水利水电工程最小下泄生态基流计算方法浅析

马乐军，张行南，王 欢，祁昌军

(1.河海大学水文与水资源学院，江苏南京210098；2.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京210098；3.南京河海科技有限公司，江苏南京210098；4.南京水利科学研究院，江苏南京210029；5.环境保护部环境评估中心，北京100012)

天然河流的水文情势是河流生态多样性的基础，水库、水电站等水利水电工程的建设和运行改变了河流的天然属性，引发工程下游河道出现生态系统功能减弱、水环境质量下降等一系列生态环境问题[1- 4]。为缓解水利水电工程建设与下游河道生态保护的矛盾，自2003年始，国家出台多部环境保护法律法规及技术导则，明确提出水利水电工程应进行生态用水补偿措施，需对生态系统进行严格的保护。应用较广的是2006年《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行) 》(以下简称“指南”)，指南规定了水利水电工程下泄生态基流计算的方法，提出最小下泄生态基流的下限值不得低于多年平均流量10%的规定[5]。这些法律规范的制定从根本上确立了水利水电工程下泄生态基流的合法性，技术上明确了生态基流计算准则，对实际工作有很好的指导作用。然而，这些规范对于水利水电下泄生态基流的概念尚未明确，河道内计算方法选择尚未提出明确的规则。为此，陈敏建[6]等分析了我国区域的生态问题，并总结出不同区域生态需水类型，王浩[7]等针对不同的生态需水类型，引入并改进了多种适宜我国国情的生态需水计算方法，提出了我国分区域生态用水标准。马乐军[8]等考虑水利水电工程对下游的影响，提出下泄生态基流的概念。这些成果丰富了我国生态需水理论及方法体系，但研究主要以流域为对象，对河道内生态需水分析计算仍需进一步研究。因此，针对生态基流计算方法空间尺度的变异性， 研究不同区域、不同断面适宜计算方法，构建最小生态基流计算方案，具有十分重要的理论意义和实用价值。

目前研究多针对局部地区开展，计算方法应用较多，结果的合理性论证尚需进一步探索，亟需开展最小生态基流计算方案的研究，提出一套生态基流计算管理体系，供管理决策使用。本文在分析国内外生态基流计算方法的基础上，通过构建最小下泄生态基流计算方案，提出了在时间上及空间上分步分级确定生态基流的思路，计算方案可为生态基流分区的构建提供技术支撑，为水利水电环境影响评估工作提供决策支持。

1 河流生态基流计算方法概述

1.1 国外计算方法概述

河道生态基流估算自20世纪40年代开始，至今大致可分为水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法四大类[9-12]：

(1) 水文学方法 。该法(也称“水文指标法”或“历史流量法”)是生态需水评价中最常用的计算方法，它以历史流量数据的百分比来确定生态基流。水文学方法种类较多，Tennant 法、Texas法、7Q10法、基本流量法、可变范围法(RVA)等是比较具有代表性的方法[13-17]。

(2) 水力学方法。它以曼宁公式为基础，通过构建河道水力参数与流量的相关关系，分析生态流量。目前应用较广有湿周法、R2CROSS法。湿周法认为鱼类食物量大小与河流流量成比例，根据生态基流的定义，通过建立湿周与流量的关系曲线，寻找湿周变异较大的点，即生态基流量。R2CROSS法认为浅滩是河流栖息地完整性的零界点，保护浅滩栖息地即同时保护了河流生态系统最极限的状态[18]。

(3) 栖息地法。栖息地法是对水力学方法的扩展及改进，其主题思想是选择某一种或多种指示物种代表整个生态系统，通过对目标生物生镜需求的水力条件的确定来计算生态基流的方法。代表性的方法有IFIM(instream flow incremental methodology)法，物理栖息地模拟法(The Physical Habitat Simulation Model)，CASMIR法(Computer Aided Simulation Model for Instream Regulations)等，其中IFIM法应用最广[19-21]。

(4) 整体分析法。20世纪90年代中期提出整体分析法后，该法目前是最为复杂也是精度最高的一种方法。该法从河流生态系统的整体性的角度，综合分析水文、泥沙、河流形态与河流生境之间的关系，使确定的河道流量能够同时满足上述各学科的需求。其涉及多个学科，需要一个包含多学科的专家组进行综合分析获取结果。代表方法有南非的BBM[22](Building Block Methodology)法、澳大利亚的ELOHA法[23](Ecological Limits of Hydrologic Alteration)及水文-生态响应关系法[24]。

1.2 国外计算方法适用性

目前，关于生态基流的计算方法逐渐成熟，但各种方法侧重点不同，有些方法的可移植性较差，许多研究者对生态基流四大类方法进行过分析，通常认为各计算方法的主要优缺点摘录如表1所示[7]。

水文学方法由于其操作简便，对数据的要求相对简单，在多数情况下仅要求有10年及以上的历史流量数据，不需要进行野外调查等特点，使其成为应用最为广泛的方法，比较适合作为流域层级战略性管理工具使用。水力学方法通过建立浅滩与河道水力学参数的关系，获取生态基流值；该法对天然河道的形态要求较高，目前实际应用已逐渐降低，但其对栖息地法的发展起到了推动作用。栖息地法是对水力学法的扩充，是目前而言较为复杂但计算结果相对合理的一种计算方法。该法以目标生物的生态需求为导向，将生物生境、水力学参数及河流流量进行结合，计算生态基流，比较适合单一敏感保护生物的河段。对于多种保护生物下如何综合考虑其生境目标尚需深入研究。 整体法考虑河流生态系统的整体性，整合不同行业专家经验认识和研究生态环境需水量，计算结果能够最大程度保护河流生态系统的稳定，但该法认为天然河流的水文情势是最佳的水文条件，限制了其在水库河段中的应用；同时，这种方法需要大量的生态资料支撑，资源消耗大，评价耗时较长(一般需要至少两年)，限制了其应用范围。

表1 河道生态基流计算方法特点

表2 我国生态基流计算相关技术规范

1.3 我国水利水电工程最小下泄生态基流使用方法

我国水利水电建设经过快速发展时期，目前维持河道生态系统稳定是影响社会和谐发展的主要影响因素之一。然而生态基流的计算分析较为复杂，国家有关部门在多年的管理实践中，发布了多部法律法规的同时，形成多个技术规范以指导建设工程下泄生态基流计算[25](见表2)。

上述规范丰富了我国生态基流的计算体系，推动我国水利水电工程建设下泄生态基流计算方法走向成熟。然而由于规范并未明确提出计算方法的使用方法，导致在具体实践中计算方法的选择缺乏依据，使用较为随意，多以多年平均流量的百分比(10%～20%)作为生态基流量；同时，规范间缺乏协调，不同规范推荐的计算方法计算结果差异较大。如《全国水资源综合规划技术细则需水预测部分(修订)》中推荐以90%保证率最小月平均流量法作为生态基流计算方法，而《水资源供需预测分析技术规范》则推荐95%保证率最小月平均流量法等。

因此，水利水电工程生态基流计算方法选择，应从我国国情出发，分析计算影响因素，研究计算方法使用准则，建立区域与适宜计算方法库，并开展适应性管理，修正并最终确定生态基流。

2 最小生态基流计算方法

2.1 计算影响因素

水利水电工程最小下泄生态基流，应考虑时空模式，即不同区域及时段应采用不同的方法，其主要受以下几方面因素的影响。

(1)河道水文及河流形态。河道水文主要取决于区域水文条件、干旱程度等因素，是气候类型、干湿地区等因素的综合结果，是筛选水文学方法的重要因素。河流形态受地势、地貌、土壤类型等因素的影响，地势变化对河道水力坡度、地貌类型对河道形态、土壤对河流基质条件等影响直接反映在河流水文情势差异上，进而造成河流生态系统的差异。同时河流形态也决定了水力学方法的适用性。

(2)水生保护目标。水生保护目标是生态基流计算的主要目的之一。不同的水生生物对生境的需求不尽相同，相关学者已进行了大量的研究，积累了大量的研究成果。在构建生态基流计算方案时，需借鉴相应的研究成果。

(3)水利工程调节能力。水利水电工程调节能力是工程规模、工程类型等影响因子的综合结果，不同调节性能工程对下游河道水文情势的影响差异较大。Poff等[26]研究表明，大中型水利水电工程下游河流生态多样性常趋于单一化。杨涛[27]、Chen[28]、杜河清等[29]分析了东江上游水库对下游水文情势的影响，得出径流年内分配趋于均一化的结论。

为此，在分析最小下泄生态基流时，需重点考虑河道水文及河道形态，划分计算方法的适用区域，以大型水利工程为控制节点，分析坝下是否有重要水生保护目标，进一步细化各类计算方法的适用性。

2.2 计算流程

生态基流计算方案的确定按照以下步骤逐级确定(见图1)。

图1 最小下泄生态基流计算流程

(1)构建水生态分区。区划是从区域角度观察和研究区域的差异性和相似性、分异组合、划分合并及相互关系。水生态区概念起源于美国，1987年由Omernik[30]首次提出，其实质是一定尺度下的水体分类方法[31]。研究结果表明，水生态区划在水环境管理、河流生物评价、湿地管理等方面的优势明显[32-33]。水生态区划可为管理者对同一区域内水体进行统一管理，分析适宜的计算方法[34]。因此，构建最小下泄生态基流计算方案的前提是进行水生态区划的划分。对于如何构建水生态区划，国内外学者进行了大量的研究。美国、澳大利亚、新西兰、欧盟等依据各自的情况制定了相应的水生态分区。国内水生态分区起步较晚，但发展较为迅速，从早期的自然区划阶段到生态区划，涌现了大量的区划类型。笔者认为，最小下泄生态基流区划可在借鉴已有成熟的区划上，重点分析河道生态系统差异；以水资源分区为基础，融入生态分区，划分生态区划。即，据气候、地形的差异，整合水资源一级分区，将我国划分为南部湿润地区、北方半干旱区、东北半湿润区、西北干旱区、西南高寒区等五大区划；通过分级整合水资源分区，最终形成以水资源分区为基础的河道生态基流区划。

(2)确立计算河段。在确定生态区划后，需对同一分区内河道进行分类研究，筛选出相对同质的河段。同一河段内应充分考虑水利水电工程对下游生态系统的影响，以坝址为节点，分析坝下河道有无重要水生保护目标；对于无保护目标的河段常分汛期及非汛期两类分别计算，对有重要保护目标的河段常以产卵期及非产卵期两个时间段分别计算。

(3)选择计算方法。针对具体的河道，根据计算方法的优缺点，选择适宜的计算方法计算生态基流，并对结果进行分析，论证计算方法的合理性，构建适宜计算方法库。首先分析研究区域的资料情况，论证资料是否满足各类的计算方法的需求，初步筛选适宜的计算方法。针对下游无重要保护水生生物的河段，选择水文学方法或水力学方法计算生态基流并对计算结果的合理性进行论证；在条件允许的情况下，可以考虑用生态水力学方法或者整体分析法分析计算结果的合理性。针对下游有重要保护生物的区域，需充分考虑保护生物的产卵特性，采用栖息地法或整体法分析满足保护生物产卵特性的最小下泄生态基流(过程)。

(4)确立计算结果。分区域选择适宜的计算方法后，仍需通过适应性管理的方式，依据生态系统保护情况，调整生态基流量(过程)；增加生态系统监测力度，建立生态基流随时间的关系曲线，调整并细化适宜计算方法库，动态更新生态基流值。

3 结 论

水利水电工程最小下泄生态基流计算已从单一的引进水文学方法到多种方法综合运用，并提出了多种适用我国国情的计算方法。虽然理论上计算方法已逐渐成熟，但各计算方法适应性研究稍显粗糙，有待进一步深入研究。当前水利水电建设项目的环境影响评价多采用Tennant法，以多年平均流量的10%为基础，结合敏感保护目标确立生态基流量，对如何确定最小下泄流量标准仍是未解决的问题。近年来，随着我国泥沙、水质、生物等监测资料逐步丰富，可开展的计算方法逐渐增多，亟需构建生态基流指标体系，开展多方法比选工作，建立生态基流适宜方法库，提出生态基流计算方案，确立生态基流计算标准。

本文以现有的研究成果为基础，以确立水利水电工程项目下泄生态基流为目标，梳理了国外生态基流各类计算方法及存在的不足，分析现有政策法规运用现状及存在的问题，尝试提出分区域分级确定适宜计算方法的计算模式，为确立生态基流标准提供技术支撑。研究成果尚未考虑到生境随时间的变化，未来尚需加强生境的监测与研究，完善生态基流计算体系的研制。