三種生態(tài)流量計算方法適應性分析及選擇

肖衛(wèi) 周剛炎

摘要：介紹了歐洲生態(tài)流量計算評估實踐，聚焦了水文法、水力-棲息地法和整體法計算生態(tài)流量的經(jīng)驗和案例，分析了3種生態(tài)流量估算方法的適應性及選擇。分析表明：應評估受影響河流流態(tài)和生態(tài)流量之間的差距，提出實現(xiàn)生態(tài)流量和環(huán)境保護目標需求相協(xié)調(diào)的建議;應結合不同類型計算方法的適用條件和數(shù)據(jù)獲取難易程度，選取合適的生態(tài)流量計算方法。

關鍵詞：生態(tài)流量;估算方法;水文法;水力-棲息地法;整體法

中圖法分類號：P333

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0059-04

水工程在發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運、灌溉等效益的同時，在一定程度上改變了河流水文情勢，產(chǎn)生了相應的生態(tài)效應。在工程實踐中，一般較多關注優(yōu)化水工程的最小下泄流量，主要考慮生產(chǎn)和生活用水需求。隨著對河流生態(tài)系統(tǒng)認識的逐步深入，水庫下泄流量需要考慮下游生態(tài)保護目標的需求，河流生態(tài)流量的計算和實踐評估是一個十分重要而復雜的課題。研究和實踐表明：應根據(jù)不同地域、不同類型河湖的氣候水文特性、水資源稟賦條件及開發(fā)利用狀況、河湖生態(tài)功能定位等，分析并明確主要生態(tài)保護對象及保護要求，合理確定河流生態(tài)流量及過程，對重要河流生態(tài)流量的滿足狀況進行評價，并分析存在的主要問題和成因。歐洲開展生態(tài)流量的研究和實踐起步比較早，在《歐盟水框架指令》下開展生態(tài)流量計算評估的經(jīng)驗和案例值得參考借鑒。

1生態(tài)流量計算方法

學術界常用的幾種生態(tài)流量計算方法包括：①水文法;②水力-棲息地法;③整體法。為了對比3種方法的利弊，在表1中對這些方法進行了比較。

1.1水文法

水文法是基于歷史徑流數(shù)據(jù)分析的方法。基本假設是為了保護河流生態(tài)系統(tǒng)，必須保證天然的水文情勢。水文法中并不考慮物種或群落特定水平，提供同期流量的變化幅度和范圍，以維持生態(tài)過程與生物多樣性。水文法在當前的應用趨勢是從僅設定一個最小流量的方法（如：1976年Tennant法）轉向更加全面的方法，考慮維持河流形態(tài)和生態(tài)過程所需的水文條件。

目前，水文法是國際上使用最廣泛的方法，因為該法使用方便且成本經(jīng)濟。如果可以獲得用于生態(tài)流量估算的徑流記錄，則水文法是計算生態(tài)流量最簡單、最快速、最經(jīng)濟的方法，但未考慮河流形態(tài)特征及生態(tài)過程，因此建議在規(guī)劃層面使用水文法，或在低風險、低爭議的情況下設立初步流量目標。不建議將水文法應用于對生態(tài)流量要求較高的情況。

簡單的水文分析受到以下3個方面的影響：①為了保證統(tǒng)計完整性，水文要素的數(shù)據(jù)序列至少要15a。②對于受人類活動（如修建水壩、水庫，河流改道與取水等）影響的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要進行還原計算。③水文監(jiān)測站在空間分布上必須控制干支流節(jié)點，以獲取水源和主要水道的水文特征。

水文法研究的案例包括：①在氣候變化背景下，意大利阿諾河流域通過將最小生命流量數(shù)據(jù)以及生態(tài)流量初步近似值加以比較，達到測試定量指標的目的。②使用水文法和整體法來確定斯洛文尼亞生態(tài)流量。

1.2水力-棲息地法

水力-棲息地法是基于流量變化，通過河流形態(tài)對生物群落起作用確定群落棲息地出現(xiàn)及持續(xù)的時間。

水力-棲息地模擬包括：①河道的物理或水力建模;②模擬生物與物理環(huán)境之間的聯(lián)系。后者可能考慮不同的生境參數(shù)，如水深、流速、河床組成、河道幾何形狀、覆蓋度和水溫等。因此，可根據(jù)水流和河道的形態(tài)特征來確定生物群落棲息地數(shù)量。然后將物理模型和生物模型相結合，用來模擬棲息地質(zhì)量-數(shù)量的指標如何隨徑流變化。盡管以往文獻中不同水力-棲息地模型的概念基本相同，但在具體計算中，模型（物理模型和生物模型）之間存在差異。

目前，許多方法都涉及河流廊道內(nèi)生物群落與生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。有研究考慮了洪泛平原、河岸棲息地的生態(tài)重要性以及維持河流地貌需要的急流與洪水。此外，棲息地時間序列分析是使用水力一棲息地法定義生態(tài)流量的關鍵，以表示年內(nèi)與年際棲息地的變化。棲息地模型能夠模擬流量和形態(tài)變化，可對不同場景進行比較分析，并得出最佳選項。

通常認為，水力-棲息地法比水文法更加準確，并在高風險項目中推薦使用水力-棲息地法進行模擬。水力-棲息地法需要扎實的專業(yè)知識儲備，并通過大量現(xiàn)場勘查來收集水文及生物資料，耗時長且成本較高。歐盟內(nèi)外的一些國家通過使用簡化的“廣義”棲息地模型以降低成本。

水力-棲息地模擬方法是根據(jù)水文形態(tài)條件估算棲息地的數(shù)量，而不考慮更加復雜的生態(tài)及生物因素，例如食物可獲得性、種間相互作用以及外來物種的存在。

水力-棲息地法使用案例包括：①希臘羅得島加爾達拉斯河建造大壩使河流流態(tài)發(fā)生改變。需要確定水庫關鍵水位以使其成為土著魚類拉迪赤梢魚生存保護地。基于該方法制定了大壩泄流計劃，供大壩運營方對洪枯期、洪枯年份的庫水位進行調(diào)度。泄流計劃實施1a后，通過物理、生物和物理化學監(jiān)測表明，河流流態(tài)可較好保護枯季拉迪赤梢魚種群，確保了魚類生存。②瑞典默魯姆河特定水生物種創(chuàng)造有利水力條件的實踐過程。自1959年以來，默魯姆河水一直被用于發(fā)電。該河流是鮭魚與海鱒的潛在產(chǎn)卵場，為了更好地發(fā)揮潛在產(chǎn)卵場的作用，需要加大流量并進行河道地形修復。以水力一棲息地模擬為依據(jù)，評估不同流量過程，并與鮭魚種群模型相結合。根據(jù)模擬，將魚類遷徙季節(jié)與流量峰值相結合，得出了生態(tài)基流的建議值。③法國默茲河天然徑流波動較大，加之上下游航運、水電站運行的影響以及水資源管理不當?shù)纫蛩兀瑢е铝藦搅魍蛔儭Ｍㄟ^河流棲息地法模擬了低流量對鮑魚適宜棲息地數(shù)量的影響。對模型進行可靠性分析發(fā)現(xiàn)，對產(chǎn)卵區(qū)以外目標物種每一生命階段的適宜棲息地估算值過高，需進行適當調(diào)整。通過結合現(xiàn)場收集的信息克服了棲息地法的若干缺點。

1.3整體法

整體法的目的是將人類和生態(tài)流量需求融合到縝密的評估框架中。該方法的理念是所有生物和非生物組成了需要管理的生態(tài)系統(tǒng)。

整體法有時被稱為專家小組法，在研討中制定生態(tài)流量標準，由多學科專家小組（包括水文學、地貌學、水質(zhì)和生態(tài)學各學科）審議特定河流的數(shù)據(jù)。

水文變化的生態(tài)限制框架（ELOHA）是專門為滿足州、省或流域尺度的環(huán)境流量管理與國家水政策層面的需求而開發(fā)的，將環(huán)境用水需求納入?yún)^(qū)域水資源規(guī)劃及全球管理中。該框架同時解決了河流（包括湖泊與濕地）的許多問題。根據(jù)評估深度、數(shù)據(jù)收集與專家咨詢程度的結果表明，整體框架的應用耗時較長且成本較高。

斯洛文尼亞生態(tài)流量的確定使用了水文法和整體法。采用整體法評估了分水（取水）河段的生物、化學和水文形態(tài)特征，考慮與自然保護及保存政策有關的需求確定生態(tài)流量。整體法可用于全球任何地方，但作為基于專家支持的方法，其可復制性有限。

2方法選擇

根據(jù)流域的水文特征、規(guī)模范圍以及環(huán)境和經(jīng)濟情況，建議選擇分層次方法確定適當?shù)纳鷳B(tài)流量計算方法。可以選擇從簡單到復雜的方法。根據(jù)一個國家的規(guī)模、風險范圍、用水強度、預算、能力與時間框架等進行計算。可在許多不同方面分階段分層實施，例如：①增加科學評估的復雜性，從非常簡單的流域規(guī)模水文分析到基于現(xiàn)場的綜合調(diào)查;②增加的流態(tài)復雜性，從季節(jié)性低基流的基本保護到維持具有年內(nèi)（年際）變化的更復雜流態(tài);③地理分階段，從高優(yōu)先級站點開始計算。

由于生態(tài)流量計算需要一定條件，因此分階段的分層次方法是實際應用中最為有效的方法，可用于制定某一地區(qū)或國家的生態(tài)流量政策。如西班牙廣泛采用了兩種評估級別，將生態(tài)流量納入流域管理計劃。英國河流使用了生態(tài)流量的3種評估級別，且投資越大評估結果越準確。

表2為一種適用于生態(tài)流量計算方法選擇的3層結構方法。

3生態(tài)流量差距分析

在《歐盟水框架指令》的一般背景下，“差距分析”在于確定每一水體現(xiàn)有狀態(tài)與實現(xiàn)環(huán)境目標所需狀態(tài)的偏差。如果水文情勢變化可能妨礙實現(xiàn)環(huán)境保護目標，則應對當前流態(tài)與生態(tài)流之間的差距進行評估，即“生態(tài)流量差距分析”。雖然水文變化脅迫分析評估中考慮到了當前流量與天然流量的偏差，但生態(tài)流量差距分析在于評估當前流量與生態(tài)流量之間的距離（見圖1）。

由圖1可知，可在任何時間尺度（月，季節(jié)或年）上計算生態(tài)流量差距，應集中于發(fā)生改變的流量分量（包括流速）。對于低流量，生態(tài)流量差距可以理解為由于引調(diào)水而實際上不可用于滿足生態(tài)流量需求的凈水量。

水量平衡中通常考慮生態(tài)流量。在斯洛伐克水資源定量評估時就是如此。水量平衡一般以上一年度的水量需求與水資源可用性評估作為根據(jù)，明確了水資源利用的現(xiàn)狀與可能性，并作為下一時期的水資源管理約束條件。生態(tài)流量用最小平衡流量表示，作為水量需求輸入量之一。在考慮水量平衡時，若出現(xiàn)水量不足的情況，可據(jù)此對現(xiàn)有措施進行指導和審查，以改進或重新制定措施。

對于目前滿足生態(tài)流量（無生態(tài)流量差距）的地表水體，在措施計劃中應關注維持河流健康。對于某些河流，若已經(jīng)確定當前流量和生態(tài)流量之間差距，則應制定相應的措施計劃以恢復生態(tài)流量，并縮小差距。

4結語

選擇合適的生態(tài)流量計算方法取決于資源的可用性（包括監(jiān)測數(shù)據(jù)）和受影響的嚴重程度。對覆蓋整個流域的情況，可選擇采用水文法;針對潛在影響采取具體措施時，則需要更詳細的方法來確定生態(tài)流量以確保其有效性。在水文變化可能影響實現(xiàn)環(huán)境保護目標的情況下，評估當前流態(tài)和生態(tài)流量之間的差距是設計修復措施計劃的關鍵。

在河流受到人類活動影響的情況下，應當評估當前流態(tài)與實現(xiàn)保護目標所需流態(tài)之間的差異，以便制定適當措施。這種差異的分析包括對河流監(jiān)測或模擬結果的評估。對生態(tài)流量評估需要考慮天然流態(tài)和河床形態(tài)、河流生態(tài)流量與確定環(huán)境保護目標是否相適應。本文介紹的方法可用于生態(tài)流量的確定，大多綜合考慮了生物狀況、時間尺度、復雜性和所需數(shù)據(jù)方面的差異。應結合不同類型計算方法的適用條件和數(shù)據(jù)獲取難易程度，選取合適的計算方法。

本文介紹了3種生態(tài)流量計算方法及其適應性選擇，可供計算河流生態(tài)流量時參考借鑒。建議根據(jù)不同地域、類型河湖的氣候水文特性、水資源稟賦條件及開發(fā)利用狀況、河湖生態(tài)功能定位等，明確主要生態(tài)保護對象及保護要求，選擇適當?shù)纳鷳B(tài)流量計算方法，確定合理的河流生態(tài)流量及過程，以滿足下游生態(tài)保護目標的需求，并及時開展重要河流生態(tài)流量評價。對流域內(nèi)建有多座水工程的河流，在滿足單個工程生態(tài)流量保障要求的前提下，還應根據(jù)上下游河流廊道、湖泊、濕地、河口及魚類棲息地等選定的保護目標對生態(tài)流量及過程的要求，分析各工程的調(diào)度約束條件和調(diào)度目標，綜合提出流域上下游梯級聯(lián)合生態(tài)調(diào)度方案。

（編輯：李慧）