2.2　河流环境流量理论框架研究

2.2.1　河流环境流量的界定

20世纪40年代，河流生态流量的研究开始在美国西部出现，起初美国学者认为河流生态流量即维持河流生态系统正常运行的最小河道流量。到60年代，加拿大、澳大利亚、南非以及法国等国家提出了“河流最小环境流量”和“河流最适宜环境流量”的概念。随后至20世纪90年代，Gleick提出“基本生态需水量”的概念。随着世界各国学者在该领域研究的不断开展，且由于研究对象和内容的侧重点有所不同，衍生出了许多与其相关的概念，学者自己并做出了界定，如“生态环境用水”“基本生态需水量”“河流生态环境需水”“河流系统生境需水”等不同的专业术语。虽然名称有所不同，但这些定义的基本内涵是大致相同的，都旨在说明维持天然生态系统平衡和物种多样性所需要的一定水量。因此，到目前为止一个统一的河流生态流量定义还没有形成。河流生态流量的异名词内涵见表2-2。

根据河流生态系统完整性和河流生态环境功能，笔者大胆认为，河流生态流量是指河流生态系统随着不同时间、空间、气候和季节等影响因素的变化下，为维持河流生态系统功能完整性、物种多样性、生物群落适宜性和群落结构丰富性等所需的一定水质前提下的合理水量。河流生态流量的值是一个临界值，同时也是不固定的，是动态的，具有过程性和变化性。

综上可知，河流生态流量不仅水量要满足河流生态系统的需求，同时水质也要满足生物种群的要求。当某时期河流内水量和水质数据值刚好达到河流生态流量值时，该时期的河流生态系统处于健康状态；当河流内水量和水质超过这一临界值时，河流生态系统则呈现出稳定的发展趋势，初级生产量也会有增加的演替走向，促使整个系统的循环保持正向循环状态；相反的，水量和水质达不到临界值时，河流生态系统将面临衰弱和败落，最终走向断流、干涸甚至是沙漠化。因此，水的数量和质量必须同时达到河流生态流量的标准，只有这样，河流生态系统完整性、物种多样性的生态目标才得以达成。

随着河流开发等人类活动日益加剧，造成河流水流情势发生变化，影响河流生态系统的健康发展，探索最佳河流环境的标准成为目前科学研究的一大热点，表征河流水流情势变化特征的环境流量研究应运而生。目前，国内外学者关于河道内环境流量还没有形成一个公认的定义。美国大自然保护协会（The Nature Conservancy，TNC）认为，环境流量是从河流自身结构功能出发，不包括社会、经济等其他关系的用以维持河流生态系统健康和生态环境稳定所必需的流量及其过程，包括流量大小、频率、发生时间、历时及变化率等河流水流情势的主要特征，是河流生态系统可持续发展的驱动力。

河道内环境流量作为河流生态系统健康的评价指标，其内容应反映河流生态系统的完整性与多样性，图2-2以最小、最大和适宜环境流量从河流水生生物对水流的耐受程度方面阐明了河流生态系统与河道内环境流量存在的关系，也说明了河道内环境流量不仅仅是一个值而是代表了维持水生生物完整生活史的范围。

由图2-2可以看出，最小环境流量是满足河流生态系统健康和稳定所允许的最小流量过程，其意义是要保证在不引起生态系统退化下水生生物可自行恢复的最低要求；最大环境流量是满足河流生态系统健康和稳定所允许的最大流量过程，其意义在于使河流径流维持一定的天然的季节性变化，不至于受到水库调度影响而趋于平坦化，当河道内环境流量小于最小环境流量或大于最大环境流量时，生物处于不能忍受带，生物无法生存，生态系统遭到破坏；适宜环境流量是维持物种多样性及生态系统健康和稳定的最适宜的流量过程，其意义主要区别于最小和最大生态径流的极限过程，而是一种更加适宜的随机变化的径流过程。

环境流量的计算方法有很多，由于国情、水情、河流条件等不同，在实际运用中大多数方法受到制约。综合研究河段的基本情况及研究目的，本书选用最有代表性的逐月频率法和IHA-RVA法。

2.2.2　环境流量基本特性

根据河流生态系统的特性，河道内环境流量的基本特性主要表现为4个方面，具体见表2-3。

2.2.3　河流环境流量评价方法

纵观河流生态流量的研究成果，可发现关于河流生态流量的计算方法种类有很多，大约有200多种，从类型上大致可分为4类：水文学法、水力定额法、生境模拟法、综合分析法[75]，见表2-4。

水文学法又称为历史流量法，顾名思义就是通过多年的长期历史流量资料数据推导出河流生态流量推荐值，用这些水文指标来表示以最小的水量来维持地表河流的基本生态功能。该类方法比较简便，操作起来也比较容易上手，也是被用于实践中最为普遍的一类方法，但没有对河流的情况进行具体的设定，缺乏针对水生生物在各个特定时期对流量大小的需求和各类生物之间的互相影响，准确性不高，适合那些对生态系统认识不够或对实验结果要求不精用于检验其他方法。主要包括Tennant法（Montana法）、流量历时曲线法（Flow Duration Curve Method）、枯年天然径流估算法、Texas法、RVA法、7Q10法等。

水力定额法的应用需要详细的水力实测参数，包括湿周、流速、水深和横断面系列参数等，用来分析流量变化对生物的影响。但由于运行所需的数据比较全面且真实，数据的实测有困难，这使得水力定额方法的实施出现难度，发展也比较缓慢，但其可为生境模拟法和综合分析法提供技术支持。主要包括河道湿周法（Wetted Perimeter）、简化水尺分析法、WSP水力模拟法、R2CROSS法等。

生境模拟法是用于分析生物生存的生活环境水力要素对自身的适宜程度的影响程度，譬如适宜温度、适宜水深、适宜含沙量、适宜溶解氧含量等，这些参数的测量和取值都具有一定的阻碍，且需要大量的人力、物力和财力，科学性最高却也往往困难重重。该方法是建于自然生态的基础之上，是针对某种或某几种水生生物的栖息地生境还原而言的，而不是考虑整条河流或流域的生态环境规划和保护，因此生境模拟法具有较强的针对性，不适宜用来作为管理整条河流或流域的指导方案。主要包括河道内流量增加法（IFIM法）、有效宽度法（Usable Areas，UW）、加权有效宽度法（Weighted Usable Areas，WUW）、CASIMIR法等。

综合分析法基于河流生态系统的整体性原则，维持河流天然功能的基础上，分析研究河流生态系统的全部水力学参数与生物群落的影响关系，力求对各类生物种群的栖息地适宜环境的保护、河流的整体性季节变化特征（汛期、枯水期、丰水期、洪峰流量等）和功能系统（净化环境、水土保持、提供栖息地、维持生物多样性等）的维持都能达到同时满足。综合分析法始终强调河流生态系统的天然性、整体性、功能性特征，精度高适用性强，适宜用来作为管理整条河流或流域的指导方案。但需要河流生态系统的各方面学科专家组的共同商讨研究才可完成，且参数的实测也有一定的难度。目前较为常见的有南非的BBM法（Building Block Methodology）、澳大利亚的综合法（Holistic Approach）以及DRIFT法（Downstream Response to Imposed Flow Transformations）。