吳藝涵，王 煜

(三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

隨著社會的高速發(fā)展，人類對水資源的需求日益增長，過度開發(fā)利用水資源導致河流生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞，出現(xiàn)水體污染、河道斷流等問題[1]。為修復受損的河流生態(tài)系統(tǒng)，流域管理機構及科研工作者已開展諸多河流生態(tài)修復研究工作，而河流生態(tài)需水量與生態(tài)流量作為河流生態(tài)修復工作的重要參考依據(jù)，其研究已在諸多典型流域?qū)嵤2-3]。劉歡等[4]提出在進行河流生態(tài)修復工作時，應關注水量、水質(zhì)、河流形態(tài)結構及水生生物等評價指標的健康狀況；李瑤瑤等[5]提出的多種河流生態(tài)修復方式均將河道流量作為評價標準；谷曉林等[6]在進行松花江流域伊通河的生態(tài)系統(tǒng)恢復工作中，也將生態(tài)環(huán)境需水量作為重要依據(jù)。國內(nèi)外對于生態(tài)流量的概念解釋很多，如生態(tài)環(huán)境需水量、環(huán)境流量(environmental flows)、最小流量(minimum flows)等[7-11]，各自的定義也有所不同，但核心都在于保持河流各項功能所需的流量。河流生態(tài)流量是指維系河流正常形態(tài)、保障河流與環(huán)境基本生態(tài)功能所需特定的河水流量[12-15]。充足的河川徑流、良好的水質(zhì)以及可維系的河流生態(tài)系統(tǒng)是河流健康體系的關鍵評價指標，同時也是河流生態(tài)修復的主要技術目標，因而保障一定的河流生態(tài)流量對于維護河流健康、進行河流生態(tài)修復至關重要[16-17]。

在河流生態(tài)流量的管理實踐過程中，部分水域河流生態(tài)流量保障程度低、河流生態(tài)系統(tǒng)嚴重失調(diào)、流域生態(tài)系統(tǒng)整體趨于惡化，表現(xiàn)為枯水期河道斷流嚴重、生態(tài)流量難以保證，水污染問題嚴重。為實現(xiàn)受損河流的長效治理與修復，加強河流生態(tài)流量管理[18]，生態(tài)水文響應關系構建[19]，水資源優(yōu)化配置等各項工作都要求對河道生態(tài)流量進行合理評估，因而對河流生態(tài)流量進行實時監(jiān)測迫在眉睫。國內(nèi)外水資源管理部門在重要河流紛紛搭建了生態(tài)流量監(jiān)測體系和監(jiān)測平臺，實時動態(tài)監(jiān)測河流生態(tài)流量過程，以為水資源的優(yōu)化配置和調(diào)度提供基礎，有效保護河流健康狀態(tài)。

1 國內(nèi)河流生態(tài)流量監(jiān)測現(xiàn)狀

國內(nèi)長江流域、黃河流域、珠江流域等七大流域部分支流與干流都進行了生態(tài)流量監(jiān)測的實施和探索，以長江流域為例，在漢江、金沙江和岷江等支流上實施了生態(tài)流量監(jiān)測[20-22]，其為河流生態(tài)健康狀態(tài)的實時評判與生態(tài)環(huán)境保護方案的決策提供了有效支撐。目前河流生態(tài)流量監(jiān)測的主要指標為河道斷面流量、水流流速、水位、降水等，常用監(jiān)測技術主要是水文站網(wǎng)監(jiān)測法、攝像機監(jiān)測以及利用遙測技術進行動態(tài)監(jiān)測等。結合中國河流分布特點以及水電能源分布情況，考慮不同尺度下的河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)，而農(nóng)村小水電由于開發(fā)利用過程中存在的生態(tài)問題也應列入考慮[23-25]。因而按生態(tài)流量監(jiān)測范圍可分為農(nóng)村小水電下泄生態(tài)流量監(jiān)測、綜合流域干流生態(tài)流量監(jiān)測、河系支流生態(tài)流量監(jiān)測。

1.1 農(nóng)村水電站下泄生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)

農(nóng)村小型水電站的引水發(fā)電，往往由于水流流道的改變或者河網(wǎng)調(diào)度調(diào)蓄作用造成大壩下游河道天然徑流過程的改變，使其流量減小，甚至在大壩與水電站尾水之間的河道形成斷流，對河流生態(tài)環(huán)境和功能造成較大的影響。為保障下游河道的生態(tài)功能，需要對農(nóng)村水電站下泄的最小流量、壩(閘)下泄流量進行實時監(jiān)測[26-27]。

目前，中國針對農(nóng)村水電站設置下泄生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的省份主要有江西、浙江、福建、四川等，其主要監(jiān)測的特征指標為流量、水位、水質(zhì)、流速等，同時將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至水電或環(huán)境監(jiān)管部門，實現(xiàn)對水電站下泄生態(tài)流量的動態(tài)監(jiān)控。農(nóng)村水電站下泄生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)采用的監(jiān)測方法主要包括流量換算法、渠道測流法以及攝像頭觀測等。流量換算法是利用固定河道斷面所得的水位和平均流速，換算得到相應的斷面流量，用以監(jiān)測壩(閘)下泄流量，但應用時不夠直觀。渠道測流法借助渠道利用測流設備監(jiān)測壩(閘)下泄流量和平均流速，應用時需控制渠道水流。攝像頭觀測法是通過攝像頭收集影像，終端識別水位、流量數(shù)據(jù)，其優(yōu)點在于直觀、可視化，應用范圍更廣。

由于中國農(nóng)村水電站建成年代久遠，設計水平低，設施基礎，且多位于支流或支溝源頭，位置偏遠，交通設施和網(wǎng)絡設施不好，因而上述幾種農(nóng)村水電站下泄生態(tài)流量監(jiān)測方法均有其局限性，監(jiān)測效果難以滿足實際需求；同時由于河道斷面不規(guī)則，水文情勢隨機，故生態(tài)流量不易確定[27]。因此若要進一步對農(nóng)村水電站下泄生態(tài)流量進行長效監(jiān)測，需結合當?shù)厮牡刭|(zhì)環(huán)境完善監(jiān)測技術，例如使用遙測技術實施監(jiān)測，同時利用北斗等先進通訊技術改善數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。

1.2 綜合流域干流生態(tài)流量監(jiān)測體系

中國水資源緊缺且時空分布不均，部分河流開發(fā)程度較高，經(jīng)濟社會用水大量擠占河流天然徑流過程，難以進行流域生態(tài)流量管理，因此亟需建立綜合流域干流生態(tài)流量監(jiān)測體系，以加強流域生態(tài)流量監(jiān)管[28-29]。

長江流域在相關部門的引導下進行一系列的生態(tài)流量基礎研究，提出河流生態(tài)流量需求。長江流域生態(tài)基流一般采用水文法計算，通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)度，以保證重要斷面生態(tài)流量；同時對部分干流區(qū)域進行生態(tài)流量調(diào)查，重點監(jiān)測了長江干流、漢江、嘉陵江、瀾滄江等多條河流的100多個綜合規(guī)劃生態(tài)基流，利用水文觀測站和測量船對河湖控制斷面進行水量、水質(zhì)和水生態(tài)監(jiān)測[30]，監(jiān)測效果滿足生態(tài)需求，但由于水文觀測站規(guī)劃布置受限，監(jiān)測斷面內(nèi)監(jiān)測站點數(shù)量不足，難以進行監(jiān)測站網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃，因此流域內(nèi)生態(tài)流量監(jiān)測不夠高效且實時性不佳。

淮河干流流域水資源短缺問題突出，水利管理部門通過計算淮河干流重要控制斷面生態(tài)流量，如水利工程壩下生態(tài)流量控制斷面等，采用水文水力學法分析淮河干流生態(tài)流量，從而建立干流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)。該生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)由流量監(jiān)測站點和生態(tài)監(jiān)測站點構成，典型流量監(jiān)測站點如調(diào)水工程、省交界斷面，生態(tài)監(jiān)測站點如淮河流域內(nèi)關鍵的生態(tài)敏感地帶和自然生態(tài)保護區(qū)[31]，關鍵控制斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于評估生態(tài)流量過程是否合理，同時可以進行水資源規(guī)劃與合理調(diào)配，因此獲取關鍵斷面流量數(shù)據(jù)十分重要。

太湖流域水資源總量不足，藍藻水華等造成水體富營養(yǎng)化，污染嚴重。近些年太湖流域開展了一系列生態(tài)環(huán)境修復工作，其中一項重要任務是進行生態(tài)流量監(jiān)測。太湖流域進行生態(tài)流量監(jiān)測的思路是結合太湖流域生態(tài)流量現(xiàn)狀，建立生態(tài)流量監(jiān)測體系，明確相關監(jiān)測指標以及需要重點關注的內(nèi)容，采用遙感測量、在線監(jiān)測和實驗室深度分析等多種監(jiān)測手段相結合的方式，系統(tǒng)獲取太湖流域生態(tài)流量狀況與基礎變化信息，用科學的表征形式與評估方法，全面評價太湖流域生態(tài)流量監(jiān)測水平，為太湖流域的生態(tài)文明建設提供技術支撐[32]。

對比分析長江流域、淮河流域和太湖流域生態(tài)流量監(jiān)測方案和效果得出：綜合流域干流生態(tài)流量監(jiān)測流程大致相同，即首先對流域生態(tài)流量問題識別分析，建立生態(tài)流量監(jiān)測指標體系，進而確定生態(tài)流量監(jiān)測方案，并應用現(xiàn)代監(jiān)測與評估技術實現(xiàn)監(jiān)測目的。對于長江流域、淮河流域等受污染輕微的區(qū)域，選擇適當?shù)目刂茢嗝妫⒈O(jiān)測站網(wǎng)，使用水文水力學法進行生態(tài)流量監(jiān)測，而對受污染嚴重的區(qū)域，可以采用遙感測量等現(xiàn)代化技術進行實時監(jiān)測。對于綜合流域干流生態(tài)流量監(jiān)測體系需要結合流域的實際情況，科學建立符合流域特點的生態(tài)流量監(jiān)測方案。

1.3 河系支流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)

不同于綜合流域干流生態(tài)流量監(jiān)測與農(nóng)村水電站生態(tài)流量監(jiān)測，河系支流流量小，河道狹窄，且分布更為廣泛，對其進行生態(tài)流量監(jiān)測可以反映河系河流健康狀況及水資源供應是否滿足需求。目前國內(nèi)很多研究者針對河系支流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)進行了較多研究，例如谷曉林等[6]在松花江流域伊通河的河道生態(tài)需水研究中提出利用信息化技術設計合理的生態(tài)調(diào)度方式十分可靠；李遠軍[33]在進行烏江流域梯級水電站生態(tài)流量監(jiān)測中提出進行生態(tài)流量在線監(jiān)測和實時預警可實現(xiàn)生態(tài)流量集中可視化管理，并能提高水電站生態(tài)效益。結合中國各流域河流結構，河系支流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)廣泛分布于各大河系支流[34]，例如烏江水系、黑河水系、大盈江水系等，其中大盈江水系的生態(tài)流量監(jiān)測方案具有目前中國進行河系支流生態(tài)流量監(jiān)測的典型特點。

大盈江水系分布于云南省盈江縣境內(nèi)，以大盈江為干流構成河網(wǎng)系統(tǒng)。大盈江水系在河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的構建上，區(qū)別于以往的人員巡檢抽查，建立WSN(Wireless Sensor Network)和GPRS(General Packet Radio Service)相融合的河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)，以精確測量生態(tài)流量[35]。大盈江水系河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)使用超聲波流量計進行水量監(jiān)測，使用水位儀進行水位監(jiān)測，流速通過換算得到。系統(tǒng)還具備一定的拓展性能，例如可監(jiān)測河流濁度、pH等。為保證生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲安全，在生態(tài)流量中心站采用雙機設備和磁盤陣列的方式進行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)中心對遠程返回的數(shù)據(jù)進行集中處理，建立生態(tài)流量綜合管理平臺，以實現(xiàn)生態(tài)流量實時數(shù)字監(jiān)控。

對大盈江水系河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)所采用的指標監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)傳輸方案進行評估，見表1。

表1 大盈江水系河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)評估

綜上分析，目前中國河系支流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)利用的現(xiàn)代化監(jiān)測手段適用范圍廣、測量精度高，WSN和GPRS技術數(shù)據(jù)傳輸快捷高效，但在缺乏網(wǎng)絡條件下傳輸受限，因而若能推廣使用北斗等先進傳輸技術則可對其進行有效改觀。

2 國外河流生態(tài)流量監(jiān)測現(xiàn)狀

國外對于河流生態(tài)流量的研究開始較早，1976年Tennant等[36-37]提出Tennant法后開始引起關注，Tennant法廣泛應用于河流控制斷面生態(tài)環(huán)境需水量計算，隨后演變出水文變更生態(tài)限制法、流量歷時曲線法等。國外的河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)廣泛分布于各大洲諸多國家，例如美國、英國、瑞士、澳大利亞、印度等[38]，各個國家主要生態(tài)目標不同，因而所采用的監(jiān)測方法與手段不同，以北美、歐洲、大洋洲、南亞等幾個典型國家采用的生態(tài)流量監(jiān)測方案為例進行對比分析[39-41]。

a)美國華盛頓州奇蘭湖(Lake Chelan)水電站通過建立河流動態(tài)水溫數(shù)學模型進行生態(tài)流量監(jiān)測，其主要目的是改善魚類生存環(huán)境，保護魚類產(chǎn)卵，監(jiān)測指標為流量、水溫等，用以保障洄游三文魚的適宜生存環(huán)境[42]，系統(tǒng)監(jiān)測效果良好，三文魚可在河道內(nèi)產(chǎn)卵，數(shù)量增長明顯，環(huán)境大幅改善。

b)瑞士布瑞諾河(Blenio River)流域水電站群通過建立水動力數(shù)學模型進行河道生態(tài)流量的動態(tài)監(jiān)測，用數(shù)學模型模擬監(jiān)測過程，從而量化監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標包含流量、水位、水溫等，其監(jiān)測結果可為流域管理部門提供決策依據(jù)[38]。

c)澳大利亞新南威爾士州(New South Wales)為改善濕地生態(tài)環(huán)境，通過水文水質(zhì)模擬系統(tǒng)對其內(nèi)陸的濕地進行生態(tài)流量監(jiān)測。監(jiān)測效果較好，一定程度上促進了濕地生態(tài)環(huán)境的改觀，但由于監(jiān)測指標選擇不合理、統(tǒng)計強度低，難以對監(jiān)測結果進行綜合評估[43-44]。

d)墨西哥的圣佩德羅河(San Pedro River)借助以往的測量數(shù)據(jù)建立生態(tài)流量閾值，形成調(diào)度方案，以高效調(diào)配水資源，如規(guī)定年徑流量的80%需用于保障濕地生態(tài)用水。同時通過實時監(jiān)測生態(tài)流量，合理規(guī)劃用于濕地生態(tài)環(huán)境修復的水量，一定程度上改善了濕地生態(tài)環(huán)境，但由于其調(diào)配范圍局限，不利于水資源跨區(qū)域調(diào)配[38]。

e)印度的恒河(Ganges River)利用BBM(Building lock Method)法[45]評估監(jiān)測生態(tài)流量，后通過調(diào)整灌溉用水量及干支流用水量來保障一定的生態(tài)流量，在實現(xiàn)社會文化功能的同時兼顧發(fā)電效益，總體監(jiān)測效果較好，保障了河流生態(tài)流量的實施和管理[46]。

綜上5個典型國家的生態(tài)流量監(jiān)測方案可以得出國外進行生態(tài)流量監(jiān)測是以建立水文數(shù)學模型為基礎，確定監(jiān)測目標，結合河流實際生態(tài)需求進行綜合監(jiān)測，同時可以發(fā)現(xiàn)發(fā)達國家與發(fā)展中國家進行生態(tài)流量監(jiān)測的目的和需求有所差異，發(fā)達國家側重于提高生態(tài)效益，而發(fā)展中國家則傾向于更大的發(fā)電經(jīng)濟效益。

3 生態(tài)流量監(jiān)測問題研究展望

隨著相關部門和科研工作者的共同關注以及生態(tài)流量研究領域新方法的提出，河流生態(tài)流量的監(jiān)測取得了較大的發(fā)展，但是由于監(jiān)測手段以及技術方法的瓶頸，目前仍存在如下一些不足。①在監(jiān)測效果上，目前國內(nèi)外的生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)均處于發(fā)展階段，生態(tài)流量的監(jiān)測方法主要為水文水力學法，實踐中由于河道監(jiān)測斷面泥沙淤積，實際斷面形狀不易控制，因而監(jiān)測誤差較大。生態(tài)流量計算通常采用水文學法、水力學法、生境模擬法、整體分析法等[14]，此幾種方法科學性和綜合性較好，在一定程度上能夠滿足生物棲息地需求，但由于缺少生態(tài)響應機制的研究，易受地形環(huán)境限制，普適性欠佳，同時未能考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的整體需求。②在監(jiān)測指標上，國內(nèi)外生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測指標較為單一，例如洮河某已建水電站生態(tài)放流系統(tǒng)僅監(jiān)測流量一項指標[47]，而為全面改善河流健康狀況，需對多項生態(tài)指標進行監(jiān)測，故生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測流量、流速、水位、水溫等多項參數(shù)才足以表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。③在監(jiān)測精度上，國內(nèi)外的生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)由于監(jiān)測手段有限，無法觀測整個生態(tài)系統(tǒng)的所有變量，僅以部分代替總體的方式設計監(jiān)測樣本，導致監(jiān)測結果存在一定誤差，無法準確描述系統(tǒng)真實狀態(tài)，表現(xiàn)為未全面建立監(jiān)測站網(wǎng)，無法對生態(tài)系統(tǒng)進行整體評價。同時由于沒有形成標準化的監(jiān)測方法，水質(zhì)、流速、水深、透明度和流量等參數(shù)的監(jiān)測不夠精準，故對于生物種群變化的各參數(shù)監(jiān)測精度不高[19]。④在監(jiān)測實時性上，由于生態(tài)流量的監(jiān)測數(shù)據(jù)通常僅由建設單位掌握，一般單位和個人難以獲取相關信息，不利于對水電站運行情況的監(jiān)督和對河流生態(tài)的研究，同時河流生態(tài)系統(tǒng)作為一個動態(tài)系統(tǒng)，部分指標需要進行實時監(jiān)測，而現(xiàn)有的生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測時限僅按水文年進行劃定，例如流量、流速等3～5 d監(jiān)測一次，水質(zhì)等一年僅監(jiān)測4～5次，不能滿足流域整體生態(tài)需求，監(jiān)測數(shù)據(jù)難以指導河流運行和調(diào)度。并且對于地形復雜的環(huán)境，通訊信號缺失，數(shù)據(jù)傳輸難以進行，因此構建一種可靠的信號傳輸系統(tǒng)極為重要。

結合目前生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的實際監(jiān)測需求及其存在的問題，可從以下幾個方面進行改善：①目前的生態(tài)基流理論已較為成熟，但由于實際工況復雜多變，導致理論難以運用于生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，后續(xù)的科研工作者應側重于理論的改進與應用，以改善生態(tài)流量研究現(xiàn)狀，例如通過計算機模擬改進得到普適性更強的水動力數(shù)學模型，綜合流域特點和監(jiān)測目標建立綜合流域生態(tài)流量調(diào)控方案等；②對于生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍及監(jiān)測指標，可建立生態(tài)流量綜合監(jiān)測系統(tǒng)，拓寬生態(tài)流量監(jiān)測范圍，考察論證合適的控制斷面，建立模糊數(shù)學綜合評價模型賦予各項監(jiān)測指標一定權重以進行聯(lián)合評判，從而實現(xiàn)多指標聯(lián)合監(jiān)測，同時應設置監(jiān)測閾值，建立預警系統(tǒng)，以保證河流生態(tài)流量符合要求；③對于生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的適應性問題，即考慮能否在特殊地形下進行監(jiān)測，可注重通訊信號的改善，現(xiàn)階段可通過無線電橋技術進行通訊，在后續(xù)的建設中可利用覆蓋范圍更廣、無監(jiān)測盲區(qū)、安全穩(wěn)定的北斗通訊技術改善通訊信號，提升遠程監(jiān)管能力；④對于生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度問題，在一定程度上可通過調(diào)整測量裝置的具體屬性進行有效改善，或者選用更高效的監(jiān)測裝置；⑤對于生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的實時性，根據(jù)不同監(jiān)測站點的實際觀測需要，可以按需縮短生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測時限以及數(shù)據(jù)反饋時間，同時完善監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設施，改善存儲和傳輸?shù)沫h(huán)境，建立更為高效的傳輸方式。另外通過搭建河流生態(tài)流量數(shù)據(jù)實時展示平臺，完善水利信息協(xié)同共享與更新機制，可以實現(xiàn)生態(tài)流量數(shù)據(jù)可視化以及水利信息資源共享，同時方便群眾進行監(jiān)督，進而促進生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的智慧發(fā)展。

4 結語

河流生態(tài)流量監(jiān)測是進行河流生態(tài)修復、水資源優(yōu)化配置、協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境效益等問題的重要手段，監(jiān)測結果可對河流健康狀況進行實時有效評估，以達到維護河流生態(tài)系統(tǒng)的健康運行的目的。本文在對比分析目前國內(nèi)外關于河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)的相關研究和實際工程案例的基礎上，對目前生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足及改進方案進行思考和分析，以期為提高河流生態(tài)流量監(jiān)測效果提供一定參考。

未來，應繼續(xù)進行生態(tài)基流理論研究，并將其更多地應用于實際工程中，完善監(jiān)測指標，實現(xiàn)多指標聯(lián)合監(jiān)測；在實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測的基礎上，增設預警功能，以保證河流生態(tài)流量滿足要求。同時，優(yōu)化傳輸方式，削弱通訊傳輸?shù)南拗?，以適應各類不同的環(huán)境。最后，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化后納入?yún)^(qū)域河網(wǎng)調(diào)度調(diào)蓄中用以河流生態(tài)健康評價以及河流生態(tài)修復工作，同時契合綠色水電的要求。