河道内生态需水研究中的栖息地模拟方法

河道内生态需水研究中的栖息地模拟方法

陈庆伟1，齐珺2

（1. 水利部综合事业局，北京 100053；

2. 北京市环境保护科学研究院，北京 100037）

摘要：本文主要介绍了生态需水计算中的栖息地模拟法，栖息地模拟法是根据指示物种所需的水力条件确定河流流量，目的是为水生生物提供一个适宜的物理生境。代表方法包括IFIM 法(Instream Flow Incremental Methodology)，CASIMIR法（Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations）等，其中IFIM应用最为广泛。IFIM法利用水力模型预测水深流速等水力参数，然后与生境适宜性标准相比较，计算适于指定水生物种的生境面积。

关键词：生态需水；IFIM；栖息地模拟

Habitat simulation of the research of Instream

environmental flow

Chen Qingwei1, Qi Jun2

(1. Bureau of Comprehensive Development, MWR, Beijing 100053;

2. Beijing Municipal Research Institude of Environmental Protection, Beijing 100037) Abstract: Habitat simulation is a way to determine the stream flow which based on required hydraulic conditions of indicated species. The purpose is to provide a suitable physical habitat for the aquatic. Representative methods include IFIM (Instream Flow Incremental Methodology), CASIMIR (Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations). IFIM is the most widely used one. IFIM employs hydraulic models to predict the hydraulic parameters, then compare it to the criteria of suitable habitat, and calculate suitable habitat area for indicated species.

Keywords:Environmental flow;IFIM;Habitat simulation

1 引言

河流除生活用水、工业用水、农业灌溉、航运、泄洪等功利性功能外，还有一类重要的功能，那就是生态环境功能，如水生生物和珍稀物种的生存、补充土壤水分、纳污等。

水是维持河流系统和谐结构和使之发挥正常功能的介质和动力[1]。河流系统功能通常包括生态功能、环境功能和资源功能等。维持和保护河流生态环境平衡，就是要在水资源开发利用过程中，把河流系统作为一个有机整体，兼顾河流的经济、环境和生态功能，使三者协调发展[2]。然而，长期以来人们对河流水资源的开发利用集中于农业、工业和生活等方面的需要，对维护河流生态环境平衡所需要的水量没有给予足够重视，过量的开发河流水和占用水资源的生态空间，使河流系统的结构和功能遭到破坏，加速了水资源危机，致使生态环境恶化。针对这一事态，国内外一些学者便展开了对河流生态需水量的研究，并取得了一些进展。

生态需水的概念有不同的表示方法，包括：河道内流量（Instream flow）、环境流量（Environmental flow）、生态流量（Ecological flow）、最小流量（Minimum flow）、生态需水（Ecological water requirements）、环境需水（Environmental water requirements）、河道流量目标（River Flow Objectives）。各种表示方法的内涵相似，研究思路和方法也大体相

作者简介：陈庆伟（1977-），男，河南周口人，工学博士，主要研究方向：水资源管理. E-mail: cqw@https://www.360docs.net/doc/0c8471646.html,

仿。国外大多用河道内流量表示生态需水，特别是在北美地区，都统一称为河道内流量。英国大多用河道流量目标表示生态需水，另外几种表示方法是用较少，只是部分学者曾经使用过。国内一般称为生态需水，国外并没有完全相同的表示方法。

河道生态需水，是指维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存，以及保护和改善河流水质、维持河流水沙平衡、水盐平衡和河口地区生态环境平衡所需的水量[3]。河流生态需水研究是建立在对河流生态系统结构认识的基础上，在保证河流生态系统的完整性或者可允许程度上的退化前提下，分析河流生态系统的外部可供水量以及河流生态系统的需水量。简言之，河流生态需水也就是分析应该为下游河道和河漫滩预留多少水，以维护河流生态系统的健康。

生态需水的研究始于20世纪40年代的美国西部，到了上世纪70年代，由于相关法律法规的颁布以及建坝高潮的到来，生态需水的研究也相应的发展迅速。80年代，澳大利亚、英国、新西兰和南非等国在该方面的研究开始出现。而在东欧、拉美、非洲和亚洲，该方面的研究较少[4]。国外对生态需水的研究主要集中在河流生态系统，而对其他生态系统需水的研究较少。国内对生态需水的研究则处在起步性阶段，定性的研究较多，从野外试验或机理角度的研究较少。

目前，有将近50个国家开展了生态需水量的研究，大概有200多种研究方法，这些方法可归为四大类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法[5]-[6]。其中，水文学方法应用最广泛，几乎应用到了世界上所有的地方，Tennant法及其改进方法是其中最有代表性的方法。但水文学方法缺乏与生态系统的联系，并且其在不同地区的适应性还有待进一步研究。以流量增加法（Instream flow incremental methodology, IFIM）为代表的栖息地模拟法是另一种应用较为广泛的方法，主要应用于北美和欧洲的发达国家。整体分析法（Holistic methodology）主要用于南非和澳大利亚，该方法较为适合资料较为缺乏，生态需水和水资源配置研究处于起步阶段的发展中国家。

栖息地模拟法起源于上世纪90年代，上述方法都是其前身。栖息地模拟法在水文、水力和生物相应数据的基础上，分析不同流量条件下目标生物栖息地的质量和适宜性[7]。栖息地模拟法首先要模拟不同流量条件下的水力变量（深度、流速、底质、覆盖物和剪应力等），模拟结果还要与栖息地目标生物的生命周期和活动规律等因素相关联，并用季节性栖息地适宜性指数曲线来表示，而后根据目标生物的流量——栖息地曲线预测生态需水量。

2 栖息地模拟法

栖息地模拟法是根据指示物种所需的水力条件确定河流流量[8]，目的是为水生生物提供一个适宜的物理生境。因为生境方法可定量化，并且是基于生物原则，所以目前被认为是最可信的评价方法，代表方法包括IFIM法(Instream Flow Incremental Methodology)，CASIMIR 法（Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations）等，其中IFIM应用最为广泛[9]。迄今为止，IFIM法被认为是生态需水计算方法中最复杂和最具科学依据的方法，并且IFIM法还促成了几种类似方法的出现。历史上曾经出现过60种左右的栖息地模拟方法，使得该方法称为仅次于水文学方法的生态需水计算方法，但是大多数仅仅在某些区域有少量运用，而没有进一步发展。

2.1 IFIM法

IFIM是一种解决问题的概念与方法，增量(Incremental)意指逐渐增加流量以探讨系统的

逐步反应。IFIM 是20世纪70年代，美国渔业及野生动物署(U.S. Fish and Wildlife Service)为了保护鱼类栖息地及其种群结构所发展的方法[9]，到80年代各州广泛采用作为计算各种鱼类所需的流量。IFIM 最初应用在鱼类及底栖无脊椎动物，主要是在美国西北部各州的冷水性河系。直到最近几年，才将此方法扩展到低海拔，温水性河系，以及应用在河岸植物和河道内鱼类活动。IFIM 法利用水力模型预测水深流速等水力参数，然后与生境适宜性标准相比较，计算适于指定水生物种的生境面积。该法不仅可用于水生生物需水评价，也适用于景观、娱乐等功能需求。宏生境与微生境被综合考虑，共同来确定指示生物的适宜性面积，宏生境因素包括流量状态、河道结构、水温、水质4个方面，微生境因素包括水面高度、流速、基质和河面覆盖等。

PHABSIM 模型是根据河道水流增量法(Instream Flow Incremental Methodology ，简称IFIM)概念架构而建立的模型，主要包括两大部分：水动力模型(Hydraulic Model)与栖息地模型(Habitat Model)。水动力模型由IFG4，MANSQ ，WSP ，STGQS4 和HEC-2五个水力模拟程序组成；栖息地模型由HABTAT ，HABVQE ，HABTAV ，HABTAM 和HABVD 五个栖息地模拟程序组成[10]。

PHABSIM 模型是IFIM 法中最典型的模型，PHABSIM 模型首先将河道断面按一定步长分割，确定每个部分的平均垂直流速、水位高程、基质属性和河面覆盖类型等。然后调查分析指示物种对这些参数的适宜要求，绘制环境参数的适宜度曲线，根据该曲线确定每个分隔部分的环境喜好度即水位喜好度、小流速喜好度、基质喜好度、河面覆盖喜好度。最后根据计算每个断面、每个指示物种的总生境适宜性将其称作权重可使用栖息地面积(Weighted Usable Area ，简称WUA)[11]。重复计算不同流量下的WUA ，绘制成WUA 流量曲线，它能显示出流量变化对指示物种的某个生活期的影响，代表性曲线在低流量处具有一个最大值，其常作为水资源规划的依据而使用。该法是基于以下假设建立：①水深、流速、基质和覆盖物是流量变化对物种数量和分布造成影响的主要因素；②这些因素相互影响，共同确定河流微生境条件；③河床形状不随流量变化而改变；④WUA 与物种数量之间存在一定比例关系。 以PHABSIM 模型进行河川栖息地仿真及分析时，首先须执行水动力模型计算各种流量的水位以及横断面各分区的流速分布，然后透过栖息地模型中水生生物的栖息地适合度曲线找出横断面各分区的流速及水深所对应的栖息地适合度指数[7]，便可求得研究河段的权重可

使用栖息地面积(WUA)如下：[]i i i

i i A C f D f v f WUA .)(),(),(∑=

，式中i A 为研究河段第i 分区

的底床面积，)(),(i i D f v f 及)(i C f 分别为第i 分区的流速、水深及底质适合度指数，f 是由这三个指数组合而成的栖息地适合度。由于IFIM 方法将水生生物对于栖息地流速与水深的喜好性进行研究，故较传统的水文法或水动力法更能反应生物的特性与需求，因此被接受的程度较高，目前在全美即有三十八州认可此种方法，其中更有二十四州指定使用此法进行河道水流分析。PHABSIM 模型系统的水动力模型所求得的断面水深与流速分布为后续栖息地模型计算WUA 的基础，因此水动力计算的准确性对栖息地模拟的结果将有所影响。 这个方法假设每一鱼种行为方面的特质，可以被以上数个栖息地因子来定义，此外，也假设鱼类使用的面积和它的族群数量成正比的关系，也就是说某一鱼种的WUA 愈高，该鱼种适合生存的栖息地愈多，WUA 的简单计算方式是将每一方格中的使用面积计算出后，最后将所有方格的使用面积连加就可得知此鱼种在某一河域或河段的总WUA 。利用上述公式可在不同流量计算出鱼类在不同生长期间所使用的面积，同时也可利用物理性栖息地模拟的方法，来做各种不同流量与使用面积的模拟。由以上的方法，可以确定出鱼类在河中能使用

的面积与流量的关系。使鱼类经营管理者根据栖息地面积与时间变化的关系，了解栖息地瓶颈，从而得知其产卵和孵育幼鱼等栖息地面积的变化。

PHABSIM 模型提供三种方法推求水深与流量的关系，分别为①回归法(Log-Log regression)；②渠道输送法(Channel Conveyance)；③步推回水法(Step-Backwater)[12]。 回归法系利用河川某一断面过去的水文数据进行回归分析，找出流量(Q)与水深(D)的关系，其通式可表示如下：b

aD Q =，其中，a 与b 为待定系数。

渠道输送法系利用渠道某一断面的流量与水深数据，求出断面的糙度系数（曼宁系数），并以此糙度系数及曼宁公式推求此断面在不同流量的水深。由于断面的过水面积(A)及水力半径(R)均为水深(D)的函数，底床坡降为定值，故对于均匀流体存在如下关系：)(115.002D f n S R n A Q ==β，函数关系)(D f 随断面的形状和底床坡降而改变。 步推回水法系利用水面线方程，以标准步推法从下游某一起始断面逐一向上游计算各断面的水深，其控制方程式为：20111S S x x y y f j j j

j ??=??++，其中，j x 、j y 、1+j x 和1+j y 分别为第j 断面

与第j+1断面的里程距离及水深；0S 为底床坡降；f S 为摩擦坡降，2422/A R Q n S f β=；F 为傅里叶系数，gy A Q F /=；)(1,,++=j f j f f S S 。

IFIM 方法目前已被广泛使用于预测河道流量改变对下游水生生物的影响，例如美国联邦能源管理委员会(Federal Energy Regulatory Commission)即采用IFIM 作为水资源开发利用的执照核发与流量裁定的依据，其它如美国陆军工兵团(U.S. Army Corps of Engineers)、鱼类与野生动物局(Fish and Wildlife Service)、垦务局(Bureau of Reclamation)及林务局(Forest Service)等政府机关亦多所采用。

但是，也有越来越多的人对IFIM 方法提出了批评性意见。IFIM 法的假设是遭到质疑最多的地方，很多学者怀疑这些假设的有效性。栖息地适宜度曲线的生成和在不同地方运用、宏生境组分的划分、WUA ——流量曲线的理论依据以及该方法对于生态预测能力的缺乏，都受到不同程度的质疑。

2.2 其它栖息地模拟方法

自IFIM 法出现以来，有部分学者开发了类似的栖息地模拟方法，这些方法被认为在未来具有应用潜力。

新西兰农业部和劳动发展部开发的RHYHABSIM 模型（River Hydraulics and Habitat Simulation Program ）（Jowett ，1989）[13]，是PHABSIM II 的简化版，具有类似的组成部分，所需数据也大体类似。RCHARC(Riverine Community Habitat Assessment and Restoration Concept)[14]曾经被用于美国的密西西比河，也是IFIM 的发展，该模型也是根据类似的理论，也就是河道形态的改变造成的流速和水深的变化能够改变生物区的适宜性。德国开发的CASIMIR 法（Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations ）[15]已经成为颇受关注的栖息地模拟方法，该方法包括栖息地模型、时间序列分析模型和经济分析模型，用以模拟水流参数和主要生态指标，以及与水力相关的栖息地的质量，新的模型还综合了河滨带植物群模拟模型。法国开发的EVHA （Evaluation of Habitat Method)（Ginot ，1995）[16]与PHABSIM 类似，只是单位和计算河床底质适宜度的方法不同，EVHA 的计算公式为：

SI

2.0DOM

DOM

SI

SI+

BIG

(

)

4.0

(

)1

(

4.0

)2

+，其中，BIG表示最大河床底质部分所占比例，1

DOM表示此主导河床底质覆盖度。另外，EVHA使用DOM表示主导河床底质覆盖度，2

单独的水力模型和Limerinos方程进行水动力模拟。EVHA适用于鲑鱼较多的河流，在几个欧洲国家有一些应用。挪威开发的RSS（River System Simulator System)（Alfredsen，1998）[17]结合了水文、水力和栖息地模拟模型，可以模拟有水电工程调节的河流。

3 结论

栖息地模拟法利用关键指示生物来反映河流的健康状况，但是要选择合适的指示生物非常困难，甚至在有些国家根本就没有河流生物区的数据。虽然栖息地模拟法能够用于模拟很多物种和行为，但并不能用来模拟河滨带植被等生物，也没有关注河道形态的长期变化带来的问题。流量的变化造成的水力参数改变是生物相应改变的原因，这是栖息地模拟法重要假设，也是该方法的基础。但是很多学者认为这个假设有很大的局限性或者是不太妥当。很多栖息地模拟方法还处于初级开发阶段，还需要进行严格的检验和校核。

栖息地模拟法能够模拟流量的增加对栖息地的影响[18]，并产生动态的水文和栖息地时间序列数据，能够用这些数据来验证不同的生态环境用水对目标生物生命周期和聚集习性的影响。而不像其它方法仅仅给出最小的生态需水或者简单给出一个生态需水的区间[19]。特别是随着二维和三维水力模拟技术的提高，栖息地模拟法的输出结果的时间和空间精度越来越高，也就可以更精确地反映不同河流中生物区的水力状况。

栖息地模拟法是当前较流行的河道生态需水计算方法，但是其理论基础、原理方法有待进一步探索。今后，需要加强以下几个问题的研究：生态需水量的理论机制与计算方法研究，河流系统中尤其是水生生物生态需水量等的定量化研究[20]；研究植物和动物对水分需求的机理，生态系统受水分胁迫最大的时段和在这一时段生态系统对水分需求的特性，合理地计算维持生态系统的需水量，以增加生态需水计算的实用价值[21]；应该进行全面的野外试验，进一步验证栖息地模拟法的理论基础。

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