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

隨著社會的高速發展，人類對水資源的需求日益增長，過度開發利用水資源導致河流生態系統遭受嚴重破壞，出現水體污染、河道斷流等問題[1]。為修復受損的河流生態系統，流域管理機構及科研工作者已開展諸多河流生態修復研究工作，而河流生態需水量與生態流量作為河流生態修復工作的重要參考依據，其研究已在諸多典型流域實施[2-3]。劉歡等[4]提出在進行河流生態修復工作時，應關注水量、水質、河流形態結構及水生生物等評價指標的健康狀況；李瑤瑤等[5]提出的多種河流生態修復方式均將河道流量作為評價標準；谷曉林等[6]在進行松花江流域伊通河的生態系統恢復工作中，也將生態環境需水量作為重要依據。國內外對于生態流量的概念解釋很多，如生態環境需水量、環境流量(environmental flows)、最小流量(minimum flows)等[7-11]，各自的定義也有所不同，但核心都在于保持河流各項功能所需的流量。河流生態流量是指維系河流正常形態、保障河流與環境基本生態功能所需特定的河水流量[12-15]。充足的河川徑流、良好的水質以及可維系的河流生態系統是河流健康體系的關鍵評價指標，同時也是河流生態修復的主要技術目標，因而保障一定的河流生態流量對于維護河流健康、進行河流生態修復至關重要[16-17]。

在河流生態流量的管理實踐過程中，部分水域河流生態流量保障程度低、河流生態系統嚴重失調、流域生態系統整體趨于惡化，表現為枯水期河道斷流嚴重、生態流量難以保證，水污染問題嚴重。為實現受損河流的長效治理與修復，加強河流生態流量管理[18]，生態水文響應關系構建[19]，水資源優化配置等各項工作都要求對河道生態流量進行合理評估，因而對河流生態流量進行實時監測迫在眉睫。國內外水資源管理部門在重要河流紛紛搭建了生態流量監測體系和監測平臺，實時動態監測河流生態流量過程，以為水資源的優化配置和調度提供基礎，有效保護河流健康狀態。

1 國內河流生態流量監測現狀

國內長江流域、黃河流域、珠江流域等七大流域部分支流與干流都進行了生態流量監測的實施和探索，以長江流域為例，在漢江、金沙江和岷江等支流上實施了生態流量監測[20-22]，其為河流生態健康狀態的實時評判與生態環境保護方案的決策提供了有效支撐。目前河流生態流量監測的主要指標為河道斷面流量、水流流速、水位、降水等，常用監測技術主要是水文站網監測法、攝像機監測以及利用遙測技術進行動態監測等。結合中國河流分布特點以及水電能源分布情況，考慮不同尺度下的河流生態流量監測系統，而農村小水電由于開發利用過程中存在的生態問題也應列入考慮[23-25]。因而按生態流量監測范圍可分為農村小水電下泄生態流量監測、綜合流域干流生態流量監測、河系支流生態流量監測。

1.1 農村水電站下泄生態流量監測系統

農村小型水電站的引水發電，往往由于水流流道的改變或者河網調度調蓄作用造成大壩下游河道天然徑流過程的改變，使其流量減小，甚至在大壩與水電站尾水之間的河道形成斷流，對河流生態環境和功能造成較大的影響。為保障下游河道的生態功能，需要對農村水電站下泄的最小流量、壩(閘)下泄流量進行實時監測[26-27]。

目前，中國針對農村水電站設置下泄生態流量監測系統的省份主要有江西、浙江、福建、四川等，其主要監測的特征指標為流量、水位、水質、流速等，同時將實時監測數據傳輸至水電或環境監管部門，實現對水電站下泄生態流量的動態監控。農村水電站下泄生態流量監測系統采用的監測方法主要包括流量換算法、渠道測流法以及攝像頭觀測等。流量換算法是利用固定河道斷面所得的水位和平均流速，換算得到相應的斷面流量，用以監測壩(閘)下泄流量，但應用時不夠直觀。渠道測流法借助渠道利用測流設備監測壩(閘)下泄流量和平均流速，應用時需控制渠道水流。攝像頭觀測法是通過攝像頭收集影像，終端識別水位、流量數據，其優點在于直觀、可視化，應用范圍更廣。

由于中國農村水電站建成年代久遠，設計水平低，設施基礎，且多位于支流或支溝源頭，位置偏遠，交通設施和網絡設施不好，因而上述幾種農村水電站下泄生態流量監測方法均有其局限性，監測效果難以滿足實際需求；同時由于河道斷面不規則，水文情勢隨機，故生態流量不易確定[27]。因此若要進一步對農村水電站下泄生態流量進行長效監測，需結合當地水文地質環境完善監測技術，例如使用遙測技術實施監測，同時利用北斗等先進通訊技術改善數據傳輸環境。

1.2 綜合流域干流生態流量監測體系

中國水資源緊缺且時空分布不均，部分河流開發程度較高，經濟社會用水大量擠占河流天然徑流過程，難以進行流域生態流量管理，因此亟需建立綜合流域干流生態流量監測體系，以加強流域生態流量監管[28-29]。

長江流域在相關部門的引導下進行一系列的生態流量基礎研究，提出河流生態流量需求。長江流域生態基流一般采用水文法計算，通過流域水庫群聯合調度，以保證重要斷面生態流量；同時對部分干流區域進行生態流量調查，重點監測了長江干流、漢江、嘉陵江、瀾滄江等多條河流的100多個綜合規劃生態基流，利用水文觀測站和測量船對河湖控制斷面進行水量、水質和水生態監測[30]，監測效果滿足生態需求，但由于水文觀測站規劃布置受限，監測斷面內監測站點數量不足，難以進行監測站網統一規劃，因此流域內生態流量監測不夠高效且實時性不佳。

淮河干流流域水資源短缺問題突出，水利管理部門通過計算淮河干流重要控制斷面生態流量，如水利工程壩下生態流量控制斷面等，采用水文水力學法分析淮河干流生態流量，從而建立干流生態流量監測系統。該生態流量監測系統由流量監測站點和生態監測站點構成，典型流量監測站點如調水工程、省交界斷面，生態監測站點如淮河流域內關鍵的生態敏感地帶和自然生態保護區[31]，關鍵控制斷面的監測數據可用于評估生態流量過程是否合理，同時可以進行水資源規劃與合理調配，因此獲取關鍵斷面流量數據十分重要。

太湖流域水資源總量不足，藍藻水華等造成水體富營養化，污染嚴重。近些年太湖流域開展了一系列生態環境修復工作，其中一項重要任務是進行生態流量監測。太湖流域進行生態流量監測的思路是結合太湖流域生態流量現狀，建立生態流量監測體系，明確相關監測指標以及需要重點關注的內容，采用遙感測量、在線監測和實驗室深度分析等多種監測手段相結合的方式，系統獲取太湖流域生態流量狀況與基礎變化信息，用科學的表征形式與評估方法，全面評價太湖流域生態流量監測水平，為太湖流域的生態文明建設提供技術支撐[32]。

對比分析長江流域、淮河流域和太湖流域生態流量監測方案和效果得出：綜合流域干流生態流量監測流程大致相同，即首先對流域生態流量問題識別分析，建立生態流量監測指標體系，進而確定生態流量監測方案，并應用現代監測與評估技術實現監測目的。對于長江流域、淮河流域等受污染輕微的區域，選擇適當的控制斷面，建立監測站網，使用水文水力學法進行生態流量監測，而對受污染嚴重的區域，可以采用遙感測量等現代化技術進行實時監測。對于綜合流域干流生態流量監測體系需要結合流域的實際情況，科學建立符合流域特點的生態流量監測方案。

1.3 河系支流生態流量監測系統

不同于綜合流域干流生態流量監測與農村水電站生態流量監測，河系支流流量小，河道狹窄，且分布更為廣泛，對其進行生態流量監測可以反映河系河流健康狀況及水資源供應是否滿足需求。目前國內很多研究者針對河系支流生態流量監測系統進行了較多研究，例如谷曉林等[6]在松花江流域伊通河的河道生態需水研究中提出利用信息化技術設計合理的生態調度方式十分可靠；李遠軍[33]在進行烏江流域梯級水電站生態流量監測中提出進行生態流量在線監測和實時預警可實現生態流量集中可視化管理，并能提高水電站生態效益。結合中國各流域河流結構，河系支流生態流量監測系統廣泛分布于各大河系支流[34]，例如烏江水系、黑河水系、大盈江水系等，其中大盈江水系的生態流量監測方案具有目前中國進行河系支流生態流量監測的典型特點。

大盈江水系分布于云南省盈江縣境內，以大盈江為干流構成河網系統。大盈江水系在河流生態流量監測系統的構建上，區別于以往的人員巡檢抽查，建立WSN(Wireless Sensor Network)和GPRS(General Packet Radio Service)相融合的河流生態流量監測系統，以精確測量生態流量[35]。大盈江水系河流生態流量監測系統使用超聲波流量計進行水量監測，使用水位儀進行水位監測，流速通過換算得到。系統還具備一定的拓展性能，例如可監測河流濁度、pH等。為保證生態流量監測系統數據存儲安全，在生態流量中心站采用雙機設備和磁盤陣列的方式進行數據存儲，數據中心對遠程返回的數據進行集中處理，建立生態流量綜合管理平臺，以實現生態流量實時數字監控。

對大盈江水系河流生態流量監測系統所采用的指標監測方法和數據傳輸方案進行評估，見表1。

表1 大盈江水系河流生態流量監測系統評估

綜上分析，目前中國河系支流生態流量監測系統利用的現代化監測手段適用范圍廣、測量精度高，WSN和GPRS技術數據傳輸快捷高效，但在缺乏網絡條件下傳輸受限，因而若能推廣使用北斗等先進傳輸技術則可對其進行有效改觀。

2 國外河流生態流量監測現狀

國外對于河流生態流量的研究開始較早，1976年Tennant等[36-37]提出Tennant法后開始引起關注，Tennant法廣泛應用于河流控制斷面生態環境需水量計算，隨后演變出水文變更生態限制法、流量歷時曲線法等。國外的河流生態流量監測系統廣泛分布于各大洲諸多國家，例如美國、英國、瑞士、澳大利亞、印度等[38]，各個國家主要生態目標不同，因而所采用的監測方法與手段不同，以北美、歐洲、大洋洲、南亞等幾個典型國家采用的生態流量監測方案為例進行對比分析[39-41]。

a)美國華盛頓州奇蘭湖(Lake Chelan)水電站通過建立河流動態水溫數學模型進行生態流量監測，其主要目的是改善魚類生存環境，保護魚類產卵，監測指標為流量、水溫等，用以保障洄游三文魚的適宜生存環境[42]，系統監測效果良好，三文魚可在河道內產卵，數量增長明顯，環境大幅改善。

b)瑞士布瑞諾河(Blenio River)流域水電站群通過建立水動力數學模型進行河道生態流量的動態監測，用數學模型模擬監測過程，從而量化監測數據，監測指標包含流量、水位、水溫等，其監測結果可為流域管理部門提供決策依據[38]。

c)澳大利亞新南威爾士州(New South Wales)為改善濕地生態環境，通過水文水質模擬系統對其內陸的濕地進行生態流量監測。監測效果較好，一定程度上促進了濕地生態環境的改觀，但由于監測指標選擇不合理、統計強度低，難以對監測結果進行綜合評估[43-44]。

d)墨西哥的圣佩德羅河(San Pedro River)借助以往的測量數據建立生態流量閾值，形成調度方案，以高效調配水資源，如規定年徑流量的80%需用于保障濕地生態用水。同時通過實時監測生態流量，合理規劃用于濕地生態環境修復的水量，一定程度上改善了濕地生態環境，但由于其調配范圍局限，不利于水資源跨區域調配[38]。

e)印度的恒河(Ganges River)利用BBM(Building lock Method)法[45]評估監測生態流量，后通過調整灌溉用水量及干支流用水量來保障一定的生態流量，在實現社會文化功能的同時兼顧發電效益，總體監測效果較好，保障了河流生態流量的實施和管理[46]。

綜上5個典型國家的生態流量監測方案可以得出國外進行生態流量監測是以建立水文數學模型為基礎，確定監測目標，結合河流實際生態需求進行綜合監測，同時可以發現發達國家與發展中國家進行生態流量監測的目的和需求有所差異，發達國家側重于提高生態效益，而發展中國家則傾向于更大的發電經濟效益。

3 生態流量監測問題研究展望

隨著相關部門和科研工作者的共同關注以及生態流量研究領域新方法的提出，河流生態流量的監測取得了較大的發展，但是由于監測手段以及技術方法的瓶頸，目前仍存在如下一些不足。①在監測效果上，目前國內外的生態流量監測系統均處于發展階段，生態流量的監測方法主要為水文水力學法，實踐中由于河道監測斷面泥沙淤積，實際斷面形狀不易控制，因而監測誤差較大。生態流量計算通常采用水文學法、水力學法、生境模擬法、整體分析法等[14]，此幾種方法科學性和綜合性較好，在一定程度上能夠滿足生物棲息地需求，但由于缺少生態響應機制的研究，易受地形環境限制，普適性欠佳，同時未能考慮河流生態系統的整體需求。②在監測指標上，國內外生態流量監測系統的監測指標較為單一，例如洮河某已建水電站生態放流系統僅監測流量一項指標[47]，而為全面改善河流健康狀況，需對多項生態指標進行監測，故生態流量監測系統需要監測流量、流速、水位、水溫等多項參數才足以表征河流生態系統健康狀況。③在監測精度上，國內外的生態流量監測系統由于監測手段有限，無法觀測整個生態系統的所有變量，僅以部分代替總體的方式設計監測樣本，導致監測結果存在一定誤差，無法準確描述系統真實狀態，表現為未全面建立監測站網，無法對生態系統進行整體評價。同時由于沒有形成標準化的監測方法，水質、流速、水深、透明度和流量等參數的監測不夠精準，故對于生物種群變化的各參數監測精度不高[19]。④在監測實時性上，由于生態流量的監測數據通常僅由建設單位掌握，一般單位和個人難以獲取相關信息，不利于對水電站運行情況的監督和對河流生態的研究，同時河流生態系統作為一個動態系統，部分指標需要進行實時監測，而現有的生態流量監測系統監測時限僅按水文年進行劃定，例如流量、流速等3～5 d監測一次，水質等一年僅監測4～5次，不能滿足流域整體生態需求，監測數據難以指導河流運行和調度。并且對于地形復雜的環境，通訊信號缺失，數據傳輸難以進行，因此構建一種可靠的信號傳輸系統極為重要。

結合目前生態流量監測系統的實際監測需求及其存在的問題，可從以下幾個方面進行改善：①目前的生態基流理論已較為成熟，但由于實際工況復雜多變，導致理論難以運用于生態流量監測系統的研發，后續的科研工作者應側重于理論的改進與應用，以改善生態流量研究現狀，例如通過計算機模擬改進得到普適性更強的水動力數學模型，綜合流域特點和監測目標建立綜合流域生態流量調控方案等；②對于生態流量監測系統的監測范圍及監測指標，可建立生態流量綜合監測系統，拓寬生態流量監測范圍，考察論證合適的控制斷面，建立模糊數學綜合評價模型賦予各項監測指標一定權重以進行聯合評判，從而實現多指標聯合監測，同時應設置監測閾值，建立預警系統，以保證河流生態流量符合要求；③對于生態流量監測系統的適應性問題，即考慮能否在特殊地形下進行監測，可注重通訊信號的改善，現階段可通過無線電橋技術進行通訊，在后續的建設中可利用覆蓋范圍更廣、無監測盲區、安全穩定的北斗通訊技術改善通訊信號，提升遠程監管能力；④對于生態流量監測系統的監測精度問題，在一定程度上可通過調整測量裝置的具體屬性進行有效改善，或者選用更高效的監測裝置；⑤對于生態流量監測系統的實時性，根據不同監測站點的實際觀測需要，可以按需縮短生態流量監測系統的監測時限以及數據反饋時間，同時完善監測系統的硬件設施，改善存儲和傳輸的環境，建立更為高效的傳輸方式。另外通過搭建河流生態流量數據實時展示平臺，完善水利信息協同共享與更新機制，可以實現生態流量數據可視化以及水利信息資源共享，同時方便群眾進行監督，進而促進生態流量監測系統的智慧發展。

4 結語

河流生態流量監測是進行河流生態修復、水資源優化配置、協調區域經濟與環境效益等問題的重要手段，監測結果可對河流健康狀況進行實時有效評估，以達到維護河流生態系統的健康運行的目的。本文在對比分析目前國內外關于河流生態流量監測系統的相關研究和實際工程案例的基礎上，對目前生態流量監測系統存在的不足及改進方案進行思考和分析，以期為提高河流生態流量監測效果提供一定參考。

未來，應繼續進行生態基流理論研究，并將其更多地應用于實際工程中，完善監測指標，實現多指標聯合監測；在實現動態監測的基礎上，增設預警功能，以保證河流生態流量滿足要求。同時，優化傳輸方式，削弱通訊傳輸的限制，以適應各類不同的環境。最后，將實時監測數據優化后納入區域河網調度調蓄中用以河流生態健康評價以及河流生態修復工作，同時契合綠色水電的要求。