刘立军，张 扬，郭丽君，严 杰

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，杭州 310020； 3.浙江广川工程咨询有限公司，杭州 310020)

河流是生态系统的重要组成部分，修复和改善河道生态，并实现水资源的合理配置，需科学合理地确定河道生态需水。河道生态需水是将河道生态系统结构、功能和生态过程维持在一定水平所需要的水量，指一定生态保护目标对应的水生态系统的水需量及其过程。

1 国外河道生态需水计算方法简述

国外早期关于河流生态环境需水量的研究主要是对河道枯水流量(Low -Flow)的研究[1-5]。经过多年的研究，已形成一些相对成熟的河流生态需水估算方法，基本可以分为水文学法、水力水法、栖息地评价法、整体分析法等 4 大类[6]。

水文学法是根据河道的径流资料计算基本生态需水量，属于统计学方法，常用方法有Tennant法[7]、7Q10法、德克萨斯(Texas)法[8]、NGPRP法等。水文学法宜用在对计算结果精度要求不高，并且生物资料缺乏的情况。水文学法的优点是现场不需要测定数据，具有简单快速的特点；缺点是方法缺乏生物学资料证明，未考虑流量的丰、枯水年变化，也未考虑河段形状的变化，若要证明计算结果的生态效应，还要进行大量的野外工作, 以设定不同标准和获取必要的参数。

水力学法以保留河流的足够水量和保持河道的基本形态为集中目标，将流量变化与河道的断面形状、比降、水深等水力几何学参数联系起来确定基本生态需水量，代表方法有湿周法、R2CROSS法[9]、CASMIR法等。湿周法适用于湿润河网区，但河道的形状会影响该法的分析结果。R2CROSS法适用于一般浅滩式的河流栖息地类型。

栖息地评价法是在水力学法的基础上，考虑水质、水生物等因素，以提供一个适宜的物理生境作为目标，根据流量-栖息地生境或流量-栖息地指示物种的相关关系确定生态需水量，代表方法有IFIM/PHABSIM法[10-13]、RCHARC法、Basque法等。该法使用起来比较灵活，但实际操作性不强，不容易被应用，适用于已确定物种及其栖息地为生态保护目标的河道。由水文学法到栖息地法，资料条件的要求随之增高，针对性也随之增强。整体分析法综合考虑了专家意见和生态整体功能，通过综合研究河道内流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系确定流量的推荐值，并要求这个推荐值能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙冲淤、污染控制和景观维持等整体生态功能。整体分析法主要有南非的BBM法和澳大利亚的HEA法，宜用于流域整体的生态需水评估。

2 问题的提出

不同的计算方法各有其适用条件和适用范围，选定生态需水评估方法应考虑河流类型、人们的生态环境价值观、计算结果的精度要求、收集资料的费用和困难程度等。目前，人们对生态环境价值的观念还不统一，国内对河道生态需水的研究起步较晚，缺乏现场观测数据，缺乏系统建立在定量分析基础上的综合水文学、生态学和地理学的河道生态需水计算方法，对河道生态与水的关系研究还不够深入，对河道生态需水的定量研究仍远远不够。许多河道生态需水计算方法涉及生态资料并需要实测数据支持，针对我国目前的研究现状，在现阶段水文学法最适合于我国河道生态需水研究[14]，可以作为区域和流域大空间尺度的宏观研究手段，但需要对其评价标准做进一步研究，以适合于我国河流要求。

流量历时保证率(Flow-Duration Guarantee Rate)是反映流量在某一时段内(年内某一月、季节、一年)超过某一数值持续天数与时段总天数的比例。在流量历时保证率中，应用最广的是以年为时段的日平均流量历时保证率。绘制年为时段的日平均流量历时曲线时，由于一年日数很多，一般以季或月为时段分组进行历时统计[15]。德克萨斯(Texas)法是在Tennant法的基础上进一步考虑了水文季节变化因素，采用某一保证率的月平均流量作为生态流量，月平均流量保证率的设定考虑了区域内典型动物群(鱼类总量和已知的水生物)的生存状态对水量的需求。德克萨斯(Texas)法首次考虑了不同的生物特性(如产卵期或孵化期)和区域水文特征(月流量变化大)条件下的月需水量[14]，比现有的一些同类方法前进了一步，是一种典型的流量历时保证率法。

(1)河道生态需水与流域生态系统之间存在相辅相成的关系，水文条件是生态系统的一个重要的决定因素，湿润区不可能出现具有显著干旱区特性的生态系统，反之亦然。河道水文条件可以明显影响河道生态系统的结构和优劣，另一方面，生态系统也会对水文条件产生一定的适应性。因此，确定河道生态需水既要符合流域的水文特征，也要适应流域生态系统的特性。对于季节性明显的河流，河道生态需水应符合水文气象的季节性特征，也要适应生态系统对水文条件的季节性要求。以月或季为单位，以流量历时保证率为指标控制生态需水过程，是既能反映季节特征、又能兼顾生态系统适应性的比较好的方式，且分析计算比较简单，较易推广应用。考虑到可能存在的雨热不同季等问题，简单地以流量历时保证率为控制指标又显得简单粗暴，与生态系统的实际需求不相符。因此，对流量历时保证率法作适当改进是必要的。

(2)河道生态需水目标与流域水资源开发利用需求有关 在开展水资源开发利用规划时，需统筹生活、生产和生态需水。在水资源紧张的区域，“三生”用水之间的胁迫非常明显，对河道生态需水目标无法定得很高，生态需水往往只是满足最基本的生态需求。在水资源丰富的区域，水资源开发利用程度可以相对低一些，河道生态需水目标自然就可以定得高一些，可以要求生态需水足以创造一个良好的生态环境。以生态需水量占多年平均径流量的百分比为指标控制生态需水总量，是统筹兼顾“三生”用水的可行方式。对特定流域，流量历时保证率与流量之间往往有比较稳定的相关关系，用流量历时保证率法确定的生态流量成果相对稳定，利于推广应用。

(3)河道生态需水目标与民众对生态的认识和需求有关 生态系统究竟需要多少水才是最好的？极端环保主义者强调以环境为本或者以自然为本，忽视以人为本，认为自然的就是最好的，就会导致人类无法正常开发利用水资源；若一味强调改造自然，盲目开发利用水资源，则可能严重破坏生态环境，最终遭受大自然的报复。因此，应在科学研究的基础上，积极引导社会对生态环境的认识，合理确定与社会经济发展水平相适应的生态需水。生态需水目标可以用流量历时保证率来表征，便于理解和接受。

3 改进流量历时保证率法

以长系列逐日平均流量为基础数据，资料系列应不少于30年且应尽量选择受人为影响较小的水文数据。为反映季节的变化，建议以月为单位，将各月的逐日流量从大到小依序排列，即：Qij，i=1，2，…，N；j=1，2，…，12，其中：Q1j、QNj分别为年内j月流量序列中的最大、最小流量值。

再计算年内j月的历时保证率为Pj的流量Qpj，即：

Qpj=Qj|P(Qij≥Qj)=Pj

(1)

参照生态环境需水量等级划分研究成果[16]，以各月历时保证率为50%、60%、75%和90%的流量为各月达到优秀、良好、一般和基流等级的生态流量。

结合降水特征、气象条件、生态系统和水资源开发利用的需求，对流量历时保证率法作出适当改进，在年历时保证率基本不变的条件下，根据经验直接对以月为时段的流量历时保证率法计算结果在各月作平滑修正，更好地体现以丰补枯、水热同步，提出更符合流域特征的生态需水结果。

4 计算案例

浙江省为典型的亚热带季风气候区，四季分明，雨热同步，采用流量历时保证率法计算河道内生态需水具有独特优势。

按降水成因，大致可将浙江全省分为梅雨主控区、台风雨主控区和梅雨台风雨兼容区三种类型地区，且以山丘区中小流域为主。在梅雨主控区、台风雨主控区和梅雨台风雨兼容区各选一个山丘区流量站进行河道内生态流量分析计算。

表1 流量站信息表Tab.1 Information of stream gauging station

经统计，各流量站各月平均流量与多年平均流量的比例见图1。

图1 各月平均流量与多年平均流量的比例Fig.1 Ratio of monthly average flow to multi-year average flow

由图1可知，长风站位于梅雨区，梅雨期降水明显比较多，台风雨期明显少。石柱站位于台风雨区，台风雨期的径流占比明显高。分水站位于梅台兼容区，降水特征介于两者之间。

3个流量站各月历时保证率流量与多年平均流量的比例见图2～图4。

图2 长风站各月历时保证率流量与多年平均流量的比例Fig.2 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Changfeng Station

图3 分水站各月历时保证率流量与多年平均流量的比例Fig.3 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Fenshui Station

图4 永嘉石柱站各月历时保证率流量与多年平均流量的比例Fig.4 Ratio of monthly duration guarantee rate flow to multi-year average flow at Yongjia-Shizhu Station

由图2-4可知，各站各月历时保证率流量能够比较好地反映流域水文规律。各月历时保证率为50%的累计径流量占多年平均径流量的约40%～50%，历时保证率为60%、75%和90%的累计径流量与多年平均径流量的比例分别约为30%～40%，20%～30%和10%～15%。计算结果与SL/Z 712-2014《河湖生态环境需水计算规范》和SL/Z 479-2010《河湖生态需水评估导则 (试行)》中的非常好、好、中、差4个生态环境状况的生态需水量比较匹配。当河道内生态水量只达到基流等级时，所需生态水量约占多年平均径流量的10%～15%，与国内的有关规范以及常用的以多年平均流量的10%作为基流比较接近。

要使得河道内生态水量达到优秀等级，则所需生态水量约占多年平均径流量的40%～50%，加上可以作为生态脉冲的洪水[17]，剩余的可利用水量约40%，与常用的水资源开发利用程度上限40%比较接近。但是，河道流量在年内的分配是极不均匀的，最丰月与最枯月的比值高达8～10，丰水期明显偏多，不利于水资源开发利用；枯水期略偏少，特别是梅雨主控区的7月、8月和9月，既是高温期，又是多数生物的越冬准备期，河道内应该有较大的流量。因此，对流量历时保证率法作适当修正是有必要的。

以年生态需水总量占多年平均径流量的约40%、30%、20%和10%且多年平均年历时保证率分别约50%、60%、75%和90%作为达到优秀、良好、一般和基流等级的生态需水控制参数，最大月(4月～6月)需水量和最小月(11月-次年1月)需水量分别取平均值的150%和50%，其他月份综合考虑水文、气象和生态系统需要，需水过程实现平稳变化。经人为修正得到的三个站的生态需水结果见图5和表2。

图5 修正的生态流量与多年平均流量的比例Fig.5 Ratio of revised ecological flow to multi-year average flow

对比图5和图2-4，修正后的各等级的年生态需水量略有减少，主要是丰水期生态流量减少较多，但枯水期生态流量略有增加，且年内生态需水过程更趋平稳，水、热的同步性更好，更能体现生态系统的需求。当然，修正后，各月流量历时保证率有比较大的变化，但多年平均年历时保证率基本无变化。

表2 修正的R和P成果表 %

注：R=年生态需水量/多年平均径流量；P为多年平均年历时保证率。

参照基于生态水深-流速法的河段生态需水量计算方法[18]中的中型山区河流鱼类水力生境参数参考标准，鱼类生境最低标准要求平均水深≥0.3m、平均流速≥0.3m/s、水域水面面积≥70%。按照这些参数估算鱼类最低生态需水见表3。

表3 基于生态水深-流速法的鱼类生境最低流量成果表Tab.3 Minimum flow results of fish habitat based on ecological depth-flow velocity method

注：永嘉石柱站附近河道滩地发育，表中河宽为常水位河宽；R为鱼类生境最低流量与多年平均流量的比值。

由表3可以看出，3个站基于生态水深-流速法的鱼类生境最低流量大致应为多年平均流量的15%～20%，界于图5汛期的生态流量等级“基流”和“一般”之间。基于常规理解，“基流”往往难以满足基本的生态需求，“一般”应该能够基本维持生态系统的正常状态。因此，图5的成果与基于生态水深-流速法的河道生态需水量评价标准有比较好的一致性。

另一方面，计算结果也表明，要保证比较好的河道内生态需水量和过程，流域调蓄工程仍是必不可少的。以长风站为例，多年平均径流深超过1 100 mm，但8月和9月为高温期且较易发生干旱，雨热不同步现象仍是显著的，不利于生态系统，需要经常通过工程补水以改善生态系统的质量。

5 结 语

在现阶段，水文学法最适合于我国河道生态需水研究，流量历时保证率法在一定程度上考虑了区域内典型动物群的生存状态对水量的需求，是既能反映季节特征、又能兼顾生态系统适应性的比较好的方式，且分析计算比较简单，较易推广应用。

河道生态需水与流域生态系统之间存在相辅相成的关系，生态需水目标与流域水资源开发利用需求有关，也与民众对生态的认识和需求有关。为使水热同步性更好，更能体现生态系统的需求且年内生态水量过程更趋平稳，对流量历时保证率法作适当改进是必要。

改进流量历时保证率法计算结果与基于生态水深-流速法的河道生态需水量评价标准有较好的一致性，多年平均年历时保证率约50%、60%、75%、90%的生态流量与SL/Z 712-2014《河湖生态环境需水计算规范》和SLZ479-2010《河湖生态需水评估导则 (试行)》中的优秀、良好、一般、基流等级的生态需水要求匹配度高，说明改进流量历时保证率法方法可行、成果可用。

改进流量历时保证率法本质上仍是水文学方法，仍未深入研究河道生态与水的关系，缺乏生物学资料证明，也未考虑流量的丰、枯水年变化，仍需进一步完善。

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