侯 俊，張 越，敖燕輝，苗令占，吳 軍

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

環(huán)境流量維持了河流自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性，自20世紀(jì)70年代開始成為水資源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。圍繞其理論體系建設(shè)，專家學(xué)者提出環(huán)境流量、河道內(nèi)流量、生態(tài)流量等眾多概念[2-3]。2018年最新發(fā)布的布里斯班宣言中更新了對(duì)環(huán)境流量定義，即維持水生生態(tài)系統(tǒng)基本功能并用于支撐人類文化、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展與社會(huì)福祉所需的水量、時(shí)間和水質(zhì)[4]。當(dāng)前圍繞環(huán)境流量的研究在水文情勢(shì)評(píng)估、指標(biāo)體系開發(fā)及水生生物保護(hù)方面都有可觀的成果，但相關(guān)方法的應(yīng)用仍依賴于方便快捷的水文學(xué)法或針對(duì)特定物種的物理?xiàng)⒌胤?，?duì)整體法的研究及應(yīng)用鮮有報(bào)道。

整體法起源于20世紀(jì)90年代并在北美、澳大利亞、南非等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展[5]。該類方法將河流視作一個(gè)綜合的環(huán)境，從生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)研究河道流量與河岸帶群落、水質(zhì)、泥沙、河床之間的關(guān)系，能夠全面評(píng)估流量變化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。作為整體法中代表性方法，下游河道對(duì)流量變化響應(yīng)法(Downstream Response to Imposed Flow Transformation，DRIFT)可通過創(chuàng)建不同場(chǎng)景有效評(píng)估河流環(huán)境流量變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。該方法憑借對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)全面評(píng)估的優(yōu)勢(shì)及場(chǎng)景創(chuàng)建模塊的創(chuàng)新在國外受到廣泛應(yīng)用[6-7]，對(duì)其相關(guān)理論體系及應(yīng)用方法的解析有助于推進(jìn)其在中國環(huán)境流量評(píng)估和管理中的應(yīng)用。

1 環(huán)境流量研究進(jìn)展

1.1 環(huán)境流量研究方法演變

目前環(huán)境流量評(píng)估方法可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法以及整體法。水文學(xué)法最早提出，憑借其計(jì)算簡單、成本較低等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。最初各國家因地制宜選擇年平均流量的不同比例作為環(huán)境流量[8-9]，在此基礎(chǔ)上專家學(xué)者耦合流量歷時(shí)曲線開發(fā)了Q95、Q90、7Q10等新一類水文學(xué)法[10]。然而，水文學(xué)法過于依賴水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于山區(qū)缺乏長期監(jiān)測(cè)的河段并不適用，在此背景下，專家學(xué)者提出水力學(xué)法將河道參數(shù)與流量變化相結(jié)合，有效解決水文數(shù)據(jù)不足的問題。常見的濕周法及R2Cross法在國內(nèi)外中小河流得到廣泛應(yīng)用，美國科羅拉多州水資源保護(hù)委員會(huì)應(yīng)用R2Cross法確定河流管理權(quán)限以保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境[11]，王煌等[12]應(yīng)用濕周法計(jì)算廣東省山區(qū)小水電站河段環(huán)境流量，為當(dāng)?shù)匦∷娬具\(yùn)行調(diào)度提供科學(xué)方案。水文學(xué)及水力學(xué)法主要依照經(jīng)驗(yàn)定性評(píng)估環(huán)境流量變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，由于缺乏生態(tài)數(shù)據(jù)支撐，其評(píng)估結(jié)果的可靠性受到質(zhì)疑[13]。生境模擬法將流量變化與物種棲息地需求相聯(lián)系，有效提高了環(huán)境流量評(píng)估的精確性。侯俊等[14]結(jié)合MIKE水動(dòng)力模型及HSI棲息地模型分析魚類棲息地與河段水流特性變化關(guān)系，確定淮河干流上游河段目標(biāo)魚類適宜環(huán)境流量。

魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級(jí)群落，是大部分棲息地模擬法優(yōu)先考慮的監(jiān)測(cè)物種，這也一定程度上造成生境模擬法的局限性。為有效分析各類環(huán)境因子與生物群落對(duì)河道流量變化的響應(yīng)關(guān)系，整體法開始在環(huán)境流量評(píng)估研究中得到開發(fā)與應(yīng)用。郝春灃[15]針對(duì)半干旱半濕潤地區(qū)河流水文-生態(tài)-社會(huì)耦合特性提出一種生態(tài)環(huán)境流量整體法，設(shè)定河道基流、生態(tài)需水、輸沙需水及景觀需水等目標(biāo)并結(jié)合分布式水文模型共同確定渭河干流環(huán)境流量。整體法將生態(tài)系統(tǒng)視作一個(gè)整體對(duì)象，從水文、環(huán)境、物種、經(jīng)濟(jì)等多方面分析環(huán)境流量變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。各類方法如BBM(Building block methodology)[16]、FSR(Flow stress or response method)[17]、DRIFT[18]在國外環(huán)境流量評(píng)估研究中起到重要作用。國內(nèi)學(xué)者對(duì)部分整體法的應(yīng)用方式及步驟做了細(xì)致講解及分析，丁偉等[19]詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)單元法的框架步驟及應(yīng)用案例，彌補(bǔ)內(nèi)國內(nèi)環(huán)境流量評(píng)估方法的不足，但由于該類方法較復(fù)雜，同時(shí)需要多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜液献?，目前在中國?yīng)用較少。

1.2 環(huán)境流量年度研究熱點(diǎn)及其躍遷

參考已有研究[20]，以中國知網(wǎng)(CNIK)數(shù)據(jù)庫提供的論文數(shù)據(jù)為檢索來源，以“環(huán)境流量”或“生態(tài)流量”為主題，選擇2000年至今的“北大核心”論文，對(duì)檢索結(jié)果逐條檢查并去除非專業(yè)性文獻(xiàn)后得到500篇環(huán)境流量相關(guān)的研究文獻(xiàn)。利用CiteSpace軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到2000年至今有關(guān)環(huán)境流量的年度研究熱點(diǎn)及關(guān)鍵詞突發(fā)性情況見圖1。2000年至今的環(huán)境流量研究以“生態(tài)流量”“環(huán)境流量”“生態(tài)調(diào)度”及“生態(tài)需水”為4項(xiàng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，圍繞4項(xiàng)熱點(diǎn)在水庫調(diào)度、生態(tài)基流、水電站及氣候變化等方面都有著深入研究。通過關(guān)鍵詞圖譜可得國內(nèi)環(huán)境流量研究仍以水文學(xué)法為主，圍繞該方法專家學(xué)者開發(fā)出各項(xiàng)指標(biāo)體系用于建立流量與水生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系[21]，其中變化范圍法 (range of variability approach,RVA)可用于量化樞紐建設(shè)前后河道水文情勢(shì)變化情況，被廣泛應(yīng)用于評(píng)估河流水文改變度[22]。隨著國家水資源開發(fā)利用總體方針向保護(hù)生態(tài)環(huán)境方向發(fā)展[23]，各類環(huán)境流量計(jì)算方法從研究單一的水力參數(shù)或水文數(shù)據(jù)逐漸過渡到與生態(tài)監(jiān)測(cè)及物種調(diào)研結(jié)合，四大家魚作為重要的經(jīng)濟(jì)魚類，成為環(huán)境流量研究中出現(xiàn)頻率最高的物種[24]。

圖1 環(huán)境流量年度研究熱點(diǎn)及關(guān)鍵詞突發(fā)性情況

關(guān)鍵詞突發(fā)性監(jiān)測(cè)可以有效探索相關(guān)領(lǐng)域的階段性研究情況。參考夏軍院士對(duì)中國水資源利用與保護(hù)的時(shí)間階段劃分情況[25]，2010年前環(huán)境流量處于起步研究階段，專家學(xué)者廣泛應(yīng)用水文學(xué)及水力學(xué)等相關(guān)方法研究河流環(huán)境流量[26]，為中國相關(guān)領(lǐng)域研究積累了理論基礎(chǔ)。郭文獻(xiàn)等[27]采用曲率最大法對(duì)濕周法進(jìn)行改進(jìn)，有效提高了該方法在河道最小生態(tài)流量估算中的精度問題。2013年中國水資源開發(fā)與利用進(jìn)入保護(hù)為主階段，在水生態(tài)文明建設(shè)的背景下，水電開發(fā)帶來的經(jīng)濟(jì)效益與損失的生態(tài)效益矛盾問題得到重視，各類環(huán)境流量研究方法被應(yīng)用于計(jì)算水庫下游生態(tài)需水并作為反映生態(tài)效益保障程度的標(biāo)準(zhǔn)。高超[28]建立魚類棲息地適宜度模型計(jì)算瀾滄江下游生態(tài)需水并作為生態(tài)效益指標(biāo)，應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法設(shè)計(jì)瀾滄江下游梯級(jí)水庫生態(tài)調(diào)度方案，將環(huán)境流量計(jì)算方法與多目標(biāo)及優(yōu)化調(diào)度模型相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水庫多目標(biāo)調(diào)度提供科學(xué)參考。隨著生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程加快，為有效平衡不同地區(qū)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的差異性，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素開始被融入到流域周邊城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)實(shí)踐中。管新建等[29]應(yīng)用Tennant法計(jì)算白河流域生態(tài)流量，綜合考慮水資源、水生態(tài)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多種因素計(jì)算該流域水資源價(jià)值并保障該地區(qū)河流基本生態(tài)需水。近年來，氣候變暖對(duì)水循環(huán)影響程度不斷加劇，賴敬明等[30]采用SWAT模型對(duì)傳統(tǒng)水文學(xué)法進(jìn)行改進(jìn)，細(xì)化環(huán)境流量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，定量分析了氣候變化對(duì)環(huán)境流量的影響。整體持續(xù)年份上，水庫調(diào)度作為水電開發(fā)及河道內(nèi)補(bǔ)充環(huán)境流量的主要方式，其調(diào)度方式的研究跨越了水資源綜合利用(2000—2012年)及保護(hù)(2013年至今)階段，持續(xù)時(shí)間最長。

以Web of Science核心合集為數(shù)據(jù)來源，以“environmental flow” 與“ecological flow”為主題搜索2000年至今相關(guān)論文共471篇并繪制聚類模塊時(shí)間線分析圖。由圖2可得國外較早開始研究氣候變化對(duì)環(huán)境流量計(jì)算的影響。Gül等[31]應(yīng)用MIKE模型分析氣候變化對(duì)丹麥地區(qū)河流環(huán)境流量研究的影響，結(jié)合模型動(dòng)態(tài)模擬提高了環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果的適用性。#1 reservoir operation、#2 environmental flow、#3 aquatic ecology、#4 ecological flow、#5 economic values、#7 environmental flow requirements等分類表明各類環(huán)境流量的計(jì)算方法將不再單純用于河道環(huán)境需水量計(jì)算，而是作為生態(tài)效益的保障方式因地制宜融入到各類水庫調(diào)度及各類水環(huán)境保護(hù)研究中，這一階段由水文學(xué)法衍生的水文指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[32]，整體法涉及的多目標(biāo)分析及耦合模型算法衍生的適應(yīng)性管理[33]及不確定性分析[34]受到廣泛應(yīng)用，其中墨累-達(dá)令流域作為澳大利亞規(guī)模最大的、唯一發(fā)育完整的水系，其河流生態(tài)系統(tǒng)健康變化受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[35]。隨著水生態(tài)系統(tǒng)理論的融入，各類環(huán)境流量的研究開始注重工程建設(shè)對(duì)水生生物的影響，棲息地模擬法應(yīng)用物理模型計(jì)算水生生物棲息地適宜度曲線，可因地制宜選擇不同指示物種計(jì)算當(dāng)?shù)睾恿鬟m宜環(huán)境流量，其中魚類憑借獨(dú)特的流量過程響應(yīng)機(jī)制被廣泛用作棲息地模擬法的目標(biāo)物種，例如大西洋鮭魚作為北美、歐洲主要的經(jīng)濟(jì)魚類，是國外環(huán)境流量研究中主要的物種監(jiān)測(cè)對(duì)象[36]。在計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐下，水力模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)流域棲息地及水生態(tài)系統(tǒng)變化過程的動(dòng)態(tài)模擬，考慮生態(tài)系統(tǒng)多項(xiàng)因素共同作用的環(huán)境流量整體法逐漸被開發(fā)應(yīng)用，提高了水利工程調(diào)度決策的科學(xué)性[37]。Shafroth等[38]應(yīng)用物理模型動(dòng)態(tài)模擬水庫運(yùn)行下美國西部比爾威廉姆斯河流量變化過程及對(duì)種群分布的動(dòng)態(tài)影響，通過耦合模型計(jì)算當(dāng)?shù)剡m宜環(huán)境流量，為當(dāng)?shù)厮Y源管理部門設(shè)計(jì)流量管理方案提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖2 環(huán)境流量英文文獻(xiàn)聚類模塊的時(shí)間線圖分析

1.3 環(huán)境流量研究存在的主要問題

國外針對(duì)環(huán)境流量研究已從單一的水文學(xué)法過渡到多學(xué)科融合的整體法并逐步形成完整的環(huán)境流量評(píng)估方法體系。相比國外，中國在環(huán)境流量概念、計(jì)算方法以及規(guī)范指南等方面積累了一定的成果，但仍存在以下問題。

a)研究方法缺乏創(chuàng)新，監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇單一。目前水文學(xué)法在中國的環(huán)境流量研究中仍占據(jù)主導(dǎo)位置[39]。盡管多項(xiàng)實(shí)踐研究對(duì)該方法進(jìn)行完善與改進(jìn)，但該類方法的應(yīng)用仍依賴于氣候穩(wěn)定假說[40]，由圖1可得21世紀(jì)以來人類活動(dòng)對(duì)全球氣候的影響不斷加強(qiáng)，氣溫與降水成為河流水文情勢(shì)分析中不可忽略的要素，為環(huán)境流量的研究造成新的困難，依靠傳統(tǒng)水文學(xué)法對(duì)河道水文過程的評(píng)估與計(jì)算將難以適用于當(dāng)前背景下環(huán)境流量的研究[41]。另一方面，環(huán)境流量的評(píng)估與計(jì)算應(yīng)注重生態(tài)系統(tǒng)的整體性。盡管環(huán)境流量在工程調(diào)度及生態(tài)保護(hù)工作中逐漸受到重視，但在研究過程中仍存在物種選擇單一，水文因子考慮不全等問題。物種選擇方面大部分研究主要針對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)魚類或保護(hù)物種，忽略了不同物種的繁殖習(xí)性以及不同生命周期對(duì)環(huán)境流量需求不同等因素。水文因子評(píng)估方面，目前中國的相關(guān)研究往往注重單因子對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響程度，流量、水質(zhì)、水文、水位等各因子間的相互作用以及與生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系有待進(jìn)一步識(shí)別與量化。

b)生態(tài)因子耦合度低，社會(huì)效益考慮不周。傳統(tǒng)的環(huán)境流量評(píng)估方法應(yīng)用水文指標(biāo)間接反映生態(tài)變化[42]，而后發(fā)展的生境模擬法也主要從單個(gè)物種或群落角度研究環(huán)境流量帶來的生態(tài)影響，忽略了生態(tài)系統(tǒng)的整體性。在原始數(shù)據(jù)、成本、技術(shù)的制約下，許多方法無法將河道地質(zhì)形態(tài)、水質(zhì)條件、生物關(guān)系等多方面外部因素作為環(huán)境流量計(jì)算的影響因素并分析各因子間的疊加效應(yīng)[43]。社會(huì)效益方面，新發(fā)布的布里斯班宣言將人類可持續(xù)發(fā)展與社會(huì)福祉融入到環(huán)境流量中，而當(dāng)前生態(tài)調(diào)度研究中對(duì)社會(huì)效益的考量主要集中在防洪與灌溉中[44]，對(duì)飲用水消耗及公共衛(wèi)生安全等涉及水資源開發(fā)利用的社會(huì)效益問題考慮不周。對(duì)比中外環(huán)境流量研究熱點(diǎn)情況可得當(dāng)前中國在環(huán)境流量評(píng)估理論體系建設(shè)及生態(tài)系統(tǒng)尺度應(yīng)用方面還存在一定差距。社會(huì)、物種、生態(tài)等各層次間的相互制約關(guān)系有待進(jìn)一步關(guān)注與探討。

c)經(jīng)濟(jì)評(píng)估未考慮生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。環(huán)境流量的研究結(jié)果能用于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水利工程運(yùn)行調(diào)度過程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)環(huán)境效益的關(guān)系[45]。然而當(dāng)前水利工程運(yùn)行調(diào)度對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估主要停留在水力發(fā)電的量化，缺乏對(duì)生態(tài)資源直接消耗以及受影響區(qū)域補(bǔ)償成本的考量。為解決生態(tài)變化帶來的經(jīng)濟(jì)損失，專家學(xué)者提出生態(tài)補(bǔ)償?shù)母拍?，以?jīng)濟(jì)手段調(diào)節(jié)地區(qū)間的利益關(guān)系，促進(jìn)補(bǔ)償活動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)及可持續(xù)利用。生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制目前在國內(nèi)外都有相關(guān)應(yīng)用[46-47]，但大部分研究相對(duì)獨(dú)立且主要發(fā)生在環(huán)境惡化以后的階段。水生生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理的原則，然而目前環(huán)境流量的計(jì)算缺乏對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益的全面評(píng)估及生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的耦合研究。如何在環(huán)境流量評(píng)估階段綜合量化各計(jì)算方案下的河流資源的使用價(jià)值，平衡各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件是當(dāng)前中國環(huán)境流量研究領(lǐng)域的主要問題。

2 DRIFT法理論體系

2.1 DRIFT開發(fā)背景

1998年南非共和國議會(huì)頒布的《南非共和國水法》提出從生態(tài)系統(tǒng)角度對(duì)水資源進(jìn)行管理與保護(hù)，推動(dòng)了環(huán)境流量評(píng)估中整體法的開發(fā)與應(yīng)用[48]。整體法在澳大利亞及南非等國家應(yīng)用較為廣泛，常見的整體法中BBM最早被開發(fā)并用于河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估中[49]，該方法全面評(píng)估了河流生態(tài)系統(tǒng)中各項(xiàng)組成部分的健康狀況，但在應(yīng)用中無法分配各生態(tài)階段所需流量。FSR將流量變化情況作為反映水生生物受壓力的程度，將低流量變化情況分為0至10等級(jí)對(duì)應(yīng)各類物種承擔(dān)的生態(tài)壓力，以此計(jì)算區(qū)域內(nèi)適宜環(huán)境流量。然而該方法僅關(guān)注低流量水文過程，無法解析洪水、流量脈沖等高流量事件對(duì)水生生物的影響。董哲仁等[50]提出一種基于豐富生態(tài)資料的河流水環(huán)境評(píng)估整體法——水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系法，結(jié)合生態(tài)保護(hù)目標(biāo)及人類需水綜合分析三峽水庫下游河段環(huán)境流量。各類整體法相比傳統(tǒng)水文學(xué)法能系統(tǒng)全面評(píng)估環(huán)境流量，但大部分研究關(guān)注流量變化對(duì)環(huán)境因子與生物群落的影響，不適用于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

為彌補(bǔ)以上缺陷，下游河道對(duì)流量變化響應(yīng)法DRIFT逐漸得到發(fā)展與應(yīng)用，該方法主要基于場(chǎng)景開發(fā)，將所有生物與非生物組成部分構(gòu)成整體的生態(tài)系統(tǒng)，從水文學(xué)、河流地貌學(xué)、沉積學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)資源學(xué)等多方面進(jìn)行環(huán)境流量評(píng)估及水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。DRIFT法可處理河流生態(tài)系統(tǒng)中的年內(nèi)及年際流量、生物群落及非生物因子變化情況，同時(shí)評(píng)估各類環(huán)境流量變化情景對(duì)河流資源及周邊居民的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響。各類設(shè)置場(chǎng)景的數(shù)據(jù)及資料都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中并可用于創(chuàng)建多類場(chǎng)景滿足不同水資源開發(fā)利用方案的需求。DRIFT在南非、東南亞等發(fā)展中國家得到廣泛應(yīng)用[51-52]，同時(shí)其獨(dú)特的對(duì)流量變化場(chǎng)景開發(fā)功能可有效應(yīng)用于季節(jié)性河流的環(huán)境流量評(píng)估中[53]。

2.2 DRIFT模型模塊

DRIFT法包含4個(gè)模塊，分別為生物物理模塊、社會(huì)學(xué)模塊、場(chǎng)景開發(fā)模塊以及經(jīng)濟(jì)模塊(圖3)。生物物理模塊用于描述當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)與功能，分析各類生物物理指標(biāo)隨流量變化的情況；社會(huì)學(xué)模塊用于識(shí)別研究范圍內(nèi)受流量變化影響的居民情況；場(chǎng)景開發(fā)模塊結(jié)合了一、二模塊內(nèi)容，開發(fā)了各類場(chǎng)景預(yù)測(cè)流量變化對(duì)生態(tài)環(huán)境及河岸居民的影響；經(jīng)濟(jì)模塊用于分析補(bǔ)償受影響居民所需要的成本。

圖3 DRIFT模塊組成

a)生物物理模塊。該模塊包含水文學(xué)、水力學(xué)、水化學(xué)、河流地貌、河岸植被、魚類等多學(xué)科因素，通過水動(dòng)力模型提供河流水文過程，結(jié)合各項(xiàng)生物物理指標(biāo)變化情況開發(fā)相應(yīng)的流量預(yù)測(cè)功能。該模塊下決策者需根據(jù)研究區(qū)域各斷面間生境因子與物種的差異性選擇代表性河段，按照低流量(枯水期低流量與雨季低流量)與高流量(小洪水與大洪水)劃定水文情勢(shì)，之后應(yīng)用水力模型模擬典型河道斷面在不同水文過程下的淹沒范圍、水位、流速等情況，以此為基礎(chǔ)開發(fā)生境預(yù)測(cè)功能并預(yù)測(cè)和量化流量變化對(duì)生境因子的影響。

b)社會(huì)學(xué)模塊。該模塊涉及社會(huì)學(xué)、人類學(xué)、公共衛(wèi)生學(xué)、動(dòng)物學(xué)等多方面學(xué)科，建立河流與受流量變化影響的居民之間的關(guān)系，開發(fā)預(yù)測(cè)流量變化對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裼绊懙墓δ?。建立該模塊首先需要?jiǎng)澏ㄊ苣繕?biāo)河流影響的居民范圍，描述居民與河流間的關(guān)系，包括水資源開發(fā)利用程度、居民與河道的相對(duì)位置等信息。之后通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查量化河流資源利用情況(如捕食魚類、飲用水消耗)并轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)價(jià)值。其次，該模塊從公共衛(wèi)生學(xué)角度分析研究區(qū)域潛在的衛(wèi)生安全問題并作為預(yù)測(cè)社會(huì)影響的必要參考。

c)場(chǎng)景開發(fā)模塊。該模塊包含生物物理成分與社會(huì)學(xué)成分，在生物物理成分方面根據(jù)決策者擬定的不同水資源開發(fā)利用方案在數(shù)據(jù)庫中編譯相應(yīng)場(chǎng)景，對(duì)每項(xiàng)場(chǎng)景模擬研究區(qū)域未來的流量變化過程，對(duì)比流量指標(biāo)差異并用于評(píng)估流量變化對(duì)生境及物種的影響。在社會(huì)學(xué)成分方面，決策者可通過社會(huì)學(xué)模塊預(yù)測(cè)不同流量場(chǎng)景下居民可使用河流資源的增減以及當(dāng)?shù)匦l(wèi)生狀況的變化情況。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是對(duì)各場(chǎng)景下社會(huì)影響的描述，該類數(shù)據(jù)將作為經(jīng)濟(jì)模塊中生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算的重要依據(jù)。

d)經(jīng)濟(jì)模塊。該模塊總經(jīng)濟(jì)價(jià)值包括使用價(jià)值與非使用價(jià)值，使用價(jià)值包含了可直接開發(fā)利用的環(huán)境資源以及潛在的生態(tài)系統(tǒng)功能。非使用價(jià)值包含為后代保留的價(jià)值以及環(huán)境信息價(jià)值。應(yīng)用DRIFT評(píng)估環(huán)境流量變化下的經(jīng)濟(jì)效益主要考慮對(duì)河流資源直接消耗且易于量化的使用價(jià)值，生態(tài)環(huán)境非使用價(jià)值需依靠公眾決策參與保護(hù)。決策者可利用經(jīng)濟(jì)模塊分析流量變化后對(duì)于受影響居民及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)及補(bǔ)償成本。

2.3 DRIFT應(yīng)用步驟

DRIFT應(yīng)用過程包含基礎(chǔ)設(shè)置、信息獲取及結(jié)果分析3個(gè)主要步驟。在基礎(chǔ)設(shè)置階段首先會(huì)根據(jù)實(shí)際工作需要挑選各學(xué)科專家組建研究團(tuán)隊(duì)，按照流域范圍劃定工作邊界，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料沿縱向河岸帶劃分不同水文、地形、生物特征區(qū)域，選擇具有代表性的生物物理研究點(diǎn)及社會(huì)調(diào)查采樣點(diǎn)，確定不同研究點(diǎn)所代表的區(qū)域、生態(tài)條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況。在此基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用需求，綜合考慮社會(huì)、生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)不同場(chǎng)景來模擬未來可能發(fā)生的水文過程。

信息獲取階段主要是從生物物理及社會(huì)學(xué)兩方面對(duì)各項(xiàng)場(chǎng)景進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，環(huán)境流量的評(píng)估首先需要結(jié)合水文站實(shí)測(cè)資料與水文模型模擬數(shù)據(jù)確定流量過程，根據(jù)研究時(shí)段建立時(shí)間序列，按照一定閾值劃分流量指標(biāo)用于反映年際與年內(nèi)水循環(huán)變化情況。生物物理預(yù)測(cè)方面，由各學(xué)科專家選取對(duì)水文變化敏感的生態(tài)系統(tǒng)屬性(如棲息地面積、物種豐富度)作為指標(biāo)，結(jié)合指標(biāo)變化情況(如棲息地面積增減、物種豐富度升降)與水循環(huán)變化情況繪制生物物理響應(yīng)曲線見圖4。社會(huì)變化預(yù)測(cè)同生物物理預(yù)測(cè)類似，由相關(guān)領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)成員選擇社會(huì)性指標(biāo)(如影響人類健康的水質(zhì)指標(biāo)、影響漁民收入的魚類指標(biāo)等)繪制社會(huì)響應(yīng)曲線用于評(píng)估河流水文變化對(duì)社會(huì)效益造成的影響。

圖4 生物物理響應(yīng)曲線

結(jié)果分析階段應(yīng)用DRIFT軟件匯總信息獲取階段各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從不同學(xué)科、不同研究點(diǎn)、不同情景以及不同時(shí)間段4個(gè)角度對(duì)不同模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以魚類分析為例，魚類以藻類及底棲動(dòng)物為食，同時(shí)各物種受到不同類型流量及環(huán)境因子影響，魚類豐富度會(huì)對(duì)河流周邊居民生存及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生影響，根據(jù)各學(xué)科專家意見及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，總結(jié)各項(xiàng)與魚類相關(guān)的物種、流量及生態(tài)系統(tǒng)成分并繪制鏈接圖(圖5)，各條連接線均通過DRIFT軟件繪制類似圖4的響應(yīng)曲線，通過軟件分析可獲得各條響應(yīng)曲線的最優(yōu)解，多項(xiàng)指標(biāo)的響應(yīng)曲線進(jìn)一步綜合即可結(jié)合評(píng)級(jí)表(表1)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而總結(jié)不同情景下適宜環(huán)境流量以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。在此階段，經(jīng)濟(jì)學(xué)專家會(huì)對(duì)各方案下的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行對(duì)比，用于補(bǔ)充各場(chǎng)景下的經(jīng)濟(jì)效益信息。研究團(tuán)隊(duì)匯總生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果，最終形成報(bào)告。

圖5 社會(huì)-物種-環(huán)境因子關(guān)系鏈接

表1 生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)級(jí)

3 DRIFT法應(yīng)用案例

3.1 奧卡萬戈河流域水資源規(guī)劃

奧卡萬戈河是非洲南部第四長河流，起源于安哥拉，由西北向東南流進(jìn)博茨瓦納北部喀拉哈里沙漠，形成巨大的內(nèi)陸三角洲，為當(dāng)?shù)貛韺氋F的生態(tài)環(huán)境資源。該河流開發(fā)程度較低，生態(tài)系統(tǒng)處于天然狀態(tài)，具有全球標(biāo)志性的濕地及野生動(dòng)物棲息地[54]。然而流域周邊城市經(jīng)濟(jì)落后，開發(fā)利用該流域水資源成為社會(huì)發(fā)展的重要途徑。在此背景下，流域周邊國家政府同全球環(huán)境基金會(huì)在2010年啟動(dòng)了流域跨界診斷分析項(xiàng)目用于解決奧卡萬戈流域環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)管理問題。該項(xiàng)目的核心是應(yīng)用下游河道對(duì)流量變化響應(yīng)法DRIFT完成流域內(nèi)環(huán)境流量評(píng)估工作。傳統(tǒng)環(huán)境流量評(píng)估工作在工程建設(shè)產(chǎn)生環(huán)境問題后進(jìn)行，而該項(xiàng)目在目標(biāo)河流處于天然狀態(tài)前提下，應(yīng)用DRIFT場(chǎng)景開發(fā)功能預(yù)測(cè)不同水資源開發(fā)利用程度對(duì)奧卡萬戈河產(chǎn)生的各類影響并設(shè)置相應(yīng)戰(zhàn)略發(fā)展方案解決預(yù)測(cè)問題，達(dá)到在保護(hù)河流生境前提下發(fā)展經(jīng)濟(jì)的目的。

奧卡萬戈河環(huán)境流量評(píng)估工作主要分為設(shè)定研究基礎(chǔ)、開發(fā)模擬場(chǎng)景、模擬場(chǎng)景流動(dòng)機(jī)制、繪制指標(biāo)響應(yīng)曲線、考慮氣候變化影響以及形成結(jié)果分析報(bào)告等6條主線任務(wù)。設(shè)定研究基礎(chǔ)階段包括成員國家派遣水文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多方面學(xué)科專家組成研究團(tuán)隊(duì)，按照生物物理單元與社會(huì)單元將流域劃分為不同研究區(qū)域，按照當(dāng)?shù)匚锓N特性、社會(huì)屬性及水文過程選擇相應(yīng)指標(biāo)。場(chǎng)景開發(fā)方面該項(xiàng)目選擇了四類場(chǎng)景，包含三類開發(fā)方案及現(xiàn)狀場(chǎng)景。各場(chǎng)景下流域上游集水區(qū)水文過程應(yīng)用降雨-徑流模型模擬，水文情勢(shì)通過年均徑流量，旱季開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)長、最小5日流量，汛期類型、開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)長、5日峰值流量、徑流量等9類指標(biāo)評(píng)估；三角洲部分的水文過程應(yīng)用MIKE11水動(dòng)力模型模擬，選擇各場(chǎng)景下形成的沼澤、淹沒區(qū)、干旱區(qū)等棲息地情況作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在生物物理變化預(yù)測(cè)上，DRIFT場(chǎng)景開發(fā)分析得出河流健康狀況隨水資源開發(fā)程度的提高而下降。流域下游三角洲區(qū)域主要依靠上游旱季流量維持結(jié)構(gòu)與功能，在高開發(fā)程度下旱季流量嚴(yán)重下降，影響三角洲區(qū)域河流健康狀況。河流生態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)受多因素影響，但整體隨年均流量占比的下降而下降，當(dāng)年徑流量下降至天然情況的70%時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)將從C級(jí)到E級(jí)的大幅度惡化，該項(xiàng)指標(biāo)也將作為制定水資源規(guī)劃方案的重要參考(圖6)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化預(yù)測(cè)方面，流域周邊居民生活收入以及河流對(duì)國民收入的直接經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)隨著河流開發(fā)程度的降低出現(xiàn)明顯下降，該項(xiàng)結(jié)果為工程建設(shè)后對(duì)受影響居民的補(bǔ)償提供標(biāo)準(zhǔn)。

a)河流生態(tài)等級(jí)預(yù)測(cè)

3.2 贊比西河下游河流修復(fù)工作

贊比西河是非洲南部第一大河，河流發(fā)源于安哥拉東部高原，下游流經(jīng)莫桑比克并注入印度洋。贊比西河在未開發(fā)利用前養(yǎng)育了12 000 km2植被群落，是非洲南部最大的濕地系統(tǒng)，為眾多食草性動(dòng)物提供棲息地。其次，贊比西河下游三角洲區(qū)域?yàn)楫?dāng)?shù)鼐用裉峁┴S富的魚類資源，推動(dòng)發(fā)展?jié)O業(yè)、糖業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)莫桑比克的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用[56]。1959年卡里巴壩以及1974年卡奧拉巴薩大壩水電站在贊比西河中游及下游建設(shè)運(yùn)行破壞了河流下游天然水文節(jié)律，加之下游防洪堤壩建設(shè)及多年國家內(nèi)戰(zhàn)消耗，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞[57]。2003年，贊比西河三角洲南岸被《拉姆薩爾公約》確定為國際重要濕地，政府開始規(guī)劃恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，權(quán)衡各方用水關(guān)系，確定恢復(fù)河流健康的環(huán)境流量是改善贊比西河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的重點(diǎn)工作。

該項(xiàng)目根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷不同流量類別受卡奧拉巴薩大壩建設(shè)的影響程度，選取旱季低流量、年均洪水以及5年一遇極端洪水作為三項(xiàng)重點(diǎn)水文過程類別用于環(huán)境流量評(píng)估。應(yīng)用已有專家學(xué)者開發(fā)的模型模擬贊比河下游不同水文過程情況[58]。根據(jù)政府機(jī)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)組織及利益相關(guān)者意見選取15項(xiàng)指標(biāo)作為環(huán)境流量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(圖7)，各項(xiàng)指標(biāo)將用于定量描述研究區(qū)域河流修復(fù)前的狀況、河流當(dāng)前狀況以及預(yù)期治理目標(biāo)。各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估信息匯總至DRIFT數(shù)據(jù)庫形成結(jié)果矩陣用于權(quán)衡各方用水者利益以及評(píng)估各流量調(diào)度方案對(duì)研究區(qū)域的影響。

圖7 環(huán)境流量評(píng)估指標(biāo)

以年內(nèi)洪水為例，從環(huán)境流量大小、工程調(diào)度時(shí)間及流量釋放持續(xù)時(shí)間三方面設(shè)置18項(xiàng)場(chǎng)景(表2)，應(yīng)用DRIFT模擬各項(xiàng)場(chǎng)景并根據(jù)環(huán)境流量評(píng)估指標(biāo)情況變化情況完成生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖8。研究表明，相比于恢復(fù)旱季低流量及5年一遇極端洪水，通過卡奧拉巴薩大壩調(diào)度恢復(fù)年內(nèi)洪水更有助于贊比西河下游生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。年內(nèi)小洪水強(qiáng)度對(duì)河道內(nèi)航運(yùn)影響較小，能為魚類提供遷徙場(chǎng)所與刺激性產(chǎn)卵信號(hào)，為水棲動(dòng)物創(chuàng)造新的覓食機(jī)會(huì)，調(diào)控洪泛區(qū)水位，提高河流生態(tài)系統(tǒng)自凈能力。研究結(jié)果為贊比西河下游生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供有效途徑，為中上游水利工程生態(tài)補(bǔ)償調(diào)度方案的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

表2 恢復(fù)年度洪水情景[59]

圖8 恢復(fù)年度洪水情景下生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)[59]

4 結(jié)論與展望

應(yīng)用下游河道對(duì)流量變化響應(yīng)法可以從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益三方面對(duì)不同環(huán)境流量場(chǎng)景下區(qū)域發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行有效評(píng)估。目前中國對(duì)環(huán)境流量整體法有一定的嘗試應(yīng)用，但對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)補(bǔ)償研究的融合仍缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此DRIFT在中國具有較好的應(yīng)用前景。目前中國對(duì)于DRIFT法的應(yīng)用研究還存在以下問題：①對(duì)整體法理論分析及實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足；②國內(nèi)河流眾多，部分河流缺少長時(shí)間序列水文數(shù)據(jù)及生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料；③缺少公眾參與度及多學(xué)科專家學(xué)者合作基礎(chǔ)。未來可從以下方面對(duì)該方法進(jìn)行深入學(xué)習(xí)及改進(jìn)：①根據(jù)不同研究區(qū)域及研究目的因地制宜選擇相應(yīng)評(píng)估指標(biāo)，逐步積累經(jīng)驗(yàn)形成適合中國各地區(qū)河流環(huán)境流量研究指南；②嘗試多類水文模型與DRIFT法進(jìn)行耦合聯(lián)用，將降雨、氣候變化等多類環(huán)境因子融入環(huán)境流量評(píng)估中；③設(shè)置成果數(shù)據(jù)歸檔流程，及時(shí)更新檢測(cè)數(shù)據(jù)，提升流量評(píng)估準(zhǔn)確性，共享各區(qū)域場(chǎng)景開發(fā)信息，逐步提高研究效率，降低成本。