馬樂(lè)軍，張行南，王 歡，祁昌軍

(1.河海大學(xué)水文與水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇南京210098；3.南京河?？萍加邢薰?，江蘇南京210098；4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029；5.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境評(píng)估中心，北京100012)

天然河流的水文情勢(shì)是河流生態(tài)多樣性的基礎(chǔ)，水庫(kù)、水電站等水利水電工程的建設(shè)和運(yùn)行改變了河流的天然屬性，引發(fā)工程下游河道出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)功能減弱、水環(huán)境質(zhì)量下降等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1- 4]。為緩解水利水電工程建設(shè)與下游河道生態(tài)保護(hù)的矛盾，自2003年始，國(guó)家出臺(tái)多部環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)及技術(shù)導(dǎo)則，明確提出水利水電工程應(yīng)進(jìn)行生態(tài)用水補(bǔ)償措施，需對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的保護(hù)。應(yīng)用較廣的是2006年《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過(guò)魚(yú)設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行) 》(以下簡(jiǎn)稱“指南”)，指南規(guī)定了水利水電工程下泄生態(tài)基流計(jì)算的方法，提出最小下泄生態(tài)基流的下限值不得低于多年平均流量10%的規(guī)定[5]。這些法律規(guī)范的制定從根本上確立了水利水電工程下泄生態(tài)基流的合法性，技術(shù)上明確了生態(tài)基流計(jì)算準(zhǔn)則，對(duì)實(shí)際工作有很好的指導(dǎo)作用。然而，這些規(guī)范對(duì)于水利水電下泄生態(tài)基流的概念尚未明確，河道內(nèi)計(jì)算方法選擇尚未提出明確的規(guī)則。為此，陳敏建[6]等分析了我國(guó)區(qū)域的生態(tài)問(wèn)題，并總結(jié)出不同區(qū)域生態(tài)需水類型，王浩[7]等針對(duì)不同的生態(tài)需水類型，引入并改進(jìn)了多種適宜我國(guó)國(guó)情的生態(tài)需水計(jì)算方法，提出了我國(guó)分區(qū)域生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)。馬樂(lè)軍[8]等考慮水利水電工程對(duì)下游的影響，提出下泄生態(tài)基流的概念。這些成果豐富了我國(guó)生態(tài)需水理論及方法體系，但研究主要以流域?yàn)閷?duì)象，對(duì)河道內(nèi)生態(tài)需水分析計(jì)算仍需進(jìn)一步研究。因此，針對(duì)生態(tài)基流計(jì)算方法空間尺度的變異性， 研究不同區(qū)域、不同斷面適宜計(jì)算方法，構(gòu)建最小生態(tài)基流計(jì)算方案，具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

目前研究多針對(duì)局部地區(qū)開(kāi)展，計(jì)算方法應(yīng)用較多，結(jié)果的合理性論證尚需進(jìn)一步探索，亟需開(kāi)展最小生態(tài)基流計(jì)算方案的研究，提出一套生態(tài)基流計(jì)算管理體系，供管理決策使用。本文在分析國(guó)內(nèi)外生態(tài)基流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建最小下泄生態(tài)基流計(jì)算方案，提出了在時(shí)間上及空間上分步分級(jí)確定生態(tài)基流的思路，計(jì)算方案可為生態(tài)基流分區(qū)的構(gòu)建提供技術(shù)支撐，為水利水電環(huán)境影響評(píng)估工作提供決策支持。

1 河流生態(tài)基流計(jì)算方法概述

1.1 國(guó)外計(jì)算方法概述

河道生態(tài)基流估算自20世紀(jì)40年代開(kāi)始，至今大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法四大類[9-12]：

(1) 水文學(xué)方法 。該法(也稱“水文指標(biāo)法”或“歷史流量法”)是生態(tài)需水評(píng)價(jià)中最常用的計(jì)算方法，它以歷史流量數(shù)據(jù)的百分比來(lái)確定生態(tài)基流。水文學(xué)方法種類較多，Tennant 法、Texas法、7Q10法、基本流量法、可變范圍法(RVA)等是比較具有代表性的方法[13-17]。

(2) 水力學(xué)方法。它以曼寧公式為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建河道水力參數(shù)與流量的相關(guān)關(guān)系，分析生態(tài)流量。目前應(yīng)用較廣有濕周法、R2CROSS法。濕周法認(rèn)為魚(yú)類食物量大小與河流流量成比例，根據(jù)生態(tài)基流的定義，通過(guò)建立濕周與流量的關(guān)系曲線，尋找濕周變異較大的點(diǎn)，即生態(tài)基流量。R2CROSS法認(rèn)為淺灘是河流棲息地完整性的零界點(diǎn)，保護(hù)淺灘棲息地即同時(shí)保護(hù)了河流生態(tài)系統(tǒng)最極限的狀態(tài)[18]。

(3) 棲息地法。棲息地法是對(duì)水力學(xué)方法的擴(kuò)展及改進(jìn)，其主題思想是選擇某一種或多種指示物種代表整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)生物生鏡需求的水力條件的確定來(lái)計(jì)算生態(tài)基流的方法。代表性的方法有IFIM(instream flow incremental methodology)法，物理?xiàng)⒌啬M法(The Physical Habitat Simulation Model)，CASMIR法(Computer Aided Simulation Model for Instream Regulations)等，其中IFIM法應(yīng)用最廣[19-21]。

(4) 整體分析法。20世紀(jì)90年代中期提出整體分析法后，該法目前是最為復(fù)雜也是精度最高的一種方法。該法從河流生態(tài)系統(tǒng)的整體性的角度，綜合分析水文、泥沙、河流形態(tài)與河流生境之間的關(guān)系，使確定的河道流量能夠同時(shí)滿足上述各學(xué)科的需求。其涉及多個(gè)學(xué)科，需要一個(gè)包含多學(xué)科的專家組進(jìn)行綜合分析獲取結(jié)果。代表方法有南非的BBM[22](Building Block Methodology)法、澳大利亞的ELOHA法[23](Ecological Limits of Hydrologic Alteration)及水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系法[24]。

1.2 國(guó)外計(jì)算方法適用性

目前，關(guān)于生態(tài)基流的計(jì)算方法逐漸成熟，但各種方法側(cè)重點(diǎn)不同，有些方法的可移植性較差，許多研究者對(duì)生態(tài)基流四大類方法進(jìn)行過(guò)分析，通常認(rèn)為各計(jì)算方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)摘錄如表1所示[7]。

水文學(xué)方法由于其操作簡(jiǎn)便，對(duì)數(shù)據(jù)的要求相對(duì)簡(jiǎn)單，在多數(shù)情況下僅要求有10年及以上的歷史流量數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行野外調(diào)查等特點(diǎn)，使其成為應(yīng)用最為廣泛的方法，比較適合作為流域?qū)蛹?jí)戰(zhàn)略性管理工具使用。水力學(xué)方法通過(guò)建立淺灘與河道水力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，獲取生態(tài)基流值；該法對(duì)天然河道的形態(tài)要求較高，目前實(shí)際應(yīng)用已逐漸降低，但其對(duì)棲息地法的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。棲息地法是對(duì)水力學(xué)法的擴(kuò)充，是目前而言較為復(fù)雜但計(jì)算結(jié)果相對(duì)合理的一種計(jì)算方法。該法以目標(biāo)生物的生態(tài)需求為導(dǎo)向，將生物生境、水力學(xué)參數(shù)及河流流量進(jìn)行結(jié)合，計(jì)算生態(tài)基流，比較適合單一敏感保護(hù)生物的河段。對(duì)于多種保護(hù)生物下如何綜合考慮其生境目標(biāo)尚需深入研究。 整體法考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的整體性，整合不同行業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)和研究生態(tài)環(huán)境需水量，計(jì)算結(jié)果能夠最大程度保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，但該法認(rèn)為天然河流的水文情勢(shì)是最佳的水文條件，限制了其在水庫(kù)河段中的應(yīng)用；同時(shí)，這種方法需要大量的生態(tài)資料支撐，資源消耗大，評(píng)價(jià)耗時(shí)較長(zhǎng)(一般需要至少兩年)，限制了其應(yīng)用范圍。

表1 河道生態(tài)基流計(jì)算方法特點(diǎn)

表2 我國(guó)生態(tài)基流計(jì)算相關(guān)技術(shù)規(guī)范

1.3 我國(guó)水利水電工程最小下泄生態(tài)基流使用方法

我國(guó)水利水電建設(shè)經(jīng)過(guò)快速發(fā)展時(shí)期，目前維持河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定是影響社會(huì)和諧發(fā)展的主要影響因素之一。然而生態(tài)基流的計(jì)算分析較為復(fù)雜，國(guó)家有關(guān)部門在多年的管理實(shí)踐中，發(fā)布了多部法律法規(guī)的同時(shí)，形成多個(gè)技術(shù)規(guī)范以指導(dǎo)建設(shè)工程下泄生態(tài)基流計(jì)算[25](見(jiàn)表2)。

上述規(guī)范豐富了我國(guó)生態(tài)基流的計(jì)算體系，推動(dòng)我國(guó)水利水電工程建設(shè)下泄生態(tài)基流計(jì)算方法走向成熟。然而由于規(guī)范并未明確提出計(jì)算方法的使用方法，導(dǎo)致在具體實(shí)踐中計(jì)算方法的選擇缺乏依據(jù)，使用較為隨意，多以多年平均流量的百分比(10%～20%)作為生態(tài)基流量；同時(shí)，規(guī)范間缺乏協(xié)調(diào)，不同規(guī)范推薦的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果差異較大。如《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則需水預(yù)測(cè)部分(修訂)》中推薦以90%保證率最小月平均流量法作為生態(tài)基流計(jì)算方法，而《水資源供需預(yù)測(cè)分析技術(shù)規(guī)范》則推薦95%保證率最小月平均流量法等。

因此，水利水電工程生態(tài)基流計(jì)算方法選擇，應(yīng)從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，分析計(jì)算影響因素，研究計(jì)算方法使用準(zhǔn)則，建立區(qū)域與適宜計(jì)算方法庫(kù)，并開(kāi)展適應(yīng)性管理，修正并最終確定生態(tài)基流。

2 最小生態(tài)基流計(jì)算方法

2.1 計(jì)算影響因素

水利水電工程最小下泄生態(tài)基流，應(yīng)考慮時(shí)空模式，即不同區(qū)域及時(shí)段應(yīng)采用不同的方法，其主要受以下幾方面因素的影響。

(1)河道水文及河流形態(tài)。河道水文主要取決于區(qū)域水文條件、干旱程度等因素，是氣候類型、干濕地區(qū)等因素的綜合結(jié)果，是篩選水文學(xué)方法的重要因素。河流形態(tài)受地勢(shì)、地貌、土壤類型等因素的影響，地勢(shì)變化對(duì)河道水力坡度、地貌類型對(duì)河道形態(tài)、土壤對(duì)河流基質(zhì)條件等影響直接反映在河流水文情勢(shì)差異上，進(jìn)而造成河流生態(tài)系統(tǒng)的差異。同時(shí)河流形態(tài)也決定了水力學(xué)方法的適用性。

(2)水生保護(hù)目標(biāo)。水生保護(hù)目標(biāo)是生態(tài)基流計(jì)算的主要目的之一。不同的水生生物對(duì)生境的需求不盡相同，相關(guān)學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究，積累了大量的研究成果。在構(gòu)建生態(tài)基流計(jì)算方案時(shí)，需借鑒相應(yīng)的研究成果。

(3)水利工程調(diào)節(jié)能力。水利水電工程調(diào)節(jié)能力是工程規(guī)模、工程類型等影響因子的綜合結(jié)果，不同調(diào)節(jié)性能工程對(duì)下游河道水文情勢(shì)的影響差異較大。Poff等[26]研究表明，大中型水利水電工程下游河流生態(tài)多樣性常趨于單一化。楊濤[27]、Chen[28]、杜河清等[29]分析了東江上游水庫(kù)對(duì)下游水文情勢(shì)的影響，得出徑流年內(nèi)分配趨于均一化的結(jié)論。

為此，在分析最小下泄生態(tài)基流時(shí)，需重點(diǎn)考慮河道水文及河道形態(tài)，劃分計(jì)算方法的適用區(qū)域，以大型水利工程為控制節(jié)點(diǎn)，分析壩下是否有重要水生保護(hù)目標(biāo)，進(jìn)一步細(xì)化各類計(jì)算方法的適用性。

2.2 計(jì)算流程

生態(tài)基流計(jì)算方案的確定按照以下步驟逐級(jí)確定(見(jiàn)圖1)。

圖1 最小下泄生態(tài)基流計(jì)算流程

(1)構(gòu)建水生態(tài)分區(qū)。區(qū)劃是從區(qū)域角度觀察和研究區(qū)域的差異性和相似性、分異組合、劃分合并及相互關(guān)系。水生態(tài)區(qū)概念起源于美國(guó)，1987年由Omernik[30]首次提出，其實(shí)質(zhì)是一定尺度下的水體分類方法[31]。研究結(jié)果表明，水生態(tài)區(qū)劃在水環(huán)境管理、河流生物評(píng)價(jià)、濕地管理等方面的優(yōu)勢(shì)明顯[32-33]。水生態(tài)區(qū)劃可為管理者對(duì)同一區(qū)域內(nèi)水體進(jìn)行統(tǒng)一管理，分析適宜的計(jì)算方法[34]。因此，構(gòu)建最小下泄生態(tài)基流計(jì)算方案的前提是進(jìn)行水生態(tài)區(qū)劃的劃分。對(duì)于如何構(gòu)建水生態(tài)區(qū)劃，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。美國(guó)、澳大利亞、新西蘭、歐盟等依據(jù)各自的情況制定了相應(yīng)的水生態(tài)分區(qū)。國(guó)內(nèi)水生態(tài)分區(qū)起步較晚，但發(fā)展較為迅速，從早期的自然區(qū)劃階段到生態(tài)區(qū)劃，涌現(xiàn)了大量的區(qū)劃類型。筆者認(rèn)為，最小下泄生態(tài)基流區(qū)劃可在借鑒已有成熟的區(qū)劃上，重點(diǎn)分析河道生態(tài)系統(tǒng)差異；以水資源分區(qū)為基礎(chǔ)，融入生態(tài)分區(qū)，劃分生態(tài)區(qū)劃。即，據(jù)氣候、地形的差異，整合水資源一級(jí)分區(qū)，將我國(guó)劃分為南部濕潤(rùn)地區(qū)、北方半干旱區(qū)、東北半濕潤(rùn)區(qū)、西北干旱區(qū)、西南高寒區(qū)等五大區(qū)劃；通過(guò)分級(jí)整合水資源分區(qū)，最終形成以水資源分區(qū)為基礎(chǔ)的河道生態(tài)基流區(qū)劃。

(2)確立計(jì)算河段。在確定生態(tài)區(qū)劃后，需對(duì)同一分區(qū)內(nèi)河道進(jìn)行分類研究，篩選出相對(duì)同質(zhì)的河段。同一河段內(nèi)應(yīng)充分考慮水利水電工程對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的影響，以壩址為節(jié)點(diǎn)，分析壩下河道有無(wú)重要水生保護(hù)目標(biāo)；對(duì)于無(wú)保護(hù)目標(biāo)的河段常分汛期及非汛期兩類分別計(jì)算，對(duì)有重要保護(hù)目標(biāo)的河段常以產(chǎn)卵期及非產(chǎn)卵期兩個(gè)時(shí)間段分別計(jì)算。

(3)選擇計(jì)算方法。針對(duì)具體的河道，根據(jù)計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇適宜的計(jì)算方法計(jì)算生態(tài)基流，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，論證計(jì)算方法的合理性，構(gòu)建適宜計(jì)算方法庫(kù)。首先分析研究區(qū)域的資料情況，論證資料是否滿足各類的計(jì)算方法的需求，初步篩選適宜的計(jì)算方法。針對(duì)下游無(wú)重要保護(hù)水生生物的河段，選擇水文學(xué)方法或水力學(xué)方法計(jì)算生態(tài)基流并對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行論證；在條件允許的情況下，可以考慮用生態(tài)水力學(xué)方法或者整體分析法分析計(jì)算結(jié)果的合理性。針對(duì)下游有重要保護(hù)生物的區(qū)域，需充分考慮保護(hù)生物的產(chǎn)卵特性，采用棲息地法或整體法分析滿足保護(hù)生物產(chǎn)卵特性的最小下泄生態(tài)基流(過(guò)程)。

(4)確立計(jì)算結(jié)果。分區(qū)域選擇適宜的計(jì)算方法后，仍需通過(guò)適應(yīng)性管理的方式，依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)情況，調(diào)整生態(tài)基流量(過(guò)程)；增加生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)力度，建立生態(tài)基流隨時(shí)間的關(guān)系曲線，調(diào)整并細(xì)化適宜計(jì)算方法庫(kù)，動(dòng)態(tài)更新生態(tài)基流值。

3 結(jié) 論

水利水電工程最小下泄生態(tài)基流計(jì)算已從單一的引進(jìn)水文學(xué)方法到多種方法綜合運(yùn)用，并提出了多種適用我國(guó)國(guó)情的計(jì)算方法。雖然理論上計(jì)算方法已逐漸成熟，但各計(jì)算方法適應(yīng)性研究稍顯粗糙，有待進(jìn)一步深入研究。當(dāng)前水利水電建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)多采用Tennant法，以多年平均流量的10%為基礎(chǔ)，結(jié)合敏感保護(hù)目標(biāo)確立生態(tài)基流量，對(duì)如何確定最小下泄流量標(biāo)準(zhǔn)仍是未解決的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著我國(guó)泥沙、水質(zhì)、生物等監(jiān)測(cè)資料逐步豐富，可開(kāi)展的計(jì)算方法逐漸增多，亟需構(gòu)建生態(tài)基流指標(biāo)體系，開(kāi)展多方法比選工作，建立生態(tài)基流適宜方法庫(kù)，提出生態(tài)基流計(jì)算方案，確立生態(tài)基流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

本文以現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，以確立水利水電工程項(xiàng)目下泄生態(tài)基流為目標(biāo)，梳理了國(guó)外生態(tài)基流各類計(jì)算方法及存在的不足，分析現(xiàn)有政策法規(guī)運(yùn)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，嘗試提出分區(qū)域分級(jí)確定適宜計(jì)算方法的計(jì)算模式，為確立生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。研究成果尚未考慮到生境隨時(shí)間的變化，未來(lái)尚需加強(qiáng)生境的監(jiān)測(cè)與研究，完善生態(tài)基流計(jì)算體系的研制。