河道湖泊生态需水计算方法与实践

生态需水研究主要集中在河流生态需水研究方面。早期的研究是关于河道枯水流量的研究。这个时期主要是为满足河流的航运功能对枯水流量进行研究。随后，由于河流污染问题的出现，开始对最小可接受流量研究。其最小可接受流量除了满足航运功能外，还要满足排水纳污功能。随着河流受人为因素影响和控制的加强，河流生态系统结构和功能遭到破坏，生态可接受流量的研究逐渐展开，其主要是为恢复河流生态系统功能，为满足不同的环境要求而进行生态可接受流量范围的研究[22]。

1.2.3.1 河流生态需水计算方法

生态需水计算方法很多，全球生态需水计算方法超过200种。由于生态系统的复杂性以及人类对河流生态系统认识有限，没有一种令人满意的通用的方法。

国外河流生态需水计算方法大体上可以分为四类：①历史流量法：蒙大拿法、流量历时曲线法、产水常数法。②水力定额法：湿周法、简化水尺分析法、R2CROSS法、WSP水力模拟法等。③栖息地定额法：河道流量增加法（IFIM）、有效宽度（UW）法、加权有效宽度（WUW）法、偏好面积法等。④整体分析法：BBM法、澳大利亚的整体法等。

上述确定河道流量的方法还可以分为两大类[23]：标准设定法和非标准设定法。标准设定法确定河流保护所需的最小流量标准。它又可进一步分为非现场类型、栖息地保持类型，包括历史流量法、水力定额法和整体分析法。非标准设定法是栖息地定额法。它并不产生一个流量标准，而只建立水力数据与生物栖息地之间的关系。

在美国，生态用水主要包括四项内容：①联邦和州确定的天然和景观河流的基本流量。②河道生态用水，指用于航运、娱乐、渔类和野生动物保护以及景观等美学价值等的用水。③湿地需水，主要指湿地保护区的需水，包括咸水湿地、微盐沼泽和淡水湿地的需水。④海湾和三角洲的流量，为保持和控制海湾和三角洲的环境包括咸度、入海流量而规定的需水量[4]。

河道生态用水必须建立在河流实际调查研究的基础上。美国于1978年完成了第二次全国水资源评价。在这次评价中，既考虑了河道外用水，也估计了鱼和野生生物、游览、水力发电、航运等河道用水，其中，把河道生态用水作为主要的河道控制用水。美国本土渔业及野生生物生长所需理想的径流量为39.2亿m3/d，其年用水约占美国本土多年平均河川径流量17039亿m3/a的84％[24]。

（1）历史流量法。该类方法包括：蒙大拿法、流量历时曲线法、产水常数法。它利用历史流量资料来推导河流生态流量。该类方法的优点是比较简单，容易操作，对于数据的要求不是很高，径流数据可以和决定河道流量需求的生态数据相联系，可以很容易的和规划模型结合。但由于对河流的实际情况作了过分简化的处理，没有直接考虑生物需求和生物间的相互影响[25]，只能在优先度不高的河段使用，或者作为其他方法的一种粗略检验。

1）蒙大拿法（Montana Method，Tennant法）。该方法可能是最为常用的历史流量法。它建立了水生生物、河流景观、娱乐和河流流量之间的关系，见表1.1。它将年平均流量的百分比作为基流，具有宏观的定性指导意义。

表1.1　河内流量与鱼类、野生动物、娱乐和相关环境资源关系

Orth D J.和Leonard P M.（1990年）在美国维吉尼亚地区的河流中证实：10％的年平均流量提供了退化的或贫瘠的栖息地条件；20％的年平均流量提供了保护水生栖息地的适当标准；在小河流中，30％的年平均流量接近最佳栖息地标准[26]。

该方法是美国第二个最常用的方法，为16个州采用或承认[27]。

在法国，“乡村法”第232.5条规定：河流最低环境流量不应小于多年平均流量的1/10；对于所有河流，或者部分河流，如果其多年平均流量大于80m3/s，此时政府可以给每条河制定法规，但最低流量的下限不得低于多年平均流量的1/20。

2）流量历时曲线法。流量历时曲线法利用历史流量资料构建各月流量历时曲线，使用某个频率来确定生态流量。这种方法利用至少20年的日均流量资料，计算每个月的生态流量[5]。采用的枯季生态流量相应的频率有90％，也有采用频率为84％的情况；汛期生态流量相应频率也有采用50％的情况。

流量历时曲线法不仅保留了采用流量资料计算生态流量的简单性，同时考虑了各个月份流量的差异[28]。产水常数法使用的少。

3）国内河流生态需水计算方法。国内河流生态需水计算方法主要有二：一是枯年天然径流估算法——以最枯年天然径流来估算生态需水；二是将河流年最小月均流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量。

这两种河流生态需水计算方法属于历史流量法的范围，具有和历史流量法相同的优点和不足。

（2）水力定额法。水力定额法包括湿周法、R2CROSS法、简化水尺分析法、WSP水力模拟法等。

该类方法应用水力学现场数据，分析河流流量与鱼类栖息地指示因子的关系。其所考虑的参数有湿周、水面宽度、流速、深度、横断面面积等，需要到野外收集河流流量与河流横断面参数方面的数据。有两种方法来确定河道流量需求。在第一种方法中，先确定多年平均流量或中值流量相应水力参数的某个百分数，再用这个百分数确定相应的流量即为河道流量需求。例如，以湿周的80％相应的流量为河道流量需求[29]。第二种方法是拐点法，通过确定栖息地——流量响应曲线的拐点来实现。最常用的水力学法是考虑湿周随流量变化的方法。

1）湿周法。该方法利用湿周作为栖息地质量指标来估算河道流量。其假设是：保护好临界区域的水生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。通过在临界的栖息地区域（通常大部分是浅滩）现场搜集河道的几何尺寸和流量数据，并以临界的栖息地类型作为河流的其余部分的栖息地指标。河道的形状影响该方法的分析结果。

2）R2CROSS法。R2CROSS法具有和湿周法相同的假设。对于一般的浅滩式河流栖息地，如果将河流平均深度、平均流速和湿周长度作为反映生物栖息地质量的水力学指标，且在浅滩栖息地能够使这些指标保持在相当满意的水平上，那么也足以维护非浅滩栖息地内生物体和水生生境健康。该法确定最小生态需水具有两个标准：一是湿周率；二是保持一定比例的河流宽度、平均水深以及平均流速等。R2CROSS法以曼宁公式为基础。

与非现场类型方法相比，水力定额法包含了更多更为具体的河流信息。然而这类方法也忽视了水流流速的变化，未能考虑河流中具体的物种或物种各生命阶段对流量的需求。同时该类方法假设河道是稳定的、所选择的横截面是能够确切的表征整个河道，而实际上并非如此。

（3）栖息地定额法。栖息地是用以描述动植物生存所需的物理环境的一个概括性词汇。一些生境现象，诸如水深和流速都直接与流量相关，而另一些则是描述河流及其周围状况的。

栖息地定额法包括：有效宽度（UW）法、加权有效宽度（WUW）法、河道流量增加法（IFIM）等。

1）有效宽度法。有效宽度法是建立河道流量和某个物种有效水面宽度的关系，以有效宽度占总宽度的某个百分数相应的流量作为最小可接受流量。有效宽度是指满足某个物种需要的水深、流速等参数的水面宽度。不满足要求的部分就算无效宽度。

2）加权有效宽度法。加权有效宽度法和有效宽度法不同之处在于，加权有效宽度是将一个断面分为几个部分，每一部分乘以该部分的平均流速、平均深度和相应的权重参数，从而得出加权后的有效水面宽度。权重参数的取值范围从0到1。

3）河道流量增加法。该法把大量的水文水化学现场数据与选定的水生生物种在不同生长阶段的生物学信息相结合，进行流量增加的变化对栖息地影响的评价。考虑的主要指标有流速、最小水深、底质情况、水温度、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等[6]。河道流量增加法的计算结果通常用来评价水资源开发建设项目对下游水生栖息地的影响。

由于栖息地定额法是定量的，而且是基于生态原理的，在美国，认为它比其他评价方法更为可靠合理。栖息地定额法首先应用于评价鲑鱼产卵期流量的适宜性，其后被广泛应用于评估河道生态和休闲流量需求。应用最广的方法是天然生境模拟法。

栖息地适宜度曲线是栖息地定额方法的生物学基础。不同的季节有不同的栖息地适宜度。栖息地适宜度也可以描述游泳、徒涉、划艇及其他休闲娱乐活动所需的水深、流速和河宽。在考虑多个物种时，栖息地需求会有矛盾，当一个物种栖息地减少时，而另一个物种栖息地会增加。在这种情况下可以使用栖息地指示物的概念来解决此问题[30]。

栖息地定额方法与历史流量法或水力定额法相比，具有更大的灵活性。它有可能考虑年内许多物种及其不同生命阶段所利用栖息地的变化，从而选择能提供这种栖息地的流量。不过，这意味着，需要对水生态系统有很好的了解和清晰的管理目标，以便解决不同物种或不同生命阶段在栖息地需求上的矛盾。栖息地定额方法特别适合于“比较权衡”，可以将栖息地的变化与资源的社会经济效益相比较。栖息地与流量关系可以用来评估不同的流量管理目标，并成为选择适当流量的信息基础[31]。

河道流量评价法很少考虑低水流量的持续时间或者流量随时间的变化。为时一天的低水流量对生物的影响与持续六个月的流量对生物的影响是明显不同的。当天然河流的水资源利用率相当大时，会显著地改变河流流量和泥沙状况。在这种情况下，河床形态会发生变化[32]，此时，简单地应用栖息地定额方法就不合适了。

IFIM方法很复杂，要求相当多的时间、金钱和专门技术。Orth和Maughan（1982年）主张在大多数情况下限制IFIM方法的使用，因为要求输入的定量生态信息是缺乏的[33]。King和Tharme指出，传统的IFIM法将其重点放在一些河流生物物种的保护，而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统，由此计算出的生态流量值，并不符合整个河流的管理要求[34]。

（4）整体分析法。如果要坚持可持续发展，生态需水必须得到满足。这些原则受到了水资源相对缺乏国家的特别关注，像南非和澳大利亚。澳大利亚的整体法（Holistic Method）和南非的建筑堆块法（BBM）正是由此产生的。

整体分析法建立在尽量维持河流水生态系统天然功能的原则之上，整个生态系统的需水，包括发源地、河道、河岸地带、洪积平原、地下水、湿地和河口都需要评价。此法的基本原则是维持河流的天然特征。为了维持生态系统功能的整体性，必须保留河流天然生态系统的根本特征，比如径流季节性特征、枯水时期和断流时期、各种洪水、流量持续时间和重现期及冲刷流量[35]。(www.xing528.com)

在建筑堆块法中，这种天然特征用逐月的日流量来描述。这种过程通常由包括从水生态学家到水利工程师的多学科的专家组来完成。估算的河道流量需求（IFR）的重要成分包括：枯季流量、中等流量和中、小洪水。不能被管理的大洪水一般被忽略。

Arthington等（1992年）描述了用整体法确定河道流量过程的特征：

1）确定枯季流量。它是一个最小月径流量，用统计方法确定为“水文学定义的基流”，用流量历时曲线上的某个保证率的流量确定。对于季节性河流，这意味着枯季性断流。

2）汛期径流。首先是要确定汛期第一场洪水。它向河流供应溶解的和颗粒状的有机物和营养物质，并冲走残骸、藻类和细淤泥，并可能提供和生命周期与迁移同步的生物条件。它对河口的冲刷可能也是明显的。其次是要确定中等洪水。它可能是每年发生一到两次的洪水，认为是它维持了栖息地多样性，它引起局部扰动，冲走外来的植被，并且淹没河滨植被、洪泛平原和湿地来维持栖息地多样性。

3）确定汛期径流过程。

4）河流生态系统的年需水量是枯季流量、汛期径流量和洪水的总和，另外还需考虑附加流量，如：冲刷流量等。这样，整个系统的需水量依据下列因素来确定：月或者更短时段的流量分配、最大和最小月流量、希望的流量变化水平、发生时间、洪水的范围和持续时间和冲刷流量。

（5）各类方法的比较。历史流量法和水力定额法均研究生态系统与河道规模的关系，并倾向于维持河流的规模方面的“特征”。栖息地定额法主要考虑水生物对水深和流速等水力要素的需求。历史流量法与水力定额法认为低于天然流量将会不利于河流生态系统，而栖息地定额方法则认为天然生态系统有可能得到改善。栖息地定额方法考虑目标物种或特定的河道用水需求，对于有明确管理目标的地区很有用。历史流量法与水力学法适用于那些对生态系统缺乏了解或对已有生态系统保护水平需求较高的地区[36]。

整体法是一种混合的方法，但更多地依赖历史流量资料。这种方法建立在尽量维持河流水生态系统的天然功能原则之上。它的基本概念是：河流流量过程的某些特征对保持河流生态系统有特别重要的意义。

（6）生态需水计算方法存在的问题。水流影响水生态系统的六项参数为：食物、栖息地、温度、水质、水流状况和生物间的相互作用，所以水文和生态之间关系的科学是一门复杂的科学。由此可知，流量影响生物区和生物间相互作用的途径很多，现有的研究还达不到把一种流量或水流状态同物种组成及物种丰富程度联系起来的水平。在评价中，用流量、湿周或栖息地作为生物反应的替代指标。现在的所有方法都没有将这六项参数全部考虑进去。由于缺乏对食物、生物间的相互作用等因素的机理研究，建立考虑上述六项参数的确定性模型，在现阶段是难以实现的。从这个意义上讲，现在的计算方法还有许多值得改进的地方。

1.2.3.2 河口生态需水论述

一些主要河流的河口海域，往往具有特有的栖息环境和饵料来源，因而其种群数量及生物多样性特征也具有一定的特殊性。国内外对河流入海口的生态需水量研究很少。计算河口海域的生态环境需水量相当复杂，研究指标并不相同，有人建议以含盐量为指标，有人建议以温度为指标，还有人建议以饵料质量为指标，但至今尚未见到比较公认的方法或标准。南非制订了河口生态用水量的标准，确定了河口生态用水计算的程序，但是尚不清楚其计算生态用水的具体方法。

河口生态需水涉及的因素包括：生物多样性、水质、泥沙冲淤平衡、旅游娱乐。水质包括含盐量、溶解氧、p H、悬移质、硝酸盐、有毒物质、微生物指标。具体的河口需水量主要包括：控制含盐量需水量、航运需水量、生物多样性需水量、冲刷淤积、河口湿地需水量等[7]。

在南非，1986年Jezewski和Robert第一次评估了河口淡水需求。评估分两部分：淹没需求和蒸发需求。第一部分考虑打开临时关闭的河口拦门沙、淹没湿地和冲刷淤积所必需的水量，后者计算蒸发，由此，防止河口超量盐度的出现[37]。

国内对河口生态需水进行了初步研究。20世纪80年代中期，当时的我国国家水产总局黄河水产研究所，研究了黄河河口渔业生态环境需水量[38]。研究结果认为：满足黄河河口海域鱼虾生长条件的要求，需要黄河在每年的4～6月下泄入海水量60亿m3。如果黄河为枯水年，可在4月下泄20亿m3。

1.2.3.3 其他类型生态需水计算方法

（1）陆地植被生态需水。依据《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》，陆地生态环境需水量主要是指“保护和恢复内陆河流下游的天然植被及生态环境；水土保持及水保范围之外的林草植被建设”需水量[39]；自20世纪80年代以来，已经有学者在这些方面进行了不断的研究，并发表了一些相关的文章。我国最近完成的“九五”攻关项目：西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究，都已做了大量工作[40]。计算植被耗水量方法主要有直接计算方法和间接计算方法两种。

直接计算法是用单位面积、单位时间的需水强度乘以植被的面积来计算。由于地面植被和土壤分布的不均匀性，使得由需水强度计算的蒸散发量，在尺度转换过程中可能产生很大的误差，从而影响计算结果的精度。

间接计算法就是水量平衡法，它是通过分析水资源的输入、输出和储存量之间的关系，间接计算生态系统所利用的水量。

（2）海岸、水库、湖泊和沼泽湿地生态需水。海岸湿地作为一个大的生态类型，仅具有保护的意义，不具有计算淡水生态需水的意义。水库和湖泊生态需水，可以依据所要保护的敏感指示物种对水环境指标的需求确定，计算思路与前面述及的河流方法基本一致，但在计算时，更加注意水位的涨落限制；对沼泽湿地，在对其水文循环进行一定时段的观察、调查和量测之后，可以依据水平衡的基本原理进行计算[41]。

（3）水土保持生态需水。水土保持的基本措施分为生物和工程两大类。生物措施主要是指利用草、树等生物所形成的植被减少水土流失的措施。工程措施主要包括治沟骨干工程措施（如淤地坝、小型水利工程等）和田间工程措施（如修建梯田和改善耕作方式、方法等）。这些措施改变了降雨入渗条件和地表径流流动状况，使下游河川径流携带的泥沙量减少，同时，也会减少下游河道的径流量，从而显得水土保持也需要“耗用”水资源。这些“耗用”的水资源称为水土保持生态需水。水土保持生态需水主要是依据水文资料和水保资料，应用水文循环原理和水量平衡原理，计算水土保持对流域产水量的影响。

（4）防治河流水质污染的生态需水。10年最枯月平均流量法。7Q10法采用90％保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值。该法在20世纪70年代传入我国，主要用于计算污染物允许排放量，在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用。由于该标准要求比较高，鉴于我国的经济发展水平比较落后、南北方水资源情况差别较大，我国在GB 3839—83《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》中规定：一般河流采用近十年最枯月平均流量或90％保证率最枯月平均流量[42]。

以水质目标为约束的生态环境需水量计算。以达到水质目标所需要的水量来计算生态环境需水量。依据环境水力学有关污染物稀释自净需水量计算方法进行计算。

1.2.3.4 结语

生态需水计算方法的研究取得了一定的进展，为水资源合理利用提供了基础性的依据。但是，由于水和生态系统关系非常复杂，生态需水理论研究处在探索之中，计算方法还有待进一步完善，计算结果存在不确定性。

生态需水和气候、水文、地理、地质、社会经济等密切相关，因此，国外的方法不一定适合中国的情况。在使用这些方法时：一是要弄清它的适用条件；二是要对方法的适用性进行检验。在研究适合我国河流条件的生态需水计算方法时，应该充分注意我国缺乏河流生态资料等条件。

[1]Tsai C F，Wiley，M L.Instream flow requirements for fish and fisheries in Maryland.Water resources research center completion report.University of Maryland.1983

[2]崔树彬.关于生态需水若干问题的探讨.http：//www.hwcc.com.cn，2001.7.16

[3]丰华丽.河流生态环境需水理论方法及应用研究.河海大学，2002

[4]林超，田琦等编译.美国的环境用水http：//www.chinawater.com.cn/，2000.5

[5]Loar J M.and Michael J S.Analysis of environmental issues related to small—scale hydroelectric development.Instream Flow Needs for Fishery Resources.Oak Ridge Tennessee：Oak Ridge National Laboratory.1981

[6]Bovee K D.A guide to strearn habitat analysis using the instream flow incremental methodology.US Fish and Wildlife Service Biological Service Program，FWS/OBS-82/26.1982

[7]Department of water affairs and forestry south Africa.Water resources protection and assessment policy implementation process，resource directed measures for protection of water resources：generic section“A”for specialist manuals.http：//www.dwaf.gov.za，1999.9.24