河道内环境流量研究和河流生态需水与调控实践

1.2.3.1　国外研究

河道内环境流量研究始于20世纪40年代的美国西部，到了20世纪70年代，由于相关法律法规的颁布以及建坝高潮的到来，河道内环境流量的研究也相应地发展迅速。20世纪80年代，澳大利亚、英国、新西兰和南非等国在该方面的研究开始出现。而在东欧、拉美、非洲和亚洲，该方面的研究相对较少[124]。

目前，与环境流量（Environmental Flow）有关的概念很多，由于世界各国对此概念理解的差异以及针对的具体情况不同，出现了河道内流量需求 （Instream Flow Needs）、生态流量（Ecological flow）、最小可接受流量 （Minimum Acceptable Flow）、生态可接受流量（Ecology Acceptable Flow）、生态径流、生态需水、环境需水、生态环境需水、低流量等不同的概念类型，但实际内容都是一致的，即特别强调了要给生态环境以一定量的水，以便维持系统的生态平衡和生物多样性等[125]。对于环境流量，很多学者从不同角度给出不同的说法，迄今为止，国内对环境流量仍没有形成一个公认的定义。

在河道内环境流量研究中，有将近50个国家开展了相关研究，大概有200多种研究方法，大致可归为四大类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法[124]。图1-2为国内外环境流量方法使用情况。

图1-2　环境流量方法统计图

水文学方法，又称作标准设定法或快速评价法，是最简单、最具代表性的一类方法。该类方法主要以长系列的历史监测数据为基础，采用固定流量（年平均或日平均）百分数的形式给出环境流量推荐值，通过这些推荐值来表示维持河流不同生态环境功能的最小环境流量。该类方法应用最广泛，几乎应用到了世界上所有的地方，适合用于设定初级目标和国家性战略决策，至今仍然是应用最为广泛的方法[125-127]。水文学法在环境流量法中所占比例最大，约占总量的30%，共有61种计算方法[128，129]，代表方法有7Q10法、Tennant法[130]、流量历时曲线法 （Flow Duration Curve Methods）[131]、Texas法、NGPRP法、基本流量法（Basic FIow）以及RVA法[132]等。

水力学法包括23种方法，占环境流量法总数的11%，主要分布在北美洲、澳大利亚、欧洲和美国[133]。由于水力学法需要对河流的断面进行实地调查，才能确定有关的水力参数，使得该法操作起来比较困难，这也是20多年来，该法一直发展比较缓慢的一个原因。但是，该法可以为栖息地模拟法和整体法提供研究方法和手段，属于向栖息地模拟法和整体法过渡的方法，终将融合到这两种方法之中。其中比较典型的是R2CROSS法[134]和河道湿周法（Wetted Perimeter）[133]。

栖息地模拟法强调水文、物理形态和生物信息的有机结合，并产生动态的水文和栖息地时间序列数据，能够用这些数据来验证不同的生态环境用水对目标生物生命周期和聚集习性的影响，最具科学性，但对数据要求太高。栖息地模拟法大约有58种方法，占环境流量法总数的28%，应用程度仅次于水文学法，代表方法有河道内流量增加法（Instream Flow Incremental Methodology，IFIM）[135，136]以及CASIMIR法。

整体法从河流生态系统整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系，使推荐的河道流量能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能。因此，该类方法需要组成包括生态学家、地理学家、水力学家、水文学家等在内的专家队伍[137-139]。整体研究法的基本原则是保持河流流量的天然性、完整性、季节变化性。将水生生物生存繁衍、生物群落重新分布，河流生态结构破坏对应不同的流量。该类方法强调流域系统的整体性，符合流域综合管理的要求，是生态环境需水计算方法的巨大进步，但该法对数据的要求依然很高。目前，整体分析法有16种计算方法，只占环境流量总数的7.7%，较为典型的方法是南非的Building Block Methodology（BBM 法）、澳大利亚的综合法 （Holistic Approach）以及DRIFT （Downstream Response to Imposed Flow Transformations）法[140]。

根据对上述方法的评述可知，水文学法简单、方便，但考虑因素单一，准确性较差；水力学法虽然考虑了水力学因素，但所需参数需要实测，不易操作；生境模拟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，由此计算出和推荐的流量范围值，并不符合整个河流的管理要求。表1-3比较了河道内环境流量评价方法。

表1-3　河道内环境流量评价方法比较

因此，基于河流完整生态系统理论的整体分析法应运而生。随着整体分析法的发展，微观—宏观、宏观—微观两种方法的结合将是整体分析法将来发展的必然趋势。通常利用前一种方法来确定一种或多种河流修正流态，然后利用后一种方法对该流态引发的生态环境问题进行风险评价。无论是发达国家还是发展中国家，环境流量法的开发和应用越来越依赖于多学科理论。开发设计满足不同国家国情和水情特点的综合环境流量法是今后河流环境流量法发展的一个新趋势。

1.2.3.2　国内研究(www.xing528.com)

我国河道内环境流量研究虽然较晚，但是发展很快，我国许多学者开展了大量研究，下面简单介绍一下国内研究进展情况。

李丽娟等（2000）[141]将河流生态环境需水量分为3部分：河流基本生态环境需水量、河流输沙排盐需水量和湖泊洼地生态环境需水量。以海滦河为例研究了河流系统生态环境需水。

严登华等（2001）[142]将河流水可划分为生态水、资源水和灾害水，认为河流系统的生态需水是指维持河流正常的生态结构和功能所需要的一定水质最小水量，包括河道系统和洪泛区两大系统的生态用水，并计算了东辽河流域河流系统生态需水量。

杨志峰等[125，128]研究河流生态需水的基本内涵，对评价方法进行了研究，提出了生态环境需水量分级和计算方法，并对黄淮海地区的生态环境需水量进行了评估。

于龙娟和夏自强（2004）[143]研究了河流生态径流内涵，认为天然条件下随机变化的水文过程不会对河流的物种和种群结构产生根本性的影响，而影响的只是生物量及物种种群大小的变化。在天然状态下，任何一种径流过程都是生态径流过程，并确定了生态径流过程的准则，生态径流不是一个常量，应保持天然条件下河流的水文特征。在此理论方法研究基础上，陈竹青 （2005）[144]利用建立的逐月最小生态径流计算法和逐月频率法研究了长江中下游生态径流过程，为长江中下游生态安全提供保障。

徐志侠（2005）[131]从径流与河床关系入手，研究了径流与河床形态分析法，用以计算河道最小非生物需水；从径流、河床和生物关系着手，研究最小生态需水计算方法——河道生物空间最小需求法；研究用鱼类产卵所需流速估算河道鱼类产卵期适宜生态需水的方法。最后计算了颍河与涡河最小非生物需水、最小生态需水和适宜生态需水。

宋兰兰（2005）[145]采用水文指数法和湿周法计算了广东省河道生态环境需水。苏飞（2006）[146]研究了河道最小和适宜生态需水量计算方法，并且以辽河为例进行了计算。

英晓明（2006）[147]研究了IFIM计算方法，采用River2D模型计算了中华鲟产卵生境和流量之间的关系；杨宇（2007）[121]采用Delft3D和River2D对中华鲟产卵生境和流量之间关系进行了对比，并且采用改进二维模型给出了中华鲟产卵适宜生态流量。

陈敏建等（2006）[148]构建了多参数生态需水 （最小生态需水、适宜生态需水、洪水期生态需水）体系并分析其内涵，组成了能反映河流生态系统健康的流量等级，运用该计算方法计算了黄河流域中下游生态需水量。

吉利娜（2006）[149]对河道生态需水计算的水力学方法中的湿周法和流速法进行了深入研究，并用于南水北调西线工程流域。

樊健（2006）[150]探讨了基于生态目标的河流生态径流计算方法以及RVA法确定河流生态径流过程的计算方法，并以广东东江河源水文站断面为例，进行了实证研究。

郭文献等（2007）[151]采用改进河道湿周法以及生态流速—流量法分别计算了长江中下游河道最小和适宜生态流量，该结果为长江中下游河流生态环境保护提供参考。

根据以上研究可知，近几年来我国在河道环境流量研究方面也进行了大量研究，然而仍然有许多方面需要研究，首先，我国学者在河流环境流量的定义、内涵的理解上还存在较大差异，需要进一步研究，对河流环境流量的内涵进行界定；其次，我国关于河流环境流量评价方法的研究很大程度上采用国外的研究方法，然而每种研究方法存在一定的适用条件和不足，因此，需要根据我国河流的自身特点，提出适合的评价方法；第三，在研究内容方面，需要进一步加强，如河道流量与鱼类生息环境关系的研究，河道流量、水生生物与DO三者之间的关系研究，水生生物指示物种与流量之间的关系研究，水库调度考虑生态环境、生态环境水量优化分配的研究，环境生态用水与经济用水关系的研究等方面。