生態需水概念及國內外生態需水計算方法研究

李麗華 水 艷 喻光曄

生態需水概念及國內外生態需水計算方法研究

李麗華 水 艷 喻光曄

一、生態需水的構成

河道內生態需水量包括河道及連通的湖泊、濕地、洪泛區范圍內的陸地，其生態需水量由以下方面組成：維持水生生物棲息地生態平衡所需水量；維持合理的地下水位，保護河流濕地、沼澤生態平衡，保持和地表水轉換所必需的入滲補給水量和蒸發消耗量；維持河口淡、咸水平衡和生態平衡所需保持的水量；維持河流系統水沙平衡和水鹽平衡的入海水量；使河流系統保持稀釋和自凈能力的最小環境流量；防止河道斷流、湖泊萎縮所需維持的最小徑流量；維持航道通航要求的需水量。

二、河道內生態需水計算方法

1.國外河道內生態需水計算方法

國外河道內生態需水計算方法大致可以分為以下4類。

（1）歷史流量法。該方法是在長期野外調查、資料收集、統計分析以及專家判定的基礎上，通過建立河流流量與水生生物生存、河流形態等之間的適應關系而提出，主要方法有：

①Tennant法，也稱Montana法，是最常用的歷史流量法。它將年平均流量的百分比作為基流，適宜河道季節性的需求，具有宏觀的定性指導意義。在美國維吉尼亞地區的河流中證實：10%的年平均流量是退化或貧瘠的棲息地條件；20%的年平均流量提供了保護水生生物棲息地的適當標準；在小河流中，30%的年平均流量接近最佳生物棲息地標準。②流量歷時曲線法。該方法利用歷史流量資料構建各月流量歷時曲線，以某個保證率相應的流量作為河道內需求的流量。③美國7Q10法。采用天然狀態下90%保證率代表年最枯連續7d的平均水量作為河流最小流量即標準流量設計值，并以該標準流量設計值作為河流生態需水量。④水生物基流法，美國和英國多用此法。水生物基流法由美國魚類和野生動物保護部門提出，設定某一特定時段月平均流量最小值的月份，其流量滿足魚類生存條件。該方法一年分3個時段考慮，夏季主要考慮滿足最低流量，設定流量為一年中3個時段最低的，以8月份月平均流量表示；秋季和冬季時段，要考慮水生物的產卵和孵化，設定流量為中等流量，以2月份月平均流量表示；春季也主要考慮水生物的產卵和孵化，所需流量在3個時段中為最大，以4月份或5月份月平均流量表示。

（2）水力學法。該方法是在假定河道物理形態不變的基礎上，認為河流某一斷面滿足一定流量后，其下游同一功能河道流量總能滿足河道生態功能的流量要求。常用的主要有：

①濕周法。假設保護好臨界區域的水生物棲息地的濕周，也將對非臨界區域的棲息地提供足夠的保護。通過在臨界的棲息地區域（通常大部分是淺灘）現場搜集河道的幾何尺寸和流量數據，并以臨界的棲息地類型作為河流其余部分的棲息地指標。②R2-Cross法。假設淺灘是最高臨界的河流棲息地類型，保護淺灘棲息地也將保護其他的水生棲息地，如水塘和河道。采用淺灘斷面河流寬度、平均水深、平均流速以及濕周率等指標來評估河流棲息地的保護水平，從而確定河流目標流量。根據實測資料或水力模擬，以曼寧公式為基礎，建立流量與評估指數之間的對應關系，結合預先設定的標準和專家意見確定流量推薦值。③CASIMIR法。基于流量在空間和時間上的變化，采用FST建立水力模型、流量變化及被選定的生物類型之間的關系，估算主要水生生物的數量、規模，并模擬水電站可能的經濟損失。

（3）棲息地法。該方法以生態水力學為基礎，確定適合水生生物生存的推薦流量，主要方法有：

①有效寬度法。該方法建立河道流量和某個物種有效水面寬度的關系，以有效寬度占總寬度的某個百分數相應流量作為最小可接受流量。有效寬度是指滿足某個物種需要的水深、流速等參數的水面寬度，不滿足要求的部分就算無效寬度。②加權有效寬度法。該方法與有效寬度法的不同之處在于將一個斷面分為幾個部分，每一部分乘以該部分的平均流速、平均深度和相應的權重參數，從而得出加權后的有效水面寬度。③河道內流量增加法。該方法是20世紀80年代由美國漁業和野生保護組織開發研制，是人們應用最廣的方法。它考慮的主要指標有流速、最小水深、底質情況、水溫、溶解氧、總堿度、濁度、透光度等，通常用來評價水資源開發建設對下游水生生物棲息地的影響。

（4）整體分析法。該法是從研究區生態環境整體出發，集中相關學科的專家小組意見，通過綜合研究河道內流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關系確定流量的推薦值，并要求這個推薦值能夠同時滿足生物保護、棲息地維持、泥沙沖淤、污染控制和景觀維持等整體生態功能。綜合法主要包括以下2種方法：

①南非的BBM法：首先考察河流系統整體生態環境對水量和水質的要求。然后預先設定一個可滿足需水要求的狀態，以預定狀態為目標，綜合考慮砌塊確定原則和專家小組意見，將流量組成人為地分成4個砌塊，即枯水年基流量、平水年基流量、枯水年高流量和平水年高流量。河流基本特性由這4個砌塊決定，最后通過綜合分析確定滿足需水要求的河道流量。

②澳大利亞的整體評價法：該法的基本思想也是通過綜合評價整個河流系統來確定流量的推薦值。但要求以保持河流流量的完整性、天然季節性和地域變化性為基本原則，并著重分析不同等級的洪水影響情況，強調洪水和低流量對河流生態系統保護的重要性。

2.國內計算河道內生態需水方法

（1）歷史流量法

①枯水年天然徑流估算法：以最枯年天然徑流進行估算。

②將河流年最小月均流量的多年平均值作為河流的基本生態環境需水量。

（2）防治河流水質污染的計算方法

①10年最枯月平均流量法。7Q10法在20世紀70年代傳入我國，但由于該標準要求比較高，而我國的經濟發展水平比較落后、南北方水資源情況差別較大，我國在《制訂地方水污染物排放標準的技術原則和方法》中規定：一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。②以水質目標為約束的生態需水量計算。為達到水質目標所需要的水量，依據環境水利學有關水質污染稀釋自凈需水量計算方法進行計算。

（3）缺資料地區生態需水量計算方法

劉昌明院士根據南水北調西線一期工程調水區屬于缺資料地區的實際情況，提出了一種同時考慮河道本身信息和水生生物信息的估算生態需水量方法——水力半徑法。依據該方法計算的關鍵是確定生態水力半徑所對應的河道斷面面積，并根據不同斷面和天然河道斷面與水力半徑之間的關系計算生態需水量。馬育軍等對傳統生態水力半徑法進行了改進，并以青海湖裸鯉為指示生物研究了青海湖流域兩條主要河流（布哈河、沙柳河）的生態需水特征。

三、結語

生態需水量的計算目前在國外一些發達國家已較為成熟，而我國開展這項研究相對較晚。由于各區域或流域的水文、水質、水生態條件不一，選擇計算方法要考慮適用性并適當進行修改。在計算的過程中，要注重基礎資料的收集，并可開展物理實驗模型，以實地調查和實驗相結合，在總結各種經驗的基礎上提出有針對性的方法來開展典型區域或流域的生態需水計算

（作者單位：淮河流域水資源保護局233001）